球團帶式焙燒機溫度控制設計

朱叢笑，張詩詩

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北唐山 063200）

0 引言

隨著技術越來越成熟，帶式焙燒機球團生產形勢已經優于豎爐與鏈篦機—回轉窯的生產技術。焙燒包括干燥、預熱、焙燒、均熱和冷卻等5個過程。生球在焙燒過程中要經過1200℃以上的高溫焙燒，達到一定強度，從而滿足高爐生產要求。為避免生球因溫度驟升而發生爆裂和保證生球中氧化鐵充分氧化，生球要經過一個逐漸升溫的預熱過程。熱源依靠燒嘴燃燒焦爐煤氣供應，在生產過程中，可根據不同的工藝要求靈活調整各燒嘴溫度，以達到焙燒工藝流程所需的溫度和溫度梯度。焙燒機溫度控制的準確性和穩定性直接影響球團焙燒工藝的效果，最終影響產品質量。

1 影響焙燒機溫度控制的主要因素

在實際的工業生產過程中，廣泛存在著類似于帶式焙燒機溫度控制的生產過程，即采用煤氣作為燃料，并且同一個煤氣總管需要給多臺加熱爐加熱同時供氣的生產過程[1]。加熱爐借助總管道的煤氣的燃燒來保持其爐溫的恒定。此時，煤氣的壓力及流量的變化、進出料的多少等都對爐子溫度的控制影響很大，系統中存在著相當嚴重的一次擾動及二次擾動。當煤氣的壓力發生變化或者系統內進出料時，加熱爐都需要響應的調整煤氣流量控制閥的開度來控制煤氣流量的相應變化才保證爐溫的恒定，由于此類系統不僅慣性大而且其滯后時間較長，因而，傳統的單回路PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）控制難以滿足實際的生產需求。帶式焙燒機系統流程（圖1）存在2種一次擾動和1種二次擾動。

（2）一次擾動。由于燒嘴主要集中在預熱區、焙燒區，風機系統的運行保證了其他各工藝段生產所需的溫度以及對成品球進行冷卻，焙燒機內部的熱風、冷風一直保持在流動的狀態，因此，這些因素對焙燒機溫度的穩定控制也存在著一定的影響；

（3）二次擾動。也是本溫度控制系統的主要擾動，廠區內部煤氣管道需要給多臺加熱爐提供燃燒所用燃料，雖然有煤氣罐的緩沖作用加之煤氣加壓機的工作，但煤氣管道的壓力及流量還是會時常發生波動，當煤氣主管道的煤氣壓力或流量發生波動時對焙燒機溫度控制會帶來嚴重的影響。

圖1 焙燒系統流程

當擾動發生時，必須快速消除擾動的影響，才能夠保證焙燒系統溫度控制的穩定。因此，設計焙燒溫度控制系統需要解決3個問題：①沒有具體的數學模型，控制系統需要選擇PID控制，并且整定出能夠滿足現場實際生產工藝所需的PID參數。②單回路控制系統無法滿足控制需求，為此，設計的控制系統必須能夠使焙燒機的溫度控制能夠快速、準確的達到設定值，保證球團礦化學反應所需溫度。③在多種干擾存在的情況下，保證焙燒機溫度的穩定控制，滿足焙燒系統各工藝段的要求。

2 焙燒機溫度控制策略研究

在過程控制系統中，被控過程的容量滯后較大，特別是一些被控量是溫度等參數時，控制要求較高，如果采用單回路控制系統往往不能滿足生產工藝的要求。利用串級控制系統存在二次控制回路從而能夠改善過程動態的特性，提高系統工作頻率，合理的構造二次回路，從而減小容量滯后對過程的影響，加快響應的速度，提高其抗干擾能力。串級控制回路主要特點：①串級控制系統改善了對象的動態特性減小了被控對象的等效時間常數。②串級控制系統由于副回路的作用具有較強的抗干擾能力。③串級控制提高了系統的工作頻率。

由于申級控制系統具有上述特點，所以當對象的滯后和時間常數很大，干擾作用強且頻繁，負荷變化大，傳統的單回路控制系統滿足不了控制質量的要求時，采用串級控制系統是適宜的。

可通過實例證明串級控制系統較之單回路控制系統的優越性[2]，已知系統的主、副傳遞函數分別為G01（s）=1/（30s+1）（3s+1），G02（s）=1/（10s+1）（s+1）2，主、副控制器分別采用PI和P控制進行整定[3]。

分別根據單回路4∶1衰減曲線法及串級回路的兩步整定法，求得單回路控制時P=3.7，積分時間Ti=38；串級回路時，主回路Kp=8.4、積分時間Ti=12.8，副回路Kp=10，得出的階躍曲線如圖2所示；分別在80 s時對2個回路同時增加幅值為3的一、二次擾動后，階躍曲線如圖3所示，串級回路控制較之單回路控制很明顯能夠提前達到穩態值，且在出現擾動后運行穩定的多。

由此可見，串級控制系統能夠很好的滿足焙燒系統溫度控制的時間滯后及存在多種干擾的特點，為此，采用串級控制思想對焙燒機溫度的控制進行設計。據此設計的焙燒機溫度控制的方框圖如圖4所示。焙燒機溫度串級控制回路主、副回路的設計如下。

例如在教學《中國石拱橋》時，為了讓學生了解中國橋梁建設的光輝成就，在教學時，我們可以組織學生在閱讀文本后回答下面幾個問題，如：

圖2 單回路控制與串級回路控制的階躍曲線

圖3 增加一、二次擾動后的階躍曲線

圖4 溫度控制框圖

（1）主回路。主變量選擇直接能夠影響成品球質量的變量也就是本章的目的所在即溫度控制，其測量手段采用熱電偶測量；

（2）副回路。副變量選擇能夠直接影響主變量的變量即煤氣的流量控制，包含了整個回路中的主要干擾因素即煤氣的流量及壓力變化。

采用串級控制回路的控制方式是通過操作員設定的溫度跟一定區域的燃燒室反饋的溫度的最大值（即最接近值）進行比較得出的偏差之后進行PID調節，其輸出結果作為副流量控制器的輸入值輸入副流量PID調節器，其再通過調節控制閥臺上煤氣調節閥的開度，實現溫度-流量的串級PID調節。

3 溫度串級控制PID參數整定

3.1 串級控制兩步整定法

實際操作中，對串級回路PID參數進行整定一般采取兩步整定法[4]，結合單回路系統中PID參數整定法：經驗湊試法、衰減曲線法。先整定副回路，再整定主回路。兩步整定法步驟如下[3]。

（1）工藝穩定，主副回路均在純比例調節規律運行的條件下，將主調節器比例度置于100%，依據流量控制的PID參數經驗數值逐漸湊試副調節器的比例度，用單回路控制系統的衰減曲線法，當副回路的反饋值達到4∶1的衰減震蕩過程時，記下副調節器的比例度δ2s和過渡周期T2s。

（2）副調節器比例度固定在δ2s，將其作為主回路的一個環節，逐漸調節主調節器的比例度，依據溫度控制的PID參數經驗值逐步湊試，同樣使用單回路控制系統的衰減曲線法，當主回路達到4∶1衰減振蕩過程時，記下主調節器的比例度δ1s和過渡周期T1s。

（3）根據求出的 δ2s、T2s、δ1s、T1s，根據表 1 計算出主副調節器的比例度、積分時間和微分時間。

（4）按“先副后主”、“先比例次積分后微分”的原則，將計算得出的調節器參數加到調節器上。

（5）觀察記錄曲線，按照湊試的原則（表2，δ表示比例度）進行適當的調整直到滿意為止。

3.2 焙燒溫度控制系統PID參數的整定

圖4所示結構框圖，副控制回路為流量控制，主控制回路為溫度控制，使用兩步法整定其串級系統中PID參數（保證穩定的同時，均選用PI控制）。

（1）先整定副控制回路PID參數。將主回路控制器比例度調節為100%，按照單回路系統的衰減曲線法整定副回路，當副回路達到4∶1的衰減振蕩過程時，此時的 δ2s為104.17%，T2s為0.32 min。根據表 1 公式計算得：δ=1.2δ2s=1.2×104.71%≈125%，TI=0.5T2s=0.5×0.32=0.16 min，P=1/δ=0.8，I=0.8/0.16=5。最終，確定副回路的 P=0.8，I=5，D=0。

（2）副調節器比例度固定在104.17%保持不變，將副回路看做是主回路的一個環節，用同樣的方法，調節主控制器的比例度，當主回路達到4∶1衰減振蕩過程時，記下主調節器的比例度δ1s為277.75%和過渡周期T1s為1.2 min。根據表1公式計算得：

表1 衰減曲線法整定控制器參數經驗公式

表2 PID參數的經驗值

δ=1.2δ1s=1.2 ×277.75% ≈333.33%，TI=0.5T1s=0.5 ×1.2=0.6 min，P=1/δ=0.3，I=0.3/0.6=0.5。最終，確定副回路的 P=0.3，I=0.5，D=0。

（3）最終效果見圖5。

4 結束語

圖5 10#燒嘴運行曲線

焙燒機溫度控制的快速性、準確性和穩定性直接影響工藝效果，并且直接影響成品球的質量，為了解決焙燒系統溫度控制的大延時、容量大滯后及多種干擾同時存在的問題，采用過程控制中的串級控制思想進行設計，對外部運行環境有較好的抗干擾性，自適應特性。串級控制系統能夠根據焙燒機溫度的變化，快速響應，做出調節，保證焙燒機溫度控制過程快速、精準和穩定。效果較好，達到項目的預定目標，并一直使用。

［1］吳興純，趙金燕，楊秀蓮，等.基于PID參數自整定的爐溫模糊串級控制系統設計［J］.工業儀表與自動化裝置，2011（5）：94.

［2］李敏.真實模型Matlab仿真的過程控制系統實驗研究［J］.浙江工業大學學報，2011，39（2）：168-173.

［3］劉文定，王東林等.MATLAB/Simulink與過程控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［4］李俊卿，許新軍.PID參數整定方法及分析［J］.河南科技，2013，10（9）：84-90.