基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法

摘要

本发明提供的基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法，是利用一种由多个PID控制器和1个解耦补偿器及窑炉炉体组成的控制系统对陶瓷辊道窑炉温度进行解耦控制，具体是：第一步，在窑炉开始升温阶段，先根据产品烧成曲线确定窑炉内每个烧嘴对应温区的目标控制温度，然后整定PID控制器的参数；第二步，当实际检测到的温度升至目标控制温度附近时，计算各烧嘴之间温度耦合系数，得到温度解耦补偿器输出解耦量，通过解耦量对各自回路的PID控制器输出量进行补偿；第三步，得到补偿之后的控制量通过执行器实时调整对应烧嘴的燃气量。本发明具有实时性好，控制精度和效率大大提高，工作稳定可靠，以及PID控制器参数整定过程简单等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及窑炉温度解耦控制领域，尤其涉及一种基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法。

背景技术

在陶瓷窑炉控制系统中，窑炉温度是陶瓷烧成工艺的重要参数，直接影响到制品的成品率和优品率。陶瓷辊道窑炉温度控制系统为一阶带纯滞后的大惯性系统，而且具有时变性。由于窑炉炉体是连续的，各加热烧嘴交错连续放置，之间没有隔离，窑炉内部热量是流动的，所以各烧嘴之间温度控制相互耦合，其中某一烧嘴工作，必定影响到相邻烧嘴对应温区的温度变化。

解耦控制可以将各回路之间强耦合的多输入多输出系统变换成若干个相互独立的单变量系统，使得某一输入只对某一输出起作用，从而使整个系统达到一个稳定可靠的工作状态。

目前国内也有温度解耦控制相关的发明专利，隧道窑多点温度的解耦控制方法200410084395.4，基于模型参考自适应控制的多变量系统神经网络解耦的简便方法200510123198.3，多变量时滞系统解耦控制器解析设计方法200510112229.5，自适应温度实时控制注塑机控制器控制方法及其控温电路200610050743.5，工业过程中非方系统的解耦控制方法200710036782.4和注塑机料筒温度同步控制系统及方法200910095350.X等，这些专利能较大程度上降低多变量温度耦合的问题，但也存在明显的不足之处：控制系统体积大，集成度低，硬件复杂，能耗高，性价比低。并且，上述控制方法或者高度依赖于被控对象的数学模型，或者依赖操作人员的经验，或者计算过程复杂，计算量大。对于陶瓷辊道窑炉温度这类难以建立精确数学模型的复杂控制对象，上述温度解耦控制方法的效果并不十分理想。

因此，有必要研究一种更加简单高效的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种实现相对简单、控制精度高和性能稳定可靠的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法，是利用一种由多个PID控制器和1个解耦补偿器及窑炉炉体组成的控制系统对陶瓷辊道窑炉温度进行解耦控制的方法，具体是：

第一步，在窑炉开始升温阶段，先根据产品烧成曲线确定窑炉内每个烧嘴对应温区的目标控制温度TS_i，然后整定PID控制器（1）的参数，此时解耦补偿器（2）输出解耦量均为0；i=1，2，…，m；

第二步，当实际检测到的温度T_i升至目标控制温度TS_i附近时，计算各烧嘴之间温度耦合系数，得到温度解耦补偿器（2）输出解耦量，通过解耦量对各自回路的PID控制器输出量u_ki进行补偿，得到补偿之后的控制量u_ki*；i=1，2，…，m；

第三步，补偿之后的控制量u_ki*通过执行器实时调整对应烧嘴的燃气量；

经过上述步骤，实现对陶瓷辊道窑炉温度的控制。

本发明在第一步中，开始升温时根据产品烧成曲线整定每个PID控制器的初始参数。

本发明在第二步中，主要根据每个烧嘴单独工作时引起相邻烧嘴对应温区的热量变化，确定其对相邻烧嘴温度耦合作用大小，作为温度解耦补偿量，对相应PID控制器输出量进行调整。

本发明可以直接根据某一烧嘴工作引起其相邻烧嘴热量变化整定其对相邻烧嘴的温度耦合系数。

每个PID控制器的参数可以采用成熟的PID整定方法，该方法主要有扩充临界比例度法、扩充响应曲线法或凑试法。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

其一.对现场操作人员的经验要求不高，自动化程度提高，自动整定各闭环控制参数，可靠性高，实时性强。

其二.计算简单，降低了解耦过程的复杂度，便于工程实现。

其三.物理意义明确，不需要知道窑炉温度的精确数学模型。

总之，本发明和现有陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法相比，PID控制器参数整定过程简单，控制精度和效率大大提高，实时性好，工作稳定可靠。

附图说明

图1是一种基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法原理示意图。

图2是窑炉内i#烧嘴对应温区在其单独加热时升温曲线。

图3是窑炉内i+1#烧嘴对应温区在i#烧嘴加热时的升温曲线。

图中：TS_i表示i#烧嘴的设定温度，T_i（t）表示i#烧嘴检测到的实际温度，T_i,j^*表示i#烧嘴单独加热时j#烧嘴对应温区达到的稳定温度，u_ki表示控制器PID_i输出的控制量，u_ki^*表示u_ki经过解耦补偿后的输出量，△C_i,j（i≠j）表示i#烧嘴加热时j#烧嘴对应温区相对于其稳定温度的热量变化，△C_i,j（i=j）表示i#烧嘴加热时对应温区相对于设定温度的热量变化。k_ij（i≠j，且|i-j|=1）为i#烧嘴对j#烧嘴的解耦补偿系数。该温度解耦控制方法由m个PID控制器，1个解耦补偿器以及被控对象组成。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的基于热平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法，该方法是利用一种由多个PID控制器1和1个解耦补偿器2及窑炉炉体3组成的控制系统对陶瓷辊道窑炉温度进行解耦控制。本发明采用的控制系统由多个PID控制器1和1个解耦补偿器2及窑炉炉体3组成，具体结构如图1所示。图中PID控制器1的输出量u_ki与解耦补偿器2的输入相连，解耦补偿器2的输出与窑炉炉体3中的i#烧嘴相连，i=1，2，…，m。

以1#、2#和3#烧嘴为例，具体实施方式如下：

第一步，根据工艺要求，采用常规的PID整定方法整定PID控制器（1）的参数。

第二步，计算各烧嘴之间温度耦合系数，具体方法如下：

2.1 绘制各烧嘴单独加热时对应区的升温曲线（图2），据此计算每个烧嘴单独加热时温区的热量变化量。1#烧嘴区、2#烧嘴区、2#烧嘴区的温度变化量分别为△C₁₁、△C₂₂和△C₃₃；

2.2 绘制#m烧嘴加热而#k烧嘴不工作，#m烧嘴对#k烧嘴的升温曲线（                                                ）（图3），据此计算相邻烧嘴对应温区相对于稳定温度的热量变化量。1#烧嘴区温度变化对2#烧嘴区温度影响所产生的量变化量为△C₁₂，2#烧嘴区温度变化对1#烧嘴区温度影响所产生的量变化量△C₂₁，2#烧嘴区温度变化对3#烧嘴区温度影响所产生的量变化量△C₂₃，3#烧嘴区温度变化对2#烧嘴区温度影响所产生的量变化量△C₃₂；

2.3 计算第1#、2#和3#烧嘴对应温区之间的耦合系数。1#烧嘴区温度变化对2#烧嘴区温度影响为的耦合系数k₁₂=△C₁₂/△C₁₁；2#烧嘴区温度变化对1#烧嘴区温度影响为的耦合系数k₂₁=△C₂₁/△C₂₂，2#烧嘴区温度变化对3#烧嘴区温度影响为的耦合系数k₂₃=△C₂₃/△C₂₂；3#烧嘴区温度变化对2#烧嘴区温度影响为的耦合系数k₃₂=△C₃₂/△C₃₃。

第三步，将热电偶检测到的对应温区温度T₁、T₂、T₃分别与目标控制温度TS₁、TS₂、TS₃进行比较得到偏差Ei=T_i– TS_i（i=1，2，3），据此计算控制量。具体方法如下：

3.1 PID根据偏差Ei计算出输出量u_k1，u_k2和u_k3；

3.2 若│Ei│C0（C0为接近0的一个常数，表示窑炉内温度升至目标控制温度附近），则计算温度解耦补偿器2输出解耦量：k₂₁调整PID₁的输出量u_k1，k₁₂和k₃₂调整PID₂的输出量u_k2，k₂₃调整PID₃的输出量u_k3，得到解耦后的输出量u_k1^*、u_k2^*和u_k3^*。即：

u_k1^*=u_k1+k₂₁*u_k2

u_k2^*= u_k2+k₁₂*u_k2+k₃₂*u_k3

u_k3^*= u_k3+k₂₃*u_k3

解耦后的输出量u_k1^*，u_k2^*和u_k3^*分别送至1#、2#、3#烧嘴

3.3 若│Ei│>C0，输出量u_k1，u_k2和u_k3分别送至1#、2#、3#烧嘴。

3.4 重复3.1、3.2和3.3。

如上所述，利用本发明提供的基于能量平衡的陶瓷辊道窑炉温度解耦控制方法，在窑炉内温度升至目标控制温度附近时，通过温度耦合补偿量对其控制器输出量进行补偿，从而能满足陶瓷辊道窑炉温度特性要求，在整体上能够更好地提高辊道窑炉温度控制的精度和响应速度，增加窑炉温度控制系统可靠性，同时解耦系数整定过程简单、便于工程实现。