篦冷機的液壓伺服系統PID控制器設計與控制優化

鄭春籽

摘 要：水泥作為世界各國不斷完善基礎建設中不可或缺的基本原料。然而，現有技術水平還無法解決其生產過程中暴露出來的高能耗、高污染等現實難題。現階段，如何有效降低生產過程中污染排放、最大程度提高生產效率是新型干法水泥迫切待解決的問題。篦式冷卻機作為水泥生產工藝過程中主要的熟料冷卻與熱量回收的專用設備，在節能減排方面起著至關重要的作用。因此，提升傳統篦式冷卻機推進系統的運行穩定是當前水泥制造過程中的關鍵之處。本文重點研究篦冷機推進系統的高性能控制。

關鍵詞：篦冷機;液壓伺服系統;PID控制系統設計

一、篦式冷卻機控制系統現狀

篦冷機控制系統的控制效率對水泥生產過程中起到決定性作用。篦冷機是水泥生產過程中的重要設備，負責高溫熟料的驟冷以及熱量的回收和分配。改善篦冷機的換熱效率對提高水泥質量，降低能耗有重要作用。

（一）篦冷機換熱過程及評價方法

篦式冷卻機的換熱原理、篦式冷卻機換熱過程進行詳細的描述;對篦式冷卻機的系統組成，各個組成部分的工作原理及作用進行描述;對篦式冷卻機的歷史發展過程包括筒式冷卻機的發展，篦式冷卻機的更新換代發展過程、篦式冷卻機熱效率評價方法進行綜合分析，主要從篦冷機熱效率、冷卻效率、空氣升溫效率、入窯二次風溫度和入爐三次風溫、出冷卻機熟料溫度等評定指標對篦冷機性能進行定量衡量[1]。

篦冷機換熱過程主要是將高溫熟料溫度由1300℃～1400℃快速降至100℃左右，并對高溫進行回收利用。本章及主要對篦冷機從結構上進行分析分析篦冷機高溫熟料的換熱過程，從工藝角度對整個篦冷機工作過程進行詳細的描述，對篦冷機換熱效率給出相應的計算公式給出評價標準。對篦冷機的發展過程進行描述，對篦冷機從熱效率、冷卻效率、空氣升溫效率、入窯二次風溫度和入爐三次風溫、出冷卻機熟料溫度等方面進行綜合評價。

二、篦式冷卻機換熱過程

篦冷機是水泥廠熟料燒成系統中的重要設備，其主要功能是對水泥熟料進行冷卻、輸送;同時為回轉窯及分解爐等提供熱空氣，是燒成系統熱回收的主要設備。篦式冷卻機是一種驟冷式冷卻機。熟料由窯進入冷卻機后，在篦板上鋪成一定厚度的料層，鼓入的冷空氣以相互垂直的方向穿過篦床上運動著的料層使熟料得以驟冷，可在數分鐘內將熟料由1300℃-1400℃驟冷到100℃以下。傳統的篦式冷卻機分為回轉式、振動式和推動式三種，但由于前兩種已被淘汰，推動式篦冷機已經成為窯外分解窯配套選用的主要水泥熟料冷卻機機型。篦床是冷卻機的主要部件，推動篦板是由一行一行間隔排列的固定篦板和活動篦板組成。

三、篦冷機控制系統與分析

首先對篦冷機的液壓伺服系統進行數學模型建立，從液壓伺服系統工作過程入手根據其工作原理建立相應的數學模型。對數學模型進行分析，從系統穩定性出發分別對根軌跡、Bode圖等幾個傳統方法對模型穩定性進行分析，通過分析判斷該系統是否能夠達到工藝要求，若不能達到工藝要求，需要采取控制策列對其進行校正。

（一）篦冷機液壓系統模型

篦冷機液壓系統主要是液壓伺服系統主要包括功率放大器、電液伺服閥和液壓缸等組成，本節主要對液壓伺服系統進行數學模型建立，從液壓伺服系統工作過程入手根據其工作原理建立相應的數學模型[2]。

（1） 液壓伺服系統結構

由于液壓伺服系統本身存在著諸多優點，如系統的響應速迅速、能夠承受大負載、系統的控制精度高等特點，被廣泛的應用于工業控制領域。液壓伺服系統是對系統的輸出量如位移，如速度和力等能夠迅速準確的對其進行輸出功率進行一定幅度的放大，并且能夠準確迅速的隨著輸入量的變化而變化。

電液伺服系統的工作原理示意圖如圖3-1所示，電液伺服系統通過其內部的功率放大器和電液伺服閥將輸入的小的電壓信號通過內部轉換成具有一定放大倍數的電流信號，并將輸入的電信號通過液壓伺服系統中的內部轉換器轉換為相應的機械量，由于其內部本身是個高精度的環節，將機械量的偏差通過其內部的先導級閥和功率級閥的調節輸出為流量或者壓力。流量或者壓力控制伺服系統的執行元件一般為液壓缸或液壓馬達，執行機構再對液壓伺服系統的的控制對象進行驅動控制，從而使被控系統達到系統滿足的要求。

（二）系統穩定性分析

對數值化模型進行分析，模型存在一個積分環節為I型系統，在階躍輸入時系統的穩態誤差為0;對系統的動態過程的性能指標主要由電液控制閥和液壓缸的頻率決定的，它們的大小將會影響系統的動態過程品質。

系統的控制精度、快速性與穩定性相互制約。系統的控制精度通常用穩態誤差來衡量，誤差的大小衡量對系統控制的好壞，系統的控制精度與系統的放大系數有關系，一般增大系統的放大系數系統的穩態誤差會隨之減小，但是改變放大系數的大小不能消除系統的穩態誤差。在該系統中系統的放大系數 越大則系統精度越高。上述模型系統的快速性取決于波特中的穿越頻率，穿越頻率越大系統的頻帶越寬，調節時間越短。綜上所述該系統的控制精度、頻寬和穩定性是相互制約的。

對液壓伺服系統進行數學模型建立，從液壓伺服系統工作過程入手根據其工作原理建立相應的數學模型。對數學模型進行分析，從系統穩定性出發分別對根軌跡、Bode圖等幾個傳統方法對模型穩定性進行分析，通過分析發現該系統不能達到工藝要求，需要采取控制策列對其進行校正。并采用PID控制對其進行綜合校正，效果得到明顯提升[3]。

四、結語

利用機理建模方式，對液壓伺服系統中的功率放大器、電液伺服閥和液壓缸建立了精確的數學模型，進一步整理得到篦冷機液壓伺服系統狀態空間形式的設計模型。在此基礎上，采用經典控制方法中的根軌跡、Bode圖對系統進行穩定性分析;綜合分析結果，擬設計PID控制器來進一步提高、改善液壓伺服系統性能，進而提高篦冷機生產效率[4]。

參考文獻：

[1]呂鵬，李保明，于新軍.優化煤立磨取熱風工藝管道改造[J].中國水泥，2019（03）：94-96.

[2]劉彬，張春燃，孫超，顧昕峰，劉浩然.多種群遺傳算法在篦冷機二次風溫預測中的應用[J].計量學報，2019，40（02）：252-258.

[3]王開俊，張征，李金柱.LANE型第四代篦冷機運行操作要點[J].水泥工程，2019（01）：21-23.

[4]趙志彪，劉彬.水泥篦冷機出口熟料溫度自適應辨識模型[J].控制理論與應用，2019，36（04）：651-658.