重堿蒸汽煅燒爐的控制

重堿蒸汽煅燒爐的控制

1煅燒爐的預(yù)壓制純堿工業(yè)在國(guó)民生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。中國(guó)是世界上重要的純堿生產(chǎn)區(qū)。重堿煅燒是純堿生產(chǎn)工藝中的最后工序，煅燒操作的好壞對(duì)純堿的產(chǎn)量、質(zhì)量及能量消耗有很大的影響。其生產(chǎn)過(guò)程具有大慣性、純滯后、非線性等特點(diǎn)，難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型。目前，國(guó)內(nèi)各純堿廠大都采用根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工人的操作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)人工操作的方式來(lái)控制煅燒爐，這種傳統(tǒng)的控制策略不易獲得滿意的控制效果，生產(chǎn)效率低、能耗高、質(zhì)量不穩(wěn)定，而且對(duì)其的改造主要是在煅燒爐的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，而沒(méi)有涉及到系統(tǒng)的控制方面的改進(jìn)。Smith預(yù)估控制能很好的消除了滯后因素的影響并改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和響應(yīng)特性。本文基于重堿煅燒的工藝特點(diǎn)，將模糊控制與Smith預(yù)測(cè)控制相結(jié)合，得到一種新的控制策略，與傳統(tǒng)的人工控制相比具有更好的控制效果，很好的滿足了重堿煅燒的工藝要求。2對(duì)控制器的補(bǔ)償Smith預(yù)估控制的特點(diǎn)是預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在干擾作用下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使延遲了τ時(shí)間的被控量超前反映到調(diào)節(jié)器的輸入端，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，從而明顯地減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過(guò)程，其控制系統(tǒng)方塊圖如圖1所示。W(s)表示控制器的傳遞函數(shù)，Gp(s)Gz(s)表示被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，Gp(s)表示被控對(duì)象中不包含純滯后部分的傳遞函數(shù)，Gz(s)=e-τs為被控對(duì)象純滯后部分的傳遞函數(shù)。Smith補(bǔ)償原理是與W(s)并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，用來(lái)補(bǔ)償被空對(duì)象的純滯后部分。這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)被稱為Smith預(yù)估器，其傳遞函數(shù)為:由式(3)可以看到，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程中不包含純滯后部分e-τs，所以補(bǔ)償消除了純滯后部分對(duì)控制系統(tǒng)的影響。根據(jù)拉式變換的位移定理，e-τs只是將控制作用在時(shí)間坐標(biāo)上推移了一個(gè)時(shí)間τ，控制系統(tǒng)的過(guò)度過(guò)程及其他性能指標(biāo)都與對(duì)象特性為Gp(s)時(shí)完全相同。3ssqp的模糊控制Smith預(yù)估控制在解決重堿蒸汽煅燒爐這種大滯后被控系統(tǒng)時(shí)，被認(rèn)為是最有效的途徑，但傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制中的控制器W(s)是一個(gè)PID控制器，由于PID控制是基于被控對(duì)象精確模型而設(shè)計(jì)的，因此對(duì)于重堿蒸汽煅燒爐這樣的缺乏精確模型、參數(shù)時(shí)變的具有滯后的過(guò)程控制難以受到令人滿意的控制效果。針對(duì)以上特點(diǎn)，本文將模糊控制器引入到Smith預(yù)估控制系統(tǒng)中，以彌補(bǔ)Smith控制器的不足，使其滿足于具有大滯后特點(diǎn)的重堿蒸汽煅燒爐生產(chǎn)過(guò)程。模糊控制是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)熟練操作人員的操作經(jīng)驗(yàn)，以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無(wú)須知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型。用Smith預(yù)估方法估計(jì)系統(tǒng)的輸出，圖1中W(s)為模糊控制器的傳遞函數(shù)。用Smith預(yù)估控制器補(bǔ)償系統(tǒng)的純滯后的同時(shí)，針對(duì)被控對(duì)象模型和預(yù)估模型的不精確性，設(shè)計(jì)模糊控制算法，補(bǔ)償系統(tǒng)的模型誤差，這就構(gòu)成了FuzzySmith控制系統(tǒng)。選擇模糊控制器的輸入為爐溫誤差e及誤差的變化率Δe,輸出變量為u。由重堿煅燒的工藝要求和模糊控制的基本原理可建立模糊控制規(guī)則表，如表1所示。4保壓器模型的建立用Simulink和FuzzyLogicToolbox對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。FuzzyLogicToolbox是進(jìn)行模糊推理和模糊控制器仿真的軟件工具包，集成了FIS編輯器、隸屬函數(shù)編輯器、模糊規(guī)則器、規(guī)則瀏覽器等可視化工具。FuzzyLogicToolbox提供的FIS編輯器，給出了有關(guān)模糊推理系統(tǒng)的各種信息，利用FIS編輯器窗口的各個(gè)菜單選項(xiàng)配合，就能得到需要的模糊推理系統(tǒng)。在Simulink中有相應(yīng)的FuzzyLogicBlock，將其拷貝到用戶建立的Smiulink仿真模塊中，并使FuzzyLogicBlock的模糊推理矩陣與用戶在MatlabWorkspace建立的模糊推理系統(tǒng)名稱相同，即可完成模糊推理系統(tǒng)與Simulink的連接。重堿蒸汽煅燒爐的溫度控制過(guò)程可以近似的以二階慣性帶純時(shí)滯環(huán)節(jié)來(lái)逼近，選擇煅燒爐的近似模型為:由式(1)可得Smith補(bǔ)償器模型:用Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，將Smith-Fuzzy控制方案與PI-Smith控制方案和PI控制方案進(jìn)行比較。PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為:在同一階躍信號(hào)輸入情況下，三系統(tǒng)同接在一個(gè)Scope上進(jìn)行比較，仿真框圖如圖2所示,仿真結(jié)果如圖3所示。5控制好重堿煅燒爐控制系統(tǒng)重堿蒸汽煅燒爐是一個(gè)帶純滯后、大慣性的非線性環(huán)節(jié)，且難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，目前，國(guó)內(nèi)純堿廠大都采用人工控制，控制效果不理想。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：針對(duì)蒸汽煅燒爐的生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，將Smith預(yù)測(cè)控制與模糊控制相結(jié)合，提出了FuzzySmith新的控制策略運(yùn)用到重堿煅燒爐的控制系統(tǒng)之中，這兼顧了Smith預(yù)估控制與模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)煅燒爐內(nèi)溫度控制的純滯后特性有很好的補(bǔ)償特性，又對(duì)爐內(nèi)蒸汽溫度的變化和重堿量的變化等又較強(qiáng)的適應(yīng)能力。經(jīng)過(guò)仿真分析得到良好的控制效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煅燒爐控制品質(zhì)的提高，控制精度得以提高，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能與傳統(tǒng)控制相比得到