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引言 現(xiàn)代水泥工業(yè)，以其特有的原料、產(chǎn)品和生產(chǎn)方式，使其與計量控制特別是粉狀物料的計量控制有著密不可分的聯(lián)系。近年來隨著計算機控制技術(shù)和測量技術(shù)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的相互滲透，水泥工業(yè)中粉體物料的計量控制技術(shù)也得到了很大的發(fā)展。目前現(xiàn)代工藝流程設(shè)計的水泥廠中，一個先進的粉體物料控制系統(tǒng)已涵蓋了現(xiàn)代電子稱重計量、現(xiàn)代控制系統(tǒng)工程理論等多學(xué)科理論和交叉知識。 在現(xiàn)代新型干法水泥生產(chǎn)中，回轉(zhuǎn)窯窯尾生料粉輸送計量控制、窯頭和分解爐的煤粉輸送計量控制等一些粉體物料的計量控制，對水泥工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量、質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。因此如何保證粉狀物體在計量控制過程中的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)能力和長短期精度，是目前每個水泥企業(yè)所必須面對和解決的問題。 １、粉體特性、工藝流程與計量控制 由于通過研磨后的粉體物料與它在塊狀或散粒狀態(tài)下的物理特性有著很大的不同，因此了解粉體物料狀態(tài)下的基本物理特性以及了解現(xiàn)代水泥工藝過程對粉體物料倉儲、輸送的形式和特點，是粉體物料計量控制的一個重要的基礎(chǔ)。 經(jīng)過研磨的粉狀物料在物料的流動性和自然堆積角這兩個方面，明顯的與塊狀或散粒狀物料不同。在水泥生產(chǎn)中使用的大多數(shù)粉狀物料的流動性受到水分和氣壓的影響最為強烈。通常物料水分增加使得粉體物料的流動性變差，表現(xiàn)在物料趨于粘聚并有較大的附著性，水分越大其附著性越強，流動性越差；而干燥或伴有氣流的粉狀物料的流動性極強，表現(xiàn)為物料趨于自溢（自流性），含氣量越大，其流動性越強。 水泥工業(yè)中粉體物料的過程倉儲作為整個工藝流程的一個過渡環(huán)節(jié)，對粉體物料的計量控制往往直接串級在這個過渡環(huán)節(jié)之后。因此不僅從計量控制上而且從工藝流程的要求上，都要求保證過程倉內(nèi)粉體物料的能夠順利卸料。過程倉內(nèi)粉體物料的流動性指標(biāo)是物料能否流經(jīng)過渡倉順利卸料的一個重要參數(shù)。通常經(jīng)過干燥的煤粉或粉煤灰基本不具有附著性，一個設(shè)計合理的過程卸料倉，間或輔以少量的倉側(cè)充氣進行“破拱”，一般倉內(nèi)料拱無法形成，物料在倉內(nèi)的流動通常表現(xiàn)為整體流（倉內(nèi)物料整體流動），這類物料的卸料可以由物料的重力通過倉底自然卸料。然而經(jīng)過研磨后的生料粉體，在常態(tài)下帶由一定的附著性，加之生料倉儲庫容較大，表現(xiàn)為過程倉儲時間較長，也就是實壓時間常數(shù)較大，一般來說其流動性能較差，對于這類流動性較差的粉體物料的卸料，在實際中經(jīng)常采用庫側(cè)充氣破拱和庫底充氣助卸結(jié)合的方式，來保證倉內(nèi)物料的順利卸料。 由于粉體物料卸料方式的不同，造成了實際粉體物料在出倉時的流動性的巨大差異，也就是計量控制設(shè)備在受料時物料的流動性差異。對于需要充氣助卸然的粉體物料，充氣量的大小和氣流的速度對粉體物料的流動性影響都是非常之大的。在一些氣源變化頻繁的場合，有些傳統(tǒng)的粉體計量控制設(shè)備通常會產(chǎn)生波動，嚴(yán)重時會出現(xiàn)振蕩以至于無法工作。 因此從系統(tǒng)的角度去對待粉體物料的計量控制是現(xiàn)代粉體計量控制的一個很重要的特點。 ２、粉狀物料計量控制的發(fā)展和應(yīng)用 傳統(tǒng)的帶有時滯特性的采用調(diào)速螺旋絞刀（或調(diào)速分格輪或電動調(diào)節(jié)閥）加上固體流量計組成的簡單單回路調(diào)節(jié)的粉體計量控制系統(tǒng)在我國的水泥工業(yè)中有許多。其主要的計量控制方法是根據(jù)流量計（沖板、滑槽或沖板加滑槽方式）檢測出粉體物料的瞬時（或平均）流量，同時將測量出流量值與設(shè)定值比較，其偏差通過PID或其變種算法來調(diào)節(jié)螺旋絞刀的轉(zhuǎn)速，使物料的流量與設(shè)定值保持一致。 從控制的角度上看，通常此類調(diào)節(jié)裝置的穩(wěn)料性能一般較差，往往導(dǎo)致調(diào)節(jié)時的非線性；對于流態(tài)化較強的粉體物料甚至可能出現(xiàn)調(diào)節(jié)失控現(xiàn)象。另外對于這樣一種具有時間滯后的追蹤控制系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)裝置與計量裝置的分離，造成流量計測量出的偏差在調(diào)節(jié)時物理上的時滯，并且如果物料流動性由于外部因素的干擾而產(chǎn)生變化時，其滯后時間往往亦將發(fā)生變化（尤其對電動流量閥與流量計組成的系統(tǒng)），使得系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時除了考慮調(diào)節(jié)裝置非線性，還將考慮它的時變性。誠然這一切可以通過經(jīng)常性的人為改變其工況和過程調(diào)節(jié)參數(shù)得以修正，但明顯的作為現(xiàn)代工業(yè)計量控制系統(tǒng)它有著明顯的缺陷。 由于以上出現(xiàn)的調(diào)節(jié)裝置的非線性和計量與控制的分離而產(chǎn)生時滯這兩個問題，為了解決粉體物料的計量控制，人們開始從兩個方面開始著手研究，其一是改進調(diào)節(jié)裝置使其能在各種工況下保證粉體物料在調(diào)節(jié)方面的線性化或準(zhǔn)線性化。其二是將計量裝置與調(diào)節(jié)控制裝置合二為一或保證在輸出“點”的合二為一。 目前具有代表性的兩大改進之一是采用密封式分隔轉(zhuǎn)子的粉體物料線性調(diào)節(jié)裝置。其基本原理是利用密封的水平分隔轉(zhuǎn)子抑制粉狀物體的自流動，粉體物料的運動完全由這個密封的分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定，通過調(diào)整分隔轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速來決定喂料量的大小。由此可以看出在保證物料容重（比重）一定時，喂料量與這個轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。盡管在此類喂料機的形式和結(jié)構(gòu)上一些生產(chǎn)廠家稍有差別，但究其根本還是力圖使粉體物料在調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)線性化；改進之二是采用預(yù)給料的粗調(diào)環(huán)節(jié)，串級一個定量計量的精調(diào)環(huán)節(jié)，將計量與控制在輸出時合二為一的雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于采用的預(yù)給料僅作為定性的粗調(diào)環(huán)節(jié)，因此對預(yù)給料機的要求就比較寬松，它可以是調(diào)速螺旋絞刀亦可以是電動流量閥，當(dāng)粉體計量控制系統(tǒng)的精度指標(biāo)和快速響應(yīng)等指標(biāo)要求更加嚴(yán)格時它還可以采用前述的線性化轉(zhuǎn)子喂料機。 由于針對粉體物料計量控制的這兩個改進在實際應(yīng)用獲得了成功，因此目前亦由此針對水泥工業(yè)不同的場合而演變出眾多組合的粉狀物料計量控制系統(tǒng)。 ３、測量技術(shù)的發(fā)展與粉體物料的計量控制 計量控制的一個重要任務(wù)就是在單位時間內(nèi)對物料質(zhì)量進行測量。一個實用而準(zhǔn)確的測量模型不僅是粉體物料計量控制的基礎(chǔ)，也是所有與測量有關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而眾所周知，質(zhì)量是一個特征量，它無法直接測量，以往對質(zhì)量的測量往往是通過物體在重力場下的重力測量而間接求得的。 目前我們所使用的絕大部分的計量設(shè)備（衡器）的測量模型多建立于杠桿原理或彈性原理。然而無論是由杠桿還是由彈性原理建立的模型，其平衡方程都是建立在靜力平衡的基礎(chǔ)之上。在實際工業(yè)生產(chǎn)中，我們遇到的大多數(shù)的過程計量都在物料運動過程中實現(xiàn)的，對此通常我們只能通過其他手段來降低運動過程對靜力平衡的影響或者用定性方法給予一定的補償。采用這種以靜代動的測量方法雖然可以解決大多工業(yè)過程計量問題，但從根本上說它無法解決動摩擦、本機諧振及其它振動問題對于測量的影響，因此嚴(yán)格意義上說就是沒有從根本上解決動態(tài)測量的問題。 近年來國外的一些學(xué)者為從根本上解決動態(tài)測量這一問題，開展了大量的研究工作。其基本思想就是解決用工程動力學(xué)來代替工程靜力學(xué)建立測量模型。因為動是絕對的，靜只是動的一個特例。根據(jù)牛頓第二定律F=ma如果能夠測得力F和加速度a，即可求得物體的質(zhì)量m的大小，這是一個不受被測物體是靜態(tài)還是動態(tài)而且是一個不受重力場g大小影響的質(zhì)量測量方法，這種測量方法被稱為動態(tài)質(zhì)量測量方法。盡管動態(tài)質(zhì)量測量目前尚處于研究階段，但其測量理論已然確立，隨著研究的深入和發(fā)展，未來的動態(tài)測量衡器必將會給稱重測量帶來一場革命。 ４、控制理論的發(fā)展與粉體物料的計量控制 PID回路控制著大部分工業(yè)裝置的自動化過程，水泥工業(yè)也是如此。PID（比例-積分-微分）控制作為最早的實用化的控制方法已有50年的歷史，由于其控制方法簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型而成為工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。但是并不是所有的工業(yè)過程都可以用PID回路來控制。對于多變量、非線性、大滯后、強耦合、時變等復(fù)雜過程都需要或者說更適合采用其它更為先進的控制技術(shù)。大多數(shù)粉體計量控制都在不同程度上表現(xiàn)出非線性、滯后、時變等特性，對一些特定的系統(tǒng)如前述的粗精串級雙回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還會出現(xiàn)粗精回路之間的耦合特性。因此對于粉體物料的計量控制僅采用常規(guī)的PID回路控制已不能滿足現(xiàn)代水泥工業(yè)的要求。除了對傳統(tǒng)的計量控制設(shè)備進行改進外，研究和應(yīng)用先進的控制技術(shù)也是粉體物料計量控制的一項迫切的任務(wù)。自適應(yīng)控制、魯棒控制、預(yù)測控制、智能控制等都是為解決以上復(fù)雜或特定過程而發(fā)展起來的一些控制方法。 自適應(yīng)控制可以看作是一個能夠根據(jù)過程特性的變化自動調(diào)整自身特性或參數(shù)的反饋控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制的形式較多，最常見有基于參數(shù)的自適應(yīng)控制與基于模型的自適應(yīng)。所謂基于參數(shù)的自適應(yīng)就是系統(tǒng)根據(jù)不同的過程特性調(diào)整適合自己當(dāng)前工作狀態(tài)的PID參數(shù)。而基于模型的自適應(yīng)控制提供了更為精確的控制算法。其控制決策建立在對過程的經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜕?，把輸入輸出的關(guān)系量化為一個微分方程。在連續(xù)控制過程的同時，它可以根據(jù)新的輸入輸出的數(shù)據(jù)優(yōu)化和提煉模型。一個較好的經(jīng)驗?zāi)Ｐ湍軌虍a(chǎn)生滿意的控制效果。需要注意的是過程模型的建立需要有相當(dāng)?shù)膶嵺`經(jīng)驗，一個與實際過程相差較大時會導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩嚴(yán)重時會失控。 魯棒控制是一個著重控制算法可靠性研究的設(shè)計方法。魯棒控制適用于以穩(wěn)定性和可靠性為首要目標(biāo)的系統(tǒng)，一般要求對動態(tài)過程已知且不確定因素的變化范圍可以預(yù)估。 預(yù)測控制是一種根據(jù)預(yù)測的過程模型的控制算法，它根據(jù)過程的歷史信息判斷將來的輸入和輸出。它注重的是模型函數(shù)對于如狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)、階躍響應(yīng)等都可作為預(yù)測模型。預(yù)測控制是一種最優(yōu)控制算法。它根據(jù)性能函數(shù)計算將來的控制動作。預(yù)測控制是一種反饋控制的算法。預(yù)測控制可以補償控制誤差和在線校正系統(tǒng)模型參數(shù)。 智能控制是現(xiàn)代控制技術(shù)的一個主要研究方向。目前在過程控制領(lǐng)域中最為常見的當(dāng)屬模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 模糊控制是基于模糊數(shù)學(xué)理論的一種控制方法。它能夠?qū)σ恍o法建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜過程進行有效的控制。模糊控制主要包括模糊化處理、模糊推理和精確控制三個環(huán)節(jié)。通常過程控制的模糊化處理就是把誤差及其變化率等輸入變量映射到一個響應(yīng)論域，把這些連續(xù)的精確量離散化為適當(dāng)?shù)哪：险Z言。模糊推理就是根據(jù)一定的規(guī)則推理出模糊量。精確控制就是將模糊推理出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量輸出控制，其轉(zhuǎn)化方法有很多，如最大隸屬度法、中心法、面積平均法等。模糊控制還可和其它控制方法結(jié)合組成復(fù)合控制，如模糊自適應(yīng)控制、專家模糊控制、神經(jīng)模糊控制等。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是模擬人腦控制的一種方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是以神經(jīng)元的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的控制模型。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于其特有的高度并行分布處理能力、非線性映射能力、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力等特點，目前在工業(yè)過程控制中被認(rèn)為是對有關(guān)多邊量、非線性、滯后和時變等復(fù)雜系統(tǒng)的最有效控制方法。 ５、結(jié)束語 隨著水泥工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對生產(chǎn)中粉體物料的計量控制的要求越來越高。如何系統(tǒng)地解決粉體物料的計量和控制問題，以滿足現(xiàn)代水泥生產(chǎn)的要求顯得尤為迫切。 |
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