现代过程控制基础-3-烧结生产过程控制系统培训资料.ppt
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1、现代过程控制基础-3-烧结生产过程控制系统3.1.1烧结工艺的目的烧结工艺:烧结是炼铁原料准备的中间工序。主要工艺过程是将选矿厂来的精矿粉和回收的含铁尘泥,混以燃料和溶剂,在高温下烧结成块,经破碎、筛分后的烧结矿送入高炉炼铁,筛下的粉末返回烧结燃料系统中心配矿。3.1.1烧结工艺的目的烧结的原料:含铁矿粉、焦粉、无烟煤、石灰石及其他冶金废物(如钢渣、含铁尘泥、瓦斯灰、轧钢铁皮等)。烧结生产过程是把粉矿加入一定比例的熔剂(石灰石),燃料(无烟煤)经过混合后,在一定温度下烧结成高炉需要的原料。烧结工艺是一个连续性的生产过程,环节多,控制对象复杂、滞后时间长、且受干扰影响大,为了保证烧结矿品质稳定。
2、提高产量和降低燃料消耗,必须对生产过程进行自动化控制。3.1.2烧结工艺流程(1)烧结生产工序比较多,因原料条件、生产规模和产品要求的不同,其流程会有一定的不同。烧结生产过程通常包括以下几个部分:含铁原料、燃料和溶剂的接受和储存;原料、燃料和溶剂的破碎筛分;烧结料的配料、混合制粒、布料和烧结;烧结矿的破碎、筛分、冷却和整粒。3.1.2烧结工艺流程(2)3.1.2烧结工艺流程(3)3.1.3烧结过程的特征(1)1烧结过程的大滞后性烧结原料经过配料、混合制粒和布料点火,然后烧结形成烧结饼,这个过程大约需要1h。这时仅仅能在机尾定性地观测到某些烧结状况(如烧结均匀性等);成品烧结矿的获得则还要经过烧
3、结后的热破碎、热筛分、冷却和整粒等工序,这个过程需要约lh。所以,烧结原料从配料到形成烧结矿约需2h。上述过程决定了烧结过程的大滞后性。此外,烧结矿的产、质量指标,还要经过检验环节才能获得。我国烧结厂一般每隔2h对烧结矿化验一次,化验过程约需要12h。因此,烧结前的配料、混合和布料点火等工序的操作情况,要3-5h才能通过产品的产、质量指标得到定量反应。换句话说,现在烧结矿产、质量出现的彼动是3一5h之前的操作波动引起的。3.1.3烧结过程的特征(2)2.烧结过程的复杂性(l)烧结过程机理复杂烧结原料经过布料点火后,由于下部风箱强制抽风,通过料层的空气和烧结料中焦炭燃烧所产生的热量,使烧结混合料
4、经受各种物理化学变化,才形成烧结矿。整个烧结经过了燃料的燃烧反应,烧结料层中的热交换,水分的蒸发和冷凝,化学水的分解,碳酸盐的分解,氧化物的分解、还原和再氧化,烧结过程的固相反应,烧结过程的液相形成与冷凝等过程,它包括热力学、动力学、传热学、流体力学及结晶矿物学等理论基础。因此,其过程和机理十分复杂。3.1.3烧结过程的特征(3)(2)烧结过程影响因素复杂从过程控制的角度,可以将烧结看做这样一个系统:一定的原料参数和操作参数作用于设备参数(统称为工艺参数),则有一定的状态参数和指标参数与之相对应,其模型如下图所示:原料参数设备参数操作参数状态参数指标参数工艺参数3.1.3烧结过程的特征(4)其
5、函数关系式为:(原料参数,设备参数,操作参数)(原料参数,设备参数,操作参数)(状态参数)(状态参数)(指标参数)(指标参数)式中:原料参数=含铁原料配比,熔剂配比,燃料配比,操作参数=一次水,二次水,料层厚度台车速度,设备参数=抽风面积,风机能力,漏风率,状态参数=主管负压,废气温度,风箱温度,烧结终点,透气性,指标参数=烧结矿化学成分机械强度,还原性,产量,3.1.3烧结过程的特征(5)以上五类参数在总量上达到几十个,反映出了烧结过程影响因素复杂。同时,这种复杂性还体现在各种因素的密切相关。例如,指标参数碱度(R)既与熔剂配比有关,又受含铁原料的成分、下料量、水分含量等多个因素的影响。状态
6、参数烧结终点与台车速度和垂直烧结速度有关,而垂直烧结速度又与透气性有关,透气性又与原料性质、原料水分、混合制粒、布料等许多因素有关。此外,烧结过程的影响因素之间还存在相互制约。如一种原料配比的波动会引起其他原料配比的波动;原料成分、原料本身含水量等因素的波动,又会引起一、二次水的操作波动,等等。烧结矿的质量指标之间有很大相关性。如烧结矿TFe含量波动,会引起与SIO2含量的波动,进而引起碱度的波动。烧结矿FeO含量既影响其还原性,又影响机械强度,等等。TFe 矿石中的总含铁量(%),又称全铁;R碱度,即CaO/SiO2的比值 3.1.3烧结过程的特征(6)3.烧结过程的动态时变性烧结过程是一个
7、复杂的工业过程,除具有复杂性、时滞性以外,还具有连续性、非线性、时变性和不确定性。3.1.4烧结过程控制的任务上料控制系统配料的控制混合料添加水控制系统矿槽料位的自动控制布料厚度的控制机速的控制点火炉燃烧控制系统烧结终点(BTP)控制系统3.1.5烧结过程控制方案(1)1.烧结过程的控制方法长期以来,烧结过程在很大程度上是由操作工凭经验来控制的。烧结过程控制的基础是大量的实时生产数据,即原料参数、操作参数、设备参数、状态参数和指标参数统称生产参数)。上述生产数据中,有的通过在线检测来采集,如原料瞬时流量、主管负压、台车速度、料层厚度、风箱温度等;有的数据则需要经过化验才能获得如烧结矿化学成分、
8、原料化学成分,等等。由于生产数据采集和检侧中存在的滞后及波动,以及操作者操作知识的差异、判断能力的高低、责任感的强弱,以及生理、心理和环境等诸多因素的形响,人工操作不可避免地导致操作控制的波动,而给生产带来不利的影晌;尤其是随着烧结设备向大型化的发展,这种影响就更大,同时,由于盲目操作,也就把握不住降低成本的良好机会。所以,研究与开发生产控制所需的烧结过程人工智能控制系统对于实现烧结生产的标准化和自动化,进而实现烧结过程的最优化,是非常必要的。3.1.5烧结过程控制方案(2)烧结过程的大滞后性决定了对指标参数进行预报的必要性。例如烧结矿化学成分这类指标参数,其主要影响因素是原料参数,可以通过建
9、立烧结矿化学成分与原料参数之间的数学模型以提前预报化学成分来解决大滞后问题。由于烧结过程错综复杂的特性,使数学摸型在全过程控制的实际应用中受到了限制:有些环节不能用数学模型描述,有些环节仅基于数学模型不能准确控制;复杂的过程模型难以用于在线控制,而简化的模型又带来不确定性,特别是在生产不正常情祝下问题更多。而凭操作者的经验来控制,又容易引起操作的不稳定,所以应用烧结领域专家的经验知识,建立烧结过程人工智能控制系统,可以解决数学模型难以解决的问题;同时,通过生产操作的标准化来避免人为因素引起的操作及生产的波动,可以实现烧结过程的优化控制。因此,烧结过程控制宜采用数学模型与人工智能相结合的控制方法
10、。3.1.5烧结过程控制方案(3)2烧结过程的控制方案烧结过程的复杂决定了其控制系统的复杂性,而实时控制系统必须具有较高的问题求解速度,因此一般的处理方法是对复杂的控制问题进行适当的分解。从过程控制的角度,烧结生产的目的是通过调整原料参数、操作参数和设备参数,使指标参数和状态参数达到最优,状态参数反映了烧结过程的状态,指标参数是指烧结矿的产量和质量指标。质量指标包括烧结矿化学成分、物理性能和冶金性能三个方面,物理性能和冶金性能主要通过调整烧结过程状态,减小中间操作指标波动控制。产量指标的影响因素主要有烧结过程的透气性、成品率和台车速度,而这些参数与烧结过程状态的控制有关。烧结能耗主要与固体燃料
11、的消耗进而与热状态有关。因此,烧结过程控制在总体上可分解为烧结矿化学成分控制、烧结过程状态的控制。烧结过程状态控制主要包括进气性状态控制和热状态控制,同时,由于烧结过程中烧结后的返矿再次被用作烧结料,烧结过程的状态还与其返矿量的变化密切相关。3.2烧结配料控制在烧结生产工艺过程中,需要将铁料燃料熔剂返矿等几种原料按一定比例配成混合料,配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响烧结矿质量和经济效益。配料的目的是将烧结矿的品位、含碳量和碱度控制在指定的范围内。3.2.1配料控制系统组成(1)某烧结配料过程如图所示。12个配料槽设有13套定量给料控制系统(生石灰槽设两套),主要是由配料皮带秤(包括重
12、量传感器和皮带速度传感器等)、电动机调速装置、电动机、圆盘给料机(或螺旋给料机、皮带给料机)以及显示、操作和控制装置等组成。3.2.1配料控制系统组成(2)由计算机向各配料子系统的调节器给出设定值,在调节器中的物料流量测量信号与设定值比较,得到的偏差值经PID运算后输出4-20mADC给电动机速度控制装置,控制装置对圆盘给料电动机进行转速控制。3.2.1配料控制系统组成(3)另外一套恒速控制装置驱动称量皮带机。皮带速度发信机的输出信号和重量传感器的毫伏信号经放大器输出分别送计算机和调节器。计算机的作用是进行比例计算和按比例给出各配料槽的下料量设定值,以及对信号的记录和对各配料量的积算。3.2.
13、2配料过程模糊控制(1)一般模糊控制系统结构:3.2.2配料过程模糊控制(2)根据配料过程的控制方案,选取基本模糊控制器的输入语言变量为物料流量的偏差 EW 和物料流量的变化率 DW 输出的语言变量为给料电机的转速控制值 CN。分别选择语言变量 EW,DW,和CN 的语言值如下:EW=正大、正中、正小、零、负小、负中、负大 简记为X11,X12,X13,X14,X15,X16,X17;DW =正大、正中、正小、零、负小、负中、负大 简记为X21,X22,X23,X24,X25,X26,X27;CN=很小、小、稍小、正常、稍大、大、很大 简记为Y11,Y12,Y13,Y14,Y15,Y16,Y1
14、7;3.2.2配料过程模糊控制(3)选取各语言变量的基本论域为 EW=-20,-16,-12,-8,-4,0,+4,+8,+12,+16,+20 DW=-20,-16,-12,-8,-4,0,+4,+8,+12,+16,+20 CN=-20,-16,-12,-8,-4,0,+4,+8,+12,+16,+20 各语言变量论域上的Fuzzy子集由隶属函数(x)来描述。函数(x)的确定是基于操作者的实践经验或者可以用Fuzzy统计法,一般按正态型分布函数来选取,在此基础上,建立语言变量EW、DW和 CN 的赋值表。语言变量EW赋值表 EW (x)x X11 X12 X13 X14 X15 X16 X
15、17 -20 1 0.2 0 0 0 0 0 -16 0.8 0.7 0 0 0 0 0 -12 0.4 1 0.2 0 0 0 0 -8 0.1 0.7 0.7 0 0 0 0 -4 0 0.2 1 0 0 0 0 0 0 0 0.9 0.5 0 0 0 +4 0 0 0 1 0.2 0 0 +8 0 0 0 0.5 0.9 0 0 +12 0 0 0 0 0.2 1 0.4 +16 0 0 0 0 0 0.7 0.8 +20 0 0 0 0 0 0.2 1语言变量DW赋值表 DW (x)x X21 X22 X23 X24 X25 X26 X27 -20 1 0.2 0 0 0 0 0 -1
16、6 0.8 0.7 0 0 0 0 0 -12 0.4 1 0.2 0 0 0 0 -8 0.1 0.7 0.7 0 0 0 0 -4 0 0.2 1 0 0 0 0 0 0 0 0.9 0.5 0 0 0 +4 0 0 0 1 0.2 0 0 +8 0 0 0 0.5 0.9 0 0 +12 0 0 0 0 0.2 1 0.4 +16 0 0 0 0 0 0.7 0.8 +20 0 0 0 0 0 0.2 1语言变量CN赋值表 CN (x)x Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 Y16 Y17 -20 1 0.2 0 0 0 0 0 -16 0.8 0.7 0 0 0 0 0 -12 0
17、.4 1 0.2 0 0 0 0 -8 0.1 0.7 0.7 0 0 0 0 -4 0 0.2 1 0 0 0 0 0 0 0 0.9 0.5 0 0 0 +4 0 0 0 1 0.2 0 0 +8 0 0 0 0.5 0.9 0 0 +12 0 0 0 0 0.2 1 0.4 +16 0 0 0 0 0 0.7 0.8 +20 0 0 0 0 0 0.2 13.2.2配料过程模糊控制(7)Fuzzy控制状态表是基于操作者手动控制策略的总结,由各配料子系统的控制经验可分别得出一组Fuzzy条件语句构成的控制规则:1 IF EW=NB AND DW=PB THEN PB2 IF EW=NM A
18、ND DW=PB THEN PM3 IF EW=NS AND DW=PB THEN NM.51 IF EW=PM AND DW=NB THEN NB52 IF EW=PB AND DW=NB THEN NBFuzzy控制状态表 EW CNDW NB NM NS NZ PZ PS PM PB PB PB PM NM NM NM NB NB PM PB PM NM NM NM NS NS PS PB PM NS NS NS NS NM NB Z PB PM PS 0 0 NS NM NB NS PB PM PS PS PS PS NM NB NM PB PS PS PM PM NM NB NB P
19、B PB PM PM PM NM NB3.2.2配料过程模糊控制(9)Fuzzy 控制状态包含的每一条 Fuzzy 条件语句都决定一个 Fuzzy 关系,为若A且B则C型,简记为IF A AND B THEN C。它反映双输入单输出过程的一种控制策略。一般 Fuzzy 集合A,B及C分属三个不同的论域。按照推理合成规则分别计算R1、R2、R51、R52。通过52个Fuzzy 关系Ri(i=1,2,.,52)的并运算,可分别获取各配料子系统的物料流量和给料电机的转速控制规则的总的Fuzzy 关系R,即:Fuzzy 控制器查询表EWUDW-6-5-4-3-2-10123456-6777777744
20、2000-57776666442000-47766666442000-37666666320-1-1-1-24444444100-1-1-1-14444441000-3-2-104443110-1-1-1-4-4-41222200-1-4-4-4-4-4-4222110-3-4-4-4-4-4-4-430000-3-3-5-6-6-6-6-6-64000-2-4-5-6-6-7-7-7-7-75000-2-4-5-6-6-7-7-7-7-76000-2-4-7-7-7-7-7-7-7-73.2.2配料过程模糊控制(11)把表存放到计算机的存储器中,并编制一个查找查询表的子程序。在实际控制过程中
21、,在每个控制周期中,将采集到的实测误差量和计算的误差变化量分别经量化因子Ke和Kde取得以相应论域元素表征的与查询表对应的值后,通过查表的相应行和列,立即可输出控制量的变化量,再经比例因子Ku,便是实际的控制输出量的变化值。3.2.3烧结矿化学成分预测模型形响烧结矿化学成分稳定的主要因素是原料,而从原料下料到烧结成烧结矿,再经过冷却、整粒,给出烧结矿化学成分的化验结果,需要长达几个小时的时间响应,即存在相当长的时间滞后,所以要稳定烧结矿化学成分,必须对其进行提前预报。3.2.3.1基于时间序列的预报模型(1)应用现代控制理论的观点,在观察和分析问题时撇开其复杂的内部机理,将烧结过程看做一个“灰
22、箱”系统(如下图所示),根据可采集到的系统大量随时间变化的输人输出数据,利用系统辨识的方法,建立时间序列模型。过程的动态特性必然表现在它变化着的输人输出数据中,因此利用这些数据通过不断修正模型的参数以适应系统随时间的变化,分别建立烧结矿化学成分R(碱度)、Tfe(全铁)、SO2(二氧化硅)、CaO(氧化钙)、MgO(氧化镁)和FeO(氧化铁)的自适应预报模型。“灰箱”输入数据输出数据u1(t)u2(t)un(t)y1(t)y2(t)ym(t)TFe 矿石中的总含铁量(%),又称全铁;R碱度,即CaO/SiO2的比值 3.2.3.1基于时间序列的预报模型(2)1自适应预报模型的建立烧结过程总要受
23、到程度不同的随机干扰,如对系统本身的干扰(过程噪声),对输人输出量的干扰(测量噪声)等而且往往属于可加性干扰。所以在建立数学模型时,用少量的、集中的随机干扰源来替代多种随机干扰对系统的影响,把集中的干扰以叠加方式加到未受干扰的信号上。对于具有可观测的外加输入信号的烧结过程,用带受控的自回归模型CAR(n)来描述系统。3.2.3.1基于时间序列的预报模型(3)多输人单输出(MISO)的CAR(n)模型表示为:式中:Aik(z-1)=1+ai1(k)z-1+ail(k)z-l+aimi(k)z-niBijk(z-1)=bij0(k)+bij1(k)z-1+bijl(k)z-l+bijnij(k)z
24、-nijyi(k)系统输出数据;uij(k)系统输人数据;ei(k)零均值高斯白噪声;d-时滞;ail,bijl模型参数;ni,nij模型阶数;mi输入数据个数,i=15,分别代表R、TFe、SO2、CaO、MgO和FeO3.2.3.1基于时间序列的预报模型(4)所谓预报就是在k时刻根据已知的观测值yi(k),yi(k-ni+1)及uij(k),uij(k-nij-d+1)估计未来kd时刻的输出值,称作超前d步预报。这种未来时刻的输出预报值应当是已知数据的某种函数,即可表示成:它使得准则函数:达到最小值。其中:为由k时刻向前d步的预报值3.2.3.1基于时间序列的预报模型(5)将模型写成:式中
25、:3.2.3.1基于时间序列的预报模型(6)两边乘以zd,并整理得:要确定预报模型就是要寻找一个最优预报使得预报误差方差最小,即:其中:为任意由k时刻向前d步的线性预报值3.2.3.1基于时间序列的预报模型(7)由于ei(k)是白噪声序列,因此Fik(z-1)ei(k+d)与Gik(z-1)yi(k)和Bijk(z-1)Fik(z-1)uij(k)独立,所以要使其达到最小值,应该选择:上式为向前d步最优预报器,要得到最优预报yi*(k+d|k)就必须对模型的参数Gik(z-1)和Bijk(z-1)Fik(z-1)进行辨识。3.2.3.1基于时间序列的预报模型(8)记得预报模型为:可写为:对它进
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