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鋁用炭素焙燒爐溫度控制器改進研究
作者: 來源: 發佈時間:2020-03-16

 摘  要 :針對炭素焙燒爐溫度控制器在使用過程中難穩定性較差,通過實驗與分析,提出鋁用炭素焙燒爐溫度控制器改進研究。首先對PID參數進行預整定,選取適當的輸入狀態信號,同時對輸入量偏差P及偏差變化率PC進行模糊化處理,得到函數曲線圖後,對焙燒升溫曲線完成優化改進,從而達到控制受控點溫度的目的。通過實驗結果的對比,可以明顯看到,在溫度控制方面本文設計的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器在功能發揮上要比傳統溫度器要穩定的多得多,與實際溫度偏差較小,基本保持一致,具有較高的實用性。

 
最近幾年,金屬鋁被廣泛應用在建築裝修、交通、航空航天等諸多領域。鋁用工業作爲國民經濟的支柱型產業之一,金屬鋁成爲其保證鋁用工業穩定發展的關鍵原料之一。目前國內電用鋁工業的技術設備正在慢慢追趕世界領先水平,然而與歐美資本主義國家相比,我國鋁用工業的技藝水準與國際水準還是存在一定的差別,其主要表現在陽極毛耗較高。國內的陽極焙燒技術是在二十世紀八十年代末引進日本輕金屬株式會社的焙燒技術基礎上慢慢發展起來的。在這幾十年的發展歷程中,因爲種種原因,我國各個生產企業以及科研單位只是在燃料篩選、火道隔板、耐火材料、裝爐數量等方面作出稍微的改進,總體來說進步並不大,基本上還是停留在以往日式焙燒爐的技術水準上。而國內的炭素廠又普遍存在損耗高、陽極塊焙燒質量較差、生產效率低、溫度控制能力比較弱等一系列缺點,尤其是在對溫度的把控上。因此,本文對鋁用炭素焙燒爐溫度控制器進行改進優化,試圖提高其溫度控制力,提高燃燒率。鋁金屬是重要的國防金屬,被應用於國防、工業、生活等國計民生的方方面面,因此鋁金屬的開採和冶煉的價值地位超然,成爲工業進步的支柱產業。炭素焙燒爐作爲鋁加工產業鏈中的基礎環節,起着提高製品導電、導熱性能及強度的作用,是重要的熱工設備。在焙燒爐生產工藝中,溫度控制是既關鍵又困難的控制過程,其控制的準確性直接影響加工質量。在用的炭素焙燒爐溫度控制器普遍存在自動化程度不高,溫度控制準確率低的問題,不利於精益生產。基於此問題,研究一種改進的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器。
 
1、鋁用炭素焙燒爐溫度控制器改進設計
鋁用炭素焙燒爐工作環境惡劣,基於可靠性、精確性、兼容性以及成本控制等綜合因素考慮,改進設計採用了比例積分微分控制(以下簡稱PID)技術體制。設計重點在於對焙燒爐溫度的準確、穩定控制,保證爐體在正常狀況下高效、節能工作。
 
1.1   PID參數的整定與設計
按照PID控制理論的相關方法,採取Ziegler-Nichols整定規則,同時通過MATLAB數學仿真計算,建構了用於Ziegler-Nichols整定規則。計算P、PI、PID校正器參數的函數——zn pid − ,公式爲 :
20200316103604.jpg
 
其中 PID 表示校正器的基本類型,當 PID 等於1時,計算P調節器的基本參數指標 ;當 PID 等於2時,計算PI調節器的基本參數指標 ;當 PID 等於3時,計算 PID 調節器的基本參數指標。輸入參數爲 vars 帶延遲——慣性關係模型的 k 、 T 和 ι 。己知三種參數 : k = vars ① ; T = vars ② ; tau = vars ③。Ti 代表校正器的積分比常數 ; Td 代表校正器的微分時間函 ;kp 代表校正器的比例函數 ;輸出參量 Gc 代表校正器的一般性傳遞函數。
 
通過Ziegler-Nichols整定規則計算得到的 PID 、 PI 校正器對系統校正後的數值,其跳躍階數給定下的響應曲線的上升時間分別是110s、62.7s,調改時間分別是2100s、1360s,穩態值都固定在1,從中能夠看到, PI 和 PID 校正器在一定程度上消除了穩態值誤差,可 PID 校正比 PI 的反應速度要快,調改時間較短,然而其超調量卻也是最大的,甚至高達70.17%。綜合各項指標,決定採取 PID 校正器,且 kp =2.162、一 Ti =350、Td =85,即 kp =2.125, ki =0.00708, kd =157.2。設計採用模糊控制,可以以較少的程序量和計算量實現較高的控制精度、魯棒性及反應速度,適合溫度控制器。
 
1.2、 模糊規則設置中輸入狀態信號的選擇
狀態轉換是將預先設定好的信號 ( ) r k 和輸出信號 ( ) y k 轉變爲神經元學習控制所需的即時狀態QQ截圖20200316103641.jpg。單神經元自適應控制的輸出用公式表示爲 : 
QQ截圖20200316103817.jpg
因此獲得如數字式PID控制的增量公式④的單神經元自適應控制公式 :
QQ截圖20200316103830.jpg
控制器需要一個精確的輸出控制量而不是模糊值。在由模糊規則表得到的模糊集合中,通過模糊推理可得到模糊量,然後再轉化爲精確值,從而得到自整定PID控制系統的精確控制量。
 
1.3、輸入量偏差P及偏差變化率PC的模糊化
溫度控制器內所有參數的輸入、輸出必須是精確無誤的,即精確量。模糊推理是專門針對控制器內的模糊量進行調整的,所以控制器必須率先對輸入量進行一定的模糊化處理。在所設計的溫度控制器內,採取Mamdnai控制法則,其中誤差、誤差波動以及控制量都取5個語言值 :{NB、NM、NS、PS、MP}。此處偏差P代表預先設置的溫度值減去實際測量溫度的差。在模糊控制區域內,偏差P的基本值域範圍採取(-50,50),區分爲10個級別,即P={-6,-5,-4,-3,-2,-1,1,2,3,4},那麼偏差P的量化因子Ke=7/48=0.15,將模糊集P的5個語言值取爲{NB,NM,NS,ZE,PS,} ;偏差變化率Pc的基本值域範圍採取(10,10),區分爲10個級別,即PC={-6,-5,-4,-3,-2,-1,l,2,3,4},那麼偏差p的量化因子Ke=3/10=0.3,將模糊集PC的7個語言值取爲{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},考慮對值域的參考程度、設備的分辨率、穩定性、控制靈敏度等因素,各個模糊子集需要以三角形隸屬度升溫曲線。
 
1.4 改進焙燒升溫曲線控制方式
控制器內部結構對焙燒曲線的影響比較大,優化設計後採用開放式環式焙燒爐溫度控制器,其結構爲寬料箱、窄火道、“V”型爐牆氣流分佈,使用的耐火材料強度比較高、導熱性優良、堅韌度比較高,能夠使火道上下與外部環境的溫差控制到最低,加快熱傳遞的速度,從而能夠縮小焙燒曲線,提高設計的質量。
 
2 實驗與效果分析
爲了更加清楚、具體的看出本文設計的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器的實際應用效果,特與傳統鋁用炭素焙燒爐溫度控制器進行對比,對其控制能力的大小進行比較。
(1)實驗準備。爲保證實驗的準確性,將兩種鋁用炭素焙燒爐溫度控制器置於相同的試驗環境之中,對比驗證控制能力。實驗流程設定爲 :分別採用兩種溫度控制器對焙燒爐溫度予以控制,在工作時間段內每分鐘採集爐溫實際數據與控制器輸出數據,對比溫度採集的精確性和控制的準確性。
 
(2)實驗結果分析。實驗過程中,通過兩種不同的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器設計同時在相同環境中進行工作,分析其控制率的變化。實驗對比效果圖如下圖所示。
實驗結果對比圖
通過實驗結果的對比,可以明顯看到,在溫度控制方面本文設計的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器在功能發揮上要比傳統溫度器要穩定很多,與實際溫度偏差不是很大,基本保持一致,具有較高的有效性。
 
3、結語
本文對鋁用炭素焙燒爐溫度控制器的改進方法進行分析,根據炭素焙燒爐在溫度把控上的技術難題及其分析,以實驗爲基礎,實現本文設計。實驗論證表明,本文設計的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠爲鋁用炭素焙燒爐溫度控制器的改進和應用提供理論依據。
 
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