基于泛布爾代數(shù)的富氧陶瓷窯爐脈沖燃燒控制系統(tǒng)設計

摘要 本文針對富氧陶瓷窯爐連續(xù)燃燒系統(tǒng)的不足之處，提出了一種新的基于泛布爾邏輯代數(shù)的富氧陶瓷窯爐脈沖燃燒控制系統(tǒng)的設計。首先闡述了脈沖燃燒控制的實現(xiàn)方式，其次根據(jù)實驗和工程實踐的經驗，確定了泛布爾邏輯代數(shù)規(guī)則，最后對控制效果進行了分析。分析結果表明，采用基于泛布爾邏輯代數(shù)的脈沖燃燒控制系統(tǒng)，可以在改善系統(tǒng)性能的同時，使得溫度場的分布更為均勻，控制效果良好。

關鍵詞 泛布爾代數(shù)；脈沖燃燒；富氧陶瓷窯爐

中圖分類號 TP273 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-(2012)051-0088-02

富氧陶瓷窯爐采用高濃度氧作為助燃介質的陶瓷窯爐。國內的富氧陶瓷窯爐通常都采用連續(xù)燃燒技術，其燃燒器閥門的開度主要通過單點PID控制器進行控制。由于窯爐溫度是一個大慣性、純滯后的環(huán)節(jié)，加之燃料流量控制的非線性，采用連續(xù)燃燒技術的控制系統(tǒng)往往難以實現(xiàn)對溫度的精確控制。另外，連續(xù)燃燒技術難以實現(xiàn)窯內溫度場的均勻分布，容易產生局部熱點，會使得陶瓷成品出現(xiàn)缺陷。

本文針對連續(xù)燃燒技術的不足之處，給出了一種基于泛布爾代數(shù)的富氧陶瓷窯爐脈沖燃燒控制系統(tǒng)的設計，該系統(tǒng)采用新型的脈沖燃燒技術，并通過泛布爾邏輯代數(shù)控制脈沖占空比，以減小窯爐溫度的超調量，并改善窯內溫度場的分布。

1 脈沖燃燒技術的實現(xiàn)

圖1所示即為被控富氧陶瓷窯爐窯體上六個燒嘴的分布圖（虛線所示為背面的燒嘴）。

圖1 富氧陶瓷窯爐的燒嘴分布圖

這六個燒嘴從空間位置上被分為三組：燒嘴1和燒嘴6；燒嘴2和燒嘴5；燒嘴3和燒嘴4。工作的時候，每一組的兩個燒嘴輪流工作，以此來加劇窯內的熱氣流紊亂，進一步提高溫度的均勻性。各燒嘴工作的時序如圖2所示。

每一個燒嘴都由一個電動閥門和一個電磁閥控制，電動閥門用于控制燒嘴的燃燒功率，電磁閥用于控制燒嘴的通斷比。設

p（0≤p≤1）為燒嘴的燃燒功率，當p=1時，燃氣閥為滿開度，燒嘴的輸出功率達到最大；k（0≤k≤1）為電磁閥的通斷比，表示燒嘴在一個周期內的開通時間。

通常情況下，采用脈沖燃燒技術時，燒嘴的燃燒功率p往往為固定值，僅通過改變通斷比k來實現(xiàn)溫度的控制。這種方法只需要控制一個參數(shù)，控制簡單，但對燃燒功率p的選擇存在以下兩個問題：①若p值較小，則即便保持k≈1，窯爐的升溫段都會變得非常緩慢，不滿足系統(tǒng)快速性的要求。另外，過小的p值還可能會引起點火方面的問題。②若p值較大，則當窯爐進入恒溫控制階段時，由于此時的溫度誤差小，所以在較大的燃燒功率p的情況下（對不可調節(jié)的燒嘴相當于p≈1），k值將會變得非常小，加之PLC等設備的通信延時，將會很難對溫度實現(xiàn)精確控制。所以在此采用功率可調的燒嘴，在升溫段增大燃燒功率p以增加系統(tǒng)的快速性，在恒溫段適當降低p值，從而使得占空比k更容易實現(xiàn)，溫度控制的精確性更高。

對窯爐溫度的控制主要是恒溫段對通斷比k的控制，通斷比k的大小由泛布爾邏輯控制器來決定。

2 基于泛布爾邏輯的通斷比控制

控制系統(tǒng)的結構圖如圖3所示。其中，恒溫段泛布爾邏輯控制器的輸入變量為溫度誤差E和誤差變化率ED，邏輯控制器的輸出為燒嘴的通斷比k。根據(jù)溫度誤差E和誤差變化率ED的范圍，結合實驗和工程實踐的經驗，可得邏輯控制規(guī)則的符號表，如表1

所示。

根據(jù)表1可以得到邏輯控制規(guī)則如表2所示。

根據(jù)泛布爾邏輯代數(shù)的運算法則，可得到關于控制器的泛布爾邏輯代數(shù)算法如下：

（1）

考慮到了窯爐的降溫相對于升溫而言變化相對緩慢，所以在降溫時通斷比應盡量控制在較小的范圍，同時，k值不能太小，否則不宜精確控制，同時也可能造成點火困難；當升溫時，k值不能太大，因為當k≈1時，控制系統(tǒng)就相當于一個連續(xù)燃燒系統(tǒng)，無法實現(xiàn)脈沖燃燒的優(yōu)勢。

3 控制效果分析

控制算法是在上位機中實現(xiàn)的。通過采樣溫度值判斷系統(tǒng)所處的階段，然后執(zhí)行相應的控制算法。當系統(tǒng)進入恒溫段控制時，開始采用邏輯控制器，根據(jù)式（1）和表1所示的規(guī)則對窯爐的溫度進行控制。為了分析控制效果，將泛布爾邏輯控制器和單點PID控制進行比較，從最大超調溫度、燒結區(qū)最大溫差和燒結區(qū)溫差的平方和這三個方面來比較兩種控制效果的優(yōu)劣。

采用泛布爾邏輯控制器和采用單點PID控制時，其控制效果如表3所示。

從表中可以看出，相較于單點PID控制，采用泛布爾代數(shù)邏輯控制器后，富氧陶瓷窯爐的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能都有了較大的改善，溫度場的分布也更為均勻。

表3 控制效果比較

泛布爾邏輯控制PID控制

最大超調溫度5℃12℃

燒結區(qū)最大溫差2℃6℃

燒結區(qū)溫差平方和（2 min）110450

4 結束語

富氧陶瓷窯爐具有燃燒充分、火焰溫度高、升溫快等優(yōu)點，但也對控制系統(tǒng)提出了更高的要求。采用基于泛布爾代數(shù)的脈沖燃燒控制系統(tǒng)，可以在改善系統(tǒng)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能的同時，提高溫度場分布的均勻性，減少了陶瓷成品的次品率，提高了效率和

效益。

參考文獻

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作者簡介

郎建勛（1981—），男，助教，主要從事計算機過程控制研究。