自適應(yīng)控制在煤粉計(jì)量系統(tǒng)上的應(yīng)用

入窯喂煤系統(tǒng)是水泥廠燒成系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，特別是水泥生產(chǎn)的干法工藝和大型化，對(duì)喂煤提出了更高的要求，準(zhǔn)確而又及時(shí)地計(jì)量、控制、調(diào)節(jié)入窯和分解爐的喂煤量，是穩(wěn)定窯的熱工制度，提高窯的產(chǎn)量、提高熟料質(zhì)量、降低能耗和保證窯的安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。但是回轉(zhuǎn)窯用煤粉具有細(xì)度小、干燥的物理特性，流動(dòng)性好，若水份含量大或積壓存放時(shí)間長又可能出現(xiàn)粘結(jié)，因而控制不當(dāng)可造成涌料或棚倉。針對(duì)上述要求，我們從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，研制開發(fā)轉(zhuǎn)子秤煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)，該項(xiàng)目今年獲國家科技部專項(xiàng)資金重點(diǎn)支持發(fā)展項(xiàng)目。

1、系統(tǒng)概述與組成

如圖一所示，該系統(tǒng)由煤粉稱重倉、粉體喂料機(jī)、轉(zhuǎn)子秤、鎖風(fēng)輸送裝置及電氣控制部分組成，粉體喂料機(jī)采用回轉(zhuǎn)型、多分格、多層式、

均壓容積穩(wěn)定喂料結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子秤采用多分格轉(zhuǎn)子式環(huán)狀天平結(jié)構(gòu)，稱重傳感器檢測(cè)料重，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速，電氣控制部分由PLC模塊構(gòu)成主控單元來實(shí)現(xiàn)雙回路自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2、系統(tǒng)工作原理

煤粉由進(jìn)料口進(jìn)入稱重倉，通過傳感器檢測(cè)來穩(wěn)定倉的料位，從而得到穩(wěn)流的作用。煤粉經(jīng)穩(wěn)流后再由喂料機(jī)均勻穩(wěn)定地喂入轉(zhuǎn)子秤。進(jìn)入轉(zhuǎn)子秤的煤粉由轉(zhuǎn)子從進(jìn)料口帶至出料口并喂入下級(jí)設(shè)備。特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)使得荷重傳感器能精確的測(cè)出轉(zhuǎn)子秤圓盤體中煤粉的重量，并輸出重量信號(hào)，該信號(hào)與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào)一起經(jīng)控制系統(tǒng)處理運(yùn)算得到煤粉的實(shí)際流量，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)煤粉定量給料。喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速跟蹤轉(zhuǎn)子秤的轉(zhuǎn)速同步調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、準(zhǔn)確運(yùn)行。

3、硬件組態(tài)

轉(zhuǎn)子秤煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)主機(jī)部分選用德國西門子公司SIMATICS7系列PLC。CPU選用224DC型，它本身具有14個(gè)DI和10個(gè)DO，通過它可實(shí)現(xiàn)邏輯連鎖、狀態(tài)反饋及多路高速計(jì)數(shù)。擴(kuò)展模塊選用3路12位AI和4路12位AO，通過它可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的AD、DA，以及與中控的模擬量通訊。由于CPU為SIMATICS7系列，它還能很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字通訊及網(wǎng)絡(luò)連接。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)充分考慮抗干擾措施。系統(tǒng)由SPU信號(hào)處理單元完成對(duì)系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)弱信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)采集、放大、轉(zhuǎn)換以及傳輸?shù)裙ぷ?。系統(tǒng)測(cè)速部分用原裝進(jìn)口磁電式編碼器，經(jīng)倍頻電路后直接送入CPU224的高速計(jì)數(shù)口計(jì)數(shù)，以確保測(cè)速精度在1‰之內(nèi)。系統(tǒng)的模擬輸出AO與系統(tǒng)調(diào)節(jié)單元之間采取加信號(hào)隔離器來抑制干擾。

系統(tǒng)人機(jī)界面采用西門子公司觸摸面屏TP27。通過TP27可很直觀地監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、各種參數(shù)信息，包括系統(tǒng)的設(shè)定值、瞬時(shí)值、累計(jì)值、運(yùn)行趨勢(shì)、報(bào)警信息等。同時(shí)，還可通過TP27上所顯示的菜單直接控制系統(tǒng)運(yùn)行。

4、控制軟件

本系統(tǒng)是一個(gè)多變量、多回路的滯后系統(tǒng)，用常規(guī)的PID控制很難獲得良好的控制性能。在控制方式上，針對(duì)煤粉物料的特性，系統(tǒng)軟件采用了預(yù)置控制加前饋?zhàn)赃m應(yīng)PID調(diào)節(jié)的方式。首先，根據(jù)設(shè)定流量預(yù)置喂料機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)初步預(yù)給料，再通過設(shè)定荷重與檢測(cè)荷重的差值來調(diào)節(jié)喂料機(jī)，同時(shí)對(duì)喂料機(jī)的調(diào)節(jié)加約束條件，保證轉(zhuǎn)子秤內(nèi)物料的負(fù)荷維持在設(shè)定的相對(duì)水平，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定喂料；通過設(shè)定流量與檢測(cè)流量的差值來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子秤，從而實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。

上述雙環(huán)調(diào)節(jié)既相互配合又相互影響，為了防止兩環(huán)振蕩，軟件上采取了許多特殊的措施，如調(diào)節(jié)時(shí)間的選擇、步長的選擇、PID參數(shù)的優(yōu)化等。在調(diào)節(jié)時(shí)間上我們選擇外環(huán)時(shí)間T大于內(nèi)環(huán)時(shí)間T的3倍，步長上我們選擇分段可變步長，PID參數(shù)的整定上我們選擇具有控制參數(shù)收斂快，計(jì)算工作量相對(duì)較小，實(shí)用的單純形加速法自適應(yīng)控制方式，它既能反映動(dòng)態(tài)性能又能反映穩(wěn)態(tài)特性。我們選用

作為性能指標(biāo)的目標(biāo)函數(shù)，將之離散化可得

在采樣周期T固定時(shí)，T2為常量，上式可簡(jiǎn)化為

對(duì)于本系統(tǒng)，J是極值函數(shù)，最優(yōu)化理論表明：在經(jīng)過有限步搜索以后能夠找到極值點(diǎn)。軟件框圖如下：

可變權(quán)系數(shù)：

可變權(quán)系數(shù)：

可變權(quán)系數(shù)：

其中流量差值e1(t)、流量差值變化率△e1(t)及荷重差值變化率△e2(t)決定流量環(huán)的自適應(yīng)PID，荷重差值變化率的引入有抑制系統(tǒng)對(duì)于流量環(huán)的擾動(dòng)；荷重差值e2(t)、荷重差值變化率△e2(t)及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率△n(t)決定荷重環(huán)的自適應(yīng)PID，荷重差值變化率及轉(zhuǎn)子秤轉(zhuǎn)速的變化率的引入相當(dāng)于對(duì)預(yù)給料機(jī)加了前饋，從而能有效抑制系統(tǒng)擾動(dòng)特別是倉內(nèi)煤粉流態(tài)改變導(dǎo)致的下料擾動(dòng)。

5、應(yīng)用實(shí)例

某公司1000t/d熟料的水泥生產(chǎn)線，采用了轉(zhuǎn)子秤煤粉計(jì)量控制系統(tǒng)作為窯頭和分解爐喂煤計(jì)量，自2000年投運(yùn)以來，一直運(yùn)行穩(wěn)定，計(jì)量準(zhǔn)確。

以下是摘錄的一些運(yùn)行數(shù)據(jù)和圖表：

表12000年2月29日用倉在線標(biāo)定的標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖3煤粉流量歷史趨勢(shì)圖

表2煤磨正常喂煤時(shí)的喂料量