1 緒論

隨著全球人口數(shù)量的持續(xù)增長，截止到 2015 年 7 月 11 日（世界人口日）全世界人口已超過 73 億。這個(gè)階段充滿著喜悅和憂慮，成就感到來的同時(shí)也夾雜著危機(jī)感。世界創(chuàng)紀(jì)錄的人口規(guī)模是“挑戰(zhàn)，是機(jī)會(huì)，也是行動(dòng)的召喚”，重視現(xiàn)在采取的行動(dòng)將決定我們是擁有健康、可持續(xù)和繁榮的未來，還是擁有以不平等，環(huán)境惡化和經(jīng)濟(jì)衰退為特點(diǎn)的未來。地球上每一位公民的生存都與這些現(xiàn)實(shí)問題緊密關(guān)聯(lián)，人類整體命運(yùn)的去向也將受問題的解決方式所牽制。因此，能源的有效利用與環(huán)境協(xié)調(diào)問題將是制約人類社會(huì)發(fā)展的重要因素。塑料制品以輕巧、便攜給人類的生活帶來了較大的方便，但因污染嚴(yán)重、回收率低，被成為“白色污染”。從上世紀(jì) 50 年代到 2011 年，塑料制品的產(chǎn)量由 150 萬噸增加到了 2.8億噸[1]。經(jīng)環(huán)境分解后的微型塑料[2-9](直徑一般小于 5mm)，正在污染著海洋生命。更糟糕的是，食物鏈中的塑料垃圾會(huì)影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和人類的健康[10,11]。另外，《評(píng)估塑料的價(jià)值》和《聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 2014 年年鑒》指出，每年因海洋塑料所造成的海洋經(jīng)濟(jì)損失多達(dá) 130 億美元[12]。因此，選用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的生活包裝用品來替代塑料制品勢(shì)在必行。玻璃制品（圖 1-1、圖 1-2）作為生活中的必需品，因其看著明亮，擦洗方便，不易腐蝕，而備受人類喜愛。同時(shí)，玻璃制品可 100%回收，回收產(chǎn)品既可用于原種類產(chǎn)品的加工，也可經(jīng)加工轉(zhuǎn)型被重復(fù)利用。這不但降低了原料的開采量，節(jié)約了能源，同時(shí)也降低了玻璃原料熔化過程中所排放的有害氣體。

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2 馬蹄焰玻璃窯爐的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 馬蹄焰玻璃窯爐整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

玻璃窯爐作為玻璃工廠的“心臟”，，對(duì)玻璃企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的影響較大。玻璃池窯的類型較多，根據(jù)爐內(nèi)火焰的流動(dòng)方向可分為橫火焰池窯、縱火焰池窯、馬蹄焰池窯和聯(lián)合火焰池窯。根據(jù)爐內(nèi)產(chǎn)生廢氣的去向可分為換熱式和蓄熱式兩種池窯。在玻璃窯爐中，馬蹄焰玻璃窯爐是較為常用的一種中小型窯爐，馬蹄焰池窯具有一對(duì)蓄熱室，在窯爐一端設(shè)有兩個(gè)燃料噴射口，用于交替噴射火焰，火焰在爐內(nèi)縱向噴射到一定長度時(shí)會(huì)折轉(zhuǎn)返回，火焰走向形似馬蹄狀（∩），這就是馬蹄焰池窯的由來。馬蹄焰窯爐中一個(gè)火焰口的噴槍工作時(shí)，另一只噴槍休息，同時(shí)燃料燃燒所產(chǎn)生的熱廢氣會(huì)加熱閑置噴槍端的蓄熱室，以備換噴槍工作時(shí)加熱助燃空氣。因此，此爐型在節(jié)約燃料的同時(shí)也提高了窯爐的工作效率。

2.2 池窯中不同溫區(qū)的反應(yīng)形式

由玻璃形成階段知，玻璃初步形成后含有較多的氣泡。為去除玻璃中留下的氣泡，需進(jìn)行澄清階段。隨著溫度的繼續(xù)升高，所形成的玻璃液的粘度會(huì)降低，進(jìn)而會(huì)有一部分氣泡溢出，當(dāng)溫度處于 1400℃~1500℃時(shí)，普通玻璃的粘度可以達(dá)到 10 帕.秒，澄清過程結(jié)束，玻璃體內(nèi)的氣泡數(shù)量達(dá)到允許范圍。由玻璃形成階段知，玻璃初步形成后含有較多的條紋。為去除玻璃中留下的條紋，需進(jìn)行均化階段。所形成的玻璃液一段時(shí)間內(nèi)處于高溫狀態(tài)下，化學(xué)成分在擴(kuò)散作用下逐步分散均勻，最終成為均一體，條紋也逐步達(dá)到所允許的范圍.

3 窯爐溫度數(shù)學(xué)模型的辨識(shí)與分析........32

3.1 前言..............................32
3.2 窯爐系統(tǒng)耦合分析...............32
3.3 不變性原理解耦算法................34
3.4 窯爐溫度系統(tǒng)模型辨識(shí)..........................36
4 窯爐溫度系統(tǒng)控制方法研究.........68
4.1 引言.............................68
4.2 窯爐溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定............68
4.3 改進(jìn) PID 控制算法........83
5 窯爐配料控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)......113
5.1 引言...................113
5.2 配料系統(tǒng)控制方法研究.......................113
5.3 配料工藝流程..................117
5.4 配料控制系統(tǒng)組成.................118
5.5 PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...............119
5.6 給料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...................121
5.7 稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...........122

7 窯爐配料混合均勻度非線性函數(shù)極值尋優(yōu)

7.1 引言

在傳統(tǒng)的無機(jī)玻璃的生產(chǎn)和研制過程中，為了得到新的玻璃產(chǎn)品，以改進(jìn)性能降低成本，需對(duì)玻璃配方進(jìn)行試驗(yàn)改良。配方改良過程中需驗(yàn)證不同配方組合下的玻璃的物化性能指標(biāo)，通過多次試驗(yàn)逐步逼近所需性能。但是當(dāng)指標(biāo)接近所需性能時(shí)，想進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化是很困難的。另外，在傳統(tǒng)的配方設(shè)計(jì)過程中，不良的配方組合也會(huì)造成原料的浪費(fèi)以及設(shè)計(jì)周期的拖延。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展[177,178]為圖像處理、模式識(shí)別、語言識(shí)別、工業(yè)預(yù)測(cè)提供了便利工具。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以搭建多輸入多輸出系統(tǒng)參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，并通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練可以達(dá)到預(yù)測(cè)系統(tǒng)未來性能的目的。遺傳算法是由 John H. Holland 提出的一種全局搜索算法. 1962 年，Holland 就提出了遺傳算法的基本思想，并對(duì)該算法的有效性進(jìn)行了證明。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立各配方原料、外界溫度、濕度條件和配料混合均勻度間的模型函數(shù)，進(jìn)而對(duì)混合均勻度進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以減少工作量，縮短試驗(yàn)周期。利用遺傳算法優(yōu)化各原料與外界條件間的比值，然后通過全局搜索方法得出優(yōu)化配料混合均勻度。以常用的翠綠色啤酒瓶配方為例，通過MATLAB 軟件進(jìn)行仿真分析得出，優(yōu)化與預(yù)測(cè)的綜合方法對(duì)于提高配料混合均勻度具有一定的實(shí)用價(jià)值。

7.2 非線性函數(shù)結(jié)構(gòu)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)層數(shù)一般具有三層或三層以上，同一層中各神經(jīng)元不相互連接并且無反饋。網(wǎng)絡(luò)中的信號(hào)向前傳遞過程中，輸入信號(hào)經(jīng)輸入層轉(zhuǎn)移函數(shù)計(jì)算輸出至隱含層，經(jīng)隱含層轉(zhuǎn)移函數(shù)計(jì)算輸送到輸出層。當(dāng)輸出值與期望值間存在差值時(shí)，誤差則進(jìn)行反向傳遞。誤差反向傳遞過程中，首先修正輸出層與隱含層間的連接權(quán)值及輸出層的閾值，然后修正隱含層與輸入層間的連接權(quán)值和隱含層的閾值。如此反復(fù)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)值會(huì)逐步逼近期望輸出值。誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的常規(guī)形式如圖 7-1 所示。
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8 總結(jié)與展望

8.1 總結(jié)

本課題是基于蘭州市黃河啤酒玻璃窯爐廠和安丘市安泰玻璃廠具體實(shí)施項(xiàng)目所作的研究。為便于全文工作的開展，首先介紹了馬蹄焰玻璃池窯的結(jié)構(gòu)和工作原理，在此基礎(chǔ)上研究了蓄熱室氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的三維數(shù)學(xué)模型。同時(shí)根據(jù)窯爐燃料流量與窯內(nèi)溫度間的關(guān)系，對(duì)窯爐溫度模型進(jìn)行了辨識(shí)和研究，窯爐模型辨識(shí)出以后，為提高窯爐運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性，針對(duì)窯爐控制器進(jìn)行了參數(shù)調(diào)節(jié)方法的研究。針對(duì)當(dāng)前窯爐配料車間環(huán)境差，車間工人易患職業(yè)病問題，本文設(shè)計(jì)了基于增量法的全自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，并采用進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)配料混合均勻度進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)采用遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性函數(shù)極值尋優(yōu)方法來提高配料混合均勻度。

8.2 展望

本文對(duì)蓄熱式馬蹄焰玻璃窯爐進(jìn)行了理論分析和仿真研究，取得了一定的進(jìn)展，仍有不足之處有待進(jìn)一步完善。(1) 在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遺傳算法非線性函數(shù)極值尋優(yōu)方法中，優(yōu)化方案所選擇的是在線開環(huán)指導(dǎo)方式，并不是閉環(huán)方式，這主要是由窯爐廠的燃料、設(shè)備等狀況所決定的。進(jìn)一步完善優(yōu)化方法，提高配料混合均勻度是下一步需要做的工作。(2) 在對(duì)窯爐模型進(jìn)行辨識(shí)以前，通過不變性原理解耦算法對(duì)溫度、壓力耦合系統(tǒng)進(jìn)行解耦，解耦后分別得到了溫度、壓力兩個(gè)單變量系統(tǒng)，由于時(shí)間限制未能研究耦合控制系統(tǒng)的具體形式，在后期的研究過程中將對(duì)耦合控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：148683