内模控制在水泥烧成分解炉温度控制的应用

内模控制在水泥分解炉温度控制的应用杨鲁江龙克垒叶鲁彬浙江中控技术股份有限公司，浙江杭州，310052摘要：新型干法水泥分解炉温度对象是一个多变量、非线性、大滞后以及大惯性的复杂系统，采用常规的PID控制方案很难取得满足生产工艺要求的控制品质。

通过系统仿真以及工程项目的实际应用，内模控制能够很好的实现分解炉温度的控制要求，内模控制方案具有系统跟踪性能好、鲁棒性强等特点，比传统的PID控制超调量小、控制稳定、调节参数少，具有很强的实用性。

关键词：分解炉；温度控制；内模控制The Application of Internal Model Control to TemperatureControl of PrecalcinerYang lujiang Long Kelei Ye lubinZhejiang SUPCON Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang, 310052Abastract:The temperature of Precalciner in new dry-process cement production is a multi-variable, nonlinear, large lag and inertia system. So it is quite difficult to gain good control performance by traditional PID algorithm. The simulation and industrial application results demonstrate that Internal Model Control (IMC) is appropriate for those characteristics. IMC has the advantage in robustness and target tracking and has higher performance than PID in overshooting, stableness and parameter tuning. Thus, IMC is quite applicable in practical industries.Keywords: Precalciner, Temperature control, Internal Model Control前言随着国内市场对水泥的需求量不断增大，国内的水泥生产商面临挑战。

必须在现有设备下增加产量并降低成本。

水泥行业最为主要的两个生产成本分别为能耗和原料。

其中能耗约占总成本的25%-35%。

国家对水泥行业节能减排的要求不断提高,2008年开始实施的水泥单位产品能源消耗限额国家标准要求现有4000t/d及以上规模水泥生产线可比熟料综合煤耗要求小于120kgce/t。

新的标准亦要求4000t/d及以上规模水泥生产线应通过节能技术改造以及加强节能管理达到可比熟料综合煤耗要求小于107kgce/t的标准。

分解炉是新型干法水泥生产线的重要组成部分，是原料分解的主要场所，其煤耗占水泥熟料烧成的60%左右。

分解炉温度的控制品质直接影响水泥烧成系统的能耗指标，现在运行的大部分新型干法水泥生产线的分解炉温度控制都采用人工手动控制，因此生产线的能耗指标取决于烧成窑操作工的经验以及水平，造成相当大的一部分干法水泥生产线达不到国家的能耗标准。

分解炉温度的控制方案也有采用常规的PID算法，但是分解炉被控对象是一个多变量、大滞后以及大惯性的复杂系统，常规的PID调节超调大，稳定性差。

内模控制不依赖被控对象的准确数学模型，能够消除大滞后以及大惯性的影响，非常适合分解炉温度的控制要求。

1 水泥分解炉温度控制的特性分析分解炉是生料中碳酸钙分解的场所，其热工过程是燃料燃烧的放热过程与碳酸钙分解的吸热过程在物料悬浮状态下的热交换过程。

4000t/d及以上规模水泥生产线的分解炉温度一般控制在860℃至920℃，分解炉的温度对整个预分解窑系统的热力分布，热工制度的稳定至关重要。

分解炉温度主要取决于燃料燃烧的放热速率以及碳酸钙分解的吸热速率，当两者平衡时分解炉温度就会比较平稳；当燃料燃烧的热量大于生料分解所需的热量时，分解炉温度就会上升造成生料结皮；反之分解炉温度下降造成碳酸钙分解不完全，影响熟料烧成的产量以及质量。

因此分解炉温度会受燃料的流量以及生料的投料量的影响。

除了以上两种主要因素的影响，分解炉温度还受三次风流量的影响，三次风是篦冷机冷却后的高温废气通过三次风管达到分解炉的助燃空气。

其温度以及流量的大小直接影响分解炉的燃烧温度。

分解炉温度除了受以上三种主要因素影响外还受原料以及燃料成份，高温风机转速等各种因素的影响，因此常规的PID控制方案或者人工的手动控制很难实现分解炉温度的稳定控制。

整个窑系统的燃烧控制的好坏直接影响了生产线熟料的产量以及质量，回转窑系统窑内的温度增减10℃至20℃对燃料的燃烧以及熟料的质量的影响是很小的，但在分解炉内则明显不同，有些生产线分解炉容积偏小，温度的频繁波动很容易造成煤粉燃烧不完全至分解炉内还原气氛重增加熟料的煤耗。

为克服常规控制的局限性在分解炉温度控制中引入了内模控制方案。

2 基于分解炉温度控制要求的内模控制器设计分解炉温度对象存在明显的纯滞后，常规PID控制难度较大，难以获得满意的性能。

内模控制（Internal Model Control, IMC）是基于模型预估的一种先进控制方案，对大滞后系统有较好的效果，在设计上考虑了鲁棒性的调节，大大提高了其实用价值。

是反馈控制中除了PID外最值得关注的算法。

IMC的基本框架如下图：图1 IMC框架图1中R(s)、U(s)、Y(s)、D(s)为信号的拉普拉斯变换，R(s)为设定值，U(s)为操作变量，Y(s)为被被控变量，D(s)为扰动变量。

表示对象系统，表示扰动通道的特性。

IMC 结构框架中包含了为对象系统的数学模型，该模型往往通过现场的阶跃试验或辨识方法获取。

为IMC的控制器，其结构和参数决定了IMC控制性能。

理想情况下，对象模型与其实际特性完全一致，控制器设计为：（1）此时，图1中的被控变量可以表示为：（2）将式（1）代入式（2），并根据，可得（3）被控变量能完全跟踪设定值，控制性能非常理想。

然而对象模型与实际特性之间往往存在一定的偏差，即模型存在一定的失配性；同时中可能包含右半平面的零点，或者有纯滞后环节。

此时按照式（1）的设计方法，不仅无法达到式（3）的理想控制效果，而且可能导致控制器的不稳定或物理不可实现。

鉴于这类情况，IMC控制器往往如下设计：对过程模型进行因式分解（4）其中，包含了所有纯滞后和右半平面的零点，并规定其增益为1；则包含模型中其余部分，控制器为（5）其中f为增益为1的低通滤波器，一般建议其为（6）为滤波时间常数。

在IMC中，滤波时间常数为可调参数，其值影响IMC控制性能和鲁棒性。

当值越大时，IMC鲁棒性越好，对模型失配的容忍度增大，但会使系统响应变慢，降低了控制性能；反之，值越小，IMC的控制性能会提高，但同时降低了鲁棒性，容易受到模型失配而不稳定。

因此参数的调整实际上是根据实际特性和需求在性能和鲁棒性之间进行折衷。

本质上，IMC 考虑了被控对象的纯滞后性，并基于模型进行了预估，因此在应付纯滞后对象的控制问题中往往能取得常规PID较好的控制效果。

工业现场采用计算机控制，DCS的输入输出都是离散的，因此需要对IMC控制表达式进行离散化，以便在计算机中编程实现。

实际离散IMC的控制器表示为：（7）其中为的z变换。

（8）为控制器参数，。

越接近0则控制性能越好，但对模型误差敏感，反之越接近1，鲁棒性越好，控制性能降低。

在实际应用中，当模型参数确定之后，IMC需要整定的参数主要为。

起初，基于安全和稳定性考虑，的值宜较大。

视实际控制性能，在保证稳定性的情况下逐渐减小的值，提高控制性能，一旦发现稳定性明显变差，则停止减小的值。

基于以上原理和结构，在中控ECS-100系统开发了IMC控制模块。

组态软件中提供了简便的脚本编辑工具，采用简单的ST语言自定义编写IMC控制的功能，并在FBD模块化编程界面中调用IMC模块。

3内模控制在分解炉温度控制工程应用浙江中控ECS-100系统在5000t/d规模水泥生产线采用了上述内模控制器方案，在DCS窑尾控制器采用PRO2.65软件ST语言完成了内模控制器自定义模块的编程。

ST语言具有编程简单、系统函数丰富以及占控制器内存小等特点，非常适合复杂控制方案的实现。

图2 IMC自定义控制模块模块中包含了手动控制，内模控制（IMC）和PI控制方案：手动控制状态：改变管脚u相连接的变量数值，直接调节转速（rpm）。

不受上下限、增量限福、死区的限制。

PI自动控制状态：同常规PI模块的控制，需要对PI参数进行整定。

同时注意根据实际噪声状况调节输出PV滤波时间（与管脚T1相连的变量位号），输出的上下限、增量限福、死区的设置也需要根据实际设置。

IMC自动控制状态：需要根据经验、历史数据为对象建立一阶纯滞后模型。

主要调节IMC 滤波器时间（与管脚Tf相连的变量位号），当exp(-Ts/Tf)接近0时，控制性能较好，但对模型偏差比较敏感，当exp(-Ts/Tf)接近1时，鲁棒性变好，但会降低控制性能。

同时与PI控制形同，需要注意PV滤波时间、输出上下限、增量限福、死区的设置。

被控变量PV：分解炉温度（本项目采用C5锥部温度）；操作变量MV：窑尾给煤量；HMI的设计要求可以方便窑操作员完成IMC控制模式，常规PI控制模式以及手动无扰切换，满足操作员紧急状态下的各类型的操作，避免IMC控制切换影响窑系统的安全稳定运行。

为了修改参数，需要在监控画面上增加变量框或按钮：K、T、tau、T1、Tf、Ts、HL、LL、DMVL、DeadZone、P、I、Sw、IMCSw、AMSw、u。

IMC自动投运前：正常生产时，均化库底喂料称台时平均流量375t/h，C5锥部温度在837℃至884℃之间波动，窑尾喂煤平均22.6t/h，窑头喂煤平均11.8t/h；IMC自动投运后：正常生产时，均化库底喂料称台时平均流量395t/h，C5锥部温度在852℃至871℃之间波动，窑尾喂煤平均22.1t/h，窑头喂煤平均11.8t/h；实用效果：IMC控制投运后，窑操作工不需要因分解炉温度波动而频繁调整窑尾喂煤，大大减轻了操作员的操作强度，分解炉温度的稳定也提高了燃煤的燃烧率，提高了窑系统的熟料产量，用煤量不但没有增加反而有所下降。

4 结论本文在新型干法水泥生产线节能减排的背景要求下，采用内模控制策略，完成分解炉出口温度参数的稳定控制。