水泥烧成过程的建模与控制研究

水泥烧成过程作为水泥厂整个生产流程中的核心环节，其主要任务是对生料进行预热、分解、煅烧和冷却等一系列处理，使其发生符合工艺要求的物理化学反应，最终成为合格的熟料。由于水泥烧成过程具有多变量强耦合、强非线性、大滞后以及工况变化频繁等综合复杂特性，使得烧成过程难以实现自动控制，因而造成分解炉出口温度、篦下压力等关键工艺参数难以准确控制，使得熟料质量差、热量回收效率低。本文针对水泥烧成过程中存在的实际问题，开展了动态机理建模、系统特性分析、回路控制算法和工况状态识别等方面的研究，取得了如下成果： 1、在深入分析水泥烧成过程工艺机理的前提下，基于合理的假设条件和“三传一反”基本原理以及部分常用经验公式，以质量平衡、热量平衡和动量平衡为基础并结合反应动力学，从理论上建立了预热分解系统、高温煅烧系统和熟料冷却系统的动态机理数学模型，并应用现场测试数据验证了模型的有效性，为水泥烧成过程的动态仿真及控制方案设计提供了有力支持。 2、针对分解炉出口温度控制回路具有非线性、大滞后和大扰动的问题，在对预热分解系统进行动态模型仿真和特性分析的基础上，提出了具有前馈补偿的约束Smith广义预测控制方法来实现分解炉出口温度的稳定控制。现场工业实验结果表明，该方法有效地抑制了生料流量波动和系统滞后所带来的不利影响，提高了分解炉出口温度的控制精度，保证了生料入窑分解率的稳定。 3、针对篦下压力控制回路存在的大惯性、工况变化频繁以及检测信号的信噪比性能差、噪声严重的问题，在对熟料冷却系统进行动态模型仿真和特性分析的基础上，提出了基于Kalman滤波器的模糊自整定PID控制方案来实现篦下压力的稳定控制。现场工业实验结果表明，该方案有效地去除了篦下压力检测信号中的噪声影响，增强了控制器对工况状态变化的适应能力，提高了篦下压力的控制精度和热量回收效率。 4、针对水泥回转窑工况状态难以准确判断的问题，在证明窑电流信号具有分形特性的前提下，提出了基于简单分形的工况特征识别方法，并通过现场实际工况数据进行了仿真验证；接下来，为了能够从过程信号中提取更多的局部特征信息，进一步提出了基于多重分形谱的工况特征提取与识别方法来对窑电流信号进行更为全面细致的描述，以获取更多的信息用于回转窑工况状态的识别；最后，总结了基于分形理论进行工况识别的方法与步骤。上述尝试性研究的成功，不但为今后研制水泥烧成过程的性能监控与优化运行系统奠定了基础，也为复杂工业过程的工况特征识别研究提供了新的思路。