CN105865215B - 水泥窑炉温度多参量控制系统 - Google Patents

水泥窑炉温度多参量控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水泥窑炉温度多参量控制系统，包括生料给料机、窑炉系统以及内模控制器，窑炉系统内设置有温度监测模块，内模控制器获取窑炉系统温度预设信号并输出温控信号，在窑炉系统内还设置有含氧量分析仪，含氧量分析仪经含氧量控制器再输出含氧量信号，温控信号和含氧量信号作差后的信号控制生料给料机投料，投料量影响窑炉系统的温度，温度监测模块还输出有窑炉系统温度输出信号；内模控制器还经内部模型模块输出模型信号，该模型信号与温度输出信号作差后得到的信号影响内模控制器的驱动输入信号。有益效果：系统结构简单，设备成本低；生产效率高、节约能源；实时性好，响应速度快；稳定可靠，动态性能好；精确度高、鲁棒性强。

Description

水泥窑炉温度多参量控制系统
技术领域
本发明涉及水泥生产控制中的温度控制技术领域，具体的说是一种水泥窑炉温度多参量控制系统。
背景技术
水泥生产过程是一个复杂的理化反应过程，特别是水泥熟料的煅烧过程具有明显的时滞、大惯性、非线性和干扰不确定性的特点。为了确保得到品质合格的熟料，必须保证水泥熟料窑炉系统的反应温度，然而煅烧时影响窑炉系统温度的因素很多，控制稍有偏差就会造成风压或者热工波动，会严重影响熟料的品质。
目前，针对窑炉系统温度控制问题的主要解决方法是控制燃料的投放量，例如采用固定的燃料投放量，来保持窑炉内的温度，然而生料投放量的多少对窑炉系统的温度有很大的影响，当生料投放多，窑炉物料增加，会造成窑炉系统温度下降，且容易引起物料堵塞且物料会出现夹生的现象，降低水泥生产品质；当生料投放少，窑炉系统温度将上升过快，物料会出现过烧状态，浪费能耗，造成产品品质恶化；因此，在水泥生产过程中，窑炉系统温度控制是当今有待解决的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水泥窑炉温度多参量控制系统，在燃煤燃值给定稳定条件下，采用内模控制器为主控制器，通过检测窑炉系统中的含氧量来预测窑炉系统中的温度，从而调节生料给料机的给料量，来控制窑炉系统的温度，该系统结构简单，系统稳定，性能可靠，温度控制的动态性能好、精确度高、鲁棒性强。
为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：
一种水泥窑炉温度多参量控制系统，包括生料给料机和窑炉系统，窑炉系统内设置有温度监测模块，其特征在于：还包括内模控制器，所述内模控制器获取所述窑炉系统的温度预设信号并输出温控信号a，在所述窑炉系统内还设置有含氧量分析仪，所述含氧量分析仪发送含氧量值给含氧量控制器，所述含氧量控制器输出含氧量信号b，所述温控信号a和所述含氧量信号b作差后，得到的第一差值信号控制所述生料给料机投料，所述生料给料机投料量影响所述窑炉系统的温度，所述温度监测模块还输出有窑炉系统温度输出信号；
在所述内模控制器的输出端还与内部模型模块连接，所述内部模型模块的模型输出信号与所述窑炉系统温度输出信号作差后，得到的第二差值信号影响所述内模控制器的驱动输入信号。
通过上述设计，含氧量分析仪实时检测窑炉系统中的含氧量，把气体含氧量作为前馈信号，提高系统对温度变化的预测能力，如果ro-xo＞0时，说明窑炉系统生料多，从而窑炉系统温度偏低，则含氧量控制器输出的含氧量信号b为负信号，含氧量信号b通过与内模控制器输出的温控信号a作差后，得到的信号控制生料给料机降低投料量，从而控制窑炉系统的温度上升；同理，若ro-xo＜0，说明窑炉系统生料少，则窑炉系统温度偏高，则含氧量控制器输出的含氧量信号b为正信号，该正的含氧量信号b通过与内模控制器输出的温控信号a作差后得到的差值信号去控制生料给料机增加投料量，从而控制窑炉系统的温度下降，直至ro-xo＝0；达到及时调整给料量，维持窑炉系统热工稳定，保证水泥高质量生产，其中ro表示含氧量稳态值，xo表示含氧量分析仪检测值。并且还能实时对窑炉系统的温度进行跟踪控制，结构简单，实时性强，可靠性好，增强了系统鲁棒性。
进一步描述：在所述窑炉系统内还设置有风压干扰模块，所述风压干扰模块的输入信号为风压控制系统的风压输出信号，所述风压干扰模块的输出信号与所述温度监测模块的窑炉系统温度输出信号叠加后，得到的叠加信号与所述内部模型模块的模型输出信号作差后，得到所述第二差值信号，所述第二差值信号与所述温度预设信号作差，得到的第三差值信号作为所述内模控制器的驱动输入信号。
采用上述方案，可以提高温度控制的精确度，减小变频高温风机在抽风过程中带走大量的热量而造成的窑炉系统的温度控制误差。
再进一步描述，所述风压控制系统包括压力变送器、压力控制器、变频高温风机、风压监测模块，所述风压控制系统的风压输出信号传递到所述压力变送器，所述压力变送器转换为风压反馈信号，该风压反馈信号与所述窑炉系统的风压预设信号作差后，得到的第四差值信号经所述压力控制器去控制所述变频高温风机的转速，从而影响所述窑炉系统的风压，所述风压监测模块还生成有窑炉系统风压当前值，该窑炉系统风压当前值作为所述风压控制系统的风压输出信号。
采用上述方案，实时对窑炉系统风压进行控制，使窑炉系统的风压控制稳定，进而调节窑炉系统的温度，提高窑炉系统温度控制的可靠性与稳定性。
再进一步描述，在所述窑炉系统内还设置有物料干扰模块，所述生料给料机投料量影响所述窑炉系统的风压，所述生料给料机的投料量信号经所述物料干扰模块转换为物料干扰信号，该物料干扰信号与所述窑炉系统风压当前值叠加后得到所述风压输出信号。
采用上述方案，可以避免生料对风压造成误差，在生料投放到窑炉系统中时，生料会占用一部分窑炉空间，致使风的流动空间减小，而对风压造成阻碍，使风压较小，本方案通过设计物料干扰模块，就会在控制风压时，考虑到生料对风压的影响，提高风压控制的精确度，从而提高温度控制的精确度。
再进一步描述，所述内部模型模块包括内部模型、时滞环节、第一修正模块以及第二修正模块，所述内模控制器输出的温控信号a经所述第一修正模块得到第一修正值，所述内部模型的输出信号经所述第二修正模块得到第二修正值，所述第一修正值与所述第二修正值作差后，得到的第五差值信号作为所述内部模型的输入信号，所述内部模型的输出信号经所述时滞环节得到的信号作为所述内部模型模块的模型输出信号。
采用上述方案，通过第一修正模块和第二修正模块对内部模型模块的数据进行实时修正，使内部模型接近窑炉系统温度控制模型，来提高温度监测模块动态性能并保证系统的鲁棒性。
再进一步描述，在所述内部模型模块内还设置有自适应模块，所述自适应模块实时采集内部模型的输出信号、所述第二差值信号以及所述温控信号a，所述自适应模块的第一输出端与所述第二修正模块连接，所述自适应模块的第二输出端与所述第一修正模块连接，所述自适应模块的第三输出端所述内模控制器连接。
采用上述方案，通过自适应模块实时采集内部模型的输出信号、所述叠加信号以及所述内模控制器输出的温控信号a，根据采集到的信号快速调整内部模型模块的各个参数，使内部模型模块更加接近窑炉系统温度控制模型，从而克服温度控制系统内部模型和温度控制模型失配的缺陷并提高窑炉温度控制系统的鲁棒性与实时性。该修正技术为成熟技术，在此不做赘述。
再进一步描述，所述窑炉系统包括预热器、分解炉以及回转窑，所述预热器包括由上而下依次设置的一级预热区、二级预热区、三级预热区、四级预热区以及五级预热区，所述分解炉设置在所述四级预热区和五级预热区之间，所述回转窑、分解炉以及所述五级预热区两两连通，在所述一级预热区和所述二级预热区之间设置有生料投料口，该生料投料口与所述生料给料机出口连通，在所述预热器一级预热区顶部设置有预热器出风口，该预热器出风口还与变频高温风机抽风口连通。
采用上述方案，生料给料机从生料投料口将生料投放到预热器中，经一级预热区、二级预热区、三级预热区、四级预热区、分解炉、五级预热区以及回转窑，发生一系列物化反应，从回转窑出口送出窑炉系统，通过变频高温风机，对预热器内的生料进行悬浮加热，使加热更加均匀、充分。
再进一步描述，为了提高窑炉系统中含氧量的检测精度，所述含氧量分析仪设置在所述预热器出风口处。
再进一步描述，为了更加精确地测试窑炉系统内的风压，且使安装更加方便，所述风压监测模块设置在所述预热器出风口处。
再进一步描述，为了保证水泥在回转窑的反应温度，所述温度监测模块设置在所述回转窑的烧成带处。
本发明的有益效果：本发明提出在燃料值给定稳定的条件下，利用内模控制器作为温度的主控制器，并把气体含氧量作为前馈信号，提高了系统对温度变化的预测能力，有力的克服了对象与模型失配问题，提高了系统的响应速度和对模型失配的敏感程度，该系统结构简单，节约能耗，系统性能可靠，温度控制的动态性能好、控制精确度高、稳定性好，系统控制鲁棒性强。
附图说明
图1是本发明的窑炉系统结构图；
图2是本发明的窑炉温度主控制原理图；
图3是本发明的窑炉温度控制原理图；
图中1.预热器，11.一级预热区，12.二级预热区，13.三级预热区，14.四级预热区，15.五级预热区，2.分解炉，3.回转窑，4.生料给料机，5.变频高温风机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式以及工作原理作进一步详细说明。
实施例：
水泥生产过程是一个复杂的理化反应过程，特别是水泥熟料的煅烧过程具有明显的时滞、大惯性、非线性和干扰不确定性的特点。煅烧时影响烧成带温度控制尤为重要，在本实施例中，温度控制主要对回转窑烧成带的温度进行控制，在该窑炉系统中设定了一个烧成带预设温度值，通过调整温度控制系统，使烧成带的温度稳定在该温度值；为了使温度控制更加稳定，对窑炉系统的温度进行预测，在窑炉系统中设置含氧量检测仪，通过设定含氧量值设定值与实际值的比较，预测系统温度，当窑炉系统内部发生物料的拥堵或者欠料时，内部含氧量就会表现出低于或者超出设定值，通过与含氧量设定值比较之后由含氧量控制器输出负或者正信号来增强或者削减给料量；在窑炉系统中还设定一个风压预设值，使窑炉系统的风压稳定在预设风压值，进而便于稳定控制系统的温度，提高水泥生产的效率和质量。
从图1可以看出，一种水泥窑炉温度多参量控制系统，包括生料给料机和窑炉系统，窑炉系统包括预热器1、分解炉2以及回转窑3，预热器1包括由上而下依次设置的一级预热区11、二级预热区12、三级预热区13、四级预热区14和五级预热区15，分解炉2设置在四级预热区14和五级预热区15之间，且分解炉2底部与四级预热区14的物料出口连通，分解炉2顶部与五级预热区15的物料入口连通，回转窑3的物料入口与分解炉2的物料出口以及五级预热区15的物料出口连通，在一级预热区11和二级预热12区之间设置有生料投料口，该生料投料口与生料给料机4的出料口连通，在一级预热区11顶部设置有预热器出风口，该预热器出风口还与变频高温风机5的抽风口连通，在预热器出风口处设置有含氧量分析仪，用于检测从窑炉系统中出来的气体的含氧量，含氧量分析仪并将检测的含氧量信号传送到含氧量控制器；在预热器出风口处还设置有风压监测模块和压力控制器，用于检测监控窑炉系统中风的风压大小；在回转窑3烧成带处设置有温度监测模块，用于检测监控窑炉系统煅烧过程的温度。
从图2可以看出，包括内模控制器、生料给料机、含氧量分析仪、含氧量控制器、温度监测模块，温度预设信号与第二差值信号作差后，得到的第三差值信号传送到内模控制器，内模控制器输出温控信号a，含氧量分析仪将检测到的含氧量值发送给含氧量控制器，含氧量控制器输出含氧量信号b，温控信号a与含氧量信号b作差后，得到的第一差值信号控制生料给料机4投料，生料给料机4投料量影响回转窑烧成带的温度，温度监测模块还输出有窑炉系统温度输出信号；
从图2还可以看出，在内模控制器的输出端还连接有内部模型模块。
这样，当窑炉系统内部发生物料的拥堵或者欠料时，内部含氧量就会表现出低于或者超出设定值，通过与含氧量设定值比较之后由含氧量控制器输出负信号或者正信号来增强或者削减给料量，因而，含氧量控制器就能够预先作用于生料给料机4，及时调整投料量，维持热工稳定，以提高烧成带温度控制的动态与稳态性能。
在本实施例中，从图3还可以看出，在窑炉系统内还设置有风压干扰模块，风压干扰模块的输入信号为风压控制系统的风压输出信号，风压干扰模块的输出信号与温度监测模块输出的窑炉系统温度输出信号叠加后，得到的叠加信号与内部模型模块的模型输出信号作差后，得到的第二差值信号。
从图3还可以看出，风压控制系统包括压力变送器、压力控制器、变频高温风机5、风压监测模块，风压控制系统的风压输出信号传递到压力变送器，压力变送器转换为风压反馈信号，该风压反馈信号与窑炉系统的风压预设信号作差后，得到的第四差值信号经压力控制器去控制变频高温风机5转速，从而影响所述窑炉系统的风压且风压监测模块还生成有窑炉系统风压当前值；
从图3还可以看出，在窑炉系统内还设置有物料干扰模块，生料给料机投料量影响窑炉系统的风压，生料给料机的投料量信号经物料干扰模块转换为物料干扰信号，该物料干扰信号与窑炉系统风压当前值叠加后得到风压输出信号；
从图3还可以看出，内部模型模块包括内部模型、时滞环节、第一修正模块以及第二修正模块，内模控制器的输出信号经第一修正模块得到第一修正值，内部模型的输出信号经第二修正模块得到第二修正值，第一修正值与第二修正值作差后，得到的第四差值信号作为内部模型的输入信号，内部模型的输出信号经时滞环节得到的信号作为内部模型模块的输出信号。
从图3还可以看出，在内部模型模块内还设置有自适应模块，自适应模块实时采集内部模型的输出信号、第二差值信号以及内模控制器的输出信号，自适应模块的第一输出端与第二修正模块连接，自适应模块的第二输出端与第一修正模块连接，自适应模块的第三输出端内模控制器连接，实时调节第二修正模块、第一修正模块、内模控制器的参数，使内部模型不断接近窑炉系统温度控制模型。
本实施例的计算过程：
设ST为温度预设信号；Qc(s)为内模控制器函数，u为内模控制器函数输出信号；Gc2(s)为含氧量控制器函数；Kg为含氧量分析仪函数，相当于比例环节；Gv2(s)为生料给料机函数；Gw(s)e-τ2s为窑炉系统的温度监测模块温度控制函数，τ2为延时时间常数；yT为窑炉系统的温度输出信号；
设Gd2(s)为物料干扰模块函数，Gd2(s)为风压干扰模块函数，物料干扰模块函数Gd2(s)和风压干扰模块函数Gd2(s)的输出信号为阶跃信号；物料干扰模块和风压干扰模块为干扰通道传递函数，可以使用一阶惯性环节或者阶跃输入信号，由于实际生产过程扰动多以阶跃形式，因此用阶跃输入信号作为干扰源；
设KP为压力变送器函数，相当于比例环节；SP为风压预设信号；Gcp(s)为压力控制器函数，且压力控制器采用常规PID控制器，Gv1(s)为变频高温风机函数，且该函数为变频执行机构环节，，等效为一阶惯性环节；Gg(s)e-τ1s为窑炉系统的风压控制系统风压控制函数，τ1为延时时间常数，可视为一阶惯性加纯滞后环节；yP风压输出信号；
设ξ(t)为第一修正模块；为第二修正模块；Gm(s)e-τms为内部模型函数；ym为内部模型的输出信号，其中e-τms为时滞环节，τm为延时时间常数；f(u,yT,ym,t)为自适应模块；
以窑炉系统的温度监测模块温度Gw(s)e-τ2s为被控对象，其模型为内部模型为：则内模控制器Qc(s)是由内部模型的最小相位的逆构成，为了确保系统的稳定性和鲁棒性，在最小相位的逆上增加滤波器其中n为滤波器的阶数，λ为滤波器参数，即内模控制器Qc(s)＝F(s)Gm-(s)-1，Gm-(s)-1为Gm(s)的最小相位部分。
可得修正后的内模控制器为：
利用反馈控制器与内模控制器之间的关系，得反馈控制器为C(s)：
整理得：
模型误差信号：若模型匹配，则若模型失配，则失配信息由反馈至输入，然后得出控制量u(s)：
u(s)＝C(s)(ST-yT)
其中：具有PI控制形式，当λ一定时，可以对控制器内部参数ξ(t)、进行实时修正，，既能提高动态性能又能保证鲁棒性。
通过上述设计，在燃料一定的条件下，在窑炉系统中设置一个温度预设值、一个风压预设值以及一个含氧量预设值，再检测窑炉系统中，温度、风压以及含氧量的实际值，就可以通过系统，实时调节系统中的各个参数以及生料给料机的给料量，使窑炉系统中的风压以及含氧量接近或者等于预设值，从而控制回转窑内的温度，使温度达到预设值，提高水泥生产的质量以及效率；该系统结构简单，使用方便；水泥生产效率、质量高，节约能源；温度控制系统性能可靠，温度控制的动态性能好；系统灵敏度、控制精确度高，稳定性好，系统控制鲁棒性强。

Claims (10)

1.一种水泥窑炉温度多参量控制系统，包括生料给料机和窑炉系统，窑炉系统内设置有温度监测模块，其特征在于：还包括内模控制器，所述内模控制器获取所述窑炉系统的温度预设信号并输出温控信号a，在所述窑炉系统内还设置有含氧量分析仪，所述含氧量分析仪发送含氧量值给含氧量控制器，所述含氧量控制器输出含氧量信号b，所述温控信号a和所述含氧量信号b作差后，得到的第一差值信号控制所述生料给料机投料，所述生料给料机投料量影响所述窑炉系统的温度，所述温度监测模块还输出有窑炉系统温度输出信号；
在所述内模控制器的输出端还与内部模型模块连接，所述内部模型模块的模型输出信号与所述窑炉系统温度输出信号作差后，得到的第二差值信号影响所述内模控制器的驱动输入信号。
2.根据权利要求1所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：在所述窑炉系统内还设置有风压干扰模块，所述风压干扰模块的输入信号为风压控制系统的风压输出信号，所述风压干扰模块的输出信号与所述温度监测模块的窑炉系统温度输出信号叠加后，得到的叠加信号与所述内部模型模块的模型输出信号作差后，得到所述第二差值信号，所述第二差值信号与所述温度预设信号作差，得到的第三差值信号作为所述内模控制器的驱动输入信号。
3.根据权利要求2所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述风压控制系统包括压力变送器、压力控制器、变频高温风机、风压监测模块，所述风压控制系统的风压输出信号传递到所述压力变送器，所述压力变送器转换为风压反馈信号，该风压反馈信号与所述窑炉系统的风压预设信号作差后，得到的第四差值信号经所述压力控制器去控制所述变频高温风机的转速，从而影响所述窑炉系统的风压，所述风压监测模块还生成有窑炉系统风压当前值，该窑炉系统风压当前值作为所述风压控制系统的风压输出信号。
4.根据权利要求3所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：在所述窑炉系统内还设置有物料干扰模块，所述生料给料机投料量影响所述窑炉系统的风压，所述生料给料机的投料量信号经所述物料干扰模块转换为物料干扰信号，该物料干扰信号与所述窑炉系统风压当前值叠加后得到所述风压输出信号。
5.根据权利要求2所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述内部模型模块包括内部模型、时滞环节、第一修正模块以及第二修正模块，所述内模控制器输出的温控信号a经所述第一修正模块得到第一修正值，所述内部模型的输出信号经所述第二修正模块得到第二修正值，所述第一修正值与所述第二修正值作差后，得到的第五差值信号作为所述内部模型的输入信号，所述内部模型的输出信号经所述时滞环节得到的信号作为所述内部模型模块的模型输出信号。
6.根据权利要求5所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：在所述内部模型模块内还设置有自适应模块，所述自适应模块实时采集内部模型的输出信号、所述第二差值信号以及所述温控信号a，所述自适应模块的第一输出端与所述第二修正模块连接，所述自适应模块的第二输出端与所述第一修正模块连接，所述自适应模块的第三输出端所述内模控制器连接。
7.根据权利要求3～6任意项所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述窑炉系统包括预热器、分解炉以及回转窑，所述预热器包括由上而下依次设置的一级预热区、二级预热区、三级预热区、四级预热区以及五级预热区，所述分解炉设置在所述四级预热区和五级预热区之间，所述回转窑、分解炉以及所述五级预热区两两连通，在所述一级预热区和所述二级预热区之间设置有生料投料口，该生料投料口与所述生料给料机出口连通，在所述预热器一级预热区顶部设置有预热器出风口，该预热器出风口还与变频高温风机抽风口连通。
8.根据权利要求7所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述含氧量分析仪设置在所述预热器出风口处。
9.根据权利要求7所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述风压监测模块设置在所述预热器出风口处。
10.根据权利要求7所述的水泥窑炉温度多参量控制系统，其特征在于：所述温度监测模块设置在所述回转窑的烧成带处。
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