回转窑过程控制实验系统设计与开发.pdf

1．1国内外回转窑建模与控制研究现状

回转窑生产能力强，能适应多种工业原料的烧结、焙烧、挥发、煅烧、离析等过程，

因而被广泛地应用于冶金、水泥、纸浆、化工、垃圾焚烧等行业。

例如，在冶金行业的铝土矿烧结，水泥行业的硅酸盐水泥烧制，造纸行业的木材干

燥、石灰煅烧，化工行业的锌钡白原料烧制，还有城市垃圾焚烧，轮胎热解等生产制造

过程都离不开回转窑。

回转窑在铝土矿烧结过程中发挥关键的作用。铝土矿烧结是氧化铝生产的关键工

艺，回转窑是烧结工序的关键设备，无论采用何种工艺生产氧化铝，烧结过程都必不可

少，因此回转窑设备也必不可少，广泛应用于世界各大铝厂。

1．1．1回转窑过程建模研究现状

回转窑是大型能源消耗性和污染性设备，随着当前能源的紧张和环境的恶化，人们

开始关注对回转窑生产过程的研究，以期节约能源、减少污染，并且利用先进自动化技

术设备，提高自动化水平，减少人力消耗、降低生产成本、提高生产效率。

鉴于以上原因，生产过程的各个行业的专家学者们从不同的角度对窑内传热和物料

的运动特性进行了广泛深入地研究，例如氧化铝熟料烧成、垃圾焚烧等。

在回转窑的传热机理方面，加拿大哥伦比亚大学的P．V．Barr，J．K．Bfi maeombe，

A．P．Watki nson三位学者进行了大量基础性的研究“4”。首先，搭建了一个长5．5m，内径

0．4m的试验窑，以石灰石、石英砂、石油焦炭为原料测得了在不同条件下，窑内物料、

窑内衬、窑内自由空间气体的温度数据，分析了热量传递关系；其次，在一定的假设条

件下建立窑内物料，自由空间气体、窑内衬的一维轴向稳态温度模型：再次，把一维轴

向温度模型扩展到准三维模型。此外，R．T．Bui 等人对汽油焦的回转煅烧窑建立了三维

的稳态模型⋯。J．P．Gorog对火焰区进行了建模，用来预测火焰温度及其对料床的热流嘲。

T．Karhel a建立了动态仿真模型来模拟温度的瞬态变化“1。在国内，邱夏陶等人的模型中

利用辐射系数法建立了回转窑内自由空间的温度数学模型，得出了窑内温度及燃耗的仿

真结果”1。浙江大学热能工程研究所对回转窑建立了一维轴向传热模型嗍。中南大学能

源与动力工程学院的马爱纯等对回转窑氧化铝熟料烧成过程建立了类似的一维传热模

在回转窑物料运动方面，Xi ao YanLi u对回转窑物料运动的滚动模式进行了研究，

得出了物料运动动态层厚度的解析解““。A．Ingrai n等使用正电子放射粒子跟踪技术研究

了回转窑物料滚动状态下轴向、径向粒子运动的统计特性，得出轴向、径向粒子散布都

符合高斯分布的结论。并进一步分析了窑速、窑内径、窑内物料填充率对分布系数的影

响，得出分布系数还受其他因素如粒子形状甚至静电特性的影响㈨。A．A．Boat eng等对

回转窑横截面内的粒子混合和隔离进行了研究，分析了粒子隔离对横截面内温度不一致

的影响“”。Denni sR．VanPuyvel de对回转窑横截面内的粒子混合和隔离进行了研究“”，

估计了粒子混合的速度和程度，仿真结果与实验研究的误差可以接受。与A．A．Boat eng

不同的是侧重于粒子混合的研究。

以上研究为认识回转窑奠定了理论基础，对回转窑结构设计提供了一定的指导，但

仅限于实验研究和数值模拟，与生产实际的过程对象模型还是有很大差距的。

在实际生产中，人们也建立了多种模型来模拟回转窑的特性。文【14】提出发展动力

学过程模糊模型的多模型算法，使用大量的过程模型并通过合理估计相应地采用最优模

型，这些模型在各自的工作点是有效的，可以应用模糊集合论来做合理的估计。文[ 151

基于煅烧过程的复杂性，应用神经元网络学习回转窑中各量之间高度非线性关系，建立

一个预测模型，应用于质量控制系统。文【16】针对石灰窑过程难以建模和多种过程动态

同时影响输出的特征，应用统计建模方法，通过相关分析确定回转窑生产过程各回路动

这些模型以及许多改进的模型对我们认识回转窑提供了极大帮助，从控制角度提高

了我们对回转窑过程相互作用和固有的时间滞后的理解。

1．1．2回转窑过程控制研究现状

对象分析和建模是为控制方法和控制策略服务的，回转窑生产过程建模技术的发展

也印证了回转窑生产控制不能基于精确数学模型的，而更倾向于业内专家的经验。

在回转窑的优化控制方面，基于经验模型的监督控制逐渐成为回转窑控制研究的重

点。第一个石灰窑监督控制系统的工业应用于70年代末在芬兰的一个纸浆厂实现“”。

80年代，在美国其它的基于经验模型的回转窑控制系统也见诸报道““。第一个将模糊逻

辑控制方法应用于回转窑控制的实验于1978年在一个水泥厂进行，之后陆续报道了其

它的基于模糊逻辑的回转窑控制应用““州。第一个基于规则的回转窑控制专家系统于

1982年开发，此后，专家系统得到进一步的发展。“2。

除了模糊逻辑与基于规则的系统，基于模型预测控制方法的回转窑控制应用在90

年代见于文献，仿真结果见于文【24】，工业应用的结果可见于文[ 25，26] 。1995，基于神经

元网络的回转窑控制系统也得到实验并被建议工业应用㈣。1997，一个以神经元网络进

行规则设置的基于规则的控制系统被报道汹1。同年，在一个回转窑控制系统中，以一个

自适应预测控制器来保证过程响应专家系统生成的设定值汹1。

1．2回转窑过程控制实验系统建立的背景和意义

上面提到的回转窑建模和开发控制策略过程，无论是在真实回转窑或实验窑上采集

过程数据，建立过程模型、开发控制策略，还是直接机理分析，建立过程模型、开发控

制策略，都是利用模型复现实际系统中发生的本质过程。

利用模型复现的对象本质过程，并通过对系统模型的实验来研究实际中的系统，此

种方式的研究统称为仿真研究。

现代仿真技术发展迅猛，已经成为安全、经济、快速研究系统特性的必要手段。仿

真所包含的技术手段和应用领域非常广泛，这里只讨论与过程控制领域相关的仿真技术

在仿真硬件方面，个人电脑因其普及性和良好的性能，成为仿真的首选硬件，也有

一些专业的硬件仿真器，但其成本较高。仿真硬件还包括～些辅助通信设备，如专业的

在仿真软件方面，各种工控软件都直接提供仿真功能，如Foxboro的I／ASeri es DCS

系统可以利用CIO组态器组建对象或直接提供虚拟信号，在设备投运前仿真验证。此外，

人们利用各种程序语言开发了许多基于PC的仿真程序包，其中包括Mat l ab的各种工具

包和Si mul i nk仿真环境、Sci l ab等。

对象模型的仿真手段，最基本的是借助于各种编程语言，利用数值算法，从底层的

代码写起，编写具有自身特点的模型仿真程序，其优点是程序完全由开发者自身掌握，

运作机制清楚，可以完全控制，缺点是开发量大，不易维护。进一步的仿真手段是利用

各种专业CAD软件辅助仿真，比如Manab、Ansys、Fl unet、Ansott等等，借助于CAD

软件，其优点是避免了复杂模型求解算法的编写，加强了仿真的稳定性，提高了运算求

解的速度和准确性，缺点是运作机理模糊。

当建立的对象模型，经过仿真分析后，能在一定程度上反应对象的动静态特性，就

可以进一步仿真验证控制策略的有效性和性能，这也是过程仿真的最终目的。控制策略

的开发验证是一个反复尝试的过程，由于安全和经济条件的限制，难以现场实施，因此，

对生产过程的闭环仿真尤为重要。

控制策略的仿真手段，同对象模型的仿真手段一样，也有以上两种方式，一种是利

用各种编程语言开发仿真控制算法，连接对象模型，构成闭环，进行仿真验证，优点是

仿真进程可以完全控制，缺点是开发工作量大。另一种是借助于各种控制软件包，对过

程对象实施控制，比如Mauab的控制系统工具箱、模糊工具箱、神经网络工具箱、模

型预测工具箱等等，优点是开发速度快，算法稳定，缺点是运行机制模糊。

在回转窑仿真方面，Oscar A．Ort i z等使用Mat l ab和Si mul i nk对回转窑木炭激活动

态过程进行了动态仿真，为控制器设计和合成提供了基础啪3。E．Mast orakos等使用

Fl ow．3D和Rad．3D对燃煤式水泥回转窑的传热、燃烧过程进行了仿真研究，所得预测

结果与工业生产中的实测数据趋势一致。”。EMari as等使用Fl uent 对回转窑高温分解铝

废物的过程进行了仿真研究。”。Rol ando Zanovel l o等对石灰回转窑进行了研究，针对两

入三出的过程模型设计改进的预测控制器，闭环仿真效果良好，验证了改进算法的有效

性㈨。D．Sofi zl i di s使用Fl uent等对回转窑低温干馏生产洁净油过程进行了仿真研究㈨。

以上仿真借助不同的软件，对回转窑的温度，物料运动进行了模拟，得出一些具有

生产指导意义的结果，为回转窑的优化控制提供了重要信息。但以上仿真模型和控制算

法都过于复杂，条件过于理想，不具备实时性，而且局限于PC机，所以信号完整性好，

仿真结果对于工业应用的意义不大，与真实的生产应用有一定距离。

实际生产中工况的复杂多变，信号噪声大，控制的实时性要求严格，并且硬件设备

之间既有数字信号，也有模拟信号，存在信号传输误差和数据丢失、时延现象。因此，

建立一套完整的，贴近工业生产实际的仿真系统非常必要。

1．3论文的目标和主要工作

回转窑在工业生产中应用广泛，为了提高产品质量、降低能源消耗、减少环境污染、

压缩人力成本，优化控制的问题日益突出，国内外专家学者广泛开展了对回转窑的仿真

研究，以期对生产实践做出指导。当前回转窑仿真，缺少一个完整的贴近工业实际的仿

本文从生产实际出发，旨在搭建一个回转窑过程控制实验系统平台，并在此平台之

上建立回转窑熟料烧成过程对象模型、执行机构与检测装置模型，设计执行机构控制策

略和窑温控制策略，来模拟回转窑熟料烧成过程特性，测试窑温控制策略的效果，对生

产过程提供一定的理论指导。

此实验系统应该满足以下要求：

开放性：此实验系统上可以很方便地于其他系统连接。

扩展性：此实验系统可以方便的扩展功能模块。

移植性：此实验系统应该在软硬件上与工业现场尽量一致，使得仿真开发

的控制算法可以方便地移植到工业现场。

时间尺度可变性：可以实时仿真，也可以调节仿真时间尺度，以便减慢快过

分离性：此仿真系统的平台与仿真的具体模型具有分离性，使得此系统平台

可仿真不同的回转窑过程模型，可以验证不同的控制策略。

回转窑过程控制实验系统应该具有如下主要功能：

模拟回转窑熟料烧成过程的实际现象。

对对象模型进行实验研究。

对窑温控制策略进行实验研究。

回转窑过程控制实验系统的具体开发工作：

设计开发了回转窑过程控制实验系统的总体架构。本实验系统在结构上包括

四部分：虚拟对象系统、执行机构与检测装置虚拟系统、监控与DCS控制系统、

优化控制系统。每一部分完成不同的任务，虚拟对象系统主要完成回转窑熟料

烧成过程的仿真模拟任务，执行机构与检测装置虚拟系统主要完成回转窑熟料

烧成生产中的执行机构与检测装置的仿真模拟任务，监控与DCS控制系统主要

完成回转窑熟料烧成过程的监控任务，优化控制系统主要完成回转窑熟料烧成

过程的先进控制任务。

建立了回转窑熟料烧结过程温度模型及给煤、鼓风、排烟、喂料过程模型，

设计开发了相应软件，构建了虚拟对象系统。其中通过深入分析窑内传热机理，

建立了回转窑氧化铝熟料烧结过程烧成带烟气温度和窑尾烟气温度的多工作点

模型，反映了窑温的非线性特性。

建立了回转窑各子系统执行机构与检测装置模型，设计开发了相应软件，构

建了执行机构与检测装置虚拟系统。其中执行机构与检测装置模型包括给煤机

子系统、鼓风机子系统、排烟门子系统、料浆泵子系统的执行机构与检测装置

第二章回转窑氧化铝熟料烧成过程介绍

第二章回转窑氧化铝熟料烧成过程介绍

2．1氧化铝熟料烧成工艺流程介绍

生产氧化铝的方法大致可分为四类：碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前工业上

几乎全部是采用碱法生产。碱法有拜耳法、烧结法和拜耳烧结联合法等多种流程。

拜耳法比较简单，能耗小，产品质量好，处理高品位铝土矿石，产品成本也低。目

前全世界90％的氧化铝是用拜耳法生产的。但此法不能处理铝硅比较低的矿石(如A／S

在7～8以下)。碱石灰烧结法工艺比较复杂，能耗高，产品质量和成本一般不及拜耳法

好。但它可以处理高硅铝矿。显然，随着矿石铝硅比降低，其物料流量增大，设备产能

降低，各项技术经济指标也随之下将。目前碱石灰烧结法处理的矿石铝硅比一般不小于

　　3~3．5。

实践证明，在某些情况下，采用拜耳法和烧结法的联合生产，即拜耳—烧结联合法，

可以兼收拜耳法和烧结法的优点，获得较单一的拜耳法或烧结法为好的经济效果。

由于我国矿石品质的原因(铝硅比降低)，我国大型铝厂一般采用拜耳、烧结混合

联合法生产氧化铝汹1。其中拜耳法处理高品位的铝矿，烧结法处理低品位铝矿和拜耳法

赤泥，烧结法流程以生料加煤，非饱和配方，低苛性比溶出，二次脱硅，给拜耳法补充

母液为特点。流程中拜耳和烧结法两系统的交叉有三处：即拜耳法赤泥及附液送烧结法

系统配料；拜耳法种分母液蒸发析出的结晶碱及附液送烧结法系统配制生料浆；烧结法

种分母液经蒸发后送拜耳法系统做补碱用。拜耳法和烧结法两套系统相互关联、相互制

约，工序间相互影响，生产组织难度大。

烧结法氧化铝生产过程主要包括生料浆制备、熟料烧成、熟料溶出、精液制备、分

解和蒸发等主要的生产工序。

本文研究的氧化铝熟料烧成回转窑生产过程属于烧结流程中的主要生产工序嘲。其

作用是将来自原料制备工序的生料浆通过回转窑烧制成易于溶解的固体铝酸钠熟料，燃

料燃烧的废气经重力、旋风和静电三级收尘后排入大气，熟料送入熟料仓。烧结简单的

生产流程是：煤粉从窑头由鼓风机(一次风)喷入窑头燃烧室燃烧，对整个窑内进行加

热。氧化铝生产原材料(生料浆)从回转窑窑尾端(高端)喷入窑体，随着窑的转动向

窑头( 低端) 运动，不断得到加热，经过一系列的物理化学变化，最终生成熟料( 产品) ，

由窑头进入冷却机冷却回收。燃烧后的烟气以及部分流失生料由窑尾收尘排烟装置处

第二章回转窑氧化铝熟料烧成过程介绍

理，窑灰返回窑内再利用。收尘排烟装置中有引风机(二次风)，可以调节风量大小，

窑内由冷却机、引风机构成整体的气流通道。熟料烧结生产流程如下图所示。

图2．1回转窑熟料烧结过程工艺流程图

Fi g 2．1 The fl ow chart oft he rot ary虹l n si n_cer proc豁s

表2．1回转窑熟料烧成设备表

Tabl e 2．1 Equi pment s

t he rot ary ki l n si nt er process

第二章回转窑氧化铝熟料烧成过程介绍

2．2氧化铝熟料烧成回转窑控制目标

氧化铝熟料烧成回转窑的工艺指标是熟料质量，即要求生成的熟料含有尽可能多的

可溶性铝酸钠和铁酸钠，以便在熟料溶出工序获得较高的氧化铝、氧化钠的溶出率，而

有害成分则生成不溶性的原硅酸二钙和钛酸钙等化合物。另外，熟料还应该具有适当的

可磨性和沉降性能，以便提高熟料在溶出工序中的湿磨产能和赤泥分离效果。

某铝厂对氧化铝熟料的质量要求如下：

(1)氧化铝雨隹溶出率为删％。

(2)氧化钠标准溶出率为nN>95％。

(3)熟料容重为1, 2～l A公斤阱。

其中，其中标准溶出率标志着熟料中可溶性氧化铝和氧化钠的含量。容重是粒度为

3～10毫米的熟料，称量一升的重量。

氧化铝回转窑烧结过程是一个非常复杂的物理化学过程，影响熟料烧成的因素很

多，其中，烧成带温度是影响熟料烧成质量的一个主要因素，而生产过程中并非要求烧

成带温度一直稳定在固定的数值，而是要求稳定在特定生料成分对应的烧成带温度上。

窑尾温度反映了烘干带的烘干能力，影响窑操作的稳定性。如果窑尾温度波动范围

较大，窑操作将陷入周期循环。因此，窑尾温度也是影响我们需要考虑的一个主要被控

为达到熟料烧成高产、稳产的目的，在窑烧成能力范围内，其生料浆流料量要求量

大而料浆压力稳定。喂料量是保证熟料烧成高产的决定因素。

熟料窑系统的控制目标可概括为以下几点：

品质指标：烧成带温度应根据生料成分的不同，稳定在保证完全的化学反应所要求

品质指标：稳定窑尾温度，维持合理的热工制度，保证烘干能力和预烧结程

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功

3．1回转窑熟料烧成过程控制实验系统总体功能设计

实验系统的总目标是搭建一个仿真平台，在此之上建立烧结过程的模型以及控制算

法，模拟回转窑熟料烧结生产过程。

3．1．1回转窑过程仿真功能

过程的仿真模拟：对回转窑熟料烧成生产过程的仿真模拟是实验平台首要的功能。

回转窑对象模型、控制算法参数设置功能

包括虚拟对象参数设置、执行机构与检测装置参数设置、DCS控制器参数设置、优

其中，回转窑对象模型及执行机构与检测装置共同构成被控对象，参数设置如下：

结构参数设置：结构参数主要描述了回转窑的结构特征，包括窑体长度、窑内径和

初始状态设置：初始状态反映了回转窑正常运行某一时刻的状态值，开始实验时回

转窑模型的运行都是从这个初始状态开始的。

初始输入设置：初始输入主要是回转窑控制量的初始值，包括排烟机电机频率、煤

粉秤电机转速、鼓风机风门开度及电机转速、料浆泵的电机频率。

边界条件预设定：边界条件在这里指的是回转窑运行期间，对运行状态产生影响的

干扰。这些干扰在回转窑对象运行期间不断变化，从而影响回转窑的运行状态。实际回

转窑熟料烧成过程在运行期间边界条件如生料浆成分、煤质波动频繁且幅度较大，设置

边界条件这一功能使虚拟对象系统的运行更加接近实际情况。

DCS控制器参数设置如下：

各执行机构控制器的初始设定值，手自动控制状态，本地远程控制状态。

优化控制器参数设置如下：

窑温的初始设定值，预测控制的输出、输入加权，预测步数，以及模型自适应参数。

实验系统仿真参数设置功能

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

包括对象模型的仿真周期设定功能、控制器的控制周期设定功能和仿真时间比例设

对象模型的仿真周期设定功能：按实际系统的仿真能力和仿真要求，设置仿真步长。

控制器的控制周期设定功能：按控制系统的控制能力和控制要求，设置控制周期。

时间比例设定功能：设置实验系统和实际过程运行的时间比例，从而可以调节仿真

进程的快慢，增加仿真的灵活性。

实验系统仿真过程控制功能

包括模型和控制算法的更新和运行控制功能。

对回转窑熟料烧成过程的理解因人而异，所得模型也有所区别，到底哪种模型更能

反应对象的特性，只有通过实际验证才能得出结论，所以对模型进行实验研究是十分必

要的。因此，实验平台包含了回转窑过程对象的关键变量，不同的对象模型，都可以直

执行机构及检测装置模型的测试，实际生产过程中，主要的过程装置是基本不变的，

但辅助的各种执行机构和检测装置则因磨损、维修、升级等原因而经常更换，执行同一

职能任务的设备的更换，造成相应的模型结构、参数都相应改变。因此，同回转窑过程

对象模型的仿真测试一样，在实验平台中包含所有执行机构及检测装置的输入、输出变

量，直接引用这些变量就可以对不同的执行机构及检测装置模型进行测试。

控制方法不断发展变化，内容非常丰富，人们可以尝试的手段、方法越来越多，到

底哪种控制方式的性能更好，只有通过实际验证才能得出结论，本实验系统可以对不同

控制策略进行实验测试。

模型和控制算法的运行控制的功能：控制对象模型和控制算法的初始化、启动、暂

停、继续、停止。初始化用来获取仿真系统的初始参数设置，方便后面的仿真顺利进行。

启动是指控制仿真进程开始运行，暂停可以让仿真进程定格在某一时刻，继续是继续被

暂停的仿真进程，停止是停止仿真进程的运行。

包括在线修改边界条件的功能、过程监视功能、趋势显示功能、控制功能

在线修改边界条件的功能：模拟过程对象运行过程中，各种边界条件实时变化，对

过程监视功能：在工艺流程图上直观显示过程运行中，各输入、输出、及中间状态

的实时状态，让操作员获取信息，执行相应的调节动作。

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

趋势显示功能：直观显示过程关键变量的变化趋势。

控制功能：在工艺流程图上显示各种执行机构的控制面板，使仿真人员可以模拟操

作员的操作，对设定值进行修改、手自动的切换、控制策略切换。

　　3．1．2辅助功能

辅助功能是为顺利完成实验系统的仿真任务而增添的功能，包括系统通讯性能的测

试功能，仿真辅助导航功能。

系统通讯性能测试功能

实验系统处于网络环境中，网络通讯状况和自身负载直接影响仿真过程的顺利进

行。系统通讯性能测试功能包括测试参数录入功能，测试结果显示功能，采样周期指导

测试参数录入功能：录入测试数据类型、数据量、测试周期。

测试结果显示功能：输出测试结果，给出系统通讯性能的统计信息。

采样周期指导功能：根据系统状况和模型的处理时间，给出采样周期的建议值。

为了仿真过程的顺利进行，建立友好的操作界面是必要的。他包括语言选择功能、

用户管理功能和操作导航功能。

语言选择功能：实验系统可以进行中文和英文两中语言的选择，方便不同的用户需

用户管理功能：实验系统授予不同用户不同的权限，工程师可以控制整个系统的运

行、改变参数、修改工程，而过程操作员只能监视过程画面和趋势图画面，对相应的参

操作导航功能：引导用户进行操作。

3．2回转窑熟料烧成过程控制实验系统总体硬件结构设计

实验系统平台包括四部分：虚拟对象系统、执行机构与检测装置虚拟系统、监控与

DCS系统、优化系统，各部分承担不同的任务，共同完成功能设计中的全部功能。系统

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．1回转窑过程控制实验系统结构

Fi g 3．1 St ruct urc oft he Rot ary Ki l n Process Cont rol Experi ment Syst em

图3．2回转窑过程控制实验系统硬件结构及通信连接

Fi g 3．2 The hardware st ruct ure and communi cat i on l i nk of The Rot ary Ki l n Process Cont rol

Experi ment

虚拟对象由一台Del l 个人电脑(P4 3．0

512RAM 80G) 构成。

执行机构与检测装置虚拟系统采用研华Indust ry Comput er 610工控机( P4 2．4

256RAM 80G)，以及研华数据采集卡727两块，812PG一块，实现对输入输出数据的采

集和输出，另配TCL的普通网卡一块，实现通过网络的数据传输。

第三幸回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

监控机与DCS过程控制装置由Foxboro公司的FASeri es DCS系统构成。主要包括，

CP60处理器，DNBT通讯模块，模拟量输入FBM211，模型量输出FBM237，数字量输

入输出FBM241C，电源模块。结构如下图：

图3．3 Foxboro I／A分散控制系统硬件布置

Fi g 3．3 Foxboro I／A Seri es DcS hardware

优化机由Del l 个人电脑(P4

　　3．0

512RAM 80G)构成。

3．3回转窑熟料烧成过程虚拟对象系统设计

3，3，l 回转窑熟料烧成虚拟对象系统功能设计

虚拟对象系统首要功能是对回转窑熟料烧成过程的仿真模拟，另外还有仿真控制功

能和与其它系统的通讯联系功能。

模拟在一定的物料负载、风量、煤量、和其他边界条件如环境温度等条件下，烧成

过程的关键工艺参数烧成带温度和窑尾温度的状况和变化。

为了便于仿真的运行操作，设置仿真的导航功能，引导操作员的操作，使操作人员

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

可以设置模型参数、仿真参数，设置启动初始参数、边界条件，控制仿真的启动、暂停、

虚拟对象的仿真模拟必须由执行机构及检测装置虚拟系统配合，对象产生的输出被

虚拟的传感器检测，对象的输入由虚拟的执行机构产生。因此，在仿真过程中需要与执

行机构与检测装置虚拟系统通讯，由于通讯的状态是与系统负载有关的，因此还需要辅

助的系统通讯性能测试功能。

3．3．2回转窑熟料烧成虚拟对象系统软件平台设计

虚拟对象系统软件分前后台两部分，前台软件负责人机交互的任务，由RSVi ew32

完成，后台对象模型的数值模拟由Mat l ab完成，两者之间的通讯由DDE(动态数据交

换) 完成。系统与外部的联系则通过RSI．RSVi ew320PCTagServer( RSVi ew32的OPC

图3．4回转窑虚拟对象系统软件平台

Fi g 3．4 Soft ware pl at formofThe Rot ary Ki l nVkt ual Pl ant Syst em

3．3．2．1虚拟对象系统人机界面设计

虚拟对象系统的前台人机界面在RSVi ew32环境下建立，提供对虚拟对象的参数设

置、过程监视，趋势显示，通讯性能测试及操作辅助导航等功能。主要结构如下图所示。

第三幸回转窑熟井烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．5回转窑虚拟对象系统人机界面结构

st ruct ure of

t he Rot ary Ki l n Vi rt ual Pl ant

下面分别介绍各个界面的功能。

起始画面：起始画面是虚拟对象系统运行时的初始画面，主要包括以下的

a)中、英文两种操作语言切换。

b)用户选择：包括用户登录、退出、更改密码、退出系统。

C)报警：在仿真实验过程中，出现运行异常时，给操作员简单提示。

d) 导航：画面切换。

初始参数设置画面：实验者在运行虚拟对象前需要设置必要的对象参数和

仿真参数，主要包括下面的功能。

a)初始状态设置：设置运行起始点各个过程量的初值。

b)仿真参数设置：仿真参数包括对象模型的仿真运行时间、对象的采样周期

以及仿真与真实过程的时间比例。

c)报警：在仿真实验过程中，出现运行异常时，给操作员简单提示。

d) 导航：画面切换。

过程监视画面：总揽生产过程的工艺流程，主要包括以下功能。

a)给煤机系统显示：显示给煤机系统的运行状态。

b) 鼓风机系统显示：显示鼓风机系统的运行状态。

c)排烟门系统显示：显示排烟门系统的运行状态。

d)料浆泵系统显示：显示料浆泵系统的运行状态。

e) 过程运行控制；过程模型的起动、暂停、继续、停止控制。

f)过程环境变化模拟：实时在线调整过程的边界条件。

g)报警：在仿真实验过程中，出现运行异常时，给操作员简单提示。

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．7回转窑熟料烧结过程输入输出图

Fi g 3．7 The i nput s and out put s oft he rot ary ki l n si nt er process

表3．1回转窑熟料烧结过程变量表

Tabl e 3。1 The vari abl e l i st ofThe Rot ary Ki l n Si nter Process

东北大学流程工业综合自动化实验室的柯华立建立了以上输入输出关系的线性动

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．13喂料过程输入输出

F追3．13 Input s and out put s oft he pumpi ng process

喂料过程，电机转速到料浆流量的关系为：

Z=0．1042nt

式中：彳为料浆流量，吩为电机转速。

电机转速到料浆压力：

Pt =1．042nI

式中：露为料浆压力，巧为电机转速。

3．4回转窑熟料烧成过程执行机构与检测装置虚拟系统设计

3．4．1回转窑熟料烧成过程执行机构与检测装置虚拟系统功能设计

执行机构与检测装置虚拟系统首要功能是对回转窑熟料烧成过程的各个执行机构

及检测装置进行功能模拟，另外还有系统运行控制功能和与其它系统的通讯联系功能。

执行机构及检测装置的模拟功能：

模拟给煤机子系统、鼓风机子系统、排烟门子系统和料浆泵子系统的执行机构及检

测装置，模拟烧成带和窑尾温度检测装置的特性。

为了便于仿真的运行操作，设置仿真操作导航功能，引导操作员的操作，使操作人

员可以对执行机构及检测装置虚拟系统进行仿真参数修改，初始参数设置，仿真过程的

启动、暂停、继续运行和停止控制。

执行机构及检测装置的仿真模拟是与控制器及虚拟过程对象交互进行的，虚拟对象

产生的输出被虚拟的传感器检测，虚拟对象的输入由虚拟的执行机构产生；DCS控制器

的控制信号送到虚拟执行机构，虚拟检测装置的检测信号送到DCS控制器。因此，在

仿真过程中需要与虚拟对象和DCS控制器通讯。

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

3．4．2回转窑熟料烧成过程执行机构与检测装置虚拟系统软件平台设计

执行机构与检测装置虚拟系统软件分前后台两部分，前台软件负责人机交互的任

务，由RSVi ew32完成，后台模型的数值模拟由Mat l ab完成，两者之间的通讯由DDE

( 动态数据交换) 完成。系统与外部的联系则通过RSVi ew32的OPC服务器

RSI．RSVi ew320PCTagServer完成。

图3．14回转窑执行机构与检测装置虚拟系统软件平台

Fi g 3．14 The soft ware pl at formofThe Rot ary Ki l n V' t rt ual Act uat or and Sensor Syst em

3．4．2．1执行机构与检测装置虚拟系统人机界面设计

执行机构与检测装置虚拟系统的前台人机界面在RSVi ew32环境下建立，提供对虚

拟执行机构及检测装置的参数设置、过程监视、趋势显示及操作辅助导航等功能。主要

图3．15回转窑执行机构与检测装置虚拟系统人机界面结构

Fi g 3．15 HMI st ruct ure ofThe Rot ary Ki l n Vh- t ual Act uat or and Sensor Syst em

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．16给煤机执行机构与检测装置原理图

Fi g 3．16 Schemat i c of

Feeder Subsyst emacUIat ors and seBsoTs

给煤机系统执行机构模型：给煤机执行电机为三相交流异步电机，其特性是比较复

杂的，变频器可以显著降低电机的能耗，在电机控制中广为采用，变频策略也是多种多

样，本文不对电机和变频器的工作机制详细探讨，只从控制角度，把两者简化为一阶惯

　　0．30)

其中：％为电机转速给定值，0- 1440rpm，吃为电机转速输出值，0- 1440rpm。

给煤机系统检测装置模型：检测装置为皮带称，包含称重传感器和速度传感器。

本系统的称重传感器为应变片，不同的压力产生不同的电压信号，此电压信号经过

现场放大器放大，传送到TS．900仪表的AD转换器接口，经仪表内部转换为相应的煤

粉质量。称重传感器的检测时间常数很小，可以忽略不计，输入输出为一静态线性关系。

式中：砚为检测的单位皮带长度上煤粉重力，0- 100kg／m，岛为实际的单位皮带

长度上煤粉重力，O- 100堙／m。

本系统速度传感器为电感式接近开关，把皮带速度信号转换为脉冲信号，TS．900

仪表自动产生皮带整圈输入信号，即皮带每运行一周，发出一个脉冲，利用该信号可以

第三章回转窑熟科烧成过程控制实验系统功能结构谩计

式中：坛为检测流量，O-l OOt／h，彳为料浆的实际流量，O-l OOt／h。

压力传感器模型，隔膜压力变送器(EJA438w- DAsG4AA．B02．95EA)，隔膜密封式

压力变送器测量料浆压力，然后转换为4- 20mA的电信号，送到DCS控制器，检测过程

的时间常数很小，可以近似为静态线性关系：

式中：．场为检测压力，0- 1000K_Pa，舒为料浆的实际压力，O- 1000KPa。

3．4．3．5热电偶检测装置

固定法兰式热电偶( WRN．430 KL=1100)，此种热电偶测量范围为O．950℃，热响

应时间与套管厚度和安装方式有关，总体小于8s。本文用一阶惯性环节来模拟其特性：

式中：咒为检测窑尾温度，0- 800"C，‘为实际窑尾温度，0- 800"C。

3．4．3．6双色辐射测温仪

红外测温仪(IR- AQITS)由光学系统、光电探测器、信号放大器及信号处理、显示输

出等部分组成。光学系统汇聚其视场内的目标红外辐射能量，视场的大小由测温仪的光

学零件及其位置确定。红外能量聚焦在光电探测器上并转变为相应的电信号。该信号经

过放大器和信号处理电路，并按照仪器内部的算法_和目标发射率校正后转变为被测目标

的温度值。红外测温仪响应快，时间常数可以忽略不计。其输入输出关系如下：

式中：咒为检测烧成带温度，0- 1600"C，‘为检测烧成带温度，0- 1600"(2。

3．5回转窑熟料烧成过程监控与DCS系统设计

3．5．1熟料烧成过程监控与DCS系统功能设计

监控与DCS系统首要功能是对回转窑熟料烧成过程进行基础回路控制，另外还包

括控制组态功能、与其它系统的通讯联系功能。

基础回路的过程控制功能：

控制给煤机系统、鼓风机系统、排烟门系统、料浆泵系统的执行机构和相应过程，

操作员可以在监控机上监视并实时调节干预。

第三章回转窑熟科烧成过程控制实验系统功能结构设计

对基础回路进行控制，可以根据不同的执行机构及过程特性和控制要求来选择、编

辑控制策略，确定控制周期等参数。

DCS控制器在运行时需要与虚拟的执行机构、检测装置以及优化系统通讯，控制器

产生的输出送到虚拟的执行机构，虚拟的检测装置检测到的信号送到DCS控制器；DCS

控制器还接受来自优化系统的优化控制输出。

3．5．2熟料烧成过程监控与DCS系统软件平台设计

Foxboro公司为I／ASeri es系列DCS控制器提供了完整的组态环境和监控操作环境，

50系列的DCS的操作系统为与UNIX系统兼容的SunSoft Sol ari s操作系统，控制组态

工具为CIO组态编辑器，使用Foxdraw界面编辑器可以创建人机交互界面，为操作员对

过程的监控提供接口，此外还包括历史纪录与过程报表等组态功能软件。所有的控制组

态，人机界面都在此环境下编辑建立。监控与DCS系统与执行机构、检测装置虚拟系

统的通讯通过模拟量输入输出板卡FBM211和FBM237，与优化系统的通讯通过

AIM*ATOPC和RSI．RSVi ew320PCTagServer OPC共同完成。

3．5．2．1监控与DCS系统人机界面设计

监控与DCS系统的前台人机界面在Foxdraw环境下建立，通过此人机界面可以浏览

整个仿真系统的结构、监视工艺流程总貌、对各个子系统进行调节操作。主要结构如下

第三章回转窑燕料烧成过程控制实验系统功能结构设计

图3．20回转窑监控系统人机界面结构

Fi g 3．20 HMI st ruct ure ofThe Rot ary Ki l nEngi nemWorkstati on

下面分别介绍各个界面的功能。

系统结构画面：显示整个回转窑熟料烧成仿真平台的结构，给人直观的印

象，了解系统的构成及连接关系。

工艺流程总貌画面：此画面为过程控制实验人员的主控画面，在仿真运行

期间，操作人员通过此画面监控过程的仿真运行。主要包括下面的功能。

a)关键工艺参数显示：显示过程控制中的关键工艺参数值。

b)关键工艺参数趋势显示：显示关键工艺参数的运行趋势。

c)回路控制信号流程显示：用虚线显示各个执行机构及检测装置之间的回路

d)导航：切换到各个子系统的回路操作控制面板。

各子系统的回路操控画面：提供对各子系统的回路控制功能，包括手自动

切换、远程本地控制、修改设定值。

a)给煤机子系统控制：显示给煤机子系统的运行状态，提供远程本地控锖4选

择、手自动控制切换。

b)鼓风机系统显示控制：显示鼓风机系统的运行状态，提供远程本地控制选

择、手自动控制切换。

c)排烟门系统显示控制：显示排烟门系统的运行状态，提供远程本地控制选

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

代入到式(3．50)中，得

‰=上1+W生。Wp

形=瓦1 i石e-r' cr万

‘％‰J+1一P～5

e- t’I≈1一f。s

彤2瓦1硒e-f4'z

把过程模型(3．47)和PI控制器(3．46)代入(3．52)得：

上式即为直接合成法的控制器参数整定公式，在实际应用中，对象参数巧、乃、f，

可能与真实值有一定差距，另外由于控制系统的采样周期不能太快，因此性能会有所下

控制系统提供的PI控制模块完成回路控制功能，需要AI(信号输入模块)和AOUT

(信号输出模块)配合，信号输入模块把检测到的4- 20mA电信号经过滤波、限幅、量

程转换，送到PI控制模块，输出模块把PI控制模块产生的输出控制信号转换到4- 20mA

电信号，送给执行机构。整个回路可以看作为计算机采样控制回路，如下图所示：

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

七⋯⋯⋯⋯⋯～离散部

离散部分。一⋯⋯⋯⋯～》

图3．21 DCS与执行机构之间的信号转换

Fi g 3．21 Si gnal

t ransformat i on bet ween DCS and The Vi rt ual

Act uat or

图3．22回转窑虚拟执行机构及其对象过程控制回路图

Fi g 3．22 Cont rol l oop schema oft he vi rtl Jal

act uat or and i ts process

信号输入输出模块和PI控制模块的执行周期都是可以调整的，但组态时必须保证

在每个执行周期内的时序是由输入到控制，再到输出的先后关系。

3．6回转窑熟料烧成过程优化系统设计

3．6．1熟料烧成过程优化系统功能设计

优化系统首要功能是对回转窑熟料烧成过程进行优化控制，另外还有系统实验过程

的辅助控制功能和与其它系统的通讯联系功能。

回转窑熟料烧成过程的优化控制功能：

设计优化控制器，利用多模型自适应广义预测控制算法，解决熟料烧成过程烧成带

和窑尾温度的非线性、耦合、延迟的问题，实现窑温的平稳控制。

实验过程辅助控制功能：

第三章回转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

为了便于实验的运行操作，设置实验操作导航功能，引导操作员的操作，使操作人

员能够选择要进行的实验，设置实验运行初始参数，控制实验过程的启动、暂停、继续

优化系统在优化控制过程中与DCS控制器及执行机构与传感器虚拟系统实时交换

信息，虚拟传感器检测到的信息要送给优化机，优化系统计算的输出要送给DCS控制

3．6．2熟料烧成过程优化系统软件平台设计

优化系统软件分前后台两部分，前台软件负责人机交互的任务，由RSVi ew32完成，

后台采用Mauab编制优化控制算法，两者之间的通讯由DDE(动态数据交换)完成。

系统与外部的联系则通过RSVi ew32的OPC服务器RSI，RSVi ew320PCTagServer完成。

图3．23回转窑优化系统软件平台

Fi g3．23 SoRw盯e pl at formofThe Rot ary Ki l n Opt i mi zat i on Syst em

3．6．2．1优化系统人机界面设计

优化系统的前台人机界面在RSVi ew32环境下建立，提供对优化控制的参数设置、

趋势显示功能。主要结构如下图所示。

第三章回转窑熟料烧戍过程控制实验系统功能结构设计

图3．24回转窑优化系统^、柳屏面结构

Fi g 3．24 HMI

st ruct ure of

The Rot ary Ki l n Opt i mi zat i on Syst em

下面分别介绍各个界面的功能。

起始画面：起始画面是优化系统运行时的初始画面，主要包括以下的功能。

a)中、英文两种操作语言切换。

b) 用户选择：包括用户登录、退出、更改密码、退出系统。

c)报警；在仿真实验过程中，出现运行异常时，给操作员简单提示。

d) 导航：画面切换。

执行机构测试画面：实验者对执行机构进行开环测试，闭环仿真，主要包

a)仿真参数设置：仿真参数包括对象模型的采样周期以及时间比例。

b)对象选择：选择要测试的执行机构。

c)开环测试：对选择的执行机构其进行开环测试。

d)测试运行控制：控制测试的起动、暂停、继续、停止。

e) 导航：画面切换。

窑温控制画面：实验者对烧成带温度和窑尾温度进行协调控制，主要包括

a)仿真参数设置：仿真参数包括控制周期以及时间比例。

b)闭环仿真：闭环实时仿真。

C)优化控制运行控制：控制优化控制进程的起动、暂停、继续、停止。

d) 导航：画面切换。

通讯性能测试：测试当前优化系统与DCS控制器之间的通讯性能。

a)测试参数录入：输入测试数据的类型、数量和测试周期。

b)测试结果输出：输出系统的数据传输统计数据，给出仿真运行周期建议。

第三章曰转窑熟料烧成过程控制实验系统功能结构设计

3．6．3窑温多模型自适应广义预测控制

回转窑熟料烧成过程主要控制烧成带温度和窑尾温度，而两者耦合严重，非线性强，

参数时变严重，控制延时大，因此控制难度比较大。本文提出针对回转窑熟料烧成过程

烧成带烟气温度和窑尾烟气温度的多模型自适应广义预测控制，以解决上述问题，实现

烧成带烟气温度和窑尾烟气温度的协调控制。

传统的自适应控制通常适用于一个参数固定或慢时变的系统模型，并假设操作环境

是时不变或慢时变的情况，但在复杂的系统(系统变工况运行，外部扰动很大等)中，

采用常规自适应控制器进行控制，参数收敛很慢，系统的瞬态响应很差。因为系统从一

个工作状态变化到另一个工作状态，系统的参数发生很大的变化，常规自适应控制器中

的辨识器难以跟随参数的实际变化，造成模型不准确，因而导致基于此模型而设计的控

由此，人们提出多模型自适应控制(Mul t i pl e Model Adapt i ve Cont rol ，MMAC) ，利

用多个模型来逼近系统的动态特性。对于每一个子模型，设计相应的子控制器，在实际

运行时，通过在线系统辨识，选择能够描述当前被控对象的最佳模型，并将基于最佳模

型而设计的控制器通过性能指标优化切换或加权组合映射成当前控制器。这种控制器对

复杂的系统能达到很好的控制精度，跟踪速度和稳定性。

多模型自适应控制中，子模型和子控制器的设计可以采取不同的形式，相应的产生

不同的多模型自适应控制，如多模型广义预测控制，多模型自适应模糊控制，多神经网

本文已经通过机理分析建立了回转窑熟料烧成过程烧成带烟气温度和窑尾烟气温

度的参数模型，并且考虑到模型预测控制的优点和实用价值，因此在子控制器设计方面

采用基于参数模型的广义预测控制算法。

广义预测控制( General i zed Predi ct i ve Conl rol ，GPC)m御是在自适应控制的研究中

发展起来的预测控制算法。起初它的预测模型采用CARIMA(离散受控自回归积分滑动

平均模型)或CARMA(离散受控自回归滑动平均模型)，克服了脉冲响应模型、阶跃

响应模型不能描述不稳定过程和难以在线辨识的缺点，1993年，Ordys．A，Cl arke．D⋯1给

出了状态空间表示的预测控制算法。广义预测控制保留了最小方差自校正控制器的模型

预测，在优化中引入了多步预测的思想，所以抗负载扰动随机噪声、时延变化等能力显

著提高。在实际过程中，由于存在非线性时变、模型失配和干扰等不确定性因素，使基

于模型的预测不可能与实际相符。因此通过输出的测量值与模型的预估值进行比较，得

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开

4．1回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发

4．1．1熟料烧成过程虚拟对象系统开发

回转窑熟料烧成过程烧成带温度和窑尾温度模型用MaⅡab开发。具体函数及功能

netTestO：测试虚拟对象系统到执行机构与检测装置虚拟系统之间的通讯性能。

hzyIni ti al i ze0：虚拟对象系统仿真进程初始化函数，建立前后台的通讯连接通道，

获取仿真参数、对象的初始状态参数，建立初始对象模型。

hzyGeneral sol veO：获取当前仿真时刻的虚拟对象输入以及边界参数，更新对象模

hzyStartO．．启动虚拟对象系统仿真进程。

hzyPauseO：暂停虚拟对象系统仿真进程。

hzyGoonO：继续虚拟对象系统仿真进程。

hzyStopO．．停止虚拟对象系统仿真进程。

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

图4．1回转窑虚拟对象系统仿真运行控制流程图

Fi g 4．1 The si mul at i on cont rol

fl ow of The Rot ary Ki l n Vi rt ual Pl ant

图4，2回转窑虚拟对象系统初始画面

Fi g 4．2 The i ni ti al pi ct ure ofThe Rot ary Ki l n Vi rtual Pl ant Syst em

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

4．1．2熟料烧成过程执行机构与检测装置虚拟系统开发

执行机构与检测装置虚拟系统的开发原理同虚拟对象系统基本一致。

后台模型利用MATLAB软件，具体函数如下：

asl ni ti al i ze0：执行机构与检测装置虚拟系统仿真进程初始化，建立模型与人机界面

的通讯通道，获取仿真参数，建立初始执行机构及检测装置对象模型。

asGeneral sol ve0：求解执行机构与检测装置对象模型。

asStart0：启动执行机构与检测装置虚拟系统仿真进程。

asPause0：暂停执行机构与检测装置虚拟系统仿真进程。

asGoon0：继续执行机构与检测装置虚拟系统仿真进程。

asStop0：停止执行机构与检测装置虚拟系统仿真进程。

仿真流程与虚拟对象系统一致，见图4．1(虚拟对象系统仿真运行控制流程图)。

前台人机界面利用Rsvi ew32，包括初始画面、参数设置画面、工艺流程画面、趋势

图画面、执行机构画面、检测装置画面，形式与虚拟对象系统画面一致，内容不同，这

里给出执行机构画面以供参考。

图4．9回转窑执行机构与检测装置虚拟系统执行机构画面

Fi g 4．9 The Sensor Pi ct ure ofThe Rot ary Ki l n V' mual Act uat or and Sensor Syst em

内部连接，执行机构与检测装置虚拟系统的前后台通信原理与虚拟对象系统一致，

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

图4．II回转窑给煤机执行机构控制信号流

Fi g 4．II The cont rol

Feeder Subsyst em

其他调节回路与给煤机煤粉流量调节方法相同，信号不同，这里不再给出具体模块。

人机界面，I／A系统提供Foxdraw来建立人机操作界面。本文建立了系统结构界面、

工艺流程界面和回路控制界面。操作员可以通过界面了解系统结构，监视生产过程的参

数、趋势，并进行调节操作。具体如下：

图4．12回转窑实验系统结构

Fi g 4．12 St ruct ure of The Rot ary Ki l n Experi ment

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

图4．16回转窑优化系统运行控制流程

Fi g4．16 The cont rol fl owofThe Rot ary Ki l n Opt i mi zat i on Syst em

人机界面，利用Rsvi ew32开发，包括初始界面、执行机构测试界面、窑温控制界

面。操作员可以通过界面设置实验参数，对执行机构进行开环测试、闭环仿真，对烧成

带温度和窑尾温度进行预测控制。具体如下：

图4．17回转窑优化系统执行机构测试画面

Fi 94．17Theact uat ort est pi et t t re ofTheRot aryKi l nOpt i mi zat i onSyst em

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

图4．18回转窑优化系统窑温控制四面

F塘4．18 Rot ary ki l n t emperat ure cont rol

pi ct ure of The Opt i mi zat i on Syst em

内部连接，与虚拟对象系统的内部连接方式一致，见4．1．1节(熟料烧成过程虚拟

对象系统开发)的内部连接部分。

外部连接，优化机与监控机的通信由OPC服务器AIM*AT提供，见4．1．3节(熟料

烧成过程监控与DCS系统开发)的外部连接部分。

4．2回转窑熟料烧成过程控制实验系统平台通讯性能测试

4．2．1延时及丢包测试

延时是指数据由源地址到达目的地址传输过程中所花费的时间，包括网络延时和系

网络延时是指由于网络引入的数据传输延时，其原因首先是数据在网络上传输需要

一定时间，其次也是影响数据网络传输时间的重要因素是网络负载，当有大量数据需要

传输时，网络协议对数据传输的安排协调会产生随机延时。

系统延时是指由于计算机系统本身工作机制和状况的原因而引入的处理延时。在处

理数据通信工作时，分时系统和多任务系统肯定不如实时系统和单任务系统稳定快捷。

对于本实验系统来说，虚拟对象与执行机构及检测装置虚拟系统之间、监控机与优

第四章回转窑熟科烧成过程控制实验系统开发与实验研究

化机之间的通信连接都存在延时，两者相同。下面以虚拟对象系统与执行机构及检测装

置虚拟系统为例，介绍延时的计算。

胁；。豫。Pca蛔卜一

{。¨ ¨ ¨ ：，

图4．19回转窑虚拟对象系统和执行机构与检测装置虚拟系统之间的延时

Fi g 4．19 Del ay bet ween The Vi rt ual

Pl ant Syst en and The Act uat or and Sensor Vi rt ual

虚拟对象系统到执行机构及检测装置虚拟系统的送延时：

Sent ／) =Sent Del ayl +Sent Del ay2

式中：Sent Del ayl 为虚拟对象系统内部Mat l 曲到Rsvi ew32的延时，Sent Del ay2为

虚拟对象到虚拟检测装置的延时。

虚拟对象系统到执行机构及检测装置虚拟系统的取延时：

Get D=Get Del ayl +Get Del ay2

式中：Get Dcl ayl 为虚拟对象系统内部Rsvi ew32到Mat l ab的延时，Gct Del ay2为虚

拟执行机构到虚拟对象的延时。

本文的测试方法为给定一定数量和类型的过程数据，计量从发出发送或收取命令到

命令执行完毕得到数据的时间。

网络丢包原指数据包由源地址到目的地址的传输过程中丢失的现象。因为本实验系

统是一个实时过程控制系统，所以把此概念扩展为数据在规定时间内没有传输到目的地

址的现象。本实验系统在虚拟对象与执行机构及检测装置虚拟系统之间，以及监控系统

与优化系统之间都存在丢包现象。本文的测试方法为给定一定数量和类型的过程数据，

在规定时间内发送到目的地址，再由耳的地址取回，检查取回数据的完整性，判断丢包

的发生与否，因此本文的丢包检验包括发送丢包和获取丢包。

下面为一次测试的结果。(测试条件，前25个数据为模拟量，后25个数据为数字

量，每秒送一个数、取一个数。)

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

图4．22回转窑系统通讯性能结果统计画面

Fi g4．22 The st at i st i c resul t

pi ct ure of The Rot ary Ki l n Process Cont rol Experi ment Syst em

communi cat i on performance

4．3回转窑熟料烧成过程控制实验系统对象模型实验研究

4．3．1熟料烧成过程窑温模型实验研究一

烧成带温度和窑尾温度非线性模型如3．3．3．1节(熟料烧成过程烧成带和窑尾温度模

型)所述。本文设计如下实验，观察回转窑熟料烧成过程温度模型特性，同时验证平台

首先，设定仿真实验参数，虚拟对象采样周期5s，执行机构及检测装置虚拟系统

采样周期1J，仿真对间比例为l 。

其次，设置对象参数，即仿真起始条件，包括边界条件和控制量。

表4．1回转窑熟料烧结边界条件

噩Ibl e 4．1 The boundary condi t i ons of

t he rot ary ki l n si nt er

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

在以上边界条件和控制量作用下，烧成带温度和窑尾温度为(1056。C，229。C)，以

此为出发点，分别改变控制量、负载和边界条件，观察窑温变化。

煤流量的改变。从上面工况开始，在监控机操作界面，改变给煤机转速，到756 rpm，

增加l t ／h的煤流量，等窑温稳定后，再次改变给煤机转速，到828rpm，增加1t ／h的

煤流量，窑温变化如图4．23：

图4．23煤流量改变对窑温的影响

Fi g 4．23 The effect

fl ux change

t o ki l n t emperat ure

图中①表示烧成带烟气温度，②表示窑尾烟气温度，③表示煤流量。

窑温从(1056℃，229℃)到(1175℃，246℃)，最终稳定在(1289℃，260℃)，

由此可知，增加煤流量烧成带和窑尾温度都上升，表明烧成带温度和窑尾温度耦合；其

次，增加等量煤，烧成带温度第一次上升了119"C，第二次上升了114"C，窑尾温度则

分别上升了17"C和14℃，表明窑温对煤流量具有非线性特性。

风流量的改变。从上面工况开始，在监控机操作界面，改变排烟门风机转速，加大

风流量，首先增加4KNm3／h，到9KNm3／h，等窑温稳定后再增加49Nm3／h，到

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

窑尾温度首先受到影响，从363℃下降到30713，一段时间后，烧成带温度也开始

下降，从1255"C下降到1221"C。可见料浆水分增加，烧成带温度和窑尾温度都下降，

并且对窑尾温度的影响大。

环境温度的改变。从上面工况开始，在对象机界面，升高环境温度，到35"C，窑温

图4．”环境温度变化对窑温影响

Fi g 4．27 The effect

envi ronment

t emperat ure change t o ki l n t emperat ure

图中①表示烧成带烟气温度，②表示窑尾烟气温度。

烧成带温度和窑尾温度同时受到影响，从(1221℃，307"C)升高到(1228℃，315

4．4回转窑熟料烧成过程控制实验系统控制算法实验研究

4．4．1熟料烧成过程窑温多模型广义预测控制性能实验研究

回转窑熟料烧成过程非线性严重，关键被控变量烧成带温度和窑尾温度之间相互偶

合，控制量到输出量之间具有纯时延、大惯性的特点，同时执行机构的变化速率和输出

受限，因此，本文应用多模型预测控制方法对其进行控制。下面为在不同情况下的控制

首先，设置虚拟对象系统和执行机构与检测装置虚拟系统的参数，虚拟对象采样周

期5 s，执行机构及检测装置虚拟系统采样周期1 J，时间比例为1。对象和执行机构参

第四章回转窑熟料烧成过程控制实验系统开发与实验研究

表4．3回转窑熟料烧结边界条件

Tabl e 4．3 The

i ni t i al

boundary condi t i ons

t he rot ary ki l n si nt er process

表4．4回转窑熟料烧结起始条件

Tabl e 4．4 The

i ni t i al

condi t i ons

rot ary ki l n si nt er process

其次，设置DCS控制器和优化系统参数，DCS控制器控制周期为1 j ；优化控制器

控制周期l Os，时间比例为1。优化系统控制参数：

表4．5窑温控制自适应参数

Tabl e 4, 5 The adapt i ve paramet er

t he rot ary ki l n t emperat ure cont rol l er

表4．6窑温控制预测参数

Tabl e 4．6 The predi ct i ve paramet er oft he rot ary ki l n t emperat urecont rol l er

在以上对象参数和控制参数条件下，烧成带温度和窑尾温度为稳态时为(1043‘C，

244"C)，以此为出发点，分别观察控制器对设定值改变，负载波动，边界条件变化的控

设定值改变。从上面工况开始，在优化系统，改变窑温设定到(1225。C，275*C)，

控制效果如图4．28。

图中①表示烧成带烟气温度，②表示窑尾烟气温度，③表示烧成带烟气温度设定，

④表示窑尾烟气温度设定，⑤表示煤流量，⑥表示风流量。

可以看出，窑温设定改变后，执行机构动作平缓，烧成带烟气温度直接上升跟踪设

定，窑尾烟气温度首先下降，然后逐渐跟踪到设定，10分钟之内烧成带温度收敛到设定

的正负2"C之内，窑尾温度收敛到正负1℃之内。

本文从生产实际出发，搭建了回转窑过程控制实验系统平台，在此平台之上建立了

目转窑熟料烧成过程对象模型、执行机构及检测装置模型，并设计了执行机构控制策略

和窑温控制策略。此过程控制实验系统能够进行回转窑熟料烧成过程对象模型和窑温控

设计开发了回转窑过程控制实验系统的总体架构。本实验系统在结构上包括

四部分：虚拟对象系统、执行机构与检测装置虚拟系统、监控与DCS控制系统、

优化控制系统。每一部分完成不同的任务，虚拟对象系统主要完成回转窑熟料

烧成过程的仿真模拟任务，执行机构与检测装置虚拟系统主要完成回转窑熟料

烧成生产中的执行机构与检测装置的仿真模拟任务，监控与DCS控制系统主要

完成回转窑熟料烧成过程的监控任务，优化控制系统主要完成回转窑熟料烧成

过程的先进控制任务。

建立了回转窑熟料烧结过程温度模型及给煤、鼓风、排烟、喂料过程模型，

设计开发了相应软件，构建了虚拟对象系统。其中通过深入分析窑内传热机理，

建立了回转窑氧化铝熟料烧结过程烧成带烟气温度和窑尾烟气温度的多工作点

模型，反映了窑温的非线性特性。

建立了回转窑各子系统执行机构与检测装置模型，设计开发了相应软件，构

建了执行机构与检测装置虚拟系统。其中执行机构与检测装置模型包括给煤机

子系统、鼓风机子系统、排烟门子系统、料浆泵子系统的执行机构与检测装置

和烧成带温度及窑尾温度检测装置。

针对回转窑系统中的给煤、鼓风等回路，设计开发了相应的PI控制器，同

时设计开发了方便灵活的监控界面，构建了回转窑监控与DCS系统。

针对烧成带温度和窑尾温度的非线性、耦合、纯滞后特性，设计开发了多模

型自适应广义预测控制器，实现了烧成带温度和窑尾温度的协调控制，构建了

设计开发了实验系统的测试功能。设计开发了系统通讯性能测试功能，设计

实施了回转窑氧化铝熟料烧成过程对象模型的实验研究、控制算法的性能实验

研究。通过实验研究验证了平台的有效性，对象模型的定性模拟能力以及控制

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