CN113238478A - 一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，包括以下步骤：自动前准备：控制加水流量，使混合料达到烧结标准并维持稳定；自动切换时数据处理：自动切换时，记录一混和二混混合料实测水分值a₁₀与a₂₀作为一混二混初始目标水分、记录一混和二混加水流量实测值b₁₀与b₂₀以及总料重w₀、加水计算值h₀；一混前馈调节；二混前馈调节；周期梯度闭环调节；一混二混实际实时加水量计算。本发明针对一二次加水混合不同情况设计出两种前馈控制算法，当料重变化或水分变化的混合料运输到混料机内时快速调整加水量，再根据水分值偏离目标水分值的程度采用周期梯度闭环控制对加水量进行修正微调，从而使混合料水分值准确稳定的达到烧结标准。

Description

一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法

技术领域

本发明属于烧结混合料水分自动控制技术领域，具体涉及一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法。

背景技术

高炉炼铁是我国最常用的炼铁方式，提高高炉冶铁技术的最重要条件之一是生产出高品质的烧结料，烧结料品质的好与坏主要与烧结混合料的透气性与制粒效果有关，而这两个因素与混合料中水分含量有非常密切的联系。若烧结混合料水分含量过高，则容易导致粘结现象，使混合料的透气性变差；若水分含量过低，则会影响混合料制粒效果，使返矿率增加。因此适量且稳定的控制加水量使混合料达到合适的水分对铁的品质与生产效率等方面的提高有着至关重要的作用。

但是，因烧结系统的大延时特性、各参数测量值波动大、原料水分受影响的因数多等难点，我国多数烧结料生产厂对烧结料含水率的控制采用人工判断的方法。因此本发明提出的烧结混合料水分自动控制方法对我国钢铁行业的发展有着非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，稳定准确的自动控制烧结料水分。

本发明所采用的技术方案如下：

一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，以变频泵为被控对象，处于自动模式时，首先通过前馈控制在料重或水分发生变化的混物料运输到混料机内时快速调整加水量，在混合料出混料机后根据微波水分仪测量的水分值偏离目标水分值的程度采用周期梯度闭环控制对加水量进行修正微调，从而使混合料水分值准确稳定的达到烧结标准。具体包括步骤如下：

S1、自动前准备：按照从末到首的顺序将各设备首次开机后，先用手动流量控制(以设定流量、管道实测流量形成的单闭环PID控制，水泵电机以PID输出为频率运行)使混合料达到烧结标准且能稳定1min以上，此时从手动模式切换到自动模式。

S2、手自动切换时数据处理：手动切换到自动瞬间保存当前时刻一混二混后混合料水分实测值a₁₀与a₂₀，一混二混加水流量实测值b₁₀与b₂₀以及一混入口混合料总料重w₀、加水计算值h₀，控制系统以a₁₀、a₂₀为一混二混初始目标水分，以b₁₀、b₂₀作为自动运行时的初始流量开始自动调节；后期目标水分基本不会变，因为该值是手动模式时能达到烧结标准的水分值，但偶尔会随成品矿品质的要求适当微调。自动切换到手动模式时，对上一次手动切自动时保存的参数a₁₀、a₂₀、b₁₀、b₂₀、w₀、h₀以及前馈调节量σ₁、σ₂闭环调节量q₁、q₂清零，系统按人工设定值运行。

S3、一混前馈调节：根据各料仓出料处皮带秤实时测量的料重w_i、各原料从皮带秤运输到混料机入口的时间t_i、各原料加水系数

计算出一混混料机入口处混合料对应的实时加水量h：

其中，n为原料料仓的个数。

原料出料发生变化时，若混料机入口处计算加水量变化值Δh＝(h-h₀)超过死区范围：|Δh|＞ω，其中ω为死区阀值，则在这一瞬间重置h₀，即：h₀＝h，并将Δh累加得到一混前馈控制的调节量σ₁：

σ₁＝∑Δh。

S4、二混前馈调节：区别于一混前馈控制的方法，二混前馈控制首先要判断配料系统增减料状态，根据一次加水混合的控制效果对二混进行补偿式前馈调节，二混前馈调节所用到的一混后水分仪测量数值需做延时，延时时间为混合料从一混后水分仪测量处到二混混料机入口处的运输时间T_σ，采用梯度补偿的方法得到二混前馈控制的调节量σ₂。

S5、周期梯度闭环调节：分别以一混二混目标水分为中心点作等幅度梯度并对每个梯度区间固定一个加水修正量α_i、β_i，每个梯度区间对应的修正量的绝对值随当前梯度距离中心点越远而越大。

以混合物料进入混料机到出混料机后运输到水分检测处的时间作为采样周期，若实测水分处于某个梯度内持续5s且被采样到，则对该梯度对应的加水修正量从第一个周期起进行累加，得到一混二混闭环控制的调节量：

其中，C₁为一混周期采样的次数，一混采样周期T₁一般为3min左右；C₂为二混周期采样的次数，二混采样周期T₂一般为5min左右。

S6、一混二混实时加水量计算：自动模式时，一混总加水量H₁₀＝b₁₀+σ₁+q₁，二混总加水量H₂₀＝b₂₀+σ₂+q₂；手动模式时，一混二混总加水量为人工设定流量值。

S7、停机开机处理：按照从首到末的顺序将各设备停机，停机瞬间保存一混二混当前时刻一混二混总计算加水量H₁₀、H₂₀。在下次开机时采用三段式分段加水的方式，以解决停机操作时传送带断料现象，第一阶段以H₁₀、H₂₀为目标流量进行加水，第二阶段即空料阶段停止加水，空料阶段结束后进入第三阶段回归到正常自动调节模式加水。

本发明的有益效果为：

(1)配合前馈的复合控制能更快的调节加水流量，参数发生变化的混合料在刚进入混料机时就能及时调整加水流量。

(2)与传统闭环控制相比，采用周期梯度修正闭环控制策略更适应于烧结料混合加水系统，能解决此系统固有的延时特性问题和水分仪测量值波动问题。

(3)不需要对各个原料仓的原料进行水分检测，整个加水系统装配的设备较少，有效降低人工劳动强度和经济成本。

附图说明

图1为自动加水系统结构图。

图2为自动加水系统各硬件布置以及各数据延时时间与采样时间选取示意图。

图3为本发明的控制方法流程图。

图4为自动模式时的控制框图。

图5为一混前馈调节流程图。

图6为二混前馈控制时原料出料状态判断流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

本发明公开了一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法及系统，以变频泵为主要被控对象，设计出手动频率控制、手动流量控制、自动水分控制三种控制模式；手自动切换时刻或急停时刻对各参数进行保存，在切换后的控制方式下或重新开机进行三段式加水时将保存的参数作为初始参数运行；针对一二次加水混合不同情况设计出两种前馈控制算法，当料重变化或水分变化的混合料运输到混料机内时快速调整加水量，再根据微波水分仪测量的水分值偏离目标水分值的程度采用周期梯度闭环控制对加水量进行修正微调。本发明还提供一种与此控制方法配套的自动化集散控制系统与软硬件方案。本发明在解决烧结料自动加水系统滞后、非线性、数据波动问题的同时提高水分控制精度。

本发明实施例的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，如图3和图4所示，包括以下步骤：

S1、自动前准备：各设备布置如图2所示，按照从末到首的顺序将各设备开机后，选择手动流量控制模式或手动频率控制模式调整加水流量使混合料达到烧结标准，当一二混实测流量值达到目标流量值附近(上下0.2以内)、实测水分值无太大波动且保持1min以上稳定状态，此时从手动模式切换到自动模式。

其中，手动流量控制模式是以目标设定流量作为设定值与管道实测流量作为反馈值构成的单闭环PID控制，PID控制器自动调整变频泵频率使实测流量靠近目标设定流量。

手动频率控制模式为人工直接控制变频泵的运行频率，此控制模式具有一定盲目性，在实际运行时，只有在现场级硬件设备如流量计、水分仪故障时使用此模式，其作用是保证持续生产。

3种灵活的控制方式以及主旁路互为备用的管道设计可适应不同的工况和突发状况避免耽误生产，例如当加水管路上的设备(流量计)故障时或系统升级改造时可切到频率控制使用，当停机检修或水分仪故障时可切到流量控制，正常情况下可切到自动控制模式。

S2、手自动切换时数据处理：手动切自动时刻记录一混二混混合料水分手动时稳定值a₁₀＝6.5％与a₂₀＝7.3％、一混二混加水流量实测值b₁₀＝14.5t/h、b₂₀＝2.5t/h以及一混入口处混合料总料重w₀＝440t/h、加水计算值h₀＝14t/h，控制系统以6.5％、7.3％为一混二混初始目标水分，以14.5t/h、2.5t/h作为自动运行时一混二混的初始流量开始自动调节；自动切手动时刻对上一次手动切自动时保存的参数a₁₀、a₂₀、b₁₀、b₂₀、w₀、h₀以及前馈调节量σ₁、σ₂闭环调节量q₁、q₂清零。其中，加水计算值h₀为手自动切换时的计算加水值h，手动模式时h一直在计算但是没有用到，手动切自动的一瞬间将这一时刻的h作为第一个h₀，切到自动之后，一混前馈调节量每累加一次，h₀就要更新一次。

S3、一混前馈调节：按照图2所示，不同的料仓所出的料可能不同，在现场实地测量得到各料仓皮带秤实测值延时时间如下表：

根据各原料对工艺水的吸收情况以及人工实操经验得到各原料加水系数如下表所示：

料种	冷返矿	混匀矿	燃料	溶剂	粉尘	生石灰
							加水系数	0.011	0.009	0.010	0.101	0.050	0.339

跟踪各料仓出料处皮带秤实时测量的料重w_i计算出一混混料机入口处总混合料对应的实时加水量h：

式中，t_i为各料仓皮带秤实测值延时时间。

如图5所示，原料出料发生变化时，若混料机入口处计算加水量变化值Δh＝(h-h₀)超过死区范围：|Δh|＞ω，其中ω为死区阀值，则在这一瞬间重置h₀，即：h₀＝h，并(然后)将Δh累加得到前馈控制的调节量σ₁：

σ₁＝∑Δh

阀值的大小取决于原料出料稳定时皮带秤测量值波动的程度，此例中取0.3。

S4、二混前馈调节：如图6所示，判断当前出料状态。若为增料状态，当且仅当一混后实测水分小于一混目标水分时对二混进行增量前馈调节；若为减料状态，仅当一混后实测水分大于一混目标时对二混进行减量前馈调节；若出料无变化，则根据一混后实测水分偏离一混目标水分的程度对二混进行常规前馈调节。

如图2所示，在现场测量出混合料从一混后水分仪安装处到二混混料机入口处的运输时间T_σ＝5.68s，将T_σ作为二混前馈调节时所用到的一混后水分仪测量值做延时处理的时间，考虑到水分仪实时测量值永远处于波动状态，因此二混前馈调节量采用梯度补偿的方式，得到的二混前馈调节量σ₂。

二混前馈调节梯度设置如下表：

其中A′₁为一混后水分仪延时处理后的实时测量值，a₁为一混目标水分值。

S5、周期梯度闭环调节：分别以一混二混目标水分为中心点作等幅度梯度并对每个梯度区间固定一个加水修正量，每个梯度区间对应加水修正量的绝对值随当前梯度距离中心点越远而越大。

一混二混梯度设置如下表：

其中，a₁、a₂分别为一混二混混合料目标水分值，A₁、B₁分别为一混二混微波水分仪实时测量值，本例中一二混精度x、y分别取0.3、0.2。

测量一混二混混合料进入混料机到出混料机后到达水分监测点的时间T₁＝3M10S、T₂＝5M30S，将这两个时间作为一混二混的周期梯度控制的采样周期，若实测水分处于某个梯度内持续5s且被采样到(采样触发条件)，则对该梯度对应的加水修正量从第一个周期开始进行累加，得到一混二混闭环控制的调节量：

其中，C₁为一混周期采样的次数，一混采样周期T₁为3M10S；C₂为二混周期采样的次数，二混采样周期T₂为5M30S。

S6、一混二混实时加水量计算：自动模式时，一混总加水量H₁₀＝b₁₀+σ₁+q₁；二混总加水量H₂₀＝b₂₀+σ₂+q₂。手动模式时，一混二混总加水量为人工设定流量值。

S7、停机开机处理：按照从首到末的顺序将各设备停机，停机瞬间保存一混二混当前时刻计算加水量H₁₀、H₂₀，在下次开机时采用三段式分段加水的方式，以解决停机操作时传送带断料现象，第一阶段以H₁₀、H₂₀为目标流量进行加水，第二阶段即空料阶段停止加水，空料阶段结束后进入第三阶段回归到正常自动调节模式加水。

本发明还提供一种与此控制方法配套的集散控制系统与软硬件方案，具体包括如下：

集散控制系统：整个烧结混合料水分控制系统由三个部分组成，包括过程管理级、过程控制级、现场控制级，本控制系统的总体结构如图1所示。

现场检测与执行硬件：用于对混合前的物料料重、混合后的物料水分、加水管路流量的实时检测以及对加水量的控制，具体包括14台皮带秤、2台微波水分仪、4台电磁流量计、4台电动切断阀、2台变频泵。

上位机下位机硬件：用于各测量信号与指令信号的传输与计算处理，具体包括1台施耐德HMIP63BCTO工控机、1台19寸显示器、1块施耐德Quantum系列型号为140CPU65150的CPU模块、1块型号为140CPS11420电源模块、1块型号为140ACI04000的模拟量输入模块、1块型号为140ACO13000的模拟量输出模块、1块型号为140DDI35300的数字量输入模块，1块型号为140DDO35300的数字量输出模块。

上位机组态软件：用于对系统各数据监视、控制、报警等，本系统采用Wonderware公司旗下的In Touch组态软件。

下位机编程软件：用于对PLC硬件组态和对PLC程序编写、下载、调试等，本系统采用施耐德公司旗下的Unity Pro XL编程软件。

此控制系统可移植性较高，可以在不影响生产的情况下进行在线移植、调试等。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、自动前准备：控制加水流量，使混合料达到烧结标准并维持稳定；

S2、自动切换时数据处理：自动切换时，记录一混和二混混合料实测水分值a₁₀与a₂₀作为一混二混初始目标水分、记录一混和二混加水流量实测值b₁₀与b₂₀以及总料重w₀、加水计算值h₀；

S3、一混前馈调节：根据各料仓出料处皮带秤实时测量的料重w_i、各原料从皮带秤运输到混料机入口的时间t_i、各原料加水系数

计算出一混混料机入口处混合料对应的实时加水量h；原料出料发生变化时，若混料机入口处加水量变化值△h＝(h-h₀)超过死区范围：|△h|＞ω，其中ω为死区阀值，则在这一瞬间重置h₀，即：h₀＝h，并将△h累加得到一混前馈控制的调节量σ₁；

S4、二混前馈调节：结合总料重判断出料状态，并根据一混的控制效果对二混进行补偿式前馈调节，采用梯度补偿的方法得到二混前馈控制的调节量σ₂；

S5、周期梯度闭环调节：分别以一混二混目标水分为中心点作等幅度梯度并对每个梯度区间固定一个加水修正量α_i、β_i，每个梯度区间对应的修正量的绝对值随当前梯度距离中心点越远而越大；测量一混二混混合料进入混料机到出混料机后到达水分检测点的时间T₁和T₂，作为一混二混的周期梯度控制的采样周期，若实测水分处于某个梯度内并持续一定时间，则对该梯度对应的加水修正量从第一个周期开始进行累加，得到一混二混闭环控制的调节量q₁和q₂；

S6、一混二混实际实时加水量计算：一混总加水量H₁₀＝b₁₀+σ₁+q₁，二混总加水量H₂₀＝b₂₀+σ₂+q₂。

2.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，步骤S1中加水流量控制方法为：以设定水流量、管道实测流量形成单闭环PID控制。

3.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，步骤S1中混合料稳定状态为：一混和二混加水流量实测值、一混和二混混合料水分实测值均维持稳定且保持特定时间。

4.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，步骤S2中，自动切换时，上一次自动切换时保存的数据清零。

5.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，一混混料机入口处混合料对应的实时加水量h计算公式如下：

其中，n为原料料仓的个数。

6.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，一混前馈控制的调节量σ₁计算公式如下：

σ₁＝∑△h。

7.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，步骤S4具体为：

若为增料状态，当且仅当一混后实测水分小于一混目标水分时对二混进行增量前馈调节；若为减料状态，仅当一混后实测水分大于一混目标时对二混进行减量前馈调节；若出料无变化，则根据一混后实测水分偏离一混目标水分的程度对二混进行常规前馈调节；

测量混合料从一混后水分仪安装处到二混混料机入口处的运输时间T_σ，将T_σ作为对二混前馈调节时所用到的一混后实测水分做延时处理的时间，二混前馈调节量采用梯度补偿的方式，得到的二混前馈调节量σ₂。

8.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，一混二混闭环控制的调节量计算公式如下：

其中，C₁为一混周期T₁采样的次数，C₂为二混周期T₂采样的次数。

9.根据权利要求1所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

S7、停机开机处理：按照从首到末的顺序将各设备停机，停机瞬间保存一混二混当前时刻计算加水量H₁₀、H₂₀，在下次开机时采用三段式分段加水的方式，以解决停机操作时传送带断料现象：第一阶段以H₁₀、H₂₀为目标流量进行加水，第二阶段即空料阶段停止加水，空料阶段结束后进入第三阶段回归到正常自动加水。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的烧结混合料水分的前馈与闭环复合控制方法，其特征在于，非自动加水时，一混二混总加水量采用预设值。

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