一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法技术

本发明专利技术提供一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，该方法包括以下步骤：确定PID控制模型的参数论域以及隶属度规则；结合优化后的隶属度规则表引入模糊控制器构建模糊PID控制模型，根据模糊计算结果修正参数取值；构建窑炉的计算传热学模型并进行可靠性验证，将计算传热学模型耦合模糊PID控制模型，计算传热学模型模拟计算得到模拟炉膛温度场，计算收敛时调用模糊PID控制模型更新边界条件；多次迭代，相关系数达到预设值，将其作为参数的最优解；进行窑炉控制仿真。本发明专利技术实现窑炉温控过程的动态仿真，使仿真更符合窑炉实际运行情况，提高窑炉控制仿真的准确性。提高窑炉控制仿真的准确性。提高窑炉控制仿真的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法


[0001]本专利技术涉及一种窑炉控制仿真方法，具体涉及一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，属于工业窑炉控制仿真


技术介绍

[0002]工业窑炉具有多种结构，窑炉温度决定了烧制对象烧成品质的优劣，窑炉温度监测主要通过窑顶安装的热电偶来实现。
[0003]窑炉温度控制的主要任务是维持被控对象的温度值在烧成工艺要求的范围内。当前的温度控制系统主要以经典PID控制系统和模糊PID控制系统为主，模糊PID控制系统是根据实验结果和经验总结出模糊控制规则，经模糊推理得到模糊控制表，使综合参数的相互影响拟合到最佳状态。模糊PID控制系统具有响应快、超调小、过渡时间短等优点。窑炉的窑炉作为复杂热力系统，其温度受周围环境条件和设备运行等因素影响，带有较大不确定性，以往控制系统仿真中往往以简单的带有纯滞后的一阶或二阶惯性系统代替，因此将仿真得出的模糊PID控制参数直接应用于实际窑炉运行时效果往往会大打折扣。
[0004]计算传热学模型(NHT模型)在描述系统传热特性上有显著优点，通过建立适当的窑炉模型，可以获取炉膛内部详细的温度分布情况、不同的热力参数及边界条件对传热过程的影响，将其用于模糊PID控制系统仿真可以得到可靠的控制参数，有效提高窑炉的运行效果，但是现有技术中还未出现结合计算传热学模型和模糊PID控制系统的相关研究。

技术实现思路

[0005]基于以上背景，本专利技术的目的在于提供一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，实现窑炉温控过程的动态仿真，使仿真更符合窑炉实际运行情况，提高窑炉控制仿真的准确性。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，该方法包括以下步骤：
[0008]确定PID控制模型的比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的论域以及隶属度规则，根据记录的窑炉实际烧制过程中燃气阀门流量调节规律对隶属度规则进行优化；
[0009]构建PID控制模型，结合窑炉的传递函数，通过自整定方法获取PID控制模型的比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的取值，结合优化后的隶属度规则表引入模糊控制器构建模糊PID控制模型，结合窑炉的传递函数，以实测炉膛温度值和设定炉膛温度值之间的偏差e以及偏差变化率ec作为模糊控制器的输入进行模糊计算，根据模糊计算结果修正比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的取值；
[0010]根据实际的窑炉结构尺寸、燃气阀门的流量以及烧制对象的热物性等参数构建窑炉的计算传热学模型并进行可靠性验证，将计算传热学模型耦合模糊PID控制模型，计算传热学模型模拟计算得到模拟炉膛温度场，计算收敛时调用模糊PID控制模型更新边界条件；
[0011]通过对比实际炉膛温度场和模拟炉膛温度场优化比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分
参数K
d
的取值，多次迭代，直到根据优化后取值模拟计算的模拟炉膛温度场与实际炉膛温度场的相关系数达到预设值，将其作为比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的最优解；
[0012]通过具有上述最优解的耦合模糊PID控制模型的计算传热学模型进行窑炉控制仿真。
[0013]作为优选，所述窑炉的传递函数基于纯滞后的二阶惯性系统构建，窑炉的传递函数为：
[0014][0015]其中，i为热电偶编号，K
mi
为放大系数，T
mi
为时间常数，τ为纯滞后时间，T
i
为控制系统输出，M
i
为控制系统输入。
[0016]作为优选，所述计算收敛的判断条件为：
[0017]当t
‑
t1＝2
△
t时，判断为计算收敛；
[0018]其中，t为模拟总时间，t1为上一收敛结果的时刻，t1初始值设置为0，
△
t为时间步长；当t
‑
t1＝
△
t时说明第一步未收敛，继续进行迭代计算，当t
‑
t1＝2
△
t时说明第一步迭代收敛，令t＝t1+
△
t，并进行第二步迭代，依此类推，t1仅在计算收敛时刻进行更新即自增一个时间步长
△
t。
[0019]作为优选，在判断计算收敛时，设立布尔值S来表示上一个收敛温度结果是否调用过模糊PID控制模型，当S＝0时上一个收敛温度结果未调用模糊PID控制模型，当S＝1时上一个收敛温度结果调用模糊PID控制模型。
[0020]作为优选，所述模糊PID控制模型的运行逻辑为：
[0021]设置单次控制周期t
T
，设定流量变化率q，令采样间隔t
s
等于时间步长
△
t，仿真时间到达t
T
的整数倍时输出一次模糊PID控制结果即下一控制周期内燃气阀门流量值Q1，再根据本控制周期开始时阀门流量Q0，通过以下公式计算一个控制周期内开始调节燃气阀门流量的时间点t
c
：
[0022]Q1＝Fuzzy_PID(t
T
)
[0023][0024]设定周期内时间参数t
h
表示控制系统一次周期内所经过的时间，当计算收敛时自增
△
t，即t
h
＝t
h
+
△
t，到达下个周期时重置为
△
t，即t
h
＝
△
t；在每个模糊PID控制周期中，当t
h
<t
c
时，阀门流量Q＝Q0；当t
h
>t
c
时，阀门流量Q＝Q0±
(t
h
‑
t
c
)
×
q，上式中当Q1≥Q0时取+，当Q1<Q0时取
‑
；
[0025]根据t
h
和t
c
的结果输出燃气阀门流量值。
[0026]作为优选，所述根据t
h
和t
c
的结果输出燃气阀门流量值具体包括以下步骤：
[0027]当计算未收敛时，判断对比t
h
与t
s
的大小，计算燃气阀门流量值；
[0028]当计算收敛且上一个收敛温度结果未调用模糊PID控制模型时，判断对比t
h
与t
s
的大小，计算燃气阀门流量值；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，其特征在于：该基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法包括以下步骤：确定PID控制模型的比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的论域以及隶属度规则，根据记录的窑炉实际烧制过程中燃气阀门流量调节规律对隶属度规则进行优化；构建PID控制模型，结合窑炉的传递函数，通过自整定方法获取PID控制模型的比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的取值，结合优化后的隶属度规则表引入模糊控制器构建模糊PID控制模型，结合窑炉的传递函数，以实测炉膛温度值和设定炉膛温度值之间的偏差e以及偏差变化率ec作为模糊控制器的输入进行模糊计算，根据模糊计算结果修正比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的取值；根据实际的窑炉结构尺寸、燃气阀门的流量以及烧制对象的热物性等参数构建窑炉的计算传热学模型并进行可靠性验证，将计算传热学模型耦合模糊PID控制模型，计算传热学模型模拟计算得到模拟炉膛温度场，计算收敛时调用模糊PID控制模型更新边界条件；通过对比实际炉膛温度场和模拟炉膛温度场优化比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的取值，多次迭代，直到根据优化后取值模拟计算的模拟炉膛温度场与实际炉膛温度场的相关系数达到预设值，将其作为比例参数K
p
、积分参数K
i
和微分参数K
d
的最优解；通过具有上述最优解的耦合模糊PID控制模型的计算传热学模型进行窑炉控制仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，其特征在于：所述窑炉的传递函数基于纯滞后的二阶惯性系统构建，窑炉的传递函数为：其中，i为热电偶编号，K
mi
为放大系数，T
mi
为时间常数，τ为纯滞后时间，T
i
为控制系统输出，M
i
为控制系统输入。3.根据权利要求1所述的一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，其特征在于：所述计算收敛的判断条件为：当t
‑
t1＝2
△
t时，判断为计算收敛；其中，t为模拟总时间，t1为上一收敛结果的时刻，t1初始值设置为0，
△
t为时间步长；当t
‑
t1＝
△
t时说明第一步未收敛，继续进行迭代计算，当t
‑
t1＝2
△
t时说明第一步迭代收敛，令t＝t1+
△
t，并进行第二步迭代，依此类推，t1仅在计算收敛时刻进行更新即自增一个时间步长
△
t。4.根据权利要求1所述的一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，其特征在于：在判断计算收敛时，设立布尔值S来表示上一个收敛温度结果是否调用过模糊PID控制模型，当S＝0时上一个收敛温度结果未调用模糊PID控制模型，当S＝1时上一个收敛温度结果调用模糊PID控制模型。5.根据权利要求1所述的一种基于计算传热学模型的窑炉控制仿真方法，其特征在于：所述模糊PID控制模型的运行逻辑为：设置单次控制周期t
T
，设定流量变化率q，令采样间隔t
s
等于时间步长
△
t，仿真时间到达t
T
的整数倍时输出一次模糊PID控制结果即下一控制周期内燃气阀门流量值Q1，再根据本控制周期开始时阀门流量Q0，通过以下公式计算一个控制周期内开始调节燃气阀门流量的时间点t
c
：
Q1＝Fuzzy_PID(t
T
)设定周期内时间参数t
h
表示控制系统一次周期内所经过的时间，当计算收敛时自增
△
t，即t
h
＝t
h
+
△
t，到达下个周期时重置为
△
t，即t
h
＝
△
t；在每个模糊PID控制周期中，当t
h
<t
c
时，阀门流量Q＝Q0；当t
h
>t
c
时，阀门流量Q＝Q0...

【专利技术属性】
技术研发人员：高翔，刘少俊，郑成航，熊树生，陈振，林少森，林恒毅，杨华清，谭忠泳，吴卫红，宋浩，杨洋，
申请(专利权)人：龙泉瓯江青瓷有限公司，
类型：发明
国别省市：