竖炉焙烧运行工况故障诊断与容错控制的研究

摘要

在我国的赤铁矿选矿工业中，由于赤铁矿品位较低，选别难度大，难以利用常规的磁选方法获得品位合格的铁精矿，因而采用竖炉预先对赤铁矿石进行高温还原磁化焙烧，使弱磁性矿物变成强磁性矿物，然后再用磁选方法得到铁精矿。因此，竖炉焙烧过程的运行工况直接关系到选矿的金属回收率与精矿品位。竖炉焙烧过程属于复杂的半间歇式生产过程，赤铁矿在竖炉内部发生高温化学反应，矿石的大小、种类、成分频繁变化，尤其是反映竖炉焙烧质量的运行指标——磁选管回收率不能实时在线测量，因此，运行控制中可能给出不合适的燃烧室温度、还原煤气流量、矿石搬出时间的设定值，从而可能造成冒火、上火、炼炉、过还原、欠还原等故障工况。因此，研究及时准确地诊断故障工况和改变燃烧室温度、还原煤气流量、矿石搬出时间的设定值，通过控制系统跟踪设定值，使竖炉远离故障工况的故障工况诊断与容错控制方法，对于保证竖炉正常运行具有重要意义。
　　本文针对磁选管回收率预报、竖炉故障工况诊断与容错控制，以及如何实现故障工况诊断与容错控制方法的三个关键问题，依托国家863高技术计划项目“选矿工业过程综合自动化系统研究与开发”，开展了竖炉焙烧运行工况故障诊断与容错控制的研究，取得了如下成果:
　　1、针对磁选管回收率不能实时在线检测，与燃烧室温度、还原煤气流量和矿石搬出时间的特性具有模糊性，难以建立机理模型，且其化验结果具有大滞后特性，难以满足故障工况诊断的实时性要求的问题，提出了由模糊主模型和神经网络补偿模型构成的磁选管回收率混合预报模型。模糊主模型的模糊规则提取采用了同步聚类方法;神经网络补偿模型采用了搜寻后收敛进度算法提高了训练速度。仿真试验表明，本文的方法能够获得较高的预报精度;
　　2、针对故障工况与磁选管回收率预报值、控制回路输出值、控制量、竖炉焙烧的过程变量、以及边界条件之间的动态特性难以建立机理模型，仅靠运行操作人员通过观察炉况，凭经验判断故障存在的问题，提出了基于规则推理的故障工况诊断方法。该方法吸取了运行操作人员故障工况诊断的专家知识，采用一种基于层次分析方法的启发式搜索策略确定规则库中的规则搜索顺序，由磁选管回收率预报值、控制回路输出值、控制量、竖炉焙烧的过程变量、以及边界条件提取各种故障工况的推理规则，形成规则库;
　　3、针对燃烧室温度、还原煤气流量、矿石搬出时间的改变来消除故障工况的动态过程与故障工况种类、控制回路输出值、回路跟踪误差、控制量、过程参数以及边界条件密切相关，难以用机理模型描述，仅靠运行操作人员凭经验改变燃烧室温度、还原煤气流量、矿石搬出时间的设定值来消除故障工况存在的问题，提出了基于案例推理的容错控制方法。容错控制器根据故障工况种类、控制回路的输出值、回路跟踪误差、控制量、过程参数以及边界条件，利用案例推理的方法给出控制回路设定值的修正量，通过控制系统跟踪新的设定值，使系统逐渐远离故障工况，同时保证磁选管回收率处于目标值范围内。其中案例推理中的案例描述的权值确定方法结合竖炉焙烧特性，提出了基于相关分析与蚁群算法相结合的案例描述权值优化方法;
　　4、本文将所提出的磁选管回收率预报模型、故障工况诊断和容错控制方法相结合，提出了故障工况诊断与容错控制策略。设计开发了实现故障工况诊断与容错控制策略的软件系统。该软件由数据采集、结果显示、数据保存、试验计时、磁选管回收率预报、故障工况诊断与容错控制、层次分析算法、蚁群算法结合相关分析的算法模块等组成;
　　5、采用竖炉现场数据进行了故障工况诊断与容错控制方法的实验研究。实验结果表明，由于燃烧室温度、还原煤气流量和矿石搬出时间的设定值不能适应矿石性质等边界条件的波动而出现故障工况时，该系统能够实现故障工况诊断，并修改上述设定值，通过控制系统跟踪修改后的设定值，使竖炉逐步远离故障工况运行，同时保证磁选管回收率控制在目标值范围内。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 工程系统的故障诊断与容错控制技术研究现状

1．2 炉窑故障诊断与容错控制技术研究现状

1．3 软测量及其在炉窑中应用研究现状

1．4 存在的问题及本文的工作

第二章 竖炉焙烧过程故障工况问题描述

2．1 竖炉焙烧装置与工艺过程描述

2．2 磁选管回收率预报问题描述

2．2．1 竖炉焙烧过程运行指标——磁选管回收率

2．2．2 磁选管回收率与还原反应温度、还原剂浓度、还原反应时间之间的特性分析

2．2．3 还原反应温度、还原剂浓度、还原反应时间与燃烧室温度、还原煤气流量、矿石搬出时间之间的特性定性分析

2．3 竖炉焙烧运行故障工况分析

2．4 本章小结

第三章 竖炉焙烧过程运行指标——磁选管回收率预报方法

3．1 模糊与神经网络方法介绍

3．1．1 模糊模型简介

3．1．2 神经网络简介

3．2 磁选管回收率特性分析

3．3 磁选管回收率预报方法

3．3．1 磁选管回收率预报策略

3．3．2 磁选管回收率预报算法

3．4 磁选管回收率预报模型参数确定及方法比较

3．4．1 实验仿真确定磁选管回收率预报模型参数

3．4．2 各种方法进行磁选管回收率预报比较实验

3．5 磁选管回收率预报实验研究

3．6 本章小结

第四章 竖炉焙烧运行工况故障诊断与容错控制方法

4．1 基于规则推理的故障工况诊断方法

4．1．1 竖炉故障工况诊断现状分析

4．1．2 基于层次分析(AHP)的规则推理方法

4．1．3 基于规则推理的故障工况诊断方法

4．2 基于案例推理的容错控制方法

4．2．1 故障工况处理现状分析

4．2．2 基于案例描述权值优化的案例推理方法

4．2．3 基于案例推理的故障工况容错控制方法

4．2．4 故障工况容错控制方法实验研究

4．3 故障工况诊断与容错控制策略

4．4 本章小结

第五章 故障工况诊断与容错控制软件系统的设计与开发

5．1 软件系统的设计

5．1．1 功能模块设计

5．1．2 算法模块设计

5．2 软件系统的开发

5．3 本章小结

第六章 实验研究

6．1 实验对象的描述

6．1．1 控制系统硬件与软件平台

6．1．2 实验数据的采集与描述

6．1．3 故障工况诊断与容错控制方法中的参数选择

6．1．4 本文软件实验方法

6．2 实验过程及结果分析

6．3 本章小结

结束语

参考文献

致谢

博士期间完成的论文、参加的科研项目

作者简介