鋁用炭素焙燒爐溫度控制器改進(jìn)研究

陳先鋒

（中國(guó)鋁業(yè)連城分公司，甘肅 蘭州 730335）

最近幾年，金屬鋁被廣泛應(yīng)用在建筑裝修、交通、航空航天等諸多領(lǐng)域。鋁用工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)之一，金屬鋁成為其保證鋁用工業(yè)穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵原料之一。目前國(guó)內(nèi)電用鋁工業(yè)的技術(shù)設(shè)備正在慢慢追趕世界領(lǐng)先水平，然而與歐美資本主義國(guó)家相比，我國(guó)鋁用工業(yè)的技藝水準(zhǔn)與國(guó)際水準(zhǔn)還是存在一定的差別，其主要表現(xiàn)在陽極毛耗較高。國(guó)內(nèi)的陽極焙燒技術(shù)是在二十世紀(jì)八十年代末引進(jìn)日本輕金屬株式會(huì)社的焙燒技術(shù)基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展起來的。在這幾十年的發(fā)展歷程中，因?yàn)榉N種原因，我國(guó)各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)以及科研單位只是在燃料篩選、火道隔板、耐火材料、裝爐數(shù)量等方面作出稍微的改進(jìn)，總體來說進(jìn)步并不大，基本上還是停留在以往日式焙燒爐的技術(shù)水準(zhǔn)上[2]。而國(guó)內(nèi)的炭素廠又普遍存在損耗高、陽極塊焙燒質(zhì)量較差、生產(chǎn)效率低、溫度控制能力比較弱等一系列缺點(diǎn)，尤其是在對(duì)溫度的把控上。因此，本文對(duì)鋁用炭素焙燒爐溫度控制器進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，試圖提高其溫度控制力，提高燃燒率。

鋁金屬是重要的國(guó)防金屬，被應(yīng)用于國(guó)防、工業(yè)、生活等國(guó)計(jì)民生的方方面面，因此鋁金屬的開采和冶煉的價(jià)值地位超然，成為工業(yè)進(jìn)步的支柱產(chǎn)業(yè)[1]。炭素焙燒爐作為鋁加工產(chǎn)業(yè)鏈中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，起著提高制品導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能及強(qiáng)度的作用，是重要的熱工設(shè)備。在焙燒爐生產(chǎn)工藝中，溫度控制是既關(guān)鍵又困難的控制過程，其控制的準(zhǔn)確性直接影響加工質(zhì)量。在用的炭素焙燒爐溫度控制器普遍存在自動(dòng)化程度不高，溫度控制準(zhǔn)確率低的問題，不利于精益生產(chǎn)。基于此問題，研究一種改進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)

鋁用炭素焙燒爐工作環(huán)境惡劣，基于可靠性、精確性、兼容性以及成本控制等綜合因素考慮，改進(jìn)設(shè)計(jì)采用了比例積分微分控制（以下簡(jiǎn)稱PID）技術(shù)體制。設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于對(duì)焙燒爐溫度的準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制，保證爐體在正常狀況下高效、節(jié)能工作。

1.1 PID參數(shù)的整定與設(shè)計(jì)

按照PID控制理論的相關(guān)方法，采取Ziegler-Nichols整定規(guī)則，同時(shí)通過MATLAB數(shù)學(xué)仿真計(jì)算，建構(gòu)了用于Ziegler-Nichols整定規(guī)則[3]。計(jì)算P、PI、PID校正器參數(shù)的函數(shù)——

設(shè)計(jì)采用模糊控制，可以以較少的程序量和計(jì)算量實(shí)現(xiàn)較高的控制精度、魯棒性及反應(yīng)速度，適合溫度控制器。

1.2 模糊規(guī)則設(shè)置中輸入狀態(tài)信號(hào)的選擇

因此獲得如數(shù)字式PID控制的增量公式④的單神經(jīng)元自適應(yīng)控制公式：

控制器需要一個(gè)精確的輸出控制量而不是模糊值。在由模糊規(guī)則表得到的模糊集合中，通過模糊推理可得到模糊量，然后再轉(zhuǎn)化為精確值，從而得到自整定PID控制系統(tǒng)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(nèi)所有參數(shù)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(duì)控制器內(nèi)的模糊量進(jìn)行調(diào)整的，所以控制器必須率先對(duì)輸入量進(jìn)行一定的模糊化處理。在所設(shè)計(jì)的溫度控制器內(nèi)，采取Mamdnai控制法則，其中誤差、誤差波動(dòng)以及控制量都取5個(gè)語言值：{NB、NM、NS、PS、MP}。此處偏差P代表預(yù)先設(shè)置的溫度值減去實(shí)際測(cè)量溫度的差。在模糊控制區(qū)域內(nèi)，偏差P的基本值域范圍采取(-50，50)，區(qū)分為10個(gè)級(jí)別，即P={-6，-5，-4，-3，-2，-1，1，2，3，4}，那么偏差P的量化因子ke=7/48=0.15，將模糊集P的5個(gè)語言值取為{NB，NM，NS，ZE，PS，}；偏差變化率Pc的基本值域范圍采取（10,10），區(qū)分為10個(gè)級(jí)別，即PC={-6，-5，-4，-3，-2，-1，l，2，3，4}，那么偏差p的量化因子ke=3/10=0.3，將模糊集PC的7個(gè)語言值取為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，考慮對(duì)值域的參考程度、設(shè)備的分辨率、穩(wěn)定性、控制靈敏度等因素，各個(gè)模糊子集需要以三角形隸屬度升溫曲線。

1.4 改進(jìn)焙燒升溫曲線控制方式

控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)焙燒曲線的影響比較大，優(yōu)化設(shè)計(jì)后采用開放式環(huán)式焙燒爐溫度控制器，其結(jié)構(gòu)為寬料箱、窄火道、“V”型爐墻氣流分布，使用的耐火材料強(qiáng)度比較高、導(dǎo)熱性優(yōu)良、堅(jiān)韌度比較高，能夠使火道上下與外部環(huán)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(shè)計(jì)的質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)與效果分析

為了更加清楚、具體的看出本文設(shè)計(jì)的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器的實(shí)際應(yīng)用效果，特與傳統(tǒng)鋁用炭素焙燒爐溫度控制器進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其控制能力的大小進(jìn)行比較。

（1）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備。為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，將兩種鋁用炭素焙燒爐溫度控制器置于相同的試驗(yàn)環(huán)境之中，對(duì)比驗(yàn)證控制能力。實(shí)驗(yàn)流程設(shè)定為：分別采用兩種溫度控制器對(duì)焙燒爐溫度予以控制，在工作時(shí)間段內(nèi)每分鐘采集爐溫實(shí)際數(shù)據(jù)與控制器輸出數(shù)據(jù)，對(duì)比溫度采集的精確性和控制的準(zhǔn)確性。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)過程中，通過兩種不同的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器設(shè)計(jì)同時(shí)在相同環(huán)境中進(jìn)行工作，分析其控制率的變化。實(shí)驗(yàn)對(duì)比效果圖如下圖所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可以明顯看到，在溫度控制方面本文設(shè)計(jì)的鋁用炭素焙燒爐溫度控制器在功能發(fā)揮上要比傳統(tǒng)溫度器要穩(wěn)定很多，與實(shí)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(jié)語

本文對(duì)鋁用炭素焙燒爐溫度控制器的改進(jìn)方法進(jìn)行分析，根據(jù)炭素焙燒爐在溫度把控上的技術(shù)難題及其分析，以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)論證表明，本文設(shè)計(jì)的方法具備極高的有效性。希望本文的研究能夠?yàn)殇X用炭素焙燒爐溫度控制器的改進(jìn)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。