CN101533265B - 一种回转窑煅烧过程的反馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回转窑煅烧过程的反馈控制方法。该方法包括以下步骤：对煅烧温度和回转窑转速采样值进行滤波，取滤波后数值计算回转窑煅烧过程能量因子，然后计算能量因子与能量因子给定值的偏差，简称“能量因子偏差”，该偏差值反映了回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况；根据“能量因子偏差”，采用PI控制算法调整回转窑转速，实现回转窑煅烧过程的反馈控制。该方法针对回转窑产品质量不可在线测量的问题，采用“能量因子偏差”量化衡量回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况，并根据该偏差的大小调整回转窑转速，实现回转窑的反馈控制。

Description

一种回转窑煅烧过程的反馈控制方法

技术领域

本发明涉及回转窑煅烧控制技术领域，具体涉及一种回转窑煅烧过程反馈控制方法。

背景技术

回转窑过程往往伴随多变量强耦合、不确定时变、大时滞强非线性等特点，因而其控制难度很高。国外大公司往往通过专家系统等智能控制方法实现回转窑的分层递阶控制，或者采用产品质量在线分析仪实现物料配比等反馈控制，可有效解决回转窑过程的控制问题。但全套引进回转窑控制设备价格昂贵，难以在我国大面积推广。

目前，我国大多数回转窑企业还处在单纯的技术改造这一层次，控制方式多采用PID算法或模糊控制算法的单闭环控制，且因成本通常没有安装产品质量在线传感器，无法形成质量反馈的闭环控制。因此，产品质量的软测量是实现回转窑煅烧过程在线控制的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种回转窑煅烧过程的反馈控制方法。该方法立足于我国回转窑企业实际情况，针对回转窑产品质量不可在线测量的问题，采用“能量因子偏差”量化回转窑煅烧过程偏离预定工作点的程度，从而间接估计产品煅烧质量，实现回转窑的自动控制。该方法的主要步骤包括：

1)对煅烧温度和回转窑转速采样值进行滤波，取滤波后数值计算回转窑煅烧过程“能量因子”，然后计算“能量因子”与“能量因子给定值”的偏差，简称“能量因子偏差”。该偏差值反映了回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况；

2)根据“能量因子偏差”，采用PI控制算法调整回转窑转速，实现回转窑煅烧过程的反馈控制。

本发明所采用方法能在线衡量回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况，并实现回转窑的自动控制。

上述方法中，所述“能量因子偏差”的计算包括如下步骤：

煅烧温度和回转窑转速的采样与滤波；

能量因子计算；

“能量因子偏差”计算。

上述方法中，煅烧温度采样周期Δ_s决定于回转窑转动一周所需的最大时间t_r，并满足Δ_s＝[t_r/N_s]，其中N_s取6～20，[*]为四舍五入取整。

上述方法中，第k时刻能量因子N_u(k)的计算方式为： $N_u\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\τ}(k-j)\·e^{\frac{C}{T(k-j)}}),$

其中，τ(k-j)、T(k-j)分别为第k-j时刻的回转窑转速和煅烧温度滤波后数值，参数M取值满足M·Δ_s≈(3～10)t_r。

上述方法中，第k时刻“能量因子偏差”e(k)＝N_g-N_u(k)，其中，N_g为能量因子给定值。

上述方法中，能量因子给定值 $N_g={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}}\·e^{\frac{C}{T_{\mathrm{ref}}}},$ 其中τ_ref、T_ref分别为回转窑转速参考值和煅烧温度参考值。

上述方法中，τ_ref、T_ref为通过马弗炉实验得到的粉种在相同质量、产量要求下的最佳煅烧温度和回转窑转速，并可根据实际煅烧情况手工调整取值大小。

上述方法中，参数C根据粉种在相同质量要求、不同产量要求下的两组最佳煅烧温度和回转窑转速组合(τ_ref1，T_ref1)、(τ_ref2，T_ref2)，根据 $C=\ln \left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}1}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}2}}\right)(\frac{1}{T_{\mathrm{ref}2}}-\frac{1}{T_{\mathrm{ref}1}})$ 计算得到。

上述方法中，根据第k时刻“能量因子偏差”e(k)及历史时刻“能量因子偏差”值，按PI控制算法计算第k时刻回转窑转速 $u_{\mathrm{\τ}}\left(k\right)=\frac{1}{P}\·(e\left(k\right)+\frac{1}{T_i}\·\underset{n=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e(k-n)),$ 其中P与T_i分别为PI控制算法的比例带和积分时间常数。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：本发明针对回转窑产品质量不可在线测量的问题，采用“能量因子偏差”量化回转窑煅烧过程偏离预定工作点的程度，从而间接估计产品煅烧质量，实现回转窑的自动控制本发明已经应用于锌钡白回转窑煅烧过程的控制，可以降低回转窑控制成本，提供控制质量。目前锌钡白质量指标由每小时取样化验得到，无法及时反映自动控制的效果。因此，本发明效果评价由现场操作人员协助完成，即每10分钟左右人工判断锌钡白煅烧质量，判断结果按“颜色”分级，“蓝”、“偏蓝”、“微红”、“红”分别表示“欠烧”、“良好”、“轻度过烧”、“过烧”，其中，“微红”与“偏蓝”为表示产品煅烧质量为及格以上。自动控制期间，操作员记录煅烧产品质量情况；同时，若煅烧过程不理想，操作员可手动微调参数C。若长时间不调整参数，说明煅烧过程运行平稳，产品质量合格。自动控制系统投入运行后三个月，操作人员熟悉系统后，选2004年9月11日8:00至2004年10月10日8:00连续生产近一个月的运行记录进行统计，结果如附表1所示。从运行结果可知，当系统绝大部分时间处于自动控制运行状态，且粉种呈微蓝，表明产品质量良好。

附图说明

图1实施方式中基于“能量因子偏差”的回转窑反馈控制原理图。

图2实施方式中回转窑控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明所提出的控制方法以稳定回转窑煅烧产品质量为控制目标。

根据热统计学，煅烧反应所获能量与煅烧温度T成正比；在一定温度下，发生反应所需的平均期待时间t满足关系式(1)：

$t=a\·e^{\frac{C}{T}}---\left(1\right)$

其中，a与C均为常数。

对每一种粉种，给定质量和产量要求，可通过马弗炉实验确定最佳的煅烧温度和煅烧时间组合。由式(1)易知，回转窑过程若能保证e^C/T/t恒定，则煅烧产品质量即可达到预定要求。尽管回转窑煅烧过程受到原料水份、特性及各种生产运行条件变化等干扰因素的影响无法保证瞬时e^C/T/t恒定，但若能调整煅烧时间t，使得在一个不长的时段t₁内，e^C/T/t的积分

恒定，则该时段内，回转窑煅烧产品的平均质量将基本稳定，且质量波动幅度较小。

物料煅烧时间决定于其在窑内的停留时间，而调整回转窑转速即可改变物料在窑内的停留时间，从而调整物料的煅烧时间。且回转窑转速τ与煅烧时间t成反比关系，因此，可以稳定

为目标建立反馈控制，达到稳定产品质量的目的。

本发明引入“能量因子偏差”以量化这种积分值

与最佳值之间的偏差，以衡量回转窑煅烧过程偏离预定最佳工作点的程度，间接反映产品的煅烧质量；同时，以减小“能量因子偏差”为目标调整回转窑转速，实现回转窑运行过程的反馈控制。其主要控制原理如图1所示。控制系统的主要工作流程如图2所示。

控制流程图2中，初始化模块S1确定回转窑转速及煅烧温度的采样周期、回转窑转速控制周期及“能量因子”算法的参数(即最佳工作点)。其计算方法如1.1)～1.4)所示：

1.1)确定回转窑转动一周所需的最大时间，记为t_r；

1.2)回转窑转速与煅烧温度采用统一的采样周期Δ_s，且Δ_s＝[t_r/N_s]，其中N_s可取6～20，[*]为四舍五入取整。

1.3)回转窑转速控制周期Δ_c＝N·Δ_s，其中N取值应使N/N_s接近0.8～2。

1.4)对所煅烧的粉种，根据产品质量和产量要求，预先通过马弗炉实验确定回转窑的最佳平均转速τ_ref和最佳平均煅烧温度T_ref，作为预定工作点。

控制流程图2中，S1初始化后，按回转窑转速控制周期Δ_c循环执行S2～S5模块，实施控制。在第k个控制周期内依次完成2.1)～2.3)各功能：

2.1)S2煅烧温度、回转窑转速采样及滤波：

以采样周期Δ_s测量煅烧温度和回转窑转速值，单次控制周期内共测量N次。

煅烧温度的测量可采用热电偶或红外测温等多种方式。为克服回转窑转动所引起的温度测量噪声，本发明采用式(2)算法实现煅烧温度测量值滤波。

$T\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\hat{T}}_k\left(i\right)---\left(2\right)$

其中，T(k)为第k个控制周期中滤波后的煅烧温度值，而为第k个控制周期中的第i个煅烧温度采样值。

回转窑驱动电机通常由变频器控制，因此可直接以变频器输出作为回转窑转速输出采样值。其计算方式见式(3)。

$\mathrm{\τ}\left(k\right)=\frac{1}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{\widehat{\mathrm{\τ}}}_k\left(i\right)---\left(3\right)$

其中，τ(k)为第k个控制周期中滤波后的回转窑转速值，而

为第k个控制周期中的第i个回转窑转速采样值。

2.2)S3“能量因子”计算

本发明引入“能量因子”反映回转窑运行偏离期望工作点的情况。其计算算法如式(4)所述。

$N_u\left(k\right)=\frac{1}{M}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\τ}(k-j)\·e^{\frac{C}{T(k-j)}})---\left(4\right)$

其中，参数M取值应尽量满足M·Δ_s≈(3～10)t_r。“能量因子”参考值的计算方法如式(5)所示。

$N_g={\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}}\·e^{\frac{C}{T_{\mathrm{ref}}}}---\left(5\right)$

参数C对不同粉种取值不一，其计算方法如2.2.1)～2.2.2)所示。

2.2.1)对该类粉种，给定质量要求，通过马弗炉实验确定两组不同产量下的最佳的煅烧温度和煅烧时间组合，分别为(T_ref1，τ_ref1)和(T_ref2，τ_ref2)。

2.2.2)根据式(6)计算参数C。

$C=\ln \left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}1}}{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ref}2}}\right)(\frac{1}{T_{\mathrm{ref}2}}-\frac{1}{T_{\mathrm{ref}1}})---\left(6\right)$

2.3)S4回转窑转速输出值计算

回转窑转速计算方法如2.3.1)～2.3.3)所示。

2.3.1)按式(7)计算“能量因子”偏差e(k)。

e(k)＝N_g-N_u(k)    (7)

2.3.2)按式(8)计算回转窑转速输出u_τ(k)。

$u_{\mathrm{\τ}}\left(k\right)=\frac{1}{P}\·(e\left(k\right)+\frac{1}{T_i}\·\underset{n=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e(k-n))---\left(8\right)$

其中P为比例带，T_i为积分时间。有关PI参数的设置已经有很多现成的资料和方法，不属于本发明的核心内容。

2.3.2)转速输出值u_τ(k)经D/A转换后输出变频器驱动回转窑转动。

至此单次循环结束。

本发明应用于锌钡白回转窑煅烧过程的控制。由于缺乏在线质量监测仪，目前锌钡白质量指标由每小时取样化验得到，无法及时反映自动控制的效果。因此，本发明效果评价由现场操作人员协助完成，即每10分钟左右人工判断锌钡白煅烧质量，判断结果按“颜色”分级，“蓝”、“偏蓝”、“微红”、“红”分别表示“欠烧”、“良好”、“轻度过烧”、“过烧”，其中，“微红”与“偏蓝”为表示产品煅烧质量为及格以上。

自动控制期间，操作员记录煅烧产品质量情况；同时，若煅烧过程不理想，操作员可手动微调参数C。若长时间不调整参数，说明煅烧过程运行平稳，产品质量合格。

自动控制系统投入运行后三个月，操作人员熟悉系统后，选2004年9月11日8:00至2004年10月10日8:00连续生产近一个月的运行记录进行统计，产品质量记录和运行情况统计结果如表1所示。从运行结果可知，当系统绝大部分时间处于自动控制运行状态，且粉种呈微蓝，表明产品质量良好。

本发明的回转窑反馈控制方法的一典型实施例可结合图1和图2详细说明。值得注意的是，本发明的反馈控制方法实现可由熟悉过程控制的技术人员参照下面揭示的实施例轻易完成，然而，它们都应属于本发明的权利要求的保护范围。

回转窑在每次停窑检修后重新投入运行，均应手动控制一段时间，待煅烧过程平稳后再切换到自动控制运行状态。

请参见图2，实施自动控制前，应调用初始化模块S1对自动控制系统的参数进行初始化，其所初始化的参数包括：回转窑转速及煅烧温度的采样周期、回转窑转速控制周期及“能量因子”算法的参数(即最佳工作点)。各参数的计算方法已经在“发明的主要技术内容”中第1.1)～1.4)点详细列出。自动控制系统应提供填写和修改这些参数的人机界面，方便操作人员在初始化阶段设定参数初始值，并且在自动控制过程中根据产品煅烧情况在线调整各参数值。

参数初始化后即可切入自动控制状态。请参考图2的控制流程，在自动控制状态下，令k＝1，e(0)＝0(表明当前处于第1个控制周期)，然后循环完成以下步骤：

3.1)采样：以采样周期Δ_s对煅烧温度和回转窑转速进行采样。采样N次后，转3.2)。

3.2)滤波：分别按式(2)、(3)对煅烧温度和回转窑转速进行滤波，得到当前时刻的煅烧温度和回转窑转速滤波值(分别记为T(k)和τ(k))，并转3.3)。

3.3)“能量因子”计算：按式(4)计算当前“能量因子”数值N_u(k)，并转3.4)。

3.4)“能量因子”参考值计算：按式(5)计算“能量因子”参考值N_g，并转3.5)。

3.5)“能量因子偏差”计算：按式(7)计算当前“能量因子”偏差e(k)，并转3.6)。

3.6)回转窑转速输出值计算：按式(8)计算回转窑转速输出u_τ(k)，并转3.7)。

3.7)转速输出值u_τ(k)经D/A转换后输出变频器驱动回转窑转动，并转3.8)。

3.8)k＝k+1，转3.1)。

以上即为本发明的基本实施流程。

表1

持续时间	占总时间比例	产品质量人工判断结果
			参数不调整，连续自动控制运行20分钟以内	约7％～10％	蓝/偏蓝/微红/红
参数不调整，连续自动控制运行3小时以上	约85％	微蓝
			手动运行	约5％～8％	蓝/偏蓝/微红/红

Claims (4)

1.一种回转窑煅烧过程的反馈控制方法，其特征在于采用能量因子偏差量化衡量回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况，并根据该偏差的大小调整回转窑转速，实现回转窑的反馈控制，该方法包括如下步骤：

(1)对煅烧温度和回转窑转速采样值进行滤波，取滤波后数值计算回转窑煅烧过程能量因子，然后计算能量因子与能量因子给定值的偏差即“能量因子偏差”，该偏差值反映了回转窑煅烧过程偏离预定工作点的情况；第k时刻能量因子N_u(k)的计算方式为： 

其中，τ(k-j)、T(k-j)分别为第k-j时刻的回转窑转速和煅烧温度滤波后数值，参数M取值满足M·Δ_s≈(3～10)t_r，C为常数，C根据粉种在相同质量要求、不同产量要求下的两组最佳煅烧温度和回转窑转速组合(τ_ref1，T_ref1)、(τ_ref2，T_ref2)，根据 

计算得到；

(2)根据“能量因子偏差”，采用PI控制算法调整回转窑转速，实现回转窑煅烧过程的反馈控制，第k时刻“能量因子偏差”e(k)＝N_g-N_u(k)，其中，N_g为能量因子给定值，能量因子给定值 

其中τ_ref、T_ref分别为回转窑转速参考值和煅烧温度参考值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于煅烧温度采样周期Δ_s决定于回转窑转动一周所需的最大时间t_r，并满足Δs＝[t_r/N_s]，其中N_s取6～20，[*]为四舍五入取整。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于τ_ref、T_ref为通过马弗炉实验得到的粉种在相同质量、产量要求下的最佳煅烧温度和回转窑转速，并可根据实际煅烧情况手工调整取值大小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据第k时刻“能量因子偏差”e(k)及历史时刻“能量因子偏差”值，按PI控制算法计算第k时刻回转窑转速 

其中P与T_i分别为PI控制算法的比例带和积分时间常数。 

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