СИНТЕЗ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ КОМБІНОВАНОГО КАСКАДНОГО РЕГУЛЯТОРА З ВИПЕРЕДЖУВАЛЬНОЮ КОМПЕНСАЦІЄЮ ДЛЯ КЕРУВАННЯ ТЕПЛОВИМ РЕЖИМОМ ЦЕМЕНТНОЇ ПЕЧІ

https://doi.org/10.33815/2313-4763.2025.2.31.041-051

  • О. А. Жученко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ https://orcid.org/0000-0001-5611-6529
  • Д. В. Гутовський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ https://orcid.org/0009-0002-4141-7550
Ключові слова: система автоматичного керування, комбінований регулятор, каскадна структура, випереджувальна компенсація (feedforward), цементна піч, альтернативне паливо, робастне керування, імітаційне моделювання

Анотація

Підвищення енергоефективності та стабілізація якості продукції є ключовими завданнями сучасної цементної промисловості, особливо в умовах широкого впровадження альтернативного палива зі змінними характеристиками. Метою даного дослідження є розробка та перевірка ефективності комбінованого каскадного регулятора з випереджувальною компенсацією для керування температурою зони спікання обертової печі. Запропонована система поєднує переваги каскадної структури зі швидким внутрішнім контуром теплового навантаження та точним зовнішнім контуром температури, а також канал випереджувальної компенсації (feedforward) головного вимірюваного збурення – калорійності альтернативного палива. На основі ідентифікованої моделі об’єкта проведено синтез параметрів ПІД-регулятора методом оптимуму за модулем з подальшою корекцією на робастність. Визначено оптимальний коефіцієнт випереджувальної компенсації, що враховує дисперсію похибки оцінювання калорійності палива. Ефективність розробленого регулятора перевірена шляхом імітаційного моделювання в середовищі MATLAB/Simulink з генерацією стохастичних збурень за авторегресійною моделлю. Результати моделювання для трьох сценаріїв (стаціонарний режим, зміна частки палива, підвищена варіативність) показали, що запропонований комбінований регулятор забезпечує зменшення середньоквадратичного відхилення температури зони спікання на 51,2% (з 24,8°C до 12,1°C) та скорочення часу регулювання на 34,5% порівняно з базовим ПІД-регулятором. Додатково досягнуто зниження питомої витрати тепла на 2,8%. Запропонована методика синтезу та отримані результати представляють практичну цінність для проєктування систем автоматизації енергоємних технологічних процесів, що працюють на паливі з нестабільними характеристиками.

Посилання

1. 1. Li, X., Wang, M., Wang, K., Liu, Z., & Li, G. (2023). Converter inlet temperature control in flue gas acid‐making process based on equivalent input disturbance and model prediction. Optimal control Applications and Methods, 44(4), 2093–2111. https://doi.org/10.1002/oca.2967.
2. Wang, T., Li, D., Kan, Z., Yuan, L., Ma, K., & Xiang, J. (2025). Feedforward compensation control method designed for gust alleviation of aircraft with large aspect ratio. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering, 239(14), 2000–2009. https://doi.org/10.1177/09544100251346058.
3. Ning, X., Huang, W., Xu, G., Wang, Z., Wu, B., Zheng, L., & Xu, B. (2023). A Novel Model-Based Adaptive Feedforward-Feedback Control Method for Real-Time Hybrid Simulation considering Additive Error Model. Structural control and Health Monitoring, 1–25. https://doi.org/10.1155/2023/5550580.
4. Bae, J., Kim, K., Chu, S., Heo, J., Lim, S., & Sung, S. (2020). Development of an Antiwindup Technique for a Cascade Control System. Acs Omega, 5(50), 32597–32607. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c04927.
5. Ye, W., Zhong, S., Shen, Y., Zhang, X., & Wang, Y. (2024). Predictive Control Scheme for Fuel Cell Air Compressor Efficiency Enhancement with Surge‐ and Choke‐Constrained Awareness. Advanced Theory and Simulations, 7(6). https://doi.org/10.1002/adts.202400284.
6. Jiang, X. (2025). Data-Driven Modeling and Predictive Control of a High-Quality Special Steel Electroslag Remelting Process with Time Delay. Acs Omega, 10(42), 50349–50358. https://doi.org/10.1021/acsomega.5c07415.
7. Dehkordi, M. and Danesh, M. (2024). Fuzzy control allocation of a positionable rotor quadrotor based on log‐barrier optimization and propulsion system fault toleration. Iet control Theory and Applications, 18(9), 1176–1190. https://doi.org/10.1049/cth2.12653.
8. Karlsson, I., Rootzén, J., Toktarova, A., Odenberger, M., Johnsson, F., & Göransson, L. (2020). Roadmap for Decarbonization of the Building and Construction Industry—A Supply Chain Analysis Including Primary Production of Steel and Cement. Energies, 13(16), 4136. https://doi.org/10.3390/en13164136.
9. Rahman, H. and Hidayaturrahman, C. (2023). Analysis of electrostatic precipitators plate-wire type in reducing dust emissions for sustainable environment. Sustinere Journal of Environment and Sustainability, 7(1), 1–14. https://doi.org/10.22515/sustinerejes.v7i1.295.
10. Chub, I. M., Pichka, D. S. (2024). Systema avtomatyzovanoho upravlinnia vyrobnytstvom tsementu. Molod i industriia 4.0 v XXI stolitti: materialy KhKh Mizhnar. forumu molodi, 4–5 kvit. Kharkiv: DBTU, 2024. S. 251.
11. Bisulandu, B. and Huchet, F. (2023). Rotary kiln process: An overview of physical mechanisms, models and applications. Applied Thermal Engineering, 221, 119637. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.119637.
12. Silva, T., Paula, M., Silva, W., & Lacorte, G. (2021). Deposition of Potentially Toxic Metals in the Soil from Surrounding Cement Plants in a Karst Area of Southeastern Brazil. Conservation, 1(3), 137-150. https://doi.org/10.3390/conservation1030012
13. Öztürk, B., Öztürk, O., & Karademi̇r, A. (2021). NOx emission modeling at cement plants with co-processing alternative fuels using ANN. Environmental Engineering Research, 27(5), 210277-0. https://doi.org/10.4491/eer.2021.277.
14. Moreno, A., Castán-Lascorz, M., & Tavares, V. (2023). An Industrial-Scale Cement Rotary Kiln CFD Model to Characterise Alternative Fuel Combustion Profiles., 448–459. https://doi.org/10.52202/069564-0041.
15. Urbano, J., Henríquez, J., Ochoa, Á., Primo, A., & Souza, A. (2022). Dynamic modeling of the heat transfer process in rotary kilns with indirect oil heating: Parametric analysis of gypsum calcination case. Thermal Science, 26(2 Part C), 1637–1648. https://doi.org/10.2298/tsci210523245u.
16. Manis, O., Skoumperdis, M., Kioroglou, C., Tzilopoulos, D., Ouzounis, M., Loufakis, M., & Stankovski, M. (2023). Data Driven AI Models within a User-Defined Optimization Objective Function in Cement Production.. https://doi.org/10.20944/preprints202312.1328.v1.
17. Sutawijaya, A. and Kayi, A. (2021). Optimizing the clinker production by using an automation model in raw material feed. International Journal of Industrial Optimization, 2(1), 17. https://doi.org/10.12928/ijio.v2i1.3002.
18. Tabares, J., McGinley, W., Druffel, T., & Bhagwat, B. (2022). Experimental validation of multiphysics model simulations of the thermal response of a cement clinker rotary kiln at laboratory scale. Journal of Advanced Manufacturing and Processing, 4(4). https://doi.org/10.1002/amp2.10134.
Опубліковано
2026-01-23
Номер
Том 2 № 31 (2025): Науковий вісник Херсонської державної морської академії
Розділ
АВТОМАТИЗАЦІЯ ТА КОМП’ЮТЕРНО-ІНТЕГРОВАНІ ТЕХНОЛОГІЇ