石灰窑煅烧石灰石温度优化控制研究

石灰窑煅烧石灰石温度优化控制研究

辛文雄

青海盐湖镁业有限公司、青海省格尔木市、816000

摘要：一种重要的工业原料是石灰，在石灰窑中煅烧而来。非线性、纯滞后大、耦合严重等特点是石灰窑温度控制系统，会影响石灰的活性，从而影响石灰石煅烧温度的稳定性。满意的控制效果在常规PID控制算法鲁棒性中很难获得。所以，石灰石煅烧温度使用一种模糊免疫自适应PID史密斯预测控制方法来控制。在史密斯控制理论和模糊控制理论的基础上，将二者结合起来，在Matlab的Simulink平台上进行了仿真，并建立了控制模型。仿真结果表明，模糊免疫自适应PID-Smith控制方法超调量小，能使石灰煅烧温度快速稳定。

关键词：石灰窑；煅烧石灰石；温度优化控制

一种非常重要的无机粉末填料是活性纳米碳酸钙，由于其无毒、价格低、易得、白度高，被广泛用作很多行业的添加剂和填料，例如建材、塑料、油墨、日化工业、橡胶、涂料、医药等。活性石灰是生产纳米碳酸钙的重要原料，主要通过窑内煅烧获得。其质量的主要指标是石灰的活性，产品活性与煅烧温度、外部温度和燃料热值、石灰石分解速度、石灰石块度密切相关，其中煅烧温度是最重要的因素，必须控制在适当的范围内。

一、石灰窑温度控制器的设计

石灰生产的关键工序是石灰烧结，石灰生产中的关键设备是石灰窑。产品的最终质量在石灰烧结炉的温度控制中，起着决定性的作用。石灰烧结加热过程具有大滞后、非线性、大惯性等复杂特性，生产优质石灰产品的要求已经不能在传统的PID控制方法中满足。静态控制效果不太理想，模糊控制的积分效果较差，烧结过程的温度控制精度要求较高。如果将PID与模糊控制相结合，可以取得良好的控制效果。

二、石灰窑煅烧石灰石温度系统工作原理

在高温下煅烧以碳酸钙为主要成分的石灰石是石灰窑的作用，主要成份的高活性石灰为生产以氧化钙，活性是石灰质量的主要指标，煤的燃烧温度是影响石灰活性的主要因素，在窑的煅烧区域煤主要燃烧。在1000℃左右的石灰石温度时，生产质量最好的纳米碳酸钙可用于所生产的石灰的活性，根据操作人员的经验，从节能减排的角度出发，基本稳定进入窑内的通风量和石灰石量。另外，煅烧区的温度增加给煤量可以提高，煤的量对煅烧区的温度影响最大，而减少给煤量则可以减少煅烧区温度。

三、模糊免疫自适应PID-Smith控制器

一个非常复杂的煅烧过程是石灰窑的生产过程，系统在细节上有很大的延迟，很难建立精确的数学模型，而且普通控制效果差。为此，一种模糊免疫自适应PID-Smith控制方法被提出，模糊免疫自适应可以提高系统的稳定性和鲁棒性，不需要精确的数学模型，改善系统的滞后性也可以使用史密斯预测控制。

（一）Smith预估器

许多被控对象在工业生产控制过程中，都具备大纯滞后的优点。因此，一个非常关键的问题的滞后过程控制提高质量是克服大纯滞后的特性。Smith预测控制的原理是：以Gc（s）为单位，在一个简单的回路控制中，最后一个补偿环节并联，以补偿被控对象中的纯延迟环节。史密斯预测器称为该补偿链路，Gm（s）（1-e）为其传递函数,系统控制器的功能为Gc（s），系统的纯延迟时间是t,系统受控对象的传递函数为Gg（s）e，补偿后的闭环传递函数为

=

可以看出，经过Smith预测补偿后，在闭环控制回路之外，出现闭环系统传递函数中的纯滞后项e，控制系统稳定性消除了大时滞的影响。

（二）模糊免疫自适应PID控制器系统原理

机体抵抗生物干扰的防御系统是免疫系统，免疫细胞对体内抗原分子的分化、激活、识别和作用过程，是免疫系统的反应过程，有两种体液免疫和细胞免疫。如图1所示，以体液免疫反应过程为例，由骨髓的B细胞和胸腺的T细胞合成免疫系统的淋巴细胞，当体内抗原侵入体内时，T细胞将进一步分化为增强型T细胞，将携带的信息传递给T细胞，并抑制细胞Ts。其中，Ts会减少B细胞的生产，增加B细胞的产量为Th，然后，Th和Ts细胞减少外来抗原的影响，将被刺激在一起产生一定量的抗体，从而减少游离抗原的数量。当体内有许多游离抗原时，体内就会有许多Th细胞很少，更多的B细胞因此会产生。伴随逐渐消除的体内抗原，会增加Ts细胞数量，然后会减少Th细胞的生成，因此B细胞的数量会逐渐减少。一段时间后，将逐渐达到免疫反馈系统平衡。

四、控制系统仿真

仿真软件选择Matlab/Simulink，1000℃为煅烧带的最佳温度，2000s为仿真时间设置，输出分别由模糊免疫自适应PID、模糊自适应PID、模糊免疫自适应PID-Smith、普通PID进行估计和控制。在100秒时添加扰动，以测试系统的鲁棒性。采用试错法在常规PID中，PID参数不断调试，模糊免疫自适应PID-Smith控制与其他三种控制方法相比，在加入扰动时鲁棒性很高，能迅速达到稳定值，仿真结果为了更直观地观察，如表1所示，绘制了四种控制方法的仿真结果参数。

表1  石灰窑四种控制仿真结果参数

结束语

传统的PID控制并不理想，工业生产中的石灰窑设备具有时变、纯滞后大、非线性等特点。所以，本文提出了史密斯预测控制与模糊免疫自适应PID控制相结合的方案，Mat-lab软件仿真分析表明，该温度控制器具有鲁棒性强、调节时间短、响应速度快、超调量小的特点，实现了石灰窑控制质量的提高，对节能降耗、提高石灰窑的生产收率具有一定的推广价值和现实意义。

参考文献：

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