专利名称：基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水泥流程工业领域的生料粉磨领域，特别是涉及基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统。
背景技术：
目前，水泥流程工业的生料粉磨过程占据了水泥生产过程总能耗的30% 40%，原始的生料生产过程仍以球磨机粉磨为主，但是球磨机不仅单机产量低，且生产过程扬尘大、 噪声大、产出能耗比高。立磨采用烘干风扫技术，将磨机与选粉机集成在一起，提高了粉磨效率，单机设计产量接近同体积球磨机的2倍；磨内始终保持高负压状态，大量减少了扬尘；采用料床辊压技术替代原有钢球碰撞挤压，大大降低了噪音。因此立磨逐渐取代球磨机成为生料粉磨的首选设备。但是，现阶段，立磨系统的控制主要有以下两种形式1、DCS监控系统+操作员经验调节；2、DCS监控系统+PID反馈调节+操作员经验调节。方式1完全依靠操作员的经验判断来进行立磨系统的控制，缺点如下(1)立磨生产效率通常无法达到最大；(2)立磨运行状态波动大，降低设备的使用寿命；(3)误操作几率大，不仅损害设备，系统持续运行时间短；(4)产品主要质量参数，如粒度、细度等，波动性较大。方式2虽然加入了一定的控制策略，但对于立磨系统这种具有非线性、大滞后、强耦合的复杂系统，传统的PID的控制效果很差，对操作员的依赖性仍然很强，且具有与方式1类似的缺陷。现有的先进控制策略包括模糊PID控制、模糊控制、专家控制、神经网络控制、预测控制等。模糊PID控制、模糊控制和专家控制均在工业过程控制领域得到推广应用，但仍然适用于工况较简单、系统耦合性弱、线性特征明显、控制目标单一的工业过程系统，对于具有大延时、非线性、强耦合特点的复杂工业过程，以上控制方法不仅在控制器构建时会遇到很多困难，且无法达到期望的控制效果。预测控制被认为是一种非常适合流程工业的优化控制算法，对于复杂控制问题， 预测控制技术能够取得比传统控制方式更好的控制效果，并已得到广泛的应用。动态矩阵控制作为预测控制的一种，不但具有滚动优化、反馈校正等预测控制的传统特点，而且具有对模型要求较低、处理约束方便、鲁棒性强等特性，非常适合应用在具有大滞后、非线性和强耦合等特点的立磨系统中。国内外，已经有很多学者对预测控制理论在球磨机控制方面的应用做了大量理论研究工作，并在一些现场投入试运行，取得不错的运行效果。现有的立磨DCS监控系统，可以监测立磨关键运行参数，并采集记录其实时数值(每秒采集一次)，这为预测控制器的设计提供了很好的基础平台。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，提供一种基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统，以改善水泥立磨系统现有控制方式落后、设备生产效率及运转率低、操作人员工作强度大等现状，并克服其自身具有的大滞后、强耦合、非线性等缺陷。本实用新型提供了一种针对立磨粉磨过程的先进控制系统，以模型辨识和预测控制理论为基础，以提高磨机运行过程稳定性、增大台时产量和提高成品合格率为目标，并力求设计结构合理、操作维护方便、运行可靠。为了克服现有技术的缺陷并最大化利用立磨工业现场的现有基础条件，本实用新型所采用的技术方案是提供一种基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统，包括内置立磨粉磨过程的数学模型的预测控制器，该系统还包括用于获取立磨粉磨过程所有关键监测点的实时数据和历史数据的流程监控模块， 通过数据通讯接口 OPC连接至立磨粉磨生产装置的DCS监控系统；用于对出料层厚度、循环负荷、液压辊压力和磨机出口温度的最佳目标值进行设定的目标优化模块；和用于最佳控制量输出值计算的负荷控制模块，包含预测控制器；预测控制器与DCS监控系统通过数据通讯接口 OPC连接；流程监控模块与目标优化模块、负荷控制模块分别连接，实现监控数据传递；其中流程监控模块内置立磨流程监控模块、病态工况预警模块、病态工况专家库和预警提示模块；病态工况预警模块与病态工况专家库相连，通过查询模式与病态工况专家库实现数据交换；病态工况预警模块与第一预警提示模块连接，通过写入模式与第一预警提示模块实现数据传递；目标优化模块内置目标优化计算模块、第二预警提示模块、模型辨识模块、模型写入模块和目标设定值写入模块；目标优化计算模块与模型辨识模块相连，以预警提示模式实现选择性连接；目标优化模块与负荷控制模块之间连接，实现目标设定值写入、模型写入。本实用新型中基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统，其控制方法包括以下步骤(1)流程监控模块通过数据通讯接口 OPC从DCS监控系统获取立磨粉磨过程的实时数据；在对操作和工艺参数的变化趋势进行分析后，病态工况预警模块调用病态工况专家库进行趋势匹配；如果匹配结果显示立磨系统出现病态工况，发出预警显示，并给出定性调节建议提醒；如匹配结果未提示存在病态工况，则进行下一步骤；(2)目标优化模块根据立磨基本运行条件和产品质量要求的变化情况，给出料层厚度、循环负荷、液压辊压力和磨机出口温度的最佳目标设定值，并写入预测控制器；(3)负荷控制模块根据最佳目标设定值，设定喂料量、选粉机转速、喷水阀开度、 液压辊压力和冷热风阀开度的最佳控制量输出，并由预测控制器输出至DCS监控系统，进而控制现场执行器动作。所述步骤O)中，若所述最佳目标设定值的变化幅度超出预设值，则提醒进行模型重新辨识；模型辨识模块重新辨识立磨粉磨过程的数学模型，并更新至预测控制器；否则，保留预测控制器中的原有数学模型不变。所述病态工况专家库的构建方法为从存储于DCS监控系统的立磨操作和生产工艺的历史数据中提取立磨运行所有病态工况，并通过数据分析来确定各病态工况出现时反映工况变化的监测量及变化趋势，以此构建立磨粉磨过程的病态工况专家库。本实用新型中，所述立磨先进控制系统为软硬件结合的系统，包括支撑系统运行的计算机硬件设备和运行于计算机硬件设备上的各种软件功能模块。本实用新型所述流程监控模块、目标优化模块、负荷控制模块、预测控制器、立磨流程监控模块、病态工况预警模块、病态工况专家库、第一预警提示模块、目标优化计算模块、第二预警提示模块、模型辨识模块、模型写入模块和目标设定值写入模块均为软件功能模块。这些软件功能模块的具体实现方式可以有很多种，本领域技术人员在了解本实用新型思路及各服务器和相应模块的功能描述之后，完全可以根据其掌握的技能实现各模块的编程与运行，不存在无法理解或无法再现的可能性。本实用新型具有预警、建议和预调节功能，根据现场操作经验构建的工况专家库可以帮助判断粉磨过程工况变化趋势并对病态情况预警，根据磨机工况趋势给出适当的调节建议，包括选粉机转速、液压辊液压力等，预测控制器可以根据历史数据和目标设定值， 预判当前时刻控制量变化在未来一段时间内可能引起的粉磨过程运行状态的变化，给出控制量的最佳调节量。本实用新型的实现集合了静态优化和动态优化两种方法，其静态优化方式通过获取立磨粉磨过程运行参数构建粉磨过程最佳数学模型，并根据立磨基本运行条件和产品质量要求对模型进行实时更新；立磨系统动态优化方式在目标变量设定、历史数据和控制量历史数据、历史变化量等基础上，根据粉磨过程数学模型，采用预测控制算法计算控制量历史变化对目标变量的影响，寻找控制量累积调节量最小、目标变量向设定值逼近最快的最佳控制方案，最佳目标设定根据基本运行条件和产品质量要求的变化来确定。本实用新型根据获取的反映原料品质和成品质量的历史数据与实时数据，可以对磨机运转情况进行最优化，包括最佳料层厚度设定、最佳循环负荷设定、最佳液压辊压力设定和最佳磨机出口温度设定。相对于现有技术，本实用新型的有益效果在于本实用新型专利可以大大提高立磨粉磨过程的自动化水平，且充分利用现有的控制基础条件，如DCS监控系统，在其基础上组建上位机先进控制系统。针对立磨粉磨过程的非线性、强耦合、大滞后等复杂特点，摒弃常规控制算法，采用预测控制算法提升控制系统的鲁棒性、稳定性、准确性和有效性，保证立磨在最大效率点附近长期稳定运行，保证成品合格率始终处于较高水平且质量指标稳定；在运行过程中，液压辊压力、选粉机转速和喂料量合理配合，使物料在磨机内部充分研磨且减小物料在磨内的循环量，从而有效降低水泥厂生产过程的电耗，提高经济效益；同时可以有效避免出现空磨、饱磨等恶劣工况，防止设备出力过重而损伤，减少维护费用；本实用新型专利采用可视化可操作软件形式，操作方便，工作可靠的优点。立磨先进控制系统，一方面提高立磨的台时产量，提高成品的质量；一方面降低立磨的产出能耗比，降低操作员的工作强度，延长磨机设备的使用寿命。本实用新型具有以下显著的优点(1)集合了立磨系统所有病态工况，可以准确地给出定性调节建议；(2)实时建立和更新立磨粉磨过程的数学模型，减小控制系统的稳态误差；(3)预测控制算法可靠准确的指导立磨粉磨过程；(4)保证磨机在最大效率点长期稳定运行，并保留一定的稳定余量。
[0029]图1为典型立磨粉磨过程工艺流程图；图2为立磨先进控制系统结构框图；图3为立磨先进控制系统各功能模块之间的逻辑关系图；图4为软件设计功能界面简图；图5为立磨粉磨过程优化控制流程图。
具体实施方式
本实用新型具有多目标优化功能，且静态优化与动态优化兼容，可以根据立磨运行基本条件与产品质量要求的变化，获得最佳目标设定值，调用在线模型辨识模块重新辨识粉磨过程数学模型，并将上述最佳目标设定值和过程模型更新至预测控制器；动态优化指采用带有滚动误差补偿、凸优化寻优和闭环反馈功能的预测控制算法，自动寻找达到目标设定值的最佳控制路径，以保证控制量变化累加值最小、逼近目标值过程最快。本实用新型中，所述流程监控模块、目标优化模块、预测控制器、模型辨识模块和负荷控制模块均为由软件功能模块，其具体实现方式可以有很多种，本领域技术人员在了解本实用新型思路及各模块的功能描述之后，完全可以根据其掌握的技能实现各模块的编程与运行，不存在无法理解或无法再现的可能性。
以下结合附图对实用新型内容作详细说明图1描述了一个典型立磨粉磨过程的工艺流程图，电动机12通过减速机带动磨盘 4转动，现时热风14、15从进风口进入磨内，物料经稳流仓8均勻混合后，在入磨皮带9与回料提升机5运回的回料混合，经三道锁风阀6进行金属除渣后，从下料口落在磨盘中央；由于离心力的作用，物料向磨盘边缘移动，经过磨盘上的环形槽时受到的磨辊3的碾压而粉碎，继续向磨盘边缘移动，直到被风处的气流带起，大颗粒直接落回到磨盘上的重新粉磨。气流中的物料经过分离器2时，在导向叶片和转子的作用下，粗料从锥斗重新落到磨盘上，细粉随气流一起出磨，在系统的收尘装置7中收集，即为产品，物料在与气体接触过程中被烘干，达到所要求的产品水分，通过调节导风叶片的角度和分离器转子转速，便可得到不同细度的产品17。为了保障立磨系统的高效稳定运行，并生产出合格的物料，必须合理控制喂料量、磨辊研磨压力、磨机通风温度和风量等重要参数。立磨的操作要点主要有(1)保持稳定的料层厚度。合适的料层厚度是立磨料床粉磨的基础，正常运转的关键。料层厚度可通过调节档料圈的高度来调整，合适的厚度以及它们与磨机产量之间的对应关系，应在调试阶段找出。料层厚度过厚将使得立磨粉磨效率变低，料层太薄会使磨辊与磨盘之间的冲击过于剧烈，从而引起磨机振动，甚至会损坏磨盘和磨辊。(2)选择合适的磨辊液压压力。立磨是借助于对料层施加高压而进行粉磨作业的。正常操作下，随着压力的增加，产量会相应得增加，但是磨辊压力增加与所需要的功率有直接对应关系。因此此举属于整个系统的能效问题。合适的磨辊压力需要兼顾产量和电耗，该值取决于物料性质、粒度以及磨机产量。对于某个具体的企业来说，应找出合适的磨辊压力以及压力与生产能力之间的对应关系；(3)选择合适的风速。立磨系统主要靠气流带动物料循环。合理的选择磨内风速可以形成较好的磨内循环，使盘上料层稳定，从而提高粉磨效率。在生产过程中，当风环面积已确定，则风速由风量所决定。合理的风量应和喂料量相联系，如喂料量增大，则应增大进风量。如果在实际操作中，风速过大而喂料过小则外循环量加大，进而使料层变薄，引起磨机振动；(4)合理地控制磨内风温。立磨是烘干粉磨系统，出磨风温是磨机正常运转的关键指标。如果风温过低，则烘干能力不足，成品水分增大，影响粉磨效率和烘干效率。参照图2所示，为立磨先进控制系统结构框图，描述了一种水泥厂生料粉磨过程优化控制方法，包括以下步骤(1)获取立磨DCS监控系统存储的大量历史数据，现场调研立磨操作和生产工艺，提取立磨运行中所有病态工况，通过数据分析确定各病态工况出现时，能反映工况变化的监测量及其变化趋势，建立立磨粉磨过程病态工况专家库。以上工作均离线完成；(2)通过数据通讯接口 OPC从DCS监控系统获取粉磨过程历史数据和实时数据； 相关变量变化趋势分析，调用病态工况专家库，判断立磨系统是否出现病态工况，进行预警显示，给出定性调节建议；(3)根据原料品质和产品质量要求变化与否，选择性调用模型辨识模块，若模型发生变化，更新到预测控制器；(4)根据立磨基本运行条件(如原料含水量、原料粒度)和成品质量要求(如粒度、 细度)，给出最佳料层厚度设定、最佳循环负荷设定、最佳液压辊压力设定、最佳磨机出口温度设定；(5)以料层厚度设定、循环负荷设定、液压辊压力设定、磨机出口温度设定为目标，给出最佳控制量输出喂料量、选粉机转速、喷水阀开度、液压辊压力和冷、热风阀开度。图3列出了立磨先进控制系统各功能模块之间的逻辑关系流程监控模块包含立磨流程监控模块、病态工况预警模块、OPC接口和第一预警提示模块。立磨流程监控通过OPC接口与DCS监控系统数据通讯，实时传输立磨粉磨流程的监测数据，并在软件前台界面显示。病态工况预警模块与病态工况专家库连接，依据实时数据变化趋势进行立磨工况匹配，如果匹配结果显示立磨系统出现病态工况，发出预警提示， 并给出定性调节建议提醒。目标优化模块包括目标值优化计算模块、模型辨识模块、第二预警提示模块、目标设定值写入模块和模型写入模块。由流程监控模块提供的立磨监测数据，经目标优化计算模块得到最佳控制目标值，由目标设定值写入模块将计算得到的最佳目标设定值写入负荷控制模块的预测控制器。若最佳目标设定值变化幅度超出预设值，则提醒进行模型重新辨识，模型辨识模块得到的最新粉磨过程模型写入到负荷控制模块的预测控制器。负荷控制模块根据流程监控提供的监控数据、目标优化模块提供的最佳目标设定值和粉磨过程模型，调用预测控制器，计算控制量输出，并经OPC接口写入DCS监控系统，控制执行器执行控制动作。图4所示为立磨先进控制系统现场实现简图，基于立磨粉磨过程采用DCS系统实现监控，为满足该控制系统的可操作性，以软件架构的形式实现立磨优化控制。选项“文件”包括修改系统密码、系统退出，注意系统登录和退出都需要密码安全认证。[0057]选项“0PC设置”包括0PC连接、OPC断开、OPC参数配置、读取变量名设置。OPC 为该软件与DCS监控系统通讯的一种接口协议，可以从DCS系统读取指定变量的历史及实时数据。选项“流程监控”监控立磨系统的整个生产过程，主要监测点包括立磨入口气体压力、入口温度、主电机电流、水平振动值、垂直振动值、出口气体压力、出口温度、磨辊液压站压力、磨辊压力反馈值、冷风阀开度、热风阀开度、选粉机变频转速给定、选粉机电流、回料皮带电流、回料提升机电流、入库提升机电流、回料仓仓重、喷水阀开度。“病态工况预警” 按钮调用病态工况模块，该模块调用病态工况专家库进行趋势匹配；如果匹配结果显示立磨系统出现病态工况，发出预警显示，并给出定性调节建议提醒；如匹配结果未提示存在病态工况，则进行下一步骤。选项“目标优化”显示获取的反映立磨基本运行条件和产品质量要求的参数喂料量实时值、原料含水量、原料平均粒度、喷水阀开度实时值、产品细度要求、产品粒度要求、 料层厚度实时值、回料提升机电流。按钮“优化计算”调用立磨粉磨过程控制目标优化算法计算最佳目标设定值，并显示。按钮“设定值写入”将计算得到的目标设定值写入预测控制器，用于下面控制量输出值的计算。根据立磨基本运行条件和产品质量要求的变化情况，还可以提醒操作员是否进行粉磨过程模型重新辨识。选项“负荷控制”显示反映立磨运行状态的主要监测变量和可以控制磨机状态改变的主要控制量的实时数据、模型辨识模块。监测变量包括料层厚度、液压辊压力、回料提升机电流、磨机振动值、磨机出口温度、磨内压差，还包括各监测变量的最佳设定值、取值范围；控制量包括喂料量、喷水阀开度、冷热风阀开度、液压辊压力、选粉机转速，还包括各控制量的取值范围、计算输出值；模型辨识模块，根据立磨基本运行条件和产品要求的变化情况，选择调用模型辨识模块重新辨识粉磨过程模型，并更新至预测控制器。 图5所示为立磨优化控制程序流程图，获取DCS监控数据，对数据进行平滑滤波等预处理之后，调用工况专家库进行趋势匹配，如果工况异常，则记录报警并给出调节建议， 否则目标优化计算目标最佳设定值，判断调节动作是否为单一回路喂料、通风或液压，选择调用单回路预测模型或多回路协调控制，最后经凸优化预测控制求解给出控制量输出。 本实用新型专利适用于立磨应用的一切工业场所，包括水泥生料生产、水泥熟料立磨研磨过程、钢铁厂磨煤过程、其他金属矿、非金属矿的立磨粉磨过程等，集成了 DCS监控、优化控制软件监控和下位PLC控制，自行设计数据通讯接口，操作简单，功能齐全，极大地提升了立磨粉磨过程的自动化水平，提高了立磨生产效率和产品质量，节能降耗，且大大降低了工人的劳动强度，避免人为生产事故的发生几率。
权利要求1.基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统，包括内置立磨粉磨过程的数学模型的预测控制器，其特征在于，该系统还包括用于获取立磨粉磨过程所有关键监测点的实时数据和历史数据的流程监控模块，通过数据通讯接口 OPC连接至立磨粉磨生产装置的DCS监控系统；用于对出料层厚度、循环负荷、液压辊压力和磨机出口温度的最佳目标值进行设定的目标优化模块；和用于最佳控制量输出值计算的负荷控制模块，包含预测控制器；预测控制器与DCS监控系统通过数据通讯接口 OPC连接；流程监控模块与目标优化模块、负荷控制模块分别连接，实现监控数据传递； 其中流程监控模块内置立磨流程监控模块、病态工况预警模块、病态工况专家库和预警提示模块；病态工况预警模块与病态工况专家库相连；病态工况预警模块与第一预警提示模块连接；目标优化模块内置目标优化计算模块、第二预警提示模块、模型辨识模块、模型写入模 ±夬和目标设定值写入模块；目标优化计算模块与模型辨识模块相连；目标优化模块与负荷控制模块之间连接。
专利摘要本实用新型涉及水泥流程工业领域的生料粉磨领域，旨在提供一种基于模型辨识和预测控制的立磨先进控制系统。包括从DCS监控系统获取实时数据；在对操作和工艺参数的变化趋势进行分析后，调用病态工况专家库进行趋势匹配；如果显示出现病态工况发出预警显示，并给出定性调节建议提醒；根据立磨基本运行条件和产品质量要求的变化情况给出最佳目标设定值，并写入预测控制器；根据最佳目标设定值设定最佳控制量输出，并输出至DCS监控系统进而控制现场执行器动作。本实用新型可以准确地给出定性调节建议；实时建立和更新立磨粉磨过程的数学模型，减小控制系统的稳态误差；指导立磨粉磨过程，保证磨机在最大效率点长期稳定运行，并保留稳定余量。
文档编号B02C25/00GK202097023SQ201120072039
公开日2012年1月4日 申请日期2011年3月17日 优先权日2011年3月17日
发明者孟濬, 张进峰, 李沛然, 秦伟, 郑军, 颜文俊 申请人:浙江大学