智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置及方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010263290.4 (22)申请日 2020.04.07 (71)申请人 济南大学 地址 250022 山东省济南市南辛庄西路336 号 (72)发明人 张强袁铸钢刘津良王孝红 孟庆金景绍洪于宏亮申涛 王新江邢宝玲高红卫崔行良 白代雪刘化果任春理 (74)专利代理机构 济南誉丰专利代理事务所 (普通合伙企业) 37240 代理人 周春凤 (51)Int.Cl. G05D 5/03(2006.01) (54)发明名称 智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制 装置及方法 (5。

2、7)摘要 本发明提供一种智能化水泥工厂生料立磨 料层厚度的控制装置及装置， 所述装置包括： 控 制单元， 用于控制喂料量， 得到料层厚度Th； 限幅 单元， 用于接收所述料层厚度Th， 并限制所述喂 料量的范围， 得到料层厚度Thc； 在线观测单元， 用于在线估计料层厚度的估计值及立磨系统伪 偏导数的估计值； 饱和补偿单元， 用于以料层厚 度Th、 料层厚度Thc、 及系统伪偏导数的估计值为 依据， 得到饱和补偿值； 所述控制单元的输入信 息包括： 料层厚度的期望值、 料层厚度实际值与 估计值的偏差、 饱和补偿值、 系统伪偏导数的估 计值以及系统扰动量。 所述方法通过所述装置实 现。 它能够在。

3、保证立磨系统稳定性的前提下， 解 决人工调节难以保证的最优性、 实时性问题。 权利要求书1页 说明书8页 附图3页 CN 111443740 A 2020.07.24 CN 111443740 A 1.一种智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 包括： 控制单元， 用于控制喂料量， 得到料层厚度Th； 限幅单元， 用于接收所述料层厚度Th， 并限制所述喂料量的范围， 得到料层厚度Thc； 在线观测单元， 用于在线估计料层厚度的估计值及立磨系统伪偏导数的估计值； 饱和补偿单元， 用于以料层厚度Th、 料层厚度Thc、 及系统伪偏导数的估计值为依据， 得 到饱和补偿值； 所述控制。

4、单元的输入信息包括： 料层厚度的期望值、 料层厚度实际值与估计值的偏差、 饱和补偿值、 系统伪偏导数的估计值以及系统扰动量。 2.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 所述控制单元包括MFA控制器。 3.根据权利要求1所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 在线观测单元包括PPD观测器。 4.根据权利要求2所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 所述MFA控制器的控制信号为： 5.根据权利要求4所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 所述限幅单元的限幅控制信号为： 6.根据权利要求1。

5、所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 所述PPD观测器满足： L(k+1)1(k)Th(k-nd)+2(k)p(k) 1(k),2(k)为PPD观测器的两个参数， L(k+1)f(L(k),.,L(k-nL),Th(k-nd),.,Th(k-nd-nT),p(k),.,p(k-np)。 7.根据权利要求4所述的智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 其特征在于， 所述饱和补偿值为： 8.一种利用权利要求1-7任一所述装置实现的方法， 其特征在于， 包括步骤： 将料层厚度的实时值与期望值的偏差以及在线观测单元在线估计的系统伪偏导数送 入控制单元， 控制单元的输出即为。

6、喂料量的理想调节值； 所述理想调节值经过限幅单元后给出实际调节值， 作用到喂料阀门上， 调节喂料量； 若 所述限幅单元起作用， 则生成一个饱和补偿送入控制单元； 控制单元根据输入信号调节输出信号， 以实现对智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的 控制。 权利要求书 1/1 页 2 CN 111443740 A 2 智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及智能化水泥工厂生产控制领域， 尤其涉及一种智能化水泥工厂生料立 磨料层厚度的控制装置及方法。 背景技术 0002 生料粉磨是新型干法水泥生产过程中的核心环节之一， 是 “两磨一烧” 中的第一个 “磨” 。 生料粉。

7、磨过程是将经初步破碎、 预均化、 配料后的石灰石、 页岩、 砂岩等混合原料碾磨 成粉末状颗粒， 使其在之后的回转窑熟料烧成环节更加充分地发生化学反应。 立磨是当前 我国水泥生料生产线常用的粉磨核心设备， 集粉磨、 选粉、 烘干于一体， 具有投资费用低、 生 产效率高、 节能环保等特点， 在水泥生料厂的使用比率逐年提升。 0003 立磨料层厚度是指立磨正常运行时混合料在磨盘上的纵向厚度值。 料层厚度一定 程度上反映立磨运行情况。 厚度太大， 物料碾磨不均匀， 效率低下； 厚度太小， 易造成磨辊与 磨盘相互接触磨损， 减少使用寿命， 且易发生磨机振动， 导致停机。 普遍的操作是通过控制 喂料量使料。

8、层厚度稳定在期望范围内， 在保证稳定的前提下尽量提高生产效率。 当前我国 大多数水泥生料厂仍然采用操作员专家经验调节喂料量， 由操作员通过现场采集的数据自 主判断并给出喂料量的调节幅度。 人工操作无法保证专注度和精确性， 难以提高生产效率， 甚至磨机振动停机的情况也时有发生。 0004 当前大多数水泥生料厂在生料粉磨环节采用操作员专家经验调节包括喂料量在 内的可调变量， 通过观察料层厚度的实时检测反馈值， 依据自己多年的现场操作经验判断 此时是否需要调节喂料量， 调节幅度多大， 这种操作方式需要操作员拥有足够的经验， 且时 刻保持高度的专注度。 而随着工业生产智能化趋势的流行， 已有少部分水泥。

9、生料厂采用智 能方法实时调节变量， 其中采用传统PID控制方式的占85以上， 还有一部分引入了模糊控 制、 预测控制等方法。 0005 专家经验调节的控制效果一定程度上取决于操作员的知识储备和专注程度。 不否 认经验十分丰富的操作员能够有效的保证生产设备稳定运行， 产量达到要求。 但人的反应 速度以及判断力无法与计算机相比， 达不到实时性和最优性。 传统的PID控制经过百年发展 与应用， 已经十分成熟， 其缺点也很明显， 即存在参数整定不良、 性能欠佳、 控制范围不广、 对运行工况适应性差等问题， 难以满足人们对控制精度和能效的需求。 发明内容 0006 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的。

10、目的至少在于提供一种智能化水泥工厂 生料立磨料层厚度的控制装置及方法， 它能够在保证立磨系统稳定性的前提下， 解决人工 调节难以保证的最优性、 实时性问题。 0007 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明的一个实施方式提供一种智能化水泥工 厂生料立磨料层厚度的控制装置， 包括： 0008 控制单元， 用于控制喂料量， 得到料层厚度Th； 说明书 1/8 页 3 CN 111443740 A 3 0009 限幅单元， 用于接收所述料层厚度Th， 并限制所述喂料量的范围， 得到料层厚度 Thc； 0010 在线观测单元， 用于在线估计料层厚度的估计值及立磨系统伪偏导数的估计值； 0011 饱和补。

11、偿单元， 用于以料层厚度Th、 料层厚度Thc、 及系统伪偏导数的估计值为依 据， 得到饱和补偿值； 0012 所述控制单元的输入信息包括： 料层厚度的期望值、 料层厚度实际值与估计值的 偏差、 饱和补偿值、 系统伪偏导数的估计值以及系统扰动量。 0013 可选地， 所述控制单元包括MFA控制器。 0014 可选地， 在线观测单元包括PPD观测器。 0015 可选地， 所述MFA控制器的控制信号为： 0016 0017 可选地， 所述限幅单元的限幅控制信号为： 0018 0019 可选地， 所述PPD观测器满足： 0020 L(k+1)1(k)Th(k-nd)+2(k)p(k) 0021 1(。

12、k),2(k)为PPD观测器的两个参数， 0022 L(k+1)f(L(k),.,L(k-nL),Th(k-nd),.,Th(k-nd-nT),p(k),.,p(k-np)。 0023 可选地， 所述饱和补偿值为： 0024 0025 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明的一个实施方式还提供一种利用所述装 置实现的方法， 包括步骤： 0026 将料层厚度的实时值与期望值的偏差以及在线观测单元在线估计的系统伪偏导 数送入控制单元， 控制单元的输出即为喂料量的理想调节值； 0027 所述理想调节值经过限幅单元后给出实际调节值， 作用到喂料阀门上， 调节喂料 量； 若所述限幅单元起作用， 则生成一。

13、个饱和补偿送入控制单元； 0028 控制单元根据输入信号调节输出信号， 以实现对智能化水泥工厂生料立磨料层厚 度的控制。 0029 本发明实施方式提供的上述技术方案， 采用MFA控制器在线调节水泥生料立磨系 统喂料量， 从而使立磨料层厚度无偏差的跟踪期望值， 改善了大多数水泥生料厂人工调节 喂料量带来的料层厚度波动大、 跟踪期望不准确等问题。 自动控制喂料量， 减少了人力物力 消耗， 达到了更优的控制效果， 为水泥厂带来了实际的利益。 同时， MFA控制策略引入了 “伪 偏导数” 的概念， 通过I/O数据将难以获取详细内部机理模型的非线性动态关系在不同时刻 近似为相同的线性表示形式， 伪偏导数。

14、随时间变化。 由于无法获取精确模型， 故精确地伪偏 导数同样无法得到， 只能通过PPD状态观测器在线估计系统伪偏导数， 调节控制器参数， 实 现料层厚度跟踪期望值。 说明书 2/8 页 4 CN 111443740 A 4 附图说明 0030 图1显示为MFA控制原理的结构框图； 0031 图2显示为料层厚度跟踪曲线； 0032 图3显示为扰动变化曲线； 0033 图4显示为PPD参数变化曲线； 0034 图5显示为喂料量变化曲线及饱和补偿作用曲线。 具体实施方式 0035 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式， 熟悉此技术的人士可由本说明 书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

15、。 0036 须知， 本说明书附图中所绘示的结构、 比例、 大小等， 均仅用以配合说明书所揭示 的内容， 以供熟悉此技术的人士了解与阅读， 并非用以限定本发明可实施的限定条件， 故不 具技术上的实质意义， 任何结构的修饰、 比例关系的改变或大小的调整， 在不影响本发明所 能产生的功效及所能达成的目的下， 均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围 内。 同时， 本说明书中所引用的如 “上” 、“下” 、“左” 、“右” 、“中间” 及 “一” 等的用语， 亦仅为便 于叙述的明了， 而非用以限定本发明可实施的范围， 其相对关系的改变或调整， 在无实质变 更技术内容下， 当亦视为本发明可实施的。

16、范畴。 0037 本发明的一个实施方式提供一种智能化水泥工厂生料立磨料层厚度的控制装置， 包括： 0038 控制单元， 用于控制喂料量， 得到料层厚度Th； 0039 限幅单元， 用于接收所述料层厚度Th， 并限制所述喂料量的范围， 得到料层厚度 Thc； 0040 在线观测单元， 用于在线估计料层厚度的估计值及立磨系统伪偏导数的估计值； 0041 饱和补偿单元， 用于以料层厚度Th、 料层厚度Thc、 及系统伪偏导数的估计值为依 据， 得到饱和补偿值； 0042 所述控制单元的输入信息包括： 料层厚度的期望值、 料层厚度实际值与估计值的 偏差、 饱和补偿值、 系统伪偏导数的估计值以及系统扰动。

17、量。 0043 本发明所述技术方案， 将控制策略与限幅、 饱和补偿相结合， 运用到水泥生料立磨 系统中， 通过调节喂料量控制料层厚度， 通过仿真得到了较好的跟踪效果， 且具有一定的抗 干扰能力； 并且依据现场实际情况采用限幅环节对喂料量进行范围限制， 并给控制器加入 一个饱和补偿以解决控制器输出与被控对象输入不等的饱和问题。 0044 如图1所示， L*表示立磨料层厚度的期望值， Th表示控制器输出料层厚度值， Thc表 示经过限幅环节后的料层厚度值， L表示立磨料层厚度的实际值， 表示PPD状态观测器对 立磨料层厚度的估计值，表示立磨料层厚度实际值与估计值的偏差，表示系 统伪偏导数的估计值，。

18、 表示限幅环节起作用后的饱和补偿值， p为系统扰动量。 0045 在某一实施方式中， 所述控制单元包括MFA控制器。 0046 在某一实施方式中， 在线观测单元包括PPD观测器。 0047 本发明所涉具体算法推导和控制器设计过程如下: 说明书 3/8 页 5 CN 111443740 A 5 0048 1、 关于PPD状态观测器的设计 0049 首先， 喂料量是一个限制量， 实际现场中会有一个允许变化区间， 其限幅表示为 ThminThThmax (1) 0050 其中， Thmin,Thmax分别为喂料量的上下限。 0051 将喂料量和料层厚度的关系表示为以下非线性函数 0052 L(k+1。

19、)f(L(k),.,L(k-nL),Th(k-nd),.,Th(k-nd-nT),p(k),.,p(k-np) 0053 (2) 0054假设1.存在且连续。 0055假设2.系统(2)满足L(k+1)C1|Th(k-nd)|， 且对于Th(k-nd)0和p (k)0， 有L(k+1)C2|p(k)|。 其中， L(k+1)L(k+1)-L(k),Th(k)Th(k)-Th(k- 1)且p(k)p(k)-p(k-1)， C1,C2是未知常量。 0056 定理1.在假设一、 假设二成立的前提下， 必存在两个PPD参数1(k),2(k)， 使得 一下等式成立 0057 L(k+1)1(k)Th(k。

20、-nd)+2(k)p(k) (3) 0058 其中， 1(k)C1,2(k)C2， nd是系统的延时。 0059 为了方便， 定义(k)1(k),2(k)T,(k)Th(k-nd),p(k)T， 那么 (2)可以被描述为如下形式 0060 0061 其中， LInitial表示立磨料层厚度的初始值。 于是， PPD观测器结构、 输出误差以及参 数估计方程可以表示为如下形式 0062 0063 0064 0065其中，表示输出估计误差， Kc满足Fc1-Kc， 位于单位圆内。 0066表示PPD参数的估计误差， 增益(k)满足 0067 (k)2(|(k)|2+ )-1 (8) 0068 其中，。

21、 是一个正的常数。 可以看到(k)对任意的k都是正定的。 假设|(k)| ， 那么我们可以得到(k)的约束范围如下 0069 0070 将式(6)代入式(5)， 可得 0071 说明书 4/8 页 6 CN 111443740 A 6 0072 其中， R用过如下等式得到 0073 RI-(k)(k)T(k) 0074 其中， I是一个(22)的单位矩阵。 0075 定理2.通过以上分析， 输出估计误差eoe(k)是全局一致稳定的， PPD参数估计误差 渐进收敛为021。 0076 证明： 设李雅普诺夫函数为如下形式 0077 0078 其中， P-Fc2PQ， ,P,Q是正的常数， 结合式(。

22、8)、 (9)， 可得 0079 0080其中，可得如下不等式 0081 0082 通过以上证明过程和Barbalat引理， 可知定理二是正确的， 即limk eoe(k)0。 0083 2、 关于MFAC控制器设计 0084 整个控制信号生成分为控制器和约束环节两部分。 通过约束环节的控制器输出即 为系统控制量， 即冷风阀开度。 根据观测器的估计式(4)， 可得不带约束的控制器结构为 0085 0086 其中， 是一个小的正常数。 限幅控制信号表示为 0087 0088 其中， T是采样时间。 约束函数Con()定义如下 0089 0090 当约束环节起作用时， 即控制器输出的喂料量超出限制。

23、范围时， 为了让立磨料层 说明书 5/8 页 7 CN 111443740 A 7 厚度实际值跟踪期望值， 有必要给控制器加入一个饱和补偿结构如下 0091 0092 其中， 是一个单位圆内的常数。 所以控制信号变为 0093 0094 稳定性证明 0095 为了证明控制装置的稳定性， 我们需要证明观测器估计输出值与期望值之间的偏 差趋近于0。 定义联合式(12)、 (13)， 我们可以得到如下等式 0096 0097 根据式(11)、 (13)可得， 以下定理成立： 0098 定理3.对于给定的|L*(k)-L*(k-1)|L*， 系统(14)对于任意k最终趋于稳定， 即limk |e(k)。

24、|h。 0099 其中， L*是给定的正常数， hc/(1-b)， 其中 0100 0101 0102 证明： 取式(14)的绝对值得 0103 0104 选取李雅普诺夫函数为Vc(k)|e(k)|， 可得 0105 Vc(k+1)|e(k+1)|-|e(k)|(1-b)Vc(k)+c 0106 综上， 因为0b1且c有界， 联合Barbalat引理以及式(11)、 (13)， 可以证明 limk |e(k)|h。 0107 目标函数设为 0108 J(Th(k)|L*(k+1)-L(k+1)|2+ |Th(k)-Th(k-1)|2 (15) 0109 其中， 为权值， 用来解决控制器输出饱和。

25、问题。 0110 至此， 控制器结构以及参数估计方程均以得出， 以此可得图2所示控制框图。 0111 3、 matlab仿真 说明书 6/8 页 8 CN 111443740 A 8 0112 根据专家经验， 将生料立磨料层厚度的初始值设为L(0)120mm， 喂料量初始值为 Th(0)175t/h， 料层厚度的期望值为 0113 0114 喂料量和料层厚度的近似数学模型为 0115 0116 其中， 1, 2, 3是系统的参数矩阵， g()是sigmoid函数。 0117 喂料量的上下限设为Thmin,Thmax172,182t/h， 控制器里的直接给定参数值为 0.3, 0.15,Kc0.。

26、9, 5， 料层厚度的跟踪曲线以及扰动的变化如图2、 3所示， PPD参 数变化曲线以及饱和补偿作用曲线如图4、 5所示。 0118 由图2、 3可以看出， 由于具有延迟， 料层厚度首先维持初始值不发生变动， 之后较 快跟踪期望值扰动发生变化时， 由于扰动是直接发生在料层厚度处， 故料层厚度值发生突 变， 经一段延时后逐渐跟踪期望值； 在期望值发生变动后， 经一段延时， 料层厚度逐渐跟踪 期望值。 0119 图4是两个PPD参数的变化曲线， 反映了非线性系统在不同时刻的伪偏导数估计 值。 0120 图5显示了在设定限幅下喂料量的变化曲线以及饱和补偿的曲线， 可以看出， 1000 秒时， 由于料。

27、层厚度期望值发生变化， 喂料量突然降低， 低于下限， 限幅环节起作用， 给控制 器给予了饱和补偿。 0121 本发明的一个实施方式还提供一种利用所述装置实现的方法， 包括步骤： 0122 将料层厚度的实时值与期望值的偏差以及在线观测单元在线估计的系统伪偏导 数送入控制单元， 控制单元的输出即为喂料量的理想调节值； 0123 所述理想调节值经过限幅单元后给出实际调节值， 作用到喂料阀门上， 调节喂料 量； 若所述限幅单元起作用， 则生成一个饱和补偿送入控制单元； 0124 控制单元根据输入信号调节输出信号， 以实现对智能化水泥工厂生料立磨料层厚 度的控制。 0125 本发明针对大多数水泥生料厂生。

28、料立磨环节自动化程度低的现状， 设计了一个基 于MFA控制方法的水泥生料立磨MFA限幅控制策略， 通过MFA控制器加一个限幅环节在线调 节立磨系统喂料量， 使立磨料层厚度达到期望值。 首先， 将料层厚度的实时值与期望值的偏 差以及PPD状态观测器在线估计的系统伪偏导数送入MFA控制器， 控制器的输出即为喂料量 的理想调节值； 然后， 理想调节值经过限幅环节判断是否超限并给出实际调节值， 作用到喂 料阀门上， 调节喂料量； 其间， 若限幅环节起作用， 则生成一个饱和补偿送入MFA控制器， 以 解决饱和问题； 最后， 通过matlab仿真发现， 经过一段时间的调节， 料层厚度能够稳定无偏 地跟踪期。

29、望值， 并在扰动发生突变时可以短时间回归稳定期望。 所提控制策略在一定程度 上提升了水泥厂自动化程度， 减轻了操作员压力， 提高了生产效率。 0126 本发明所述技术方案的有益效果有： 0127 (1)本发明采用MFA控制器在线调节水泥生料立磨系统喂料量， 从而使立磨料层厚 说明书 7/8 页 9 CN 111443740 A 9 度无偏差的跟踪期望值， 改善了大多数水泥生料厂人工调节喂料量带来的料层厚度波动 大、 跟踪期望不准确等问题。 自动控制喂料量， 减少了人力物力消耗， 达到了更优的控制效 果， 为水泥厂带来了实际的利益。 0128 (2)本发明采用基于在线数据的MFA控制方法， 仅通。

30、过被控对象的实时I/O数据即 可实现控制， 无需知道详细的内部机理模型， 既减少了对非线性系统建模的精力损耗， 又避 免了由不精确的过程知识带来的建模不准、 控制效果不佳的情况。 0129 (3)MFA控制策略引入了 “伪偏导数” 的概念， 通过I/O数据将难以获取详细内部机 理模型的非线性动态关系在不同时刻近似为相同的线性表示形式， 伪偏导数随时间变化。 由于无法获取精确模型， 故精确地伪偏导数同样无法得到， 只能通过PPD状态观测器在线估 计系统伪偏导数， 调节控制器参数， 实现料层厚度跟踪期望值。 0130 (4)本发明在控制器输出后设计了一个限幅环节， 通过定义简单的规则推理函数 实现。

31、。 控制器的输出并不会考虑实际， 故可能会出现某一时刻输出的喂料量值无法在实际 生产中达到的情况， 基于特定生料厂生产实际设计的限幅环节就起到约束控制器输出的 “滤波” 作用。 将MFA控制策略与限幅环节、 饱和补偿相结合， 运用到水泥生料立磨系统中， 通 过调节喂料量控制料层厚度， 通过仿真得到了较好的跟踪效果， 且具有一定的抗干扰能力。 0131 (5)依据现场实际情况采用限幅环节对喂料量进行范围限制， 并给控制器加入一 个饱和补偿以解决控制器输出与被控对象输入不等的饱和问题； 针对限幅环节起作用后出 现的被控对象输入不等于控制器输出(uu)的 “饱和现象” ， 本发明设计了一个饱和补偿 。

32、环节， 将u-u的值线性反馈补偿到MFA控制器中， 使系统尽快退出饱和区域。 0132 (6)考虑实际生产中扰动一直存在， 本发明将扰动量分阶段设为了恒定值， 依据时 间段变化， 通过matlab仿真验证所提控制策略的抗干扰能力。 0133 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。 任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修饰或改变。 因 此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说明书 8/8 页 10 CN 111443740 A 10 图1 图2 说明书附图 1/3 页 11 CN 111443740 A 11 图3 图4 说明书附图 2/3 页 12 CN 111443740 A 12 图5 说明书附图 3/3 页 13 CN 111443740 A 13 。