（机械制造及其自动化专业论文）铝用阳极焙烧炉控制系统的研究.pdf

t h er e s e a r c ho na n o d eb a k i n gf u r n a c ec o n t r o ls y s t e m b y w e it a i b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 4 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n ga n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ib i n g c a i m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名蕊康 日期测年6 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：躲 导师签名： 日期：扣，年6 月f 日 日期凶f r 降6 月一日 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 插图索引i v 附表索引v 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 国外阳极焙烧技术的研究现状2 1 2 2 国内阳极焙烧技术的研究现状4 1 3 本课题研究的目的和意义5 1 4 本课题的研究内容6 第2 章预焙阳极焙烧过程及工艺8 2 1 预焙阳极焙烧过程8 2 1 1 预焙阳极制造流程8 2 1 2 预焙阳极焙烧过程8 2 1 2 1 原料贮存和前处理8 2 1 2 2j 段烧9 2 1 2 3 振动成型9 2 1 2 4 焙烧9 2 2 焙烧设备1 1 2 2 1 阳极焙烧炉1 1 2 2 2 焙烧装置及控制系统1 2 2 3 焙烧工艺要求1 5 2 3 1 焙烧温度曲线1 6 2 3 2 火道负压1 7 2 3 3 升温速度1 7 2 3 4 最终焙烧温度18 2 3 5 料箱阳极温度18 2 4 本章小结一18 第3 章p i d 控制理论基础1 9 3 1p i d 控制的基本原理1 9 3 2 数字p i d 控制的基本原理2 0 3 2 1 位置式p i d 控制算法2 1 1。一 铝用阳极焙烧炉控制系统的研究 曼曼! 曼曼曼曼! 曼曼曼皇曼苎曼曼舅曼皇曼曼曼曼皇曼舅曼量曼皇皇曼曼量皇鼍曼曼曼曼! 曼鼍曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼鼍m m nu 曼曼曼鼍曼曼曼曼! 曼皇曼皇曼皇曼曼! 曼量曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼曼量量 3 2 2 增量式p i d 控制算法2 2 3 1 3 数字p i d 控制算法的改进一2 3 3 3 1 积分分离p i d 控制算法2 3 3 3 2 不完全微分p i d 控制算法2 3 3 3 3 带死区的p i d 控制算法2 5 3 3 4 砰砰一p i d 复合控制2 5 3 4p i d 参数整定方法2 5 3 4 1 工程整定法2 5 3 4 1 1 扩充临界比例法2 6 3 4 1 2 扩充响应曲线法2 7 3 4 1 3 经验法一2 8 3 4 1 4 凑试法2 8 3 5 自适应p i d 控制的基本原理2 9 3 5 1 自适应控制2 9 3 5 2 自适应p i d 控制3 0 3 6 本章小结3 1 第4 章阳极焙烧炉模糊控制器设计3 2 4 1 模糊控制的基本原理3 2 4 2 模糊控制器的设计3 3 4 2 1 模糊控制器结构的选择一3 3 4 2 1 1 单变量模糊控制系统一3 3 4 2 1 2 多变量模糊控制系统3 4 4 2 2 模糊控制规则的设计3 4 4 2 2 1 确定语言变量3 4 4 2 2 2 确定隶属度函数3 5 4 2 2 3 建立模糊控制规则3 7 4 2 2 4 确定模糊关系4 0 4 2 2 5 模糊推理及其解模糊化4 1 4 2 2 6 模糊控制查询表4 2 4 3 本章小结4 2 第5 章模糊自适应p i d 控制器的设计及其m a t l a b 仿真4 3 5 1 模糊自适应p i d 控制器的设计4 3 5 1 1 在线实时模糊自整定p i d 控制器设计4 4 5 1 1 1 输入输出量的模糊化4 4 5 1 1 2 建立模糊控制规则4 6 硕十学位论文 5 1 1 3 模糊推理与模糊判决4 7 5 2m a t l a b 仿真分析5 0 5 2 1m a t l a b 仿真简介一5 0 5 2 2 控制对象的模型5 0 5 2 3 常规p i d 控制仿真5 1 5 2 4 模糊自适应p i d 控制仿真一5 2 5 2 本章小结5 6 第6 章控制系统研究5 7 6 1 控制系统功能5 7 6 2 控制系统功能配置5 8 6 2 1 零压测量5 8 6 2 2 负压控制器5 9 6 2 3 燃烧架控制器5 9 6 2 4 集中监控系统6 0 6 - 3 控制系统特点6 0 6 4 系统控制指标6 0 6 5 控制算法在p l c 中的实现一6 l 6 5 1p i d 控制在p l c 中的实现6 l 6 5 2 模糊控制在p l c 中的实现6 2 6 5 3 模糊自适应p i d 控制在p l c 中的实现6 3 6 5 控本章小结6 5 结论与展望6 6 1 结1 沧6 6 2 展望6 7 参考文 献一6 8 致 谢一7 1 附录攻读学位期间发表的学术论文目录7 2 i i i 硕+ 学位论文 摘要 碳素阳极焙烧是铝工业生产的重要环节，阳极焙烧质量的好坏直接影响电解 铝的质量、电流效率、能耗以及环保等。阳极焙烧质量与生产的原材料性质、生 产工艺、碳素颗粒组成、沥青用量等有关，而最重要的是焙烧过程中升温曲线控 制的精度和温度场的均匀性对阳极炭块的质量有着决定性的要求。因此，提高阳 极焙烧技术是改善阳极焙烧质量的关键，也是目前铝电解工业研究的重要课题。 本文综述了目前国内外阳极焙烧技术的发展状况，以及国内阳极焙烧技术和 国际先进水平的差距，介绍了阳极焙烧过程中的影响因素、焙烧原理和工艺、整 个焙烧过程( 原料贮存和前处理、煅烧、振动成型、焙烧) 等，分析了目前阳极焙 烧控制系统研究工作的优势，以及在实际工程应用中存在的问题和不足。本文重 点是结合碳素阳极焙烧炉对温度的技术要求，系统的研究了常规p i d 控制和模糊控 制各自的特点，将两种控制方法相互结合，构成模糊自适应p i d 控制器，使其发挥 各自的优点。p i d 控制与模糊控制有多种结合方式，本文采用的模糊自适应p i d 控 制算法，该算法是找出p i d 三个参数与误差和误差变化量之间的模糊关系，在运行 过程中不断地检查误差和误差变化量，根据模糊控制原理对三个参数进行在线修 改，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。文中根据被控对象的特点，完成 了模糊自适应p i d 控制器的设计，阐述了详细的设计过程。 为了更好的满足阳极焙烧生产的需要，本文采用西门子可编程控制器$ 7 - 3 0 0 为控制核心进行系统设计。通过编程的方式实现模糊自适应p i d 控制算法，采用离 线计算的方式将模糊规则制成模糊查询表，通过在线的方式查询模糊控制量的输 出，最后将p i d 参数校正值与基准值相加，获得p i d 参数瞬时值，进行p i d 运算，得 到的控制量施加于控制对象执行器。 最后，本文对不同的控制方法在m a t l a b s i 舢1 i n k 软件中进行仿真实验，重 点对模糊自适应p i d 控制进行了仿真调试。通过对仿真结果的分析比较，得出采 用模糊自适应p i d 控制的方法更能满足阳极焙烧的技术要求，既利用了模糊控制 适应能力强、动态特性好、抗干扰能力强的特点，又利用p i d 控制消除了系统静 差，使控制系统的动态和静态品质都得到极大的提高，取得了较理想的控制效果。 本文提出了一套科学完整的铝电解阳极焙烧控制技术研究方法，进行了大量 的理论分析和仿真实验。这些工作对提高阳极焙烧质量和稳定铝产量具有十分重 要的意义。 关键词：阳极焙烧；模糊自适应p i d 控制器；模糊控制；p l d 控制；燃烧技术 铝用阳极焙烧炉控制系统的研究 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tc a r b o na n o d eb a k i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tc r u c i a ls t e p si n a l u m i n i u mi n d u s t r y , t h eq u a l i t yo fc a r b o na n o d ew i l lh a v ed i r e c te f f e c to nt h eq u a l i t yo f a l u m i n i u me l e c t r o l y s i s 、t h ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c i t y 、e n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h e q u a l i t yo fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n t h eq u a l i t yo fc a r b o na n o d eb a k i n gi sr e l a t i o nt o r a wm a t e r i a lp r o p e r t i e s 、p r o d u c t i o np r o c e s s 、c a r b o np a r t i c l e sa n da s p h a l tc o n t e n t ，e t c i nt h eb a k i n gp r o c e s s ，t h ea c c u r a c yo ft h ei n c r e a s i n g - t e m p e r a t u r ec u r v ec o n t r o la n d u n i f o r m i t yo ft h et e m p e r a t u r ef i e l di st h em o s ti m p o r t a n tf o rt h eq u a l i t yo fc a r b o n a n o d e t h e r e f o r e ，t h em o s te s s e n t i a li s i m p r o v i n gt h et e c h n o l o g yo fa n o d eb a k i n g ，i s a l s ot h ei m p o r t a n ti s s u e si nt h er e s e a r c ho fa l u m i n u me l e c t r o l y t i ci n d u s t r y i n t h i s p a p e r ，t h e a u t h o rd e s c r i b e st h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fa n o d eb a k i n g t e c h n o l o g ya n dt h eg a pb e t w e e ni n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a ll e v e li np r o d u c i n ga n o d e t e c h n o l o g y t h e nt h ea u t h o ri n t r o d u c e st h ee f f e c tf a c t o r sd u r i n gb a k i n gp r o c e s s 、b a k i n g p r i n c i p l e sa n dc r a f t w r k 、t h ew h o l eb a k i n gp r o c e s s ( m a t e r i a ls t o r e da n dp r e p a r a t o r y t r e a t m e n t 、c a l c i n i n g 、v i b r a t o r yc o m p a c t i o n 、b a k i n g ) e t c t h ea u t h o ra l s om a k e sa s y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h ee x p e r i m e n t so ft h e c u r r e n ta n o d eb a k i n gc o n t r o ls y s t e m sa n dt h e i ra p p l i c a t i o ni np r o d u c t i o n t h i sa r t i c l e f o c u s e so na c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h et e m p e r a t u r eo f a n o d eb a k i n g f u r n a c e ，s t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o la n df u z z yc o n t r o l s y s t e m a t i c a l l y , i n t e g r a t e dt h et w oc o n t r o lm e t h o d s ，a n dm a k e daf u z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o l l e rw h i c hh a sa l lm e r i to ft h et w om e t h o d s t h ep i dc o n t r o la n dt h ef u z z y c o n t r o lh a v em a n yk i n d so fc o m b i n a t i o nw a y ，t h i sa r t i c l eu s et h ef u z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o la l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc a nd i s c o v e rt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h r e e p i dp a r a m e t e r sa n de r r o ra n de r r o rc h a n g e ，c o n s t a n t l yc h e c k i n ge r r o ra n de r r o rc h a n g e i nt h em o v e m e n tp r o c e s s ，t h e na c c o r d i n gt ot h ef u z z yc o n t r o lp r i n c i p l ec a r r yo nt h e o n l i n er e v i s i o nt ot h r e ep a r a m e t e r s ，t h u se n a b l et h ec o n t r o l l e do b j e c tt oh a v et h eg o o d t e n d e n c ya n ds t a t i cp e r f o r m a n c e i nt h i sa r t i c l e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e c o n t r o l l e do b j e c t ，t h ea u t h o rd e s i g no ft h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ep i d c o n t r o l l e r , e x p a t i a t e d t h ed e t a i l e dd e s i g np r o c e s s i no r d e rt ot h en e e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o no fa n o d eb a k i n g ，t h isa r t i c l eu s e s s i e m e n sp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e rs 7 - 3 0 0a st h ec o n t r o lc o r ef o rt h es y s t e m d e s i g n r e a l i z e d t h e f u z z ys e l f - a d a p t i v e p i dc o n t r o l a l g o r i t h mt h r o u g h t h e p r o g r a m m i n gw a y , u s e d t h eo f f - l i n e c o m p u t a t i o n m e t h o dt om a k e f u z z y q u e s t i o n n a i r e ，u s e dt h eo n l i n ei n q u i r yf o rt h eo u t p u to ft h ef u z z yc o n t r o l q u a n t i t y , f i n a l l ya d dt h ep i dp a r a m e t e ra n dd a t u mv a l u e ，o b t a i n e dt h ep i dp a r a m e t e r 硕+ 学位论文 s p u r tv a l u e ，c a r r i e do nt h ep i do p e r a t i o na n do b t a i n e dt h ec o n t r o l l e dm e m b e ra c t u a t o r f i n a l l y , t h i sa r t i c l ec a r r i e do nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tc o n t r o l m e t h o di nm a t l a b s i m u l i n k ，p r i m a r i l yc a r r i e do nt h es i m u l a t i o nd e b u g g i n gf o rt h e f u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r 0 1 c o m p a r i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，o b t a i n e dt h er e s u l t t h a tu s et h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o lm e t h o dt ob eb e t t e ra b l et os a t i s f yt h e s p e c i f i c a t i o no ft h ea n o d eb a k i n g ，i st h eu s eo ff u z z yc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n g a d a p t a b i l i t y , g o o dd y n a m i cb e ht h i sa v i o ra n ds t r o n gr e s i s ti n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dp i d c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so fd i s p e l l i n gs t a t i ce r r o r t h ed y n a m i ca n ds t a t i cq u a l i t yo f c o n t r o ls y s t e mi si m p r o v e dl a r g e l yw h e nt h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e ri s a p p l i e d ，a n di th a sr e c e i v e dp e r f e c tc o n t r o le f f e c t s t h i sa r t i c l ep u t sf o r w a r das e to fa p p r o a c h e sc o n c e r n i n gt h er e s e a r c ho na n o d e b a k i n gc o n t r o ls y s t e m s ，a n dh a sd ol a r g ea m o u n to ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n t t h ew o r ki sp r o v e dt ob eag r e a ts i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f a n o d eb a k i n ga n ds t a b i l i t yt h ep r o d u c t i o no fa l u m i n i u m k e yw o r d ：a n o d eb a k i n g ；t h ef u z z ys e l f - a d a p t i v ep i dc o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l ； p i dc o n t r o l ；b u r i n gt e c h n o l o g y h i 铝用阳极焙烧炉控制系统的研究 插图索引 图2 1 预焙阳极的制造流程8 图2 2 预焙阳极照片1 0 图2 3 阳极焙烧炉火焰系统配置图1 2 图2 4 燃烧架供气系统工艺原理图1 3 图2 5 炉室整体分布图1 5 图2 6 焙烧炉的焙烧曲线图1 6 图3 1 常规p i d 控制系统原理图1 9 图3 2 位置式p i d 控制系统2 l 图3 3 增量式p i d 控制系统2 2 图3 4 不完全微分p i d 控制算法2 4 图3 5 阶跃信号下的响应曲线2 7 图3 6 自适应控制系统原理框图2 9 图3 7 模糊自适应p i d 控制系统结构图3 0 图4 1 模糊控制原理框图3 2 图4 2 单变量模糊控制器3 3 图4 3 阳极焙烧模糊控制f i s 编辑器3 5 图4 4 偏差e 的隶属度函数3 5 图4 5 偏差变化量e c 的隶属度函数3 6 图4 6 控制器输出“的隶属度函数3 6 图4 7 模糊系统控制规则编辑器4 0 图5 1 模糊自适应p i d 控制系统原理图4 4 图5 2 模糊自适应p i d 控制f i s 编辑器4 5 图5 3 必，、a k i 、必n 的隶属函数4 5 图5 4 离散p i d 控制的s i m u li n k 控制程序5 2 图5 5 常规p i d 控制阶跃响应曲线5 2 图5 6 模糊自适应p t d 控制的s i m u li n k 控制程序5 3 图5 7 足p 、k ，、k n 未作调整的系统响应5 3 图5 8k p 、k ，、k n 调整后的系统响应5 4 图5 9 对象模型发生改变时的系统响应5 5 图5 1 0 绋、9 和q d 调整后的系统响应5 5 图6 1 总体控制框图5 9 图6 2 系统程序结构图6 3 图6 3 模糊自适应p i d 控制算法p l c 实现流程图6 4 f v 硕士学位论文 附表索引 表2 1 不同升温速度对阳极物理性能的影响1 7 表3 1 扩充临界比例度法整定参数表2 6 表3 2 扩充响应曲线法整定参数表2 7 表3 3 常见被调量p i d 参数经验选择范围2 8 表4 1 模糊变量e 的赋值表6 表4 2 模糊变量e c 的赋值表3 。7 表4 3 模糊变量u 的赋值表3 7 表4 4 模糊控制规则表- - 4 u 表4 5 模糊控制查询表4 z 表5 1k ，的模糊控制规则表4 。7 表5 2k ，的模糊控制规则表4 7 表5 3k n 的模糊控制规则表4 7 表5 4 从，的模糊决策表4 9 表5 5a k i 的模糊决策表4 9 表5 6 必n 的模糊决策表5 0 v 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着科技的飞速发展，原铝消费量迅速增加，被广泛应用于建筑、包装、交 通、电力、航空航天等领域，是保障国民经济持续、快速发展的重要原材料之一。 我国在九十年代初期电解铝的年产量仅有9 0 万吨左右，相应的铝用碳素制品的产 能也只在6 0 万吨，近年来，随着国内3 2 0 k a 一5 0 0 k a 等大容量预焙电解槽的相继投 产，电解铝的年产量已近1 0 0 0 多万吨，占世界铝产量的2 6 ，电解铝生产企业已 发展到近1 5 0 多家，在国际排名已超过美国和俄罗斯，列世界第一位，这说明我 国已经迈入世界电解铝生产的大国行列，并且已经成为有色行业的支柱产业【l 】；但 是，与发达国家的铝电解生产企业相比较，我国电解铝工业的整体技术水平和生 产指标与国际水平的差距任然很大，尤其是在改进碳素阳极、阴极质量，提高生 产效率和降低能源消耗方面，还需要进行多方面、深入的研究。 在“八五 和“九五 期间，我国对大部分电解铝厂进行了从自焙或小型预 焙到大型预焙槽的改造与扩建，先后于1 9 9 6 年到1 9 9 7 年成功开发了2 8 0 k a 和 3 2 0 k a 大型预焙电解槽系统，并且至2 0 0 6 年初已经成功的应用在广西平果、河南 伊川、河南万基、山东南山，山西华圣等铝厂的建设中，在电解槽的控制方面也 采用了p i d 控制、模糊控制、神经网络控制等策略，因此，在电解工艺和生产方 面，我国已经具备了达到国际先进技术水平的前提，但是，与国际先进水平的高 效节能大型电解槽相比较时，差距任然很大，这主要表现在，阳极净耗过大，电 解槽的寿命较低等，究其原因，这主要与阳极的质量有关。为此，国内于1 9 9 8 年 开始引进了国外碳素阳极生产的一些技术和设备，同时在国家经贸委、科技部和 中国有色金属总公司的组织下，对法国、瑞士、挪威、美国、俄罗斯、日本的铝 用碳素技术和设备进行了考察和学习交流，并且在“九五期间，国家把电解铝 用碳素材料的质量作为“九五科技攻关计划，进行了研究：2 0 0 2 年，国家又将 提高铝电解过程的生产效率、降低能耗的关键技术“阳极焙烧技术 作为“十五 科技攻关计划和“8 6 3 ( 西部专项) 计划”进行了资助研究与实施，从而使我国的 铝用碳素制品质量与技术取得了很大的进展1 2 j 。 目前制约我国铝电解技术和经济性能指标的主要问题是阳极焙烧技术的落 后，阳极焙烧是一个包含燃烧、流动、传热等诸多现象的复杂过程。在以往对焙 烧的研究中，国内研究者大多只将研究工作局限在新材料、新方法的技术革新层 面上，并没有从非线性系统理论、控制科学、冶金学、燃烧学、流体流动及传输 锅用阳极焙烧炉控制系统的研究 过程理论、非金属材料热处理科学、设备改进等角度对对其进行系统的综合分析， 缺乏对焙烧燃烧室和炉内焙烧过程中各种复杂现象本质的认识，无法揭示炉内各 种影响因素之间的相互作用关系，从而难以建立焙烧过程中燃烧室、料箱室以及 预热、焙烧和冷却等的控制模型，无法实现焙烧全过程的温度、负压等精确控制， 这样也就必然会直接影响焙烧炉的正常运行和焙烧阳极的质量，从而约束了对新 型预焙系统的开发和设计，以及新型阳极焙烧设备的设计规范和标准的产生，因 此加紧对阳极焙烧过程本质与控制策略的理论研究，特别是深入了解焙烧过程中 各个影响因素之间的相互关系，揭示焙烧炉结构、流场分布与阳极传热之间的相 互作用规律，建立燃烧室、料箱室及相应焙烧过程的控制模型和控制策略方法， 对于提高焙烧阳极质量、降低能耗和环境污染，以及实现大型预焙阳极电解生产 过程的技术经济指标具有十分重要的经济和社会意义。 阳极焙烧过程中温度控制的精度和炉内温度的均匀性对阳极质量有着决定性 的影响。炉内温度不均匀和控制偏低，会造成阳极质量底下，导致阳极结构不均 和残存应力，并在电解过程中引起阳极电流分布不均匀和阳极压降升高、阳极断 裂和掉渣等现象，降低了电解电流效率，增大了能耗，影响铝电解的质量。所以， 阳极焙烧过程是一个受流体流动及传输过程、燃烧效率等诸多因素影响的非金属 材料热处理过程。 在阳极焙烧先进技术中，控制系统是一个典型而有复杂的工业检测、建模与 控制过程，它由多级相互作用和耦合的控制回路构成。譬如高温状态下温度和气 体压力的测量与参数化校正；燃烧室、料箱室以及预热、加热和冷却等过程的控 制模型的建立和优化，以及内回路是天然气流量调节回路，外回路是燃烧器出口 温度及烟气负压等的非线性控制。除此之外，预焙阳极焙烧控制系统中还包括进 料控制、出料温度控制、天然气压力调节等回路或非回路控制任务。由于各部分 之间不可避免的存在相互作用，因此给焙烧炉的控制带来了困难。另外由于焙烧 炉中的温度高达一千多度，且炉内存在烟尘的二次燃烧，所以用于炉温检测的传 感器也会受到高温腐蚀影响而发生轻微或严重的性能变化现象，从而导致系统中 存在非线性时变特性，加之粉尘和悬浮物的撞击以及气候等的影响，使得国内阳 极焙烧控制技术还是比较落后。鉴于阳极焙烧控制技术的重要性，同时因为其相 当复杂而使用传统的控制策略无法满足工艺指标要求，因此开展对阳极焙烧控制 系统的研究以结束该技术长期以来依靠国外引进有着重要的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外阳极焙烧技术的研究现状 二十世纪七十年代以后，随着铝电解技术的发展，国外电解铝厂开始研究和 2 硕十学位论文 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼窟鼍曼曼曼i i i il l ii h i i i i !。ii i i i 皇曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼皇曼曼! 曼曼 使用中间下料预焙阳极电解槽技术以替代自焙阳极电解槽技术，这就为电解槽的 大型化发展创造了条件，同时也就提出了阳极焙烧的要求，实验成功了一系列行 之有效的节能措施，研究和开发了整个焙烧工艺、筑炉材料以及计算机模拟软件 和自动控制技术等。对于阳极焙烧技术的研究始于1 9 8 0 年1 3 j ，美国人1 9 8 2 年申请了 “生产焙烧阳极的方法和设备 的专利【4 】，在以后近l o 年的发展中，主要集中在焙 烧工艺、筑炉材料和炉体的设计仿真计算方面【s - 1 0 ，以及相应的工业生产设备的实 施和生产工艺的提出 1 1 - 1 3 ；有关的控制系统研究报道首见于1 9 8 9 年【1 4 】。目前己经 对焙烧技术所涉及的各个方面形成了系列的研究，从阳极生产的原材料如石油焦 性质、沥青特性、残极含量以及原料配比等对阳极质量的影响，到生阳极的混捏 成型技术、物性参数的检测、焙烧炉炉墙材料、使用寿命、焙烧工艺的优化、燃 油燃气方式、烟气污染治理等方方面面都进行了较为系统的研究。 随着法国彼施涅铝业公司5 0 0 k a 特大型铝电解槽技术的投入运行，控制系统的 发展主要以瑞士r d 公司和法国s e t a r a m 公司为国际最先进技术水平，他们对此项 目的研究分别始于1 9 8 4 年和1 9 8 8 年，瑞士r & d 公司的理论研究处于领先水平，而 法国s e t a r a m 公司的工程研究和实施处于领先水平。 据国外媒体报道，法国s e t a r a m 公司，最近几年对它原有的控制铝用阳极焙烧 的m s - w i n d o w s 控制设备进行了升级改造，设计制做出了新型的控制系统。这种新 型的控制系统是一个软件包，称为h e l i o s 系统。这种新型的软件包显著地改善了 阳极焙烧的控制参数，并且还可以更好地进行精密监控阳极焙烧的温度梯度。最 重要的是用户想要让生产过程进行何种改变都可以实现，只要用户能将自己有关 焙烧炉的知识和完全可靠的控制系统结合起来，生产过程的最佳化就可以实现。 h e l i o s 系统在阳极焙烧炉启动之后，就能非常快速地实现可靠的控制，瞬时的不 正常现象可以自行校正，并且还向作业人员和经理人员提出警告，要他们防止最 佳操作条件出现偏差。各生产过程都处于适时监控之下，工艺过程和作业数据都 能进行快速分析。为了满足在困难条件下作业和多个用户系统作业的要求，h e ll o s 系统具有以下主要特点：人机控制、清晰的图象界面、用户友好和多种语言。该 系统可以使关键数据显示，让人一目了然。此外，还有直观的用鼠标点击的人机 界面，容易按照用户的意愿去发挥作用。除了h e l l o s 控制系统之外，s e t a r a m 公 司还开发了一个对阳极焙烧炉的焙烧情况进行适时连续监控的新工艺模块，即一 氧化碳报警器。这种一氧化碳报警器与h e l i o s 系统一道连续分析炉气中的一氧化 碳含量水平，其分析的精确度可达p p m 级。炉气中的一氧化碳和未燃