專利名稱：氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法，涉及一種工業(yè)熱工過程自動(dòng)控制，特別是氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程的智能控制方法。
背景技術(shù)：
氧化鋁生產(chǎn)工藝根據(jù)處理礦石的特點(diǎn)主要包括拜爾法、燒結(jié)法和拜爾、燒結(jié)聯(lián)合法。在燒結(jié)法或聯(lián)合法中的燒結(jié)法生產(chǎn)流程是專門為處理低品位鋁礦和拜爾法赤泥而設(shè)計(jì)的，主要包括熟料燒成、熟料溶出、精液制備、分解和蒸發(fā)等主要的生產(chǎn)工序。其中，熟料燒成是燒結(jié)法、混聯(lián)法(聯(lián)合法)氧化鋁生產(chǎn)的關(guān)鍵工序。熟料燒結(jié)生產(chǎn)是以回轉(zhuǎn)窯為中心組織的。
在熟料燒結(jié)過程中，成分鋁土礦、拜耳法赤泥、堿粉、石灰石、煤的生料漿用料漿泵經(jīng)安裝在窯尾的噴槍呈霧狀噴入熟料窯內(nèi)，煤粉從窯前的噴煤管與鼓風(fēng)機(jī)送來的一次風(fēng)結(jié)合形成氣固兩相流噴入窯內(nèi)，并與由冷卻機(jī)吸入的“二次風(fēng)”一起燃燒，產(chǎn)生的熱量與生料漿逆向而行，生料漿經(jīng)過烘干、預(yù)熱、分解、燒成、冷卻過程，在1200℃～1300℃溫度下組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鋁酸鈉和鐵酸鈉，在熟料溶出工序溶出，而有害成分則生成不溶性的原硅酸二鈣和鈦酸鈣等化合物而分離。
熟料窯中的燒結(jié)反應(yīng)是在高溫下進(jìn)行的。熟料窯的熱能由煤粉燃燒產(chǎn)生，所以熟料燒結(jié)工序設(shè)有煤粉制造系統(tǒng)。煤粉制造系統(tǒng)的主要設(shè)備有皮帶運(yùn)輸機(jī)、原煤倉(cāng)、電磁振動(dòng)給料機(jī)、煤磨、熱電排粉機(jī)、粗粉器、細(xì)粉器和煤粉倉(cāng)等。
由于采用噴入法喂料，在熟料排出的煙氣中挾帶大量生料。這一部分生料的數(shù)量相當(dāng)于熟料重量的70％～110％。因此，熟料燒結(jié)工序必須進(jìn)行很好地收塵。排煙收塵系統(tǒng)為三級(jí)收塵，即重力收塵、旋風(fēng)收塵和電收塵。設(shè)備有旋風(fēng)收塵器、排煙機(jī)、電收塵器和煙囪等。收集的窯灰由返灰螺旋輸送機(jī)和提升機(jī)再返回窯內(nèi)。
生料在熟料窯中反應(yīng)是分階段進(jìn)行的。由于熟料窯有一定的斜度和轉(zhuǎn)速，生料在向窯前移動(dòng)過程中，經(jīng)過烘干、預(yù)熱、分解、燒成及冷卻幾個(gè)階段，熟料窯也大致對(duì)應(yīng)地分為烘干帶、預(yù)熱帶、分解帶、燒成帶及冷卻帶。烘干帶的主要作用是烘干生料漿中的物理水，生料漿一般含物理水38～40％。生料漿烘干后就稱生料。預(yù)熱帶的主要作用是除去生料中的結(jié)晶水。分解帶的作用主要是石灰石加熱分解和開始部分固相反應(yīng)。燒成帶長(zhǎng)5～15米。物料被煤粉燃燒火焰直接加熱。物料的燒結(jié)溫度達(dá)1200～1300℃。火焰溫度在1500℃左右。這一帶的作用是將生料燒結(jié)成熟料。冷卻帶的作用是熟料與二次空氣進(jìn)行熱交換，二次空氣溫度在400～500℃。熟料被冷卻到1000℃，經(jīng)過冷卻帶后，進(jìn)入冷卻機(jī)中進(jìn)一步冷卻。
優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、低耗是熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯的生產(chǎn)目標(biāo)。在生產(chǎn)中，生料成份與燒成帶的溫度是影響熟料質(zhì)量的主要因素。生料的燒結(jié)溫度取決于生料的成份，生料成份改變，燒結(jié)溫度及燒結(jié)溫度范圍也應(yīng)隨之改變。此外，煤粉帶入的灰份、生料粒度、物料在燒成帶停留時(shí)間等，對(duì)熟料質(zhì)量也有影響。
目前在氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制技術(shù)中，哈薩克斯坦的帕達(dá)洛夫廠在設(shè)計(jì)先進(jìn)的熟料燒成工藝基礎(chǔ)上，采用建立嚴(yán)格熱平衡機(jī)理模型的方法，在半工業(yè)實(shí)驗(yàn)窯上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)了熟料燒成回轉(zhuǎn)窯的自動(dòng)控制，但該工藝和控制方法并不適合于生料成分、煤質(zhì)成分波動(dòng)大的生產(chǎn)條件。
國(guó)內(nèi)一些大的氧化鋁廠在熟料窯的自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用方面做過一些有意義的實(shí)踐，但目前大部分熟料窯處于人工或半自動(dòng)控制狀態(tài)，由此導(dǎo)致生產(chǎn)不穩(wěn)定、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低和產(chǎn)能低、熟料質(zhì)量不穩(wěn)定、收塵效果不理想等問題。由于傳統(tǒng)的測(cè)溫?zé)犭娕家蚋G體的旋轉(zhuǎn)而難以安裝應(yīng)用，目前燒成帶溫度的測(cè)量方法主要有兩種一種是在回轉(zhuǎn)窯窯頭前安裝非接觸式的紅外或光纖比色測(cè)溫儀測(cè)量燒成帶溫度，實(shí)際只能檢測(cè)到燒成帶與冷卻帶之間物料的溫度，且窯內(nèi)煙霧及粉塵干擾造成測(cè)量誤差較大；另一種方法是，采用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合看火人員的操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)攝像機(jī)捕捉的看火圖像信號(hào)進(jìn)行量化處理，提取火焰溫度等級(jí)信息，以此作為燒成帶溫度的間接測(cè)量信息，這種方法受窯況變化影響較大。
另外，在控制方法方面，主要采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)燒成帶溫度的單回路控制，但這種傳統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和知識(shí)表達(dá)形式單一，難以處理復(fù)雜系統(tǒng)控制所需要的啟發(fā)性知識(shí)，在控制性能上表現(xiàn)為抗干擾能力差、調(diào)節(jié)速度慢，超調(diào)大，在生產(chǎn)邊界條件如燃料或料漿的成分或其它工藝條件波動(dòng)時(shí)，實(shí)用性和適應(yīng)性差，只有在窯況比較穩(wěn)定條件下才能投運(yùn)，自動(dòng)投運(yùn)率較低。
由于熟料窯體積龐大，物理化學(xué)反應(yīng)過程復(fù)雜、熱量傳遞過程復(fù)雜，運(yùn)行條件與工況變化大如窯內(nèi)襯、窯皮的厚薄、生料漿流量、水分、成分、燃料煤質(zhì)等變化頻繁；由于干擾嚴(yán)重，控制變量之間耦合嚴(yán)重，存在非線性、時(shí)變、大慣性、大時(shí)滯，難以建立某一輸入對(duì)于輸出的數(shù)學(xué)模型；控制變量如給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、排煙機(jī)風(fēng)門開度、下料量、窯速等之間耦合嚴(yán)重；基于數(shù)學(xué)模型的、或增益恒定的控制方法如PID，MPC控制方法適應(yīng)能力差?；剞D(zhuǎn)窯過程存在檢測(cè)手段有限、且測(cè)量干擾嚴(yán)重、大時(shí)滯、非線性等控制難題而難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，在很大程度上依賴于人工技巧和經(jīng)驗(yàn)?；诔Ｒ?guī)檢測(cè)手段的控制系統(tǒng)要代替人工看火手動(dòng)操作是一種挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述已有技術(shù)存在的不足，提供一種能有效提高氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)生產(chǎn)的科學(xué)性、降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高整個(gè)氧化鋁回轉(zhuǎn)窯燒結(jié)過程的自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，提高熟料窯的運(yùn)轉(zhuǎn)率、熟料質(zhì)量、降低能耗的氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法，其特征在于該方法是采用智能預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、自適應(yīng)、多目標(biāo)決策、多模態(tài)控制技術(shù)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上應(yīng)用控制系統(tǒng)軟件；該方法是通過下面的軟、硬件控制設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的，硬件控制設(shè)置有檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；軟件控制設(shè)置-即控制系統(tǒng)軟件，由特征信息預(yù)處理、特征模式集、控制算法集、推理機(jī)構(gòu)、人機(jī)協(xié)調(diào)接口組成；其中特征信息預(yù)處理包含燒成帶溫度低通濾波、智能濾波，變時(shí)間尺度處理特征信息，特征數(shù)據(jù)包含燒成帶溫度及變化，窯尾溫度及變化，煙氣O2含量，用煤水平；特征模式集包括軟開關(guān)程序控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)模糊控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器觸發(fā)特征模式類、工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式類；控制算法集由軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器、調(diào)度器和工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器組成；人機(jī)協(xié)調(diào)接口允許操作人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備狀況及生產(chǎn)條件對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍給予約束限定，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)可以在控制系統(tǒng)運(yùn)行于自動(dòng)控制方式下時(shí)進(jìn)行必要的人工干預(yù)操作，而不需要切換為手動(dòng)控制方式，使得操作人員可以連續(xù)地最大限度地利用專家控制系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的用戶友好性和適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)緊密結(jié)合，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于檢測(cè)儀表主要包括在回轉(zhuǎn)窯窯頭前安裝紅外或光纖比色測(cè)溫儀或任意一種非接觸式測(cè)溫儀表；還包括煙氣O2含量取樣分析儀表裝置。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于控制算法集中的軟開關(guān)程序控制器其一，基于相對(duì)快時(shí)間尺度處理的特征信息如燒成帶溫度等級(jí)及下降趨勢(shì)進(jìn)行綜合判斷，可以快速觸發(fā)控制器及時(shí)加減煤量；其二，加減煤量幅度是根據(jù)控制器記憶的用煤水平目標(biāo)值、當(dāng)前用煤水平及人工預(yù)設(shè)用煤幅度，按窯熱量供需平衡原則計(jì)算；且考慮了軟開關(guān)誤判斷情況下的處理方法。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于控制算法集中的自適應(yīng)模糊控制器基于相對(duì)慢時(shí)間尺度處理的特征信息如燒成帶溫度偏差及變化，包括2個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)控制器和自適應(yīng)修正控制器；基礎(chǔ)控制器的基本控制算法可采用PID控制或模糊控制算法，可以通過在基本控制算法基礎(chǔ)上增加死區(qū)處理和參數(shù)自適應(yīng)功能，在快速性與穩(wěn)定性如抗測(cè)量噪聲干擾能力方面達(dá)到滿意的擇衷；自適應(yīng)修正控制器根據(jù)過程處于12種不同的工況特征模式下對(duì)煤量調(diào)節(jié)量進(jìn)行自適應(yīng)修正，同時(shí)考慮采用“用煤水平”作為調(diào)度變量，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)的多模態(tài)切換，從而提高穩(wěn)定性，以模仿人操作的模糊性、容忍度，如用煤水平相對(duì)高時(shí)，側(cè)重減煤；用煤水平越低，減煤越謹(jǐn)慎，側(cè)重預(yù)加煤。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于控制算法集中的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器利用“用煤水平目標(biāo)值”特征記憶信息，根據(jù)當(dāng)前用煤水平與目標(biāo)值之間的偏差及燒成帶溫度的特征信息調(diào)節(jié)用煤水平，克服窯過程控制對(duì)象具有的測(cè)量特殊性、干擾嚴(yán)重、大滯后、大慣性，保證窯熱量供需平衡，熱工制度穩(wěn)定。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于控制算法集中的調(diào)度器，負(fù)責(zé)軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器與自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器之間的協(xié)調(diào)問題，基于多目標(biāo)決策，按目標(biāo)優(yōu)先權(quán)將三者集成起來，輸出煤量調(diào)節(jié)量至工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于控制算法集中的工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器，基于保證熟料質(zhì)量、保持窯熱工制度穩(wěn)定、改善燃燒狀況三個(gè)方面多目標(biāo)決策，根據(jù)被控變量燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量組合的27種工況并歸類簡(jiǎn)化為12種工況，對(duì)控制變量給煤量、二次風(fēng)量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能統(tǒng)控制方法，其特征在于推理機(jī)構(gòu)采用前向推理方法。
本發(fā)明方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，在燒成帶溫度檢測(cè)手段上仍然采用了在窯前安裝比色測(cè)溫儀，但是通過綜合運(yùn)用智能建模與控制方法，明顯提高了控制系統(tǒng)的控制性能如快速性、穩(wěn)定性、抗干擾能力、適應(yīng)能力和用戶友好性。下面概括說明關(guān)鍵被控變量燒成帶溫度的檢測(cè)采用窯前比色測(cè)溫儀測(cè)取的燒成帶物料溫度作為主要參數(shù)，其它檢測(cè)數(shù)據(jù)如窯頭溫度、窯尾溫度輔助判斷其變化趨勢(shì)；并對(duì)窯前比色測(cè)溫儀測(cè)取的燒成帶物料溫度進(jìn)行了低通濾波、智能濾波；在軟開關(guān)程序控制模式下引入的軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束處理相當(dāng)于對(duì)控制動(dòng)作的校正濾波；程序控制分步驟減煤模式的引入防止了由于測(cè)溫干擾、控制器頻繁動(dòng)作而導(dǎo)致用煤水平不斷提高。以上方法的運(yùn)用大大提高了控制系統(tǒng)的抗干擾性能。
具有不同控制節(jié)奏的控制器如軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器等利用了不同時(shí)間尺度處理的特征信息，以保證控制系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間的滿意擇衷。
在自適應(yīng)模糊控制器中采用“用煤水平”作為調(diào)度變量，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)的多模態(tài)切換控制，從而提高穩(wěn)定性，以模仿人操作的模糊性、容忍度，如用煤水平相對(duì)高時(shí)，側(cè)重減煤；用煤水平越低，減煤越謹(jǐn)慎，側(cè)重預(yù)加煤。
針對(duì)燒成帶溫度測(cè)量特殊性、干擾嚴(yán)重、大滯后、大慣性，引入自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制模式，將在大腦中建立起關(guān)于對(duì)象的預(yù)測(cè)模型轉(zhuǎn)化為某種特征模式；借助于“用煤水平目標(biāo)值”這一特征記憶信息，遵循能量守恒原理，調(diào)節(jié)用煤水平，保證窯熱量傳遞平衡，熱工制度長(zhǎng)期穩(wěn)定。
在確定了保證熟料質(zhì)量、保持窯熱工制度穩(wěn)定、改善燃燒狀況三個(gè)方面多目標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，引入工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制模式，采用智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)，從整個(gè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中互相影響的各變量整體考慮，根據(jù)燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量組合的不同工況，對(duì)給煤量、二次風(fēng)量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
通過在自動(dòng)方式下嵌入人工干預(yù)操作處理，操作人員可以在熟料窯生產(chǎn)邊界條件如生料成分、煤質(zhì)波動(dòng)幅度大時(shí)進(jìn)行必要的人工干預(yù)操作，這樣可以發(fā)揮人工看火優(yōu)勢(shì)，通過人工調(diào)整用煤水平重新設(shè)置自動(dòng)控制器的工作點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)能力。通過設(shè)計(jì)人機(jī)接口，允許操作人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備狀況及生產(chǎn)條件對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍給予約束限定，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠運(yùn)行。
本發(fā)明中采用了智能數(shù)據(jù)處理與建模技術(shù)如智能濾波技術(shù)、多信息融合技術(shù)進(jìn)行工況辨識(shí)，全面細(xì)致地建立了熟料窯生產(chǎn)過程工況模型。采用智能預(yù)測(cè)控制技術(shù)、智能自適應(yīng)控制技術(shù)，智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)、設(shè)計(jì)給煤量和風(fēng)量控制器，解決了由于回轉(zhuǎn)窯過程存在的特殊大慣性、關(guān)鍵工藝參數(shù)檢測(cè)干擾嚴(yán)重且滯后、燃料及料漿成分波動(dòng)劇烈等造成工藝參數(shù)控制性能惡化的控制難題，克服了常規(guī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和知識(shí)表達(dá)形式單一，難以處理復(fù)雜系統(tǒng)控制所需要的啟發(fā)性知識(shí)，在生產(chǎn)邊界條件如燃料或料漿的成分或其它工藝條件波動(dòng)時(shí)，實(shí)用性和適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)人機(jī)協(xié)調(diào)接口實(shí)現(xiàn)了人機(jī)緊密結(jié)合，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，表明了建立人機(jī)交互的智能優(yōu)化控制系統(tǒng)是解決復(fù)雜工業(yè)過程的自動(dòng)控制難題的有效途徑及未來趨勢(shì)。


圖1為本發(fā)明的方法的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖2為本發(fā)明方法的燒成帶溫度智能濾波處理示意圖。
圖3為常規(guī)模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖4為本發(fā)明的控制模式、控制動(dòng)作示意圖。
圖5為本發(fā)明的控制系統(tǒng)運(yùn)行流程框圖。
具體實(shí)施方案氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法，該方法是采用智能預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、自適應(yīng)、多目標(biāo)決策、多模態(tài)控制技術(shù)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上應(yīng)用控制系統(tǒng)軟件；該方法是通過下面的軟、硬件控制設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的，硬件控制設(shè)置有檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；軟件控制設(shè)置-即控制系統(tǒng)軟件，由特征信息預(yù)處理、特征模式集、控制算法集、推理機(jī)構(gòu)、人機(jī)協(xié)調(diào)接口組成；其中特征信息預(yù)處理包含燒成帶溫度低通濾波、智能濾波，變時(shí)間尺度處理特征信息，特征數(shù)據(jù)包含燒成帶溫度及變化，窯尾溫度及變化，煙氣O2含量，用煤水平；特征模式集包括軟開關(guān)程序控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)模糊控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器觸發(fā)特征模式類、工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式類；控制算法集由軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器、調(diào)度器和工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器組成；人機(jī)協(xié)調(diào)接口允許操作人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備狀況及生產(chǎn)條件對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍給予約束限定，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)可以在控制系統(tǒng)運(yùn)行于自動(dòng)控制方式下時(shí)進(jìn)行必要的人工干預(yù)操作，而不需要切換為手動(dòng)控制方式，使得操作人員可以連續(xù)地最大限度地利用專家控制系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的用戶友好性和適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)緊密結(jié)合，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
本發(fā)明方法是通過下面的軟硬件控制設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的，硬件控制設(shè)置包括檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。檢測(cè)儀表主要包括在回轉(zhuǎn)窯窯頭前安裝紅外或光纖比色測(cè)溫儀(或任意一種非接觸式測(cè)溫儀表)；還包括煙氣O2含量取樣分析儀表裝置。
為了便于闡述軟件控制設(shè)置，將回轉(zhuǎn)窯過程的完整自動(dòng)控制方案劃分為核心控制部分和輔助控制部分。核心控制部分采用專家控制系統(tǒng)，主要通過調(diào)節(jié)控制變量給煤量(給煤機(jī)轉(zhuǎn)速)、二次風(fēng)量(排煙機(jī)入口風(fēng)門開度)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量的控制；輔助控制部分可以采用常規(guī)控制方法如PI控制等實(shí)現(xiàn)生料漿流量(或壓力)、一次風(fēng)壓力、一次風(fēng)流量的單回路控制。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)包括特征信息預(yù)處理、特征模式集、推理機(jī)構(gòu)、控制算法集、人機(jī)協(xié)調(diào)接口。
(一)特征信息預(yù)處理包含燒成帶溫度低通濾波、智能濾波方法，不同時(shí)間尺度處理特征信息，特征數(shù)據(jù)包含燒成帶溫度及變化，窯尾溫度及變化，用煤水平。
1.燒成帶溫度低通濾波、智能濾波方法回轉(zhuǎn)窯燒成帶溫度是關(guān)鍵的被控變量。由于回轉(zhuǎn)窯的特殊窯況，燒成帶溫度檢測(cè)是回轉(zhuǎn)窯自動(dòng)控制的一個(gè)難點(diǎn)。本方案利用在窯前安裝非接觸式測(cè)溫裝置如紅外或光纖比色測(cè)溫儀，目前只能測(cè)取燒成帶與冷卻帶之間的某點(diǎn)物料溫度，因此隨著物料的翻滾移動(dòng)，經(jīng)紅外或光纖比色測(cè)溫儀檢測(cè)得到的信號(hào)變化頻率較大，有明顯的小幅度隨機(jī)波動(dòng)，且某些工況下粉塵煙霧干擾較嚴(yán)重。由于本發(fā)明控制方法依據(jù)的主要特征信息之一為這一溫度檢測(cè)值，為了防止因此而產(chǎn)生的控制器誤動(dòng)作，必須對(duì)該溫度檢測(cè)值首先采用一般低通濾波方法進(jìn)行低通濾波?；剞D(zhuǎn)窯由于窯圈形成或窯尾結(jié)疤都會(huì)影響回轉(zhuǎn)窯的通風(fēng)特性，造成火焰在窯內(nèi)竄動(dòng)，使該溫度檢測(cè)值異常，這種因隨機(jī)干擾而產(chǎn)生的瞬時(shí)波動(dòng)并不真正反映燒成帶內(nèi)實(shí)際溫度氣氛變化，將對(duì)后續(xù)的模式識(shí)別造成干擾，因此對(duì)經(jīng)低通濾波后的燒成帶溫度再設(shè)計(jì)特殊智能濾波處理。智能濾波器采用啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行大尖峰、尖峰、低谷濾波處理。舉例大尖峰濾波算法如下，濾波算法模塊掃描周期為30s。
定義燒成帶溫度原始測(cè)量值Ta，燒成帶溫度低通濾波值Tb，燒成帶溫度經(jīng)大尖峰濾波值Tc，燒成帶溫度經(jīng)濾波處理值Td。下文引用燒成帶溫度處，若不特別說明，則指Td。
IF(30s)燒成帶溫度低通濾波值的變化量＞＝ΔTb1(15℃)AND燒成帶溫度低通濾波值Tb＞＝燒成帶溫度上限設(shè)定值THEN進(jìn)行燒成帶溫度大尖峰濾波處理當(dāng)前燒成帶溫度經(jīng)大尖峰濾波值Tc＝本次大尖峰濾波處理前一周期的燒成帶溫度低通濾波值TbIF燒成帶溫度低通濾波值Tb＜＝大尖峰濾波處理前一周期的燒成帶溫度低通濾波值Tb OR(燒成帶溫度低通濾波值變化平緩((30s)變化量＜ΔTb2)的次數(shù)達(dá)到或超過2周期AND燒成帶溫度低通濾波值Tb＜燒成帶溫度上限設(shè)定值)THEN退出燒成帶溫度大尖峰濾波處理當(dāng)前燒成帶溫度經(jīng)大尖峰濾波值Tc＝當(dāng)前燒成帶溫度低通濾波值Tb2.采用不同時(shí)間尺度處理特征信息特征模式集所利用的特征信息來自于回轉(zhuǎn)窯過程工藝參數(shù)的原始檢測(cè)值，根據(jù)需要加工處理成不同時(shí)間尺度的特征信息，這些原始檢測(cè)值包含燒成帶溫度、窯尾溫度、窯頭溫度、煙氣O2含量、用煤水平即給煤機(jī)轉(zhuǎn)速；不同時(shí)間尺度的特征信息包含30s、2min燒成帶溫度變化量、窯尾溫度變化量、窯頭溫度變化量；10min給煤機(jī)轉(zhuǎn)速平均值等。具有不同控制節(jié)奏的控制器如軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器等利用了不同時(shí)間尺度處理的特征信息，以保證控制系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性之間的擇衷。
(二)特征模式集由于回轉(zhuǎn)窯的不確定特性，基于過程模型的控制方法無效。專家控制系統(tǒng)旨在建立操作者控制模型，可以證明人的控制是多模態(tài)的，而每個(gè)模態(tài)的切換是依據(jù)特征進(jìn)行的，這種控制方式在不確定對(duì)象的控制中取得了較大的成功。通過用這些特征狀態(tài)模式直觀深刻地反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的工作運(yùn)行狀態(tài)，以便為智能控制決策提供依據(jù)，即為專家控制系統(tǒng)用以推理、判斷的依據(jù)。本發(fā)明特征模式集部分包括軟開關(guān)程序控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)模糊控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器觸發(fā)特征模式類、工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式類。為了更全面更細(xì)致地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特征，每個(gè)特征模式類還劃分成若干個(gè)子特征模式類，最終形成多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)窯過程特征模式集合。下面分別予以說明，在控制算法集部分還將進(jìn)一步詳細(xì)說明為了便于說明各個(gè)特征模式類的定義和控制算法集部分各個(gè)控制器的工作原理(觸發(fā)機(jī)制)，在全自動(dòng)方式下(意味著至少給煤機(jī)調(diào)速和排煙機(jī)風(fēng)門為自動(dòng)方式)，將整個(gè)過程響應(yīng)(控制器控制方式)劃分為兩大控制方式軟開關(guān)程序控制方式和模糊控制方式。
軟開關(guān)程序控制方式(狀態(tài))和模糊控制方式(狀態(tài))的定義從整個(gè)過程響應(yīng)的角度來看，當(dāng)過程響應(yīng)的特征是燒成帶溫度(基本)處于正?；蚋邷貭顟B(tài)，自適應(yīng)模糊控制器工作調(diào)節(jié)煤量，過程處于模糊控制方式下；當(dāng)過程響應(yīng)的特征是燒成帶溫度迅速大幅度下降，則軟開關(guān)程序控制器啟動(dòng)，退出模糊控制方式，進(jìn)入軟開關(guān)程序控制方式，軟開關(guān)程序控制器按步驟按條件調(diào)節(jié)煤量；經(jīng)過一段時(shí)間，燒成帶溫度緩慢上升，直至恢復(fù)正常，軟開關(guān)程序控制器結(jié)束工作，退出軟開關(guān)程序控制方式，進(jìn)入模糊控制方式，自適應(yīng)模糊控制器啟動(dòng)。
可以看出在不同控制方式下，有不同的控制器在工作。一方面由于燒成帶溫度測(cè)量的特殊性如熟料溫度隨機(jī)正常波動(dòng)及測(cè)量具有一定滯后性，而窯看火操作具有其特殊性如加煤時(shí)機(jī)、加煤幅度的掌握很重要，火焰集中很重要，這就要求控制系統(tǒng)對(duì)溫度變化趨勢(shì)應(yīng)極為敏銳，加減煤響應(yīng)要快；另一方面，回轉(zhuǎn)窯過程又是一個(gè)典型的大慣性過程，控制周期的選取不能太快。因此控制系統(tǒng)必須能在快速性和穩(wěn)定性之間取得擇衷。于是，控制系統(tǒng)實(shí)際上有兩種或多種具有不同控制節(jié)奏的控制器在工作。
從涵蓋的特征子模式角度來看，軟開關(guān)程序控制方式下包括軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)子模式、軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程子模式、軟開關(guān)程序控制結(jié)束子模式。
自適應(yīng)模糊控制器和自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器工作于模糊控制方式下。
由于自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器的主要目標(biāo)是保持窯內(nèi)熱量供需平衡，其觸發(fā)條件是當(dāng)前用煤水平偏離用煤水平目標(biāo)值的差值超過一定閾值。
工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器是基于工況特征觸發(fā)的，由于由過程特征信息至12種工況劃分的映射為滿射，即每個(gè)采樣時(shí)刻過程實(shí)時(shí)的特征信息都會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)工況特征，因此工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式遍歷于整個(gè)過程響應(yīng)。
1.12種工況子模式定義在自適應(yīng)模糊控制器觸發(fā)特征模式類和工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式類的定義中都利用了12種工況子模式，下面對(duì)12種工況子模式定義給予說明根據(jù)回轉(zhuǎn)窯過程操作機(jī)理，燒成帶溫度對(duì)熟料質(zhì)量有決定性影響，窯尾溫度是決定烘干帶烘干能力的主要因素，影響窯操作的穩(wěn)定性，煙氣O2含量反映窯內(nèi)燃燒氣氛，影響燃燒效率。三個(gè)變量都可以處在容許范圍內(nèi)、最低容許值以下或最高容許值以上，將可能有27種基本情況。本方案根據(jù)操作人員通過人機(jī)接口輸入的燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量上限、下限設(shè)定值，劃分燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量的高、低、正常范圍。對(duì)應(yīng)于這三個(gè)變量的實(shí)時(shí)檢測(cè)值，都會(huì)得到相應(yīng)的等級(jí)范圍。比如IF燒成帶溫度＞燒成帶溫度上限設(shè)定值，THEN燒成帶溫度高IF窯尾溫度≤窯尾溫度F限設(shè)定值，THEN窯尾溫度低IF煙氣O2含量下限設(shè)定值＜煙氣O2含量≤煙氣O2含量上限設(shè)定值，THEN煙氣O2含量正常將可能的27種基本情況簡(jiǎn)化歸類劃分為12種工況子特征模式。比如IF燒成帶溫度低AND(O2含量正常OR O2含量高)AND窯尾溫度低THEN滿足工況1特征模式IF燒成帶溫度低AND(O2含量正常OR O2含量高)AND窯尾溫度正常
THEN滿足工況2特征模式IF燒成帶溫度低AND(O2含量正常OR O2含量高)AND窯尾溫度高THEN滿足工況3特征模式IF燒成帶溫度正常AND窯尾溫度低THEN滿足工況4特征模式IF燒成帶溫度正常AND(O2含量正常OR O2含量高)AND窯尾溫度正常THEN滿足工況5特征模式IF燒成帶溫度正常AND窯尾溫度高THEN滿足工況6特征模式IF燒成帶溫度高AND窯尾溫度低THEN滿足工況7特征模式IF燒成帶溫度高AND窯尾溫度正常THEN滿足工況8特征模式IF燒成帶溫度高AND窯尾溫度高THEN滿足工況9特征模式IF燒成帶溫度低AND O2含量低AND窯尾溫度低THEN滿足工況10特征模式IF燒成帶溫度低AND O2含量低AND(窯尾溫度正常OR窯尾溫度高)THEN滿足工況11特征模式IF燒成帶溫度正常AND O2含量低AND窯尾溫度正常THEN滿足工況12特征模式2.軟開關(guān)程序控制器觸發(fā)特征模式類(簡(jiǎn)稱軟開關(guān)程序控制模式類)的定義在軟開關(guān)程序控制模式類的定義中，利用的特征信息包括燒成帶溫度的30s變化量，窯頭溫度的30s變化量，窯尾溫度的30s變化量及各變量的瞬時(shí)檢測(cè)值。以下不特殊說明，均為30s的特征信息。
工況特征信息--4種燒成帶溫度變化和窯頭溫度變化工況的定義根據(jù)燒成帶溫度變化的上升、下降趨勢(shì)和窯頭溫度變化的上升、下降趨勢(shì)，組合出4種工況。當(dāng)燒成帶溫度變化量絕對(duì)值達(dá)到M01，認(rèn)為燒成帶溫度變化；當(dāng)窯頭溫度變化量絕對(duì)值達(dá)到M02，認(rèn)為窯頭溫度變化。由于燒成帶溫度測(cè)量的特殊性，對(duì)于冷卻機(jī)類型為直筒型的回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)，根據(jù)回轉(zhuǎn)窯過程響應(yīng)，若燒成帶溫度下降，同時(shí)窯頭溫度上升時(shí)，意味著燒成帶溫度下降的確信度要更大一些。若燒成帶溫度上升，同時(shí)窯頭溫度下降時(shí)，意味著燒成帶溫度上升的確信度要更大一些。上述變量之間的關(guān)聯(lián)可以解釋為由于回轉(zhuǎn)窯內(nèi)熱工平衡關(guān)系的變化導(dǎo)致了燒結(jié)物料厚度及流速發(fā)生變化，從而改變了二次風(fēng)與高溫熟料在冷卻機(jī)內(nèi)的熱交換過程，引起二次風(fēng)溫上升或下降。
利用上述特征信息首先對(duì)軟開關(guān)程序控制模式類定義中采用的工況綜合判斷條件進(jìn)行了集中定義，共有12種軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件，比如軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件1(第一種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件)IF(1)當(dāng)前滿足第一階段條件，即①在燒成帶溫度下降、窯頭溫度下降時(shí)，燒成帶溫度下降超過M01(如7℃)OR②在燒成帶溫度下降、窯頭溫度上升時(shí)，燒成帶溫度下降超過M02(如5℃)(2)①在滿足第一階段條件的基礎(chǔ)上②在燒成帶溫度下降、窯頭溫度上升時(shí)，燒成帶溫度下降超過M02(如5℃)③燒成帶溫度低于設(shè)定值THEN當(dāng)前滿足第一種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件3(第三種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件)IF①在燒成帶溫度下降、窯頭溫度下降時(shí)，或者燒成帶溫度下降、窯頭溫度上升時(shí)②連續(xù)N1(如3)個(gè)周期內(nèi)燒成帶溫度降幅超過M03(如25℃)③燒成帶溫度低于下限設(shè)定值THEN當(dāng)前滿足第三種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件4(第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制條件)限制條件啟動(dòng)IF①當(dāng)前尚未啟動(dòng)第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制條件②在燒成帶溫度上升超過M04(如5℃)之后③燒成帶溫度N2(如3)分鐘內(nèi)上升超過M05(如25℃)THEN啟動(dòng)第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制條件限制條件取消IF①當(dāng)前已經(jīng)啟動(dòng)第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制條件②在燒成帶溫度下降超過M04(如5℃)之后③燒成帶溫度N3(如2)分鐘內(nèi)下降超過M06(如10℃)THEN取消第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制條件軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件6(第一種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件)IF①在燒成帶溫度上升、窯頭溫度下降時(shí)②燒成帶溫度超過(設(shè)定值-M07(30℃))達(dá)到N4(如2)次THEN當(dāng)前滿足第一種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件9(第四種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件)IF①燒成帶溫度連續(xù)超過設(shè)定值達(dá)到N5(如2)次THEN當(dāng)前滿足第四種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件10(第一種軟開關(guān)程序控制誤判斷條件)IF①在軟開關(guān)程序控制器啟動(dòng)后軟開關(guān)程序控制期間5分鐘內(nèi)②燒成帶溫度上升超過M08(如3℃)達(dá)到N6(如3)次③燒成帶溫度超過(設(shè)定值-M09(如30℃))THEN當(dāng)前滿足軟開關(guān)程序控制誤判斷條件在定義軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件的基礎(chǔ)上，針對(duì)軟開關(guān)程序控制方式下過程響應(yīng)發(fā)展的階段性特征，根據(jù)燒成帶溫度、窯尾溫度以及用煤情況綜合判斷，具體定義4種軟開關(guān)程序控制子模式類，分別命名為軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)子模式類(a1-a3)、軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程子模式(b1)、軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束子模式(c1-c5)、軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束子模式(d1-d2)，如軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)子模式a1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)(方式)②當(dāng)前滿足第一種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件THEN軟開關(guān)程序控制(方式或器)啟動(dòng)軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)子模式a3IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②當(dāng)前滿足第三種軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)請(qǐng)求條件THEN軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)軟開關(guān)程序控制分步驟加煤子模式b1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下軟開關(guān)程序控制狀態(tài)②當(dāng)前不存在第一種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制③當(dāng)前不存在第二種軟開關(guān)程序控制分步驟加煤限制④軟開關(guān)程序控制器(本次軟開關(guān)程序控制方式作用期間)累計(jì)加煤量未達(dá)到總加煤幅度⑤燒成帶溫度低于燒成帶溫度下限設(shè)定值THEN軟開關(guān)程序控制分步驟加煤軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束子模式c1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下軟開關(guān)程序控制狀態(tài)②N7(如30)分鐘前窯尾溫度等級(jí)正?；蚋撷郛?dāng)前滿足第一種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件THEN軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束子模式c4IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下軟開關(guān)程序控制狀態(tài)②當(dāng)前滿足第四種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件
THEN軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束子模式d1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下軟開關(guān)程序控制狀態(tài)②當(dāng)前滿足第一種軟開關(guān)程序控制誤判斷條件THEN軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束3.自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器觸發(fā)特征模式類(或稱程序控制分步驟減煤模式)自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器的主要目標(biāo)是保持窯內(nèi)熱量供需平衡，其觸發(fā)條件是當(dāng)前用煤水平偏離用煤水平目標(biāo)值的差值超過一定閾值。針對(duì)自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器隨工況發(fā)展的階段性特征，根據(jù)燒成帶溫度、窯尾溫度以及用煤水平綜合判斷，具體定義3種程序控制分步驟減煤子模式類，分別命名為程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式(d1-d2)；程序控制分步驟減煤過程子模式(e1-e4)；程序控制分步驟減煤結(jié)束子模式(f1-f2)。比如程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)(方式)②當(dāng)前處于軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束THEN程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d2IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②程序控制分步驟減煤過程已結(jié)束，當(dāng)前用煤水平超過用煤水平目標(biāo)值一定閾值M01(如80)③30分鐘前窯尾溫度等級(jí)正常或高④當(dāng)前滿足第一種或第二種或第三種或第四種軟開關(guān)程序控制結(jié)束請(qǐng)求條件THEN程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)程序控制分步驟減煤過程子模式e1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②程序控制分步驟減煤余額超過M02(如80)③程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)后累計(jì)減煤量未超過M03(如130)④在N1(如4)分鐘內(nèi)燒成帶溫度連續(xù)高于設(shè)定值THEN程序控制分步驟減煤(過程動(dòng)作)程序控制分步驟減煤過程子模式e4IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②程序控制分步驟減煤余額未超過M02(80)③程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)后累計(jì)減煤量超過M03(130)④在N2(如3)分鐘內(nèi)燒成帶溫度連續(xù)高于上限設(shè)定值
THEN程序控制分步驟減煤(過程動(dòng)作)程序控制分步驟減煤結(jié)束子模式f1IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②當(dāng)前處于程序控制分步驟減煤過程③若有人工干預(yù)動(dòng)作THEN程序控制分步驟減煤結(jié)束程序控制分步驟減煤結(jié)束子模式f2IF①當(dāng)前處于全自動(dòng)方式下模糊控制狀態(tài)②當(dāng)前處于程序控制分步驟減煤過程③若減煤余額為0THEN程序控制分步驟減煤結(jié)束(三)控制算法集控制算法集部分針對(duì)特征模式集部分定義的生產(chǎn)工況各種模式，分別設(shè)計(jì)基于相應(yīng)特征模式的控制器。圖4為控制方式、控制動(dòng)作示意圖。
1.軟開關(guān)程序控制器回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程長(zhǎng)期依賴于人工看火操作，看火操作經(jīng)驗(yàn)證明了及時(shí)準(zhǔn)確判斷窯況，及時(shí)正確調(diào)整風(fēng)量煤量的重要性。設(shè)計(jì)軟開關(guān)程序控制器的主要特點(diǎn)在于其一，鑒于本方案中燒成帶溫度檢測(cè)手段的特殊性，基于30s的特征信息如燒成帶溫度等級(jí)及下降趨勢(shì)進(jìn)行綜合判斷，在短時(shí)間內(nèi)快速觸發(fā)控制器及時(shí)加減煤量；其二，加減煤量幅度是根據(jù)控制器記憶的用煤水平目標(biāo)值、當(dāng)前用煤水平及人工預(yù)設(shè)用煤幅度，按一定規(guī)則計(jì)算出來的；且考慮了軟開關(guān)誤判斷情況下的處理方法。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，保證了用煤水平在一定基準(zhǔn)上的平穩(wěn)調(diào)整，不會(huì)因?yàn)闊蓭囟葯z測(cè)干擾造成用煤水平的大幅度抬高或降低，從而保證窯熱工制度的長(zhǎng)期穩(wěn)定。軟開關(guān)程序控制器包括以下子模式控制器定義人工預(yù)設(shè)用煤幅度在燒成帶溫度大幅度降低過程中，軟開關(guān)程序控制器將大幅度加煤，在這一過程中，加煤的總量是應(yīng)隨著煤質(zhì)、窯況的不同相應(yīng)變化的。由于煤質(zhì)波動(dòng)還沒有合適的實(shí)時(shí)檢測(cè)手段，操作人員可以為控制系統(tǒng)設(shè)定不同的用煤幅度如劃分為“強(qiáng)”“中”“弱”。
軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)子模式控制器step1根據(jù)軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)人工預(yù)設(shè)用煤幅度RI1、減煤余額RI2，計(jì)算本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度RO；本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度算法 step2取本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度的r1(如40％)作為本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)預(yù)設(shè)加煤量；step3①若本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)預(yù)設(shè)加煤量低于R1(如100)，則取本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)預(yù)設(shè)加煤量作為本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)加煤量。
②若本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)預(yù)設(shè)加煤量不低于R1(如100)，則取R1(如100)作為本次軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)加煤量。
軟開關(guān)程序控制分步驟加煤子模式控制器step1根據(jù)軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)人工預(yù)設(shè)用煤幅度RI1、減煤余額RI2，計(jì)算本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度RO(算法同上)；step2取本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度的r2(如15％)作為本次軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程預(yù)設(shè)加煤量；step3①若合計(jì)軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程預(yù)設(shè)加煤量，軟開關(guān)程序控制累計(jì)加煤量達(dá)到本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度RO，則調(diào)整軟開關(guān)程序控制分步驟加煤量使軟開關(guān)程序控制累計(jì)加煤量達(dá)到本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度。
②若合計(jì)軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程預(yù)設(shè)加煤量，軟開關(guān)程序控制累計(jì)加煤量未達(dá)到本次軟開關(guān)程序控制總加煤幅度RO，則取軟開關(guān)程序控制分步驟加煤預(yù)設(shè)加煤量作為軟開關(guān)程序控制分步驟加煤量。
軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束子模式控制器step1根據(jù)本次軟開關(guān)程序控制正常結(jié)束時(shí)用煤量Ra、啟動(dòng)時(shí)用煤量Rb和啟動(dòng)時(shí)的減煤余額Rc，計(jì)算本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)總減煤幅度Rd；本次軟開關(guān)程序控制總減煤幅度算法Rd＝Ra-Rb+Rcstep2取本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)總減煤幅度的r3(如55％)作為本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量；step3若窯尾溫度低于窯尾溫度設(shè)定值，則取本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量的90％作為本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量；step4①若本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量低于R2(如60)，則取本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量作為本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)減煤量。
②若本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)預(yù)設(shè)減煤量不低于R2(如60)，則取R2(如60)作為本次軟開關(guān)程序控制結(jié)束時(shí)減煤量。
軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束子模式控制器step1根據(jù)本次軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束時(shí)用煤量Ra，啟動(dòng)時(shí)用煤量Rb，計(jì)算軟開關(guān)程序控制誤判斷結(jié)束時(shí)減煤量Re。
Re＝Ra-Rb2.自適應(yīng)(智能)預(yù)測(cè)控制器(或稱程序控制分步驟減煤控制器)-(基于模式的預(yù)測(cè)控制)控制輸入發(fā)生改變后，往往需要相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間后，回轉(zhuǎn)窯過程才開始發(fā)生反應(yīng)。回轉(zhuǎn)窯當(dāng)前的過程響應(yīng)通常是過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)控制輸入共同作用的結(jié)果，因此它是一個(gè)大慣性過程；同時(shí)，燒成帶溫度檢測(cè)手段的特殊性使得檢測(cè)值用于反饋控制具有一定的純滯后性。采用常規(guī)的控制方法會(huì)導(dǎo)致過程發(fā)生大的超調(diào)與振蕩。
本方案中設(shè)計(jì)的自適應(yīng)(智能)預(yù)測(cè)控制器的一個(gè)突出特點(diǎn)是基于特征的，它借助于這一事實(shí)在有純滯后和大慣性因素存在的情況下，一個(gè)熟練的操作工經(jīng)過學(xué)習(xí)與總結(jié)經(jīng)驗(yàn)之后，會(huì)正確識(shí)別被控對(duì)象的現(xiàn)狀，或更長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)象的變化情況，從而能給出相應(yīng)的帶預(yù)估作用的操作，避免調(diào)節(jié)過度。人在控制過程中，雖然對(duì)被控對(duì)象并不完全的了解，并不知道對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，但通過多次的控制實(shí)踐，可以逐漸地了解對(duì)象的一些基本特征。通過積累、總結(jié)對(duì)象在一定輸入作用下的反應(yīng)情況，人可以估計(jì)出對(duì)象的慣性和滯后的大致情況，在大腦中建立起關(guān)于對(duì)象的預(yù)測(cè)模型。借助于這種模型，人的控制效果可以做到十分理想，具有極強(qiáng)的魯棒控制特性。可以說沒有這樣的預(yù)測(cè)模型，就沒有好的控制效果。這種模型不同于常規(guī)的數(shù)學(xué)模型，它是一種特征模型。
另外，能量傳遞守恒原理在控制大滯后、大慣性過程時(shí)具有著重要指導(dǎo)意義。對(duì)于回轉(zhuǎn)窯過程，通常在喂料量、生料成分、煤質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的情況下，用煤水平也應(yīng)當(dāng)相對(duì)穩(wěn)定。在自適應(yīng)(智能)預(yù)測(cè)控制器引入了當(dāng)前用煤水平這一特征和用煤水平目標(biāo)值這一記憶特征，用煤水平目標(biāo)值指在喂料量、生料成分、煤質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的一段時(shí)間內(nèi)所對(duì)應(yīng)的用煤水平。在當(dāng)前用煤水平偏離用煤水平目標(biāo)值的差值超過一定閾值時(shí)即觸發(fā)自適應(yīng)(智能)預(yù)測(cè)控制器，一方面可以克服測(cè)溫干擾造成用煤水平的大幅度提高；另一方面，當(dāng)在一段時(shí)間內(nèi)大幅度加煤后，如果繼續(xù)保持較高的用煤水平，將導(dǎo)致窯內(nèi)熱量供大于需，這時(shí)，就應(yīng)在過程符合某一要求的特征條件下，恢復(fù)原有的用煤水平，這是一種帶預(yù)估作用的操作，可以避免調(diào)節(jié)過，其主要目標(biāo)是長(zhǎng)時(shí)間保持窯內(nèi)熱量的供需平衡。
程序控制分步驟減煤控制器包括以下子模式控制器參數(shù)的定義t分鐘，p周期，r比例系數(shù)，T溫度變化量，R用煤量程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式控制器step1計(jì)算程序控制分步驟減煤目標(biāo)值即用煤水平目標(biāo)值A(chǔ)在本次程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)后(且未結(jié)束)t1(如40)分鐘內(nèi)，用煤水平目標(biāo)值的算法如下a若為程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d1啟動(dòng)，則用煤水平目標(biāo)值＝軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)用煤量-r1(如0.9)*軟開關(guān)程序控制啟動(dòng)時(shí)減煤余額。
b若為程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d2啟動(dòng)，則用煤水平目標(biāo)值的算法如下
A在程序控制分步驟減煤結(jié)束后t2(如30)分鐘內(nèi)，且未重新進(jìn)入新的程序控制分步驟減煤過程，則用煤水平目標(biāo)值＝程序控制分步驟減煤結(jié)束時(shí)的用煤量；B在程序控制分步驟減煤結(jié)束后每隔t3(如30)分鐘，且未重新進(jìn)入新的程序控制分步驟減煤過程，則用煤水平目標(biāo)值＝(當(dāng)前用煤量+原用煤水平目標(biāo)值)/2B在本次程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)后(且未結(jié)束)每隔t4(如40)分鐘，則用煤水平目標(biāo)值＝(當(dāng)前用煤量+原用煤水平目標(biāo)值)/2。
step2計(jì)算程序控制分步驟減煤起始值，同時(shí)設(shè)置程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)標(biāo)志；若為程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d1或d2啟動(dòng)，則程序控制分步驟減煤起始值＝當(dāng)前用煤量程序控制分步驟減煤過程子模式控制器step1計(jì)算減煤余額減煤余額＝當(dāng)前用煤量-用煤水平目標(biāo)值step2①若減煤余額超過R1，則取R1作為本次程序控制分步驟減煤量。
②若減煤余額未超過R1，則取減煤余額作為本次程序控制分步驟減煤量。
3.(智能)自適應(yīng)(模糊)控制器當(dāng)過程響應(yīng)的特征是燒成帶溫度等級(jí)處于正?；蚋叩燃?jí)，過程通常處于模糊控制方式下，此時(shí)由自適應(yīng)模糊控制器計(jì)算煤量調(diào)節(jié)量，它包括2個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)控制器和自適應(yīng)修正控制器，下面分別加以舉例說明①基礎(chǔ)控制器(智能參數(shù)自適應(yīng)控制器)基礎(chǔ)控制器在模糊控制方式下啟動(dòng)并運(yùn)行，控制周期為2～3分鐘，基本控制算法可采用PID控制或模糊控制等常規(guī)控制算法，根據(jù)燒成帶溫度偏差、偏差變化量，計(jì)算煤量調(diào)節(jié)量。
由于燒成帶溫度測(cè)量的特殊性如具有隨機(jī)波動(dòng)性以及物料的正燒結(jié)溫度具有一定的范圍，可以由燒成帶溫度上限設(shè)定值和設(shè)定值來界定。因此，需要在基礎(chǔ)控制算法上引入死區(qū)處理功能，即若燒成帶溫度偏差或偏差變化量小于規(guī)定的死區(qū)時(shí)，控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為0。
另外，當(dāng)燒成帶溫度處于正常水平尤其在設(shè)定值附近時(shí)，要重視燒成帶溫度的下降趨勢(shì)，若溫度出現(xiàn)下降應(yīng)及時(shí)加煤，可以通過提高這一特征下的控制器的微分增益增大加煤幅度。
當(dāng)燒成帶溫度處于較高水平如在上限設(shè)定值以上時(shí)，則應(yīng)重視燒成帶溫度偏差，若溫度偏差正大，且偏差變化為正應(yīng)及時(shí)減煤，可以通過提高這一特征下的控制器的比例增益和微分增益增大減煤幅度。
因此，為了在快速性與穩(wěn)定性如抗測(cè)量噪聲干擾能力方面達(dá)到比較滿意的擇衷，就可以通過在基本控制算法基礎(chǔ)上增加死區(qū)處理和參數(shù)自適應(yīng)功能，根據(jù)過程響應(yīng)不同的特征模式，實(shí)現(xiàn)控制器不同結(jié)構(gòu)及參數(shù)的自適應(yīng)切換，實(shí)現(xiàn)快速性和穩(wěn)定性的優(yōu)化兼顧。
特征模式的定義主要利用了燒成帶溫度偏差、偏差變化量。下面對(duì)設(shè)計(jì)思路舉例加以說明。
下面的設(shè)計(jì)例子中基本控制算法采用模糊控制算法。
常規(guī)模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊控制器的輸入變量為燒成帶溫度偏差E(＝設(shè)定值-測(cè)量值)和偏差變化量C，輸出變量為煤量調(diào)節(jié)量U，是一個(gè)雙輸入單輸出的二維PD增量型模糊控制器。
對(duì)偏差E、偏差變化量C及控制量U的模糊集及其論域定義如下E和C的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}U的模糊集為{NB2，NB1，NM2，NM1，NS2，NS1，ZO，PS1，PS2，PM1，PM2，PB1，PB2}E和C的論域均為{-3，-2，-1，0，1，2，3}U的論域?yàn)閧-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}E、C和U的隸屬度函數(shù)均為三角形。
設(shè)控制器的量化因子或稱輸入偏差增益為g1，輸入偏差變化量增益為g2，控制器的比例因子或稱輸出量增益為g0。
模糊控制規(guī)則庫如表1所示。
表1 模糊控制規(guī)則表

由于量化因子和比例因子的改變對(duì)模糊控制器的控制特性有較大影響，因此，調(diào)整這幾個(gè)參數(shù)是改善模糊控制器品質(zhì)的重要手段。可以在過程不同的特征模式下采用不同的量化因子和比例因子，以調(diào)整不同階段的控制特性如上述說明。還可以根據(jù)當(dāng)前的用煤水平，設(shè)計(jì)不同的控制器增益，如以“軟開關(guān)程序控制結(jié)束后已減煤量達(dá)R(如100)單位”標(biāo)志為一調(diào)度變量，設(shè)置兩組不同的高溫特征下控制器的減煤增益，即若用煤水平相對(duì)高，則增大g2，g0，增大減煤幅度；若用煤水平相對(duì)較低，則減小g2，g0，減小減煤幅度。
②自適應(yīng)修正控制器本控制器在基礎(chǔ)控制器計(jì)算的煤量調(diào)節(jié)量基礎(chǔ)上，根據(jù)過程處于12種不同的工況特征模式下對(duì)煤量調(diào)節(jié)量進(jìn)行自適應(yīng)修正。
由于物料的正燒結(jié)溫度有一定范圍，相應(yīng)于某生料成分的燒成帶溫度范圍設(shè)定具有模糊性，如果完全基于溫度偏差及變化來計(jì)算控制作用，很容易導(dǎo)致控制器頻繁動(dòng)作，導(dǎo)致調(diào)煤幅度過大，過程出現(xiàn)振蕩；因此同時(shí)考慮采用“用煤水平”作為調(diào)度變量，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)的多模態(tài)切換，從而提高穩(wěn)定性，以模仿人操作的模糊性、容忍度，如用煤水平相對(duì)高時(shí)，側(cè)重減煤；用煤水平越低，減煤越謹(jǐn)慎，側(cè)重預(yù)加煤。例如工況7，8，9特征模式下謹(jǐn)慎減煤策略主要是根據(jù)用煤水平、燒成帶溫度及窯尾溫度等級(jí)及變化情況設(shè)計(jì)，工況7，8，9特征模式下煤量調(diào)節(jié)量自適應(yīng)修正算法舉例如下設(shè)基礎(chǔ)控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RAI_coal，自適應(yīng)修正控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RAO_coal。
step1若“軟開關(guān)程序控制結(jié)束后或程序控制分步驟減煤?jiǎn)?dòng)子模式d2啟動(dòng)后已減煤達(dá)R(如180)單位”標(biāo)志Flag1＝1，且燒成帶溫度為特特高(如可定義為燒成帶溫度≥上限設(shè)定值±25℃)，則RAO_coal＝RAI_coal，否則RAO_coal＝0；Step2若Flag1＝0，則RAO_coal＝RAI_coal，否則若Flag1＝1，進(jìn)入step3；Step3若燒成帶溫度特高(如可定義為燒成帶溫度≥上限設(shè)定值+10℃)，則RAO_coal＝RAI_coal；Step4若窯尾溫度變化小于如-4℃，且窯尾溫度低于如設(shè)定值，則RAO_coal＝預(yù)加煤(如+10r/min)；Step5若窯尾溫度低于如(設(shè)定值-20℃)，則RAO_coal＝0；Step6若窯尾溫度高于如(設(shè)定值+20℃)，則RAO_coal＝RAI_coal；Step7若窯尾溫度高于如(設(shè)定值-20℃)且低于如(設(shè)定值+20℃)，且窯尾溫度變化≥0，則RAO_coal＝RAI_coal；否則，RAO_coal＝0。
例如工況5特征模式下，除了考慮燒成帶溫度下降快情況下大幅度加煤外，在燒成帶溫度正常且變化幅度不大時(shí)，根據(jù)窯尾溫度的變化趨勢(shì)微調(diào)節(jié)煤量，因?yàn)楦G尾溫度的變化也反映了窯內(nèi)熱量供應(yīng)的變化情況。工況5特征模式下煤量調(diào)節(jié)量自適應(yīng)修正算法舉例如下設(shè)基礎(chǔ)控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RAI_coal，自適應(yīng)修正控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RAO_coal。
step1若燒成帶溫度下降快，或燒成帶溫度低于設(shè)定值，則RAO_coal＝RAI_coal；step2否則，若窯尾溫度下降變化達(dá)一定閾值，且窯尾溫度低于如(設(shè)定值+20℃)，則RAO_coal＝加煤(如+10r/min)；step3否則，若窯尾溫度上升變化達(dá)一定閾值，且窯尾溫度高于如(設(shè)定值-20℃)，且Flag1＝0，則RAO_coal＝減煤(如-10r/min)。
4.調(diào)度器在模糊控制方式下，分別有自適應(yīng)模糊控制器和自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器同時(shí)在工作計(jì)算煤量調(diào)節(jié)量。自適應(yīng)模糊控制器計(jì)算相應(yīng)工況特征模式下的煤量調(diào)節(jié)量。自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器(即程序控制分步驟減煤控制器)的主要目標(biāo)是保持窯內(nèi)熱量輸入輸出平衡，在當(dāng)前用煤水平偏離用煤水平目標(biāo)值的差值超過一定閾值時(shí)觸發(fā)，計(jì)算相應(yīng)特征模式下的煤量調(diào)節(jié)量。調(diào)度器主要負(fù)責(zé)自適應(yīng)模糊控制器與自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器之間的協(xié)調(diào)問題，基于多目標(biāo)決策，按目標(biāo)優(yōu)先權(quán)將二者集成起來，輸出煤量調(diào)節(jié)量至工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器。在軟開關(guān)程序控制方式下，調(diào)度器輸出軟開關(guān)程序控制器計(jì)算的煤量調(diào)節(jié)量。
下面對(duì)設(shè)計(jì)思路舉例加以說明。設(shè)自適應(yīng)模糊控制器計(jì)算輸出的煤量調(diào)節(jié)量為A1，自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器計(jì)算輸出的煤量調(diào)節(jié)量為A2(＜0)，在工況5特征模式下(燒成帶溫度正常，窯尾溫度正常)，集成算法如下step1若燒成帶溫度下降快，或燒成帶溫度低于設(shè)定值，則選擇A1輸出。
step2否則，若A1＞0，則輸出A1+A2。
step3若A1＜0，則輸出min(A1，A2)。
5.工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器本方案在確定了保證熟料質(zhì)量、保持窯熱工制度穩(wěn)定、改善燃燒狀況三個(gè)方面多目標(biāo)優(yōu)化指標(biāo)的基礎(chǔ)上，采用智能優(yōu)化協(xié)調(diào)技術(shù)，從整個(gè)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程中互相影響的各變量整體考慮，根據(jù)被控變量燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量組合的不同工況，對(duì)控制變量給煤量、二次風(fēng)量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
下面說明本方案中確定的三個(gè)最重要的關(guān)鍵被控變量和兩個(gè)控制變量的依據(jù)以及協(xié)調(diào)控制的重要性。根據(jù)回轉(zhuǎn)窯過程操作機(jī)理，燒成帶溫度對(duì)熟料質(zhì)量有決定性影響，煙氣O2含量反映窯內(nèi)燃燒氣氛及燃燒效率，氧氣過剩量理論上應(yīng)在0.7～3.5％范圍，此時(shí)燒成帶區(qū)域的火焰相對(duì)變化比較小，有利于窯皮的穩(wěn)定且火焰比較集中。窯尾溫度反映了烘干帶的烘干能力，影響窯操作的穩(wěn)定性。如果窯尾溫度波動(dòng)范圍較大，窯操作將陷入周期循環(huán)。
周期循環(huán)是一種不穩(wěn)定的狀況，為了保持燒成帶內(nèi)應(yīng)有的溫度，通常不得不調(diào)整燃料用量。但是燒成帶僅占窯長(zhǎng)的1/10，而在燒成帶后面的干燥帶、預(yù)熱帶和分解帶長(zhǎng)達(dá)70至80米。當(dāng)我們由于燒成帶溫度過高而減少燃料用量時(shí)，就減少了對(duì)預(yù)熱帶和分解帶的熱量供應(yīng)。當(dāng)這批物料約在1小時(shí)后到達(dá)燒成帶時(shí)，由于預(yù)熱不夠而需要更多的燃料用量來保持燒成帶溫度。這時(shí)，更多的燃料量向約70至80米長(zhǎng)的干燥帶、預(yù)熱帶和分解帶內(nèi)的物料供給比通常更多的熱量。當(dāng)這批物料約在1個(gè)小時(shí)后到達(dá)燒成帶時(shí)，由于預(yù)熱過度而使燒成帶溫度又一次升高。因而周期循環(huán)連續(xù)不斷。實(shí)踐證明運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)而在控制調(diào)節(jié)上很少變動(dòng)或者沒有變動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯，比在控制調(diào)節(jié)上經(jīng)常變動(dòng)的回轉(zhuǎn)窯會(huì)有較高的產(chǎn)量、較低的燃料消耗和較長(zhǎng)的襯料壽命。
根據(jù)回轉(zhuǎn)窯對(duì)象特性，增加用煤量將引起窯尾溫度升高、煙氣中O2含量降低和燒成帶溫度升高；開大排煙機(jī)入口風(fēng)門或加快排煙機(jī)速度將引起窯尾溫度升高，煙氣中O2含量升高和燒成帶溫度降低。針對(duì)回轉(zhuǎn)窯過程控制存在的強(qiáng)耦合性及不確定性，基于對(duì)象模型的傳統(tǒng)的解耦控制方法不適用。本方案采用智能協(xié)調(diào)控制方法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)三個(gè)關(guān)鍵被控變量的綜合控制。
軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器主要是根據(jù)燒成帶溫度的等級(jí)及變化、窯尾溫度的等級(jí)及變化、(用煤水平偏離用煤水平目標(biāo)值的偏差)進(jìn)行煤量調(diào)節(jié)量的計(jì)算，通過調(diào)度器輸出送至工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器，再根據(jù)整個(gè)過程劃分的12種工況特征模式，進(jìn)一步協(xié)調(diào)決策給出煤量調(diào)節(jié)量和風(fēng)量調(diào)節(jié)量。
設(shè)調(diào)度器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RI_coal，工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器輸出的煤量調(diào)節(jié)量為RO_coal，風(fēng)量調(diào)節(jié)量為RO_fan。工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器包括基本策略和擴(kuò)充策略。
(1)風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器基本策略舉例說明如下工況1特征模式下，加煤RO_coal＝RI_coal工況2特征模式下，加煤RO_coal＝RI_coal工況3特征模式下，稍加煤，減風(fēng)RO_coal＝(如+20r/m)，RO_fan＝(如-1％開度)工況4特征模式下，煤量不變，加風(fēng)RO_coal＝0，RO_fan＝(如+1％開度)工況5特征模式下，保持RO_coal＝RI_coal工況6特征模式下，稍減煤，減風(fēng)RO_coal＝(如-10r/m)，RO_fan＝(如-1％開度)工況7特征模式下，減煤，加風(fēng)RO_coal＝RI_coal，RO_fan＝(如+1％開度)工況8特征模式下，減煤RO_coal＝RI_coal工況9特征模式下，減煤RO_coal＝RI_coal工況10特征模式下，加煤，加風(fēng)(1次)RO_coal＝RI_coal，RO_fan＝(如+1％開度)工況11特征模式下，風(fēng)煤保持RO_coal＝0，RO_fan＝0，報(bào)警提示。
工況12特征模式下，稍減煤RO_coal＝(如-20r/m)其中，煤量調(diào)節(jié)周期為2min；風(fēng)量調(diào)節(jié)周期為4min。
由于在燒成帶溫度低情況下，加風(fēng)不利于火焰的集中控制，因此，在工況10特征模式下，加風(fēng)動(dòng)作只執(zhí)行1次。
(2)風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器擴(kuò)充策略舉例說明如下給煤量和二次風(fēng)量在調(diào)節(jié)過程中，不可避免可能達(dá)到調(diào)節(jié)的限值，這種情況下，針對(duì)相同工況對(duì)給煤量或二次風(fēng)量的調(diào)整策略應(yīng)該不同。因此本方案將控制變量達(dá)到限值作為協(xié)調(diào)控制策略的一個(gè)調(diào)度參數(shù)，針對(duì)不同工況對(duì)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行擴(kuò)充。比如正常工況6特征模式下風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器的協(xié)調(diào)策略是稍減煤，減風(fēng)，但若排煙機(jī)風(fēng)門開度已經(jīng)達(dá)到下限開度限值，減風(fēng)的目的不能達(dá)到，則減煤量要酌情減少。正常工況10特征模式下風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器的協(xié)調(diào)策略是加煤，加風(fēng)，但若排煙機(jī)風(fēng)門開度已經(jīng)達(dá)到上限開度限值，加風(fēng)的目的不能達(dá)到，為了保證設(shè)備安全，提高燃燒效率，需要稍減煤量。
風(fēng)門受限情況下，風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器擴(kuò)充策略如下工況3特征模式下，稍加煤RO_coal＝(如+20r/m)
工況4特征模式下，煤量不變RO_coal＝0工況6特征模式下，稍減煤RO_coal＝(如-5r/m)工況7特征模式下，減煤RO_coal＝RI_coal工況10特征模式下，稍減煤RO_coal＝(如-20r/m)(四)推理機(jī)構(gòu)部分推理機(jī)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的特征變量的取值去特征模式集中搜索能夠相匹配的特征模式，然后執(zhí)行控制算法集中的相應(yīng)的匹配控制算法。本方案采用前向推理機(jī)制，對(duì)于特征變量與特征模式由前向后逐條匹配，匹配成功則啟動(dòng)相應(yīng)控制算法。為簡(jiǎn)單起見，設(shè)計(jì)的推理規(guī)則集R＝{R1，R2，……，Rn}由產(chǎn)生式規(guī)則組成。推理形式是以特征模式集M為條件，控制算法集U為結(jié)論，例如，第一條推理規(guī)則為R1IF M1then U1，其余如表2所示。
表2 推理規(guī)則表

(五)人機(jī)協(xié)調(diào)接口由于熟料燒成回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)邊界條件如生料漿成分、煤質(zhì)波動(dòng)頻繁且幅度較大，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)襯、窯皮、結(jié)圈、結(jié)疤狀況經(jīng)常發(fā)生變化，為了保證專家控制系統(tǒng)在各種生產(chǎn)條件下都能連續(xù)可靠運(yùn)行，在本專家控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了人機(jī)協(xié)調(diào)接口，主要功能有三。其一，本方法中確定的三個(gè)關(guān)鍵被控變量燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量的合理控制范圍必須根據(jù)生料成分、生料漿小時(shí)下料量、窯速、窯的密封情況、通風(fēng)能力等因素由操作人員給定。如燒成帶溫度正常波動(dòng)范圍設(shè)定，窯尾溫度正常波動(dòng)范圍設(shè)定等，再如由于針對(duì)煤質(zhì)波動(dòng)還沒有合適的實(shí)時(shí)檢測(cè)手段，操作人員可以為控制系統(tǒng)設(shè)定不同的用煤幅度。其二，操作人員可以根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備狀況及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)對(duì)專家控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍給予約束限定如風(fēng)門開度上下限，用煤量上下限等，確保控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。其三，操作人員可以在控制系統(tǒng)運(yùn)行于自動(dòng)控制方式下時(shí)進(jìn)行必要的人工干預(yù)操作，而不需要切換為手動(dòng)控制方式，使得操作人員可以連續(xù)地最大限度地利用專家控制系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的用戶友好性和適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)緊密結(jié)合，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
在自動(dòng)控制方式下若發(fā)生人工干預(yù)操作，系統(tǒng)將輸出人工干預(yù)的調(diào)節(jié)量，同時(shí)，若系統(tǒng)正運(yùn)行于自動(dòng)下的軟開關(guān)程序控制過程時(shí)，則軟開關(guān)程序控制分步驟加煤過程停止，直至軟開關(guān)程序控制過程結(jié)束；若系統(tǒng)正運(yùn)行于自動(dòng)下的模糊控制方式下，則分步驟減煤過程停止，且以人工干預(yù)值重新設(shè)置用煤水平目標(biāo)值。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)運(yùn)行流程如下。
第一步，在運(yùn)行專家控制系統(tǒng)，給煤機(jī)、排煙機(jī)由手動(dòng)切為自動(dòng)控制方式前，必須設(shè)置給煤機(jī)、排煙機(jī)相關(guān)控制參數(shù)，比如燒成帶溫度、窯尾溫度的設(shè)定值范圍，排煙機(jī)風(fēng)門開度的上下限值等。
第二步，給煤機(jī)、排煙機(jī)由手動(dòng)切為自動(dòng)控制方式，專家控制系統(tǒng)開始運(yùn)行。
Step1數(shù)據(jù)采集、特征信息預(yù)處理。
1.燒成帶溫度低通濾波、智能濾波處理2.燒成帶溫度、窯頭溫度、窯尾溫度和煙氣O2含量等檢測(cè)變量在各自時(shí)間尺度上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和特征信息加工處理。
Step2模式識(shí)別。根據(jù)各特征信息的取值，逐層遞階判斷與匹配特征模式。
1.判斷燒成帶溫度、窯尾溫度以及煙氣O2含量等級(jí)特征模式；2.判斷燒成帶溫度變化和窯頭溫度變化工況特征模式；3.判斷工況(共12種)特征子模式；4.判斷軟開關(guān)程序控制工況綜合判斷條件；5.判斷當(dāng)前的自動(dòng)控制方式軟開關(guān)程序控制方式或模糊控制方式；6.若當(dāng)前為軟開關(guān)程序控制方式，則判斷各軟開關(guān)程序控制子模式，轉(zhuǎn)Step3；7.若當(dāng)前為模糊控制方式，則判斷各程序控制分步驟減煤子模式，轉(zhuǎn)Step3；Step3控制計(jì)算。根據(jù)具體匹配模式，執(zhí)行相應(yīng)控制算法，計(jì)算控制輸出。
1.根據(jù)具體軟開關(guān)程序控制子模式或程序控制分步驟減煤子模式和工況(共12種)特征子模式，啟用軟開關(guān)程序控制器或程序控制分步驟減煤控制器和自適應(yīng)模糊控制器中相應(yīng)的煤量調(diào)節(jié)量控制算法，計(jì)算煤量調(diào)節(jié)量；2.上述煤量調(diào)節(jié)量通過調(diào)度器輸出；3.根據(jù)工況(共12種)特征子模式，啟用風(fēng)煤協(xié)調(diào)工況匹配控制器中的煤量風(fēng)量協(xié)調(diào)控制算法，計(jì)算煤量和二次風(fēng)量調(diào)節(jié)量，作為最終控制輸出。
本發(fā)明在回轉(zhuǎn)窯上進(jìn)行了生產(chǎn)應(yīng)用驗(yàn)證，運(yùn)行實(shí)踐表明，本發(fā)明的控制系統(tǒng)在改善燃燒狀況、維持窯操作穩(wěn)定性、保證熟料質(zhì)量三個(gè)方面都取得了令人滿意的效果。運(yùn)行情況表明該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用性、適應(yīng)性和較高的控制性能。看火人員僅需在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)料漿成分、煤質(zhì)等生產(chǎn)條件大的波動(dòng)進(jìn)行必要的人工干預(yù)，因此勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。同時(shí)減少了由于人為主觀因素對(duì)窯熱工制度和運(yùn)行條件造成的破壞，保證了熟料燒成生產(chǎn)的科學(xué)性、平穩(wěn)性，達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定熱工制度，穩(wěn)定了熟料質(zhì)量，提高熟料窯運(yùn)轉(zhuǎn)率，提高燃燒效率，減少環(huán)境污染，降低煤耗的長(zhǎng)期效果，并為提高窯的臺(tái)時(shí)產(chǎn)能奠定了基礎(chǔ)。
權(quán)利要求
1.氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法，其特征在于該方法是采用智能預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、自適應(yīng)、多目標(biāo)決策、多模態(tài)控制技術(shù)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上應(yīng)用控制系統(tǒng)軟件；該方法是通過下面的軟、硬件控制設(shè)置來實(shí)現(xiàn)的，硬件控制設(shè)置有檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)；軟件控制設(shè)置-即控制系統(tǒng)軟件，由特征信息預(yù)處理、特征模式集、控制算法集、推理機(jī)構(gòu)、人機(jī)協(xié)調(diào)接口組成；其中特征信息預(yù)處理包含燒成帶溫度低通濾波、智能濾波，變時(shí)間尺度處理特征信息，特征數(shù)據(jù)包含燒成帶溫度及變化，窯尾溫度及變化，煙氣O2含量，用煤水平；特征模式集包括軟開關(guān)程序控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)模糊控制器觸發(fā)特征模式類、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器觸發(fā)特征模式類、工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器觸發(fā)特征模式類；控制算法集由軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器、自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器、調(diào)度器和工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器組成；人機(jī)協(xié)調(diào)接口允許操作人員根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備狀況及生產(chǎn)條件對(duì)控制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍給予約束限定，確?？刂葡到y(tǒng)的可靠運(yùn)行，同時(shí)可以在控制系統(tǒng)運(yùn)行于自動(dòng)控制方式下時(shí)進(jìn)行必要的人工干預(yù)操作，而不需要切換為手動(dòng)控制方式，使得操作人員可以連續(xù)地最大限度地利用專家控制系統(tǒng)的功能，提高了系統(tǒng)的用戶友好性和適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)緊密結(jié)合，人機(jī)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
2.據(jù)據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于檢測(cè)儀表主要包括在回轉(zhuǎn)窯窯頭前安裝紅外或光纖比色測(cè)溫儀或任意一種非接觸式測(cè)溫儀表；還包括煙氣O2含量取樣分析儀表裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于控制算法集中的軟開關(guān)程序控制器其一，基于相對(duì)快時(shí)間尺度處理的特征信息如燒成帶溫度等級(jí)及下降趨勢(shì)進(jìn)行綜合判斷，可以快速觸發(fā)控制器及時(shí)加減煤量；其二，加減煤量幅度是根據(jù)控制器記憶的用煤水平目標(biāo)值、當(dāng)前用煤水平及人工預(yù)設(shè)用煤幅度，按窯熱量供需平衡原則計(jì)算；且考慮了軟開關(guān)誤判斷情況下的處理方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于控制算法集中的自適應(yīng)模糊控制器基于相對(duì)慢時(shí)間尺度處理的特征信息如燒成帶溫度偏差及變化，包括2個(gè)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)控制器和自適應(yīng)修正控制器；基礎(chǔ)控制器的基本控制算法可采用PID控制或模糊控制算法，可以通過在基本控制算法基礎(chǔ)上增加死區(qū)處理和參數(shù)自適應(yīng)功能，在快速性與穩(wěn)定性如抗測(cè)量噪聲干擾能力方面達(dá)到滿意的擇衷；自適應(yīng)修正控制器根據(jù)過程處于12種不同的工況特征模式下對(duì)煤量調(diào)節(jié)量進(jìn)行自適應(yīng)修正，同時(shí)考慮采用“用煤水平”作為調(diào)度變量，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、變結(jié)構(gòu)的多模態(tài)切換，從而提高穩(wěn)定性，以模仿人操作的模糊性、容忍度，如用煤水平相對(duì)高時(shí)，側(cè)重減煤；用煤水平越低，減煤越謹(jǐn)慎，側(cè)重預(yù)加煤。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于控制算法集中的自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器利用“用煤水平目標(biāo)值”特征記憶信息，根據(jù)當(dāng)前用煤水平與目標(biāo)值之間的偏差及燒成帶溫度的特征信息調(diào)節(jié)用煤水平，克服窯過程控制對(duì)象具有的測(cè)量特殊性、干擾嚴(yán)重、大滯后、大慣性，保證窯熱量供需平衡，熱工制度穩(wěn)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于控制算法集中的調(diào)度器，負(fù)責(zé)軟開關(guān)程序控制器、自適應(yīng)模糊控制器與自適應(yīng)預(yù)測(cè)控制器之間的協(xié)調(diào)問題，基于多目標(biāo)決策，按目標(biāo)優(yōu)先權(quán)將三者集成起來，輸出煤量調(diào)節(jié)量至工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于控制算法集中的工況匹配風(fēng)煤協(xié)調(diào)控制器，基于保證熟料質(zhì)量、保持窯熱工制度穩(wěn)定、改善燃燒狀況三個(gè)方面多目標(biāo)決策，根據(jù)被控變量燒成帶溫度、窯尾溫度、煙氣O2含量組合的27種工況并歸類簡(jiǎn)化為12種工況，對(duì)控制變量給煤量、二次風(fēng)量進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述控制方法，其特征在于推理機(jī)構(gòu)采用前向推理方法。
全文摘要
氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯智能控制方法，涉及一種工業(yè)熱工過程自動(dòng)控制，特別是氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)過程的智能控制方法。其特征在于該方法是采用智能預(yù)測(cè)、協(xié)調(diào)、自適應(yīng)、多目標(biāo)決策、多模態(tài)控制技術(shù)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上應(yīng)用控制系統(tǒng)軟件對(duì)氧化鋁熟料燒結(jié)回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行自動(dòng)控制。本發(fā)明的控制系統(tǒng)在改善燃燒狀況、維持窯操作穩(wěn)定性、保證熟料質(zhì)量三個(gè)方面都取得了令人滿意的效果。保證了熟料燒成生產(chǎn)的科學(xué)性、平穩(wěn)性，達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定熱工制度，穩(wěn)定了熟料質(zhì)量，提高熟料窯運(yùn)轉(zhuǎn)率，提高燃燒效率，減少環(huán)境污染，降低煤耗的長(zhǎng)期效果，并為提高窯的臺(tái)時(shí)產(chǎn)能奠定了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)F27B7/20GK1492210SQ03157318
公開日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月18日
發(fā)明者周曉杰, 郭聲琨, 柴天佑, 張吉龍, 孟杰, 鄭秀萍, 李少康, 李光柱, 徐德寶, 午新威, 溫艷芬 申請(qǐng)人:中國(guó)鋁業(yè)股份有限公司, 沈陽東大自動(dòng)化有限公司