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摘要 本文针对富氧陶瓷窑炉连续燃烧系统的不足之处，提出了一种新的基于泛布尔逻辑代数的富氧陶瓷窑炉脉冲燃烧控制系统的设计。首先阐述了脉冲燃烧控制的实现方式，其次根据实验和工程实践的经验，确定了泛布尔逻辑代数规则，最后对控制效果进行了分析。分析结果表明，采用基于泛布尔逻辑代数的脉冲燃烧控制系统，可以在改善系统性能的同时，使得温度场的分布更为均匀，控制效果良好。
关键词 泛布尔代数；脉冲燃烧；富氧陶瓷窑炉
中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)051-0088-02
富氧陶瓷窑炉采用高浓度氧作为助燃介质的陶瓷窑炉。国内的富氧陶瓷窑炉通常都采用连续燃烧技术，其燃烧器阀门的开度主要通过单点PID控制器进行控制。由于窑炉温度是一个大惯性、纯滞后的环节，加之燃料流量控制的非线性，采用连续燃烧技术的控制系统往往难以实现对温度的精确控制。另外，连续燃烧技术难以实现窑内温度场的均匀分布，容易产生局部热点，会使得陶瓷成品出现缺陷。
本文针对连续燃烧技术的不足之处，给出了一种基于泛布尔代数的富氧陶瓷窑炉脉冲燃烧控制系统的设计，该系统采用新型的脉冲燃烧技术，并通过泛布尔逻辑代数控制脉冲占空比，以减小窑炉温度的超调量，并改善窑内温度场的分布。
1 脉冲燃烧技术的实现
图1所示即为被控富氧陶瓷窑炉窑体上六个烧嘴的分布图（虚线所示为背面的烧嘴）。
图1 富氧陶瓷窑炉的烧嘴分布图
这六个烧嘴从空间位置上被分为三组：烧嘴1和烧嘴6；烧嘴2和烧嘴5；烧嘴3和烧嘴4。工作的时候，每一组的两个烧嘴轮流工作，以此来加剧窑内的热气流紊乱，进一步提高温度的均匀性。各烧嘴工作的时序如图2所示。
每一个烧嘴都由一个电动阀门和一个电磁阀控制，电动阀门用于控制烧嘴的燃烧功率，电磁阀用于控制烧嘴的通断比。设
p（0≤p≤1）为烧嘴的燃烧功率，当p=1时，燃气阀为满开度，烧嘴的输出功率达到最大；k（0≤k≤1）为电磁阀的通断比，表示烧嘴在一个周期内的开通时间。
通常情况下，采用脉冲燃烧技术时，烧嘴的燃烧功率p往往为固定值，仅通过改变通断比k来实现温度的控制。这种方法只需要控制一个参数，控制简单，但对燃烧功率p的选择存在以下两个问题：①若p值较小，则即便保持k≈1，窑炉的升温段都会变得非常缓慢，不满足系统快速性的要求。另外，过小的p值还可能会引起点火方面的问题。②若p值较大，则当窑炉进入恒温控制阶段时，由于此时的温度误差小，所以在较大的燃烧功率p的情况下（对不可调节的烧嘴相当于p≈1），k值将会变得非常小，加之PLC等设备的通信延时，将会很难对温度实现精确控制。所以在此采用功率可调的烧嘴，在升温段增大燃烧功率p以增加系统的快速性，在恒温段适当降低p值，从而使得占空比k更容易实现，温度控制的精确性更高。
对窑炉温度的控制主要是恒温段对通断比k的控制，通断比k的大小由泛布尔逻辑控制器来决定。
2 基于泛布尔逻辑的通断比控制
控制系统的结构图如图3所示。其中，恒温段泛布尔逻辑控制器的输入变量为温度误差E和误差变化率ED，逻辑控制器的输出为烧嘴的通断比k。根据温度误差E和误差变化率ED的范围，结合实验和工程实践的经验，可得逻辑控制规则的符号表，如表1
所示。
根据表1可以得到逻辑控制规则如表2所示。
根据泛布尔逻辑代数的运算法则，可得到关于控制器的泛布尔逻辑代数算法如下：
（1）
考虑到了窑炉的降温相对于升温而言变化相对缓慢，所以在降温时通断比应尽量控制在较小的范围，同时，k值不能太小，否则不宜精确控制，同时也可能造成点火困难；当升温时，k值不能太大，因为当k≈1时，控制系统就相当于一个连续燃烧系统，无法实现脉冲燃烧的优势。
3 控制效果分析
控制算法是在上位机中实现的。通过采样温度值判断系统所处的阶段，然后执行相应的控制算法。当系统进入恒温段控制时，开始采用逻辑控制器，根据式（1）和表1所示的规则对窑炉的温度进行控制。为了分析控制效果，将泛布尔逻辑控制器和单点PID控制进行比较，从最大超调温度、烧结区最大温差和烧结区温差的平方和这三个方面来比较两种控制效果的优劣。
采用泛布尔逻辑控制器和采用单点PID控制时，其控制效果如表3所示。
从表中可以看出，相较于单点PID控制，采用泛布尔代数逻辑控制器后，富氧陶瓷窑炉的动态和稳态性能都有了较大的改善，温度场的分布也更为均匀。
表3 控制效果比较
泛布尔逻辑控制 PID控制
最大超调温度 5℃ 12℃
烧结区最大温差 2℃ 6℃
烧结区温差平方和（2 min） 110 450
4 结束语
富氧陶瓷窑炉具有燃烧充分、火焰温度高、升温快等优点，但也对控制系统提出了更高的要求。采用基于泛布尔代数的脉冲燃烧控制系统，可以在改善系统动态和稳态性能的同时，提高温度场分布的均匀性，减少了陶瓷成品的次品率，提高了效率和
效益。
参考文献
[1]杨钰.基于多传感器数据融合的温度模糊控制系统设计[J].传感器与仪器仪表,2005,21(11):417-418.
[2]曾令可,张明,李明,王慧,尹虹.陶瓷窑炉动态温度场的测试及操作的优化[J].华南理工大学学报，1999,20(3):158-163。
[3]何寿生.脉冲燃烧技术及其在陶瓷窑炉中的应用[J].陶瓷,2005,5(1):35-36.
[4]闵娟,黄之初,王小明,王晓春.Fuzzy-PID控制系统在工业窑炉控制中的应用[J].中国陶瓷工业,2005,12(5):50-53.
[5]边冰.基于PLC硬件系统的隧道窑温度模糊控制方案[J].佛山陶瓷,2004,
14(8):24-25.
作者简介
郎建勋（1981—），男，助教，主要从事计算机过程控制研究。
关键词 泛布尔代数；脉冲燃烧；富氧陶瓷窑炉
中图分类号 TP273 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)051-0088-02
富氧陶瓷窑炉采用高浓度氧作为助燃介质的陶瓷窑炉。国内的富氧陶瓷窑炉通常都采用连续燃烧技术，其燃烧器阀门的开度主要通过单点PID控制器进行控制。由于窑炉温度是一个大惯性、纯滞后的环节，加之燃料流量控制的非线性，采用连续燃烧技术的控制系统往往难以实现对温度的精确控制。另外，连续燃烧技术难以实现窑内温度场的均匀分布，容易产生局部热点，会使得陶瓷成品出现缺陷。
本文针对连续燃烧技术的不足之处，给出了一种基于泛布尔代数的富氧陶瓷窑炉脉冲燃烧控制系统的设计，该系统采用新型的脉冲燃烧技术，并通过泛布尔逻辑代数控制脉冲占空比，以减小窑炉温度的超调量，并改善窑内温度场的分布。
1 脉冲燃烧技术的实现
图1所示即为被控富氧陶瓷窑炉窑体上六个烧嘴的分布图（虚线所示为背面的烧嘴）。
图1 富氧陶瓷窑炉的烧嘴分布图
这六个烧嘴从空间位置上被分为三组：烧嘴1和烧嘴6；烧嘴2和烧嘴5；烧嘴3和烧嘴4。工作的时候，每一组的两个烧嘴轮流工作，以此来加剧窑内的热气流紊乱，进一步提高温度的均匀性。各烧嘴工作的时序如图2所示。
每一个烧嘴都由一个电动阀门和一个电磁阀控制，电动阀门用于控制烧嘴的燃烧功率，电磁阀用于控制烧嘴的通断比。设
p（0≤p≤1）为烧嘴的燃烧功率，当p=1时，燃气阀为满开度，烧嘴的输出功率达到最大；k（0≤k≤1）为电磁阀的通断比，表示烧嘴在一个周期内的开通时间。
通常情况下，采用脉冲燃烧技术时，烧嘴的燃烧功率p往往为固定值，仅通过改变通断比k来实现温度的控制。这种方法只需要控制一个参数，控制简单，但对燃烧功率p的选择存在以下两个问题：①若p值较小，则即便保持k≈1，窑炉的升温段都会变得非常缓慢，不满足系统快速性的要求。另外，过小的p值还可能会引起点火方面的问题。②若p值较大，则当窑炉进入恒温控制阶段时，由于此时的温度误差小，所以在较大的燃烧功率p的情况下（对不可调节的烧嘴相当于p≈1），k值将会变得非常小，加之PLC等设备的通信延时，将会很难对温度实现精确控制。所以在此采用功率可调的烧嘴，在升温段增大燃烧功率p以增加系统的快速性，在恒温段适当降低p值，从而使得占空比k更容易实现，温度控制的精确性更高。
对窑炉温度的控制主要是恒温段对通断比k的控制，通断比k的大小由泛布尔逻辑控制器来决定。
2 基于泛布尔逻辑的通断比控制
控制系统的结构图如图3所示。其中，恒温段泛布尔逻辑控制器的输入变量为温度误差E和误差变化率ED，逻辑控制器的输出为烧嘴的通断比k。根据温度误差E和误差变化率ED的范围，结合实验和工程实践的经验，可得逻辑控制规则的符号表，如表1
所示。
根据表1可以得到逻辑控制规则如表2所示。
根据泛布尔逻辑代数的运算法则，可得到关于控制器的泛布尔逻辑代数算法如下：
（1）
考虑到了窑炉的降温相对于升温而言变化相对缓慢，所以在降温时通断比应尽量控制在较小的范围，同时，k值不能太小，否则不宜精确控制，同时也可能造成点火困难；当升温时，k值不能太大，因为当k≈1时，控制系统就相当于一个连续燃烧系统，无法实现脉冲燃烧的优势。
3 控制效果分析
控制算法是在上位机中实现的。通过采样温度值判断系统所处的阶段，然后执行相应的控制算法。当系统进入恒温段控制时，开始采用逻辑控制器，根据式（1）和表1所示的规则对窑炉的温度进行控制。为了分析控制效果，将泛布尔逻辑控制器和单点PID控制进行比较，从最大超调温度、烧结区最大温差和烧结区温差的平方和这三个方面来比较两种控制效果的优劣。
采用泛布尔逻辑控制器和采用单点PID控制时，其控制效果如表3所示。
从表中可以看出，相较于单点PID控制，采用泛布尔代数逻辑控制器后，富氧陶瓷窑炉的动态和稳态性能都有了较大的改善，温度场的分布也更为均匀。
表3 控制效果比较
泛布尔逻辑控制 PID控制
最大超调温度 5℃ 12℃
烧结区最大温差 2℃ 6℃
烧结区温差平方和（2 min） 110 450
4 结束语
富氧陶瓷窑炉具有燃烧充分、火焰温度高、升温快等优点，但也对控制系统提出了更高的要求。采用基于泛布尔代数的脉冲燃烧控制系统，可以在改善系统动态和稳态性能的同时，提高温度场分布的均匀性，减少了陶瓷成品的次品率，提高了效率和
效益。
参考文献
[1]杨钰.基于多传感器数据融合的温度模糊控制系统设计[J].传感器与仪器仪表,2005,21(11):417-418.
[2]曾令可,张明,李明,王慧,尹虹.陶瓷窑炉动态温度场的测试及操作的优化[J].华南理工大学学报，1999,20(3):158-163。
[3]何寿生.脉冲燃烧技术及其在陶瓷窑炉中的应用[J].陶瓷,2005,5(1):35-36.
[4]闵娟,黄之初,王小明,王晓春.Fuzzy-PID控制系统在工业窑炉控制中的应用[J].中国陶瓷工业,2005,12(5):50-53.
[5]边冰.基于PLC硬件系统的隧道窑温度模糊控制方案[J].佛山陶瓷,2004,
14(8):24-25.
作者简介
郎建勋（1981—），男，助教，主要从事计算机过程控制研究。