基于卡爾曼濾波器-PID的水泥磨出口溫度控制研究

姚連國 喬俊奇 周立東 劉 超 陳燕伏

中材建設有限公司（100176）

在當前的生產過程控制系統中，大部分的控制回路仍采用結構簡單、魯棒性強的PID控制策略。PID控制作為一種經典的控制方法，幾乎遍及了整個工業自動化領域，是實際工業生產過程正常運行的基本保證；控制器的性能直接關系到生產過程的平穩高效運行以及產品的最終質量，因此控制系統的設計主要體現在控制器參數的整定上。PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數通過線性組合構成控制器，對被控對象進行控制。隨著計算機技術的飛速發展和人工智能技術在自動控制領域的不斷滲透，出現了各種實用的PID控制器整定方法。PID控制器作為最通用的控制模塊，對它進行參數整定有許多方法；對于不同的控制要求、不同的系統先驗知識，可以考慮采用不同的方法；這些算法既要考慮到收斂性、直觀性、簡單易用性，還要綜合考慮干擾及過程變化的影響，并能根據較少的信息和計算，給出較好的結果。文章設計的卡爾曼濾波器-PID控制系統，可以通過卡爾曼濾波器對溫度信號測量時的白噪聲干擾進行濾波，從而獲得較為精準的溫度值，避免由于干擾產生的誤差影響控制效果，進而影響水泥的質量和產量。

1 水泥磨出口溫度控制系統的參數

水泥磨出口溫度間接反映磨內溫度，而磨內溫度直接影響水泥的產量。溫度過高，細粉水泥的靜電會增加，其吸附能力便會增強，從而加重了糊球、糊襯板和糊篦板現象，減小了粉磨作用，降低了粉磨效率，增加了粉磨電耗；同時導致選粉機風葉、導向片黏附粉塵增加，水泥的分散性降低，使得選粉效率降低，加大了粉磨系統的循環負荷率，降低了水泥磨的臺時產量；磨機在高溫下運行，易造成軸承溫度升高，油膜形成困難，潤滑作用降低，甚至引起磨機跳停；此外，高溫還會使磨筒體產生一定的熱應力，引起襯板螺絲折斷，危及設備安全。溫度過低，會導致石膏脫水不完全，最終影響水泥產量。

因此，水泥磨出口溫度至關重要，而熱風爐對水泥磨出口溫度有絕對的影響，所以我們選擇熱風爐電磁閥的開度作為控制量。

2 基于卡爾曼濾波器的控制器系統組成

PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數通過線性組合構建成控制器，從而實現對被控制對象的控制。由于對控制品質的要求越來越高，并且控制對象越來越復雜，特別是在具有干擾噪聲的系統中，因PID控制器的局限性，控制器的參數難以自動調整，不能達到理想的控制效果。我們將卡爾曼濾波器與傳統的PID控制相結合，利用卡爾曼濾波器的濾波功能，將濾波后的信號反饋給PID控制器，達到減小噪聲對系統的影響、提高控制品質的目的。基于卡爾曼濾波器的PID控制系統由兩部分組成：第一部分是傳統的PID控制器，直接對被控制對象進行閉環控制；第二部分是卡爾曼濾波器，將輸入與輸出的偏差、控制量及系統的輸出進行整合，達到性能指標最優化、改善控制效果的目的。基于卡爾曼濾波器的PID控制系統如圖1所示，其中：W為控制干擾噪聲信號（也稱過程噪聲），V（t）為干擾噪聲，yv為受到干擾后的輸出信號，y0為經過卡爾曼濾波器處理的輸出信號。

3 熱風爐電磁閥開度控制器設計

熱風爐為水泥磨系統提供熱量，讓其保持一定的溫度，從而提高水泥的產量。但是通過熱風爐電磁閥控制水泥磨出口溫度時，外界的干擾因素會影響出口溫度的測量精確度，所以我們考慮利用卡爾曼濾波器將干擾降到最低，以保證出口溫度的控制精度，進而保證水泥磨處于最佳生產狀態。

通過上述考慮，我們設計了一個利用水泥磨出口溫度參數來控制熱風爐電磁閥開度的控制系統，如圖2所示。預設一個水泥磨出口溫度值，通過控制熱風爐電磁閥的開度來控制噴油量，使水泥磨出口溫度發生改變。將溫度采樣信號通過卡爾曼濾波器進行濾波，輸出最優溫度值，然后進行反饋，達到控制水泥磨出口溫度保持恒定的目的。

圖2 熱風爐電磁閥開度控制圖

4 卡爾曼濾波器-PID控制器實驗仿真

設置控制干擾信號W和測量噪聲信號V均為0.045，輸入為階躍信號，仿真時間為20 ms。分別采用普通PID控制和基于卡爾曼濾波器的PID控制進行仿真。

可見：常規PID控制系統經過幾次超調后便可穩定在指定狀態，但在調節過程中存在幾次超調，受白噪聲的干擾較大；基于卡爾曼濾波器的PID控制系統的過渡時間較短，在過渡過程結束后系統即進入指定的運行狀態，并很好地抑制了白噪聲污染的干擾，能輸出更精準的信號。

基于卡爾曼濾波器的PID（右）圖3

5 總結

文章對基于卡爾曼濾波器的PID控制系統進行了仿真，仿真結果證明了該方法有效。卡爾曼濾波器-PID控制系統能很好地削弱白噪聲對水泥磨出口溫度信號的干擾，可以得到一個穩定的系統輸出，顯著減小噪聲的影響，減少震蕩次數，收斂較快，能對出口溫度的變化做出迅速的反應，保證出口溫度恒定，提高水泥生產的質量和產量。