用于控制立磨矿粉粒度的装置及方法与流程

本发明涉及水泥智能控制领域，尤其涉及一种用于控制立磨矿粉粒度的装置及方法。

背景技术：

水泥是我国基础建设和国民经济发展最基本、最重要的原材料，生活中建造楼房、铺设道路都需要水泥。矿粉作为水泥的掺合料，具有改水泥各种性能的优点，如水泥强度、耐久性、和易性等。矿粉具备适宜的比表面积是基本要求，不同比表面积的矿粉，活性指数是不同的。目前，国内矿渣微粉粉磨生产线达到400余条，产能达2.3亿吨，然而矿渣微粉粉磨高产量的同时，矿渣粉磨的生产技术水平、质量也需要受到关注。上世纪80年代，由于dcs(集散控制系统)的引进我国水泥行业自动控制技术发展迅速，21世纪以来自动化水平进一步提高，目前国内大多数矿粉厂仍然保持操作员手动调节选粉机转速、主排风机转速去控制矿粉生产，这样既花费大量的人力资源，也无法实现及时准确的生产控制，效率较低。所以把智能控制方法应用到矿粉生产中，提高矿粉生产的自动化水平迫在眉睫。由于矿粉生产过程复杂多变，具有大时滞、非线性、时变等特点，难以建立被控对象的精确数学模型，模型精度低也会使控制器难以设计实现。近年来对矿粉生产过程自动控制方法的研究也有很多，如模糊控制、pid控制等。传统控制方法缺乏对模型参数变化的适应能力，往往难以达到理想的控制效果。

在矿粉的立磨粉磨系统中，选粉机和主排风机是关键的重要设备，选粉机转速决定着出磨入库矿粉的细度。来自矿渣库的矿渣进入中间缓冲料仓，料仓下设有定量给料秤，矿渣经过计量由皮带输送机送入立磨进行粉磨。喂入立磨中的物料会在磨盘上形成稳定的料层，在研磨压力的不断作用下被粉碎。通入立磨的热风将粉磨后的物料送入安装于立磨上部的高效选粉机，通过选粉机的作用将物料分选成细粉和粗粉，粗粉重新掉入磨盘中，较细的颗粒随同载流气体离开选粉机被外部选粉收尘器收下，通过斜槽、提升机被送入成品系统。矿粉粒度分布影响着矿粉比表面积，比表面积要求控制在420㎡/kg，为了保证立磨粉磨系统矿粉质量，对于矿粉粒度的控制至关重要。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的至少在于提供一种用于控制立磨矿粉粒度的的装置及方法，它较之传统pid控制器灵活多变，对矿粉生产的复杂工业过程控制具备理想的控制效果，及时准确的对矿粉生产进行控制，并能节省人力的损耗，为矿粉厂带来实际的经济效益增长。

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用于控制立磨矿粉粒度的的装置，包括：

控制误差采集单元，配置用于获取立磨矿粉粒度的控制误差；

第一控制器及第二控制器，所述第一控制器及第二控制器分别用于调节选粉机转速，当所述误差符合第一设定条件时，利用所述第一控制器调节选粉机转速，当所述误差符合第二设定条件时，利用所述第二控制器调节选粉机转速；

立磨粉磨单元，配置用于接收到选粉机输出的矿粉并进行立磨及粉磨，以得到矿粉成品；

在线粒度分析单元，配置用于对矿粉成品进行在线粒度分析，并将分析结果传递给控制误差采集单元。

可选地，所述第一控制器为bang-bang控制器。

可选地，所述第二控制器为专家pid控制器。

可选地，所述专家pid控制器包括：

知识获取单元，用于获取立磨矿粉粒度相关历史数据；

知识库单元，用于存储所述知识获取单元获取到的数据；

推理机，用于根据所述知识库中的数据进行参数调节值的计算；

pid控制器，用于接收所述推理机的计算结果并以该结果为依据进行参数调节。

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用于控制立磨矿粉粒度的方法，包括步骤：

获取立磨矿粉粒度的控制误差；

当所述误差符合第一设定条件时，利用第一控制器调节选粉机转速；

当所述误差符合第二设定条件时，利用第二控制器调节选粉机转速；

重复上述步骤，直至立磨矿粉粒度满足设定的目标条件。

可选地，所述第一设定条件为：控制误差大于误差设定值的最大值。

可选地，所述第二设定条件为：控制误差小于误差设定值的最小值，或控制误差大于等于误差设定值的最小值且小于等于误差设置值的最大值。

可选地，其特征在于，利用所述第一控制器调节选粉机转速的步骤包括：

利用第一控制器调节选粉机转速，使选粉机转速的变化量达到最大。

可选地，利用所述第二控制器调节选粉机转速的步骤包括：

获取误差设置值的中间值；

当e(k)*δe(k)＞0或者δe(k)＝0，且|e(k)|＞mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1{kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}；

当e(k)*δe(k)＞0或者δe(k)＝0，且|e(k)|≤mmid，则控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＜0，且|e(k)|＞mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1kpe(k)；

当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＜0，且|e(k)|≤mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k2kpe(k)；

当|e(k)|＜mmin，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)。

本发明实施方式提供的上述技术方案，采用bang-bang控制器和专家pid控制器实现对小于45μm矿粉粒度含量的控制，根据专家经验制定专家规则整定控制器所需参数，通过仿真验证和现场实践证明了该复合控制方法的有效性。较之传统pid控制器灵活多变，对矿粉生产的复杂工业过程控制具备理想的控制效果，及时准确的对矿粉生产进行控制，并能节省人力的损耗，为矿粉厂带来实际的经济效益增长。

附图说明

图1显示为立磨粉磨工艺简图；

图2显示为控制框图；

图3显示为专家pid的控制框图；

图4显示为专家pid控制器和pid控制器矿粉粒度跟踪效果对比图；

图5显示为bang-bang控制器与专家pid控制器作用下粒度波动曲线；

图6显示为操作员手动调整作用下粒度波动曲线；

具体实施方式

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。

立磨粉磨工艺简图如图1所示。对立磨粉磨工艺流程作简要介绍如下：来自矿渣库的矿渣进入中间缓冲料仓，料仓下设有定量给料秤，矿渣经过计量由皮带输送机送入立磨进行粉磨。喂入立磨中的物料会在磨盘上形成稳定的料层，在研磨压力的不断作用下被粉碎。通入立磨的热风将粉磨后的物料送入安装于立磨上部的高效选粉机，通过选粉机的作用将物料分选成细粉和粗粉，粗粉重新掉入磨盘中，较细的颗粒随同载流气体离开选粉机被外部选粉收尘器收下，通过斜槽、提升机被送入成品系统，在线粒度分析仪安装在入库斜槽处，检测入库矿粉的粒度分布，例如小于3μm、3～32μm、小于45μm、大于80μm等颗粒的含量。通过以太网传输到中控室计算机，操作员便可通过粒度分布情况及粒度曲线的变化调整选粉机转速。矿粉粒度分布的情况直接影响矿粉质量，把矿粉的粒度分布控制在更合理的范围内，使矿粉的质量、活性指数等指标更稳定。

小于45μm矿粉粒度含量受选粉机转速、主排风机转速等因素影响，而选粉机转速的影响是最直观和主要的，在一定程度上可以忽略其他因素的影响。

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用于控制立磨矿粉粒度的的装置，包括：

控制误差采集单元，配置用于获取立磨矿粉粒度的控制误差；

第一控制器及第二控制器，所述第一控制器及第二控制器分别用于调节选粉机转速，当所述误差符合第一设定条件时，利用所述第一控制器调节选粉机转速，当所述误差符合第二设定条件时，利用所述第二控制器调节选粉机转速；

立磨粉磨单元，配置用于接收到选粉机输出的矿粉并进行立磨及粉磨，以得到矿粉成品；

在线粒度分析单元，配置用于对矿粉成品进行在线粒度分析，并将分析结果传递给控制误差采集单元。

在某一实施方式中，所述第一控制器为bang-bang控制器。

在某一实施方式中，所述第二控制器为专家pid控制器。

在某一实施方式中，所述专家pid控制器包括：

知识获取单元，用于获取立磨矿粉粒度相关历史数据；

知识库单元，用于存储所述知识获取单元获取到的数据；

推理机，用于根据所述知识库中的数据进行参数调节值的计算；

pid控制器，用于接收所述推理机的计算结果并以该结果为依据进行参数调节。

上述装置所涉具体算法和控制器设计过程如下:

本发明的控制框图如图2所示。其中，yr(k)表示小于45μm矿粉粒度含量期望给定值，y表示小于45μm矿粉粒度含量实时值(通过在线粒度分析实时检测)，u(k)表示选粉机转速。首先判断误差大小范围，送入bang-bang控制器或专家pid控制器，计算出选粉机转速作用于粒度控制系统使小于45μm矿粉粒度含量能够跟踪期望值。

在矿粉粉磨生产的复杂工业过程中，由于物料不确定性、取样误差等因素，现场在线粒度仪的实时数据波动大不能直接用于控制过程，需要进行滤波处理，因此采用均值滤波方法对采集数据进行去噪处理。

均值滤波具有如下形式：

其中，y(k)表示k-n+1时刻到k时刻小于45μm矿粉粒度含量平均值，n表示要均值滤波的个数。同理y(k-1)表示k-2n+1时刻到k-n时刻小于45μm矿粉粒度含量平均值，y(k-2)表示k-3n+1时刻到k-2n时刻小于45μm矿粉粒度含量平均值。

接下来是控制器的设计。

首先定义控制误差为

设定偏差的一个极大值，记为mmax；设定偏差较大的中间值，记为mmid；设定偏差的一个极小值，记为mmin。根据以上偏差、偏差增量、偏差极值的设定，可设计bang-bang控制器和专家pid控制器，控制器可分为以下情况设计：

(1)bang-bang控制器

如果|e(k)|＞mmax，表明偏差很大，此时不论偏差变化趋势如何，都应该考虑选择bang-bang控制器使控制量的变化量最大，以达到迅速调整偏差的效果，使|e(k)|以最大的速度减小，同时避免超调，控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±δumax(3)

这种情况下相当于实施开环控制，是一种对偏差出现极限情况的快速响应。

(2)专家pid控制器

pid控制器的结构为增量式，常规pid控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](4)

其中kp,ki,kd为pid控制器比例系数、积分系数、微分系数，在偏差不同的情况下，专家pid的kp,ki,kd参数不同。

令e(k)表示离散化的当前采样时刻的偏差值，e(k-1)、e(k-2)分别表示前一个采样时刻和前两个采样时刻的偏差值，则可以得到两次的偏差增量为：

(2.1)如果mmin≤|e(k)|≤mmax

(2.1.1)当e(k)*δe(k)＞0或者δe(k)＝0时，表明偏差在朝偏差绝对值增大的方向变化，或误差为某一固定值未发生变化。

此时如果|e(k)|＞mmid，表明误差较大，可考虑由控制器实施较强的控制

作用，使误差绝对值迅速朝着减小的方向变化，控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1{kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}(6)

此时如果|e(k)|≤mmid，表明偏差虽然在朝偏差绝对值增大的方向变化，但偏差绝对值本身并不大，可考虑由控制器实施一般的控制作用，扭转误差的变化趋势，使其朝着误差绝对值朝减小的方向变化，控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](7)

(2.1.2)当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＞0或者e(k)＝0时，表明偏差的绝对值朝着减小的方向变化，或者已经达到平衡状态。此时，控制器输出不变。

(2.1.3)当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＜0，偏差处于极值状态。

如果|e(k)|＞mmid，偏差绝对值较大，可考虑由控制器实施较强的控制作用，控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1kpe(k)(8)

如果|e(k)|≤mmid，偏差绝对值较小，可考虑由控制器实施较弱的控制作用，控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±k2kpe(k)(9)

(2.2)如果|e(k)|＜mmin，表明误差的绝对值很小，此时加入积分环节，减小稳态误差。控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)(10)

当偏差小到一定程序后，甚至可以引入死区的概念，是系统稳定下来而不需要去进行调节。

以上各式中，u(k)、u(k-1)分别为控制器第k次、第k-1次输出；mmax、mmid、mmin分别为设定的误差界限。δumax为bang-bang控制器最大定值变化输出；kp,ki,kd为专家pid控制器的初始参数，k1为增益放大系数，k2为抑制系数。至此，控制器设计已完成，(4)为bang-bang控制器输出,(6)-(10)为制定的专家规则下的专家pid控制器输出。

2.3matlab仿真

根据已有的建模结果，小于45μm矿粉粒度含量和选粉机转速的数学模型可以表示为：

其中专家pid控制器初始参数和pid参数选为kp＝0.6，ki＝0.03，kd＝0.01，增益放大系数k1＝2，抑制系数k2＝0.4，mmax＝0.8，mmid＝0.4，mmin＝0.1，δumax＝0.45。仿真结果如图3所示。

图4将专家pid控制下的矿粉粒度跟踪效果和pid控制下的矿粉粒度跟踪效果进行对比，可以清楚的看到专家pid控制器比pid控制器调节速度快，超调量小，具有更优越的性能。

2.4现场实践

接下来结合bang-bang控制器和专家pid控制器控制策略编写控制软件进行现场实践验证，调试出控制器参数。

bang-bang控制器最大增量δumax＝10，专家pid控制器初始参数选为kp＝4，ki＝2，kd＝0.5，增益放大系数k1＝1.5，抑制系数k2＝0.5，mmax＝2.5，mmid＝1.5，mmin＝0.5为误差界限。专家pid控制器比例系数、积分系数、微分系数在专家规则下的值如表1所示：

表1专家pid控制器比例系数、积分系数、微分系数

根据某矿粉厂矿粉质量考核得出经验，当小于45μm矿粉粒度含量控制在88％时，矿粉比表面积合格,故小于45μm矿粉粒度含量目标值设为yr(k)＝88％，应用于矿粉生产现场实际效果如图4、5和表2所示。

表2某矿粉集团手动和自动控制运行报表

图5为自动控制下的粒度波动曲线，图6为手动下的粒度波动曲线。可以清楚的看见，在两种不同方式对选粉机进行调整的情况下，专家pid控制器调整选粉机转速能使粒度曲线波动更小，具有更小的超调量，防止过粉磨而提高产量。

表2为粒度手动和自动控制的运行报表。相比手动控制，自动控制下比表面积合格率和平均台时有所提高，比表面积合格率提高6.25％，平均台时提高3.99t,提高3.005％。自动控制下的矿粉质量更加稳定，产量更高。

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用于控制立磨矿粉粒度的方法，包括步骤：

获取立磨矿粉粒度的控制误差；

当所述误差符合第一设定条件时，利用第一控制器调节选粉机转速；

当所述误差符合第二设定条件时，利用第二控制器调节选粉机转速；

重复上述步骤，直至立磨矿粉粒度满足设定的目标条件。

在某一实施方式中，所述第一设定条件为：控制误差大于误差设定值的最大值。

在某一实施方式中，所述第二设定条件为：控制误差小于误差设定值的最小值，或控制误差大于等于误差设定值的最小值且小于等于误差设置值的最大值。

在某一实施方式中，利用所述第一控制器调节选粉机转速的步骤包括：

利用第一控制器调节选粉机转速，使选粉机转速的变化量达到最大。

在某一实施方式中，利用所述第二控制器调节选粉机转速的步骤包括：

获取误差设置值的中间值；

当e(k)*δe(k)＞0或者δe(k)＝0，且|e(k)|＞mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1{kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]}；

当e(k)*δe(k)＞0或者δe(k)＝0，且|e(k)|≤mmid，则控制器输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]；

当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＜0，且|e(k)|＞mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k1kpe(k)；

当e(k)*δe(k)＜0且δe(k)*δe(k-1)＜0，且|e(k)|≤mmid，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±k2kpe(k)；

当|e(k)|＜mmin，则控制器的输出为：

u(k)＝u(k-1)±kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)。

本发明所述技术方案的有益效果有：

1.通过bang-bang控制和专家pid控制方法设计的控制器运用到立磨矿粉粒度控制系统中，应用于现场实际并取得了较好的控制效果；

2.采用专家经验现场调试出专家pid控制器参数，控制器在线调整选粉机转速的值，对矿粉生产的复杂工业过程控制具备理想的控制效果，及时准确的对矿粉生产进行控制，并能节省人力的损耗，为企业带来实际的经济效益增长。

3.采用bang-bang控制器和专家pid控制器实现对小于45μm矿粉粒度含量的控制，根据专家经验制定专家规则整定控制器所需参数，通过仿真验证和现场实践证明了该复合控制方法的有效性。较之传统pid控制器灵活多变，对矿粉生产的复杂工业过程控制具备理想的控制效果，及时准确的对矿粉生产进行控制，并能节省人力的损耗，为矿粉厂带来实际的经济效益增长。

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。