FC分室右膏煅烧过程建模及优化控制研究

摘要

FC即流态化煅烧的意思，FC分室石膏煅烧法将煅烧炉分成多个室的方法解决了传统石膏生产过程中多相混合对产品质量的影响，但同时也增加了十几个温度和压力测点；将烘干和煅烧分成两个独立的过程提高了对原料含水率的适应性，但由于烘干所用热源来自煅烧余热，并且烘干效果直接影响煅烧过程，对两个过程间的协调控制提出了更高的要求。对于采用FC分室石膏煅烧法的生产过程，不仅要加强监控，提高整个石膏煅烧过程的自动化程度，还要对其中的关键环节如FC炉进行优化控制，提高产品的质量。
　　 石膏产品中半水石膏的含量是煅烧效果的一个重要指标，FC炉优化控制的目的是保证产品中半水石膏的含量在95％以上。而来自热风炉热风温度的波动和原料含水率的波动是FC炉煅烧过程两个主要干扰，通过对热风炉的控制使其在石膏生产过程中稳定供热，通过对预烘干过程的控制使进入FC炉的原料含水率维持在5％左右。围绕这些控制要求，对预烘干过程、FC炉煅烧过程进行了机理分析，通过实验采集需要的数据用不同的方法建立了相应的数学模型，并结合经验对满足要求的数学模型进行了预测控制算法、PID算法、变比值控制算法的分析、仿真、比较，确定出适合各回路的控制算法，最后通过Visual Studi02005软件编写优化控制算法和优化界面在工业现场验证应用。
　　 通过对FC炉煅烧过程的机理分析和FC炉几个区温度与煅烧效果的相关性分析，发现FC炉出料口温度维持在160℃时，产品中半水石膏的含量最高，而影响FC炉温度的几个因素中只有热风阀阀门是可以随时调节的，所以通过调节热风阀阀门开度控制FC炉出料口温度。当预烘干机入口气体温度恒定时，原料含水率不同时，喂料量也不同，通过分析预烘干机出口温度与烘干后物料含水率之间的关系，发现当出口温度维持在75℃时烘干后的物料含水率可以维持在5％左右。
　　 通过前面的分析决定以FC炉出料口温度为被控量，以热风阀阀门开度为控制量来建立FC炉的数学模型。进入FC炉的热风在四个室均有传输延时并且物料在各室的反应过程也可以分别用一个惯性环节表示，所以初步确定模型为四阶惯性加滞后。在FC炉稳定工作状态下，采集热风阀阀门开度自60％阶跃变化到65％和从68％阶跃变化到63％这两个过程中的800个数据，采用周期为2秒，并对数据进行均值滤波处理后，利用最小二乘法原理，采用直接法和间接法建立出料口温度和热风阀阀门的数学模型，并利用几个月的历史数据验证和修正，最后确定间接法辨识的模型为最终模型，模型输出与现场实际输出的误差最大为2℃。预烘干机的出口温度可以反映烘干后的原料含水率，选择预烘干机出口温度为被控量，预烘干机喂料量为控制量建立数学模型。喂料皮带很短，物料经过很短一段时间的传输延时后进入预烘干机进行热交换，经过20秒左右被出口降粉器收集，所以确定预烘干过程模型为一阶惯性加滞后表示。在预烘干机稳定工作状态下，采集喂料量自25t/h阶跃变化到27t/h和自26t/h阶跃变化到24t/h这两个过程的数据进行参数辨识，经过四次辨识后对参数求平均，并利用现场历史数据进行验证，最终确定了预烘干过程的数学模型。
　　 FC石膏总体控制方案包括采用动态矩阵控制算法对FC炉进行控制和变比值PID串级算法对预烘干进行控制，通过仿真确定了FC炉优化控制几个原始参数，分析了几个参数对控制效果的影响，并与与其他控制算法的比较，发现动态矩阵控制具有很强的抗干扰能力。虽然预烘干过程时滞比较小，但单纯的PID控制难以适应于原料含水率的波动和快速跟随预烘干机入口温度的变化，经仿真发现增加喂料量与入口温度变比值控制环节，解决了单纯PID控制不能解决的问题。
　　 选用Intellution iFIX3.5软件进行人机界面编写和Control Builder AC800M软件实现自动进料、自动成球入库和设备之间的连锁跳停、组启组停功能。通过Visual Studio2005软件编写优化控制程序对FC炉煅烧、预烘干过程进行控制，在湖北某公司建筑石膏生产线进行了调试和应用，通过一个月的运行数据分析，达到了预期的优化目的。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 本课题的研究背景

1．1．1 石膏建材的优势及前景

1．1．2 国内外石膏煅烧发展现状

1．1．3 石膏煅烧中存在的问题

1．2 工艺设备方面的改进

1．3 流态化煅烧过程研究现状

1．3．1 流态化煅烧过程模型辨识研究现状

1．3．2 流态化煅烧过程控制研究现状

1．4 FC分室石膏煅烧过程控制现状及存在的问题

1．5 本文的主要研究内容

1．5．1 课题来源

1．5．2 本文的主要研究内容

1．6 本章小结

第二章 FC分室石膏煅烧过程工艺研究

2．1 FC分室石膏煅烧过程工艺流程及其煅烧机理

2．1．1 FC分室石膏煅烧过程的工艺流程

2．1．2 FC分室石膏煅烧过程的煅烧机理

2．2 FC炉的工艺流程及其煅烧机理

2．2．1 FC炉的工艺流程

2．2．2 FC炉的煅烧机理

2．3 预烘干过程的工艺流程及其煅烧机理

2．3．1 预烘干过程的工艺流程

2．3．2 预烘干过程的煅烧机理

2．4 煅烧过程工况分析

2．4．1 FC分室石膏煅烧过程正常工况

2．4．2 FC分室石膏煅烧过程异常工况

2．5 FC分室石膏煅烧过程优化控制目标

2．5．1 FC炉各区温度与煅烧效果的相关性分析

2．5．2 FC分室石膏煅烧生产线基础自动化控制要求

2．5．3 FC炉的控制要求

2．5．4 预烘干机的控制要求

2．6 FC分室石膏煅烧过程控制难点分析

2．7 本章小结

第三章 石膏煅烧过程模型建立

3．1 系统辨识与建模概述

3．1．1 系统建模方法分类

3．1．1 系统建模步骤

3．2 最小二乘辨识理论及其改进算法

3．3 采样数据数据预处理

3．4 FC炉煅烧模型的辨识和验证

3．4．1 FC炉煅烧模型定阶

3．4．2 直接法模型辨识

3．4．3 间接法模型辨识

3．4．4 FC炉煅烧模型验证

3．5 预烘干过程近似模型的辨识和验证

3．5．1 预烘干过程模型定阶

3．5．2 预烘干过程模型辨识

3．5．3 预烘干过程模型验证

3．6 本章小结

第四章 煅烧过程优化算法研究与控制器设计

4．1 FC分室石膏煅烧过程控制方案分析

4．1．1 FC石膏煅烧过程稳态工况分析

4．1．2 FC石膏煅烧过程控制方式选择

4．1．3 FC石膏煅烧过程总体控制方案

4．2 预测控制理论特点

4．2．1 预测模型

4．2．2 滚动优化

4．2．3 反馈校正

4．3 动态矩阵控制理论基础

4．3．1 动态矩阵控制的基本原理

4．3．2 动态矩阵预测控制算法的理论基础

4．4 DMC控制器设计

4．5 FC分室石膏煅烧过程控制算法选择

4．6 本章小结

第五章 石膏煅烧优化控制算方法仿真

5．1 FC炉优化控制仿真

5．1．1 确定模型参数向量

5．1．2 仿真效果分析

5．2 预烘干过程仿真

5．3 本章小结

第六章 FC分室石膏煅烧过程优化控制的工程实现

6．1 石膏煅烧生产线DCS系统

6．1．1 DCS系统简介

6．2．2 石膏煅烧生产线DCS系统整体结构

6．2．3 煅烧系统生产线DCS系统硬件配置

6．2．4 石膏煅烧生产线DCS下位机程序设计

6．2．5 石膏煅烧生产线DCS上位机程序设计

6．3 优化控制在工程实现中的相关问题

6．4 优化控制在DCS控制系统中的应用

6．4．1 OPC客户端程序设计

6．4．2 相关程序在Visual Studio 2005中的设计

6．5 优化控制现场应用效果

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 研究展望

参考文献

致谢

附录