（控制科学与工程专业论文）陶瓷辊道窑温度智能逻辑控制方法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 陶瓷行业作为一个能耗较大的工业部门，消耗的能源中，8 0 以上用于烧成 和干燥工序。陶瓷窑炉的温度控制的优劣直接决定了产品的质量和能源的利用 率。窑内温度易受外界因素影响，如不及时稳定的调节，将严重影响产品的成 品率和能源的浪费。因此有效及时控制窑内温度成为当前一个非常重要的研究 课题。 泛布尔代数逻辑控制( 以下简称“逻辑控制一) 是以泛布尔代数为基础的新 型计算机控制理论。逻辑控制作为一种新型智能控制，已经用于诸如空调控制、 纸张定量控制、升船机控制、带裙房高层建筑等方面。在温度控制方面，将逻 辑控制算法运用于陶瓷辊道窑温度智能控制的研究尚属首例。 首先，本文介绍了目前陶瓷辊道窑系统控制和窑内温度控制的发展和现状， 以及智能逻辑控制的研究现状。第二，介绍了陶瓷辊道窑的结构概况，以及辊 道窑煅烧过程中的温度特性；其次着重介绍了陶瓷辊道窑窑内温度测量方法； 最后在详细介绍温度概念的情况下，提出了窑炉温度控制模型，为以后的仿真 研究打下理论基础。第三，介绍智能逻辑控制系统的控制原理、控制特点及组 成，以控制窑内温度偏差、偏差变化率为研究目标，根据逻辑控制基本理论及 其控制规则，分别建立九点、二十五点控制模型，并将它们运用于辊道窑温度 模型进行仿真。第四，介绍p i d 控制器的研究，应用z i e g l e r n i c h o l s 法进行p i d 参数整定，并应用于模型并仿真。将九点、二十五点控制器应用于模型并仿真。 比较分析了不同逻辑控制器对该模型的适用性和控制效果。并做了智能控制器 作用时与p i d 控制器作用时的比较，分析不同控制器控制效果不同的原因。最 后，介绍温度控制系统的工艺流程及智能逻辑控制方法在控制系统的应用尝试。 仿真结果表明，逻辑控制方法简单、灵活、方便，可以有效地减小窑内温 度在干扰下出现的偏差，控制效果十分明显。其中，温度在二十五点逻辑控制 器作用时的控制效果最为明显。得出结论：将对象的运动过程进行细致的划分， 会使得系统的预期性能指标得以更好的实现。 关键词：泛布尔代数，逻辑控制，温度控制，陶瓷辊道窑 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了r t h ec e r a m i ci n d u s t r yi sab i gi n d u s t r ys e c t o rw i t hl a r g ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n d m o r et h a n8 0p e r c e n te n e r g ys u p p l yi su s e dt ot h ep r o c e d u r eo fb u r n i n ga n dc o o l i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a lf u r n a c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tp r o d u c t q u a l i t ya n de n e r g yu t i l i z a t i o n t h et e m p e r a t u r ei nc e r a m i ck i l li sa f f e c t e de a s i l yb y e x t e r n a lf a c t o r s i fn o tt or e g u l a t es t a b l y , t h ew a s t ee n e r g yw i l la f f e c tt h er a t eo f f i n i s h e dp r o d u c t s t h e r e f o r e ，c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ee f f e c t i v e l yh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tt h e o r e t i c a lp r o j e c t t h ep a nb o o l e a na l g e b r al o g i c a lc o n t r o l ( s h o r tf o r “l o g i c a lc o n t r o l ”) i san e w c o m p u t e rc o n t r o lt h e o r y a tp r e s e n t ，t h el o g i c a lc o n t r o lh a sb e e na p p l i e dt ot h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h ea i rc o n d i t i o n i n g , t h eb a s i sw e i g h tc o n t r o lo ft h ep a p e r , v i b r a t i o nc o n t r o lo fs h i pl i f t i n gs t r u c t u r a la n dt h et a l lb u i l d i n gw i t hp o d i u ms t r u c t u r e u s i n gm rd a m p e r t h el o g i c a lc o n t r o la l g o r i t h mh a sb e e na l r e a d yu s e d i nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，b u ti ti st h ef i r s tt i m et ob er e s e a r c h e d i nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o l o fc e r a m i cl 【i i i f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dp r e s e n ts i t u a t i o no f s y s t e mc o n t r o la n dt e m p e r a t u r ec o n t r o li nc e r a m i ck i i n ，a sw e l la st h ep r e s e n t s i t u a t i o no ft h el o g i c a lc o n t r 0 1 s e c o n d ，i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fc e r a m i ck i i n ，a n d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft e m p e r a t u r ep r o c e s si nc e r a m i ck i i n f i n a l l yi n t r o d u c e s e m p h a t i c a l l yt h et e m p e r a t u r es u r v e y m e t h o di nc e r a m i ck i l n b a s e do nt h e s e i n t r o d u c t i o n s ，t h et e m p e r a t u r em o d e lo fc e r a m i ck i l ni ss t u d i e d t h i r d ，i n t r o d u c e st h e c o n t r o lp r i n c i p l e 、c o n t r o lr u l eo ft h el o g i c a lc o n t r o ls y s t e m t h et e m p e r a t u r ed e v i a t i o n a n dt h ee r r o rr a t eo fc h a n g ei st a k e na st h er e s e a r c ha i m a c c o r d i n gt ot h el o g i c a l b a s i c t h e o r ya n dc o n t r o lr u l e t h en i n ep o i n t s ，t h et w e n t yf i v ep o i n t sl o g i c a l c o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e d t w oc o n t r o l l e r sa r eu t i l i z e di nt h et e m p e r a t u r em o d e la n d m a d es i m u l a t i o n f o u r t h ，i n t r o d u c e st h er e s e a r c ho np i dc o n t r o l l e r , a n du s et h e m e t h o do ft h ez i e g l e r - n i c h o l st os i tp i dp a r a m e t e r s u s ep i dc o n t r o l l e rt om a k e s i m u l a t i o n t h ed i s s e r t a t i o nc o m p a r e st h ec o n t r o le f f e c t so ft w od i f f e r e n tl o g i c a l c o n t r o l l e r s ，a n a l y z e st h er e s p o n s eo fp i dc o n t r o la n dl o g i c a lc o n t r 0 1 a n da n a l y z e s t h er e a s o n so ft h ec o n t r o le f f e c t f i n a l l y , t h ep r o c e s so ft e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n dt h el o g i c a lc o n t r o lm e t h o di su s e dt ot h i sc o n t r o ls y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h el o g i c a lc o n t r o lm e t h o di sn o to n l ys i m p l e ， f l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t ，b u ta l s o a b l et od e c r e a s et h et e m p e r a t u r ed e v i a t i o ni n i l 武汉理工大学硕士学位论文 c e r a m i ck i l nu n d e rt h eu n d e s i r e ds i g n a le f f e c t i v e l y e s p e c i a l l y , t h ec o n t r o le f f e c ti s m o s ts i g n i f i c a n tu n d e rt w e n t y f i v ep o i n t sl o g i c a lc o n t r o l l e r n ec o n c l u s i o ni st h a t , t h em o r ed i v i s i o no ft h em o v e m e n tp r o c e s s ，t h eb e t t e rt h es y s t e m sa n t i c i p a t e d p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：p a n b o o l e a na l g e b r a ，l o g i c a lc o n t r o l ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l ，c e r a m i c k i l n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：豸匿壁丑豸垒日期：出! ! ：乜丕：! 三 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：司区立日当导师签名：磁 寝环t 孤 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 课题来源于湖北省科技计划项目“高性能陶瓷窑炉装备关键技术开发及示 范一。本文主要针对陶瓷辊道窑温度智能逻辑控制方法展开工作，选题具有重要 的理论意义和工程应用价值。 众所周知，陶瓷行业是一个能耗较大的工业部门，消耗的能源中，大部分 用于烧成和干燥工序，它们的能耗占8 0 以上。据报道，英国陶瓷工业的能耗 中，约有6 1 用于烧成工序，干燥工序能耗约占2 0 【l j 。虽然我们国内陶瓷窑炉 的发展方向已由过去提出的辊道化、自动化、煤气化、轻型化、大型化向绿色 ( 环保、节能和智能型) 窑炉方向发展。但是，目前我国陶瓷行业的能源利用 率与国外相比差距甚大，发达国家的能源利用率一般高达5 0 以上，美国达5 7 ， 而我国仅达到2 8 - - - 3 0 左右。因此，如何降低陶瓷工业的能耗，特别是窑炉的 能耗，是摆在我国陶瓷行业的一项迫切任务。 在现代的陶瓷生产中，陶瓷窑炉仍是生产工艺的关键，是陶瓷生产中最重 要的热工设备，在综合指标消耗最小的情况下获得满足工艺要求的良好产品， 追求“优质，低耗，灵活，无污染，轻体力刀是现代辊道窑的控制目标。然而， 陶瓷窑炉生产过程时滞大，具有多对多的输入一输出、非线性、被控制变量( 如 温度，气氛，压力) 之间有强耦合，控制系统复杂，其动态性差且某些因素具 有“时变性 ，传统的控制模型对其进行有效地控制较难实现1 2 l 。 陶瓷窑炉是时滞大、动态响应特性差、时变的具有强耦合的复杂的非线性 大系统，要对此种系统燃烧进行有效的控制，就必须采用先进的检测与控制技 术。在陶瓷窑炉燃烧过程中，如何控制好温度制度、气氛制度和压力制度是自 控中的关键l 引。到目前为止，能够对以上三者同时进行有效的控制方案尚未见到， 因此陶瓷窑炉内温度、气氛和压力的检测与控制仍然是值得继续研究的课题。 运用智能控制理论与方法，为陶瓷辊道的自动化发展提供了一种新的可行 方法，现己得到应用。陶瓷窑炉在建材行业中被广泛使用，其温度控制技术直 接影响了产品的品质。由于生产过程的时间滞后，被控变量易受干扰。陶瓷窑 武汉理工大学硕士学位论文 炉中，工艺要求温度变化在0 5 范围内，跟踪速度要快，响应时间要短，如采 用常规的p i d 控制，系统的抗干扰性能差，响应慢，调整时间较长。而单纯的 模糊控制，本质上利用的是过程的当前和过去的信息，无法对系统的变化趋势 进行预测或估计1 4 1 。因此，新型智能控制方法能够适应控制对象的大滞后、非线 性等特点。 实现陶瓷窑炉节能减排，是研制高效节能新型窑炉的最终目标，改进燃烧 技术才是其关键，为了达到这一目标，需要通过对高效节能新型陶瓷窑炉的研 制以及新型智能控制方法的研究，不断跟踪陶瓷窑炉生产过程的先进控制与健 康监测技术的最新理论和技术，以保持技术的先进性。 1 2 陶瓷辊道窑温度控制概述 陶瓷窑炉是陶瓷生产行业的关键设备，在陶瓷烧成过程中，陶瓷坯体进入 窑炉装备，通过控制技术保证烧成工艺参数，实现产品的烧成【5 】。陶瓷窑炉系统 构成如图1 - 1 所示。 图1 1 陶瓷窑炉系统构成 1 2 1 以工控机为核心的温度监控系统 以工控机为核心的陶瓷窑炉温度监控系统【“7 l 。这种温度监控系统是将工控 机和以单片机为核心的智能仪表结合起来构成二级计算机监控系统。以油烧辊 道窑的温度监控为例，辊道窑温度计算机监控系统结构框图如图1 2 所示。 2 武汉理工大学硕士学位论文 度 图1 2 辊道窑温度计算机监控系统结构框图 该温度监控系统第一级为单片机智能型数字显示、控制仪表，具有p i d 调 节功能和异步通讯功能。它将随时采集到的窑炉各控制点的温度、供气空压机 气压、供油油泵油压和传送带速度等信息传输到上一级工业控制计算机。工业 控制计算机对传输来的数据进行存储、处理、制表、绘曲线及打印。同时工业 控制计算机还将对传送来的各控制点数据综合运算修正和调整在线的单片机仪 表控制，实现解耦调节。工业控制计算机每隔十秒采样和存储一次控制点的数 据，并可至少存储三年窑炉的生产数据。打印机可定时打印出窑炉各控制点的 采集数据，也可随机打印窑炉各控制的采集数据，以供作生产的技术数据档案 和分析生产质量优劣的依据。这种监控系统兼有单片机智能仪表和工控机的优 点，既可保证测量准确和稳定，又可直观形象地显示监控过程，便于利用生产 数据进行分析，也克服了前一种监控系统存在的可靠性问题。实现了良好的温 控指标，大大改善了瓷砖生产质量和成品率，降低了工人劳动强度，提高了劳 动生产率。 1 2 2 分布式温度控制系统 分布式控制系统( d c s ) 是计算机技术( c o m p u t e r ) 、控制技术( c o n t r 0 1 ) 、 通讯技术( c o m m u n i c a t i o n ) 和图形显示技术( c r t ) 发展相结合的产物，实现 了生产过程集中操作和分散控制，是当前国内外工业控制系统的发展潮流1 8 l 。这 种分布式温度监控系统在辊道窑温度监控系统中得到了广泛应用。它由上位机 与下位机两大部分组成，上位机与下位机通常通过r s 4 8 5 通讯协议完成信息的 传递。上位机由通用微机加r s 2 3 2 c r $ 4 8 5 转换器构成，位于集中控制室，完成 3 武汉理工大学硕士学位论文 向下位机发送命令、接收现场控制器数据及数据分析、存储、显示等功能。下 位机由现场温度智能控制器、温度传感器，电动比例调节阀等组成，主要完成 对窑炉各点温度的测量、控制及向上位机发送有关数据等【9 1 。计算机集中控制结 构如图1 3 所示。 图1 - 3 计算机集中控制结构图 1 2 3 基于现场总线的辊道窑温度监控系统 计算机与电子技术的发展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络 化( 或分散化) 的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控制系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 1 1 1 1 。现场总线控制系统是以现场总线技术为核心， 以基于现场总线的智能l o 或智能传感器、智能仪表为控制主体，以计算机为监 控中心的集系统编程、组态、维护、监控等功能为一体的工作平台。它是继d c s 之后又一种全新的控制体系，f c s 废除了d c s 系统结构中的输入输出单元和控 制站；由现场设备或现场仪表取而代之，将现场控制站中的控制功能下移到网 络的现场智能设备中，从而构成虚拟控制站，通过现场仪表就可构成控制回路， 故实现了彻底的分散控制。f c s 的现场设备具有互操作性，不同厂商的现场设 备既可以互连又可以互换，并进行统一组态，构成它所需要的控制回路，彻底 改变传统d c s 控制层的封闭性和专用性，提高了系统的可靠性、自治性和灵活 性。它较好地解决了过程控制的两大基本问题，即现场设备的实时控制和现场 信号的网络通信【1 2 l 。目前，基于现场总线的辊道窑温度监控系统针对分布式温 4 武汉理工大学硕士学位论文 度监控系统通信线路多，成本高的缺点，采用现场总线的通信方式来改善分布 式温度监控系统，基于现场总线的辊道窑温度控制系统框图如图1 - 4 所示。 图1 4 基于现场总线的辊道窑温度监控系统 1 3 陶瓷窑炉温度智能逻辑控制的现状 近年来，随着计算机在工业控制中的广泛应用和人工智能理论的发展与应 用，出现了以人工智能、控制理论和计算机技术为基础的新型智能控制技术， 智能控制技术的性能和特点可较为有效的解决陶瓷窑炉存在的大惯性、纯滞后、 强非线形及温度、气氛等多种变量耦合等问题。 目前，实际应用中较为广泛的方法是将各种控制策略有限地结合起来所形成 的复合控制策略可以更加有效地完成复杂系统的控制工作，特别是模糊逻辑控 制，是应用模糊集合理统筹考虑系统的一种控制方式，它不需要精确的数学模 型，是解决不确定系统控制的有效途径。目前有以下几种应用广泛的控制方法： 模糊p i d 复合控制( f i ) 1 3 - 1 4 j 、模糊变结构控制( f v ) 1 1 5 j 、模糊神经网络自适 应控制( f n a ) 1 1 6 1 、模糊预测控制( f p ) 1 1 7 1 、模糊神经网络专家控制( f n e ) 1 1 s - 1 9 、 专家模糊控制( e f ) 1 2 0 - 2 1 j ；另外，专家p i d 控制( e i ) 2 2 l 由于美国f o x b o r o 、 日本横河等公司所开发的具有专家p i d 自整定控s j j 器i 2 3 2 4 j 的广泛应用，也逐渐 成为一种较为成熟、控制效果好的方法。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 1 模糊p i d 复合控制 利用模糊控制理论，将进化规划与p i d 控制相结合，节省规划算法的时间。 此种控制模块可以较好的适应非线性、大延迟等用普通的p i d 控制器难以实现 的控制。模糊控制在大偏差时可迅速减少偏差；p i d 控制在稳态偏差的调节中可 以达到良好的效果。实际应用中，最重要的是建立合理的模糊决策控制表，即 将输入量通过模糊化的方法变成输入变量模糊子集的隶属函数值，然后根据模 糊控制规则进行模糊推理，得出输出变量模糊子集的隶属度，最后将输出的模 糊量转变为可供实际输出的精确值【捌。 1 3 2 专家模糊控制 专家模糊控制器的工作原理是：特征识别模块对控制对象输出的性能指标 进行识别，通过推理机，性能识别模块对输入的信息进行识别，也传输给推理 机。推理机构根据所得信息计算出实际性能指标，并与期望的性能指标相比较， 做出决策，判断是否进行参数调整。专家系统具有大量的知识和经验，可根据 模糊控制的工作具体运行情况及期望性能指标自学习并调整修正，使系统的动 态特性满足不同的要求，适时地根据不同的产品、具体的工况来优化、调整各 个控制参数，达到智能控制的目标。设计的专家系统将作为一个决策控制器使 用，由该系统给出的合理的控制信号来满足整个系统的需要。 1 3 3 模糊神经网络自适应控制 在自适应控制中加入模糊神经网络建模工具，利用神经网络的知识获取与 并行推理、自适应的能力可大大改善系统的鲁棒性和适时性，同时利用神经网 络强有力的数值计算能力，实现预估控制和优化控制。 p i d 神经元网络是一种新的多层前向神经元网络，其隐含层单元分别为比例 ( p ) 、积分( 1 ) 、微分( d ) 单元，各层神经元个数、连接方式、连接权初值是 按p i d 控制规律的基本原则确定的，它可以用于多变量系统的解耦控制。给出 了p i d 神经元网络的结构形式和计算方法，从理论上证明了p i d 神经元网络多 变量控制系统的收敛件和稳定性，通过计算机仿真证明了p i d 神经元网络具有 良好的自学习和自适应解耦控制性能。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 4 模糊神经网络专家控制 窑炉具有纯滞后、大惯性的特点，其气氛、温度、压力制度之间相互耦合， 控制过程复杂，不可能建立起精确的数学模型，这一特性尤其使用于用模糊语 言和模糊规则来进行表示。神经网络适用于解决和处理非线性模型不确定的问 题。模糊智能系统中，知识的获取是设计和实现的关键。神经网络专家系统有 较好的知识获取与并行推理能力，可以对大规模数据自适应学习，为模糊知识 的获取提供了有效的途径。专家系统解释机构可对整个控制系统起到指导作用， 并可通过神经网络的在线学习，不断获得和扩充知识库。将专家系统的灵活性 和集成性用于模糊神经网络控制中。采用模糊理论进行知识的描述与推理的模 糊系统，能较好的模拟专家的思维方法，运用不太完善的知识体系给出尽可能 准确的解答和解释。 比较以上几种控制算法，各有各自的优缺点。但陶瓷窑炉的结构特点及模 糊控制算法规则的形成特点制约了其控制效果。故提出一种有别于上述几种控 制算法的基于泛布尔代数的控制算法。它克服了传统控制的缺陷，利用简单的 逻辑表达式就可以实现复杂的控制，采用偏差与偏差变化的模糊控制的思想， 但有简化了模糊控制的过程。优化网络结构，优化控制系统，提高控制精度， 提高控制系统的自适应设计。 1 4 基于泛布尔代数逻辑控制的研究现状 2 0 实际7 0 年代末因考虑水泥窑操作模型而思索“控制系统陈述 服从的基 本运算和规律，肖奚安、朱梧掼将模型形式化。 泛布尔代划娴l j 出现多种解释，一种解释是，它表述为复杂开关电路理论； 另一种解释是，控制系统陈述的逻辑结构。 泛布尔代数是逻辑控制的理论基础，是一种新的逻辑工具j 逻辑控制方法 是判断由状态变量组成的反映偏差及偏差变化趋势的系统运行工况，根据不同 工况按事先规定好的控制量进行输出，因而带有“主动控制 方式。 逻辑控制作为新型智能控制，已有了初步的发展，现已应用于空调温度控 伟l j l 3 2 、交通灯逻辑控制【3 3 l 、水泥磨配料过型3 4 1 、纸机纸张定副3 5 l 和结构振动控 制【3 6 4 0 l 等方面，并取得较理想的效果。因此，将此智能逻辑控制应用于陶瓷窑 7 武汉理工大学硕士学位论文 炉温度控制1 4 1 j 是一种新的尝试，同时也具有一定的实用价值。随着科学的发展 和研究的深入，智能逻辑控制必将具有更广阔的发展空间。 1 5 本文的主要工作 本文的主要任务是根据陶瓷辊道窑的温度特性，针对窑炉的温度模型，在 现有研究经验的基础上，提出了基于泛布尔代数的智能逻辑控制，对窑炉的温 度模型进行仿真，完成控制仿真系统设计并进行仿真结果的比较，分析此控制 算法对温度控制的精确度和实用性。 全文共分5 章，各章主要内容如下： 第1 章绪论。首先介绍课题的来源及其研究的意义；接着阐述陶瓷窑炉温 度控制的现状；然后介绍现有智能逻辑控制在陶瓷窑炉温度控制系统的应用， 并提出将以泛布尔代数为基础的逻辑控制应用于温度控制系统的思想。 第2 章陶瓷窑炉温度特性研究。首先介绍了现阶段陶瓷辊道窑的结构概况， 然后描述了辊道窑煅烧过程中的温度特性，并介绍窑内温度常规的测量方法。 最后在介绍陶瓷窑炉温度模型的基础上，提出陶瓷辊道窑温度控制的实现方法。 第3 章陶瓷辊道窑温度的智能逻辑控制器设计本章介绍逻辑控制系统的 控制原理，控制特点及要求，并介绍典型逻辑控制系统的组成。对逻辑控制系 统中最重点的部件智能逻辑控制器进行数学模型构建。本文尝试采用两种 逻辑控制方法，根据它们的逻辑规则分别设计出九点逻辑控制器、二十五点逻 辑控制器。最后在已有基础上，介绍本文所用的陶瓷辊道窑的温度模型及其仿 真模型。 第4 章陶瓷辊道窑温度智能逻辑控制仿真研究。本章首先常规p i d 控制器 作用下的仿真研究，其次介绍了两种不同的智能逻辑控制器作用下驹仿真研究， 最后进行仿真结果的比较不同逻辑控制器之间的仿真结果的比较和常规 p i d 控制器与智能逻辑控制器的仿真比较。最终确定最优的控制方案，即最佳的 智能逻辑控制方法。 第5 章智能逻辑控制在窑炉温度控制系统的应用。本章首先介绍了陶瓷辊 道窑控制系统的工艺流程及控制要求，在此基础上，确定温度控制系方案及部 分程序图，最后介绍了陶瓷辊道窑控制系统中的通信方式。 第6 章全文总结与展望。对全文进行总结，在仿真研究与实际应用的基础 8 武汉理工大学硕士学位论文 上，指出存在的不足，并提出需要完善的方面。同时，对智能逻辑控制器在窑 炉温度控制中的应用进行展望。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章陶瓷辊道窑温度特性研究 首先介绍了现阶段陶瓷辊道窑的结构概况，然后描述了辊道窑煅烧过程中 的温度特性，并介绍窑内温度常规的测量方法；最后在介绍陶瓷窑炉温度模型 的基础上，提出陶瓷辊道窑温度控制的实现方法。 2 1 陶瓷辊道窑的结构概况 在陶瓷制造工艺过程中烧成是最重要的工序，与产品质量密切相关，占用 总能耗的6 0 , - - - , 7 0 i 4 2 。陶瓷的烧成是将成形后的生坯在一定条件下进行热处 理，经过一系列物理化学变化，得到具有一定矿物组成和显微结构、达到所要 求的理化性能指标的成坯。烧成对温度高低、温度变化快慢、不同阶段的气氛 等都有严格的要求。烧成设备为窑炉，辊道窑代表了当前窑炉的先进水平，广 泛应用于建筑、卫生和日用陶瓷行业。辊道窑是一种连续窑，具有工艺先进、 设计合理、易操作、易维修等优点。它用许多平行排列的不停转动的辊棒构成 辊道，陶瓷坯件在辊道上被带动从窑头通过窑炉炉体至窑尾，经过预热、烧成、 冷却，最后出窑。 辊道窑的迅速发展说明它具有其他窑不可比拟的优点。 ( 1 ) 温度均匀：辊道窑的窑道成扁平状，辊棒上下均可加热，窑体结构轻 巧便于采用全纤维炉衬，故窑内温差较许多窑炉小； ( 2 ) 适于快速烧成：不同产品在辊道窑中烧成的时间分别为：釉面砖3 5 5 0 分钟；瓷质砖5 0 1 0 0 分钟；卫生洁具8 1 0 小时；铁氧体8 小时；日用瓷1 2 小 时： ( 3 ) 节约燃料：下面是一些产品在辊道窑中烧成的热耗：建筑砖2 0 0 k c a l k g ：上釉锦砖4 2 0k c a l k g ：一次烧成面砖5 1 0k c a l k g ：卫生洁具7 5 0k c a l k g 。 以同一产品在辊道窑及其窑中煅烧的燃耗比较，更能看出它的燃耗是低的； ( 4 ) 有利于实现烧成工序( 包括装卸制品) 的机械化和自动化，便于上下 工序衔接，形成完整的连续生产线，提高生产效率。 另外，辊道窑还具有操作简便，有利于提高产品质量，降低成本，减少占 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 地面积和投资少等优点。 2 1 1 窑体结构的划分 按窑体结构的不同，辊道窑大致分成六个部分： ( 1 ) 前窑段：温度范围：常温2 0 - 5 0 0 。前窑各段最高工作温度：6 0 0 ； 长期使用工作温度：= 5 0 0 3 3 ； ( 2 ) 预热段：温度范围：5 0 0 - 1 0 5 0 3 3 。预热带各段最高工作温度：1 2 0 0 3 3 ； 长期使用工作温度： 1 1 0 0 ； ( 3 ) 烧成段：温度范围：1 0 5 0 1 2 2 0 1 0 5 0 。窑体结构与预热带类似， 但窑顶、窑墙及部分窑底选用优质高温轻质莫来石砖砌筑，吊钩材质选用不锈 钢。烧成带各段最高工作温度为1 2 5 0 3 3 ； ( 4 ) 急冷段：温度范围：1 0 5 0 - - 7 5 0 3 3 。窑体结构与预热带同；急冷带各段 最高工作温度为1 1 0 0 3 3 ，长期使用温度在6 0 0 - - - 9 0 0 3 3 之间； ( 5 ) 控制缓慢冷却段：温度范围：7 5 0 - - 5 0 0 3 3 。窑体结构与前窑类似，通 过控制抽吸量来达到缓慢冷却的目的。控制缓慢冷却带各段最高工作温度t 8 5 0 3 3 ；长期使用工作温度： 7 5 0 3 3 ； ( 6 ) 最终直接冷却段：温度范围：5 0 0 - - 1 0 0 3 3 冷却带窑顶采用矿楂岩棉铺 设，前段有耐火砖窑墙和窑底，后段仅有钢结构。冷却带前段最高工作温度： 5 0 0 ；冷却带后段最高工作温度： 2 5 0 l 。 2 1 2 陶瓷辊道窑系统的组成 陶瓷辊道窑系统包括传动系统、燃烧系统和自动控制系统三个系统。 传动系统采用4 5 0 螺旋斜齿轮传动方式。每三个窑段为一传动组，每组由一 台减速电机带动，由变频器调节速度。 当发生堵窑事故需处理时，事故前的辊棒可以调成往返摆动，事故后的辊 棒可继续将砖坯送至窑出口，这样设计可以将事故缩小到最小范围。整个传动 系统简捷、规整，这种传动方式运行平稳可靠、调整简单、维修量小。螺旋斜 齿轮传动都采用油浴润滑，润滑效果好、磨损少、使用寿命长。 辊道窑传动系统原理图如图2 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 传动系统原理图 由于辊道窑的陶瓷辊棒在高于7 0 0 6 c 的窑温下必须处于转动状态，否则辊棒 会弯曲，实际生产中遇有停电现象时主传动电机停止工作，这时传动系统就要 采取应急驱动。应急驱动是一台小型柴油发电机( 用户白各) ，在正常情况下， 发电机并联在窑炉的电控系统中处于备用状态。停电时，要求在3 0 秒内启动 发电机，同样在启动后3 0 秒内转换到窑炉上( 转换装置用户自蔷) ，主传动电 机工作，辊棒继续转动。 温度系统为小流量多烧嘴系统，以达到窑内温度均匀和调节方便的目的， 烧嘴在窑段两侧辊子中心上下交错布置，水平安装，烧嘴喷出的火焰产生横向 射流，使窑内气体充分搅动均匀混合，最终达到窑内断面温度均匀之目的。辊 道窑温度控制系统现场图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 辊道窑温度控制系统现场图 每个温度控制组分为辊道上下两个单回路温度控制单元，每个单元出一个 温度调节器、一个电动执行器和燃气控制阀、一支热电偶及若干个烧嘴组成。 在控制组之间的窑膛内设有马弗板和马弗墙，马弗扳与辊子的问距可根据需要 武汉理工大学硕士学位论文 设定，增加了温度控制的易调性和控制区温度的均匀性。 在窑的关键部位设置窑压表，随时监测窑内压力变化。另外设有巡检仪， 可以巡检前后窑的温度。 燃烧系统中的助燃风压一经确定后，一般将不再改变，窑温主要是通过调 节燃气量的大小来调节。 2 2 陶瓷辊道窑煅烧过程中的温度特性描述 通常，陶瓷烧成辊道窑煅烧过程分为3 部分：预热带、烧成带和冷却带【4 3 1 。 ( 1 ) 预热带的温度一般控制在4 0 0 1 2 - - - 6 5 0 0 ，整个预热带烟气温度高于坯 体温度。坯体从温度低的室温状态进入到烟气温度高的预热干燥带，坯体处于 吸热状态。坯体在预热带运行过程中，随着温度的不断升高，坯釉发生一系列 的物理化学反应。预热带并没有加热源，但安装有一个大的排风机，在预热带 形成一个负压环境，这样，烧成带的热量在气压的作用下流向预热带，以此将 预热带的温度提高到适当的温度范围内； ( 2 ) 烧成带的温度一般控制在6 5 0 - - 1 1 5 0 ，烟气温度高于坯体温度， 但两者的温差不大。燃料燃烧的火焰及生成的燃烧产物加热陶瓷砖坯，使其达 到一定的温度而烧成。烧成带的两边相错装有多个烧嘴，首尾各有一台助燃风 机，接到每个烧嘴前，且设有助燃风管调节阀门，燃料燃烧的火焰影响着烧成 带的烧结温度； ( 3 ) 冷却带分为急冷段、缓冷段、快冷段，整个冷却过程中，坯体都处于 向冷介质散热的过程，即坯体温度高于介质温度，特别是急冷段，温差就更大。 坯体经过冷却带降温后，温度不到1 0 0 * c 。冷却带采用鼓风冷却，将热量带出， 产品本身冷却后出窑。因此，烧成带喷嘴出口的温度控制以及预热带和冷却带 的炉压控制成为陶瓷生产环节的主要环节。 2 3 陶瓷窑炉炉内温度测量方法 陶瓷企业的大规模生产对现代烧成窑炉的要求越来越严格，随着窑炉长度、 宽度的加大，对测量温度仪器的选型与安装要求越来越严谨。通常在辊道窑上 应用的有以下几种。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 热电偶测温 热电偶是一种感温元件，它把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪 表转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的均质导体 组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之 间就存在热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热 电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于 某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表，分 度表是自由端温度在0 时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。 在热电偶回路中接入第三种金属材料时，只要该材料两个接点的温度相同，热 电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此， 在热电偶测温时，可接入测量仪表，测得热电动势后，即可知道被测介质的温 度。 热电偶是现代辊道窑上运用最为广泛的基本测量仪器。我们通常所说的哪 条窑的烧成曲线，都是指该窑上热电偶所测温度，通常操作控制也基本是从热 电偶所测温度出发，但热电偶所测温度通常受对应的温度显示仪、补偿导线、 热电偶分度号及使用范围的误差等( 热电偶使用说明书上都有注名使用温度范 围及对应的允许误差) 所影响。这是由于热电偶所测的温度信号产生的电势信 号在补偿导线上的传送、显示仪上的转化质量等影响而产生或多或少的误差。 所以热电偶所测温度也不能真实地反映窑内的情况，除了它的余差( 误差) 外， 也在于它所测的位置。因为整条窑低温区、高温区的热电偶一致和安装一致， 也就有规律可循，然后可凭经验从窑尾出窑砖的质量出发去重新调整烧成曲线， 不应过多受理论温度或理论曲线制约。热电偶所测的温度既不是火焰温度，也 不是实际烟气的温度，更不是砖坯的温度，但它可近似地认为是烟气温度。从 实际生产来说，在正常生产状况下，烧成带火焰温度高于烟气温度，高于砖坯 温度。由于热电偶所测温度并非砖坯温度，且热电偶安装位置点的不足，也无 法反映窑内的水平温差情况，故而通常采用测温锥、测温环、光学高温计等的 测量仪器进行补充测试。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 测温环、测温锥、光学高温计等的测温 测温环、测温锥的测温原理一样，都是通过理论高温软化温度( 也有的是 高温成色不同) ，让测温环、测温锥进入窑内跟踪砖坯，通过出窑时环、锥的 变形不同对应找出窑内砖坯表面烟气温度。但窑内局部温度往往易造成对环、 锥软化的影响。同时，砖坯吸热除与温度有关，还与吸热时间有关，锥、环的 测温也不尽完美。所以，为了找出窑内不同区域窑墙等的实际温度( 正常生产 下窑墙对砖坯辐射传热) ，通常靠光学高温计在窑炉外测量。光学高温计结合 不同温度下受热物体( 如窑墙、砖坯) 的呈色不同的原理，通过光学高温计内 灯丝不同电流下呈色不同，两者进行比色分析，认为窑内颜色与光学高温计内 灯丝颜色相同，然后根据高温计的电流不同对应显示温度不同，从而确定窑内 温度。虽然从理论上分析，这种测温仪灵活方便，窑内，特别是辊道窑的看火 孔较多，可测不同区域的温度，但它的呈色受肉眼对颜色( 通常为红色系中的 不同红色) 的灵敏度影响。不同的人肉眼对颜色的灵敏度不同，即便是同一个 人，也因眼睛的疲劳度不同而影响对色彩的感应。但实际生产中，砖坯的实际 温度从产品烧成质量上来说才是最有实际意义的。所以表面温度计的运用是相 当有意义的。 2 3 3 表面温度计测温 表面温度计通过金属片受热感应，不同温度下感应度不同，对应数显出的 温度数字不同的原理工作，它的出现解决了对表面温度无法确知的难题。然目 前只存在测量较低的环境温度下的不同制品的表面温度。尽管如此，在陶瓷墙 地砖生产中，特别是特殊工艺砖，如渗花砖、印花砖，因渗花前的坯体表面温 度对渗花深度有影响；印花前坯体表面温度对印花效果有影响；大规格砖出窑 温度，特别是硅含量高的制品，因石英在2 7 0 一1 8 0 。c 时存在a 方石英与b 方石英 晶型转变体积收缩易导致后期裂的影响等，可见测量表面温度的重要性。 2 4 陶瓷窑炉的温度模型 在陶瓷生产领域罩，理论温度是个广义的温度概念，热工方面有，工艺方 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 面也有，怎样去分别众多的温度表述。 2 4 1 理论燃烧温度 量热计式燃烧温度：这是指在绝热条件下的燃料燃烧放出的全部热加热砖 坯的温度。事实上在生产上是不可能的。 理论燃烧温度：燃料燃烧放出的全部热量，补偿高温时燃烧产物中部分c 0 2 和水的分解反应吸收掉的热量后，加热燃烧产物所得的温度。从理论燃烧温度 可以看出，这种温度在实际操作中具体意义不大但它对窑炉设计时燃料选择 及燃料质量好坏确定有指导作用。在广义陶瓷领域里，通常存在固体燃料( 如 煤等) 、液体燃料( 如柴油、重油等) 、气体燃料( 如天然气、发生炉煤气、 液化石油气等) 和电这四类热能来源。这些热源的理论燃烧温度是各不相同的， 所以不同的窑炉生产不同的品种、产量等，通过热平衡计算，从而确定所需的 热源。在现代陶瓷墙地砖生产中，普遍运用的是柴油、重油、发生炉煤气等。 2 4 2 理论烧成温度 通常陶瓷产品的生产在工艺配方确定后都要进行实验试烧，甚至在窑炉上 小试。在工艺配方中，各种原材料的成份不同，陶瓷烧成温度是不一样的，经 过理论综合计算评估确定下来的该配方的烧成温度( 达到产品工艺质量指标所 需的最高烧成温度) 就是理论烧成温度。 理论烧成曲线：跟理论烧成温度性质相同，理论烧成曲线就是产品配方在 实验、小试过程中的随时间梯度而对应的温度制度，通过这两种梯度绘制的温 度曲线。 矿物的理论温度：陶瓷墙地砖的配方组成中有、s i 、k 、n a 、m g 、c a 、 f c 、t i 等元素，基本以高岭土、长石、石英等矿物存在。而这些矿物在不同温度 下存在水分分解排除、晶型转变、物理化学反应等如石英在5 7 3 的b 石英与a 石英的晶型转变等，这些都是指矿