基于预测控制的陶瓷烧成温度控制应用研究

兰州交通大学硕士学位论文基于预测控制的陶瓷烧成温度控制应用研究姓名：刘伟申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王思明20110604兰州交通大学硕士学位论文摘要中国是世界上的陶瓷生产大国，但现在生产的工艺和技术方面与国外相比存在一定的差距。窑炉在陶瓷生产过程中具有十分重要的作用，陶瓷烧成窑自动化水平的高低和发展状况决定着整个陶瓷行业的发展。因此，陶瓷烧成窑控制技术水平高低将直接影响陶瓷质量好的好坏，而其中的关键环节是陶瓷烧成窑的温度控制系统。陶瓷烧成过程具有滞后，‘非线性、时变等特点，很难获得精确的数学模型，传统的控制手段很难取得良好的控制效果。而预测控制是在工业过程领域内发展起来的一类新型控制技术，由于对模型的依赖性弱、易于实现，控制的效果好，在工业过程控制中得到了广泛地应用。本文结合陶瓷烧成窑与预测控制的特点，将预测控制应用于陶瓷烧成窑温度控制系统中。本文对当前陶瓷烧成窑控制技术的现状与问题，以及预测控制的产生发展进行探讨研究。然后分析了陶瓷烧成窑的结构以及烧成过程与烧成制度，窑炉温度测量的方法，得出温度控制系统的基本模型并确定控制方案。以陶瓷烧成温度控制系统为研究对象，设计陶瓷烧成窑温度控制系统的硬件，包括微处理器模块、温度采集模块、执行机构模块、驱动电路模块、以及硬件的抗干扰；采用ＶＣ＋＋６．０设计上位机软件，包括上位机控制、温度设定、实时温度显示、上下位机通信以及算法的调用等。动态矩阵预测控制对具有大时滞特性的对象，有良好的动、静态性能和强的鲁棒性，为现实陶瓷烧成温度的精确控制提供了可能。分别采用了人工神经网络、支持向量机（最小二乘支持向量机和采用优化算法的最小二乘支持向量机）作为预测模型，替代了实际对象过程的阶跃响应模型，并将预测结果进行比较分析。结果表明基于微粒群优化的最小二乘支持向量机能够得到精准的系统预测模型。通过仿真实验研究分析了动态矩阵控制的部分参数，得出了参数对控制性能影响的规律。结合本文的研究对象——陶瓷烧成窑温度控制系统，对其进行动态矩阵预测控制仿

真实验，并与传统的Ｓｍｉｔｈ预估、内模控制相比较，结果证明了该方法的有效性。

关键词：陶瓷烧成窑；温度控制；预测控制；动态矩阵论文类型：应用基础研究兰州交通大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＣｈｉｎａｉｓｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｐｒｏｄｕｃｅｒｏｆｃｅｒａｍｉｃｉｎｔｈｅｗｏｒｌｄ，ｂｕｔｔｈｅｃｒａｆｔａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ

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一ＩＩ—基于预测控制的陶瓷烧成温度控制应用研究Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｏｂｊｅｃｔｏｆｓｔｕｄｙｃｅｒａｍｉｃｋｉｌｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ。ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｄｙｎａｍｉｃ

ｍａｔｒｉｘｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄ埘ｎ１ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＳｍｉｔｈ，ｉｎｔｅｒｎａｌ

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ＫｅｙＷｏｒｄｓ：Ｃｅｒａｍｉｃｓｋｉｌｎ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ，Ｄｙｎａｍｉｃ

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ＩＩＩ兰州交通大学硕士学位论文１绪论１．１课题背景上世纪８０年代起，国内陶瓷生产厂家开始从国外引入了较为先进的陶瓷烧制技术与烧制设备，使我国的陶瓷生产工艺不断的进步和提高【ｌ】。但是国外对先进技术的相对封锁，引进烧制技术的先进程度在某种程度上说也是有限的，这样就造成了我国陶瓷烧成技术整体水平与国外同行相比还有一定的差距【２】。我国陶瓷工业要想更进一步发展，如进入国际市场，相应的陶瓷烧成自动控制水平还有待提高。烧成窑炉仍然是现代陶瓷生产工艺的关键，也是陶瓷生产最重要的热工设备【３，４ｊ。当前陶瓷烧成窑的控制目标是“品质优，低消耗，生产灵活，无污染，产量高”【５一。然而陶瓷烧成窑是具有大滞后的工艺过程，具有的输入与输出关系、非线性强、被控制量（如温度，气氛，压力）之间的耦合较强，由于某些因素具有不确定性使其动态性能很差，因此诸如常规的控制方式很难对其实现及时有效的控制。与世界先进生产水平相比较，我国陶瓷工业普遍存在的最突出缺点是产品品质问题。一座窑炉最重要的是能保证产品的烧成品质。特别是当前国际及国内市场要求提高产品品质和档次的形势下，能够烧出高品质产品是窑炉的首要性能，也是最大经济效益所在。我国出口的陶瓷大多只能达到国际中、低档水平。这方面原因有很多，其中一个重要原因是窑炉技术的落后。在古代我国陶瓷烧成窑技术是当时世界上领先的，曾经有过辉煌的历史。到了近代，由于封建制度和帝国主义的侵略，使我国得陶瓷工业停滞不前。窑炉技术基本上依然停留在古代窑炉的技术水平上。解放后，随着生产力的发展，陶瓷工业也很快得到了恢复和发展。但进展仍然跟不上国际经济和技术的跃进。直到改革开放以来，才清楚地看到了目前我国陶瓷工业在国际上的落后状态。目前在窑炉新产品开发方面，我们落后于也日本等一些强国。在日本陶瓷烧成窑由于具有喷嘴燃烧系列的先进和炉体的轻量化等特点，已被广泛用于日用、艺术及卫生洁具陶瓷、特种陶瓷产品的烧成。日本现在的陶瓷烧成窑技术，已实现运行辊道化，燃料气体化，烧成自动化、窑体轻量化及节能化的目标。综观我国窑炉节能技术方面，可以说与欧洲各国差距甚大。由于国内较先进的窑炉基本上是靠引进与仿制，处于步人后尘的状态。我国窑炉技术尤其是节能技术，应该走引进与自主创新相结合的路子，在模仿中逐渐加强新型节能窑炉的开发、研制能力，逐步缩短与西方国家的差距。总之，窑炉在陶瓷生产过程中具有十分重要的作用，我国窑炉整体技术水平的高低和发展状况如何，不仅直接关系着国内整个陶瓷行业的发展前景，更是影响着国家节能