阅读说明：本技术 基于模型预测控制的粉料混合水分控制系统 (Powder mix moisture control system based on Model Predictive Control ) 是由 许向阳 段居方 王军 于 2019-09-20 设计创作，主要内容包括：本专利名称为“基于模型预测控制的粉料混合水分控制系统”,属于过程控制领域。在生产活动中,常常会涉及对粉料加水混合的工艺,这类系统因其加水时刻与水分测量时刻间往往需要较长时间进行混合,故该问题的一大特点是具有较大的时延。为此本专利提出以预测控制为主要技术手段,通过实际粉料投放量、加水量实际测量值来预测加水点的水分,并通过内外环的PID控制器调节加水量从而达到在具有较大时延的系统中精确控制加水量的功能。本发明能达到的效果包括：在具有大时延的粉料混合系统中,提供一种能对水分精确控制的方法,使控制精度相比人工设定加水量更高,并且做到提高产品品质,减少浪费。(This patent is entitled " the powder mix moisture control system based on Model Predictive Control ", belongs to process control field.In production activity, the technique that can be usually related to adding powder water to mix, this kind of system generally requires the long period and is mixed because it adds between water moment and moisture measurement moment, therefore the one of the problem big feature is that have biggish time delay.This patent is proposed using PREDICTIVE CONTROL as technical way thus, the moisture of filling up area is predicted by practical powder injected volume, amount of water actual measured value, and amount of water is adjusted to reach the function of accurately controlling amount of water in having the system compared with long time delay by the PID controller of inner and outer ring.The present invention can achieve the effect that include: in the powder hybrid system with long time delay, provide it is a kind of can make to control precision higher compared to artificial setting amount of water to the method that moisture accurately controls, and accomplish to improve product quality, reduce waste.)

基于模型预测控制的粉料混合水分控制系统

技术领域

本发明涉及一种针对粉料混合过程水分大小的控制系统。以预测控制为主要技术手段，通过实际粉料投放量、加水量实际测量值来预测加水点的水分，并通过内外环控制器调节加水量从而达到在具有较大时延的系统中精确控制加水量的功能。本发明专利属于过程控制领域。

背景技术

在生产活动中，常常会涉及对粉料加水混合的工艺。在这类工艺中，加水后的混合物水分含量是否精确决定着后续的生产环节能否顺利进行；并且，这类系统因其加水时刻与水分测量时刻间往往需要较长时间进行混合，故该问题的一大特点是具有较大的时延，这种时延对水分的控制非常不利，直接控制很难达到理想的控制效果。

如图1，以钢铁厂中对矿粉的加水混合为例，矿粉加水后会进入滚筒混合，加水量的大小决定了混合后物料的水分含量，而水分含量的高低决定着后续炼铁过程中产品质量的高低，因此水分含量控制精度十分重要，也就是加水量的控制十分重要。而从滚筒前的加水点到出滚筒后的水分测量点一共要经过大约 130秒，产生巨大的时延。由于在这130秒的过程中，矿粉情况可能随时都在波动，而水量的调节作用需要在130秒以后才能得知效果，这必然造成水量调节对混合后水分含量的控制效果很差，容易引起水分控制不达标而造成后续产品品质不达标。

对此，本发明专利提出了以预测控制为核心的粉料混合水分控制系统，利用预测模型形成的内环控制回路，对主要干扰进行有效快速的抑制，从而在具有大时延的系统中精确控制加水量，使粉料加水混合后的水分值在设定值附近小幅波动，达到更精确的控制效果。

发明内容

本发明的目的在于解决目前粉料混合中水分含量由于存在大时延而难以精确控制的问题，提出了基于预测控制的水分控制系统。在该控制系统中，首先从工业传感器中读入待混合粉料称重的测量值、加水水量的测量值等到控制器中，通过预测模型计算出水分的预测值，经过内环控制器实现对主要干扰有效快速的抑制；再通过对水分预测值进行外环补偿控制，最终实现在大时延系统中克服时延，提高水分控制精度的效果。

本发明能取得的有益效果包括：在具有大时延的粉料混合系统中，通过预测模型，构建具有内外环控制回路的串级控制系统，最终提供一种能提高水分含量精确控制的方法，克服大时延对控制带来的影响，从而达到提高产品品质，减少浪费的效果。

附图说明

图1：钢铁厂中的粉料混合装置示意图

图2：控制系统框图

图3：控制系统等价示意图

具体实施方式

本发明的核心思想为模型预测控制，即根据混合过程的数学建模，可在线实时预测在加水点位置的混合物料的水分值，并通过加水量的调节控制水分含量。由于对控制来说，到加水点位置的水分预测为最快，因此以该点作为预测点，水分含量控制最为有效。之后再通过外环的实际水分测量值进行微调，使实际混合水分值达到设定水分值。控制系统的框图如图2所示，系统框图中的各变量、模块的说明见表1。

表1控制系统框图说明

变量、模块或传递函数	说明
		R<sub>D</sub>	设定的水分含量
u	加水控制量
		G<sub>P1</sub>～G<sub>P4</sub>	实际过程
G<sub>1</sub>～G<sub>4</sub>	预测数学模型
		D<sub>P</sub>	预测水分含量
D<sub>d</sub>	水分测量值
		W<sub>s</sub>	粉料实际投料量
W<sub>d</sub>	粉料投料量测量值
		F<sub>d</sub>	水流量测量值

1)预测模型

假设原始粉料的含水量一定，这样在预测模型中可以不考虑粉料的含水量。

设粉料实际投料量为W_s(t)(Kg/h)，粉料称重的测量值为W_d(t)(Kg/h)，粉料到混合点的估计值为W_p(t)(Kg/h)，则：

其中δW(s)为噪声，T₁为称重仪表的时间常数。

(注：X(s)为信号X(t)的拉氏变换。)

其中est{}为估计，T₂为粉料到混合点的时间常数，τ₁为粉料到混合点的纯时延时间。

设水量的测量值为F_d(t)(Kg/h)，假设水量测量准确无时延，水到混合点的预测估计为F_p(t)(Kg/h)，则：

其中τ₂为加水点(也即水量测量点)到混合点的纯时延时间。

由于对控制来说，到加水点位置的水分预测为最快，因此以该点作为预测点，则加水点水分的预测值可表示为：

从图2可以看出，通过对粉料投料量和加水量的测量来预测加水点的水分含量，等价于图3在加水点进行水分含量的直接测量，该测量通道的等价传递函数(模型)具有非常小的时延；同时，来自水压波动等造成的水流量波动，和粉料投料量的波动等干扰，在预测模型中都能实时体现，因此在控制器1回路中，这些干扰因素都能得到快速的有效抑制，从而为整个控制回路实现高精度带来条件，也是本专利的核心所在。

2)控制回路设计

如图2，本专利中采用了内外环双控制器组成串级控制回路。内环的控制器作用较强，用于根据预测值进行快速调整，把内环中来自水流量波动和粉料投料量的波动等主要干扰进行快速有效抑制；外环的控制器作用较弱，用于对预测模型的偏差进行微调。

在内外环的控制回路中，都设置了手自动无扰切换方法。内环手自动切换用于在生产不中断的情况下可以人为调节加水量，并从人工操作无扰切换到系统自动控制。对于手自动切换，当处于手动模式时，令输出量U直接跟踪手动设定的加水量；外环手自动切换用于人工调节内环设定，即内环水分含量设定，在内环平稳后，从人工操作无扰切换到系统自动控制，实现整个控制回路达到自动状态。手自动无扰切换方法主要用于开停车过程的平稳过渡。