摘 要

水泥回转窑烧成带温度的控制是水泥制备的核心环节。由于水泥回转窑是一个多变量、非线性、大滞后、强耦合的复杂系统，所以使得水泥回转窑烧成带温度控制较为困难。当温度太低时，会造成生料无法完全分解，造成浪费；当温度过高时，所用的煤粉也会增加，造成资源的浪费与水泥质量的下降。

在本次设计中，回转窑系统的复杂性是一个难点。通过对回转窑系统的分析，首先采用常规PID控制对系统温度进行控制。然后根据自治、补偿的原则，结合操作者总结的生产经验以及PID控制算法的优点，采用FUZZY-PID控制与FUZZY控制从而实现控制系统方案的优化。

回转窑烧成带的温度控制分别采用三种控制方式，分别对系统进行优化。同时使用MATLAB进行仿真，并总结各种控制器的优缺点。

关键词：回转窑；温度；模糊控制；仿真

Abstract

The control of the temperature of the firing zone of a cement rotary kiln is a key technical link for the preparation of a new dry process cement. Because the cement rotary kiln system is a complex system with multiple variables, nonlinearity, large delay, and strong coupling, it is difficult to control the temperature of the firing zone of a cement rotary kiln. When the temperature is too low, the raw material cannot be completely decomposed, resulting in the waste of raw materials; when the temperature is too high, the coal used will also increase, resulting in the waste of resources and the decline of the cement quality.

In this design, the complexity of the rotary kiln system is a difficult point. Through the analysis of the rotary kiln system, the conventional PID control is used to control the temperature of the system. Then according to the principle of autonomy and compensation, the use of FUZZY-PID control and FUZZY control to optimize the control system combines the operator's production experience with the advantages of the PID control algorithm.

The temperature control of the burning zone of the rotary kiln adopts three control modes, respectively, to optimize the system. Simultaneous use of MATLAB to simulate and summarize the advantages and disadvantages of various controllers.

Keywords: rotary kiln；temperature；fuzzy control；simulation

目录

第1章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内外的研究现状 1

第2章 水泥回转窑生产工艺及设备 3

2.1水泥工业概述 3

2.1.1水泥工业发展历史 3

2.1.2水泥生产概述 3

2.2生产工艺流程 5

2.2.1回转窑 5

2.2.2五级旋风预热器 7

2.2.3分解炉 7

2.2.4篦式冷却机 8

第3章 水泥回转窑温度控制 9

3.1 PID控制理论 9

3.2 PID参数整定 9

3.3模糊控制理论 10

3.4模糊控制器的设计 11

3.5模糊自适应整定PID控制原理 12

第4章 仿真 22

4.1仿真的发展趋势 22

4.2 PID控制仿真 22

4.3模糊PD控制仿真 23

4.4模糊PID控制仿真 27

第5章 总结 30

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1课题背景及意义

水泥是国民经济的重要原材料。目前，国内外尚无材料可替代其地位。长期以来，水泥一直是人类社会使用最广泛的建筑材料。在中国现代化和城市化进程中，对水泥的需求只会增加，水泥工业将进入一个新的发展阶段。尽管我国在水泥行业方面取得了不错的成绩，但还存在着许多问题。主要体现在公司规模小，产品质量低下，生产能力相对落后，能源耗量高，环境污染严重等方面。短期时间内，国内水泥的需求量还是巨大的。众所周知，生产水泥不仅损耗大量资源，而且污染人们赖以生存的生活环境。因此，长期以来，“高能耗，重污染”帽子就扣在了水泥生产中。在21世纪，人们对生态环境越来越重视。从能源上来讲，我们需要降低能源的消耗；从生产技术上来讲，还要不断地创新技术，使水泥的生产朝着低能耗，低资源负荷和低环境负荷的方向发展^[1]。

未来10到20年，要进一步推进水泥生产行业科学发展观的落实。要走新型工业化道路，加快水泥工业结构的调整和升级，促进水泥工业的可持续发展^[2]。水泥生产是一个热过程，由于人工操作存在迟滞性和不准确性，容易影响水泥质量和能源的使用情况，所以对水泥的制备提出了更高的要求。回转窑的温度控制对水泥制备是关键所在，因此对新型干法水泥回转窑烧成带温度控制的设计有重要的经济和社会意义。

（1）探索一种控制新型干法水泥回转窑烧结温度的较好方法，研究烧成带温度的控制，提供较好的建模和控制方法，促进水泥研究的前进。

（2）提高水泥的生产率和降低能耗。目前，我国水泥需求量不断增加，生产规模也在不断增加，设备自动化程度也越来越高。因此，不断减少生产所需能耗，降低污染的排放，提升水泥生产效率尤为重要。优化水泥生产结构体系将为社会带来巨大的经济效益。

（3）推动各个学科之间的交流与发展。新型干法水泥回转窑烧成带温度控制系统的设计不仅需要了解水泥生产过程，还需要了解控制理论、计算机、网络和多媒体技术。它为应用各学科在水泥领域的最新成果提供了新思路。

1.2国内外的研究现状

水泥的生产过程伴随着许多物理和化学变化。因此，水泥生产过程中的温度控制更加困难。

控制水泥回转窑烧成带温度的难度通常表现在三个方面：

（1）被控量（煤粉）的流量难以控制。新型干法水泥烧成带的温度很高，一般在1400℃左右，所以对燃料的需求量比较大。因此常常采用价格比较低廉的煤粉做燃料，但是煤粉非常容易结块，所以流量难以控制。

（2）生产工艺较为复杂。水泥回转窑的体积较大，水泥在生产的过程中会发生很多复杂的物理化学变化。因此构建比较准确的数学模型是很困难的，这也给温度控制带来了一定的问题。

（3）回转窑温度范围较长，各温区并不相互独立，耦合性强。因此要控制烧成带温度也较为困难。

对于这样一个较为复杂的系统，从上世纪60年代起，人们就展开了对其温度控制的研究。一般来说，水泥回转窑温度控制的研究可分为以下几个阶段：

（1）人工阶段。在20世纪60年代以前，由于信息技术与自动化技术发展比较缓慢，人们对自动化技术的观念还较为薄弱，一般采用手动控制。即完全凭借人工经验来对系统进行控制，这样大大增加了工人的劳动强度同时也使得生产效率较为低下。

（2）自动控制阶段。随着信息技术和自动化技术的日益发展，国外已逐步开发应用全自动化技术。自1978年以来，我国先后引进了一批日产在2000〜4000吨的预燃烧窑生产线，从而快速地提高我国新型干法水泥生产能力和技术水平。其生产效率有了一定的提高，但控制系统的可靠性较低，精度较低，并且只能完成一些简单的算法。

（3）微机控制阶段。随着计算机技术的广泛发展，1980年以后，以提高质量和降低成本为目的的立窑技术改造逐步推进。普通立窑转变为机械立窑，计算机配料和控制等各种技术逐步引入生产。微机控制显著的改善了设备的运行状况，但还不够完善，对环境和抗干扰性较高。

（4）智能控制阶段。近年来，中国在这方面取得了一些成果。王英等人提出了将两种控制方式优点相结合的观点并应用到了实际生产中；王蕊将模糊PID控制器应用于水泥回转窑的温度控制，取得了一定的效果。陈靖宇介绍了DCS分散系统在水泥生产中的应用情况;杨为民等人建立的相关的模糊控制模型；孙平东将BP神经网络应用于水泥回转窑，并优化了一些控制问题。1980年，Ostergrad将模糊控制应用于石灰窑生产过程。1982年，该技术也被应用于大沽水泥窑生产线上。这些智能控制给水泥工业带来了新的应用前景，并成为了当前发展的重要领域。

第2章 水泥回转窑生产工艺及设备

水泥回转窑生产过程较为复杂，生产所需设备较多。

2.1水泥工业概述

2.1.1水泥工业发展历史

自从人类发明水泥以来，水泥工业的生产技术和设备在不断变化。随着水泥生产工艺的变化，窑由立窑，中空回转窑，湿法窑，预热窑逐渐转变为新型干法窑。研磨设备也从球磨机转变为管磨机，立式磨机和压机。粉磨系统从原来的开流发展为环流（闭环），并且形成了现在由立磨、分离器、扩散器和大型球磨机组成的大型研磨系统。

水泥回转窑是一个结构比较复杂的系统，要实现对该系统的控制，必须对其结构与工作过程有一定的了解。

迄今为止，新型干法水泥的制备经历了五个阶段：

（1）从20世纪50年代到70年代，水泥工业成功地运用了悬浮窑技术。这意味着新型干法水泥的技术诞生，在此之后该技术开始不断地发展。

（2）20世纪70年代初，分解炉的成功开发标志着新型干法水泥制备技术的深入发展。随着预分解窑技术的不断发展和旋风预热器的应用，分解窑逐渐取代了悬浮窑。

（3）20世纪70年代以后，石油价格不断上涨，使得生产水泥的成本不断提高。水泥生产工业的燃烧原料开始从石油转化为煤粉。这使得预分解窑不断更新，同时促进了水泥工业的发展。

（4）从20世纪80年代到90年代，分解窑技术不断发展并逐渐走向成熟。新型干法水泥的技术广泛应用于工业生产中，其高度集成化、自动化等优点大大促进了生产效率，使水泥生产的各个数据指标得到了显著的提升。

（5）自20世纪90年代以来，新型干法水泥技术不断发展。向着更加高效、低能耗、智能化的方向发展，逐步走上“生态水泥”的道路。

2.1.2水泥生产概述

目前，世界上较先进的水泥生产技术是新型干法水泥的制备技术。窑外分解技术：通过气动泵的作用，生料被提升到五级旋风分离器中并在各级加热。生料经过预热器加热后会进入分解炉。在分解炉中煤粉不断燃烧释放能量，使炉内温度升高，使生料中的碳酸盐部分可以分解。使用分解炉可以大大提高原料的分解率，还可以提高回转窑的产量。新型干法水泥的制备核心技术是窑分解技术和悬浮预热技术。

新型干法水泥是一种低能耗，低污染，高效率的生产技术，是使水泥制剂行业成为环保型智能型行业不可或缺的一部分。提高生产效率和减少环境污染是人类追求的目标，温度控制是一个非常关键的因素。

新型干法水泥的制备可以概括为“两磨一烧”，水泥工业方框图如图2.1所示。

图2.1 水泥工业方框图

“两磨”是指原料粉磨和与燃料粉磨^[9]。“一烧”指的是生料的煅烧。

水泥的制备通常包括三个阶段：

（1）原材料的制备，包括原料的提取，原料的均质化，原料的配料，原料的磨碎和原料的均质化五部分。主要是指将碳酸盐原料与硅酸盐原料开采后，再搭配一些校正的原料并且按一定比例混合粉碎、均化，最后形成合适的生料的过程。

（2）熟料的煅烧，包括预热分解，熟料煅烧和熟料冷却三部分。主要是指将均化后的生料经过预热分解与熟料煅烧，生料会发生物理化学变化并形成以氧化钙与二氧化硅为主要成分的熟料。

（3）研磨水泥，包括水泥配料，水泥研磨和成品包装。主要是指把熟料和其他物质进行一定的配比，然后再经过混合粉末最终形成水泥的过程。

根据原料制备方法，我们可以将水泥生产分为干制剂和湿制剂。干法意味着首先将原料和燃料取出并干燥形成生料，然后加入窑中进行煅烧。湿法是指向原料中加入水制成原料浆并使其脱水形成原料块。干燥和碾磨面粉然后将其加入窑中的方法称为湿法。随着水泥工业的发展，新型干法水泥的制备是最先进的方法。

新型干法水泥制备通常由三个阶段组成：

（1）生料的制备。生料主要由石灰石和粘土组成，添加砂岩来修正铁铝材料。分别以不同的比例配制，经过粉碎进入配料系统最后混合形成生料磨粉。然后用分离器将粉末选入原料均质机中，然后送入回转窑。

（2）熟料的煅烧。熟料的煅烧是新型干法水泥制备的最核心部分。主要由五级旋风预热器，分解炉，回转窑和篦式冷却机构成。经过气力泵的作用，均化后的生料粉被吹入五级旋风筒中，在预热器中得到加热，然后依次进入分解炉与回转窑。在回转窑内煤粉燃烧释放大量能量并形成热气流。与进入回转窑内的生料粉发生对流，在这个过程当中，生料粉逐渐转化为熟料。然后通过篦式冷却机的冷却将其送至熟料。

（3）水泥的磨粉。水泥磨粉是指经过冷却处理的熟料与混合材料、石膏等添加的物质经过一定比例的混合后经锻压机与磨粉处理，使水泥颗粒达到合适的大小。成品水泥最终通过粉末选择系统运输到水泥仓库，并进行包装或散装运输。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：