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1、27毕业设计（全日制本科生）课题名称水泥窑的自适应PID控制系统课题类别设计 论文 专业、班级自动化4班学生学号指导教师摘要 随着我国水泥工业的发展，新型干法水泥生产已得到广泛应用。而水泥回转窑烧成系统是新型干法水泥生产线上重要的工艺环节，它的运行状况直接影响到水泥生产的产量、质量、能耗和环境污染程度。水泥回转窑是在高温环境下反应的设备，其内部有十分复杂的物理化学反应，而且随温度的变化在内部存在:固体、气体和液体三种状态，是一个非线性、多变量、大滞后的复杂工业系统。对回转窑温度的控制是影响水泥熟料质量的关键因素。 本文的主要工作是分析课题的研究背景和意义，介绍了水泥回转窑系统在国内外的发展现状
2、，详细介绍了水泥工业的发展和水泥生产的过程，阐述了新型干法水泥生产的工艺要求、生产流程以及系统主要部分运转原理以及水泥窑系统控制方法。然后介绍了硬件系统是设计思路与方法。分析PID算法原理，阐述了PID参数的整定方法，然后结合系统要求进行自适应PID算法设计，并且与传统PID控制方法进行比较分析。总结了水泥窑温度自适应PID控制系统的特点，并对水泥工业的发展进行了展望。关键词：水泥窑；自适应PID控制；Abstract With the development of the Chinese cement manufacturing, the new kind cement rotary kil
3、n has been widely used. The Rotary kiln decomposition is the most important craft tache in the cement production line, and its running status affects the output, quality, energy consumption and environment pollution. Cement rotary kiln is under the environment of high temperature reaction device, th
4、e interior has very complex physical and chemical reaction and changes with the temperature in the internal exist: three kinds of solid, liquid and gaseous states is a nonlinear, multi variable, large time-delay complex industrial systems.The temperature control of rotary kiln is the key factor for
5、cement clinker quality. The main work of this paper is analysis the research background and the significance of the topic, introduces the development status of cement rotary kiln system at home and abroad, the development of cement industry and cement production process are introduced in detail, and
6、 describes the new dry process cement production process requirements, production process and the main part of the system operating principle and cement kiln system control method.Then, the hardware system is the design method and method.The principle of PID algorithm is analyzed, and the tuning met
7、hod of PID parameters is described, and then the adaptive PID algorithm is designed, and compared with the traditional PID control method.The characteristics of temperature adaptive PID control system for cement kiln is summarized, and the development of cement industry is prospected.Key Words:The R
8、otary kiln decomposition ,adaptation,PID目录摘要2Abstract3目录4第一章 绪论61.1课题背景及意义61.2国内外研究现状81.3本文主要工作9第二章 水泥回转窑生产工艺及控制方法92.1水泥工业概述 9 2.1.1水泥工业发展概况9 2.1.2水泥生产工艺概述 10 2.2水泥回转窑工艺11 2.2.1生产流程简介11 2.2.2主要工艺参数11 2.2.3系统主要部分控制原理112.3水泥回转窑控制方法12第三章 水泥窑控制系统的硬件设计133.1设备的选择13 3.1.1PLC的选型13 3.1.2温度传感器的选择14 3.1.3变频器选择
9、15 3.1.4测速电机选型163.2 硬件系统的设计173.3PLC端子框图19第4章 水泥窑控制系统软件的设计与实现214.1PID算法的设计与实现214.2自适应PID算法设计23 4.2.1自适应PID控制系统23 4.2.2负荷自适应系统的设计24 4.2.3由测速电机输出信号修改比例增益的方法26 4.2.4仪表参数的设定274.3程序的实现28第五章 总结与展望29第一章 绪论1.1课题背景及意义 水泥是国民经济建设的重要基础材料。中国的水泥生产年产量占世界水泥总产量的50%以上，居世界第一位。目前来看,我国的水泥工业规模巨大，但是也存在很多问题，例如，工业结构的不合理，设备与自
10、动化水平比较低，资源利用率低下，同时环境污染比较严重，经济效益低，这种状况严重制约了我国水泥工业的发展。为了适应时代发展的潮流，进一步加快经济建设的步伐，今后我国水泥工业也要不断的进行科技创新，提升工艺水平。到目前为止，国家针对我国水泥工业的状况，不断加强技术的研发与创新，加快调整水泥工业产业结构，淘汰效率低下的产能，建设了5000吨/天、8000吨/天以及10000吨/天等特大型水泥熟料生产线。由此可以看出，设备大型化是中国水泥工业发展的趋势，水泥生产技术的改进与创新是目前重要课题研究方向之一。 从上世纪五十年代至今，水泥生产技术的发展主要经历了以下两个阶段:第一个阶段为上世纪五十年代至七十
11、年代初期，是由传统的湿法或半干法生产向预热窑新型干法生产发展;第二阶段为上世纪七十年代初期至今，由预热窑干法生产向预热分解窑干法生产的方向发展。预热分解窑技术是当今水泥工业的高速发展的重要原因，大大提高了生产规模与生产能力，使水泥生产效率更高、质量更优，生产过程更加清洁与节能，符合环境保护要求。水泥生产的大型化、自动化与科学管理是现代化水泥工业的发展方向。 在水泥生产过程中，水泥产品质量的决定性因素是水泥熟料锻烧环节，这是一个高能源消耗的环节，也是水泥生产过程中节能、降耗的关键环节，其主要生产设备就是回转窑。它是在高温环境下反应的设备，其内部有十分复杂的物理化学反应，而且随温度的变化在内部存在
12、:固体、气体和液体三种状态，是一个非线性、多变量、大滞后的复杂工业系统。对水泥回转窑的建模和仿真研究可以更好的解决燃料和生料与水泥窑温度之间的矛盾关系，用最合理的配比方案实现水泥高效率、高品质、低污染和低消耗的生产，所以利用过程分析的方法对水泥回转窑系统进行建模，并在此基础上与传统方法进行比较研究，对于水泥生产实现高效率、低能耗有着巨大的经济效益和社会意义。温度控制方案是水泥回转窑锻烧系统最重要的环节。影响窑内温度的因素有很多，而且存在检测误差等问题，使有些参数很难被准确检测，而且水泥熟料的锻烧本身就是十分复杂的物理化学反应过程，具有大滞后、大惯性等特点，并且呈现非线性特征，以上因素导致建立精
13、确的数学模型非常困难，但是用传统的控制方法又难以获得很好的控制效果，因此回转窑的计算机自动化控制有一定难度。为实现窑内热力分布最佳，实现回转窑稳定、持续、均衡的运转，严格控制窑内各个工艺环节的温度则是控制的重点与难点。因此，随着控制理论与技术的发展，研究如何改进水泥回转窑窑内温度的控制方案是提高水泥生产效率的重要研究方法。水泥窑生产过程的工艺环节的建模和仿真研究必须从全局出发，不仅需要深入的研究水泥生产整个的完整系统，而且还需要综合的控制理论、网络、计算机以及多媒体技术等多门学科。控制系统的研究与开发给水泥行业的改进与创新提供了丰富的启示，为各个新兴学科以及学科的新成果在水泥行业方面的应用提供
14、了全新的思路。1.2国内外研究现状 水泥回转窑是现代水泥工业生产的重要设备，由于窑的体积庞大，在水泥回转窑的整个生产过程中，窑内的温度状态会发生很大变化，其整个过程是是一个具有大惯性、纯滞后、非线性等特点的复杂的物理化学反应过程，并且影响温度的参数复杂多变，难以得到比较精确的数学模型。如果采用传统的控制方法，难以取得满意的效果。目前，我国对回转窑结构、用材以及理论研究比较重视，但是自动化控制技术水平依然较为落后。我国虽然自上世纪八十年代以来水泥生产总量以是世界第一，但是水泥的品质较差、生产环节的效率低下、环境污染严重以及水泥生产能源消耗高等问题是制约我国水泥工业发展的关键。水泥行业消耗的煤炭量
15、占全国总消费量的48%，而在水泥生产过程中煤耗与电耗的成本占比为68%(其中煤耗占38%， 电耗约占30%)。在煤炭、石灰等水泥生产原料价格的上涨和国家节能减排政策推动下，对水泥产品生产企业而言，如何处理好生产过程的节能减排以及提高设备生产效率与降低生产成本之间的关系己经成为企业发展的重要问题，有助于提升企业的竞争力，具有现实的经济效益与社会价值。 水泥回转窑控制方法经历了三个阶段，包括上世纪三四十年代单个参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表控制以及综合参数仪表控制和六十年代兴起的计算机过程。目前，我国小企业工业窑炉的设备水平一般相对落后，很多中小型窑炉的控制技术水平还停留在简单仪表操作的水平。 自上世纪六十年代开始，人们开始关注水泥回转窑的温度控制问题，同时专家们做了大量研究。关于水泥回转窑的温度控制方法，总结起来主要有三种方法，一种是传统的人工判定方法，即依靠工人的观察以及长期的生产经验来进行人工控制，这种控制方法
