邵 林

(安徽冶金科技職業(yè)學(xué)院，安徽 馬鞍山 243002)

1 水泥回轉(zhuǎn)窯現(xiàn)狀

窯內(nèi)的煅燒狀態(tài)控制是水泥回轉(zhuǎn)窯控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其水泥回轉(zhuǎn)窯的燒成帶溫度調(diào)控更是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。傳統(tǒng)方法為現(xiàn)場操作人員依靠窯頭小窗窺看窯內(nèi)燃燒溫度和燃燒狀態(tài)，這種檢測方法不僅要求操作人員具有較高的工作經(jīng)驗(yàn)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了提高水泥回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)精度，減輕現(xiàn)場操作人員的工作強(qiáng)度，有必要采用現(xiàn)代智能檢測和控制方法。由于水泥回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)工藝是一個(gè)復(fù)雜的理化反應(yīng)過程，具有純滯后、大慣性和非線性等控制特點(diǎn)，水泥回轉(zhuǎn)窯內(nèi)系統(tǒng)工況復(fù)雜多變，因此難以得到精確的窯內(nèi)數(shù)學(xué)控制模型[1]。

2 建立控制模型

2.1 中值濾波

中值濾波是把序列或樣本中某點(diǎn)的值用該點(diǎn)鄰域中各點(diǎn)的中值來替代。設(shè){hx,y(x,y)∈I2}為燒成帶溫度數(shù)據(jù)值，濾波窗口為A，Px,y為窗口A在點(diǎn)hx,y的中值，則：

px,y=Med{hx,y}=Med{h(x+r),(y+s),

(r,s)∈A,x,y∈I2}

(1)

其中Med表示求一組數(shù)據(jù)的中值。由公式(1)可知，采用傳統(tǒng)的中值濾波方式，對(duì)所有的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行一次性中值濾波方法處理，這樣雖然可以解決噪聲的抑制問題，但同時(shí)也破壞了無噪聲的真實(shí)樣本數(shù)據(jù)，使得仿真細(xì)節(jié)和尖頂部分變得模糊。

2.2 中值滑移濾波

為解決中值濾波對(duì)無噪聲真實(shí)樣本數(shù)據(jù)的破壞，設(shè)計(jì)采用中值滑移濾波方法。中值濾波的核心是濾波窗口A的選取，窗口A選小了濾波效果較差，窗口A選取大了，可能會(huì)影響樣本數(shù)據(jù)的真實(shí)性[2]。根據(jù)滑移濾波理論，選取n個(gè)窗口A作為滑移數(shù)據(jù)的樣本量，分別記為A1,A2,……An，則：

(2)

其中α,β為滑移系數(shù)，一般情況下，α+β=1。由公式(1)可知，窗口A的選取與α和β值密切相關(guān)。為了提高樣本數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，本文對(duì)α和β值的選取采用自主學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，調(diào)整依據(jù)An-1/An的比值。即首先將An-1/An比值進(jìn)行模糊化處理，然后系統(tǒng)根據(jù)給定的模糊化表自主優(yōu)化α和β值，并用優(yōu)化的α和β值替換原模糊化表中對(duì)應(yīng)的值，反復(fù)循環(huán)逼近，實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)過程[3]。

2.3 模型仿真辨識(shí)

利用模糊分時(shí)控制對(duì)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行控制，需要確定窯內(nèi)燃料實(shí)際用量(CA)、回轉(zhuǎn)窯的工作轉(zhuǎn)速(KS)、回轉(zhuǎn)窯排風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速(FS)和燒成帶燃燒溫度(BZ)之間的函數(shù)關(guān)系。將現(xiàn)場采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波后進(jìn)行MATLAB仿真，在給定的回轉(zhuǎn)窯控制對(duì)象情況下，分別利用窯內(nèi)燃料

圖1 模型辨識(shí)窗口

表1 現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)

用量(CA)、窯工作轉(zhuǎn)速(KS)和排風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(FS)三個(gè)系統(tǒng)參數(shù)，使窯內(nèi)燒成帶溫度(BZ)穩(wěn)定在設(shè)定的控制范圍內(nèi)，從而確保生產(chǎn)水泥質(zhì)量的穩(wěn)定性。并在此基礎(chǔ)上分析窯內(nèi)燃料實(shí)際用量(CA)、窯工作轉(zhuǎn)速(KS) 、窯尾實(shí)際溫度(BE)和排風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速(FS)與燒成帶溫度(BZ)動(dòng)態(tài)關(guān)系[4]。將實(shí)際生產(chǎn)中所得表1的15000組相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù),在MATLAB仿真軟件的Command窗口中鍵入IDENT控制命令，出現(xiàn)如圖1所示窗口，仿真出回轉(zhuǎn)窯的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為(3)式所示。

(3)

3 水泥回轉(zhuǎn)窯模糊分時(shí)控制

3.1 模糊分時(shí)控制系統(tǒng)框圖

模糊分時(shí)控制是指當(dāng)系統(tǒng)因改變設(shè)定值或受外界干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)偏差超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的精度范圍時(shí)采用模糊控制，使系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入要求的精度范圍；當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定在精度范圍時(shí)切換到傳統(tǒng)PID控制，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制。實(shí)現(xiàn)該思路的難點(diǎn)在于切換時(shí)機(jī)的選擇上，在保證切換給系統(tǒng)帶來擾動(dòng)最小的情況下實(shí)現(xiàn)分時(shí)控制，模糊分時(shí)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 模糊分時(shí)控制系統(tǒng)框圖

3.2 模糊分時(shí)控制算法

該系統(tǒng)采用PID輸出拐點(diǎn)的判別法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的切換。系統(tǒng)監(jiān)視PID控制的輸出拐點(diǎn)，當(dāng)拐點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)判別其輸出值是否落在誤差要求的精度范圍，若落在該范圍內(nèi)則切換到PID控制。按照上述對(duì)分時(shí)控制切換的分析，結(jié)合PID輸出在調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)圍繞最終穩(wěn)定值上下振蕩的特點(diǎn)，采用誤差帶作為分時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)方法比較合理。當(dāng)PID的輸出進(jìn)入該誤差帶時(shí)切換，對(duì)系統(tǒng)沖擊較小，無論改變設(shè)定值或外界干擾帶來的系統(tǒng)超調(diào)和振蕩都能得到較好的分時(shí)控制效果?；诿娣e判別分時(shí)控制原理圖如圖3所示，通過模糊控制的調(diào)節(jié)誤差建立分時(shí)控制的誤差帶，在此建立水泥回轉(zhuǎn)窯的誤差帶為 -30℃～30℃。

圖3 模糊分時(shí)控制原理圖

圖4 模糊分時(shí)控制仿真模型

在圖3所示中， 設(shè)ΔACF的面積為SACF，ΔABC的面積為SABC，ΔCDE的面積為SCDE。兩條虛線之間表示的是滿足精度范圍要求的誤差帶δ。A、C、E三點(diǎn)分別為一個(gè)振蕩周期曲線與設(shè)定值的交點(diǎn)，B、D兩點(diǎn)分別為半周期內(nèi)的極值點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)為誤差帶邊界線上的點(diǎn)[5]。推理過程表述如下：IFSABC

3.3 仿真結(jié)果

設(shè)定水泥回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度(BZ)=1350℃，水泥回轉(zhuǎn)窯窯尾溫度(BE)=950℃，同時(shí)加50℃外部擾動(dòng)PID控制仿真如圖5和圖6所示。通過仿真結(jié)果可以得出：模糊分時(shí)控制系統(tǒng)集合了模糊和PID控制兩者的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)的快速性、超調(diào)性和穩(wěn)定性都達(dá)到比較滿意的效果。其中藍(lán)色線(上方)為燒成帶溫度設(shè)定，綠色線(下方)為窯尾廢氣溫度。

圖5 BZ=1400℃和BE=950℃時(shí)仿真

圖6 加50℃擾動(dòng)仿真

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要求，采用西門子PCS7軟件進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)。PCS7主要采用CFC、SFC和SCL作為編程語言和組態(tài)工具，用于完成傳統(tǒng)DCS中連續(xù)過程控制任務(wù)的組態(tài)。其中CFC用來實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制功能，SFC用來實(shí)現(xiàn)順序控制功能，SCL主要用來編制模糊分時(shí)實(shí)現(xiàn)的子程序。上位HMI燒成窯中的主窗口監(jiān)控部分采用PCS7集成的組態(tài)軟件WINCC 7.0編制而成[7]。監(jiān)控窗口為用戶提供了非常直觀的控制界面，操作人員可以非常方便地直接點(diǎn)擊想要控制的設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)，為不同身份登陸的操作人員提供權(quán)限限制，以防止重要的工藝參數(shù)被隨意改動(dòng)和重要的設(shè)備被誤操作。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)自投產(chǎn)運(yùn)行一年半以來，基本能夠滿足回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)的需求，水泥產(chǎn)量和質(zhì)量都達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)。但也存在著一些問題，其中回轉(zhuǎn)窯的窯溫在大的擾動(dòng)情況下波動(dòng)比較大，水泥產(chǎn)量和質(zhì)量的穩(wěn)定性有待提高。對(duì)此曾多次到現(xiàn)場了解情況，通過參數(shù)優(yōu)化在一定程度上減緩了波動(dòng)，提高了溫度控制的精度。但由于系統(tǒng)本身控制算法的缺陷，要想徹底解決這個(gè)問題，還需要進(jìn)一步的研究和探索新的方法，這也是今后研究努力的方向。