（机械电子工程专业论文）多孔陶瓷二次干燥装置的智能控制技术与系统研究.pdf

摘要 多孔陶瓷的干燥是多孔陶瓷生产中的关键步骤，多孔陶瓷在其干燥过程中 温度的变化历程及热工参数的稳定性直接影响着多孔陶瓷产品的质量。在多孔 陶瓷干燥系统温度、湿度等热工参数的控制过程中，被控参数具有时变、非线 性、不确定性等特点，为了提高控制系统的跟踪与抗干扰能力，本文在多孔陶 瓷干燥控制系统中首次采用了一种将模糊控制与预测控制相结合的控制算法， 有效的克服了原有的单纯采用p i d 控制带来的响应慢，超调大以及控制稳定性 差等缺点。 预测控制是在工业实践过程中独立发展起来的一种控制方法，它采用预测 模型、滚动优化和反馈校正的控制策略，其控制效果及鲁棒性都得以提高。模 糊控制理论的发展使得其与预测控制的结合成为可能。本论文在系统阐述多孔 陶瓷干燥过程的基础上，对干燥过程中温度、湿度及压力的控制要求进行分析。 在重点研究基于t - s 模糊模型的模糊预测控制的基础上，根据本干燥系统自 身特点，提出了基于模糊逻辑的干燥系统运行过程中温度、湿度等参数的控制 方案。 该方案基于节能的要求，采用的是多孔陶瓷梭式窑在烧成过程中排除的温 度稳定的含热烟气作为干燥房的热源；根据对室内温度参数影响因素的分析， 本文设计了一个基于模糊逻辑的倍增型前馈一反馈温度控制系统，它以室内温 度为主控变量，混合风温度为副控变量构成一个串级控制回路，在系统中采用 基于t - s 模糊模型的模糊预测控制器获得串级控制回路的控制量；来自控制湿 度的变频器的前馈控制量与主回路控制量倍增，形成倍增型前馈一反馈控制， 以实现是室内温度、湿度的自动跟踪；同时在控制结构中引入非线性跟踪一微 分器以增强系统的抗干扰能力。 经m a t l a b 仿真和实验室实验，表明t s 模糊模型的预测控制方法应用于 本干燥系统中，具有良好的控制效果，是可以实现的一种控制策略，并通过了 生产企业的方案论证。对其他功能陶瓷干燥系统的智能控制也具有一定的实用 价值。 关键词：干燥系统、温度、t - s 模糊模型、模糊控制、预测控制 a n s t r a c t t h ed r y i n go fp o r o u sc e r a m i c si st h ee s s e n t i a ls t e dj nt h ep o r o u sc e r a m i c p r o d u c t i o n t h et e m p c r a t u r ec h a n g i n gc o u r s ea n dt h eh o tw o r k i n gp a r a m e t e r s t a b i l i t yi ni t sd r y i n gc o u r s ed i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ep o r o u sc e r a m i c s p r o d a c t i o n t 1 l ec o n t r o l l e dp a r a m e t e rh a st h ec h a r a c t e r i s t i c sa st i m e d - c h a l l g i n g , n o n - l i n e a r , u n c e r t a i n t ya n ds oo ni nt h et e m p c r a t u r ec o n t r o lp r o c e s so ft h ep o r o u s c e r a m i cd r y i n gs y s t e m i no r d e rt oe n h a n c et h et r a c ka n dt h ea n t i j a m m i n ga b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e r n ，t h i sa r t i c l ef i r s t l yu s e so n ek i n do fc o n t r o la l g o r i t h mw h i c h u n i f i e st h ef u z z yc o n t r o la n dt h ef o r e c a s tc o n t r o lt o g e t h e ri nt h ep o r o u sc e r a m i c s d r y i n gc o n t r o ls y s t a m t h i sm e t h o de f f e c t i v e l yo v e r c a m et h ed i s a d v a n t a g e sa s r e s p o n d i n gs l o w l y , o v e ra d j u s t i n gm a r k e d l y , c o n t r o ls t a b i l i t yd e m e d t o r i o u s l yi nt h e o r i g i h a ls y s t e mt h a tu s ep i dc o n t r o lp u r e l y n 圮f o r e c a s tc o n t r o li so n ec o n t r o lm e t h o dw h i c hi n d e p e n d e n t l yd e v e l o p si n t h eh l d u s t r yp r a c t i c ep r o c e s s i tu s e st h ec o n t r o is t r a t e g ya st h ef o r e c a s t e dm o d e l a n ds c r o l l e do p t i m i z a t i o na n dt h ef e e d b a c ka d j u s t i n gw h i c hc a ne n h a n c ei t sc o n t r o l e f f e c ta n dr o b u s t n e s s t h ed e v e l o p m e n to ff u z z yc o n t r o lt h e o r ym a k e si tp o s s i b l et o m i xi t s e l fw i t hp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 1 n h i sp a p e ra l l a l y z e st h et e r n p c r a t u r e ，h u m i d i t y a n dt h ep r e s s n r cc o n t r o la tt h eb a s i so fe x p a t i a t i o ns y s t e m i c a l l yo ft h ep o r o u s c e r a m i c sd r y i n gp r o c e s s i nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h i n gt h ef u z z yp r e d i c t i v ec o n t r o l w h i c hb a s eo nt h et - sf u z z ym o d e l a n dd e p e n do nt h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h i sd r y i n g s y s t e m ，t h i sp a p e rp r o v i d e st h ec o n t r o lp r o j e c ti nt h eb a s i so ft e m p c r a t u r ea n d h u m i d i t ya n d o t h e rp a r a m e t e r si nt h ep r o c e s s i n go fd r y i n gs y s t e mw h i c ha tt h eb a s i s o ff u z z y1 0 9 i c f o re n e r 目呵s a v i n g , t h eh e a tf o rt h ed r y i n gr o o mc o m e sf r o mt h eh e a t e ds m o k e i nac e r t a i nt e r n 【p e r a t u r ew h i c he x p e l l e dd u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s so fp o r o u s c e r a m i cs h u t t l es t o v e a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fi n f l u e n c i n gp a r a m e t e rf o rt h e i n d o o rt e m p e r a t u r e ，t h i st h e s i sd e s i g n sam u l t i p l i c a t i v ef e e d - f o r w a r da n df e e d b a c k t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n 如z z yl o c i tm a k e su po ft h es e r i e s ，w o u n d l o o pb yt a k i n gt h ei n d o o rt e m p e r a t u r ea st h em a j o rc o n t r o l l e dp a r a m e t e ra n dt h e m i 】【e dw i n dt e r n p c r a t u r ea sd e p u t yp a r a m e t e r i nt h i ss y s t e m w eo b t a i nt h ec o n t r o l a m o u n to ft h es e r i e s - w o u n dc o n t r o ll o o pw h i c ha d o p t i n gt h ef u z z yp r e d i c t i v e c o n t r o l l e ra tt h eb a s i so ft - sf u z z ym o d e l t h ef e e d f o l w a r dc o n t r o lf r o mt h e t r a n s d u c e rw h i c hc o n t r o lt h eh u m i d i t ym u l t i p l i e st h ec o n t r o la m o u n to ft h em a i n l o o p a n dt h e nf o r mt h em u l t i p l i e df e e d f o r w a r da n df e e d b a c kc o n t r o lt or e a l i z et h e t r a c ka u t o m a t i c a l l yo ft h ei n d o o rt e m p c r a t u r ea n dh u m i d i t y a tt h es a m et i m e t l l i s s y s t e mi n t r o d u c e st h en o n l i n e a rt r a c k - d i f f e r e n t i a t o rt oe n h a n c et h ea b i l i t yo f a n t i - j a m m i n gi nt h ec o n t r o lc o n f i g u r a t i o n t h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r y , i ti n d i c a t e st h e m e t h o do ft - sf u z z ym o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o la p p l y i n gt od r y i n gs y s t e mh a sg o o d c o n t r o l l i n ge f f e c t ，w h i c hi sa l 【i n do ft h ec o n t r o lt a c t i c sb e i n ga b l et oc o m et r u e a n d i th a sp a s tt h ed e m o n s t r a t i o no fc o m p a n v t h i ss y s t e mh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l n et o o t h e ri n t e l l i g e n tc o n t r o lo fp o r o u sc e r a m i c sd r y i n gs y s t e m k e yw o r d s ：d r y i n gs y s t e m ，t e m p e r a t u r e ，t - sf u z z ym o d e l ，f u z z yc o n t r o l ，f o r e c a s t c o n t r o l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 第一章绪论 1 1 1 课题来源及选题意义 课题题目：多孔陶瓷二次干燥装置的智能控制技术及系统研究 课题来源：企业委托研究项目 1 1 2 本项目简介及论文包括的内容 本项目是由江西拓扑工程有限公司委托楚强陶瓷窑炉有限公司和我实验 室共同研究设计的。江西拓扑工程有限公司拟设计建设的陶瓷生产车间，生产 的产品为用在汽车尾气净化器装置上的多孔陶瓷，这种多孔陶瓷主要构成材料 为堇青石、莫来石等，采用的是蜂窝结构，主要在汽车尾气净化器装置上作催 化剂的载体，在载体上的内表面应涂覆一层均匀的高比表面积的陶瓷涂层和催 化剂。这一化学涂层由韩国某公司提供。汽车尾气催化转换装置如下图1 1 。 其蜂窝形结构的优点有以下两点：有许多的约束气道，既为气体、固体催化 反应提供了大的接触面积，又可以使气体的压力降较小。催化体的密度低， 则热容量低，有利于提高催化剂的起燃性能。 图卜l 典型汽车尾气催化转化装置图 我们主要的工作是负责多孔陶瓷二次干燥房的设计。多孔陶瓷二次干燥房 武汉理工大学硕士学位论文 的设计为江西拓扑工程有限公司多孔陶瓷载体生产车间设计的整个项目的一 部分。整个车间包括有日产3 0 0 0 万吨多孔陶瓷的3 0 m 3 和5 5 3 的两个梭式窑。 二次干燥房的热源即来自3 0 m 3 和5 5m 3 的两个梭式窑排到大气中的温度为2 5 0 的窑炉废气。这样利用陶瓷窑的废气对多孔陶瓷坯体进行干燥，既充分利用 了窑炉的余热、节约能源，减少了排放到大气中的废气，保护了环境，又不用 特别增加微波干燥器等设备，节约了成本，避免了微波对人体的伤害。厂方在 设计要求中提出：二次干燥房要有较高的自动化水平，友好的人机界面，精确、 可靠的干燥房控制系统；还要求二次干燥房要对环境的伤害降到最低，甚至不 会产生污染，保护环境，到达绿色生产的目的。研制成果将在今年低投入使用。 本人参与此项目，将以此作为本人的硕士研究生毕业论文的研究内容，其中以 干燥介质的温湿度控制为主，由于干燥系统中的数据采集、运算以及热工参数 建模等内容己在另外的子项目中完成，因而，本课题仅包括以下几个内容： i 、多孔陶瓷干燥系统中干燥介质温湿度控制机理的研究 2 、基于带有模糊控制器的预测控制的研究 3 、基于常规p i d 控制、模糊控制、带有模糊控制器的模糊预测控制进行动态 仿真研究。 1 2 研究多孔陶瓷干燥控制的意义 多孔陶瓷的种类繁多，其分类也有多种方法。按孔径大小分类可分为：微 孔陶瓷( 孔径 2 n m ) ，介孔陶瓷( 2 r i m 孔径 5 0 n m ) 三 类；按孔的形状结构分类可分为：粒状陶瓷烧结体，泡沫陶瓷和蜂窝陶瓷3 种：按孔隙之间关系分类可分为：闭气孔和开气孔2 种( 闭气孔是指陶瓷材料 内部微孔分布在连续的陶瓷基体中，孔与孔之间相互隔离，而开气孔包括材 料内部孔与孔之间相互连通和一边开口，另一边闭口形成不连通气孔两种) 。 另外，多孔陶瓷按材质来分类，又可分为：高硅质硅酸盐材料；铝硅酸盐材 料；静陶质材料；硅藻土质材料；纯碳质材料；刚玉和金刚砂材料；堇青石、 钛酸铝材料及以一些以工业废料、尾矿以及石英玻璃或者普通玻璃材料构成 2 武汉理工大学硕士学位论文 的材料等等。 无论多孔陶瓷怎样分类，都有一个共性，那就是：化学稳定性好，通过材 质的选择和工艺控制，可制成适用于各种腐蚀环境的多孔陶瓷；具有良好的 机械强度和刚度，在气压、液压或其他应力负载下，孔道形状与尺寸不会发生变 化；耐热性好，热膨胀系数低，用耐高温陶瓷制成的多孔陶瓷可过滤熔融的钢 水或高温燃气；孔道分布均匀，在孔径为0 0 5 6 0 0 l m 范围内可以制出所选 定孔道尺寸的多孔陶瓷制品。 鉴于以上共性，多孔陶瓷这一绿色材料在气体液体过滤、净化分离、催化 载体、吸声减震、高级保温材料、生物植入材料、特种墙体材料和传感器材料 等多方面也得到广泛应用。所以，多孔陶瓷在环保领域具有重要的作用。特别 是多孔陶瓷中的蜂窝陶瓷。目前，蜂窝陶瓷广泛应用于汽车尾气净化器、臭氧 抑制催化剂载体、冶金工业的热交换和金属液的过滤、化学工业的化学反应载 体及催化剂、采矿业的有毒气体和金属液的过滤、轻工业的喷涂以及建材工业 的消声材料和窑炉的隔热材料。 利用蜂窝陶瓷载体做成的汽车尾气催化净化器，一方面可以大幅度消削减 汽车尾气对大气的污染，保护环境和人们的身体健康，具有重大的社会意义。 o 而且蜂窝陶瓷是一种性能优越的蓄热体，是蓄热燃烧技术中的关键材料，而蓄 热燃烧技术是目前世界上先进的燃烧技术，可从根本上提高工业炉的能源利用 率，对低热值燃料( 如煤气等) 进行合理利用，最大限度的减少污染物排放、 降低环境负荷。 因此，在我国大力开发、推广、应用多孔陶瓷这种绿色材料具有非常重大 面深远的意义和非常广泛的社会经济效益。 但是，蜂窝陶瓷的内部是由许多格子状的薄的间壁分割而成的，坯体中颗 粒定向排列较为明显的，在干燥过程中都会引起不同方向上的不均匀收缩，因 此，对于蜂窝陶瓷的干燥必须根据其干燥收缩特点，确定干燥方法和制定相应 的干燥制度。 多孔陶瓷生产工艺中干燥是企业第二耗能的工序，它对提高产品质量，降 低能耗，提高企业效益有着重要的意义。陶瓷工业在发展过程中，以前其主要 矛盾在解决先进的工艺技术及与其相适应的技术装备。关于生产中坯体及模型 3 武汉理工大学硕士学位论文 的干燥问题，并未下工夫进行深入的研究，因此仍然采用较落后的传统干燥技 术及传统干燥器。但是随着陶瓷工艺技术及装备水平的提高，干燥中的严重耗 能( 约占工厂总能耗的1 3 ) 及干燥过程中出现的废品率( 通常达5 以上) 以 及干燥过程中产品质量下降的问题，已使企业的总体效益受到严重制约。因此， 陶瓷的干燥问题已越来越受到陶瓷界的普遍关注。 生产中，对干燥系统的进行良好的控制具有以下的几个现实意义： 1 、直接降低了多孔陶瓷的产品缺陷率。陶瓷产品的质量与原料、压机和 窑炉等三个因素有关。然而，这三个因素对窑炉的影响几乎全是隐形的，直到 烧成窑尾出砖时才表现出来。当烧成窑尾总暴露时，窑炉受到的关注和压力无 疑最大。而窑炉部分则包括窑炉的烧成部分与干燥部分。 2 、提高产品的品质。模压好的湿坯首先送入的就是干燥系统。湿坯的强 度极低，多孔陶瓷干燥过程中，当水分蒸发时，坯体收缩会产生破坏力。因此， 再这一环节提高了干燥环境，也就提高的产品的品质。 3 、提高生产效率、效益。生产品质差则产品合格率就低，生产效率就必 定低。产品的成本也就相对应的增加。 1 3 多孔陶瓷干燥的发展现状 多孔陶瓷的干燥是其生产工艺中非常重要的工序之一，多孔陶瓷产品的质 量缺陷有很大部分是因干燥不当而引起的。因此，多孔陶瓷干燥系统的设计是 至关重要的。 目前，国内的陶瓷干燥多采用以下几种方法： l 、自然干燥。 2 、恒温恒湿大空间干燥。干燥的坯体在微压之后水分为1 8 左右，此时强 度低，不宜搬动，一般采取就地干燥的方法。一般厂家采用锅炉蒸汽加热的方法， 它的特点是燃料成本低，可以形成一定的干燥气氛。同时缺点很多，如无横向空 气流动：排湿功能差，干燥时间长：无通风系统，工人工作条件差。因此，比较先 进的“恒温恒湿系统”被采用。这种系统不需要改变原来的生产流程、生产工 艺还可以加速干燥速度，它的另一大特点是具有强制通风功能。这一系统也存 4 武汉理工大学硕士学位论文 在一系列的问题，如能源消耗大、参数滞后、干燥不同步等。 3 、热风快速干燥。快速干燥就是干燥气氛按坯体的不同及坯体干燥程度 而变化，时刻保持最佳干燥气氛，提高干燥速度。温湿度自动调节快速干燥室 具有以下几个特点：空间小，参数调整时响应快，精确度高。可以根据坯体的 情况，设定不同的干燥曲线。工控机控制，自动化程度高，减少人为失误的因 素，坯体干燥合格率高。 4 、蒸汽快速干燥。这里讨论的是蒸汽直接干燥，就是坯体出模后，沿轨 道迸入末端封闭的干燥室中，关闭干燥室后将蒸汽沿顶部的管道直接进入密封 干燥室中，蒸汽在密室中膨胀降压，湿蒸汽由密室底部的管道排出回收。它的 最大的优点是干燥快，正品率高。 5 、工频电干燥。就是将工频电( 5 0 u z ) 通过坯体，由于坯体的电阻作用使得 整个坯体均匀升温干燥，达到了既升温又无温度梯度的目的。工频电干燥的缺 点是干燥前的准备工作很麻烦，而且它只适合单件产品干燥。 陶瓷工业干燥工序的变化：从晒场、烘房、室内干燥器，进化到隧道干燥 器、链式干燥器直至辊道式干燥器，充分体现了陶瓷工业从手工业作坊生产到 半机械化、全机械化直至连续化生产的发展历程。这是陶瓷工业的技术进步， 也是我国陶瓷工业发展历程的写照。 国外大都采用红外干燥、微波干燥、冻结干燥等先进干燥技术，也有采用 热风干燥、自然干燥、减压气氛干燥方法以及其他快速干燥方法。 1 3 1 多孔陶瓷的干燥在生产过程中存在的问题 一般多孔陶瓷制备的工艺流程是这样的：主原料合成一混练一陈腐一挤 压成形一干燥一烧成一成品。将练制好的泥料采用挤压成形方法挤压出一定 强度的多孔陶瓷进行干燥，而干燥是多孔陶瓷生产过程的关键环节。目前，我国 多孔陶瓷的主要干燥方式有自然干燥、恒温恒湿大空间干燥、热风快速干燥等 等。但这些方法对厚壁的蜂窝陶瓷干燥存在表面和内部干燥速度不一致的问题， 会造成开裂，直接影响了陶瓷产品的质量。我国现阶段多孔陶瓷的干燥环节目前 还存在许多问题有待解决。 武汉理工大学硕士学位论文 1 、干燥方式较单一、原始。 2 ，因特种陶瓷对原材料要求比较严格、工艺难以掌握，使得各批制品的 性能难以保持均匀一致。 3 、成本较高。 4 、可加工性差、脆性大、使用可靠性差。 1 3 2 多孔陶瓷干燥设备的发展方向 1 、干燥方式多样化：干燥场所从传统的车间“原位”干燥，逐步向专用干 燥室“移位”干燥发展；干燥速度逐步由“慢速”向“快速”干燥发展：干燥 的作业方式由间歇式干燥室逐步向轮换式、连续式发展；干燥介质和热源从原 来的热气流( 烟气，热风) 干燥逐步向多能源( 例如红外线、微波) 发展。 2 ，干燥设备的现代化：在成形车间“原位”干燥，安装车间温、湿度自动 调节设备；带有锥形不锈钢罩旋转风机的通道式干燥器；温、湿度能完全自动 控制的通道式干燥器；温湿度分段自控的连续式快速干燥器。 3 、干燥制度的科学化：干燥制度指根据产品的质量要求确定干燥方法及 其干燥过程中各阶段的干燥速度和影响干燥速度的参数i 其中包括：干燥介质 的温度、湿度、种类、流量与流速等。科学的干燥制度应是对干燥介质的温度、 湿度进行分阶段有效控制，对干燥介质的流速和流量进行科学控制，在设计干 燥曲线时，重视对坯体临界水份的研究，根据不同的产品对干燥方式进行选择， 从而决定不同产品的不同干燥制度。 1 3 3 多孔陶瓷在温度、湿度控制方面面临的问题 陶瓷坯体的含水率一般在5 2 5 之间。当坯体与一定温度及湿度的静止 空气相接触，势必释放出或吸收水分，使坏体含水率达到某一平衡数值。干燥的 极限就是使坯体达到平衡水分。由于多孔陶瓷成形时含水分较多，孔隙多，且坯 体内孔壁特别薄，用传统的方法因加热不均匀，极难干燥，加之这些多孔材料导 热系数差，其于燥过程对于燥介质中的温度与湿度要求特别严格。 对于这一类壁特别厚的坯体和器型特别复杂内有空腔的坯体，为了使坯体 武汉理工大学硕士学位论文 内的热扩散与湿扩散的方向一致，受热均匀，干燥速度快，一般在采用热风介质 的同时，采用微波干燥及远红外干燥等。 微波干燥是用微波照射湿坯体，电磁场方向和大小随时间作周期性变化使 坯体内极性水分子随着交变的高频电场变化，分子产生剧烈的转动，发生摩擦 转化为热能，达到坯体整体均匀升温、干燥的目的。微波干燥的优点是( 1 ) 均匀 快速，这是微波干燥的主要特点。由于微波具有较大钓穿透能力，加热时可使介 质内部直接产生热量。不管坯体的形状如何复杂，加热也是均匀快速的，这使得 坯体脱水快，脱模均匀，变形小，不易产生裂纹。( 2 ) 具有选择性，微波加热与物 质的本身性质有关。在一定频率的微波场中，水由于其介质损耗比其它干物料 大，故水分比其它物料的吸热量大得多；同时由于微波加热是表里同时进行，内 部水分可以很快地被加热并直接蒸发出来；这样陶瓷坯体可以在很短的时间内 经加热而脱模。( 3 ) 热效率高、反应灵敏，由于热量直接来自于干燥物科内部， 热量在周围介质中的损耗极少，加上微波加热腔本身不吸热，不吸收微波，全部 发射作用于坯体，热效率高。 虽然微波加热有许多优点，但也有其不足之处。比如其固定投资和纯生产 费用较其他加热方法高，特别是耗电较多，使生产成本大大增加。而且，微波在 大能量长时间的照射下，给人体健康带来不利影响。在本项目中并未考虑使用 微波进行干燥，而是考虑建立一个合理有效的干燥制度，仅用热风快速干燥能 达到较好的干燥效果。 1 4 本文研究的主要内容及创新点 1 4 1 本文研究的主要内容 ( 1 ) 介绍了多孔陶瓷这种功能陶瓷的种类以及它的一些特性，简单阐述了 我国多孔陶瓷的的发展历程以及所面临的问题，提出了研究多孔陶瓷干燥系统 的意义。 ( 2 ) 对多孔陶瓷的干燥机理、影响干燥的因素进行了分析。介绍了多孔陶 7 武汉理工大学硕士学位论文 瓷二次干燥房的设计。基于节能的要求，在设计中提出了利用梭式窑在生产过 程中排出的含热烟气作为多孔陶瓷二次干燥系统的热源，为了保持坯体的干燥 质量，在此热源中加入了加湿装置。 ( 3 ) 针对多孔陶瓷干燥过程中响应慢、控制稳定性差的特点，采用了一种 将模糊控制与预测控制相结合的控制算法，并对此算法做了简要介绍。 ( 4 ) 在对干燥过程中热工参数的控制要求进行分析的基础上，将以上方案 应用于实际生产中，江西拓扑工程有限公司多孔陶瓷载体生产车间中多孔陶瓷 二次干燥房采用了梭式窑的余热作为热源，对此干燥房迸行控制，实验室系统 仿真的结果表明，满足多孔陶瓷干燥的控制要求。 ( 5 ) 通过以上试验验证最后得出结论，在多孔陶瓷载体二次干燥中，采用 梭式窑排出的热气作为热源，采用先进的控制方法，满足多孔陶瓷干燥控制要 求，有效利用了余热，节约了能源，保护了环境。 1 4 2 本课题的创新点 ( 1 ) 对多孔陶瓷的干燥技术进行了研究，在国内首次以窑炉的余热作为热 源，设计了多孔陶瓷干燥系统。 ( 2 ) 提出了一种在窑炉的余热装置中加入加湿装置，以确保坯体的干燥质 量的方法。 ( 3 ) 在多孔陶瓷干燥系统的控制方案上，采用了一种智能控制的方法模 糊预测控制方式。 ( 4 ) 本文设计了一个基于模糊逻辑的倍增型前馈一反馈温度控制系统，即 用传统的经典控制与现代的智能控制相结合的控制方法来实现是干燥室内温 度、湿度的自动跟踪，并将传统的前馈一反馈控制中的加法器设计为倍增器， 加快了自动跟踪的速度；同时在控制结构中引入非线性跟踪一微分器以增强系 统的抗干扰能力。 1 5 小结 本章概述了多孔陶瓷干燥系统的研究背景，分析了目前我国多孔陶瓷干燥 8 武汉理工大学硕士学位论文 系统的研究现状，提出了本课题研究的目的、意义，并对本论文的主要内容及 课题创新点作了概括说明。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第二章多孔陶瓷二次干燥系统 2 1 多孔陶瓷二次干燥系统简介 干燥就是排除多孔陶瓷坯体中所含自由水的过程。经干燥，坯体中绝大多 数自由水被排除，不再产生物理收缩，使坯体进窑后在低温阶段可以快速升温， 而不发生产品变形或开裂，既保证了烧成质量又缩短了烧成周期，提高窑炉利 用率，降低燃耗。 本项目的多孔陶瓷二次干燥系置于露天环境下，系统中进行干燥的坯体是 作为净化汽车尾气的催化剂载体。陶瓷坯体经强力挤压成形后，进行第一次自 然干燥，也就是将压制好的坯体，在向干燥房输送的过程中，被从梭式窑抽出 的含热烟气进行第一次干燥，直到坯体的含水量大约为1 5 。再将其装车，送 入第二次干燥室进行二次干燥。第二次干燥的热源也是来自多孔陶瓷烧成梭式 窑在烧制过程中排除的含热烟气，并加以一定湿度的空气，通过系统精确的控 制，保证整个干燥室内气场的均匀性，并能控制温湿度的持续时间，使蜂窝陶 瓷在干燥开始阶段均匀缓慢受热，防止水份从内向外蒸发时出现裂纹，产生不 同方向上的不均匀收缩；当生坯有了一定的强度，多孔陶瓷的孔状结构定型后， 逐渐增加热风量，提高热风速度，可以快速干燥，直到坯体中的水分全部蒸发， 停止送风。经过第二次干燥后的陶瓷坯体含水率应为2 以下。在二次干燥室 内的温度应控制在4 0 c 1 0 0 之间。 多孔陶瓷坯体在干燥过程中形成的水分梯度会使坯体出现不均匀的收 缩，从而产生应力，当应力超过了呈塑性状态坯体的屈服值时就会产生变形、 当应力超过了呈塑性状态的强度时就会引起开裂。干燥工艺对多孔陶瓷的成品 率影响很大，多孔陶瓷的内部是由许多格子状的薄的间壁分割而成的，方面 由于壁薄可采取快速干燥工艺，以提高干燥速度；另一方面挤出成型的多孔陶 瓷生坯其内部颗粒( 主要是呈片状的粘土颗粒、滑石颗粒) 呈定向排列。凡坯 体中颗粒定向排列较为明显的，在干燥过程中都会引起不同方向上的不均匀收 缩。所以多孔陶瓷对干燥工艺的要求很高。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 因此，在干燥环节，怎样才能以最低的成本、最短的时间保证催化剂载体 的质量昵。这正是广大窑炉人共同追求的目标。 目前，国内载体生产成型水分较高，载体成型后易变形。而载体在入窑高 温烧结前含水率要求一般不大于2 ，对于用于汽车尾气净化器的催化剂载体 这样的多孔陶瓷制品来说，提高载体干燥效率的关键在于强化干燥过程中的传 热过程。多孔陶瓷的干燥从本质上讲具有滞后量大，非线性等特点。从工作原 理上讲，对传热过程中传热介质的温度、湿度以及压力的合理有效的控制就是 提高多孔陶瓷干燥效率的关键。 2 2 多孔陶瓷干燥原理 干燥的过程是一个能量的交换与物质的交换过程。传统的干燥机理是当坯 体被外界加热时，坯体表面通过对流的方式吸收热量，并以热传导的形式传至 内部。表面受热后，表层的水分汽化蒸发扩散至周围的空气介质中，表面内的 水分被排出后，内部水分在毛细管力的作用下，不断地从坯体内部向表面移动， 当内部水分逐渐减少，毛细管力不足以继续排除剩余的水分时，此时坯体内外 温差逐渐趋向一致，内部的水分汽化，- 在通过毛细管扩散蒸发出去，直至坯体 干燥完毕。这个过程同时存在着复杂的热传导、水分外扩散和水分内扩散过程。 在干燥条件稳定的情况下，坯体理想的干燥过程可以分为三个阶段，如图 2 1 蚓箜奄 硝硝* 掣藿鼍 午i 卜搿 i l i l i h 图2 1 坯体在传统的干燥机理下的干燥曲线 i 、传热过程：介质的热量以对流方式传给坯体表面，又以传导方式从表面传 向坯体内部的过程。坯体表面的水分得到热量而汽化，由液态变为气态。 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 2 、外扩散过程：坯体表面产生的水蒸汽，通过层流底层，在浓度差的作用下，由 坯体表面向干燥介质中移动。 3 、内扩散过程：由于湿坯体表面水分蒸发，使其内部产生湿度梯度，促使水 分由浓度高的内层向浓度较低的外层扩散，称湿传导或湿扩散。 按照传统的干燥技术可知，由于从加热阶段进入等速干燥阶段以后，坯体 从表面蒸发的水分，随时被热空气带走，而内部不断补充坯体水的外扩散，这 个过程是连续进行的，坯体内部水分的减少，使坯体颗粒互相靠拢，体积收缩， 自由水的体积减少多少坯体体积就收缩多少，若体积收缩不均则产生收缩应 力，将使产品产生变形、开裂、报废。因此，为了控制坯体的均匀收缩，必须 严格控制传热和水分内外扩散过程，特别是对那些形状复杂，体积较大的产品。 为此，只能降低干燥速度，一般控制在6 0 以下，这样势必要延长干燥时间才 能得到较好的干燥效果，这样作不但耗能，且增加了管理的困难，使产品的干 燥质量得不到保证。 2 3 陶瓷坯体的干燥方案： 在多孔陶瓷载体生产的工艺流程中，当坯体经过高压挤出成型后，要经过 两次干燥过程。第一次干燥：坯体制成后在向干燥房输送的过程中，会被从梭 式窑抽出的热气进行一次干燥。制成的坯体含水量为6 0 左右，在进行一次干 燥后，其含水量减少到大约1 5 。然后继续输送到二次干燥房进行干燥。第二 次干燥：坯体到达二次干燥房时的含水率为1 5 ，进入二次干燥房后，被从 3 0 m 3 和5 5m 3 的两个梭式窑的烟囱抽取的热气进行干燥后，含水率要求在2 0 5 之间。这时，关闭热气，通风，让坯体在二次干燥房内自然冷却。 在我们这个系统中，将采用的是一种用在热风中加入蒸气的混合气体对坯 提进行二次干燥的方法。他与传统的干燥方法根本的不同就是传热介质的不 同。 根据陶瓷的干燥机理，当采用湿热风快速干燥时，坯体在干燥过程可分为 三个阶段。见下图2 2 ： 武汉理 大学硕士学位论文 革 僚 温 度 。乙、厂、 ( - - 飞| f 一戈 l o ， 。以- 忙k - - z i0i l mu ，对所有爿，对所有的有p n ，u ， d f s t ( x l x z & h 。) - t 钟a 印 2 式中，s n g ( t ) 为标准符号函数，4 和d 可由以下算式确定： l 玉+ a , f - ds 昭，) i 以 b + b 似 这q d 一甄。毛d ，y t 玉+ 知如，q ，0 i + 8 j p l r 2 、模糊预测模型 本文提出的干燥室温度模糊预测模型为由m 条规则组成的t s 模糊模型 武汉理工大学硕士学位论文 如f 最：i f y i s 4t h e n 托( 七) ，h ( y r 一五)( 4 4 ) 其中y 1 ) ， ) ，y ( k 一1 ) ， ，y ( k 一打，+ 1 ) ，“ ) ，“僻一1 ) ，a ，u ( k 一万* + 1 ) j 是输入 输出变量，其中，肚) ，y 驻一刀，+ 1 ) 是温度实际检测序列，口 ) ，h 岱一万* + 1 ) 是控制供热风机转速的变频器输出序列，4l 气, a 2 # ，a ，彳，召。，曰2 ，a ，曰虬j 是第f 条模糊规则的隶属度函数集，矢量吃和正是基于第f 条模糊规则的l t v 模型的广义预测控制参数，舰 ) 是第f 条模糊规则的控制量增量，y ，为参考 轨迹，即为卵经软化的过渡曲线。根据每条规则的满意度 加权求和，可得 出詹时刻豹控制量芦 ) 。 ( 4 5 ) 湿气注入量是时间的函数，在注入过程中是变化的。当控制湿度的蒸气发 生器的开度增加时，湿气注入量增大，其变化率为正；当蒸气发生器开度减小 时，湿气注入量减小，其变化率为负。因此可以用冷气注入量及其变化率作为 前馈模糊控制器输入量，调节比值k ，使热风的温度随着蒸气的变化而变化， 粗略调节混合风的温度，而后通过反馈控制细调，以达到干燥室内温度恒定控 制的目的。 4 2 仿真实验及应用分析 为了验证本文所提出的控制器是否具有更好的控制效果，本文对该控制器 进行进行了阶跃响应试验。 冷风流量扰动下干燥室内温度的动态特性可由如下的典型的一阶惯性环 节加滞后环节传递函数模型( f o p d t ，f i r s to r d e rp l u sd e a dt i m e ) 近似表 示： 啪) l 蒜8 1 。海6 ， | | f 为过程稳态增益，l 为过程时间常数，f 。表示纯滞后时问。采用阶跃响 武汉理工大学硕士学位论文 应试验法辨识传递函数模型参数，经过多次反复试验后确定：七t = 1 2 3 ， = 6 1 0 s 0 = 3 5 0 s 。 温度的阶跃响应曲线如图4 - 3 所示。可以看出与p i d 相比本文提出的模糊前 、 一 7 o | 国 | t | | t 小。 图4 3 温度的阶跃响应 其中：为模糊预测控制在单位阶跃输入下的响应曲线 为p i d 控制在单位阶跃输入下的响应曲线 我们在实验室内对类似的多孔陶瓷干燥系统进行系统仿真，在浙大中控公 司设计的集散控制系统上对该控制系统进行模拟，得出该系统的p i d 控制过程。 该由于系统时滞较大，p i d 不能及时克服扰动的影响，所以温度、湿度的波动 较大。如图4 4 武汉理工大学硕士学位论文 i 0 0 7 5 5 0 j 2 5 0 l 2 34 图4 4 干燥室p i d 控制曲线 干燥室压力变化曲线 干燥室内温度变化曲线 干燥室内湿度变化曲线 8 0 6 0 4 0 2 0 图4 - 5 是采用了基于模糊逻辑的前馈反馈控制系统后的四小时历史曲 线。从控制曲线可以看出，本文提出的前馈一反馈控制系统比p i d 控制有更好 的控制效果，温度、湿度的控制质量得到较大提高。 1 0 0 7 5 5 0 己5 0 l2 3 4 图4 - 5 干燥室内前馈一反馈控制曲线 干燥室压力变化曲线 8 0 6 0 4 0 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 干燥室内温度变化曲线 干燥室内湿度变化曲线 4 3 小结 在第二章的干燥系统分析的基础上，提出了室内湿度的模糊控制器模型， 设计了基于模糊预测控制的室内温度前馈反馈控制器，给出了相应的控制算 法，并对仿真和运行结果进行了分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第五章控制系统硬件设计 5 1 系统硬件简介 为了适应多孔陶瓷载体生产过程中灰尘多、噪声大的工作环境，增强系统 的稳定性，本文采用了上位机主控系统加下位机p l c 控制系统的冗余系统， 上位机主控系统对多孔陶瓷二次干燥室中的各运行参数进行自动控制，监视多 孔陶瓷二次干燥室内的运行状况。下位机p l c 控制系统对干燥室内的运行参 数进行手动调节，同时实时控制干燥过程并对系统报警停电信号做出反应。这 样下位机就分担了上位机的部分任务，减轻了上位机的计算量，同时在上位机 不能正常运行时下位机也能让干燥室正常工作，提高了控制系统的可靠性。上 位机和p l c 之间通过r s 4 8 5 串口通讯实现数据传递。控制系统硬件框图如图 5 1 图5 1 多孔陶瓷二次干燥系统硬件框图 多孔陶瓷二次干燥系统一般需要长时间的运行，要求其控制系统具有较高 的可靠性。因此，在多孔陶瓷二次干燥系统中，设计了上位机自动控制、下位 机开环调节和手动调节三种控制方式来实现系统的运行参数调节。这几种控制 方式可以通过触摸屏上的转换开关和控制柜上的手动t l 动转换开关相互转换。 4 0 武汉理t 大学硕士学位论文 5 2 下位机p l c 控制系统 p l c 是近年来迅速发展起来，并取得广泛应用的新一代工业自动化控制装 置。是在微型计算机的基础上，根据工业控制的特点加强了接口功能及抗干扰 能力，简化了编程及输入输出方法，使其具有灵活方便、安全可靠、环境适应 性强等突出优点，在各种工业自动化系统中得到了广泛的应用。在本系统中， 拟采用日本0 m r o n 公司的c 2 0 0 h e 系列可编程序控制器，c 2 0 0 h e 系列为 o m r o n 的中型高端模块式p l c ，具有强大的处理能力和连网能力。c h 2 0 0 h e 中 的c p u 4 2 具有高速的数据处理速度( 可达0 3ps 指令) ，大容量的程序存储 器( 7 3 k ) ，并且具有6 k w 的数据容量，该c p u 最多可以控制8 8 0 个i o 点。 通过c p u 模块上的编程口，p l c 可以和装有编程软件的上位机连接，将梯形 图写进存储器并可对梯形图进行在线编辑和监控，大大减轻了编程人员的工作 量。 本文的p l c 由中央控制器和各种i o 模块组成。其配置清单如表5 - l 所示： 表5 1p l c 具体配置清单 手蛰帮q数疆 硬嚷 lc 如0 i i e c p u 4 姐l c p u 啦冗。内存72 k 。鸯壹火i , o 数，8 8 0 点 。带r b - 2 3 2 1 c 时钟 2c 2 0 0 h w p 2 0 4 , 5i 电潍难艇 c i i o 1 2 0 v 2 0 0 2 4 0 带2 a v d c 也踩 3c h 2 0 0 0 c 2 2 j2 黪l 乜嚣毓：l ；乖j 亡1 6 点1 a 1 2 一i s i d c 4 c h ：3 1 22教一甜辕丸带无t 6 点2 4 y d c ， c h ：0 0 b c 0 8 1 v 2l群援t 叮安装g 个母，c 6 c h 0 i - r , t d o m 0 3l邋饿毂。个i l 4