冶金燃烧装置智能控制优化技术

石灰窑燃烧温度和进程的控制是保证产品质量的关键。建立石灰窑燃烧模型，采用智能控制方法，优化燃烧工艺，能过进一步稳定石灰煅烧品质，降低生产能耗，减少环境污染，提高经济效益。本书在介绍石灰窑及其控制工艺的相关基础知识上，详细介绍了石灰窑数学模型建立、石灰窑燃烧室温度控制方法、石灰窑燃气分配比调节方法、石灰窑尾气氧含量预测等智能控制关键技术，并对整个系统的实现和工业应用情况进行了说明，是一个非常典型的工业燃烧智能控制案例，对我国石灰生产行业的智能转化升级有很好地参考指导意义，同时也对控制工程相关专业的师生及技术人员有非常好的启发。

石灰是钢铁冶金的重要原料，石灰窑是目前工业上生产石灰的常用设备。本书以实际冶金石灰窑生产过程为例，在介绍石灰窑及其控制工艺相关基础知识上，详细介绍了冶金石灰窑生产工艺原理、石灰窑燃烧室温度控制、石灰窑燃气分配比调节和石灰窑尾气氧含量预测，涉及模糊 PID控制方法、预测控制方法、粒子群算法、遗传算法、神经网络等先进的智能控制技术，并在最后介绍了基于补偿校正策略的混合煤气流量检测系统设计与实现，该系统设计是一个非常典型的工业燃烧智能控制案例。本书理论与实践相结合，内容技术新颖，对我国石灰生产行业的智能升级转化有很好的参考意义，同时也对控制工程相关专业具有非常好的启发。本书可供电气、自动化、机械等学科的师生及相关领域的研发人员阅读参考。

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第1章 石灰窑及其控制工艺 001 
1.1 常见石灰窑介绍 002 
1.1.1 回转窑 002 
1.1.2 竖窑 007 
1.1.3 悬浮窑 011 
1.2 石灰窑生产过程的控制参数 013 
1.2.1 石灰窑燃烧室温度 013 
1.2.2 空燃比 013 
1.2.3 烟气氧含量 014

第2章 冶金石灰窑生产工艺原理 015 
2.1 石灰石的煅烧 016 
2.1.1 石灰石煅烧机理 016 
2.1.2 生石灰的物理性质 017 
2.1.3 石灰窑的工艺流程
2.2 冶金石灰窑生产过程影响因素及质量控制模型分析 022 
2.2.1 石灰煅烧质量的影响因素 022 
2.2.2 石灰窑生产系统质量控制模型及相关参数分析计算 024 
2.3 石灰窑的工艺要求及技术指标 029

第3章 石灰窑燃烧室温度控制 032 
3.1 模糊 PID-改进 Smith预估补偿控制策略 033 
3.1.1 窑体温度回路控制系统设计  033  
3.1.2 改进 Smith预估补偿器设计  034  
3.1.3 常规 PID控制原理简介  037  
3.1.4 模糊理论的基本原理及结构  038  
3.1.5 模糊 PID控制器设计  039  
3.2 燃烧室温度动态矩阵优化控制  043  
3.2.1 预测控制概述  043  
3.2.2 石灰窑燃烧室温度动态矩阵控制系统设计  044  
3.2.3 DMC控制参数选择  049  
3.2.4 DMC控制性能分析  052  
3.3 基于隐式广义预测的燃烧室温度优化控制  055  
3.3.1 广义预测控制原理  055  
3.3.2 石灰窑的隐式广义预测自校正控制 059 
3.4 基于自适应滑模的燃烧室温度优化控制 067

第4章 石灰窑燃气分配比调节 075 
4.1 石灰窑空燃比建模 076 
4.1.1 空燃比优化分析 076 
4.1.2 空燃比建模方式选择 077 
4.2 基于遗传算法的空燃比寻优 078 
4.2.1 遗传算法基本原理 078 
4.2.2 算法设计 079 
4.2.3 仿真结果 082 
4.2.4 非线性规划遗传算法 082 
4.3 基于粒子群算法的空燃比寻优 085 
4.3.1 粒子群算法基本原理 085 
4.3.2 算法设计及仿真结果 086 
4.3.3 基于自适应变异粒子群算法的空燃比寻优 087 
4.4 基于空燃比的燃烧控制模型构建 088 
4.4.1 温度调节和燃料与空气比值控制系统 088 
4.4.2 燃烧过程的烟气氧含量闭环控制 090 
4.4.3 燃烧控制系统的控制流程 093 
4.4.4 滞后特性的补偿
4.5 燃烧系统神经网络建模与优化 098 
4.5.1 BP网络建模 099 
4.5.2 BP网络的遗传算法优化 101 
4.5.3 多层前向网络模型的建立 102 
4.5.4 BP神经网络的训练及其仿真结果 104

第5章 石灰窑尾气氧含量预测 106 
5.1 烟气氧含量软测量的目的 107 
5.2 烟气氧含量软测量机理分析 108 
5.3 氧含量软测量的影响因素与修正方案 113 
5.3.1 混合煤气成分变化的影响与修正方案 113 
5.3.2 漏风因素的影响与修正方案 117 
5.3.3 风量测量模型与修正方案 118 
5.3.4 未完全燃烧的影响与修正方案 121 
5.4 基于信息融合的氧含量软测量方案 121 
5.4.1 信息融合的基本框架 121 
5.4.2 基于信息融合的氧含量软测量模型结构 124 

第6章 基于补偿校正策略的混合煤气流量检测系统设计与实现 126 
6.1 问题的提出 127 
6.2 检测系统精度的影响因素 128 
6.3 补偿校正方案的制定 130 
6.3.1 基准流量计的选择 131 
6.3.2 超声波流量计 133 
6.4 混合煤气流量检测的补偿算法 137 
6.4.1 密度补偿 137 
6.4.2 压力、温度补偿 139 
6.4.3 综合补偿 140 
6.5 在线检测系统的实现 140 
6.5.1 电控设计方案 141 
6.5.2 超声波流量计选型 144 
6.5.3 超声波流量计的安装与调试 145 
6.6 运行结果分析 151

参考文献 154 

石灰窑是一种重要的工业设备，广泛应用于建筑、冶金、化工等领域中。石灰窑的生产质量和生产效率直接关系到工业生产的发展和经济效益。因此，研究和优化石灰窑的工艺流程和控制系统，对于提高石灰生产的质量和效率具有重要的意义。
本书围绕冶金石灰窑生产过程，详细介绍了冶金燃烧装置生产过程中控制参数的优化技术。本书共分为六章：第 1章主要介绍了常见的石灰窑类型，分析了三类石灰窑在生产过程中的优势与不足，并给出能够反映石灰窑生产过程和产品品质的重要参数，主要包括石灰窑燃烧室温度、空燃比和烟气氧含量。第 2章从石灰窑原料角度出发，介绍了石灰石煅烧机理、生石灰的物理性质以及石灰窑的工艺流程，并在此基础上给出影响石灰煅烧质量的影响因素。控制燃烧室温度可以有效地提高石灰的品质和生产效率，第 3章介绍了石灰窑燃烧室温度控制的 4种先进控制策略，可以更加精确地控制燃烧室温度，提高石灰的生产质量和效率，并给出了控制器的设计方法，为读者提供参考。燃气分配比的调节可以保证燃烧室内的氧气含量和燃料燃烧的效率，第 4章介绍了石灰窑燃气分配比调节方法，可以有效地调节燃气分配比，并且给出了石灰窑空燃比建模方法，比较了粒子群算法和遗传算法在空燃比寻优中的应用，构建了基于空燃比的燃烧控制模型，利用神经网络对燃烧系统进行建模与优化。第 5章阐述了石灰窑尾气中氧含量的预测方法，提出了基于信息融合的氧含量软测量方案。第 6章介绍了基于补偿校正策略的混合煤气流量检测系统设计与实现，从问题的提出到影响因素分析，再到方案制定和在线检测系统的实现，最后对运行结果分析，本章是一个在线检测系统设计与实现的完整范例。本书旨在为石灰生产企业、研究机构和技术人员提供一份全面的石灰窑技术指南，为石灰生产的高效、稳定和可持续发展提供支持。
本书由冯旭刚主编，宋爱国、王正兵副主编。本书的顺利完成离不开相关领域专业人士的帮助。首先，要特别感谢合肥工业大学费业泰教授，费业泰教授严谨的治学态度、高深的学术造诣、敏锐的学术思想，使人终生难忘；其次，要感谢安徽工业大学章家岩教授，章家岩教授从本书最初的策划到内容结构安排，为本书的出版提供了强有力的支持，他严谨的态度和追求卓越的精神永远激励着我们；再次，感谢对本书编写提供帮助的马明前老师、黄鹏辉同学、高坤同学和朱玉林同学；最后，感谢所有为本书提供支持和帮助的人员，包括石灰生产企业的工人、技术人员和管理者，以及研究机构的科研人员和专家学者。正是因为有了各位的支持和帮助，本书才得以顺利完成，为石灰生产和相关领域的研究和应用提供参考。
由于笔者水平有限，本书许多内容还有待进一步完善和深入研究，我们希望本书能够为广大石灰生产企业和研究机构提供有价值的参考，同时也欢迎读者提出宝贵的意见和建议，以便我们不断改进和完善。最后，感谢所有读者的支持和关注，对于本书中的疏漏和不足之处，诚邀各位读者批评指正！

编者