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阳极焙烧炉温智能控制器的设计与研究

作者简介：李娟（1978-），女，陕西户县人，讲师，硕士，主要从事电厂热

工仪表检修、热工自动控制及集散控制方面的研究。

（1.西安电力高等专科学校，陕西西安710032；2.中国煤炭科工集团太原

研究院，山西太原030006；

3.陕西科技大学，陕西西安710021）

阳极焙烧工艺中，阳极炭块的质量由升温曲线的精度等因素直接影响合理的

升温曲线是保证阳极碳块的质量的关键，提出阳极焙烧炉炉温控制的数学模型，

并在此基础上研究了基于单神经元PID自适应控制器的设计，并通过仿真验证

了该算法的可靠性。

标签：单神经元自适应；PID；阳极焙烧；炉温控制；仿真

0引言

电解铝工业在我国国民经济中发挥着及其重要的作用，我国从上世80年代

开始对电解铝行业提出优先发展的政策方针，对该行业投入了大量的人力，物力

等各种资源，因此我国的电解铝工业得到了极大的发展，目前全国的铝行业到处

可见，可见我国对铝行业发展的信心与决心。

在電解铝的生产过程中，阳极是生产铝时所需要的材料，因为在电化学反应

中需要阳极的参与，因此阳极的质量与工作状况对电解生产过程都会产生极大的

影响，所以阳极在电解铝工业中是非常重要的。

阳极焙烧系统是铝电解行业中一个重要的工序，阳极焙烧在碳素阳极生产中

是很重要的一个环节，该生产过程所生产的碳块对电解生产过程具有极大的影

响，阳极碳块的质量由升温曲线的精度等因素直接影响，从而决定了铝电解的质

量和成本。

1基于单神经元PID的炉温控制系统

1.1炉温控制系统

阳极焙烧炉控制系统由来自天然气管道输送来的天然气作为燃料，经过电磁

阀进入天然气的喷嘴，通过控制电磁阀脉冲来喷射天然气，从而控制阳极碳块的

升温按照给定的曲线来实现，从而实现了对焙烧炉温的控制，焙烧燃烧架的烟道

通过PID调节器来控制，通过控制电磁阀门关闭的频率来控制喷嘴功率来实现

对火道温度的控制，排烟架的排烟压力也通过该火道PID调节器通过改变电动

风挡的开度来实现调节。

本文只研究了燃烧架对加热温度的控制，其它区域的控制未研究。

热电偶从现场位置采集温度信号，将该温度信号传输给PLC的控制器，控

制器将该温度信值和设定值进行比较，从而对炉面进行升温控制，在焙烧升温阶

段中，影响升温的控制量受多种因素的影响。影响最大的是由燃烧器（通过电磁

阀控制）决定的燃料输入量，决定燃烧器中燃料输入的因素有如下三个方面：

（1）最大功率Pmax，即燃烧器完全打开且燃料流速也最大时的情况。控制

系统的燃料是天然气，天然气的流速取决于天然气压力和天然气输入口（烧嘴）

的口径大小，其中在实际过程设计中该口径也就决定，天然气压力也是固定不变

的，因此二者没必要作为控制量。

（2）各个脉冲用以喷射燃料的持续时间τz。

（3）电磁阀的脉冲频率f，该频率在工业现场设定好后是固定不变的。

因为输送天然气管道的压力是保持不变的，从而得出燃烧器功率P为：

P=Pmax×τzT（1）

因为T=1f，在生产过程中没有变化，于是燃烧器的喷放时间τz可以成为控

制温度调节器的输出量。

被控对象是一个电磁阀，通常阳极焙烧炉可以看作是一个一阶加纯滞后环节

的被控对象，焙烧炉温度变化与电磁阀开放时间的传递函数可表示为：

G（S）=ke-τsTS+1（2）

式中：k为温度的放大系数，T为惯性时间常数，τ为被控对象的滞后时间。

PID控制算法的数字增量算式为

Δu（k）=Kp[e（k）-e（k-1）]+KIe（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]

（3）

PID控制算法在各个行业的工业现场得到了相当普遍的应用，由于它简单，

可靠性高等一系列优点，目前，很多新型的控制器也只是传统PID控制器的改

进型，所以PID控制器在工业控制现场还是一种最普遍的控制器。

传统的方法是在已知数学模型的基础上，按照工程经验或者整