CN103019090A - 一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，该方法对一次混合和二次混合采用不同的控制方式，一次混合采用具有辨识和预测功能的前馈控制方式，二次混合采用前馈反馈复合控制方式； 本发明的优点是：根据烧结一次混合和二次混合的各自特点分别设计控制器。一次混合时通过对混前含水率的辨识减少***扰动，增加控制精度，二次混合时采用前馈反馈复合控制使加水控制更加稳定。本发明适用性、可移植性强，可广泛应用于烧结生产线。

Description

一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法

技术领域

本发明涉及一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，用于烧结生产线的混合机自动加水控制，使得混合机制粒均匀并保证良好的透气性，该方法特别适用于一混时有热返矿的混合加水控制。

背景技术

混合加水的效果对烧结生产起着很大作用。它不仅影响垂直烧结速度，还影响烧结矿的成品率、生产效率和烧结成品的转鼓指数等。如果混合料水分小，烧结速度快，但成品率低，返矿量大，转鼓指数下降；如果混合料水分大，烧结速度慢，生产率低，各种消耗都增加。如果烧结湿度控制不稳定，又会引起烧结机等后续岗位参数的频繁调整，造成生产线的不稳定。

为了使加水过程稳定，目前混合加水一般采用两次混合的工艺方案，但即便如此，混合料水分稳定、准确依然存在一定的困难。主要原因有：一般混合机的都存在三到五分钟的***滞后导致反馈控制无法及时，热返矿温度和料量的波动给控制***带来较大的扰动，一混前含水率由于烧结物料没有混匀，即便有检测仪表也测量不准等。

由于以上的几个问题，目前国内大多数烧结厂的混合加水控制都采用手动控制，既增加工作量，而且准确性也无法得到保证。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，该方法对一次混合和二次混合采用不同的控制方式，一次混合由于混前含水率无法准确测量，而单纯以反馈的方式控制加水量无法实现及时准确，因此本发明的一次混合采用具有辨识和预测功能的前馈控制方式；二次混合时由于混前含水率可由一次混合后含水率测得，采用前馈反馈复合控制的方式，该复合控制方式充分考虑了混合过程中水分损失等因素引起的扰动问题。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，该方法对一次混合和二次混合采用不同的控制方式，一次混合采用具有辨识和预测功能的前馈控制方式，二次混合采用前馈反馈复合控制方式；一次混合控制装置包括混前水量辨识器、前馈控制器、流量控制器，二次混合控制装置包括前馈控制器、反馈控制器、流量控制器；所述的一次混合控制过程为：

1）混前水量辨识器通过出矿量、实际加水量和一次混合后含水率，根据含水率辨识公式进行计算，并把计算的结果与前若干个周期计算的混前含水率采用最小二乘法线性回归，由拟合线预测即可得到下一控制周期的混前含水率c；所述的含水率辨识公式为：

$c=\frac{\mathrm{Mo}*\mathrm{pe}-\mathrm{Wact}}{\mathrm{Mo}}+b---\left(1\right)$

式中，Mo为混合机出矿量，pe为混合后含水率，Wact为实际加水量，b为补偿修正量可根据现场情况调整，初始值取0

2）前馈控制器根据混前水量辨识器发送的混前含水率、进矿量、热返矿量和温度，及目标水分率给定值由前馈加水量公式计算出加水目标流量给定值；所述的前馈加水量公式为：

$W1=\frac{M1*\mathrm{per}1+\mathrm{Mr}*\mathrm{per}1-\mathrm{Wb}1-a*k*\mathrm{Mr}}{1-\mathrm{per}1}---\left(2\right)$

一次混合前含水量Wb1= M1* c（3）

式中：W1为前馈加水量，M1为一混进矿量，per1为一混目标水分率，Mr为热返矿量，Wb1为一次混合前由仪表测得的含水量，a为热返矿吸水系数，k为热返矿温度, c为混前含水率

3）流量控制器根据前馈控制器传送的加水目标流量和流量计传送的当前加水流量之前的偏差，再由偏差值采用PID算法向调节阀发送控制信号控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中；

二次混合控制过程为：

1）前馈控制器根据一混后含水量、二混前进矿量和二混目标水分率给定值由下述公式计算二混前馈加水量，该加水量计算值为二次混合流量控制器的流量给定值；

二混前馈加水量计算公式为：

$W2=\frac{M2*\mathrm{per}2-\mathrm{Wb}2}{1-\mathrm{per}2}---\left(4\right)$

式中：W2为二混前馈加水量，M2为二混进矿量，per2为二混目标水分率，Wb2为一混后由仪表测得的含水量

2）反馈控制器根据***输入即二混水分率给定值与水分检测仪实际检测的混合后含水率比较，如果差值小于2%，反馈控制器不作调整，如果差值大于2%，反馈控制器由PID算法计算反馈补水量，把反馈补水量与前馈加水量之和作为流量控制器输入值；

3）流量控制器根据反馈控制器传送的流量输入值与流量计传送的当前加水流量之间的偏差，采用PID算法向调节阀发送控制信号，控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）烧结混合加水的整体控制方式采用双闭环组成的串级控制***，外环为含水率环，内环为流量环，外环周期长，内环周期短。流量环中，对流量调节阀的控制采用PID控制。

2）***对热返矿量、热返矿温度、进矿量、出矿量、加水量和混合后含水率进行滤波处理，滤掉不合理的干扰值后，输入控制器，可准确显示出现场参数的整体变化趋势。

3）一次混合控制通过热返矿量、热返矿温度、进矿量、加水量和混合后水分率的分析值进行对混前含水率的预测；并且对预测的一次混前含水率使用最小二乘法进行线性回归出一条直线，由此预测出下一控制周期的混前含水率值。

4）一次混合通过前馈控制器根据混前含水率计算出的水流量给定值，该值与一次混合前的仪表测定值比较，通过PID算法实现调节阀开度的控制。

5）二次混合水分率环采用前馈与反馈复合控制方式，由前馈控制器根据一混后含水率、二混前进矿量和二混目标水分率给定值计算二混前馈加水量；反馈控制器根据***输入即二混水分率给定值与水分检测仪实际检测的混合后含水率比较，由PID算法计算反馈补水量，把反馈补水量与前馈加水量之和作为流量控制器输入值。

6）流量控制器根据反馈控制器传送的流量输入值与流量计传送的当前加水流量之间的偏差，采用PID算法向调节阀发送控制信号，控制调节阀开度。

本发明的优点是：根据烧结一次混合和二次混合的各自特点分别设计控制器。一次混合时通过对混前含水率的辨识减少***扰动，增加控制精度，二次混合时采用前馈反馈复合控制使加水控制更加稳定。本发明适用性、可移植性强，可广泛应用于烧结生产线。

附图说明

图1是本发明烧结一次混合控制结构图。

图2是本发明烧结二次混合控制结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，该方法对一次混合和二次混合采用不同的控制方式，一次混合采用具有辨识和预测功能的前馈控制方式，二次混合采用前馈反馈复合控制方式。

见图1，一次混合控制装置包括混前水量辨识器、前馈控制器、流量控制器。一次混合控制过程为：

1）混前水量辨识器根据出矿量Mo、实际加水量Wact和一次混合后含水率pe，通过含水率辨识公式进行计算，并把计算的结果与前四个周期计算的混前含水率采用最小二乘法线性回归（本实施例选择5个混前含水率拟合出一条直线，该取值个数不限定，取值合理即可），由拟合线预测即可得到下一控制周期的混前含水率c；所述的含水率辨识公式为：

$c=\frac{\mathrm{Mo}*\mathrm{pe}-\mathrm{Wact}}{\mathrm{Mo}}+b---\left(1\right)$

式中，Mo为混合机出矿量，pe为混合后含水率，Wact为实际加水量，b为补偿修正量可根据现场情况调整，初始值取0。

2）前馈控制器根据混前水量辨识器发送的混前含水率c、进矿量M1、热返矿量Mr和热返矿温度k，及目标水分率给定值per1由前馈加水量公式计算出加水目标流量给定值W1；所述的前馈加水量公式为：

$W1=\frac{M1*\mathrm{per}1+\mathrm{Mr}*\mathrm{per}1-\mathrm{Wb}1-a*k*\mathrm{Mr}}{1-\mathrm{per}1}---\left(2\right)$

一次混合前含水量Wb1= M1* c（3）

式中：W1为前馈加水量，M1为一混进矿量，per1为一混目标水分率，Mr为热返矿量，Wb1为一次混合前由仪表测得的含水量，a为热返矿吸水系数，k为热返矿温度，c为混前含水率。

3）流量控制器根据前馈控制器传送的加水目标流量和流量计传送的当前加水流量之前的偏差，再由偏差值采用PID算法向调节阀发送控制信号控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中。

见图2，二次混合控制装置包括前馈控制器、反馈控制器、流量控制器。二次混合控制过程为：

1）前馈控制器根据一混后实测的含水量Wb2、二混前进矿量M2和二混目标水分率给定值per2由下述公式计算二混前馈加水量W2，该加水量计算值为二次混合流量控制器的流量给定值；

二混前馈加水量计算公式为：

$W2=\frac{M2*\mathrm{per}2-\mathrm{Wb}2}{1-\mathrm{per}2}---\left(4\right)$

式中：W2为二混前馈加水量，M2为二混进矿量，per2为二混目标水分率，Wb2为一混后由仪表测得的含水量。

2）反馈控制器根据***输入即二混水分率给定值与水分检测仪实测的混合后含水率比较，如果差值小于2%，反馈控制器不作调整，如果差值大于2%，反馈控制器由PID算法计算反馈补水量，把反馈补水量与前馈加水量之和作为流量控制器输入值。

3）流量控制器根据反馈控制器传送的流量输入值与流量计传送的当前加水流量之间的偏差，采用PID算法向调节阀发送控制信号，控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中。

本发明的控制原理是：

由烧结混合加水工艺特点，混合加水流量的主要因素有进矿量、出矿量、混合前后的含水量、热返矿量、热返矿温度和目标含水量等。在烧结一次混合过程中，考虑了热返矿量和温度对水分的影响，前馈加水量公式（2）根据混合过程中水量守恒原理得出，热返矿起到两个作用，一是增加了物料的进矿量，需要按比例增加一部分加水量，另一个是由于热返矿本身不含水，而且由于温度较高还会蒸发一部分水量，因此，蒸发的水量与热返矿量和温度有关。

混前含水率的计算公式（1）的使用条件是：执行一段时间的混合加水之后，根据一段时间内混合机出矿量、实际加水量和混合后含水率分析这段时间内的混前含水率。

为解决该种辨识控制方法可能存在的***复杂导致辨识不准、及***辨识的滞后性问题，避免***存在一定程度的扰动，可通过增加辨识周期来实现。***的滞后可通过前若干周期计算出的混前含水率对下一周期的混前含水率进行预测可得，预测方法采用最小二乘法，通过拟合出一条直线对下一周期进行预测。

本发明采用串级控制***，采用两套水分检测仪和两套控制器，前一个控制器的输出作为后一个控制器的设定，后一个控制器的输出送往调节阀。

　前一个控制器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个控制器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。 整个***包括两个控制回路，主回路和副回路。

串级控制***的特点是：

1）改善了过程的动态特性

串级控制***比单回路控制***在结构上多了一个副回路，减小了该回路中环节的时间常数，增加了它的带宽，从而使***的响应加快，控制更为及时。

2）具有较强的抗扰动能力

在串级控制***中，主、副调节器放大系数的乘积愈大，则***的抗扰动能力愈强，控制质量愈好。串级控制***由于存在副回路，只要扰动进入副回路，不等它影响到主参数的变化，通过副回路的及时调节，该扰动对主参数的影响就会大大地削弱或完全消除，从而提高了主参数的控制质量。

3）具有一定的自适应能力

串级控制***，就其主回路来看是一个定值控制***，而副回路则是一个随动***。主调节器的输出能按照负荷和操作条件的变化而变化，从而不断改变副调节器的给定值，使副回路调节器的给定值适应负荷并随操作条件而变化，即具有一定的自适应能力。

烧结混合加水控制***主控制器是水分率控制（即外环），副控制器是流量控制器（即内环），一次混合的水分率控制器是具有辨识功能的前馈控制器，二次混合的水分率控制器是前馈反馈复合控制器组成。

前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节***中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现并能被测出时，控制器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者在被调量发生偏差之前抵消。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节及时。但是前馈控制是开环控制，其控制效果需要通过反馈加以检验。前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果前馈支路出现扰动，经过流量计测量之后，测量得到干扰的大小，然后在反馈支路通过调整调节阀开度，直接进行补偿。

Claims (1)

1.一种具有预测功能的智能烧结混合加水控制方法，其特征在于，该方法对一次混合和二次混合采用不同的控制方式，一次混合采用具有辨识和预测功能的前馈控制方式，二次混合采用前馈反馈复合控制方式；一次混合控制装置包括混前水量辨识器、前馈控制器、流量控制器，二次混合控制装置包括前馈控制器、反馈控制器、流量控制器；所述的一次混合控制过程为：

1）混前水量辨识器通过出矿量、实际加水量和一次混合后含水率，根据含水率辨识公式进行计算，并把计算的结果与前若干个周期计算的混前含水率采用最小二乘法线性回归，由拟合线预测即可得到下一控制周期的混前含水率c；所述的含水率辨识公式为：

$c=\frac{\mathrm{Mo}*\mathrm{pe}-\mathrm{Wact}}{\mathrm{Mo}}+b---\left(1\right)$

式中，Mo为混合机出矿量，pe为混合后含水率，Wact为实际加水量，b为补偿修正量可根据现场情况调整，初始值取0

2）前馈控制器根据混前水量辨识器发送的混前含水率、进矿量、热返矿量和温度，及目标水分率给定值由前馈加水量公式计算出加水目标流量给定值；所述的前馈加水量公式为：

$W1=\frac{M1*\mathrm{per}1+\mathrm{Mr}*\mathrm{per}1-\mathrm{Wb}1-a*k*\mathrm{Mr}}{1-\mathrm{per}1}---\left(2\right)$

一次混合前含水量Wb1= M1* c（3）

式中：W1为前馈加水量，M1为一混进矿量，per1为一混目标水分率，Mr为热返矿量，Wb1为一次混合前由仪表测得的含水量，a为热返矿吸水系数，k为热返矿温度, c为混前含水率

3）流量控制器根据前馈控制器传送的加水目标流量和流量计传送的当前加水流量之前的偏差，再由偏差值采用PID算法向调节阀发送控制信号控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中；

二次混合控制过程为：

1）前馈控制器根据一混后含水量、二混前进矿量和二混目标水分率给定值由下述公式计算二混前馈加水量，该加水量计算值为二次混合流量控制器的流量给定值；

二混前馈加水量计算公式为：

$W2=\frac{M2*\mathrm{per}2-\mathrm{Wb}2}{1-\mathrm{per}2}---\left(4\right)$

式中：W2为二混前馈加水量，M2为二混进矿量，per2为二混目标水分率，Wb2为一混后由仪表测得的含水量

2）反馈控制器根据***输入即二混水分率给定值与水分检测仪实际检测的混合后含水率比较，如果差值小于2%，反馈控制器不作调整，如果差值大于2%，反馈控制器由PID算法计算反馈补水量，把反馈补水量与前馈加水量之和作为流量控制器输入值；

3）流量控制器根据反馈控制器传送的流量输入值与流量计传送的当前加水流量之间的偏差，采用PID算法向调节阀发送控制信号，控制调节阀开度；最后，所需要的水量加到混合机中。

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