（机械工程专业论文）一种阳极焙烧炉燃烧架温度控制器的研究.pdf

= ：t ：i ， 日a 、 i 、 ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s t u d yo na k i n do f t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf o r h e a t i n gr a m p s o ft h ea n o d e b a k i n gf u r n a c e b yz h a n gh o n g m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gl e i s e n i o re n g i n e e rz e n gc h u i x i n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y n o v e m b e r2 0 0 7 i卜-卜l j ， 1 一 ，摹 卜 ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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谢 意。 毒位做作者躲旅鹏 e t 期：加，2 月秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期：年月 日 导师签名： 答宰日期， - i pr - ， = l ， 瑰 r 一 气 f 。 一 矗， ，j - 东北大学硕士学位论文 摘要 一种阳极焙烧炉燃烧架温度控制器的研究 摘要 自从铝电解槽采用预焙阳极技术生产电解铝以来，敞开式环形焙烧炉一直作为预焙 阳极焙烧的主要炉型使用至今。焙烧是预焙阳极块生产过程中的一个重要工序，焙烧过 程中，阳极碳块的升温速率、温度的均一性及焙烧终温等对阳极质量都有很大影响，焙 烧过程中控制性能的优劣决定了产品的质量和产能。 阳极焙烧工艺过程具有大滞后、非线性、时变性等特性。本文针对阳极焙烧炉的工 艺特性和实际生产需求，以某铝厂现有的焙烧控制系统为基础，首先详细地叙述了阳极 焙烧炉的焙烧机理，简单介绍了阳极焙烧炉的工作原理及结构组成，并对阳极焙烧炉的 生产工艺进行了总结，综述了目前国内外阳极焙烧技术发展状况，分析了阳极焙烧炉控 制器的现实意义，提出了在我国开展阳极焙烧炉温度控制器理论研究的综合思路，并以 此作为本文的研究思路，展开了相应的研究工作。文中在对p i d 控制器和模糊控制器结 构分析比较的基础上，采取p i d 控制器与模糊控制器相结合的控制方法，开发了 f u z z y - p i d 双模控制器，利用m a t l a b 开发软件平台，编制了f u z z y - p i d 控制器的 仿真程序清单，并与常规p i d 控制器、模糊控制器的控制效果进行了仿真比较，证明该 控制器具有鲁棒性较强、稳定性好、快速、灵敏等优点，很大程度上减小了超调量，提 高了系统的品质，有效协调了快速性与超调量之间的矛盾；使系统适应能力有所提高， 参数间影响减小，并且参数相对容易整定，提高了控制系统的抗干扰能力和跟踪设定值 的能力，兼具了模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的特点。 ，该温度控制器的开发并期待今后的应用，对于推进企业的技术进步和技术升级，开 发企业自有知识产权的技术成果，提高我国碳素生产技术、对现有焙烧炉的技术改造、 替代进口设备、延长焙烧炉火道墙寿命、节能降污等方面有着重要意义。与此同时，还 夕 将促进智能控制技术的发展及其在工业过程控制中的广泛应用。 关键词：阳极焙烧温度控制：模糊控制器；p i d 控制器；f u z z y - p i d 控制器 一l l l ， ，r 10 _】-1 r ， o 【 - 一a p l 东北大学硕士学位论文 s t u d y o nak i n do ft e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rf o r h e a t i n gr a m p s o ft h ea n o d e b a k i n g f u r n a c e a bs t r a c t t h ec o n t r o lo v e ra n o d eb a k i n gp r o c e s si na no p e nr i n gb a k i n gf t l r n a c eh a sb e e nr e l a t e dt o p o to p e r a t i n gp e r f o r m a n c ec l o s e l ys i n c et h ea d o p t i o no ft h ep r e b a k e da n o d et e c h n o l o g yo n t h ep o t a n o d eb a k i n gi sa ni m p o r t a n tp r o c e s ss t e pi nt h ec a r b o na n o d em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， a n di t st e m p e r a t u r eh o m o g e n e i t y , h e a t i n gs p e e d ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n df i n a lb a k i n g t e m p e r a t u r eh a v es i g n i f i c a n ti m p a c t so na n o d eq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ep r o d u c tq u a l i t ya n d c a p a c i t yo ft h eb a k i n gf u r n a c ed e p e n do nt h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo v e r t h e s ep a r a m e t e r s t h ea n o d eb a k i n gp r o c e s si sc h a r a c t e r i z e d 谢t hl a g g i n g ，n o n - l i n e a r i t y , a n dt i m e v a r y i n g t h i sp a p e ra i m st oe x p l a i nt h eb a k i n gm e c h a n i s mi nd e t a i l ，g i v eab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，s u m m a r i z et h ep r o d u c t i o np r o c e s so ft h ea n o d eb a k i n g f u r n a c e ，p r e s e n tt h eo v e r a l lc u r r e n td e v e l o p m e n to ft h ea n o d eb a k i n gt e c h n o l o g yb o t ha th o m e a n da b r o a d ，a n a l y z et h er e a l i s t i cs i g n i f i c a n c eo ft h ec o n t r o l l e rf o rt h ea n o d eb a k i n gf u r n a c e ， a n dp u tf o r w a r dag e n e r a lc o n c e p tf o rc a r r y 堍o u tt h e o r e t i c a ls t u d yo nt h et e m p e r a t u r e c o n t r o l l e rf o rt h ea n o d eb a k i n gf u r n a c ei nc h i n a ，b ya i m i n ga tt h ep r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c sa n d r e a lp r o d u c t i o nd e m a n do ft h ea n o d eb a k i n gf u r n a c ea n db a s e do nt h ee x i s t i n gb a k i n gc o n t r o l s y s t e mi na l la l u m i n u ms m e l t e r w i t ha l lo ft h e s ea sac o n c e p t u a lg u i d ef o rt h i sp a p e r , t h e r e l e v a n ts t u d ya n dr e s e a r c hh a v eb e e nc o n d u c t e d b a s e do nt h es t r u c t u r a la n a l y s i sa n d c o m p a r i s o no fo rb e t w e e nt h ep i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e r , ac o n t r o lm e t h o db y c o m b i n i n gt h ep i dc o n t r o l l e ra n df u z z yc o n t r o l l e rh a sb e e np u tf o r w a r d ，a n daf u z z y - p i d d o u b l e m o d u l ec o n t r o l l e rh a sb e e nd e v e l o p e d w i t ht h em a t l a bs o r w a r ed e v e l o p i n g p l a t f o r m , as i m u l a t e dp r o g r a ml i s tf o rt h ef u z z y - p i d c o n t r o l l e rh a sb e e np r e p a r e d ，a n di th a s b e e nc o m p a r e di nas i m u l a t e dw a yw i mt h ec o n t r o le f f e c t so ft h ec o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e r a n dt h e f u z z y c o n t r o l l e r i th a sb e e nw e l l p r o v e nt h a t t h i sc o n t r o l l e r sr o b u s t n e s s ， c h a r a c t e r i z e dw i t he x c e l l e n ts t a b i l i t y , q u i c k - r e s p o n s ea n ds e n s i t i v i t y i nt h i sc a s e ，t h eo v e r s h o th a sb e e nr e d u c e ds i g n i f i c a n t l y , a n dt h es y s t e mq u a l i t yi m p r o v e d t h e r e f o r e ，t h e c o n t r a d i c t i o nb e t w w e nq u i c k - r e s p o n s ea n do v e rs h o th a sb e e ns o l v e de f f e c t i v e l y , a n dt h e s y s t e ms u i t a b i l i t ye n h a n c e ds o m e w h a t , r e s u l t i n gi n m i n o ri m p a c tb e t w e e np a r a m e t e r s ， r e l a t i v e l ye a s ya d j u s t m e n to fp a r a m e t e r s ，a n di m p r o v e m e n t o ft h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n d s e t p o i n tt r a c k i n ga b i l i t yo f t h ec o n t r o ls y s t e m t h i sk i n do fc o n t r o l l e re n j o y st h ea d v a n t a g e so f b o t ht h ef u z z yc o n t r o l l e r ( s u c ha sf l e x i b i l i t ya n ds t r o n gs u i t a b i l i t y ) a n dt h ep i dc o n t r o l l e r ( h i g hc o n t r o la c c u r a c y ) t h ed e v e l o p m e n ta n da n t i c i p a t e df u t u r ea p p l i c a t i o no ft h i st e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rh a v e - 1 1 1 - 东北大学硕士学位论文 g r e a ts i g n i f i c a n c e s i np r o m o t i n gt e c h n i c a la d v a n c ea n du p g r a d a t i o ni n a l l e n t e r p r i s e ， d e v e l o p i n gt e c h n i c a la c h i e v e m e n t so fw h i c ht h ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo w n e db y t h ee n t e r p r i s e i t s e l f , i m p r o v i n g t h ec a r b o n p r o d u c t i o nt e c h n o l o g y i n c h i n a , p e r f o r m i n gt e c h i n c a l i n n o v a t i o n so nt h ee x i s t i n gb a k i n gf u r n a c e s ，s u b s i t u t i n gi m p o r t e de q u i p m e n t ，p r o l o n g i n gt h e l i f eo ff l u ew a l l s ，s a v i n ge n e r g ya n dm i n i m i z i n gw a s t e a l s o ，t h e yw i l ld r i v et h ed e v e l o p m e n t o ft h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o lt e c h n o l o g ya n di t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h ei n d u s t r i a lc o n t r o l p r o c e s s e s k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r ec o n t r o lf o ra n o d eb a k i n g 如n l a c e ；吻c o n t r o l l e r ；p i dc o n t r o l l e r ； f u z z y p i dc o n t r o l l e r - i i i - 希 t 1 东北大学硕士学位论文目录 目录 声明i 中文摘要i i a bs t r a c t i i i 第一章前言i 1 1 国内外碳素阳极焙烧的发展情况简介1 1 1 1 国外的阳极焙烧技术1 1 1 2 国内的阳极焙烧技术2 1 2 对本课题领域的研究情况简述5 1 3 课题提出及意义5 第二章阳极焙烧炉温度控制系统简介8 2 1 阳极焙烧炉焙烧工艺及设备组成简介8 2 1 1 阳极焙烧原理8 2 1 2 焙烧温度对制品性能的影响1 0 2 1 3 阳极焙烧炉种类1 2 2 1 4 环式焙烧炉1 3 2 1 5 焙烧的工艺要求1 5 2 1 6 焙烧设备功能简介1 7 2 2 阳极焙烧炉燃烧架控制系统1 9 2 2 1 系统组成1 9 2 2 2 系统控制参数的确定2 0 2 2 3 系统的控制要求2 2 第三章阳极焙烧炉燃烧架f u z z y - p i d 温度控制器的设计2 3 3 1 现有的控制系统及控制效果简述2 3 3 1 1 现有的采用p l c 控制系统的p i d 控制器2 3 3 1 2 现有p i d 控制器的控制效果2 4 3 2 改进后的p i d 控制器设计3 0 东北大学硕士学位论文目录 3 2 1 过程特性的获取3 0 3 2 2 参数的预整定3 1 3 3f u z z y - p i d 控制系统的构成3 4 3 4 模糊控制器的设计3 5 3 4 1 模糊控制器的输入和输出变量的确定3 5 3 4 2 输入量e 、e c 及输出量a u 的模糊化3 6 3 4 3 参数整定规则的确定及模糊推理算法3 7 3 4 4 解模糊4 0 3 4 5 模糊控制器4 1 3 5f u z z y - p i d 软件系统4 2 3 6f u z z y - p i d 控制系统仿真4 2 3 7f u z z y - p i d 控制器性能4 8 第四章结论与展望5 1 4 1 结论5 1 4 2 展望和建议5 1 参考文献5 3 致谢5 5 攻读学位期间发表的论文5 6 东北大学硕士学位论文 第一章前言 第一章前言 金属铝广泛应用于建筑、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。铝电解工业是国家的支柱产业。当前我国电解铝工业 的技术装备逐渐接近世界先进水平，但是，同发达国家相比，我国铝电解工业的工艺技 术水平和经济指标等还存在着一定的差距，主要表现在阳极毛耗偏高【1 4 】。 我国阳极焙烧技术是在消化吸收上世纪8 0 年代初引进日本轻金属( 株) 的焙烧技 术基础上发展起来的。二十多年来，由于各种原因，国内各生产企业及科研设计单位仅 在燃料选取、火道隔板、耐火材料、阳极装炉层数等方面作了少量改进，总的说来进步 不大，基本仍停留在日轻焙烧炉的技术水平上。国内的碳素厂普遍存在着能耗高、阳极 块焙烧质量差、生产能力低、污染大等缺点。焙烧炉的能耗往往是国外同类炉型的1 5 5 - - 一 2 5 7 倍。低质量的阳极在电解槽上使用时，形成电流分布不均，造成阳极块局部过热， 不但增加电能损耗，也使得阳极掉块、掉渣，阳极毛耗增加，加大了铝生产成本。据统 计，因阳极质量差而造成的损失为阳极正常消耗费用的3 1 2 倍，对于一个年产量为2 5 万吨的电解铝厂，因阳极质量问题带来的总损失可达5 0 0 0 万美元。因此，提高我国焙 烧阳极的质量是铝电解厂降低成本，提高经济效益的当务之急【3 3 】。 由于历史原因，我国铝电解技术长时间以小规模的自焙槽工艺为主，近年来随着环 保意识的加强，这些规模小、污染大的自焙槽逐渐被改造，预焙槽取代自焙槽已是世界 铝电解工业的大势所趋。我国的现行产业政策规定，今后新建的电解铝厂必须是产能大 于1 0 万讹的大型预焙槽铝厂。这样，对焙烧阳极的需求逐年增加，阳极的生产也必将 向大型、高效、节能化发展，势必对阳极的焙烧控制技术提出更高的要求。特别是我国 已经加入w t o ，电解铝在国际上的竞争日趋激烈，如何改进阳极焙烧控制技术以提高 我国电解铝工业的国际竞争力，就成为我国碳素研究人员的紧迫任务。 1 1 国内外碳素阳极焙烧的发展情况简介 1 1 1 国外的阳极焙烧技术 国外从二十世纪六、七十年代开始，以提高阳极焙烧质量和减少燃料消耗为目标， 对环式焙烧炉的炉型结构、燃烧器及燃烧控制系统进行了一系列行之有效的成功实验。 带动了整个焙烧工艺、筑炉材料以及计算机模拟软件和自动控制技术的开发与进步。近 几年随着法国5 0 0 k a 特大型电解槽的投入运行，国外的阳极焙烧技术更是发展迅速。其 东北大学硕士学位论文第一章前言 中以法国彼施涅及瑞士铝业公司为代表的敞开式焙烧技术，以法国s e t a r a m 公司及瑞 士r & d 公司的燃烧装置和控制系统代表了国际上阳极焙烧生产的最先进水平。 国外目前已经对焙烧技术所涉及的各个方面形成了系列研究。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、使用寿命的研究，焙烧工艺的优化与 控制、燃烧方式，烟气污染治理等方方面面都进行了较为系统的研究，焙烧技术一直居， 领先地位，其中瑞士r & d 公司于9 0 年代初期成功开发的r d c 工艺代表了当前国际上 阳极生产的最高水平。采用这种新型的阳极生产工艺，其投资与操作成本明显要低于传 统工艺。一般传统阳极厂每吨设计产能的投资成本为1 0 0 0 - - , 1 3 0 0 美元，而按r d c 工 艺设计的投资成本仅为8 0 0 美元，生产成本也要比传统工艺低2 0 - 3 0 。同时，r d c 工艺适用于不同的原料，可生产出质量均匀一致的优质阳极，环境污染小，符合“零排 放 的要求。 1 1 2 国内的阳极焙烧技术 2 0 世纪8 0 年代以前，我国的电解铝厂均采用自焙阳极电解槽进行生产，阳极是在电 解槽上方阳极框架内自行焙烧形成，电解烟气中不仅含有大量的氟化物，而且含有阳极 自焙时产生的大量沥青烟气，增加了电解烟气的治理难度，加重了电解烟气对周围环境 的危害。为提高我国电解铝的生产技术水平，降低电解生产中的能耗同时解决自焙阳极 电解槽烟气的环境污染。1 9 7 9 年，国家从日本轻金属株式会社全套引进一条年产8 万吨 预焙电解槽电解铝生产线，这是我国的第一套预焙槽，安装在贵州铝厂。配套引进的预 焙阳极生产线，年产5 万吨预焙阳极，是以日本苫小牧工厂为技术蓝本，结合贵州铝厂 的具体情况进行设计的。设计中也采用了欧美各国同类型铝厂的若干新技术和设备，其 工艺技术装备水平略高于日本苫小牧铝厂。但焙烧工艺相对落后，采用的是油水混合， 滴油式燃烧，人工控制升温速率。1 9 8 6 年贵州铝厂在消化吸收引进技术的基础上，扩建 了一套年产8 万吨电解铝生产线，同时对预焙阳极生产线进行了相应的扩建，形成第2 系 列，生产规模为年产7 万吨预焙阳极。受当时能源政策的影响，焙烧用的燃料由重油改 为煤气，煤气热值低，据统计，煤气中的h 2 s 含量为0 4 7 ，理论计算s 0 2 排放量为烧重 油的1 0 倍。焙烧仍然采用人工温度控制【20 1 。 根据贵州省环境监测中心站1 9 9 5 年对该焙烧炉配套的烟气净化设施的监测验收结 果，焙烧烟气净化系统对各污染物的净化效率均低于设计指标，但尚能达到国家标准。 在以后的实际生产中，各项指标均较第1 焙烧炉系列落后，主要原因有两个方面： 2 东北大学硕士学位论文第一章前言 ( 1 ) 焙烧炉燃料改用煤气后，由于煤气热值低，燃烧不完全，焙烧消耗的煤气量 大，达1 4 0 0 m 3 t 以上。使焙烧烟气量成倍增加，而烟气净化系统处理能力与第1 焙烧炉系 列相同，烟气在净化系统中的停留时间不足，造成净化效率降低。 ( 2 ) 焙烧炉室温度偏低，碳块中的挥发分在火道中燃烧不充分，随烟气进入净化 系统，导致烟气中的沥青焦油和粉尘浓度增高，增加了净化系统运行负荷，喷淋洗涤塔 的净化效率达不到设计指标，致使电除尘器的极板时常被焦油”糊死”，净化能力大为降 低。第2 系列焙烧烟气净化设施平均每月清理1 2 次，每次清理时间长达8 h 左右，平均 每年大修一次，每次4 5 天。清理检修期间，焙烧烟气只能经重力沉降室一级处理后，由 旁通烟道直接排入大气环境中，沥青焦油排放浓度高达2 7 0 3 0 0 n 影一，超标1 倍左右， 对周围环境影响较大【2 0 1 。 该两套焙烧工序为2 0 世纪7 0 年代的阳极生产技术，炉体结构、焙烧控制水平及操作 方式等方面与现代阳极焙烧技术相比存在着很大的差距，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 燃料消耗高j 由于焙烧燃烧控制技术落后，设备陈旧，焙烧过程不能自动控 制。燃料供给量完全由人工调节，难以做到及时准确。焙烧过程中从阳极溢出的挥发分， 不能在火道内充分燃烧，热能无法充分利用。同时由于焙烧炉炉体结构不合理，焙烧过 程中同一料箱各部位温升不一致，温差高达2 0 0 以上，为保证各部位碳块焙烧温度达 到工艺要求，只能延长焙烧周期，额外消耗了燃料。焙烧品消耗热量达5 4 6 9 g j t ，而 国际2 0 世纪9 0 年代焙烧新技术焙烧块实际热耗仅为2 1 g j t ( 设计值为2 7 g j t ) 。 ( 2 ) 废品率高。由于焙烧温度不均匀，温差大，各焙烧阶段升温速度难以控制， 产品“过烧”及“欠烧 现象严重，焙烧废品率高达5 以上，焙烧废块只能破碎后返 回配料系统重新进入流程，造成能源的重复投入和浪费。而采用新焙烧技术的废品率仅 为1 左右。 ( 3 ) 填充焦( 煅后石油焦) 消耗大。由于烟道内气流分布不均匀，火道局部过热， 导致炉体局部破损严重、漏风系数大，填充焦烧损大，同时大量的细粉随烟气排出，造 成填充料消耗高达3 4 k g t 以上，而新型焙烧炉填充料消耗仅为1 6 k g t 。 ( 4 ) 焙烧控制水平低。焙烧过程从阳极溢出的挥发分在火道内不能充分燃烧，同 时由于助燃空气给入量不能得到准确控制( 操作上为了升温快大量补充助燃空气) ，造 成大量的冷空气被带入烟道，使系统排烟温度过低，进入净化系统后，夹带着大量粉尘 的沥青烟在设备上迅速凝结，使净化设备无法正常工作，降低了净化系统效率，对环境 造成了严重污染。 ( 5 ) 产品质量差。焙烧阳极碳块全年理化指标抽样合格率仅为8 0 左右，而新型 东北大学硕士学位论文第一章前言 焙烧炉阳极碳块合格率则在9 8 以上。 1 9 9 5 年贵州铝厂着手对第1 电解铝厂进行环境治理技术改造，为配合改造，扩建了 第3 阳极系统。这次扩建技术起点高，焙烧工序采用了国际2 0 世纪9 0 年代的焙烧炉室新 技术，焙烧炉工艺从法国彼施涅公司引进，焙烧控制设备从法国s e t a r a m 公司引进， 焙烧能耗由5 0 2 - - 一7 5 6 g j t 降至2 7 g j t ，填充料烧损由原平均3 4 k g t 降至1 6 k g t ，阳极产品 合格率 9 8 ，阳极在电解槽上使用周期较以往延长了2 天，焙烧烟气量 7 5 0 ) 下进行 燃烧，火道内烟气温度通过排气架进行调节控制，使挥发分充分燃烧，以降低能耗，减 少污染。 ( 5 ) 零压点是燃烧控制系统的一部分，设置零压点符合火道线路上气流的合理运 用，防止了过剩空气量，降低了能耗。 本文只研究了燃烧架对加热温度的控制，预热段排气架的控制未进行研究。 热电偶从炉室规定的位置采集到的温度信号，传输给p l c 的控制器，控制器将采 集到的温度和设定温度值进行比较计算，输出指令通过p l c 的c p u 控制燃烧器的电磁 阀开放时间以调节燃料输入时间，使温度跟随温度曲线( 燃烧器如图2 1 1 所示，热电偶 如图2 1 2 所示) 。 2 1 东北大学硕士学位论文第二章阳极焙烧炉温度控制系统简介 图2 1 1 燃烧架燃烧器图2 1 2 测温热电偶 f 蟾2 11b u r n e ro fh e a t i n gr a m pf i g 2 1 2t h e r m o e o u p l e 在整个焙烧过程中，控制量受多种因素的影响，如排烟架负压的影响、火道间含氧 量和气流速度、炉室的密封程度等，但是最为直接的控制量是由燃烧器( 由电磁阀控制) 决定的燃料输入量，燃烧器功率由以下条件决定： ( 1 ) 最大功率p m a x ，即燃烧器完全打开且燃料流速也最大时的情况。对于重油作 为燃料的控制系统，燃油最大流量( 峰值功率) 取决于供油压力和燃烧器尺寸。( “过程 设计”中燃烧器规格己确定，燃烧器口径也就决定，重油由重油供给系统进行输送，压 力不变。所以二者均没有作为控制量的必要。) ( 2 ) 燃烧器的持续时间，即每个脉冲中喷射燃料的持续时间。 ( 3 ) 燃烧器的脉冲频率f ( 实际是电磁阀的脉冲频率，在”过程设计”过程中已经选 定其范围) 。 由于重油供给系统提供的重油管道压力恒定，所以重油喷射量和喷射频率可以看作 线性关系处理，因此燃烧器功率p 可以表示为： p 丢 ( 2 1 ) 因为厶戤在生产过程中没有变化，所以可以把燃烧器的喷放频率f 作为温度控制器 的输出量。 2 2 3 系统的控制要求 ( 1 ) 要求各火道温差不超过1 ；火焰移动周期为2 4 - 一3 0 小时( 可调) ； ( 2 ) 升温速度严格按照焙烧阳极所需要的工艺升温曲线进行； ( 3 ) 火道温度在8 0 - - 1 6 8 小时内( 可调) 使焙烧烟气温度从6 0 0 c 升至1 1 4 0 1 2 5 0 。 2 2 东北大学硕士学位论文 第三章阳极焙烧炉燃烧架f u z z y p i d 温度控制器的设计 第三章阳极焙烧炉燃烧架f u z z y - p i d 温度控 制器的设计 阳极焙烧炉具有大滞后、非线性、时变性和单向升温特性，预热区、强制加热区和 冷却区的火道相互贯通、互为影响，并且要定时进行火焰系统的移动作业，移动后以及 异常停火后对温控系统的快速性要求较高。 目前我厂使用的是从法国s e t a r a m 公司引进的阳极焙烧炉温度控制系统，从我厂 的使用情况看来，虽然大大提升了焙烧控制水平，降低了能源消耗，但是仍然存在一些 问题，如动态特性不太好，尤其在移动或异常停火后升温较慢，有过冲现象，造成能源 浪费，而且容易造成火道过烧弯曲变形甚至损坏，造成大量的炉室修理费用，甚至会影 响到正常生产的进行，同时火道墙的弯曲导致阳极升温速率的变化，使得阳极质量变差， 从此而造成电解槽性能的波动；由于外方知识产权的保密，使得操作和调整复杂，也制 约了企业的二次开发和创新，而且该系统就是单纯采用p i d 控制算法进行控制的。 针对这一具体情况，我们可以比较，模糊控制器较之p i d 不仅对对象参数的适应能 力强，而且在对象模型结构改变较大的情况下，也能获得较好的控制效果。在过渡时间 和超调量上，模糊控制器比p i d 控制器要好的多，但是在稳态精度方面，模糊控制器却 不如p i d 控制器，将模糊控制器和p i d 控制器相结合，发挥各自的长处，对阳极焙烧炉 这类控制对象来说，是一种不错的选择。本章结合模糊控制器和p i d 控制器的优缺点， 设计了一种f u z z y - p i d 双模控制器以满足阳极焙烧炉温度控制这一比较复杂的系统。 本文采用m a t l a b7 0 开发软件作为控制系统的设计和仿真运行平台。 3 1 现有的控制系统及控制效果简述 3 1 1 现有的采用p l c 控制系统的p i d 控制器 由于本控制系统采用p l c 作为主控制器，直接使用了p l c 自带的p i d 指令实现p i d 控制( 各火道分别有独立的p i d 控制器) 。 2 3 东北大学硕士学位论文第三章 阳极焙烧炉燃烧架f u z z y - p i d 温度控制器的设计 图3 1p l c 程序中的p i d 指令 f i g 3 1p i dc o m m a n d so f p l cp r o g r a m 在控制系统中可以通过r s l o g i x 5 0 0 软件对p i d 参数进行手动整定和修改，如图3 2 所示【2 1 】： 皿蛋窭囊搦殇翰麓溺翰搦溺麓缀笏y 9 4 歹。矧 t m i n p a t t e r e r s 一 ：o n t r o l l fg t i n l2 i k e s e tt i ：i2 0 0 i ：二- r - t el d = i7 0i l o 叩u p t t t e2i ! ：翌 l c o n t r o l o d e = 厍哥= 两 p i dc o n t r o l = l a u t o i t i m w , n d = i t i e di l i m i t t 弘tc vl y e s i d e d b n d ：1 f 2 e d ，o ：鼍r di ci ：7 互：! 竺! ：! 1她l 毪谊t ，+ j 。： 一二：j ：z j 二钍。o j ，。，二- 。 图3 2 p i d 参数的整定 f i g 3 2a d j u s t m e n to fp i dp a r a m e t e r s 从图3 2 可以看出，该p l c 的p i d 控制器参数为：比例增益2 ，积分系数2 0 0 ，微 分系数7 。，传递函数为：2 8 0 0 0 f l 面+ 蕊4 0 0 一s + 2 ，也即是k p = 2 ，k i = 0 0 1 , k d = 1 4 0 。 3 1 2 现有p i d 控制器的控制效果 现场收集了我厂焙烧车间一厂房1 1 号炉室7 2 小时的工艺数据，时间从2 0 0 7 年1 2 月1 4 日1 点至1 7 日l 点，每隔5 分钟记录的一次数据。由于数据量太大，文中只摘取 了一部分数据( 每隔1 小时的记录数据，其中平均值系i - - 4 和6 、7 火道的平均值) 如 表3 1 所示： 2 4 表3 1 焙烧车间一厂房1 1 号炉7 2 小时火道温度数据表 t a b l e3 17 2h o u r s f l u ew a l lt e m p e r a t u r ed a t ao f n o if u r a n c ei ns e c t i o n11 时间f w 】：i 苌焉苌；i 翟尹苌尸f w ，黼攀= 1 ：3 5 4 9 77 7 06 8 5 6 8 94 6 96 2 36 4 38 3 1 4 8 6 5 1 1 71 8 0 3 1 2 ：3 56 5 28 3 0 7 4 35 9 95 0 06 19 6 8 48 3 6 9 06 8 7 8 31 4 9 0 7 3 ：3 6 7 0 68 3 78 0 56 4 5 5 4 37 0 17 2 6 8 4 2 9 47 3 6 6 710 6 2 8 4 ：3 67 6 56 4 2 8 4 57 4 95 4 4 7 7 67 5 58 4 9 0 07 8 8 6 7 6 0 3 3 5 ：3 7 7 8 58 4 98 5 3 8 4 85 4 78 4 17 7 78 5 5 0 6 8 2 5 5 02 9 5 6 6 ：3 78 2 18 5 7 8 5 98 5 95 5 8 8 4 07 9 78 6 1 0 88 3 8 8 32 2 2 4 7 ：3 7 8 7 28 6 28 6 4 8 6 15 5 88 4 68 2 0 8 6 7 0 98 5 4 171 2 9 3 8 ：3 8 8 5 98 6 88 6 88 7 25 7 2 8 4 28 4 08 7 3 1 68 5 8 1 7 1 4 9 9 9 ：3 88 6 78 7 4 8 7 98 7 15 9 78 6 18 5 8 8 7 9 2 28 6 8 3 31 0 8 8 1 0 ：3 4 8 8 18 8 58 8 58 9 2 6 1 58 8 58 7 9 8 6 4 7 78 8 4 5 0 0 2 7 1 1 ：3 59 0 69 0 2 9 0 49 0 76 8 99 0 4 9 0 28 9 0 8 39 0 4 1 71 3 3 4 1 2 ：3 5 9 1 29 0 99 1 09 0 9 8 2 89 0 89 0 2 8 9 6 8 99 0 8 3 31 1 4 5 13 ：3 68 9 68 9 6 8 9 78 9 78 6 8 8 9 48 9 99 0 2 9 58 9 6 5 06 4 5 1 4 ：3 6 9 0 59 0 39 0 4 9 119 0 89 0 39 0 2 9 0 9 0 09 0 4 6 74 3 4 1 5 ：3 79 0 89 0 9 9 1 19 0 89 4 29 2 7 9 1 49 1 5 0 79 1 2 8 32 2 4 1 6 ：3 89 1 99 1 69 2 0 9 3 09 3 09 1 09 1 19 2 1 1 4 9 1 7 6 73 4 7 17 ：3 89 4 6 9 2 49 2 59 3 39 2 0 9 3 99 179 2 7 2 09 3 0 6 73 4 7 18 ：3 9 9 4 09 3 49 3 1 9 3 58 8 79 4 79 3 6 9 3 3 2 69 3 7 173 9 0 1 9 ：3 49 6 1 9 3 99 4 29 4 28 4 8 9 3 69 3 59 3 8 8 1 9 4 2 5 03 6 9 2 0 ：3 59 4 49 4 39 5 9 9 4 58 3 49 6 09 4 8 9 4 4 8 79 4 9 8 3- 4 9 6 2 1 ：3 69 5 2 9 4 49 5 59 4 78 17 9 3 99 4 29 5 0 9 39 4 6 5 0 4 4 3 2 2 ：3 69 5 79 5 39 4 9 9 5 38 4 09 4 4 9 5 59 5 7 7 09 5 1 8 35 8 7 2 3 ：3 7 9 6 49 6 09 5 69 6 09 11 9 7 19 6 29 6 3 0 5 9 6 2 170 8 9 0 ：3 79 7 4 9 6 69 7 09 5 61 0 1 89 5 7 9 5 89 6 9 1 29 6 3 5 0 5 6 2 1 ：3 89 6 39 6 99 8 1 9 6 39 2 39 5 89 6 5 9 7 5 1 89 6 6 5 08 6 8 2 ：3 9 9 7 39 7 59 8 39 7 6 9 5 09