大型碳纤维预氧化装备温度控制特性研究及应用

摘要

大型预氧化装备是PAN基碳纤维工业化生产的关键设备之一，其主要技术指标对提高碳纤维产量和性能至关重要。如何缩短预氧化升温时间，提高温度均匀性和控温精度，降低预氧化装备能耗，是国产大型预氧化装备需要解决的关键技术。
　　 本文借助于计算机仿真与模拟技术，对大型预氧化装备的温度控制特性进行了系统研究，主要包括:
　　 (1)温度控制算法研究及应用
　　 建立了大型预氧化装备的温控系统模型，通过实验获得了大型预氧化装备的阶跃响应曲线，利用辅助变量最小二乘法进行了模型参数的辨识。
　　 研究了用于大型预氧化装备的模糊自适应PID控制算法和基于BP神经网络的自适应PID控制算法并利用MATLAB进行仿真研究。仿真结果表明，与常规PID相比，两种算法都具有控制精度高、超调量小、抗干扰能力强等优点，其中基于BP神经网络的自适应PID控制在超调量及抗干扰能力方面优于模糊自适应PID控制，但BP神经网络算法复杂，其响应时间比模糊自适应PID控制稍长。
　　 针对模糊控制存在量化误差的缺陷，采用线性插值的方法，对模糊规则进行细化，推导了相应的计算公式，并在PLC上编程实现，消除了量化误差，显著改善了系统性能。
　　 (2)流场与温度场模拟研究
　　 以计算流体动力学和传热学的基本控制方程为基础，建立了大型预氧化装备炉内气体流动与传热的数学模型;利用有限体积法，对流动与传热的控制方程进行离散化处理，得到了瞬态流动与传热的离散方程;根据SIMPLE算法推导了速度与压力修正值的计算公式。
　　 通过分析大型预氧化装备的结构特点，合理简化，采用二维模型研究大型预氧化装备的流场和温度场，利用GAMBIT建立了不同条件下的模型并划分网格，采用Fluent进行了模拟。
　　 根据模拟结果，针对大型预氧化装备的结构、导风罩旋转角度以及PAN原丝在炉膛中的分布提出了一系列优化建议。
　　 在改进结构设计、优化导风罩旋转角度的基础上进行了温度场模拟，结果表明，改进和优化后的大型预氧化装备空载时具有较好的温度均匀性。
　　 (3)控制系统设计与软件开发
　　 根据本文研究成果，设计了一套具有高性能、高可靠性、高性价比和良好扩展能力的控制系统方案，并成应用于年产800吨PAN基碳纤维生产线的研制开发。
　　 开发了大型预氧化装备温度控制系统的PLC软件，利用多项式拟合加外部补偿的方式实现了0.02℃的高精度温度测量;采用模糊自适应PID控制和分段温度控制策略确保升温速率和控温精度;利用基于RS485总线的USS通讯实现了对3个子网共72台变频器的实时控制，通过合理的参数设置和软件优化，实时性完全满足生产要求;设计了一种智能预氧化装备升温调度算法并编程实现，该算法对大型预氧化装备的升温过程采用分段升温、分时控制，智能调度整条生产线的可用功率，在满足控温精度的条件下，可降低35％的变压器容量。
　　 (4)对大型预氧化装备的送风系统进行了优化，并测试了两种大型预氧化装备优化后的控温精度，控温点精度±0.8℃;多热电偶立体分布测温和预氧丝氧含量测试数据表明优化后的大型预氧化装备具有较好的温度均匀性，炉膛内各测温点的最大偏差为2.6℃。

目录

声明

摘要

本文创新和主要贡献

第一章 绪论

1．1 碳纤维简介

1．2 国内外碳纤维工业发展现状

1．3 制约我国碳纤维工业发展的因素

1．4 国内外大型预氧化装备研究现状

1．4．1 温度控制研究现状

1．4．2 加热炉数值模拟研究现状

1．5 课题的研究意义和研究内容

第二章 大型预氧化装备温度控制算法研究

2．1 大型预氧化装备的基本结构

2．2 大型预氧化装备的参数

2．3 大型预氧化装备温控系统模型

2．3．1 影响温控系统模型的因素

2．3．2 温控系统模型简化

2．3．3 温控系统辨识

2．4 预氧化装备温度控制算法仿真

2．4．1 PID算法及离散化

2．4．2 模糊自适应PID控制算法仿真

2．4．3 基于BP神经网络的自适应PID控制算法仿真

本章小结

第三章 大型预氧化装备流动与传热数值模型

3．1 流动与传热的控制方程

3．1．1 气体质量守恒方程的建立

3．1．2 气体动量方程的建立

3．1．3 气体能量守恒方程的建立

3．2 流动与传热控制方程的离散

3．2．1 常用的数值分析方法

3．2．2 二维流动传热方程的离散

3．2．3 三维对流传热方程的离散

3．3 流动传热数值计算的SIMPLE算法

3．3．1 SIMPLE算法的基本思想

3．3．2 速度修正值的计算

3．3．3 压力修正值的计算

3．4 湍流方程

3．4．1 湍流基本方程解析

3．4．2 湍流对流换热的Reynolds时均方程

3．4．3 标准k-ε模型

3．4．4 RNG k-ε模型

3．4．5 壁面函数法

本章小结

第四章 大型预氧化装备流场与温度场模拟

4．1 所采用的CFD软件

4．2 网格划分

4．2．1 模型简化

4．2．2 不同条件下的网格划分

4．3 边界条件

4．4 求解条件设置

4．5 模拟结果及分析

4．5．1 流场模拟结果与分析

4．5．2 温度场模拟结果与分析

本章小结

第五章 大型预氧化装备温度控制系统开发

5．1 系统总体设计

5．1．1 系统方案及说明

5．1．2 PLC模块的选型

5．1．3 执行机构的选型

5．2 硬件原理接线图

5．2．1 加热控制柜原理接线图

5．2．2 变频控制柜原理接线图

5．3 系统软件开发

5．3．1 软件功能设计

5．3．2 系统软件关键技术

本章小结

第六章 研究成果的应用

6．1 国产大型预氧化装备的应用情况

6．2 特性研究成果的应用

6．2．1 送风系统优化

6．2．2 控温精度

6．2．3 温度均匀

本章小结

第七章 结论

附录：控制系统源代码(部分)

1．PID控制程序

2．USS通讯程序

3．变频器控制

4．历史数据自动记录

5．系统配方管理

6．IMA通讯

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录

参与科研项目及获奖情况