CN109976405A

CN109976405A - 一种陶瓷窑炉温度复合控制方法、设备及***

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Publication number: CN109976405A
Application number: CN201910185394.5A
Authority: CN
Inventors: 刘美俊
Original assignee: Xiamen University of Technology
Current assignee: Xiamen University of Technology
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-12
Publication date: 2019-07-05

Abstract

本发明实施例提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制方法、设备及***，该方法包括：获取陶瓷窑炉的温度偏差；判断温度偏差的大小；当温度偏差大于预设的阈值时，根据预先建立的模糊控制方法对陶瓷窑炉的温度进行控制，以减少大偏差的出现；当温度偏差不大于预设的阈值时，根据预先建立的PID控制方法对陶瓷窑炉的温度进行控制，以消除稳态误差。本发明将传统的PID控制与模糊控制方法相结合，综合了两种控制方式的优点，对于大迟滞、强耦合等非线性***有很好的适应性，在陶瓷工业的生产过程中，提高了窑炉的运行稳定性和可靠性。

Description

一种陶瓷窑炉温度复合控制方法、设备及***

技术领域

本发明涉及温度控制技术领域，具体而言，涉及一种陶瓷窑炉温度复合控制方法、设备及***。

背景技术

窑炉是建筑陶瓷生产的重要设备，它以辊子作为运载工具，可对坯体进行连续不间断的烧制。生产时坯体放在辊道上，随着辊子转动，坯体依次经过预热带预热、烧成带高温烧制和冷却带降温而烧成。陶瓷窑炉温度控制***是一个非线性、大耦合的纯滞后***，提高陶瓷窑炉的温度控制水平是当今工业控制技术的主要研究方向之一。目前控制方法多用串级控制，但随着现代社会对陶瓷瓷片品质要求的提高、控制对象复杂程度的增加，单纯的串级控制缺陷逐渐暴露出来，对于模型复杂、滞后大以及大耦合、扰动多的陶瓷窑路温度控制***，其控制效果并不理想。这些都导致其数学模型难以建立，控制过程复杂化，实际生产时对其控制精度都比较差。

一般陶瓷窑炉的工业控制中，大都采用传统的PID控制，单一PID控制器在过程控制中得到了广泛的应用，但是参数整定后就不再变化，特别是控制仪表靠人工经验来设定PID控制参数，设定好后如要修改，需重新设定，且不具备P、I、D三个参数自整定功能，使得PID在控制过程中控制策略较为单一，难以满足建筑陶瓷窑炉烧成的温度控制要求。这种控制方法只是对参数的影响做出一些计算，对于***模型的时变性只能近似的估算。控制过程太过简单，并且控制精度不高。单一的PID控制策略对滞后较大的窑炉控制效果并不好，同时由于窑炉温度多变量间存在耦合关系，难以得到精确的数学模型，当采用Smith预估控制时，当被控对象模型建立不准确时会导致温度控制效果显著变坏。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种陶瓷窑炉温度复合控制方法、设备及***，以改善现有技术中的控制模型不够精确，控制过程较为单一的问题。

本发明较佳实施例提供了一种陶瓷窑炉温度一种陶瓷窑炉温度复合控制方法，包括以下步骤:

获取陶瓷窑炉的温度偏差；

判断所述温度偏差的大小；

当所述温度偏差大于预设的阈值时，根据预先建立的模糊控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以减少大偏差的出现；

当所述温度偏差不大于预设的阈值时，根据预先建立的PID控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以消除稳态误差。

优选的，所述模糊控制方法的建立过程如下：

获取陶瓷窑炉的温度偏差e和温度偏差变化量e_c，并分别转化为模糊量化值E和EC，将输出量转化为输出量化值U；

建立模糊控制查询表，以根据所述模糊量化值E和EC和模糊控制查询表得到输出量化值U，则控制器的输出值为u表示为：

u＝U×K_u

式中，U为输出量化值，K_u为输出比例系数，取K_u＝60。

优选的，所述获取陶瓷窑炉的温度偏差e和温度偏差变化量e_c，并分别转化为模糊量化值E和EC，将输出量转化为输出量化值U具体包括:

分别设定所述温度偏差e和温度偏差变化量e_c的连续论域和离散论域；

引入误差量化因子K_e、误差变化率因子K_ec，以将所述温度偏差e、所述温度偏差变化率e_c量化为离散量，分别得出语言变量E、EC：

E＝e×K_e；

EC＝e_c×K_ec；

其中，温度偏差e的连续论域设定为[-60，60]，离散论域为[-6，+6]；温度偏差变化量的连续论域确定为[-50，50]，离散论域为[-6，+6]；取K_e＝0.1；K_ec＝0.12；

将所述语言变量E、语言变量EC以及输出量化值U分别划分为13档，其模糊子集如下：

E＝EC＝{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}

U＝{-3、-2.5、-2、-1.5、-1、-0.5、0、0.5、1、1.5、2、2.5、3}

将所述13档所述语言变量E、语言变量EC进行排列组合，得到169条模糊规则，并与所述输出量化值U建立一一对应关系，得到模糊控制查询表，以将所述语言变量E、语言变量EC输入所述模糊控制查询表，得到输出量化值U。

优选的，所述PID控制方法的算法表达式如下:

式中：P(t)为调节器输出信号；e(t)为调节器偏差信号；K_P为调节器比例调节系数；T_i为调节器积分时间系数；T_D为调节器微分时间系数。

优选的，还包括对所述PID算法表达式进行离散化：

则PID的离散化算法表达式为：

则PID的增量式控制算式为：

ΔP(k)＝K_P[E(k)-E(k-1)]+K_iE(k)+K_D[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]

其中，K_p＝0.1；K_i＝0.0005；K_d＝0.001。

优选的，

所述阈值等于误差σ的110％。

本发明实施例还提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的陶瓷窑炉温度复合控制方法。

本发明实施例还提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制***，包括：

温度偏差获取模块：用于获取陶瓷窑炉的温度偏差；

温度偏差判断模块，用于判断所述温度偏差的大小；

模糊控制器，用于当所述温度偏差大于预设的阈值时，根据预先建立的模糊控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以减少大偏差的出现；

PID控制器，用于当所述温度偏差不大于预设的阈值时，根据预先建立的PID控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以消除稳态误差。

在本发明的控制方法中，将传统的PID控制与模糊控制方法相结合得到复合控制方法，通过判断温度偏差与预设阈值的相对大小，选用不同的控制方式，其中模糊控制可以快速减少大偏差出现，而PID控制在稳态调节中有很好的作用。该复合控制方法综合了两种控制方式的优点，对于大迟滞、强耦合等非线性***有很好的适应性，避免了单独PID控制方法难以适应的问题。对陶瓷窑炉温度进行智能控制，在陶瓷工业的生产过程中，提高了窑炉的运行稳定性和可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的陶瓷窑炉温度复合控制方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例提供的陶瓷窑炉结构示意图；

图3为本发明第一实施例提供的复合控制***的框图；

图4为本发明第一实施例提供的PID控制和复合控制的窑炉温度曲线图；

图5为本发明第三实施例提供的陶瓷窑炉温度复合控制***的结构示意图。

图标：301-温度偏差获取模块；302-温度偏差判断模块；303-模糊控制器；304-PID控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参考图1所示，本发明第一实施例提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制方法，包括以下步骤:

S101，获取陶瓷窑炉的温度偏差；

S102，判断所述温度偏差的大小；

如图2所示，窑炉是建筑陶瓷生产的重要设备，它以辊子作为运载工具，可对坯体进行连续不间断的烧制。生产时坯体放在辊道上，随着辊子转动，坯体依次经过预热带预热、烧成带高温烧制和冷却带降温而烧成。陶瓷窑炉窑体构造复杂，可以分为窑体、排烟***、燃烧***、冷却***等。窑炉烧结温度的控制，对于制品(陶瓷瓷片)中晶粒的大小、液相的组成和数量以及气孔的形状和多少有着直接的影响，从而影响到产品的最终性能。

在本实施例中，以所获温度偏差的大小作为控制方法选择的依据，所述温度偏差是输入给定与实际检测所得输出值的差。在陶瓷工业的生产过程中，通过获取所述温度偏差，可以根据所述温度偏差的大小智能控制和调节温度。

S103，当所述温度偏差大于预设的阈值时，根据预先建立的模糊控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以减少大偏差的出现。

模糊控制方法是实现窑炉温度自动控制的一项新技术，不必建立精确的数学模型，仅通过将窑炉操作工人的生产经验，将其总结成相应的控制规则，通过这些控制规则来实现对被控对象的控制。这些控制规则称为模糊控制规则，经过必要的数学处理，使得输出与输入存在映射关系，并将离散后的模糊控制表存放在控制器中，实现对陶瓷窑炉温度的控制。

S104，当所述温度偏差不大于预设的阈值时，根据预先建立的PID控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以消除稳态误差。

对于陶瓷窑炉温度控制***，如果采用单一模糊控制，在偏差较大时，能迅速减小温度偏差，有极好的控制性；但无法在窑炉温度控制***存在扰动的情况下，解决调节终了时的***稳态偏差。因此，本申请提出复合控制技术，当温度偏差较大时，采用模糊控制，充分利用模糊控制的比例控制作用，消除误差；当温度误差较小时，温度控制***切换为PID控制，用于消除稳态误差。采用复合控制策略，在稳态精度上优于模糊控制，在动态性能强于PID控制。

在本发明第一实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述模糊控制方法的建立过程如下：

S1、获取陶瓷窑炉的温度偏差e和温度偏差变化量e_c，并分别转化为模糊量化值E和EC，将输出量转化为输出量化值U，具体包括以下步骤:

E＝e×K_e； (1)

EC＝e_c×K_ec； (2)

式(1)和(2)实现了实际的连续论域和离散论域之间的转化，考虑到窑炉处于扰动下的温度偏差和温度偏差变化率以及被控变量的最大输出等因素，将温度偏差e的连续论域设定为[-60，60]，离散论域为[-6，+6]；温度偏差变化量的连续论域确定为[-50，50]，离散论域为[-6，+6]；取K_e＝0.1；K_ec＝0.12。

将所述语言变量E、语言变量EC以及输出量化值U分别划分为13档，选取13个语言值表示：-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6；将输出量化值U也分为13档，选取13个语言变量-3、-2.5、-2、-1.5、-1、-0.5、0、0.5、1、1.5、2、2.5、3。他们的模糊子集如下：

E＝EC＝{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}

U＝{-3、-2.5、-2、-1.5、-1、-0.5、0、0.5、1、1.5、2、2.5、3}

将所述13档所述语言变量E、语言变量EC进行排列组合，得到169条模糊规则，并与所述输出量化值U建立一一对应关系。在模糊控制***在线运行时，考虑到处理器的处理能力和实时性，模糊控制器通常以控制查询表的形式出现，因此建立得到模糊控制查询表如下表1所示。

表1模糊控制查询表

S2、建立模糊控制查询表，以根据所述模糊量化值E和EC和模糊控制查询表得到输出量化值U，则控制器的输出值为u表示为：

u＝U×K_u (3)

式中，U为输出量化值，K_u为输出比例系数，取K_u＝60。

在本发明第一实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述PID控制方法的算法表达式如下:

在本发明第一实施例的基础上，在一个优选的实施例中，由于***是根据给定值与采用反馈值的差来计算PID控制器的输出量，因此还包括对所述PID算法表达式进行离散化，即微分项用增量形式表示，积分项用求和形式表示：

则根据以上(5)、(6)式得到PID的离散化算法表达式为：

则PID的增量式控制算式为：

ΔP(k)＝K_P[E(k)-E(k-1)]+K_iE(k)+K_D[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)] (8)

其中，K_p＝0.1；K_i＝0.0005；K_d＝0.001。

式(8)中，K_p用于减少误差，积分系数K_i用于消除稳态误差，微分系数K_D用于反映误差变化的趋势，加快***的调节速度，减小调节时间，使***响应加快。

在本发明第一实施例的基础上，在一个优选的实施例中，

所述阈值等于误差σ的110％。

如图3所示，在实际应用中，将误差σ输入模糊控制器303，取误差σ的110％作为阈值，当温度偏差e大于误差σ的110％时，采用模糊控制方法；当温度偏差小于误差σ的110％时，采用PID控制方法。从而将模糊控制可快速调节的功能和PID控制可消除稳态误差的优点结合起来，提高控制精度。

可选的，参考图4所示，从该温度控制曲线图中可以看出，只采用PID控制时，由于考虑到控制***对超调量比较高的因素，在参数整定时，要适度修改PID参数，避免***出现较大超调，而在这种情况***的调节时间变长。而使用复合控制时，当温度偏差较大时，采用模糊控制，充分利用模糊控制的比例控制作用，响应速度较快。在小偏差时，温度控制切换为PID控制，可以有效消除稳态误差，使***超调量控制在10％以内。这种复合控制非常适合窑炉***。这种控制方法提高了***的控制精度和鲁棒性，提高了控制响应速度。可以很好解决窑炉烧制过程中的控制精度问题。在生产的过程中，可以很大程度的减轻劳动量，同时提高生产效率和产品质量，也符合节能、低耗的发展趋势。

综上，本发明将传统的PID控制与模糊控制方法相结合得到复合控制方法，通过判断温度偏差与预设阈值的相对大小，选用不同的控制方式。当辊道窑温度控制***在大偏差范围时，采用模糊控制，加强比例的控制作用；当温度偏差在小偏差范围内时，PID控制在稳态调节中有很好的作用。该复合控制方法综合了两种控制方式的优点，对于大迟滞、强耦合等非线性***有很好的适应性，避免了单独PID控制方法难以适应的问题。在陶瓷工业的生产过程中，解决模型难以建立和控制***难以解耦的问题，提高了控制效果。

本发明第二实施例提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现前述的陶瓷窑炉温度复合控制方法。

如图5所述，本发明第三实施例提供了一种陶瓷窑炉温度复合控制***，包括：

温度偏差获取模块301：用于获取陶瓷窑炉的温度偏差；

温度偏差判断模块302，用于判断所述温度偏差的大小；

模糊控制器303，用于当所述温度偏差大于预设的阈值时，根据预先建立的模糊控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以减少大偏差的出现；

PID控制器304，用于当所述温度偏差不大于预设的阈值时，根据预先建立的PID控制方法对所述陶瓷窑炉的温度进行控制，以消除稳态误差。

可以理解，本发明第二实施例提供的电子设备可以为服务器、计算机等具备数据处理能力的设备。该电子设备还可包括更多或者更少的组件，或者具有不同的配置，各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。

所述存储器、处理器相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器中存储有监测装置，所述监测装置包括至少一个可以软件或固件(firmware)的形式存储于所述存储器中的软件功能模块，所述处理器通过运行存储在存储器内的软件程序以及模块，如本发明实施例中的陶瓷窑炉温度复合控制***，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现本发明实施例中的监测方法。

其中，所述存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序。

所述处理器可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等。还可以是数字信号处理器(DSP))、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，包括以下步骤:

获取陶瓷窑炉的温度偏差；

判断所述温度偏差的大小；

2.根据权利要求1所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，所述模糊控制方法的建立过程如下：

u＝U×K_u

式中，U为输出量化值，K_u为输出比例系数，取K_u＝60。

3.根据权利要求2所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，所述获取陶瓷窑炉的温度偏差e和温度偏差变化量e_c，并分别转化为模糊量化值E和EC，将输出量转化为输出量化值U具体包括:

E＝e×K_e；

EC＝e_c×K_ec；

E＝EC＝{-6、-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6}

U＝{-3、-2.5、-2、-1.5、-1、-0.5、0、0.5、1、1.5、2、2.5、3}

4.根据权利要求1所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，所述PID控制方法的算法表达式如下:

5.根据权利要求4所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，还包括对所述PID算法表达式进行离散化：

则PID的离散化算法表达式为：

则PID的增量式控制算式为：

ΔP(k)＝K_P[E(k)-E(k-1)]+K_iE(k)+K_D[E(k)-2E(k-1)+E(k-2)]

其中，K_p＝0.1；K_i＝0.0005；K_d＝0.001。

6.根据权利要求1所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法，其特征在于，

所述阈值等于误差σ的110％。

7.一种陶瓷窑炉温度复合控制设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6任一项所述的陶瓷窑炉温度复合控制方法。

8.一种陶瓷窑炉温度复合控制***，其特征在于，包括：

温度偏差获取模块：用于获取陶瓷窑炉的温度偏差；

温度偏差判断模块，用于判断所述温度偏差的大小；