燃气工业窑炉炉内温度的智能控制方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 108895854 A(43)申请公布日 2018.11.27

(21)申请号 201810357508.5(22)申请日 2018.04.20

(71)申请人 杭州电子科技大学

地址 310018 浙江省杭州市下沙高教园区2

号大街(72)发明人 李强　严义　戴钧　

(74)专利代理机构 杭州君度专利代理事务所

(特殊普通合伙) 33240

代理人 朱月芬(51)Int.Cl.

F27D 19/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书4页 附图1页

(54)发明名称

燃气工业窑炉炉内温度的智能控制方法(57)摘要

本发明公开了一种燃气工业窑炉炉内温度的智能控制方法。本发明方法通过对电动比例阀进行闭环控制，实现窑炉炉内温度的精确控制。首先通过热电偶温度传感器将采集到的温度值转换为电流值，将电流值输入至窑炉控制器，控制器中的AD转换模块将电流模拟信号转换为数字信号，根据温度表中温度值与电流值的对应关系控制电动比例阀的开度；采用带死区的增量式PID控制模块，将窑炉温度预设值与当前温度采样值的偏差值最为PID控制的输入值，PWM的脉冲宽度作为PID控制的输出值；根据脉冲宽度值的正负控制电动比例阀开度的位置。本发明通过电动比例阀实现了窑炉温度的自动精确控制，减少了人为因素对产品质量的干扰，达到了智能化工业控制的效果。

CN 108895854 ACN 108895854 A

权　利　要　求　书

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1.燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法，其特征在于包括如下步骤：步骤(1)、在窑炉顶部安装热电偶温度传感器，将炉内温度的电流信号送至窑炉控制器；

步骤(2)、窑炉控制器将温度的电流信号转换为数字信号；之后查找温度分度表获取炉内实际的温度值，并将该值输出到增量式PID控制模块进行处理；

步骤(3)、采用增量式PID控制方法，将窑炉的预设温度与当前采集温度的差值e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增量Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

步骤(4)、计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

其中,u(k-1)为上次比例阀开度控制量；

窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大，增大电流输出至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越小，减小电流输出至电动比例阀使阀门开度缩减，减少燃气进气量。

2.根据权利要求1所述的燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法，其特征在于为了实现对燃气工业窑炉温度的精确控制，需要通过温度反馈值来控制比例阀的开度调整燃气的进气量来实现；对窑炉温度值设定两个参数：预设温度st与当前温度的采样值pt；在窑炉烧制过程需要调节温度时，通过st、pt可得知第k次采样时刻的输入偏差值为：

e(k)＝st-pt

将偏差值e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增量Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

再计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

其中,u(k-1)为上次比例阀开度控制量；

窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大，增大电流输出至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越小，减小电流输出至电动比例阀使阀门开度减小，减少燃气进气量。

3.根据权利要求1或2所述的燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法使用的窑炉控制系统，其特征在于包括：供应燃气(1)、前端压力传感器(2)、电动比例阀(3)、热电偶温度传感器(4)、窑炉控制器(5)、增量式PID控制模块(6)、温度分度表(7)、AD转换模块(8)、燃气管道(9)和梭式窑(10)，供应燃气(1)经前端压力传感器(2)、电动比例阀(3)，由燃气管道(9)

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传输至梭式窑(10)；

前端压力传感器，采集源头燃气压力值；反馈供应燃气(1)的压力值，燃气工业窑炉温度控制的前提是供应燃气(1)压力值大于窑炉烧制生产燃气压力最小值；

热电偶温度传感器(4)位于梭式窑(10)内，用于将采集燃气窑炉内温度，在窑炉烧制过程中，将采集的温度值转换为电流信号，输出给窑炉控制器；

电动比例阀(3)接收增量式PID控制模块(6)发出的指令，并作出相应的动作响应，从而控制燃气的进气量，从而达到对燃气工业窑炉生产烧制过程中温度的智能、精确控制；

窑炉控制器，包括窑炉的增量式PID控制模块、AD转换模块和温度分度表；AD转换模块，将热电偶温度传感器输入的模拟信号转换为数字信号；温度分度表，用于建立AD转换数字值与炉内温度值的比例关系；

增量式PID控制模块(6)接收经AD转换模块(8)处理的热电偶温度传感器(4)采集的温度反馈值并与预设温度值的偏差，然后根据偏差量进行PID处理，输出相应指令使电动比例阀(3)进行调整,PID控制方法为：

Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…。

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燃气工业窑炉炉内温度的智能控制方法

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技术领域

[0001]本发明属于控制技术领域，涉及一种窑炉炉内温度的智能控制技术，特 别是将这种温度控制方法应用于工业中使用燃气的、以梭式窑为代表的间歇 式窑炉，以达到智能控制其炉内温度的效果。

背景技术

[0002]燃气工业窑炉是一种在工业生产过程中使用燃气作为加热物料，以完成 物理变化和化学变化的热工设备。[0003]目前，普遍使用的燃气工业窑炉可分为以梭式窑为代表的间歇式窑炉和 以隧道窑和辊道窑为代表的连续式窑炉。隧道窑和辊道窑的操作具有连续性， 其生产产量大、成品多，但是隧道窑和辊道窑建造价成本高。梭式窑可以间 歇性进行烧窑生产，一窑一烧成，其特点是灵活性强，可根据不同的产品， 选择不同的烧制过程，一个窑炉可以烧制多种产品，因此梭式窑炉在窑炉烧 制行业生产中具有很强的适应性，然而梭式窑在窑炉温度控制方面却比较复 杂。窑炉内部空间环境有着复杂的变化，每次烧制都是整个窑炉经历一次升 温、保温、降温的过程，这增加了梭式窑温度控制的难度。在窑炉温度控制 方面，很多中小型企业仍然还处在操作简单的仪表和手工的阶段，缺乏科学 性，影响产品质量的稳定性。发明内容

[0004]本发明的目的在于针对目前燃气工业窑炉温度控制较少实现智能控制的 现状，提供一种燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法；

[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：[0006]步骤(1)、在窑炉顶部安装热电偶温度传感器，将炉内温度的电 流信号送至窑炉控制器；

[0007]步骤(2)、窑炉控制器将温度的电流信号转换为数字信号；之后 查找温度分度表获取炉内实际的温度值，并将该值输出到增量式PID 控制模块进行处理；[0008]步骤(3)、采用增量式PID控制方法，将窑炉的预设温度与当前 采集温度的差值e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增 量Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

[0009]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0010]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；[0011]步骤(4)、计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：[0012]u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

[0013]其中,u(k-1)为上次比例阀开度控制量；

[0014]窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大， 增大电流输出

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至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越 小，减小电流输出至电动比例阀使阀门开度缩减，减少燃气进气量。

[0015]为了实现对燃气工业窑炉温度的精确控制，需要通过温度反馈值 来控制比例阀的开度调整燃气的进气量来实现；对窑炉温度值设定两 个参数：预设温度st与当前温度的采样值pt；在窑炉烧制过程需要调 节温度时，通过st、pt可得知第k次采样时刻的输入偏差值为：

[0016]e(k)＝st-pt

[0017]将偏差值e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增量 Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

[0018]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0019]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

[0020]再计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：[0021]u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

[0022]其中,u(k-1)为上次比例阀开度控制量；

[0023]窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大， 增大电流输出至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越 小，减小电流输出至电动比例阀使阀门开度减小，减少燃气进气量。

[0024]燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法使用的窑炉控制系统，包 括：供应燃气(1)、前端压力传感器(2)、电动比例阀(3)、热电 偶温度传感器(4)、窑炉控制器(5)、增量式PID控制模块(6)、 温度分度表(7)、AD转换模块(8)、燃气管道(9)和梭式窑(10)， 供应燃气(1)经前端压力传感器(2)、电动比例阀(3)，由燃气管 道(9)传输至梭式窑(10)；[0025]前端压力传感器，采集源头燃气压力值；反馈供应燃气(1)的压 力值，燃气工业窑炉温度控制的前提是供应燃气(1)压力值大于窑炉 烧制生产燃气压力最小值；[0026]热电偶温度传感器(4)位于梭式窑(10)内，用于将采集燃气窑 炉内温度，在窑炉烧制过程中，将采集的温度值转换为电流信号，输 出给窑炉控制器；[0027]电动比例阀(3)接收增量式PID控制模块(6)发出的指令，并 作出相应的动作响应，从而控制燃气的进气量，从而达到对燃气工业 窑炉生产烧制过程中温度的智能、精确控制；

[0028]窑炉控制器，包括窑炉的增量式PID控制模块、AD转换模块和温 度分度表；[0029]AD转换模块，将热电偶温度传感器输入的模拟信号转换为数字信 号；[0030]温度分度表，用于建立AD转换数字值与炉内温度值的比例关系；[0031]增量式PID控制模块(6)接收经AD转换模块(8)处理的热电偶 温度传感器(4)采集的温度反馈值并与预设温度值的偏差，然后根据 偏差量进行PID处理，输出相应指令使电动比例阀(3)进行调整,PID 控制方法为：

[0032]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0033]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微

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分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…。[0034]本发明的有益效果是：

[0035]热电偶温度传感器可对窑炉温度值进行采集并输出电流信号至窑炉控制 器MCU，在MCU中经AD转换模块和温度分度表查询，通过增量式PID模块对 处理后的热电偶温度传感器输入的温度反馈值与预设温度值的偏差处理，控 制电动比例阀进行闭环控制，调节窑炉温度，从而实现对窑炉温度的自动精 确控制，减少了人为因素对产品质量的干扰，达到了智能化工业控制的效果。

附图说明

[0036]图1是燃气工业窑炉控制系统结构图；

具体实施方式

[0037]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。[0038]如图1所示，燃气工业窑炉控制系统，包括：供应燃气1、前端压力传感 器2、电动比例阀3、热电偶温度传感器4、窑炉控制器(MCU)5、增量式PID 控制模块6、温度分度表7、AD转换模块8、燃气管道9和梭式窑10，供应燃 气1经前端压力传感器2、电动比例阀3，由燃气管道9传输至梭式窑10。

[0039]前端压力传感器，采集源头燃气压力值；反馈供应燃气1的压力值，燃 气工业窑炉温度控制的前提是供应燃气1压力值大于窑炉烧制生产燃气压力 最小值。[0040]热电偶温度传感器4位于梭式窑10内，用于将采集燃气窑炉内温度，在 窑炉烧制过程中，将采集的温度值转换为电流信号，输出给窑炉控制器。[0041]电动比例阀3接收增量式PID控制模块6发出的指令，并作出相应的动 作响应，从而控制燃气的进气量，从而达到对燃气工业窑炉生产烧制过程中 温度的智能、精确控制。[0042]窑炉控制器(MCU)，包括窑炉的增量式PID控制模块、AD转换模块和温 度分度表；[0043]AD转换模块，将热电偶温度传感器输入的模拟信号转换为数字信号；[0044]温度分度表，用于建立AD转换数字值与炉内温度值的比例关系；[0045]增量式PID控制模块6接收经AD转换模块8处理的热电偶温度传感器4 采集的温度反馈值并与预设温度值的偏差，然后根据偏差量进行PID处理， 输出相应指令使电动比例阀3进行调整,PID控制方法为：

[0046]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0047]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

[0048]燃气工业窑炉炉内温度智能控制的方法，具体实现包括如下步骤：[0049]步骤(1)、在窑炉顶部安装热电偶温度传感器，将炉内温度的电 流信号送至窑炉控制器；

[0050]步骤(2)、窑炉控制器将温度的电流信号转换为数字信号；之后 查找温度分度表获取炉内的温度值，并将该值输出到增量式PID控制模 块进行处理；[0051]步骤(3)、采用增量式PID控制方法，将窑炉的预设温度与当前 采集温度的偏差值

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e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增 量Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

[0052]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0053]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；[0054]步骤(4)、计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：[0055]u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

[0056]其中,u(k-1)为上次比例阀开度控制量；

[0057]窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大，增大电 流输出至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越小，减小电流 输出至电动比例阀使阀门开度缩减，减少燃气进气量；

[0058]为了实现对燃气工业窑炉温度的精确控制，需要通过温度反馈值 来控制比例阀的开度调整燃气的进气量来实现；对窑炉温度值设定两 个参数：预设温度st与当前温度的采样值pt；在窑炉烧制过程需要调 节温度时，通过st、pt可得知第k次采样时刻的输入偏差值为：

[0059]e(k)＝st-pt

[0060]将偏差值e(k)作为PID控制的输入值，比例阀开度控制量的增量 Δu(k)作为PID控制的输出值；PID控制方法为：

[0061]Δu(k)＝KpΔe(k)+Kie(k)+Kd[Δe(k)-Δe(k-1)][0062]其中，Δu(k)为比例阀开度控制量的增量，e(k)为预设窑炉温度值 与实际温度值的差值，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)为温度差值的增量，Kp为比 例系数、Ki为积分系数、Kd为微分系数，k为采样序号，k＝1,2,3…；

[0063]再计算当前的比例阀开度控制量u(k)，计算方法为：[0064]u(k)＝u(k-1)+Δu(k)

[0065]其中,u(k-1)值为上次比例阀开度控制量；

[0066]窑炉控制器根据u(k)值的大小控制电动比例阀的开度：u(k)越大，增大电 流输出至电动比例阀使阀门开度增大，增加燃气进气量；u(k)越小，减小电流 输出至电动比例阀使阀门开度减小，减少燃气进气量。

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说　明　书　附　图

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图1

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