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如何提高粉体给料技术的控制精度

水泥 2010-11-12

　　一、问题背景

　　粉体的物理流动性在多种因素影响下会呈现大跨度的变化，当处于气粉混合态时具有气液体的高流动性和高压力传导性，在流通方向压差大时易导致冲料自流现象；当长期沉积淤塞时又具备固体的板结铁实非流动性和高压力阻隔性，结果容易导致阻塞断料现象；当正常给料呈半流态时又会遇到架拱结圈的瓶颈效应，结果导致限流性欠料，即使不欠料，也会因为流动性的变化引发来料密度与压力的波动，结果导致给料的波动性。

　　正是因为粉体介质在静动态间具有巨大的动力学差异性，造成目前粉体定量给料的控制误差太大，直接影响到后续工艺产质量的保证和提升，又进一步关系到企业的赢利和价值目标，如何提高粉体给料的控制精度就成为研究的焦点！

　　二、理想控制特性

　　理论上，一切定量控制的控制特性最好是一条过零的直线，方程为：

　　y=kX

　　如图所示：

　　Y对应的数字范围为0-满量程，X对应的数字范围为0-100%，K为比例系数。

　　实际上，由于控制对象的惯性作用，控制量变化时被控制量要经过相应的时延响应过程后才稳定，一般采用电机调速系统，因含动能积累或释放，为二阶惯性环节，普通螺旋机在X以10%驱动跃变下，流量Y的稳态响应时间一般在2秒左右。

　　理论上，Y与X的关系呈线性一一对应直线关系最好，或者两者间虽呈非线性但能保持一一对应曲线关系，在此理想的控制特性下，只要有带足够分度的刻度盘的电位计，用人工手动控制，任何目标Y也可容易稳定实现高精度。此特性也称为开环控制特性。

　　三、粉体给料装置的实际控制特性

　　人们设计了不同工作原理的粉体驱动控制装置，如单双管螺旋机、圆盘转子机、密封皮带机等等，虽然都是瞄准同样的一一线性对应关系，然而最终实际结果往往却是一簇随机对应的曲线组。

　　最常见的普通螺旋机的实际控制特性如下：

　　螺旋机的工作原理是基于满填充的单位螺距定容积物料输送。由于粉体流动性随机变化造成的密度变化将导致单位容积质量的不同，加上粉体压力增大时会造成超越螺旋运动速度的随机流动性前窜，如果螺旋叶壳间隙大时更加剧了前窜流动性的发展，最终就导致每旋转周期螺距给出的粉体质量随机不同。一般情况下，螺旋正向升程加速时因流动性处于增大过程，其特性处于低端，但反向回程减速时流动性已大不可遏，其特性就必然上移，呈现明显的滞环效应，而且工作点越高，滞环效应越大，用军事术语叫“跳动”严重，其控制特性图呈胖头大棒状。

　　当采用密封型皮带机给料时，由于其直通料路的流动性锁止结构力弱，其特性比普通螺旋更差。

　　圆盘式转子给料机，由于不存在直通料路，流动性前窜的因素较小，但问题出在含气粉体对定容积储料分格的填充密度变化上，一但粉体含气量发生变化，同容积的粉体质量必然变化，结果也好不到那里去。

　　普通螺旋机实际的控制特性数学模型是：
　　Y=K*r(P(Y))* X+ R(P(Y)-F(Y))

　　其中，r是最后出料单位工作腔的供料填充系数,值域0~1，它是填充压力P（主要由卸料仓的工作结构和仓口压力决定）的正函数；P往往又随工作流量Y的增加而增加。

　　R是干扰量，值域0~100%Y满程，一般<50% Y满程，它是最后出料单位工作腔的进料填充压力P和前窜锁止力F（主要由给料装置的工作结构决定）之差的函数。当P>F时随机产生R，当P<F时R=0，而其中 F往往又随工作流量Y的增加而减少，而P往往又随工作流量Y的增加而增加。

　　R在时域变化呈现的最快频率或最小周期tr很重要，如果tr较大，干扰过程缓慢，则有机会进行闭环修正。

　　正是由于供料填充系数r和干扰量R的存在，造成同一控制量X下会出现不同的Y，使Y与X之间失去一一对应的重复性，这种Y的开环随机波动幅度与频率决定了控制装置的最终精度。

　　当前端的料仓内崩塌形成高流态含气高压粉体进入给料装置时，而给料装置的工作结构不能吸收释放其压力和流动性，锁止力又弱，就会造成粉体沿料路通道强行前窜形成自流，装置停机后还持续冲出粉料，直到仓内粉体高压动能释放完毕或出料堆积阻力高于料压后才停顿。用军事术语叫“走火”，常见于螺旋机、皮带机和叶轮机，表现为冲料自流的控制特性显示如下：

　　X=0
　　P(Y)>>F(Y)
　　Y= R(P(Y)-F(Y))

　　当给料装置前端的仓内拱结形成随机半径的细窄瓶颈，形成漏斗流限流，就会导致给料装置的工作结构不能获得满填充，造成粉体通道半填充全速运转，严重时其特性下移表现为阻塞断料，其本质是前端仓体卸料不畅产生问题，而非给料装置自身的问题。用军事术语叫“卡壳”，此情况下呈现早饱和的控制特性如下：

　　r=0~0.5
　　R=0
　　P(Y)=0
　　Y=K*r(0)*X

　　有一种情况也常出现，当螺旋给料机从额定工作流量紧急减速停机时，一但停止后，其流动性前冲惯性会对螺旋叶片工作区造成高密实性挤压；而重新从静态停机重新开始低速启动给料时，由于此刻粉体流动性最差阻力很大，运行负荷最大，但采用变频调速驱动的螺旋却正好处于效率最低的工作段，电压与频率低，输出力距小，提升力矩过大可能造成电流超限而保护自动停机，或者因长时间大电流堵转引发电机温升。此时的特性表现为：

　　X=0~100%
　　Y=0

　　而在额定的流量工作区，由于流动性高、负载轻、转速较高，变频调速反而处于效率较高的大力矩工作段。要解决此类矛盾，一方面应在设计上具备释放缓冲的料容结构，一方面应在运行程序上采取慢速停机，中高速启动开机的工作方式。

　　由于常规的螺旋给料常常遇到上述种种难以克服的问题，有人转而采用气动方式来控制给料，通过在料仓底部装设气化管路和风动斜槽，卸料时对库底吹入一定压力的空气，使粉体充分流态化后用流量闸阀的开度来控制出料量，结果往往由于调节阀前端的仓内粉气混合浓度与压力不稳定，在小开度时因阀后产生气旋涡流效应提升了背压消弱了压差而呈截止限流特性，而阀位开度超过气旋涡流效应的临界拐点后的背压大幅下降，造成开度流量突然提升，但很快又因调节阀后的背压饱和提升，造成阀前后压力差的减小平衡而进入饱和限流特性，总体呈现典型的大死区的继电器开关特性，非线性严重，表现为截止区与饱和区太大，而线性控制区域狭窄，控制区的Y/X的斜率太高含滞环，其开环波动幅度太大。其流量呈现出多变量控制的函数关系：

　　Y=f(X,U（Y）,S,?)

　　其中，X为阀门开度，U为阀门前后压力差，S为粉气混合密度,?为未知的其他影响因素。特别是压力差U又可以被输出的Y影响，形成局部随机强烈循环反馈,因此其控制规律是极其复杂的。而且，采用气动卸料技术必然导致给出粉体含气量高且压力大，对后续检测计量存在严重干扰，用于定量给料场合是得不偿失的。

　　气动闸阀的实际控制特性：

　　一个好的控制装置的控制特性应该具备较小的开环波动幅度如5%满程，在其控制特性曲线反映为线束较窄细，且Y/X的斜率低，控制区域宽，控制分度高如〉0.5%。

　　r=1
　　R〈5%Y满程
　　Y=K*X+R

　　四、用闭环反馈提升控制精度

　　通过闭环控制能改善最终的目标控制精度，但闭环能补偿的开环特性波动是有限的。其效果主要取决于给料装置的开环波动性和驱动控制对象的惯性延时，以及检测计量的精度和检测反应时间等。

　　控制环路上每个信号流的传递环节都必然存在反应时间，t1一般为高速的计算机处理环节，时延可控制在毫秒级，t2是执行转换时延，由设计结构的机械质能驱动效率决定，一般在2-5秒左右，t3是检测感应环节时延，由检测原理的工作结构的决定，一般在0.5-5秒左右时间. t4 是信号处理的滤波延时，一般可控制在0.5-1秒内

　　当构成闭环内所有环节的反应时间之和（系统开环响应时间）t=t1+t2+t3+t4变大时，根据稳定控制原理，闭环控制周期T=t也必然加大，则非控制时间内的开环波动幅度必然也随之变大，其变化幅度就是闭环控制能修正的最小稳态误差，所以构建控制系统应尽最大可能地缩小每个t的子项。如果能使t<2tr，就可有效修正R的干扰。

　　如果闭环系统调节修正的工作参数（如控制周期与pid参数等）设置不当，其控制误差还会进一步放大。例如：如果强行超越系统开环响应时间来缩短控制周期，使T<t，就会导致前次修正作用已产生但还未从反馈信号反应出来时继续追加新的修正，造成过度修正而引发控制震荡；反之，如果超越系统开环响应时间地延长控制周期,，使T>t，又会错失进行有效修正的最快时机，造成稳态误差的扩大。

　　当采用螺旋称或皮带称来检测料流量时，由于其计量段的物料通过时间一般高达5秒以上，属典型的积分滞后传递环节，用于变化快速的粉体计量是极其错误的，因其明显导致了系统开环响应时间加大，不但容易引发控制震荡，还推延长了对给料装置开环波动性的及时修正调节时机，进而导致系统闭环控制误差的放大。

　　检测反馈环节是构成闭环的重点，用军事术语叫“眼睛”，其关键参数是反应时间和识别精度。对粉体计量而言，冲板式流量计因采用动量测量原理，其检测反应时间(包括感应检测与放大转换)一般在0.3~1秒内，是现有技术手段中最快的，要远好于螺旋称、皮带称等积分计量方式，识别精度一般能保证0.3%FS以上。如下图示:

　　如果给料装置本身的开环控制特性的随机误差波动就大，再采用错误的积分滞后式检测来构成闭环，则无论采取任何先进的（自适应、预测、智能、鲁棒等等）控制技术理论都将失效。因为，虽然我们拥有先进的计算机技术，但即使伟大的爱因斯坦复活，也不可能建立起一个可修正随机干扰变化规律的数学模型。

　　为便于非专业人士的理解，我们设计一个控制精度比赛：A为顶尖赛车手的舒马赫先生，给他灌一瓶62度二锅头，使其醉酒后的视觉到动作的反应时间从0.1秒延长到3秒，再给他一辆方向飘得没谱（假设带有2度的方向随机波动和1秒的动作时延）的破车；B为刚拿到驾照的菜鸟您，具备正常0.3秒的反应时间再配一量辆方向正常的普通车，然后找个首都机场那么大的场地中间划条2000米醒目地标直线，要求您俩分别以 50米距离垂直右转弯从一端进入直线赛道，保持80迈以上速度跑完2000米，比比谁控制的左轮迹偏离地标直线的误差大，比赛结果完全可昭然预测如下：

　　即使按3度偏差回切过中心线，由于A的视觉反应时间加方向机作用延时共计4秒以上，可计算出其最小修正偏差为sin3*80*1000/3600*4=4.6米

　　显然，A先生将以最先进的驾驶控制技术和最丰富的驾驶控制经验惨败于菜鸟B先生您！仅仅是因为方向机差些和反应慢些，就足以将英雄变成狗熊！

　　上述虚拟比赛说明，如果给料装置自身的开环控制特性的随机误差波动就比较小，驱动结构的动力惯性也轻盈快捷，再采用准确的即时式检测来构成闭环，则采取常规的计算机差分增量PID控制技术就足以取得很好的控制精度。

　　所以，脚踏实地打造好粉体给卸料环节的硬件基础，塑造出较好的开环控制特性，同时确保对流量的检测及时准确，提高其控制精度自然就水到渠成。既不必舍本逐末，指望从所谓先进的控制理论中去寻仙问道；也不必绕山转水，期待从复杂的气粉动流体力学中去雾花镜月。

　　五、结论

　　如果不穿透现实粉体控制的复杂表象，发现其下掩藏的内在本质规律，而是跟着问题的表象跑，就常常在现实中看见很多局部而肤浅的五花八门的技术处理方案。其实，要提高粉体控制精度，只要系统地在影响其的3个本质因素的基础环节上同时展开提升，就必然获得真正的推进。

　　1、卸料环节

　　前端必须配套通畅充盈的大库整体流供卸料系统，利用粉体动态拱下泄机制保持仓口粉体压力密度的均衡平稳，卸料结构要尽可能避免空气混入粉体夹带卸出，保持仓口具备满填充自适应供给流动性，避免再建中间小仓的复杂基建与设备迂回系统，不但要杜绝漏斗流形成的欠料断料，还要大幅消除仓内中高部位拱架垮塌的几率。

　　解决卸料的通畅平顺，使r>0.95，就可消弱供料引发的随机干扰因素，这是根除粉体控制失控的根源所在。

　　2、给料环节

　　装置必须具备良好料容结构，能充分吸收缓释高压含气粉体的流动性冲击，消除随机性冲料自流的可能。一方面要降低最终工作腔的进料填充压力P；另一方面同时要提升该工作腔的流动性前窜锁止力F，保证升程回程时具有稳定一致满填充给料结构，在高端流量工作减速时也能锁止粉体的惯性前向窜动，大幅减少工作点附近频繁的升回程调节的滞环效应，即开环控制特性形状应瘦身收窄细。控制量与被控制量间具备宽域的对应关系，要获得1%的控制精度，控制量的调节分度应保证达0.5%以上，并具备快速的稳态响应。

　　解决给料的锁止同步，使R<5% 满程，就可消弱R的干扰影响，这是降低开环控制特性波动幅度的关键所在。

　　3、计量环节

　　采用响应最快的流量检测技术，要获得1%的控制精度，必须确保测量的长期稳定准确度在0.5%以上。

　　解决计量的及时准确，使t2<1 秒，才可提升闭环的控制效率，这是通过闭环控制提升开环控制精度的要害所在。

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