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Modelling of a clinker rotary kiln using operating functions concept

Authors

  • Kyarash Shahriari,

    Corresponding author
    1. Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ), Quebec City, QC, Canada
    • Centre de Recherche Industrielle du Québec (CRIQ), Quebec City, QC, Canada.
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    • R&D Researcher.

  • Stanislaw Tarasiewicz

    1. Laboratory of Complex Automation and Mechatronics, Mechanical Engineering Department, Laval University, Quebec City, QC, Canada
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    • Head of the Laboratory of Complex Automation and Mechatronics.


Abstract

Modelling and parameter identification of complex dynamic systems/processes is one of the main challenging problems in control engineering. An example of such a process is clinker rotary kiln (CRK) in cement industry. In the prevailing models independently of which structure is used to describe the kiln's dynamics and the identification algorithm, parameters are assumed to be centralised and constant while the CRK is well known as a distributed parameter system with a strongly varying dynamic through time. In this work, the kiln's dynamic is described in the form of a state-space representation with three state variables using a system of partial differential equations (PDE). The structure is chosen so that it can easily be embedded in classical state-space control algorithms. The parameters of the PDE system are called operating functions since their numerical values vary with respect to different operating conditions of the kiln, to their position in the kiln, and through time. A phenomenological approach is also proposed in this paper to identify the operating functions for a given steady-state operation of the kiln. The model is then used to perform a semi-dynamic simulation of the process through manipulating main process variables.

Abstract

La modélisation et l'identification des paramètres de systèmes/procédés dynamiques complexes constituent l'un des principaux problèmes en génie des contrôles automatiques. Un exemple d'un tel procédé est le four rotatif clinker dans l'industrie du ciment. Dans les modèles actuels indépendamment de la structure utilisée pour décrire la dynamique du four et l'algorithme d'identification, on présume que les paramètres sont centralisés et constants, alors que le FRC est bien connu comme système de paramètres distribué avec une dynamique qui varie beaucoup avec le temps. Dans ce travail, la dynamique du four est décrite sous forme de représentation d'espace d'états avec trois variables d'états faisant usage d'un système d'équations différentielles partielles. La structure est choisie pour être facilement intégrée en algorithmes de commande d'espace d'états traditionnels. Les paramètres du système d'ÉDP sont nommés fonctions d'opération, puisque leurs valeurs numériques varient concernant les différentes conditions de fonctionnement du four, leur position dans le four et dans le temps. Une approche phénoménologique est également proposée dans le présent document pour déterminer les fonctions d'opération pour un fonctionnement en état stationnaire donné du four. Le modèle est ensuite utilisé pour réaliser une simulation semi-dynamique du procédé par la manipulation des principales variables du procédé.

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