本文關(guān)鍵詞：嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：電熔鎂砂具有熔點(diǎn)高、抗氧化、絕緣性強(qiáng)等特性,主要用于生產(chǎn)各種類型的鎂制耐火材料。電熔鎂砂的生產(chǎn)過程以菱鎂礦石為原料,采用我國特有的三相交流電熔鎂爐進(jìn)行熔煉,通過調(diào)整三相電極與熔池液面之間的位置來控制三相電極電流,使之產(chǎn)生電弧,通過電弧放熱使?fàn)t內(nèi)原料受熱熔化形成熔液,熔液再經(jīng)過冷卻結(jié)晶后生成成品。電熔鎂爐是一種典型的高耗能設(shè)備,電能成本占整個(gè)生產(chǎn)成本的60%以上,因此熔煉過程的控制目標(biāo)是：在滿足產(chǎn)量約束的前提下,使單噸合格產(chǎn)品所消耗的電能,即產(chǎn)品的單噸能耗指標(biāo)處于目標(biāo)值范圍內(nèi)并盡可能小。產(chǎn)品單噸能耗與三相電極電流值密切相關(guān),熔煉過程要求將三相電極電流控制在理想的電流值范圍內(nèi)并盡量減小電流值波動。電熔鎂爐熔煉過程包括加熱熔化、加料和排氣三種正常工況,具有復(fù)雜的動態(tài)特性,主要體現(xiàn)在：1)以單噸能耗為輸出,三相電極電流為輸入的運(yùn)行層模型具有強(qiáng)非線性、多變量耦合、熔煉機(jī)理不清、難以建立數(shù)學(xué)模型等特點(diǎn),其動態(tài)特性受原料顆粒長度、雜質(zhì)成分等邊界條件和熔煉工況變化的影響。2)原料顆粒長度、雜質(zhì)成分變化導(dǎo)致電極與熔池液面之間的電弧電阻變化進(jìn)而造成電流異常波動時(shí),電流設(shè)定值不做調(diào)整會造成“半熔化”、“過加熱”、“加料異常”、“排氣異�！钡犬惓９r發(fā)生。3)單噸能耗無法在線檢測,只能在熔煉過程結(jié)束后通過產(chǎn)品化驗(yàn)獲得。4)以三相電極電流為輸出,以三相拖動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向?yàn)檩斎氲目刂茖幽Ｐ驮诩恿虾团艢夤r下具有強(qiáng)非線性。為了使電熔鎂爐優(yōu)化運(yùn)行,控制系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)電流設(shè)定控制、電流跟蹤和邏輯控制、異常工況診斷和過程監(jiān)控等四種功能。由于電熔鎂爐熔煉環(huán)境惡劣,具有高粉塵、高溫、強(qiáng)電磁干擾等特點(diǎn),由可編程邏輯控制器(PLC)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的常規(guī)控制系統(tǒng)難以安全可靠運(yùn)行,因此需要研制能夠一體化實(shí)現(xiàn)上述四種功能的智能控制系統(tǒng)。電熔鎂爐難以采用已有的運(yùn)行優(yōu)化控制方法,熔煉過程還處于人工設(shè)定控制狀態(tài),導(dǎo)致普遍存在單噸能耗高、產(chǎn)量低、異常工況頻發(fā)等問題。本文在國家973計(jì)劃項(xiàng)目“復(fù)雜生產(chǎn)制造全流程一體化控制系統(tǒng)整體控制策略與運(yùn)行控制方法(2009CB320601)”的支持下,開展了嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)的研究,取得的主要成果如下：1、以將單噸能耗控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)并盡可能小為目標(biāo),提出了由電流閉環(huán)設(shè)定控制和跟蹤電流設(shè)定值切換控制組成的電熔鎂爐智能運(yùn)行反饋控制方法。其中電流閉環(huán)設(shè)定控制算法由基于案例推理的電流預(yù)設(shè)定模塊、單噸能耗混合預(yù)報(bào)模型、電流預(yù)設(shè)定值的前饋和反饋PI補(bǔ)償模塊組成；跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法由基于PID的加熱熔化工況電流控制模塊、基于規(guī)則推理的加料、排氣工況電流控制模塊和相應(yīng)切換機(jī)制組成。2、以能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理熔煉過程異常工況為目的,提出了由異常工況識別算法和自愈控制算法組成的數(shù)據(jù)驅(qū)動的電熔鎂爐異常工況識別和自愈控制方法。其中,異常工況識別算法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動的規(guī)則推理技術(shù)診斷熔煉過程的異常工況。當(dāng)異常工況發(fā)生時(shí),自愈控制模塊采用案例推理技術(shù)獲得電流設(shè)定值的調(diào)整量,通過控制電流跟蹤調(diào)整后的設(shè)定值,使異常工況消除。3、研制了能夠一體化實(shí)現(xiàn)四種復(fù)雜功能的嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了基于嵌入式PC/104總線的硬件平臺,包括CPU主板和信號輸入輸出模塊,并針對惡劣熔煉環(huán)境開發(fā)了信號隔離保護(hù)電路板�；赗TAI-Linux雙內(nèi)核實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)軟件平臺,采用所提出的智能運(yùn)行反饋控制方法、異常工況識別和自愈控制方法,開發(fā)了電熔鎂爐智能控制軟件,該軟件同時(shí)還具有邏輯控制、過程監(jiān)控等功能。電熔鎂爐智能控制軟件將實(shí)現(xiàn)不同功能的程序分為實(shí)時(shí)程序和非實(shí)時(shí)程序兩類,并通過實(shí)時(shí)硬件抽象層(RTHAL)和控制中間件實(shí)現(xiàn)兩類程序之間的管理和調(diào)用。4、開展了嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)在電熔鎂爐實(shí)際熔煉過程中的工業(yè)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究。針對電流閉環(huán)設(shè)定控制算法、異常工況識別和自愈控制算法,進(jìn)行了熔煉工況和生產(chǎn)邊界條件頻繁變化情況下的電流設(shè)定實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用上述算法能夠及時(shí)獲得合適的電流設(shè)定值,與人工設(shè)定相比,單噸能耗降低了3%,產(chǎn)品產(chǎn)量提高了1.2%,異常工況發(fā)生率降低了50%以上；針對跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法進(jìn)行了電流回路控制效果的對比實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法能夠明顯降低電流波動幅度,相對于人工控制方法,電流跟蹤誤差超出允許范圍的比例降低了29.8%；實(shí)際工業(yè)運(yùn)行效果表明,嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)能夠使單噸能耗降低6.2%,產(chǎn)量提高2.9%,并能保證熔煉過程安全穩(wěn)定優(yōu)化運(yùn)行。針對其他類似的高耗能、高污染生產(chǎn)過程,本文研究的嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)在生產(chǎn)過程的優(yōu)化設(shè)定和一體化實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜控制功能等方面具有參考和推廣價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：電熔鎂爐 單噸能耗 嵌入式控制系統(tǒng) 智能運(yùn)行反饋控制 電流閉環(huán)設(shè)定控制 電流切換控制 異常工況識別和自愈控制
【學(xué)位授予單位】：東北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG232;TP273.5
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第1章 緒論14-46
• 1.1 課題背景及意義14-16
• 1.2 工業(yè)過程運(yùn)行反饋控制研究現(xiàn)狀16-24
• 1.2.1 工業(yè)過程運(yùn)行反饋控制的含義16-17
• 1.2.2 基于模型的運(yùn)行反饋控制方法17-22
• 1.2.3 基于智能技術(shù)的運(yùn)行反饋控制方法22-24
• 1.3 電熔鎂爐過程控制的研究現(xiàn)狀24-40
• 1.3.1 研究電熔鎂爐運(yùn)行反饋控制的必要性24-25
• 1.3.2 電熔鎂爐熔煉過程建模技術(shù)25-34
• 1.3.3 電熔鎂爐熔煉過程電流回路控制技術(shù)34-37
• 1.3.4 電熔鎂爐熔煉過程故障診斷技術(shù)37-40
• 1.4 電熔鎂爐自動控制裝置的研究現(xiàn)狀40-41
• 1.5 存在的問題和本文的主要工作41-46
• 第2章 電熔鎂爐熔煉過程控制問題描述與控制現(xiàn)狀分析46-66
• 2.1 電熔鎂爐熔煉過程工藝描述46-53
• 2.1.1 電熔鎂爐熔煉原理46-47
• 2.1.2 電熔鎂爐熔煉設(shè)備構(gòu)成47-50
• 2.1.3 電熔鎂爐熔煉工藝過程介紹50-53
• 2.2 電熔鎂爐熔煉過程的控制目標(biāo)53-55
• 2.3 電熔鎂爐熔煉過程特性分析55-61
• 2.3.1 運(yùn)行模型特性分析55-57
• 2.3.2 異常工況特性分析57-59
• 2.3.3 控制模型特性分析59-61
• 2.4 電熔鎂爐熔煉過程的控制難點(diǎn)61-63
• 2.5 電熔鎂爐熔煉過程控制現(xiàn)狀和存在的問題63-65
• 2.5.1 電熔鎂爐熔煉過程控制現(xiàn)狀63-64
• 2.5.2 現(xiàn)有控制方式存在的主要問題64-65
• 2.6 本章小結(jié)65-66
• 第3章 電熔鎂爐智能運(yùn)行反饋控制方法66-106
• 3.1 控制方法的結(jié)構(gòu)和功能66-68
• 3.2 電流閉環(huán)設(shè)定控制算法68-94
• 3.2.1 基于案例推理的電流預(yù)設(shè)定模塊68-75
• 3.2.2 基于機(jī)理分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單噸能耗混合預(yù)報(bào)模型75-90
• 3.2.3 基于PI控制和案例推理的電流預(yù)設(shè)定值前饋補(bǔ)償模塊90-92
• 3.2.4 基于PI控制和案例推理的電流預(yù)設(shè)定值反饋補(bǔ)償模塊92-94
• 3.3 跟蹤電流設(shè)定值切換控制算法94-105
• 3.3.1 基于PID的加熱熔化工況電流控制模塊95-97
• 3.3.2 基于規(guī)則推理的加料工況電流控制模塊97-101
• 3.3.3 基于規(guī)則推理的排氣工況電流控制模塊101-104
• 3.3.4 切換機(jī)制104-105
• 3.4 本章小結(jié)105-106
• 第4章 數(shù)據(jù)驅(qū)動的電熔鎂爐異常工況識別和自愈控制方法106-118
• 4.1 控制方法的結(jié)構(gòu)和功能106-107
• 4.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的異常工況識別算法107-114
• 4.2.1 數(shù)據(jù)采集與處理模塊109
• 4.2.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的異常工況規(guī)則提取模塊109-112
• 4.2.3 異常工況規(guī)則推理模塊112-113
• 4.2.4 仿真對比實(shí)驗(yàn)113-114
• 4.3 基于案例推理的自愈控制算法114-116
• 4.4 本章小結(jié)116-118
• 第5章 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)118-152
• 5.1 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)118-121
• 5.2 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)121-136
• 5.2.1 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)121-123
• 5.2.2 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)123-125
• 5.2.3 信號隔離保護(hù)電路板的設(shè)計(jì)與開發(fā)125-131
• 5.2.4 硬件驅(qū)動程序開發(fā)131-133
• 5.2.5 嵌入式電熔鎂爐控制系統(tǒng)防塵、散熱設(shè)計(jì)133-134
• 5.2.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)與檢測裝置134-136
• 5.3 嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)136-151
• 5.3.1 軟件開發(fā)平臺136-137
• 5.3.2 嵌入式操作系統(tǒng)137-139
• 5.3.3 電熔鎂爐智能控制軟件結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)139-141
• 5.3.4 電熔鎂爐智能控制軟件開發(fā)141-151
• 5.4 本章小結(jié)151-152
• 第6章 工業(yè)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用研究152-166
• 6.1 應(yīng)用背景簡介152-154
• 6.2 控制算法參數(shù)選擇154-156
• 6.3 實(shí)驗(yàn)研究156-163
• 6.3.1 電流跟蹤控制效果156-157
• 6.3.2 電流設(shè)定控制效果157-163
• 6.4 工業(yè)應(yīng)用163-165
• 6.5 本章小結(jié)165-166
• 結(jié)論與展望166-170
• 參考文獻(xiàn)170-182
• 致謝182-184
• 攻讀博士期間所獲學(xué)術(shù)成果和所做科研項(xiàng)目184-186
• 作者簡介186

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 柴天佑;;復(fù)雜工業(yè)過程運(yùn)行優(yōu)化與反饋控制[J];自動化學(xué)報(bào);2013年11期

2 白銳;佟紹成;柴天佑;;氧化鋁生料漿制備過程的智能優(yōu)化控制方法[J];控制與決策;2013年04期

3 葉凌箭;鐘偉紅;宋執(zhí)環(huán);;基于分段線性化法的改進(jìn)自主優(yōu)化控制[J];自動化學(xué)報(bào);2013年08期

4 仝永娟;張衛(wèi)軍;李鵬;王帥;趙文婧;于宏超;;電熔鎂砂生產(chǎn)的熱工過程分析與節(jié)能[J];冶金能源;2011年03期

5 李靜;;礦熱爐熔池電阻實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J];鐵合金;2011年02期

6 齊國超;張衛(wèi)軍;仝永娟;李軍;崔俊峰;;電熔鎂電弧爐爐體優(yōu)化設(shè)計(jì)[J];冶金能源;2010年04期

7 王琰;毛志忠;李妍;田慧欣;石愛平;;交流電弧爐供電系統(tǒng)建模及耦合關(guān)系仿真研究[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2010年04期

8 吳志偉;吳永建;柴天佑;張莉;;一種基于規(guī)則推理的電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)[J];東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2009年11期

9 趙海鑫;;遼寧菱鎂礦資源現(xiàn)狀及發(fā)展意見[J];耐火材料;2009年04期

10 王鋒;張淼;張矛盾;;基于S函數(shù)的實(shí)用光伏模塊Matlab仿真模型[J];廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2008年04期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 丁進(jìn)良;動態(tài)環(huán)境下選礦生產(chǎn)全流程運(yùn)行指標(biāo)優(yōu)化決策方法研究[D];東北大學(xué);2012年

2 吳永建;電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)研究[D];東北大學(xué);2012年

3 王振;制備MgO晶體電弧爐的建模研究[D];大連理工大學(xué);2011年

4 李姝;基于預(yù)測控制的汽油發(fā)動機(jī)怠速控制方法研究[D];吉林大學(xué);2010年

5 方學(xué)毅;過程系統(tǒng)記憶增強(qiáng)型實(shí)時(shí)優(yōu)化方法[D];浙江大學(xué);2009年

6 王琰;交流電弧爐電弧模型研究及其應(yīng)用[D];東北大學(xué);2009年

7 王育飛;新型交流電弧爐混沌模型及其應(yīng)用研究[D];上海交通大學(xué);2008年

8 王豐華;電弧爐建模研究及其應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2006年

9 時(shí)小虎;Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與進(jìn)化算法的若干理論研究及應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2006年

10 譚樹彬;軋機(jī)厚控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究與應(yīng)用[D];東北大學(xué);2006年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 饒寧;水處理混凝投藥預(yù)測控制方法研究[D];浙江工業(yè)大學(xué);2013年

2 朱宇;基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性研究[D];長安大學(xué);2012年

3 吳宇飛;自適應(yīng)內(nèi)�？刂撇呗匝芯考捌湓诘V熱爐中的應(yīng)用[D];南京理工大學(xué);2012年

4 杜文友;基于溫度場建模的電熔鎂爐設(shè)定值優(yōu)化[D];東北大學(xué);2011年

5 蔣小蒙;菱鎂礦熔煉電熔鎂砂節(jié)能新工藝及方鎂石結(jié)晶過程研究[D];東北大學(xué);2011年

6 魏圓;電熔鎂爐的故障補(bǔ)償控制[D];東北大學(xué);2011年

7 樊云鵬;電熔鎂爐熔煉過程的建模[D];東北大學(xué);2011年

8 班泉聚;基于熔池功率平衡的礦熱爐控制系統(tǒng)研究[D];武漢理工大學(xué);2009年

9 張晶;電熔鎂爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)建模研究[D];東北大學(xué);2008年

10 劉彥斌;基于PC104的鐵路道岔監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[D];西南交通大學(xué);2007年

  本文關(guān)鍵詞：嵌入式電熔鎂爐智能控制系統(tǒng)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：295136