CN105182740B - 原料粉磨自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原料粉磨自动控制方法：自动状态下，振幅控制抬落辊中主要通过观察测试振幅范围，对磨辊进行抬落操作。控制水泵开度中，综合料层厚度和出磨温度的运行状况，运用pid模糊控制运算方法，调整水泵开度阀值来达到控制稳定的效果；在控制喂料量环节中，根据磨机电流和选粉机电流来控制喂料量的大小，进而稳定磨机电流和振幅；本方法避免了常规PID中不能快速跟踪参数调节问题，根据模糊控制不依赖精确数学模型，适用于非线性、大延时生产过程的特点，利用模糊PID和Bang‑Bang控制方法，加快跟踪误差收敛速度，使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，从而达到减小磨机振动、提高产量，以达到精确、快速的控制效果。

Description

原料粉磨自动控制方法

技术领域

本发明涉及水泥生产技术领域，利用模糊PID和Bang-Bang控制方法，改善立磨生产中不能快速跟踪调节从而发明的能够实际应用的一种自动控制方法。

背景技术

立磨粉磨过程是一个多变量、大延时、强耦合、非线性的过程，干扰因素多且多变量耦合，很难建立精确的系统模型来描述其变化。这使得一些控制手段难以获得良好的控制效果，如常规PID控制不能快速地跟随参数变化进行调节，以至于出现控制效果不佳的情况。本发明主要针对三个环节进行控制调节：抬落辊，水泵开度和喂料量。在水泥生产的工艺过程中，有多种因素会影响到最终产品的质量，如抬落辊抬落不及时容易导致现场跳停，需要重启立磨；水泵开度阀值调节的不合理容易导致水泥生产质量；喂料量的多少间接影响磨机电流和以上两个因素等，这些现象都是造成水泥出产的必要因素。如何保证水泥质量的稳定合格成为相关工程技术人员非常关注的问题。

而模糊控制具有不依赖于精确数学模型的特点，适用于非线性、大延时的生产过程控制。针对立磨的控制问题，本文中提出了基于Bang-Bang和模糊PID的控制器设计方法。为利用模糊PID超调量小的特点，将模糊控制和PID控制结合成模糊PID，与此同时，采用Bang-Bang控制方法以加快跟踪误差收敛速度，从而使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，达到精确、快速的控制目的。

通过立磨工艺流程分析，可将其控制问题看作以喂料环节为主，喷水环节为辅，具体可描述为

其中，x₁为主电机机电流；u₁为喂料量给定；x₂为料层厚度；x₃为出磨温度；x₄为振幅；u₂为水泵开度。

水泥生产立磨环节控制系统实现的难点主要集中在以下几个方面：

1)难以控制磨机振幅稳定在一定范围。

磨盘上的物料层必须具有足够的稳定性和保持一定的料层高度，当磨内物料变少时，磨辊与磨盘会产生频率比较大的振幅，从而导致设备跳停从而影响生产运行。

2)难以根据磨机状况来控制物料的给予以保证电流稳定。

磨内物料多时，立磨内通风不畅，磨辊与磨盘间的研磨压力增大而引起主电机电流偏高，可以通过降低喂料量来调整通风量，增加研磨压力。反之，喂料量过低时，主电机电流会相应地偏低。

3)难以准确判断磨机内料层的厚度和磨外综合因素的影响开关水泵阀度。

料层厚度较薄时，说明物料悬浮在立磨磨腔内上空，振动将加大。若料层厚度较厚时，会增加磨机振动。料层厚度还受磨内温度的影响，出磨温度过高，物料被烘干后变得非常松散，料层变薄，不容易碾压，加大振动。出口温度在70～80℃之间正常，主要通过入磨气体温度和喷水量控制，其中入磨气体温度一般变化不大。

发明内容

针对上述现有技术水泥生产过程中立磨控制方法稀少和控制力不足的问题，本发明的目的在于提供一种通过避免常规PID中不能快速跟踪参数调节问题，根据模糊控制不依赖精确数学模型，适用于非线性、大延时生产过程的特点，利用模糊PID和Bang-Bang控制方法，加快跟踪误差收敛速度，使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，从而达到减小磨机振动、提高产量，以达到精确、快速的控制效果。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明方法具有以下步骤：

将控制器软件、OPC(OLE for Process Control)Client软件以及与数据库SQL连接的配置软件以软件包形式挂在操作员站的电脑上。运行之后的自动控制软件，通过OPCClient用户界面与Freelance OPC-Server连接，并配置相应的数据库名和服务器名进行数据采集，实现与DCS控制系统通讯连接。经控制器输出的控制增量作用于被控对象，改变现场参量数值，改善现场生产状况。此控制方法如下：

通过立磨工艺流程分析，可将其控制问题看作以喂料环节为主，喷水环节为辅，具体可描述为

其中，x₁为主电机机电流；u₁为喂料量给定；x₂为料层厚度；x₃为出磨温度；x₄为振幅；u₂为水泵开度。

对于喂料主环节，本文中采用Bang-Bang控制和模糊PID控制相结合的控制方案，如式(2)所示：

其中，u为控制器的输出；v₁为Bang-Bang控制输出；v₂为模糊PID控制输出；|e(k)|为误差绝对值，阈值ε>0。

当实时值与期望值误差大于阈值ε时，为快速消除大误差，加速跟踪收敛速度，采用Bang-Bang控制，PID控制输出为0；当误差小于阈值ε时，为了保证稳态时控制精度，采用PID控制，并利用模糊推理计算PID参数。这样既保证了跟踪误差收敛至任意小的界内，又缩短了调节时间，能够获得较好的控制效果。

对于喷水辅环节，与喷水相关联的因素较多，通过分析现场操作工人的操作规则，喷水环节可只采用Bang-Bang控制方法来实现控制操作，其控制方案与喂料环节类似。

本发明的优点：提出了基于Bang-Bang和模糊PID的控制器设计方法。利用模糊PID超调量小的特点，将模糊控制和PID控制结合成模糊PID，与此同时，采用Bang-Bang控制方法以加快跟踪误差收敛速度，从而使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，达到精确、快速的控制目的。

附图说明

图1立式辊压磨粉磨系统工艺流程；

图2控制系统实现结构图；

图3 Bang-Bang控制延时判断流程图；

图4三角隶属度函数曲线；

图5喂料环节手动控制趋势曲线图；

图6喂料环节自动控制趋势曲线图；

图7喷水环节手动控制趋势曲线图；

图8喷水环节自动控制趋势曲；

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

利用立磨进行原料粉磨的工艺流程如图1所示。

针对立磨的控制问题，本发明提出了基于Bang-Bang和模糊PID的控制器设计方法。为利用模糊PID超调量小的特点，将模糊控制和PID控制结合成模糊PID，与此同时，采用Bang-Bang控制方法以加快跟踪误差收敛速度，从而使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，达到精确、快速的控制目的。

依据现场水泥行业生产实际操作经验，磨机的稳定运行主要是通过调节总量给定(喂料量)来保证：料床的稳定与否可导致主电机电流的变化，通过调节抬落辊和喷水量来使料层厚度、振幅以及出磨温度稳定在正常范围内。现场与软件连接图如图2所示。所以，可将立磨控制分为以下三个方面：

1)抬落辊，磨盘上的物料层必须具有足够的稳定性和保持一定的料层高度，当磨内物料变少时，磨辊与磨盘会产生频率比较大的振幅，自动抬辊以减小振幅频率避免这一现象的发生；

振幅要求稳定在1.7mm/s以下，当振幅在1.7到2之间持续两秒钟也会有抬辊操作。这样当振幅跳增时，可以保证生产稳定运行。

2)喂料量，磨内物料多时，立磨内通风不畅，磨辊与磨盘间的研磨压力增大而引起主电机电流偏高，可以通过降低喂料量来调整通风量，增加研磨压力。反之，喂料量过低时，主电机电流会相应地偏低。所以，在其他因素稳定时，可通过控制喂料量来使主电机电流稳定。

3)喷水量，料层厚度较薄时，说明物料悬浮在立磨磨腔内上空，振动加大，可采取增加磨内喷水量，使物料落在磨盘上从而使料床稳定。若料层厚度较厚时，也会增加磨机振动，可以减少喷水量，使磨内物料水分减少，以利于选粉机带走更多的物料，达到减轻振动效果。料层厚度还受磨内温度的影响，出磨温度过高，物料被烘干后变得非常松散，料层变薄，不容易碾压，加大振动。出口温度在70～80℃之间正常，主要通过入磨气体温度和喷水量控制，其中入磨气体温度一般变化不大，所以主要靠喷水量来调节控制。总之，通过控制喷水量可以稳定料层和出磨温度，使振幅处于正常范围。

通过立磨工艺流程分析，可将其控制问题看作以喂料环节为主，喷水环节为辅，具体可描述为

其中，x₁为主电机机电流；u₁为喂料量给定；x₂为料层厚度；x₃为出磨温度；x₄为振幅；u₂为水泵开度。

对于喂料主环节，本文中采用Bang-Bang控制和模糊PID控制相结合的控制方案，如式(2)所示：

其中，u为控制器的输出；v₁为Bang-Bang控制输出；v₂为模糊PID控制输出；|e(k)|为误差绝对值，阈值ε>0。

r为主电机电流期望设定值，u为喂料量输出给定值，y为主电机电流实际值。当实时值与期望值误差大于阈值ε时，为快速消除大误差，加速跟踪收敛速度，采用Bang-Bang控制，PID控制输出为0；当误差小于阈值ε时，为了保证稳态时控制精度，采用PID控制，并利用模糊推理计算PID参数。这样既保证了跟踪误差收敛至任意小的界内，又缩短了调节时间，能够获得较好的控制效果。

对于喷水辅环节，与喷水相关联的因素较多，通过分析现场操作工人的操作规则，喷水环节可只采用Bang-Bang控制方法来实现控制操作，其控制方案与喂料环节类似。

本发明的优点：提出了基于Bang-Bang和模糊PID的控制器设计方法。利用模糊PID超调量小的特点，将模糊控制和PID控制结合成模糊PID，与此同时，采用Bang-Bang控制方法以加快跟踪误差收敛速度，从而使得立磨控制过程具有稳定的动态性能，达到精确、快速的控制目的。

数据预处理

采集数据样本后，发现主电机电流、料层厚度和出磨温度等参数数值的波动性较大，为消除现场测量仪表导致的数据波动出现的“毛刺”，需要对采集到的数据进行预处理，可采用的处理方式为连续均值滤波。在保证程序动作不迟缓、数据不失真的前提下，尽量使参数曲线平滑，趋势明显。采用的滤波函数如下：

其中，x_i表示第i个经均值滤波后的数值；x_j为某时刻某参数的实时值，取n＝5，即每次取前5s的平均值。

喂料环节Bang-Bang控制器设计

对于喂料环节，当主电机电流过低或过高，超过设定的阈值时，需快速增加或减少喂料量，使主电机电流快速趋于稳定。为此，采用Bang-Bang控制如下：

其中，uBB为控制器的增量输出；ε＝10为偏差阈值；Ubb＝2为调整步长。

需要说明的是，Bang-Bang控制虽可以加速跟踪收敛速度，但容易引起超调和波动，降低系统精度。因此，将操作人员的“看、等、判断、调”操作经验融合到Bang-Bang控制器，降低系统超调，提高系统精度。考虑到喂料量变化后主电机电流响应大滞后，由于物料经过皮带秤和皮带输送机到到达立磨后需要几分钟时间，故在Bang-Bang控制器中设置观察间隔时间T1，具体步骤如图3所示。

喂料环节模糊PID控制器设计

考虑到增量式数字PID输出的是控制增量Δu(k)，机器故障时影响较小、不会严重影响生产过程；手自动切换时冲击小，可以看作无扰动切换。所以，本系统采用增量式数字PID：

Δu(k)＝K_p[e(k)-e(k-1)]+K_ie(k)+K_d[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (5)

采用模糊控制规则来调整PID，选取两输入三输出的Mamdani模糊模型。输入为立磨主电机电流误差e和误差变化率ec，控制器输出为PID参数Kp,Ki,Kd。具体的设计步骤如下：

1)输入和输出变量的模糊化

对于立磨，当主电机电流在285±10A时磨机运转正常。模糊控制器的输入变量主电机电流偏差变化范围为{-10,10}，即为偏差e的基本论域。因实际操作不能太频繁动作，故简化设计，模糊论域选为{-6,6}。误差e的量化因子为

类似地，根据对现场数据的分析，可总结得到误差变化率ec和3个输出变量△Kp、△Ki、△Kd的基本论域、模糊论域、模糊子集、量化因子，如表1所示。

表1 输入输出变量模糊参数表

模糊变量被分成七个档次，其模糊子集{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}，即{负大、负中、负小、零、正小、正中、正大}。由于三角形隶属函数虽精度有些差，但符合现场实际不频繁的操作，而且快速性较其他隶属函数好一些，故选用三角隶属函数，如图4所示。

由确定的隶属函数，在模糊论域{-6,6}区间根据量化等级计算出各模糊变量对应的精确量，如表2所示。

表2 模糊变量对应的精确值表

2)模糊规则的建立

根据查阅资料文献和现场操作工人的经验总结，可获得△Kp、△Ki、△Kd的模糊规则见表3，表4和表5所示。

表3 △K_p模糊规则表

表4 △K_i模糊规则表

表5 △K_d模糊规则表

3)去模糊化确定输出控制表

根据现场操作员的操作经验和现场调试经验，并结合△Kp、△Ki、△Kd的模糊规则，可整理归纳出控制器的控制规则：

if e＝E_i and ec＝EC_j then

(7)

ΔK_p＝K_pijΔK_i＝K_iijΔK_d＝K_dij

式中，i,j＝0,1,…,6，K_pij、K_iij、K_dij为定义在e、ec、△Kp、△Ki、△Kd上的模糊子集。例如，根据△Kp的模糊规则表可以得出以下49条控制规则：

if E＝NB and EC＝NB then△K_p＝PB；

if E＝NB and EC＝NM then△K_p＝PB；

if E＝NB and EC＝NS then△K_P＝PM；

if E＝PB and EC＝PB then△K_p＝NB。

采用加权平均法去模糊化运算，由公式(8)可计算得到△Kp参数的模糊控制表。

其中，μi(k)为△u的隶属度；μi为△u的论域，最后乘以量化因子得到增量△Kp。

PID控制器参数最终调整如下：

其中，Kp0，Ki0，Kd0分别为预先设计参数，根据现场的多次实验，得到Kp0＝3.2，Ki0＝0.1，Kd0＝0.4。运行时，经模糊推理得到3个调整量，即△Kp、△Ki、△Kd，再经过(9)式的计算，得到模糊PID控制器的3个参数，即Kp、Ki、Kd。

喷水环节Bang-Bang控制器设计

对于喷水环节，通过工艺分析和现场实际操作经验得知，主要看出磨温、料层厚度和振幅来调节水泵开度，进行“加水或减水”，即增加或减少水泵开度。喷水环节Bang-Bang控制可表示为如表6所示。

表6 喷水环节Bang-Bang控制表

由于现实生产中，水泵开度在7％以下喷水流量为0；在7％～9％之间时，每次调节0.2％可以促使喷水量有所变化；在9％以上时，每次需调节2％才能促使喷水量增减。所以，水泵开度在7％～9％时，Bang-Bang控制器调节输出增量为0.2％；在9％以上时，输出增量为2％。这样，通过调节喷水量可使料层厚度、振幅和出磨温度处于较稳定的状态，从而使主电机电流的控制主要能通过喂料量的调节来实现。

控制效果分析

原料粉磨是新型干法水泥生产的重要环节。立式辊压磨(立磨)具有粉磨效率高、工艺简单、占地面积小等优点，且集烘干、粉磨、选粉于一身，因而得到广泛应用。在立磨中控操作方面，磨机稳定运行是保证粉磨质量和提高产量的重要因素之一。稳定的磨机振幅、适宜的料层厚度和出磨温度以及正常的主电机电流和选粉机电流是立磨正常运行的关键。此外，经常变化的生料特性导致立磨运行时出现异常工况现象时而发生，加大了操作员的操作难度。尤其是当工况不稳定及操作员调节不及时时，磨机会出现振动大、堵料、跳停等事故，从而影响生料制备的产量和磨机的使用寿命。鉴于以上原因，实现生产过程中立磨的自动控制，特别是对于关键工艺参数的有效控制，有助于使系统稳定，从而达到减小磨机振动、提高产量和节能降耗的目的，具有重要的实际意义。

本设计针对水泥生产线原料粉磨过程时变、非线性、精确模型难建立等特点，提出了Bang-Bang控制和Fuzzy-PID控制算法组成的控制器设计方法。现场应用说明了喂料环节的控制器能够快速地使磨机主电机电流收敛至设定的小范围内，喷水环节的控制器能够快速修正各参数较大偏差，能够使系统保持稳定。立磨的稳定运行，从而达到了减小磨机振动、提高产量和节能降耗的目的。

该控制器软件投运在某水泥企业5000t/d生料生产线上，经过现场的调试发现，为保证操作的及时性，最终确定控制周期为5s，即每5s软件自动对喂料给定和水泵开度给定进行一次写入操作。

在现场将控制器程序运行调试时，用CBF操作员站的趋势记录了一些曲线。图5和图6分别表示操作员手动控制和控制器软件自动控制的效果趋势曲线。图6中给出了主电机电流、喂料量给定及反馈的趋势曲线，可见采用了Bang-Bang和模糊PID控制器软件自动控制后,系统能够较迅速地调整喂料量来纠正磨机主电机电流的偏差，使其波动较小并稳定在最优设定值，保证了磨机稳定运行，提高了粉磨的效率。

图7和图8分别表示喷水环节操作员手动控制和控制器软件自动控制效果趋势曲线。可见采用Bang-Bang控制器自动控制能够较好地处理振幅、料层厚度和出磨温度等出现超出正常范围的情况，快速做出水泵开度的调整，使其波动保持了稳定，从而保证了立磨的稳定运行。

Claims (4)

1.一种原料粉磨自动控制方法，其特征在于，该方法为如下步骤：

a、通过立磨工艺流程分析，可将其控制问题看作以喂料环节为主，喷水环节为辅，具体可描述为

其中，x₁为主电机机电流；u₁为喂料量给定；x₂为料层厚度；x₃为出磨温度；x₄为振幅；u₂为水泵开度；

b、对于喂料主环节，采用Bang-Bang控制和模糊PID控制相结合的控制方案，如式(2)所示：

其中，u为控制器的输出；v₁为Bang-Bang控制输出；v₂为模糊PID控制输出；|e(k)|为误差绝对值；

c、当实时值与期望值误差大于阈值ε时，为快速消除大误差，加速跟踪收敛速度，采用Bang-Bang控制，PID控制输出为0；当误差小于阈值ε时，为了保证稳态时控制精度，采用PID控制，并利用模糊推理计算PID参数；

d、根据b步骤方案设计喂料环节Bang-Bang控制器

当主电机电流过低或过高，超过设定的阈值时，需快速增加或减少喂料量，使主电机电流快速趋于稳定,为此，采用Bang-Bang控制如下：

其中，u_BB为控制器的增量输出；ε为偏差阈值；u_bb为调整步长；

e、根据c步骤方案设计喂料环节模糊PID控制器

考虑到增量式数字PID输出的是控制增量Δu(k)，机器故障时影响较小、不会严重影响生产过程；手自动切换时冲击小，可以看作无扰动切换,所以，本系统采用增量式数字PID：

f、采用模糊控制规则来调整PID，选取两输入三输出的Mamdani模糊模型,输入为立磨主电机电流误差e和误差变化率ec，控制器输出为PID参数K_p,K_i,K_d；

PID控制器参数最终调整如下：

其中，K_p0，K_i0，K_d0分别为预先设计参数，经模糊推理得到3个调整量，即ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d，再经过(9)式的计算，得到模糊PID控制器的3个参数，即K_p、K_i、K_d；

g、对于喷水辅环节，与喷水相关联的因素较多，通过分析现场操作工人的操作、规则，喷水环节可只采用Bang-Bang控制方法来实现控制操作，其控制方案与喂料环节类似；

h、根据g步骤方案设计喷水环节Bang-Bang控制器

水泵开度在7％以下喷水流量为0；在7％～9％之间时，每次调节0.2％可以促使喷水量有所变化；在9％以上时，每次需调节2％才能促使喷水量增减，所以，水泵开度在7％～9％时，Bang-Bang控制器调节输出增量为0.2％；在9％以上时，输出增量为2％；这样，通过调节喷水量可使料层厚度、振幅和出磨温度处于较稳定的状态，从而使主电机电流的控制主要能通过喂料量的调节来实现；

i、对于抬落辊辅环节，磨盘上的物料层必须具有足够的稳定性和保持一定的料层高度，当磨内物料变少时，磨辊与磨盘会产生频率比较大的振幅，自动抬辊以减小振幅频率避免这一现象的发生；

振幅要求稳定在1.7mm/s以下，当振幅在1.7到2之间持续两秒钟也会有抬辊操作；这样当振幅跳增时，可以保证生产稳定运行；

j、将控制器软件、OPC(OLE for Process Control)Client软件以及与数据库SQL连接的配置软件以软件包形式挂在操作员站的电脑上，运行之后的自动控制软件，通过OPCClient用户界面与Freelance OPC-Server连接，并配置相应的数据库名和服务器名进行数据采集，实现与DCS控制系统通讯连接，经控制器输出的控制增量作用于被控对象。

2.根据权利要求1所述原料粉磨自动控制方法，其特征在于：所述ε>0。

3.根据权利要求2所述原料粉磨自动控制方法，其特征在于：所述ε＝10,u_bb＝2,-10<e<10。

4.按权利要求3所述原料粉磨自动控制方法，其特征在于：所述K_p0＝3.2，K_i0＝0。