基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统设计

基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统设计

    徐少川^1，2    井元伟¹    苟维东³

(1．东北大学信息学院2．辽宁科技大学电子与信息工程学院3．鞍钢集团弓长岭球团二厂)

摘 耍   针对链篦机料层厚度控制系统中生球料量波动大，以及生球质量不稳定造成返矿量波动和料层厚度检测滞后的特点，提出了基于自适应专家控制的料层厚度自动控制方法。链篦机机速控制以料层厚度为主要控制目标，通过专家控制规则实现根据生球料量选择链篦机的基本机速，再由料层厚度对链篦机机速进行微调。在控制过程中，专家控制规则具有自适应和自整定能力，用以应对返矿量不稳定对料层厚度控制的影响。实际运行结果验证了控制策略的有效性，料层厚度控制误差均在设定值的控制范围内。

关键词   链篦机料层控制  专家控制  自适应

1  引  言

    近年来，链篦机．回转窑球团工艺发展很快，2003年和2004年鞍钢先后在弓长岭矿建立了两条年产200万t的链篦机．回转窑球团生产线^[1]。该球团工艺中最为关键的环节是链篦机上的干燥、脱水和预热，而该工艺段的控制取决于链篦机上料层厚度和温度的控制^[2]。链篦机料层厚度控制又会直接影响其温度控制。因此，要实现链篦机．回转窑的自动控制，必须首先实现链篦机料层厚度的自动控制。目前，弓矿链篦机．回转窑控制系统中，是由人工根据链篦机的料层变化情况，手动调节链篦机机速，从而造成了球团生产质量受到人为因索的影响，不利于球团矿产质量的提高。本文结合生产实践，设计了基于动态专家控制的链篦机机速自动控制系统，以解决链篦机料层厚度的自动控制问题。

2链篦机料层厚度控制系统

2．1链篦机料层厚度控制工艺流程

    为保持链篦机上料层的透气性和球团温度控制的稳定性，必须保证规定的球层厚度和球层厚度变化的稳定性。球团布料系统如图1所示，其中L₁为送料传送皮带、L₆～L₁₀、M_l、M₂、Z₁和Q₁为返料传送皮带，L₂为摆动皮带，L₃为宽皮带，L₄为辊式布料器，L₅为链篦机；WIC为电子秤，WIC₁检测生球料量，WIC₂检测生球的返矿量；SIC检测链篦机机速；LIC检测链篦机料层厚度。原料经球盘造球后，筛去不合格的大球，再经皮带传送至辊式布料器，筛除不合格的小球，同时将合格生球布于链篦机上，返料经返料传送皮带传送至料仓。

2．2链篦机料层控制策略的分析

    目前，弓矿在链篦机料层控制方面采用人工手动控制方法，主要是根据组态画面的监控数据(包括生球料量、链篦机料层厚度、当前链篦机机速设定值等)进行调控。另外，链篦机监控画面中，从辊式布料器到链篦机之间的生球布料堆积角也是操作者参考的主要依据。

2．2．1链篦机机速前馈控制方法

    链篦机机速前馈控制方法主要是根据WIC₁测定生球布料量，按照式(1)计算链篦机速度s₁(m／min)，每2分钟进行一次机速前馈控制^[2]。

式中：s_l——链篦机速度，m／min；

W₀——链篦机宽度，mm；

      L₀——链篦机料层厚度给定值，mm；

      W——生球布料量，kg／min；

      K——生球堆密度，kg／m³。

    K并非定值，需通过实际检测量按式(2)算得：

式中：W_P——生球布料量，kg／min；

      V_P——链篦机速度，m／min；

      L_P——链篦机料层厚度测定值，mm。

    每2分钟用WIC读一次生球布料量W_P，用SIC读链篦机机速返回值V_P，再用LIC读人料层厚度，计算K值，每隔30分钟用平均值校正一次。

    该算法计算简单且容易实现，但实际生产中生球料量波动较大，且料量的测量值不是十分准确(若要计量准确，WIC电子秤需经常校对)，此外，计量秤的现场安装位置对于实时控制而言都有时间滞后的问题，而且链篦机料层厚度设定值一般是一个范围(弓矿设定为165~195之间)，因此该算法用于实际控制时，料层厚度波动较大，不利于温度控制，控制效果不好。

2．2．2链篦机料厚反馈控制方法

    由于生球布料量无法检测，而链篦机厚度可以检测，因此可以采用链篦机料厚反馈控制方法，链篦机速度设定为：

其中：L_i——第i时刻的链篦机料层厚度；

      V_P——投入自动控制前的链篦机当前机速；

      L_min、L_max；——为链篦机料层厚度的允许偏差范围。

    该方法解决了生球布料量无法直接测得的问题，但由于链篦机测厚仪现场安装位置距离布料点约有1．5 m左右，相对于链篦机机速有20～30 s的滞后时间。而且生球料量波动范围较大、波动频率较快，因此该方法在实际应用时，若生球料量变化频率较大，则链篦机的机速调整幅度较大，且造成料层厚度周期性变化，不利于温度控制，控制效果也不好。

2．2．3基于专家知识库的料层控制方法的提出

    通过对上述两种方法的分析，链篦机料层厚度的控制受到以下几个因素的影响：

    (1)球盘造球机生球产量不稳定造成生球量波动较大；

    (2)生球返矿量包含链篦机机前返矿和链篦机内部返矿，而且测量点安装位置较远，存在时间滞后的问题，从而无法精确测量并参与控制；

    (3)链篦机料层厚度测厚点距离链篦机机头有一段距离，厚度反馈也有时间滞后的问题；

    (4)布料机摆动皮带布料控制的均匀性造成料层厚度波动。

    基于上述考虑，我们提出了采用链篦机机速动态自适应专家系统控制的厚度前馈控制方法，其控制原理如图2所示。

    图2中，专家控制器1主要是由生球料量和球盘数量建立的专家控制系统，利用现场获取的生球料量和球盘数量实时数据，再根据专家规则表输出链篦机机速控制量u₁。根据料层厚度变化，经专家控制器2得到的速度控制量u₂是对控制量u₁的修正。链篦机机速修正后进入机速数据库，根据机速修正原则更新专家知识库1的专家知识，实时修改专家控制器l的专家规则。专家规则需要不断更新的原因是，生球料量自身的波动性和返矿量的不确定性。

3  自适应专家控制系统的设计

    链篦机料厚自适应专家控制系统中包含2个专家控制器。专家控制器1的设计首先根据球盘数量建立对应的链篦机生球料量与机速的专家规则库，专家控制规则如下：

    IF当前参与生产的球盘数量为i，Then R_c=R_ij

    R_il：IF生球料量W∈[W_l，W_l+△W]，Then机速S= u_il；

    R_i2：IF生球料量W∈[Wl+△W_l，W₁+2△W₁]，Then机速S=u_il+△u；

．．．．．．

    Rij：IF生球料量W∈[W₁+(j−1)△W_l，W_l+j×△W₁]，Then机速S=u_il+j×△u；

    链篦机料层厚度变化根据生产实际情况定义如下：

    H<H_min，H_min≤H≤H_{fit_L}，H_{fit_u}≤H≤H_max，H>H_max

    鉴于生球布料过程无法实现平均布料，那么，判定料层厚度实际上是判定料层厚度的趋势在上述哪个范围内波动，因此专家控制器2规则的设计思想主要是根据实时料层厚度在上述厚度范围内出现的频率而决定是否改变链篦机机速，具体如下：

    l₁：IF在控制周期内H<H_min现频率f>f₁且f>f₂，Then  V= −2△v；

    l₂：IF在控制周期内H_min≤H≤H_{fit_L}出现频率，f>f2，Then V= −△v；

    l₃：IF在控制周期内H_min≤H≤H_{fit_U}出现频率f>f3，Then V=0；

    l₄：IF在控制周期内H_{fit_u}≤H≤H_max出现频率f>f₂，Then V=△v；

    l₅：IF在控制周期内H>H_max出现频率f>f₁且f>f₂，Then V=2△v。

    链篦机机速输出：

    根据公式(6)计算机速修正值后，更新专家控制器的所有专家规则。

4程序设计和实现

4．1控制软件结构

    数据采集和处理等功能由原有的监控软件完成，链篦机厚度自适应专家控制软件系统只需通过OPC接口读人数据，算法完成后再通过OPC接口下发控制量。应用程序开发工具选择VB6．0可视化编程工具，它是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发Windows环境下的各类应用程序。在Visual Basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口(API)函数，动态链接库(DLL)、对象的链接与嵌入(OLE)、开放式数据连接(ODBC)等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。本系统与WINCC监控软件的关系如图3所示。

4．2控制流程

    链篦机料层厚度专家自适应自动控制流程如图4所示。控制流程中主要包含控制系统初始化模块、球盘数变化处理模块、生球料量−机速专家控制模块、料层厚度．机速专家控制模块和生球料量−机速专家控制自适应校正模块等子程序模块。其中，控制系统初始化模块除了完成部分参数初始化的工作外，还需进行生球料量．机速专家规则数据库的生成。另外，根据实际生产情况，专家控制规则库需要对产量不同(即球盘的数量发生变化)时建立不同的专家规则，因此建立了球盘变化处理模块，以应对球盘变化而进行规则库的切换工作。

4．3运行结果与分析

    基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统于2008年5月开始在弓长岭球团二厂试用。图5所示的是该系统投入运行后某一时间段，链篦机料层厚度、机速自动调节的过程。由图可以看出，当时的生产情况除了链篦机上生球料量波动很大外，生球的返矿量波动也很大，这无疑增加了链篦机机速调整和料层厚度控制的难度。从数据曲线分析，在时间点50到80之间，生球料量在一定范围内小幅变化，而链篦机机速却作了较大的调整和变化，说明在此期间返矿量波动较大。从实际控制效果来看，基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统很好地适应了工况变化，能够自动调节链篦机机速，实现料层厚度的控制目标，减轻了操作人员的工作强度，同时提高了链篦机料层的控制精度，为链篦机．回转窑温度场优化控制打下了基础。

5  结  论

    现有的链篦机．回转窑控制系统控制方式大多采用人工手动控制方式，球团生产质量在很大程度上取决于现场操作人员的经验、疲劳度和责任心。而基于自适应专家控制的链篦机料厚自动控制系统是在总结现场操作者的操作经验并转化为专家控制规则的基础上，针对生球料量和返矿量检测存在大滞后，生球料量波动较大的情况而开发的控制系统。该系统的实际运行效果证明，其控制方法是有效的，实现了链篦机．回转窑料层厚度自动控制，最终为链篦机、回转窑和环冷机实现三机联调和链篦机．回转窑温度场的自动控制打下坚实的基础。

    参考文献

[1]  王介生，张勇，丛峰武等．鞍钢200万t氧化球团链篦机一回转窑系统的设计[J]．球团烧结，2005，30(4)：9—13．

[2]  张一敏．球团理论与工艺[M]．北京：冶金工业出版社，1997