铝用炭素焙烧炉温度控制器改进研究

2019-12-14陈先锋

中国金属通报 2019年11期

陈先锋

（中国铝业连城分公司，甘肃兰州 730335）

最近几年，金属铝被广泛应用在建筑装修、交通、航空航天等诸多领域。铝用工业作为国民经济的支柱型产业之一，金属铝成为其保证铝用工业稳定发展的关键原料之一。目前国内电用铝工业的技术设备正在慢慢追赶世界领先水平，然而与欧美资本主义国家相比，我国铝用工业的技艺水准与国际水准还是存在一定的差别，其主要表现在阳极毛耗较高。国内的阳极焙烧技术是在二十世纪八十年代末引进日本轻金属株式会社的焙烧技术基础上慢慢发展起来的。在这几十年的发展历程中，因为种种原因，我国各个生产企业以及科研单位只是在燃料筛选、火道隔板、耐火材料、装炉数量等方面作出稍微的改进，总体来说进步并不大，基本上还是停留在以往日式焙烧炉的技术水准上[2]。而国内的炭素厂又普遍存在损耗高、阳极块焙烧质量较差、生产效率低、温度控制能力比较弱等一系列缺点，尤其是在对温度的把控上。因此，本文对铝用炭素焙烧炉温度控制器进行改进优化，试图提高其温度控制力，提高燃烧率。

铝金属是重要的国防金属，被应用于国防、工业、生活等国计民生的方方面面，因此铝金属的开采和冶炼的价值地位超然，成为工业进步的支柱产业[1]。炭素焙烧炉作为铝加工产业链中的基础环节，起着提高制品导电、导热性能及强度的作用，是重要的热工设备。在焙烧炉生产工艺中，温度控制是既关键又困难的控制过程，其控制的准确性直接影响加工质量。在用的炭素焙烧炉温度控制器普遍存在自动化程度不高，温度控制准确率低的问题，不利于精益生产。基于此问题，研究一种改进的铝用炭素焙烧炉温度控制器。

1 铝用炭素焙烧炉温度控制器改进设计

铝用炭素焙烧炉工作环境恶劣，基于可靠性、精确性、兼容性以及成本控制等综合因素考虑，改进设计采用了比例积分微分控制（以下简称PID）技术体制。设计重点在于对焙烧炉温度的准确、稳定控制，保证炉体在正常状况下高效、节能工作。

1.1 PID参数的整定与设计

按照PID控制理论的相关方法，采取Ziegler-Nichols整定规则，同时通过MATLAB数学仿真计算，建构了用于Ziegler-Nichols整定规则[3]。计算P、PI、PID校正器参数的函数——

设计采用模糊控制，可以以较少的程序量和计算量实现较高的控制精度、鲁棒性及反应速度，适合温度控制器。

1.2 模糊规则设置中输入状态信号的选择

因此获得如数字式PID控制的增量公式④的单神经元自适应控制公式：

控制器需要一个精确的输出控制量而不是模糊值。在由模糊规则表得到的模糊集合中，通过模糊推理可得到模糊量，然后再转化为精确值，从而得到自整定PID控制系统的精确控制量。

1.3 输入量偏差P及偏差变化率PC的模糊化

温度控制器内所有参数的输入、输出必须是精确无误的，即精确量。模糊推理是专门针对控制器内的模糊量进行调整的，所以控制器必须率先对输入量进行一定的模糊化处理。在所设计的温度控制器内，采取Mamdnai控制法则，其中误差、误差波动以及控制量都取5个语言值：{NB、NM、NS、PS、MP}。此处偏差P代表预先设置的温度值减去实际测量温度的差。在模糊控制区域内，偏差P的基本值域范围采取(-50，50)，区分为10个级别，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，将模糊集P的5个语言值取为{NB，NM，NS，ZE，PS，}；偏差变化率Pc的基本值域范围采取（10,10），区分为10个级别，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，将模糊集PC的7个语言值取为{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，考虑对值域的参考程度、设备的分辨率、稳定性、控制灵敏度等因素，各个模糊子集需要以三角形隶属度升温曲线。