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1、Serial No537 January2014 现代矿业 M0DERN MINING 总第537期 2014年1月第1期 回转窑燃烧过程的模糊控制理论研究 肖敏初 (广东省大宝山矿业有限公司) 摘 要 为精确控制回转窑温度，以褐铁矿矿粉回转窑设备为研究对象，在分析模糊控制原理 的基础上，结合温度模糊控制(b3C)和煤粉送风比模糊自寻优控制(FAC)的研究，设计出模糊控 制系统，找到了回转窑最佳的燃烧过程。研究结果表明：回转窑燃烧过程的模糊控制比手动控制节 能10左右，模糊控制能较精确的控制温度，并且合理可行、安全经济、高效环保。 关键词 回转窑燃烧器模糊控制 温度 Study on Fuzz
2、y Control Theory for Combustion Process of Rotary Kiln Xiao Minchu (Guangdong Dabaoshan Mining Co，Ltd) Abstract In order to precisely control the temperature of rotary kiln，limonite ore in rotary kiln e quipment as the object of study，on base of the analysis on the principle of fuzzy control，combine
3、d with study of the fuzzy temperature control(FTC)and research of the coalair ratio fuzzy adaptive control (FAC)，fuzzy control system of rotary kiln is designed，and the best combustion process in rotary kiln is foundThe results showed that the fuzzy control saves about 10energy than manual control o
4、f combus tion process of rotary kiln，which can control the temperature accurately in the whole process，and has the reasonable，feasible，safety，economical，efficient and environmental friendly advantages Keywords Rotary kiln，Combustion equipment，Fuzzy control，temperature 回转窑是建材、冶金行业的重要设备，选矿过程 中，用回转窑对贫铁
5、矿进行磁化焙烧，使矿石原来的 弱磁性改变为强磁性，以利于磁选，而根据不同物料 燃烧温度有所区别。笔者用焙烧低品位褐铁矿粉矿 (尾矿)的 33 m48 m回转窑设备为对象，粗略 分析模糊控制理论应用于回转窑的可行性、适用性、 价值。焙烧目的是脱除部分杂质，综合提高铁粉矿 的铁矿石品质。回转窑用煤燃烧装置采用OCUS四 通道煤粉燃烧器，空气和煤粉按比例混合喷射燃烧， 具有人工微调煤粉或送风出口速度、出口载面积功 能。焙烧主要变量参数有回转窑转速1 minr，原矿 处理量20 th，喷煤量235 th，煤风机流量115 m rain，净风机流量247 m min。焙烧铁粉矿必 须被加热到1 0002
6、0 c【=，但实际操作中由于人工 观察窑温颜色，给矿量、转速、加上每批煤质略有差 距，造成温度上下有波动，直接影响焙烧质量。 肖敏初(1957一)，男，工程师，512128广东省韶关市。 由于在燃烧过程控制中对象特性的非线性、噪 声干扰、不对称的增益特性、较大的纯滞后等因素的 影响，对具有精确数学建模的经典控制和现代控制 来讲，较难适应上述不确定因素的控制。而模糊控 制技术恰恰能适合于数学模型未知或多变环境的过 程，其具有寻求最佳燃烧过程的优势，实现较精确温 度控制，提高热效率和产品合格率，以及节约燃烧的 目的 。 1 回转窑模糊控制原理 11模糊控制原理 模糊控制不需经典控制的传递函数，也不
7、用现 代控制理论所用矩阵表示的状态方程。模糊控制的 核心是用具有模糊性语言条件语句，作为控制规则 去执行控制。模糊控制本质上讲是一种智能控制或 专家控制 J。 模糊控制的核心是模糊控制器，其中模糊控制 量可用公式： ：eoR 121 总第537期 现代矿业 2014年1月第1期 式中：“为一个模糊量，e为误差E的模糊语言集合 的一个子集，R为模糊控制规则，o为合成运算符 (模糊矩阵乘法运算) 。模糊控制原理框图见图 1。 图1模糊控制原理框 12回转窑模糊控制系统 要实现回转窑精确温度控制，首先要寻找最佳 燃烧过程，其控制系统应由二部分组成：温度一燃 煤空气流量调节回路；燃煤空气最佳比例调节
8、回路 J。那么回转窑模糊控制系统图可被设计成 见图2 图2回转窑模糊控制系统 图2中，FrIc为温度模糊控制器，根据温度信 号对煤粉和送风进行调节。FAC为煤粉送风比 模糊控制自寻优控制器，其不断发出试探信号，通过 对煤粉量的测量，搜索最佳煤粉送风比 J。滤 波根据采样定理条件确定：满足采样频率toS 2tomax条件(olnax是原信号f(t)有效频谱中的最 高频率)。如果采样频率太高，干扰对系统的影响 会明显上升。 为调整因子。 2温度模糊控制(FTC) 21 FTC设计原理 考虑到模糊控制器不但要满足技术要求，而且 应结构简单易实现功能，故采用二维模糊控制方式， 设计见图3，其具有可获得
9、较好的上升特性，能改善 控制器的动态品质。 122 图3温度模糊控制器设计 图3中选择比例积分输出结构，具有超调小，暂 态时间短的优点。图中共有4个可调参数即量化因 子K 、 和比例系数K。和积分系数 。考虑到增 大 、 可提高系统对误差及变化的分辨率、控制 精度提高，如 、 太大不利于系统稳定性，从理论 和其他多方面实际经验来讲，应选取 。K。和 K 增大均会加速系统的响应速度，但会产生振荡， 调节时间加长，使系统变得不稳定，故选取K。=(2 3)K 。当 、 取值较大时，应适当减少 、 值，采样周期较长时，应选 K 较大些。e、e为误 差和误差变化 。 22模糊控制量的选定 由于回转窑温度
10、控制在1 000 cI=附近，那控制 器控制也应将温度逐步调节趋向1 000。选取控 制量变化所遵循二个原则是：当误差大或较大时， 选择控制量以尽快消除误差为主；当误差较小时， 选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主 要出发点。有此二原则所选定的模糊控制规则表和 隶属度赋值表如下 。 设温度误差为E，温度误差变化为EC，温度控 制量为U。选取E及U的语言变量的模糊子集均 为： E或U=NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)， 0(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大) EC的模糊子集为：EC=NB，NM，NS，PS， PM，PB 模糊控制规则表见表1。 表1模糊控制规则表 选择
11、E、EC论域均规定为13个等级： 肖敏初：回转窑燃烧过程的模糊控制理论研究 2014年1月第1期 不同EC隶属度对应的u隶属度 E隶属度E属C度E属C度E属C度 E属C度 E属C度 为6 为一5 为一4 为一3 为2 为一1 为0 为1 EC隶 属度 为3 0 O O O EC隶 属度 为4 0 O 0 O EC隶 属度 为5 0 O O O EC隶 属度 为6 0 0 0 O 一6 5 4 3 2 1 3 3 4 一d 一2 3 3 5 5 6 6 3煤粉送风比模糊自寻优控制(FAC) 自寻优由加权因子来调整，但随着加权因子数 目的增加，控制系统的阶跃响应特性随之改善。为 了能对多个加权因子
12、进行寻优，达到一组最佳的参 数，可以采用ITAE积分性能指标确定即： J(ITAE)=JOt f e(t)f dt=rain， (1) J 式中，_，()为误差函数加权之后的积分面的大小， 表示积分， 表示时间，4表示绝对值， 表示误差。 J(1TAE)积分性能指标能综合评价控制系统的动态 和静态性能，如响应快，调节时问短，超调量小及稳 态误差小等。为了用使计算机实现，上述式子简化 成离散形式即： AJ(ITAE)=t l E I A T， (2) 式中， 为采样时间，I E l为常量 式2的性能指标作为目标函数，寻优过程则根 据目标函数逐步减小的原则，不断地校正加权因子 的取值，以获得一组优
13、选的加权因子，从而会得到满 意的控制效果。根据上述原则要求，煤粉送风比模 糊控制规则的自寻优原理系统图可设计成图4方 式 圳 图4自寻优原理系统 图4中量化因子为 、 ，比例系数 从煤 粉送风比值要求进行选定，被控对象所涉及的传递 函数要考虑回转窑转运周期、控制系统采样周期等 参数 J，并选定和计算求得。性能指标根据温度模 糊控制器那样的模糊控制规则。 表和隶属赋值表制定详细标准和数据，在此基 础上进行人工修正，得到最佳自寻优控制表。自寻 优的过程实际上是查表运算过程，所以在设计使用 中要考虑其他更细节的信息 。 4结论 (1)将模糊控制原理运用于回转窑燃烧过程， 避开了燃烧过程中不确定因素的
14、影响，精确地控制 了燃烧过程的温度。 (2)基于焙烧低品位褐铁矿粉矿的西33 m x 48 m回转窑设备的实际情况，设计出由温度模糊控 制器FFC和煤粉送风比模糊控制自寻优控制器 FAC共同构成的模糊控制系统，实现燃烧过程智能 化控制，提高了燃烧效率和产品的合格率。 (3)回转窑的模糊控制系统不但满足技术要 求，而且设计、安装、使用方便，根据国内有关资料显 示，模糊控制比手动控制节能10左右。按目前 煤、电消耗成本19 t，年产成品量18万t计算，每 年可节约成本342万元；使用模糊控制系统具有运 行稳定，没有过多振荡，维护简单；焙烧不易出废品， 同时也减轻劳动强度。 参考文献 1 闵晓超，吕
15、卫阳竖式煤粉燃烧炉的温度模糊控制系统J机 械工程与自动化，2009(4)：149151(下转第129页) 123 0 隶蔓 一 髓 为一 ，0 0 4 4 3 3 O O 6 6 5 5 3 3 0 巩君放廖志强等：絮凝剂在立式砂仓连续充填工艺中的应用 2014年1月第1期 一组烘干后加水配成与第二组浓度相同的砂浆，将 A534阴离子型絮凝剂和尾砂在1 000 mL标准量筒 内充分混合后观察沉降速度，选出较优絮凝剂种类 后进行动态试验，模拟尾砂进入砂仓状态，对比沉降 速度选定最佳型号。 实验步骤：用1 000 mL量筒取1 000 mL尾砂 料浆；分别量取阴离子型PAM试剂10，20，60 m
16、L；将量取的阴离子型PAM试剂倒入盛有l 000 mL尾砂料浆的量筒中，将瓶口封闭，反复倒置若干 次，使试剂与尾砂料浆充分混合；静止量筒，使尾 砂料浆自由沉降，并测量数据。 实验测得不同PAM用量下的沉降速度见表2。 表2沉降实验结果 在全尾砂浓度30情况下，絮凝剂用量对沉降 速度影响较大。通过上述实验得出以下结论，当不 添加絮凝剂时界面沉降速度约l mmmin，随着絮凝 剂用量增加，沉降速度可提高至200 mmmin，但加 药过量时界面沉降速度提高甚微。 综合考虑使用成本、工业应用等因素，初步选定 絮凝剂为阴离子型A534絮凝剂，浓度02，加药 量40 mLL。 2絮凝剂在充填站的工业应用 经过实验及实际应用，总结出了石人沟铁矿絮 凝剂的最佳用量：正常情况下，尾砂浓度30，加药 量5 m。h，待溢流水澄清后可降至25 m h，即可 使保持溢流水达到
