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隧道窑温度控制系统设计毕业设计

摘要

隧道窑是耐火材料生产中一种重要的高温烧成设备，是耐火材料生产过程中的重要环节，隧道窑的控制水平直接影响耐火材料的质量。

近年来，我国的耐火材料工业发展迅速，窑炉设计水平有显著的提高,但隧道窑的控制技术发展相对缓慢,大部分窑炉的控制还停留在常规仪表控制的水平上，自动化程度较低。

因此,进行隧道窑烧成制度尤其是温度制度控制方面的研究,对提高产品质量和稳定产品产量都非常重要.

本文首先介绍了隧道窑及其控制技术的发展和现状，然后以某玻璃厂的隧道窑的温度为控制对象，设计一个温度控制系统，介绍了玻璃窑炉的结构、工艺流程以及生产对温度控制系统的要求，分析了窑炉温度系统的动态特性.对隧道窑燃烧系统即烧成带温度的控制主要是对烧成带两侧天然气高速烧嘴喷出的燃料量进行控制，而对于冷却部的温度控制是通过控制冷却空气的流量，以及从熔化部经通道进入冷却部玻璃液流量进行控制。

玻璃窑炉温度系统现有的控制方法主要是传统的PID控制。

虽然这种方法在工作点附近的小范围内能够取得较好的控制效果，但在系统运行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，控制效果明显变差，有较大的局限性。

因此，人们直在设法改进对这类系统的控制。

对于大纯滞后系统的控制问题，自1957年史密斯提出预估补偿控制以来,出现了多种控制方法，但到目前尚未完全解决。

本文在回顾了大滞后过程的各种控制方法及近年来的进展后,基于智能控制理论设计了玻璃窑炉的智能控制方案。

关键词：

玻璃窑炉，PID控制,工艺流程,智能控制，温度控制

ABSTRACT

Tunnelkilnisasetofimportantequipmentinfire—resistingmaterialsprocess，andthecontroltechniqueoftunnelkilnhasgreateffectsonthequalityofproducts．Recently,fire—resistingmaterialsindustryhasdevelopedquicklyinourcountry,andthedesignoftunnelkilnhasimprovedgreatly.Butthecontroltechniqueoftunnelkilnhasdevelopedslowly，mosttunnelkilnshasstilladoptedinstrumentscontrolmethod,andthedegreeofautomationisverylow.Thus．itisimportanttodosomeresearchesontunnelkilnfiringcontrol，especiallyontemperaturecontrolforgoodqualityoffiring-resistingmaterials．

Thistexthastellthesourceofexercisequestionatfirst,hasexplainedtheresearchstateinlong-rangecontrolsystemofmoderntransmissionbasedonInternetbothathomeandabroad，typicalexampletakingexchangingthetransmissionasmoderntransmissioncometomaketheresearchobject,andhassummarizedthetaskofthedesignandresearchmeansbriefly.Inthisway，theunderstandingthatdesigningthesystementirelyispreliminary.

Atpresent,themainlymethodusedinglassfurnacetemperaturecontrolisPIDcontrol．AlthoughPIDcontrolcallachievesatisfiedresultinsmallrangeneartemperaturesetpoint，itcan’tcontroltemperaturetoitssetpointrapidlyandsmoothlyatthetimeoftheworkconditionchangebyawidemarginduetotheinfluenceoftimelagandparametersvarying．SoPIDcontrolissubjectedtocomparativelybiglimitation．Forthisreason，researcherstrytoimprovethecontrolofthiskindofsystemscontinuously．Forthelargetimelagandinertiasystem，manycontrolmethodshavebeenputforwardsincetheSmithpredicatorcontrolrosein1957,buttheproblemhasnotbeensolvedcompletely．Soitisoftheoreticalandpracticalsignificancetoconductresearchesinthisrespect．Afterreviewofcontrolmethodsforlargetimelagprocessandtheirimprovementsinrecentyeats,thethesisdesignanintelligentcontrolschemebasedonintelligentcontroltheory。

Keywords：

glassfurnace；PIDcontrol;technologicalprocess；intelligentcontrol；temperaturecontrol。

绪论

玻璃窑炉是玻璃工厂最重要的热工工艺设备，而熔制是玻璃生产中最重要的工序之一，它是将混合均匀的配合料，送往玻璃窑炉，在高温条件下，经过一系列物理的、化学的变化和反应,形成均匀的、无气泡的、符合成形要求的玻璃液。

这是一个非常复杂的过程,对硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却成形各阶段的温度都有一定的工艺要求.所以，玻璃窑炉温度控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。

如果温度控制不理想或受到干扰而不稳定，就会使一系列的平衡遭到破坏,特别是玻璃液流轨迹的破坏,严重时,会造成泡界线偏移、热点位置及温度的改变和熔化带长短的变化,进而导致结石、气泡、硝水及制品的多种缺陷同时产生，严重影响产品的质量和产量。

窑炉温度系统是一个自平衡过程,其纯滞后时间和时间常数都比较大，干扰因素较多，对象参数具有非线性和时变性等特点，过程的不确定性较大，因此属于复杂过程系统。

控制对象可以被描述为一个单输入单输出时变系统，其传递函数为带纯滞后的一阶惯性环节，滞后时间、时间常数和增益系数等参数在反应过程中随窑炉温度和运行工况的不同不断变化。

玻璃窑炉温度系统现有的控制方法主要是传统的PID控制。

虽然这种方法在工作点附近的小范围内能够取得较好的控制效果，但在系统运行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响,控制效果明显变差,有较大的局限性.因此，人们直在设法改进对这类系统的控制。

对于大纯滞后系统的控制问题,自1957年史密斯提出预估补偿控制以来，出现了多种控制方法，但到目前尚未完全解决。

本文在回顾了大滞后过程的各种控制方法及近年来的进展后，基于智能控制理论设计了玻璃窑炉的智能控制方案。

玻璃窑炉是一个时变的、非线性的、多变量耦合的复杂控制对象，其结构及其控制技术将极大的影响着产品的质量、生产的成本。

故玻璃窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统,难以建立精确的数型,而且窑炉在运行过程中要受到多种扰动因素影响。

炉内温度靠调节烧成带两侧烧嘴的喷油量来控制。

每个烧嘴附近装有热电偶，以检测该点的温度.某测点的温度同时还受其它烧嘴、窑内压力、坯件形状、湿度、燃油的温度以及外界气候环境等的影响，因此它具有大惯性、不确定性、强非线性、多变量耦合等特点。

目前,国内外隧道窑的控制大都采用人工调节方式，因为采用自动控制，一是要建立炉窑的数学模型,用多变量控制技术进行控制，但其数学模型过于复杂,而控制精度却不理想；二是采用分散控制器（PID）来调节，用工程方法整定控制器参数,但在实用中变量之间的耦合使得参数整定过于复杂运行环境发生变化时参数需要重新调整.我们将自调整PID控制策略用于隧道窑的控制，取得了良好的效果.

1玻璃隧道窑的发展状况

1。

1玻璃窑的分类及构成

玻璃窑有许多窑型结构,适用于各种不同品种玻璃制品的生产要求。

按照熔制玻璃所用容器的结构，玻璃窑可分为池窑和坩埚窑两大类。

池窑是最常用的玻璃熔窑,由于配合料在这种槽型池内被熔化成玻璃液,故名玻璃熔窑;按照废气余热回收设备的形式，可分为蓄热式与换热式窑两种。

本文只要是介绍玻璃池窑。

玻璃池窑沿窑长方向按照玻璃液的熔化过程可相应分为溶化部冷却部，成型部三部分。

溶化部是配合料熔化和玻璃液澄清、均化的部位，它是上下两部分构成,上部的部分称之为上部结构，又称火焰空间，下部是窑池。

玻璃的熔化及冷却对熔窑热工制度提出了各自不同的要求,为了实现各个区的温度互不干扰，消除耦合，减少溶化部高温气体对冷却部的影响，保证各自独立的工作制度，需要在上部空间交界处设置分隔装置。

为了不使溶化部未熔好的粉末及泡沫等杂物进入冷却区，常在溶化部和冷却部的窑池交界处设置玻璃液分隔装置。

气体分隔装置有完全分隔和部分分隔两种.完全分隔是用一道或两道挡墙将溶化部和冷却部的空间完全隔离开，互不相通，避免了溶化部的热气流对冷却部的影响,这样既可以集中溶化部的热量，也可以独立控制冷却部温度的作业制度，冷却部空间可以缩小。

但完全分隔开后，冷却部可能需要另外加设加热系统以调节温度制度。

玻璃液分隔装置的作用是阻挡溶化部未熔化好的粉料浮渣等物流入冷却部，也可通过调节玻璃液对流量，调节冷却部玻璃液的温度状况。

玻璃液的分隔装置有浅层分隔和深层分隔两种。

深层分隔有流液洞,浅层分隔设备有卡脖，冷却水管等.

1.2玻璃窑温度控制的发展状况

从玻璃窑炉温度控制的有关文献来看,目前在玻璃生产中，窑炉温度控制已普遍采用了计算机控制，但最常用的控制方法仍是普通PID控制，包括单回路、串级回路和分程控制等都是由PID作为基本的控制算法。

改进的方法有Smith预估补偿加PID控制和模糊控制等。

串级调节系统多用于燃料源受频繁扰动的玻璃窑炉，该系统由主回路和副回路组成，主回路根据实际值与给定值的偏差由PID调节规律对燃料流量进行调节，副回路根据燃料流量实际值与主回路温度调节器输出的燃料流量的偏差对流量进行调节,以避免扰动对燃料流量的影响。

对窑炉温度系统所进行的动态特性分析表明,一般情况下窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统.而且窑炉在运行过程中还可能受到多种扰动因素如煤气压力波动、进料质量波动、窑炉保温性能变化、工作环境温度变化等的影响.鉴于玻璃窑炉的上述特性，现行的控制方法难以满足对窑炉温度控制的高性能要求。

如单纯的PID控制对滞后较大的窑炉控制效果不好，难以适应对象参数的变化,且存在快速性与超调量之间的矛盾。

Smith控制方法的设计又过分依赖于被控对象的精确模型，当参数变化时或模型误差较大时控制性能显著变坏。

计算机技术和现代控制理论特别是智能控制理论的发展,为改善窑炉这类大惯性、大滞后变参数系统的控制提供了可能。

我国目前玻璃熔窑的控制大都是基于DDZ-III型模拟仪表监测甚至人工手动控制来实现的,个别新建熔窑实现了关键参数点的仪表控制，但大多采用传统的PID控制。

由于玻璃熔窑是一个非线性的滞后系统,因此控制精度差，能源消耗量大,劳动强度高,产品质量差且效益较低，因此根据玻璃熔窑的特点采取相应的自动控制方案，提高控制精度很有必要。

2结构设计方案选择

2。

1玻璃窑炉的工艺流程

隧道窑是耐火材料工业生产中比较先进的窑炉,为便于研究，将隧道窑分为窑体结构（主要包括窑墙、窑顶和刚架结构）、预热带结构（主要包括排烟系统）、烧成结构（主要包括燃烧系统）、冷却带结构（主要包括冷却系统）及其它结构（包括窑结构及车下冷却结构等）。

窑体是由窑墙、窑顶和窑车衬砖等耐火材料砌成的一条长的隧道。

隧道窑内铺设窑车行驶的钢轨，窑车上码放好待烧的砖坯。

整个隧道窑沿窑车的行进方向分为预热、烧成、冷却三个带。

（1）隧道窑预热带的结构

隧道窑的前端预热区域，窑车上的砖坯首先在这里进行预热。

预热带内窑墙上设有废气孔，窑墙内中空，置有排烟管道。

废气孔的数量根据排出的烟气量来设定，保证预热带烟气温度不能超出规定的温度。

（1）隧道窑溶化部结构

隧道窑的中间烧成区域,窑墙上安装多个有高温烧嘴，窑车上的制品在这里进行充分的焙烧,烧嘴的数量多少主要根据烧成制品的种类以及制品所需的焙烧时间的多少来决定。

（2）隧道冷却部结构

隧道窑的末端冷却区域，烧好的制品在这里进行冷却。

从冷却带鼓入大量的冷空气，这些冷空气在将制品冷却的同时本身被预热.被预热的空气一部分作为助燃的二次空气使用,另一部分作为一次空气，送到每一个烧嘴,供燃料燃烧使用，或送至其他的地方作干燥制品的热源。

为避免热量损失，隧道窑前端设置两个窑门即外窑门和内窑门。

两窑门利用卷扬传动机构,借助于终点开关和相应的电气设备进行控制，外窑门每次开启时进料，内窑门每次开启时出料。

燃烧设备包括燃烧室和烧嘴,燃料（重油或天然气）在这些燃烧设备中燃烧，燃烧产物进入隧道，将热能传递给制品.通风设备包括排烟系统,气幕和气体的循环装置以及冷却系统。

它们是由排烟机,烟囱，鼓风机及各种烟道、管道组成的。

其作用是使窑内气体按一定的方向流动，排出烟气，供给空气,抽出热空气等，并维持窑内一定的温度、气氛和压力。

玻璃窑炉的温度系统主要由熔化部、冷却部和成型部组成。

熔化部负责玻璃熔制、澄清，冷却部负责将熔化好的玻璃液继续均化并且调整到成型所需要的温度。

传统的冷却部著有冷却左右故得其名。

根据玻璃成份和成型方法的不同，冷却过程中玻璃液温度的降低程度也是不同的.成型部就构成生产玻璃产品的车间，已不再细表。

玻璃窑炉的输入是燃料、玻璃原料（由配料系统提供，主要成分是硅砂、纯碱、方解石、长石及混合小料等六种原料）和助燃空气，输出是玻璃液、烟气.燃料在熔化池上部的燃烧室内燃烧，并通过喷嘴形式，以一定方向和速度喷入窑内继续燃烧，这时需要提供助燃空气.所放出的热量将玻璃原料熔化，燃烧后产生的烟气进入排气装置.从玻璃熔窑排出的烟气温度都很高，一般都在1500°C作用，因此分热有巨大能量可以利用。

废气可以在蓄热室将助燃空气和燃气预热，保证燃烧火焰达到所需高温。

熔化后形成的玻璃液经过一个连接通道进入工作池，然后通过下料槽进入行列机，最后制作成相应的玻璃产品。

玻璃窑炉的炉体结构简图如图2—1所示。

从投料到原料在窑炉内熔化、澄清、均化和冷却，经过一系列的物理、化学和物理—化学反应，最终形成均匀、无气泡、符合成型温度要求的熔融玻璃液,是一个复杂的工艺过程。

图2—1玻璃窑炉结构简图

2.2玻璃窑炉的动态特性

在玻璃窑内玻璃液沿着一定的轨迹和速度进行着复杂的流动，按照流动的不同原因，分为生产流和热对流。

生产流是由于成型玻璃的拉力和投料机的推力而产生的从投料口到成型部的纵向流动。

热对流是由于玻璃液内存在的温度差引起的.因为玻璃液随着温度的升高密度减小,窑池内不同部位的温度不同,其密度也不同，从而使玻璃液内部产生的静压差引起对流。

和许多在工业生产过程中大量使用的电加热炉、燃液和燃气的加热炉一样，由于传热问题的复杂性，玻璃窑炉的动态特性也具有大滞后、非线性、时变性和不对称性等特点。

在过程控制中,为了方便，通常把窑炉温度的动态特性看成是一个线性系统。

用一个或两个惯性环节串联一个纯滞后环节来表示：

（1）

事实上,窑炉温度问题是相当复杂而又难以用数学公式精确描述的问题.尽管如此，上述近似处理的结果在许多情况下仍然可行。

近年来，随着智能控制的迅速发展，对模型的依赖性相对降低,但对过程模型的属性进行研究仍有必要。

在通常情况下，从控制角度考虑的炉温仅仅是检测点附近一个极小区域内的平均温度,而不是指整个炉内的温度场。

窑炉温度的变化与炉内总发热量和总散热量以及负荷情况有关.由于发热过程时间与传热过程时间相比可以忽略不计，因而炉温的动态特性主要由传热过程所决定。

传热有导热、对流、辐射三种形式。

在任何一种加热炉里和任何温度点上都并存着三种形式的传热，只是在不同的温区，各种传热在总传热量里所占的比例不同.

对于玻璃窑炉来说，炉体的容量、结构、检测元件及其安放位置等都影响着滞后的大小。

它不是一个单一的问题，是一个系统问题（容积滞后时间就是级联的各个惯性环节的时间常数之和）。

纯滞后产生的根源也要从整个铡量系统来考虑,并且与温度的高低有关.热量从热源传到温度传感器要经过多个热阻与热容相串联的热惯性环节，而串联的多容对象会产生等效纯时滞。

随着温度的升高,辐射传热的比例增大，辐射具有穿透性，使传热路径缩短。

传热速度加快。

故纯滞后时间随温度升高而减小。

在炉子的整个温度范围内,对象的增益、容积滞后时间、纯滞后时间都是与工作温度有关的变参数。

从传热原理可知，这些参数也与负荷变化有关.在炉子设计的工作温区，在工作点附近的小范围内其动特性接近于线性，较容易控制，用常规的PID调节器也能控制得很好，但不能经受太大的扰动,也不能够大范围地跟踪变化较快的给定信号.对于常规仪表，大范围地改变温度要靠手动，仅当温度接近给定值时方可投入自动.

温度上升靠强迫加热，温度下降靠自然冷却，一般不用强迫散热。

这是绝大多数窑炉的共性。

从节能的观点看，要求所有的加热炉都应当尽可能地具有良好的保温特性而不是要求它的散热性能好:

从提高生产率出发，又希望升温时间尽量缩短，因而在设计炉体时所考虑的加热功率都有很大的余量。

由于炉体设计上的这些特点,造成炉子升、降温速度上的巨大差异，升温时响应快，而降温时响应慢。

从模型参数上看，在低温状态时，传递函数中的对象增益和容积滞后时间在升降温两个方向上差别很大，而在高温状态则很接近。

根据以上分析，可以认为加热炉是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。

在整个炉子的温区内，其动态参数随炉子的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉子的动态特性近似线性的。

上述分析说明，玻璃窑炉的动态特性比较复杂，用先进的控制策略来对窑炉进行控制显然是必要的。

2。

3隧窑系统的数学模型

2。

3.1熔化部温度的理论数学模型

浮法玻璃熔窑的燃烧正平衡热效率公式为：

（2）

:

表示平均热效率；

：

表示单位质量的玻璃液的理论耗热量；

：

表示单位时间里熔化玻璃液的质量;

：

表示单位时间内燃料的平均流量；

：

表示燃料的平均热值。

从正平衡热效率公式可见：

当分子分母都不变时,热效率也不变。

控制熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变时，需要的是一定的燃料流量，当燃料热值不变时，燃料的流量也是不变的；而当燃料热值变化时，所需燃料的流量应该相应的变化。

实际上，控制熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变时，最终需要的是一定的热量。

而这个热量应等于燃料热值与流量的乘积，或者说维持熔窑负荷、温度、压力在某一设定值不变，应有下式成立:

（3）

熔窑温度控制的过程是:

当燃料热值变低时,同样的燃料耗量，就会使温度下降，但预测控制器（或PID调节器）的控制是保持温度稳定，这时稳定温度的控制作用就会增加燃料流量，从而把降低的温度重新拉回到原来的设定值,然后稳定在一个较高燃料流量的新的稳定状态；反之，当燃料热值提高时,同样的给燃料流量就会使热量过剩,过剩的热量必然要使温度提高，预测控制（或PID调节器）的控制是保持温度稳定，这时稳定温度的控制作用就会减少燃料流量，从而把提高的温度重新拉回到原来的设定值，然后稳定在一个较低燃料流量的新的稳定状态。

根据以上分析可知，炉温问题是比较复杂的.对窑炉温度动态特性进行分段线性化,则在每个较小的温度区间,玻璃窑炉的燃料流量-—炉温系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即：

（4）

其中K0为过程的增益，

为过程纯纯滞后时间，T0为过程的等效容积滞后时间.在窑炉的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时问和纯滞后时间都是窑炉温度和负载的非线性函数。

K。

、

随窑炉温度升高而减小，瓦随窑炉温度升高而增大。

各测温点的温度主要受它附近烧嘴的控制。

一个烧嘴连同其相应的测温点可看成是一个单输入单输出子系统。

它们之间可近似看成是独立的相互之间的耦合及外界的影响枧为对子系统的扰动.

2.3.2冷却部温度的理论数学模型

在冷却部窑内的传热中（假设为加热），热源是火焰或高温气流，受热体式已具有一定温度的玻璃液。

传热过程如图所示。

玻璃液获取的能量Q为：

（5）

而Q辐比较复杂，为了使问题简化，我们规定和实际情况较为接近的假设条件，以便分析。

如：

火焰充满空间、而且温度各处均匀；窑内表面温度均匀等。

得到的玻璃液获取的净辐射热（

）为

（6）

式中:

--窑壁对玻璃液的角度系数,

=

;

—-玻璃液表面积；

——窑内表面积。

对于玻璃液本身来说，其导热系数很小,因此靠热传导方式把表层冷（热）量传到深层的数量不大。

而直接的热辐射只能透过很薄的一层玻璃液。

因此玻璃液本身的热辐射是通过薄薄一层一层玻璃液逐层的以辐射方式向上、想下传递的。

这种传热方式与玻璃也的吸热性关系极大.

2.4隧道窑温度控制系统的控制方案选择

窑炉温度控制是熔化池温度控制、冷却池温度控制和通道温度控制的统称，其控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。

对于熔化部温度控制来说，由于测温电偶与燃烧喷枪喷火口在同一截面上，测温点与燃烧火头的距离很近，因此通道燃料的改变能迅速引起测温点的温度变化,使得通道温度对象惯性较小,几乎没有滞后,用单回路控制系统即可。

由于在实际生产过程中需要加工不同规格的产品,此时相应的工艺要求也随之改变，因此需要在上位机不断更改温度的设定值.在这种情况下，以往的控制系统对设定值如此频繁变化的场合就显得调整周期过长，而且当设定值迅速变化时，在PID算式中会引起控制输出变量过大增长,对系统造成冲击，影响窑炉系统的动态品质。

由前面的分析可知，玻璃窑炉是一个变参数大滞后过程。

滞后过程的主要控制困难是不能及时得到控制作用的反馈信息。

因为当前施加的控制作用，需要经过一段滞后时间才会在输出中反映出来，等到控制效果能通过输出测量时，此时的控制作用强度往往已过了头;另一方面，当对象受到干扰而引起被调量改变时,由于滞后的存在使控制器产生的控制作用不能及时对于扰产生抑制作用。

如此，严重影响了控制系统的性能，使得控制系统的稳定性交差、超调量大、调节时间长。

纯滞后对象也因此而成为难控的对象.而且，纯