CN104969018B - 陶瓷制品的自适应微波干燥的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了减少用于干燥经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法。这些方法包括发送原木状料块通过具有多个施加器的输出微波干燥器，每个施加器能够生成可调节的量的微波功率。基于微波干燥过程参数采用瞬变干燥模型以确定在输出微波干燥器的输出端处的预测的原木状料块出口温度。测量每个原木状料块的出口温度。基于所预测的和所测量的原木状料块出口温度之间的差别来调节被用于控制所施加的微波功率的量的瞬变干燥模型。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§120要求2012年11月27日提交的美国申请S/N 13/686,179的优先权，本申请基于该申请的内容并且该申请的内容通过引用整体结合于此。
技术领域
本公开涉及陶瓷制品的微波干燥，且尤其涉及改进干燥工艺的启动的适应性微波干燥方法。
背景技术
诸如发动机排气系统基底和过滤器之类的特定类型的陶瓷基制品由陶瓷批料(batch material)的挤压(extrusion)所形成。经挤压的陶瓷批料构成被称为“原木状料块(log)”的挤出物。一经离开挤压机，原木状料块具有高水分含量并因此需要被弄干以使得其可被进一步处理以形成最终的陶瓷基制品。
用于干燥原木状料块的一种方法涉及使用微波功率。此干燥通常通过使原木状料块穿过一系列微波干燥器或“施加器(applicator)”来完成。每个施加器被设置成供应被认为是当原木状料块从输入侧到输出侧穿过施加器时用于干燥原木状料块的必需的微波功率。
然而，归因于挤压工艺的异常行为，预定的微波功率干燥分布可常常导致在干燥过程期间原木状料块上的大量的温度可变性，尤其是当功率分布尚未针对被干燥的产品进行优化时在干燥过程开始的时候。这种温度可变性不仅引起原木状料块内的不想要的化学反应而且不利地影响原木状料块形状，其又不利地影响被制造的陶瓷制品。尤其，原木状料块形状变化可使所得的陶瓷制品落在其形状容许限制外。
因此，必须使用试错法(trial and error)来手动地调节该过程以使得干燥过程达到其中在整个原木状料块上的温度接近于期望的目标温度的稳定状态。主要取决于特定陶瓷配料成分和操作者的经验，此手动过程可花费从30分钟到15小时的任一时间。
发明内容
本公开的方面是减少用于干燥经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法。所述方法包括：发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端和多个施加器的至少一个输出微波干燥器，其中每个施加器能够生成可调节的量的微波功率。所述方法还包括：将所述可调节的量的微波功率施加至所述原木状料块。所述方法进一步包括：采用基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型来确定在所述至少一个输出微波干燥器的输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE。所述方法另外包括：当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM。所述方法还包括：基于所预测的原木状料块出口温度TPE和所测得的出口温度TM之间的差别来调节所述瞬变干燥模型以调节被施加至所述原木状料块的可调节的微波功率的量。
本公开的另一个方面是减少用于干燥具有中间温度TI的经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法。所述方法包括：发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端和多个施加器的至少一个输出微波干燥器，每个施加器能够生成可调节的量的微波功率。所述方法还包括：采用基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型来确定在干燥器输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE。所述方法进一步包括：当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM。所述方法另外包括：将目标原木状料块出口温度TTE与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第一温差ΔT＝TPE–TTE。所述方法还包括：将所测得的原木状料块出口温度TM与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第二温差dT＝TPE–TM。所述方法进一步包括：基于所述第一和第二温差ΔT和dT来调节由所述施加器中的至少一个所提供的微波功率的量以使得在送走位置处的原木状料块温度TR保持在围绕目标温度TT的选择温度带内。
本公开的另一个方面包括减少用于干燥经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法。所述方法包括：发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端、最后一个施加器和倒数第二个施加器的至少一个输出微波干燥器，其中每个施加器能够生成可调节的量的微波功率。所述方法包括：使用所述最后一个施加器和所述倒数第二个施加器中的至少一个来将所述可调节的量的微波功率施加至所述原木状料块，所述可调节的量受可操作地连接至所述最后一个施加器和所述倒数第二个施加器的控制器控制。所述方法还包括：采用包括在所述控制器的计算机可读介质中并且基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型，确定在所述至少一个输出微波干燥器的输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE。所述方法进一步包括：当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM并且将所测得的温度出口温度作为代表所测得的出口温度TM的测得的温度信号提供给所述控制器。所述方法另外包括：调节正在所述控制器上运行的所述瞬变干燥模型以确定被施加至所述原木状料块的可调节的微波功率的量的变化以减少所预测的原木状料块出口温度TPE和所测得的出口温度TM之间的差别。所述方法还包括：使用所述控制器使可调节的微波功率的量改变所确定的量。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者表示本公开的实施例并且它们旨在提供用于理解所要求保护的本公开的本质和特性的概观或框架。所包括的附图用于提供对本公开的进一步理解且被结合到本说明书中并构成其一部分。附图示出本公开的各个实施例并与说明书一起用于解释本公开的原理和操作。
将在以下详细描述中阐述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点在某种程度上对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图的本文所述的实施例可认识到。
如下阐述的权利要求书被结合到下面阐述的详细描述中并构成其一部分。
附图说明
图1是适用于执行所公开的微波干燥方法的示例微波干燥系统的示意图；
图2A和2B描绘了对于由两种不同的常规陶瓷材料制成的原木状料块的测得的原木状料块温度TL(℃)对时间(小时)，其中使用现有技术微波干燥方法干燥原木状料块，这两幅绘图示出了在原木状料块达到稳态原木状料块温度之前的干燥瞬变；
图3是根据本公开的用于以减少的干燥瞬变来干燥原木状料块的示例控制过程的组合式系统/流程图；
图4是图1的微波干燥系统的实施例的示意图，其中该系统包括并行地操作的两条微波干燥线并且其中该两条干燥线共享送走位置；
图5是测得的出口温度TE(℃)对送走位置处的测得的温度TR(℃)的数据的绘图，连同通过该数据的最佳拟合线一起；
图6是示出了基于微波干燥生产数据的测得的原木状料块出口温度TE以及如由瞬变干燥模型所预测的预测的原木状料块出口温度TPE的原木状料块号k对温度T(℃)的绘图；
图7A描绘了现有技术微波干燥过程的测得的送走原木状料块温度TR(℃)(左垂直轴)和微波功率分布P(t)(右垂直轴)，示出了基于对微波功率分布的手动调节，原木状料块温度如何从未达到如由目标带所定义的稳态；以及
图7B是与图7A相同的绘图但是是对于这里所公开的基于自动化模型的微波干燥过程，其中基于原木状料块干燥过程的瞬变干燥模型来自动地调节微波功率分布P(t)以快速地将干燥过程带至稳态。
将在以下详细描述中陈述本发明的附加特征和优点，这些特征和优点对于本领域的技术人员来说根据该描述将是显而易见的，或者通过实施本文中以及权利要求书和附图中描述的本公开可认识到。
为了参考起见在某些附图中显示了笛卡尔坐标，但是笛卡尔坐标不旨在关于方向或取向的限制。
具体实施方式
图1是包括第一干燥器20A和第二干燥器20B的示例微波干燥系统(“系统”)10的示意图。第一干燥器20A具有输入端22A和输出端24A，而第二干燥器20B具有输入端22B和输出端24B。第一干燥器20A包括内部26A以及多个施加器30A，通过示例的方式示出有四个施加器30A1、30A2、30A3和30A4。同样地，第二干燥器20B包括内部26B以及多个施加器30B，通过示例的方式示出有四个施加器30B1、30B2、30B3和30B4。每个施加器30A和30B被配置成将相应的微波40A(即，40A1、40A2、40A3、40A4)和40B(即，40B1、40B2、40B3、40B4)生成到它们相应的内部26A和26B中。施加器30B3和30B4分别构成第二干燥器20B中的倒数第二个施加器和最后一个施加器。
在系统10中，第一干燥器20A可被视为“输入”干燥器并且第二干燥器20B可被视为“输出”干燥器。构想系统10的其它干燥器配置，诸如包括位于输入和输出干燥器20A和20B之间的一个或多个“中间”干燥器的配置。同样，多个输入干燥器20A可被布置成并行地操作，并且多个输出干燥器20B可被布置成并行地操作。在图4中示出并在下面讨论系统10的这种配置的示例。进一步，在每个输入干燥器20A和输出干燥器20B中使用四个施加器30是以实例说明，并且可在任一干燥器中使用更少或更多的施加器。
系统10包括输送机50，该输送机50具有输入位置60。输送机50通过第一干燥器20A的内部26A并通过第二干燥器20B的内部26B运行到输出或出口位置62并接着到送走(pack-off)位置63。输送机50被配置成移动由经挤压的陶瓷材料形成的原木状料块100。在托盘102上支撑原木状料块100。输入位置60是托盘102从挤压机(未示出)接收原木状料块100的地方。送走位置63是从输送机50中移除经干燥的原木状料块100”以用于进一步处理的地方。系统10还包括在干燥器20A和20B之间并沿着输送机50的中间位置61，其中原木状料块100被部分地干燥，并且这些原木状料块由附图标记100’所指示。出口位置62是经干燥的原木状料块100”离开第二干燥器20B的输出端24B的地方。输送机50因此将经干燥的原木状料块100”从出口位置62移动到送走位置63。在此过渡期间，经干燥的原木状料块100”的温度必要地从出口原木状料块温度TE降低到送走位置温度TR。
系统10包括第一、第二和第三温度传感器80，在一示例中，其可分别被设置在施加器30B4的输入处、在干燥器20B的输出端24B处以及在送走位置63处。温度传感器80之一还可被设置在中间位置61处(见，例如，图4)。第一温度传感器80测量在施加器30B4的输入处的经部分地干燥的原木状料块100’的中间温度TI并且作为响应生成第一温度信号SI，该第一温度信号SI代表测得的中间温度。这是示例并且通过图示的方式示出，因为还可使用来自其它输入位置(诸如毗邻施加器30B3或30B2的输入的位置)或中间位置61的温度。同样地，第二温度传感器80在经干燥的原木状料块100”在毗邻输出端24B的出口位置62处离开干燥器20B时测量经干燥的原木状料块100”的出口原木状料块温度TE。第二温度传感器80生成温度信号SE，该温度信号SE代表测得的出口温度TE。第三温度传感器80测量在送走位置63处的经干燥的原木状料块100”的前述温度TR并生成代表送走温度TR的温度信号SR。示例温度传感器80是高温计，诸如基于激光的高温计。
系统10进一步包括控制器150，该控制器150可操作地连接至干燥器20B的施加器30B并且连接至温度传感器80。控制器150被配置成通过相应的功率信号SP3和SP4来控制施加器30B4和30B3的激活，该功率信号SP3和SP4控制由这些施加器所发射的微波功率40B1和40B2的量。
示例控制器150是包括处理器单元(“处理器”)152和存储单元(“存储器”)154的计算机(诸如微型计算机)并且被配置成控制系统10的操作。在示例中，控制器150是或包括计算机且包括用于从计算机可读介质(诸如闪存、光存储设备或其它数字源(诸如网络或因特网)以及仍在开发的数字装置)中读取指令和/或数据的设备，例如，基于光学的驱动器(未示出)或包括诸如以太网设备(未示出)之类的网络连接设备的任何其它数字设备。计算机执行存储在固件中的指令。
控制器150是可编程的以执行本文中所描述的功能，包括系统10的操作以控制微波干燥过程。如本文中所使用的，术语“计算机”或“控制器”不仅仅限于在本领域中被称为计算机的那些集成电路，而宽泛地指代计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路以及其它逻辑电路，且这些术语在本文中可互换地使用。
软件可实现或帮助执行如由控制器150所控制的本文中公开的干燥控制功能和方法，包括与回归模型、瞬变干燥模型和瞬变干燥模型适应有关的计算的性能，如下面所描述的。软件可被可操作地安装在控制器150或处理器152中。软件功能可涉及包括可执行代码的编程，并且这些功能可被用于实现本文中所公开的方法。这种软件代码可由通用计算机或由下面描述的处理器单元执行。
在操作中，该代码以及可能地相关联的数据记录被存储在通用计算机平台内、在处理器单元内、或在本地存储器中。然而，在其它时候，该软件可被存储在其它位置处和/或被运输以加载到合适的通用计算机系统中。因此，本文中所讨论的实施例涉及由至少一个机器可读介质携带的一个或多个代码模块为形式的一个或多个软件产品。由计算机系统的处理器或处理器单元执行这种代码使得平台能够基本上以与在本文中所讨论和示出的实施例相同的方式来实现目录和/或软件下载功能。
控制器150可采用计算机可读介质或机器可读介质，其指代参与向处理器提供指令以供执行的任何介质，包括例如确定每个施加器30应当生成多少微波功率。存储器154和处理器152构成计算机可读介质。这样的介质可采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质包括，例如，光盘或磁盘，诸如以上所讨论的作为服务器平台之一操作的任何计算机中的存储设备中的任何一个。易失性介质包括动态存储器，诸如这样的计算机平台的主存储器。物理传输介质包括同轴电缆、铜导线和光纤，包括含计算机系统内的总线的各类导线。
在系统10的一般操作中，输送机50移动原木状料块100通过第一干燥器20A，其中施加器30A1到30A4生成微波功率40A1到40A4以部分地干燥原木状料块。这导致经部分地干燥的原木状料块100’驻留在第一和第二干燥器20A和20B之间的中间位置61处。当控制器150可被可操作地连接至施加器30A1到30A4时，还可独立于第二干燥器20B的施加器30B而操作这些施加器并且还可手动地调节这些施加器。
使用第一温度传感器80在毗邻施加器30B4的输入的位置处测量经部分地干燥的原木状料块100’的温度TI。相应的温度信号SI被发送至控制器150。如在下面更详细地解释的，控制器150经由相应的功率信号SP(即，SP4和SP3)控制微波功率40B1和40B2的量。功率信号SP被用于创建针对给定施加器30B所定义的功率分布P(t)。
第二温度传感器80测量在出口位置62处的出口原木状料块温度TE并将相应的温度信号SE发送至控制器150，其还包括原木状料块100”的预测的出口温度TPE和目标原木状料块温度TT，以及围绕目标原木状料块温度的上和下温度限TU和TL。上和下温度限TU和TL定义围绕目标原木状料块温度TT的温度范围δT＝TU–TL。
系统10被配置成以减少干燥瞬变(transient)的方式在第二干燥器20B中执行干燥经部分地干燥的原木状料块100’的方法。干燥瞬变是在微波干燥期间发生的原木状料块温度的变化并且使干燥过程花费相对长的时间来变得稳定，即，使原木状料块温度保持在围绕目标原木状料块温度TT的阈值温度范围内。
图2A是由陶瓷材料制成的原木状料块100的测得的原木状料块温度TL(℃)对时间(小时)的绘图，其中使用现有技术微波干燥方法来干燥该原木状料块。中心线是目标原木状料块温度TT，而上线和下线是上温度限和下温度限TU和TL。
图2A的绘图示出了干燥过程花费过长的时间来到达稳态操作，其中原木状料块出口温度TE接近于期望的目标温度TT。在干燥过程达到稳态之前的原木状料块温度干燥瞬变大的让人难以接受，并且它们大大延迟到稳态干燥的收敛。这导致生产陶瓷制品中的不想要的延迟。
图2B类似于图2A并且描绘了对于被用于制作排放后处理系统的另一示例常规陶瓷材料成分的测得的出口原木状料块温度TE。在此情况中，干燥过程再次花费非常长的时间来到达稳态操作，其中原木状料块出口温度TE不必接近于期望的目标温度TT但至少是稳定且一致的。在该过程达到稳态之前的原木状料块温度干燥瞬变大的让人难以接受，并且它们大大延迟到稳态干燥的收敛。这导致生产陶瓷制品中的不想要的延迟。
图3是示出了用于干燥经部分地干燥的原木状料块100’的示例减少的瞬变干燥控制过程(“控制过程”)200的组合式系统/流程图。控制过程200由控制器150进行管理，在该控制过程中，该控制器150被示为包括(例如，运行)回归模型206并将结果馈送到干燥过程210中。干燥过程210由施加器30B3和30B4所执行。分别由施加器30B3和30B4所生成的微波功率40B2和40B1的量由来自控制器150中的施加器控制器156的功率控制信号SP(即，SP3和SP4)主动地控制。
干燥过程210同样已关联于多个过程参数PP，诸如在毗邻施加器30B4的输入的位置处的原木状料块温度TI、对应于施加器里面的最大可允许负载的施加器30B4中的最大功率、由施加器里面的原木状料块100’的个数所给出的负载。过程参数PP穿过第一过滤器220，其减少了信号SP中的测量相关和过程相关的噪声。经过滤的过程参数PP随后被输入到瞬变干燥模型230中，其产生预测的原木状料块出口温度TPE。同时，干燥过程210还经由第二温度传感器80和相应的温度信号SE(见图1)在第二干燥器20B的输出端24B处(即，在出口位置62处)产生经干燥的原木状料块100”的实际测得的出口温度TM。使此测得的原木状料块温度TM穿过第二过滤器220，其减少了信号SE中的测量相关和过程相关的噪声。
经过滤的测得的原木状料块温度TM随后被提供至瞬变干燥模型修正因子250。瞬变干燥模型修正因子250还从瞬变干燥模型230接收预测的原木状料块出口温度TPE。瞬变干燥模型修正因子250是适应机制，其允许基于测量的原木状料块温度TM对预测的原木状料块出口温度TPE的误差的量(即，两者之间的差)来在干燥过程期间改变瞬变干燥模型230。预测的原木状料块出口温度TPE连同如由回归模型206所确定的目标出口温度TTE一起被输入到控制器150的施加器控制器156中。
控制过程200的一般操作是基于使用瞬变干燥模型230来预测出口原木状料块温度TPE并将此温度与目标原木状料块出口温度TTE进行比较以评估温差ΔT。该温差ΔT随后被用于确定需要由施加器控制器156所施加以使得测得的原木状料块出口温度TM更接近于目标原木状料块出口温度TTE的微波功率40的量。如果测得的原木状料块出口温度TM更接近于目标原木状料块出口温度TTE，则基于回归模型206，可确保送走位置温度TR也将更接近于目标原木状料块温度TT。由于瞬变干燥模型230是基于如下所述的特定假设，因而瞬变干燥模型修正因子250被用于基于实际测得的原木状料块温度TM和预测的原木状料块出口温度TPE之间的误差(差别)来考虑任何模型不准确性并且向瞬变干燥模型提供必要的修正。
控制过程200具有尽可能快地将微波干燥过程驱动至稳定操作(即，至围绕目标温度TT的上限温度和下限温度TU和TL内的基本恒定的送走位置温度TR)以减少或消除对系统10的手动调节的需要作为其目标之一。预测的原木状料块出口温度TPE是基于中间原木状料块温度TI和过程参数PP。可预先良好地应用对微波功率分布P(t)的修正以反击(counter)送走位置温度TR与目标原木状料块温度TT的偏差。
瞬变干燥模型
瞬变干燥模型230是基于陶瓷基经挤压原木状料块100的微波干燥的基本原理的集总参数模型。瞬变干燥模型230将跟踪原木状料块温度中的趋势而不是跟踪原木状料块温度本身到一小部分程度作为其目的。基于原木状料块100里面的功率的保存，温度T和干燥度D随给定原木状料块100(第k个原木状料块)的时间的变化的微波干燥过程模型可被写为：
(方程1)
(方程2)
其中，Tk和Dk分别是原木状料块k的原木状料块温度和干燥度、pk_耗散是原木状料块k上的微波耗散功率、wk是原木状料块k的初始质量并且Cp_湿的和Cp_干的分别是当原木状料块k是湿的和干的时的该原木状料块k的热容量。并且，Hv是水的汽化的特定潜热、RH2O是按质量百分比计的批量含水率，并且Te是水的蒸发温度。
瞬变干燥模型230是基于下列假设：
1.水在特定温度Te下蒸发。
2.在原木状料块和其周围环境之间的热传递是可以忽略的。
3.到周围环境(诸如干燥器墙、输送带、相邻原木状料块)的微波功率的损失是可以忽略的。
如本文中所公开的系统10和使用该系统的干燥方法针对当原木状料块100’从经部分地干燥的状态过渡到最终干燥的状态时控制原木状料块温度干燥瞬变以使得不需要方程(2)。此外，系统10及其相关联的方法设法通过改变功率信号SP来调节微波功率分布P(t)(即，施加器30B3和30B4的微波功率40B的时间演化，即，P3(t)和P4(t))以控制最终的(出口)原木状料块温度TE。这允许基于经部分地干燥的原木状料块100’在它们到达施加器30B4的时候是充分干燥的这一假设来使用方程(1)的第三部分的修正版本以让微波功率40B1的增加或减少直接影响原木状料块温度。也就是说，原木状料块100’的温度大于水的蒸发温度。这允许在干燥过程的后期阶段期间，例如，在第二(输出)干燥器20B中控制微波干燥过程。在其它示例中，干燥控制过程被应用于跟随多个输入或中间干燥器的多个输出干燥器20B。
在系统10中所执行的微波干燥过程中由每个施加器30B所施加的微波功率40B的量是呈现给每个施加器的负载的函数。该负载由第二干燥器20B中的原木状料块100’的尺寸、形状、数量、质量、含水量和化学成分所限定。如果被呈现给给定施加器30B的负载处于其最大值，则所施加的微波功率40B处于如由功率分布计算所确定的最大功率设定点(Pmax)。
因为给定施加器30B的负载改变，所以由每个施加器30B所施加的微波功率40B的量是最大功率设定点Pmax的分数。因此由每个原木状料块100’所吸收的功率间接地是最大功率设定点Pmax的函数。此函数的最简单近似是下列形式的线性函数：
pk_耗散＝k'Pmax+k”, (方程3)
其中k’和k”是基于优化技术所确定的常量。
将方程(3)代入方程(1)的第三部分中并在原木状料块100’从入口传到干燥器20B的施加器30B4的出口所花费的时间上积分产生：
(方程4)
其中是第k个原木状料块的出口温度(TE)、是第k个原木状料块的初始温度(TI)并且h是该原木状料块经过干燥器20B的施加器30B4所花费的时间。
重新整理方程(4)的各项导致下列的表达式。
(方程5)
使用历史性的微波原木状料块干燥数据并针对最大功率设定点Pmax的给定变化分析原木状料块温差的改变来获得参数K1。然而，参数K’1可能难以获得。瞬变干燥模型230因此被近似为：
(方程6)
其中是原木状料块k的预测的出口温度(TPE)、是在原木状料块k进入最后的施加器30B(例如，30B4)之前的该原木状料块的初始温度并且Pmax是最后的施加器的最大功率设定点。参数K2是模型修正因子并且被定义为：
(方程7)
其中q是样本号，T测得的是在干燥线的出口处的测得的原木状料块温度(TE)、n是用于平均的原木状料块100’的个数并且K’2是常量。
瞬变干燥模型230需要准确地考虑来自第一和第二温度传感器80的初始和出口温度测量TI和TE。在示例中，温度传感器测量误差可被分成两种类别：偏移(bias)误差和随机误差。可以直接方式解决偏移误差，然而解决随机误差是更有问题的。因此如下修正上文的方程(6)和(7)以在高温计测量中考虑偏移误差。
从方程(6)中，第一原木状料块的出口温度TE可被定义为：
(方程8)
从方程(6)中减去方程(8)，获得下列方程：
(方程9)
其中
(方程10A–10C)
方程9和10A–10C定义了经发展的瞬变干燥模型230。使用在形成陶瓷制品的生产过程期间所获得的微波原木状料块干燥的历史数据来获得参数K1。从方程(9)中，K1可被定义为对于最大功率设定点的单位变化的出口原木状料块温度TE的变化。对于此应用，K4等于1并且n被选择成等于5。
分析历史产品数据以获得参数K1。参数K3定义瞬变干燥模型修正因子250(见图3)。其代表用于修改瞬变干燥模型230以考虑相对于如在历史生产数据中所反映的生产实际的任何模型不准确性的内置适应机制。
下面的表1阐述了对于不同产品系列(即，陶瓷批料)的参数K1的示例值。
回归模型
图4是类似于图1的示例系统10的示意图，除了该系统包括并行地操作的两个输入干燥器20A(即，20Aa和20Ab)和并行地操作的两个输出干燥器20B(即，20Ba和20Bb)。输送机50在输入位置60处接收原木状料块100并在两个输入干燥器20Aa和20Ab之间分配原木状料块。在相应的中间位置61处离开两个输入干燥器20Aa和20Ab的经部分地干燥的原木状料块100’随后被输送到两个输出干燥器20Ba和20Bb并且在这两个输出干燥器之间进行分配。在相应的输出端24B处离开两个输出干燥器20Ba和20Bb的经输出的干燥的原木状料块100”被从相应的出口位置62输送至送走位置63。因此，系统10具有两条干燥线DL1和DL2，其中干燥线DL1由输入和输出干燥器20Aa和20Ba所构成并且干燥线DL2由输入和输出干燥器20Ab和20Bb所构成。
回归模型206允许系统10在两条干燥线DL1和DL2之间进行区分。回归模型206被用于限定在每条干燥线DL1和DL2的输出端24B(即，出口位置62)处的目标温度TTE。其限定了在送走位置63处的目标原木状料块温度TTR和每条干燥线DL1和DL2的出口位置62处的目标原木状料块温度TTE之间的关系。
在两条干燥线DL1和Dl2的出口位置62处的经干燥的原木状料块100”的温度测量限定特定干燥线的原木状料块出口温度TE。回归模型206具有下列形式：
(方程11)
其中T出口 目标是在每条干燥线DL1和Dl2的出口位置62处的目标温度(TTE)、T送走 目标是在送走位置63处的期望的目标温度(TT)并且K’和K”是模型参数。历史生产数据被用于确定模型参数K’和K”。
图5是出口位置62处的经干燥的原木状料块100”的原木状料块出口温度TE(℃)对送走位置63处的经干燥的原木状料块100”的温度TR(℃)的绘图。通过这些点的实线是对如由TE＝(1.0681)·TS–10.61所定义的数据的最佳拟合线，其中具有0.7221的R2值。回归模型206仅被用于将送走位置63处的目标原木状料块温度TT转换至输出干燥器20B的输出端24B处的目标原木状料块温度TTE。因此，回归模型206中的任何误差在控制过程200中被考虑只有一次。
为了进一步缓解回归模型206中的任何误差的影响，在示例实施例中，控制过程200被配置成将测得的原木状料块送走位置温度TR驱动至位于目标原木状料块温度TT周围的特定带内而不是恰好目标温度。对于图5的绘图中的低R2值的原因之一是温度传感器80相对于原木状料块100”的位置。在出口位置62和送走位置63处的温度传感器80测量在原木状料块100”中的不同位置处的原木状料块温度。通过确保测量位置和相应的温度传感器80的位置基本上相同可获得更好的(更高的)R2值。
下面的表2阐述了对于不同的产品系列(批料)和不同的干燥线DL1和DL2的K’和K”的示例值。
控制器
在示例中，控制器150被配置成将原木状料块送走位置温度TR驱动至位于以期望的目标温度TT为中心的宽度ΔT的容差带内。使用回归模型206，送走位置63处的目标原木状料块温度TR被转换至干燥线DL1的出口位置62处的目标原木状料块温度TTE。使用过程参数PP和瞬变干燥模型230来预测原木状料块出口温度TE。将此预测的原木状料块出口温度TPE与测得的原木状料块出口温度TM进行比较并且测得的原木状料块出口温度和预测的原木状料块出口温度之间的误差(差别)dT被用作瞬变干燥模型修正因子250的输入。
施加器控制器156的输出是必须调节微波功率40B以补偿预测的原木状料块出口温度TPE和目标原木状料块出口温度TTE之间的误差(差别)ΔT的量。在示例中，施加器控制器156作为比例控制器操作。使施加器控制器156以此方式操作存在两个主要益处。第一个是易于维持。第二个是瞬变干燥模型230的参数K1决定了对于所施加的微波功率40B的单位变化的原木状料块温度的变化。因此K1的倒数决定了用于获得原木状料块温度的单位变化所需的微波功率40B的量。因此，瞬变干燥模型230的参数K1的倒数被用作施加器控制器156的比例增益。
示例施加器控制器156因此具有下列形式：
(方程12)
模型预测的出口原木状料块温度TPE和目标出口原木状料块温度TTE之间的预测的温度误差(差别)被乘以施加器控制器156的比例控制以给出用于补偿预测的温度误差(差别)ΔT所需的所施加的微波功率40B中的变化的量。为了使施加器控制器156保守地操作，在示例实施例中，在输出干燥器20B的最后两个施加器30B4和30B3中均等地分配由施加器控制器156所输出的功率信号SP。这样做是为了缓解原木状料块100’在它们到达输出干燥器20B中的最后的施加器30B4之前是近乎干燥的这一假设的任何不利影响。
图6是原木状料块号k对温度T(℃)的绘图并且示出了预测的原木状料块出口温度TPE连同生产数据的测得的原木状料块出口温度TE一起。基于多个验证数据集，瞬变干燥模型230的预测和测量之间的平均误差(差别)仅约3.5℃。这支持瞬变干燥模型230在控制过程200中的使用以使得系统10的微波干燥过程更自动化且因此结构化、一致且可靠。
图7A和7B是送走原木状料块温度TR(℃)和所施加的微波功率分布P(t)(kW)对时间的绘图。图7A示出了手动地改变微波功率40的现有技术方法，而图7B示出了使用本文中所公开的控制器150和减少的瞬变干燥控制过程200自动地改变微波功率分布P(t)的方法。这两组数据是为了诸如在图4中所示的具有两条干燥线DL1和DL2的系统10。连同定义温度(容差)带δT的围绕目标温度的上温度限和下温度限TU和TL一起示出了目标温度TT。热原木状料块(hot-log)限HLL和湿原木状料块(wet-log)限WLL也被示出并且定义缺陷温度限。箭头标记的JC表示引起数据的暂时中断的“跳槽(job change)”。存在功率分布P(t)的两条虚线和两条点线，其中两条虚线指示对于输出干燥器20B之一(假设，20Ba)中的最后一个和倒数第二个施加器的功率分布并且两条点线指示对于另一个输出干燥器(假设，20Bb)的最后一个和倒数第二个施加器的功率分布。注意在某些实例中，虚线和点线功率分布重叠。
图7A示出了利用手动地改变微波功率40的现有技术方法，在送走位置63处的原木状料块温度TR没有到达稳态并且非常接近于热原木状料块限HLL，该热原木状料块限HLL定义了缺陷限制之一。在约2.5小时之后手动地减少微波功率40以稍微降低送走原木状料块温度TR。
图7B示出了送走原木状料块温度TR比在图7A的手动过程中快得多地达到目标温度TT并且还停留在目标带δT内。这主要是由于瞬变干燥模型230计算减少或消除温度瞬变的功率调节这一事实。基于多个验证试验，与手动方法比较起来，在控制器150的自动化操作下的系统10能够减少给定的经部分地干燥的原木状料块100’达到稳态干燥温度所花费时间平均约36％。而且，实验运行表明相比在完全手动微波干燥过程期间所招致的损失，归因于制造误差的原木状料块损失的数量可被减少多达约43％。
混合控制过程
在本文中所公开的系统和方法的示例方面，微波干燥过程的瞬变控制被结合到微波干燥过程的稳态部分中。这能够如下进行完成。首先，在系统10中发起干燥过程，其中如上所述实现减少的瞬变干燥控制过程200。在当微波干燥过程还没有达到稳定时的时间期间，减少的瞬变干燥控制过程200修改输出干燥器20B中的至少最后两个施加器30B的微波功率分布P(t)来以快于如果手动地管理此过程的速度将此干燥过程带至稳态。
一旦干燥过程达到稳态，控制器150就发起监控微波干燥过程的稳态操作制度(regime)的混合控制过程。控制算法的监督层连续地监控对输出干燥器20B的前两个施加器30B的微波功率分布P(t)作出的任何改变。如果没有改变，则此过程确定是否已经存在对输出干燥器20B的倒数第二个施加器30B的大于3kW的任何微波功率分布改变。如果已经存在这样的改变，则重置混合控制过程并且此过程返回至就在发起减少的瞬变干燥控制过程200之后的点。同样地，如果对输出干燥器20B的前两个施加器30B作出对微波功率分布P(t)的改变，则混合控制过程被重置并且返回至就在发起减少的瞬变干燥控制过程200之后的点。仅在减少的瞬变干燥控制过程200使干燥过程到达稳态操作制度之后再次发起混合控制。
混合控制过程主要被用于控制微波干燥过程的稳态操作制度。其结合了基于模糊逻辑的前馈控制和基于基本原理模型的反馈控制的组合。其补偿了在微波干燥过程的稳态操作期间的负载和成分变化。混合控制过程的主要目标是减少稳态过程变化和稳态过程损失。
虽然已参照具体方面和特征描述了本文中的实施例，将理解这些实施例仅说明期望的原理和应用。因此，应当理解，可对说明性实施例作出多种修改，而且可设计其它设置，而不背离所附权利要求的精神和范围。
Claims (19)
1.一种减少用于干燥经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法，包括：
发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端和多个施加器的至少一个输出微波干燥器，每个施加器能够生成可调节的量的微波功率；
将所述可调节的量的微波功率施加至所述原木状料块；
采用基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型，其中所述瞬变干燥模型基于微波干燥过程参数确定在所述至少一个输出微波干燥器的输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE；
当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM；以及
基于所预测的原木状料块出口温度TPE和所测得的出口温度TM之间的差别来调节所述瞬变干燥模型以调节被施加至所述原木状料块的可调节的微波功率的量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个输出微波干燥器包括最后一个施加器和倒数第二个施加器，并且其中所述可调节的量的微波功率的施加是由所述最后一个施加器和所述倒数第二个施加器中的至少一个所执行的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过使湿的陶瓷原木状料块通过至少一个输入干燥器来从所述湿的陶瓷原木状料块形成所述经部分地干燥的陶瓷原木状料块。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，包括利用可操作地连接至所述至少一个输出微波干燥器的控制器来控制所述微波功率的施加。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制器基于包括在计算机可读介质中的指令来运行所述瞬变干燥模型。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用毗邻所述至少一个输出干燥器的输出端而布置的温度传感器来执行测量所述出口温度。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述温度传感器包括激光高温计。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个输出微波干燥器包括第一和第二输出微波干燥器，进一步包括发送第一组原木状料块通过所述第一输出微波干燥器、第二组原木状料块通过所述第二输出微波干燥器并且采用回归模型来在所述第一组和第二组原木状料块的出口温度测量之间进行区分，其中所述回归模型建立送走位置处的目标原木状料块温度TT和所述第一和第二输出微波干燥器的出口位置处的目标原木状料块出口温度TTE之间的关系。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将目标原木状料块出口温度TTE与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第一温差ΔT＝TPE–TTE；
将所测得的原木状料块出口温度TM与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第二温差dT＝TPE–TM；以及
基于所述第一和第二温差ΔT和dT来调节由所述施加器中的至少一个所提供的微波功率的量以使得在送走位置处的原木状料块温度TR保持在围绕目标温度TT的选择温度带内。
10.一种减少用于干燥具有初始温度TI的经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法，包括：
发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端和多个施加器的至少一个输出微波干燥器，每个施加器能够生成可调节的量的微波功率；
采用基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型，其中所述瞬变干燥模型基于微波干燥过程参数确定在干燥器输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE；
当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM；
将目标原木状料块出口温度TTE与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第一温差ΔT＝TPE–TTE；
将所测得的原木状料块出口温度TM与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第二温差dT＝TPE–TM；以及
基于所述第一和第二温差ΔT和dT来调节由所述施加器中的至少一个所提供的微波功率的量以使得在送走位置处的原木状料块温度TR保持在围绕目标温度TT的选择温度带内。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括基于所测得的原木状料块出口温度TM和所预测的原木状料块出口温度TPE来调节所述瞬变干燥模型以使得所述瞬变干燥模型更紧密地对应于所述微波干燥过程。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述干燥器包括毗邻至少一个微波干燥器输出端的最后一个施加器以及毗邻所述最后一个施加器的倒数第二个施加器，并且其中调节微波功率的量包括调节被供应至所述最后一个和倒数第二个施加器的微波功率的量。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括使来自挤压机的湿的原木状料块通过一输入干燥器以形成所述经部分地干燥的原木状料块。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述微波干燥过程参数包括下列中的一个或多个：在毗邻于施加器的输入的位置处的原木状料块温度、对应于施加器里面的最大可允许负载的所述施加器中的最大功率以及由施加器里面的原木状料块的个数所给出的所述施加器里面的负载。
15.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述至少一个输出微波干燥器包括第一和第二输出微波干燥器以及从输送机中移除所述原木状料块的送走位置，进一步包括运行回归模型，所述回归模型建立所述送走位置处的目标原木状料块温度TT和所述第一和第二输出微波干燥器的出口位置处的所述目标原木状料块出口温度TTE之间的关系。
16.一种减少用于干燥具有初始温度TI的经部分地干燥的陶瓷原木状料块的微波干燥过程中的瞬变温度变化的方法，包括：
发送所述原木状料块通过具有输入端、输出端、最后一个施加器和倒数第二个施加器的至少一个输出微波干燥器，其中每个施加器能够生成可调节的量的微波功率；
使用所述最后一个施加器和所述倒数第二个施加器中的至少一个来将所述可调节的量的微波功率施加至所述原木状料块，所述可调节的量受可操作地连接至所述最后一个施加器和所述倒数第二个施加器的控制器控制；
采用包括在所述控制器的计算机可读介质中并且基于微波干燥过程参数的瞬变干燥模型，其中所述瞬变干燥模型基于微波干燥过程参数确定在所述至少一个输出微波干燥器的输出端处的预测的原木状料块出口温度TPE；
当所述原木状料块离开所述至少一个输出微波干燥器的输出端时测量每个原木状料块的出口温度TM并且将所测得的温度出口温度作为代表所测得的出口温度TM的测得的温度信号提供给所述控制器；
调节正在所述控制器上运行的所述瞬变干燥模型以确定被施加至所述原木状料块的可调节的微波功率的量的变化以减少所预测的原木状料块出口温度TPE和所测得的出口温度TM之间的差别；以及
使用所述控制器使可调节的微波功率的量改变所确定的量。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括：
将目标原木状料块出口温度TTE与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第一温差ΔT＝TPE–TTE；
将所测得的原木状料块出口温度TM与所预测的原木状料块出口温度TPE进行比较以定义第二温差dT＝TPE–TM；以及
基于所述第一和第二温差ΔT和dT来调节由所述最后一个和倒数第二个施加器中的至少一个所提供的微波功率的量以使得在送走位置处的原木状料块温度TR保持在围绕目标温度TT的选择温度带内。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，进一步包括使来自挤压机的湿的原木状料块通过一输入干燥器以形成所述经部分地干燥的原木状料块。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，使用毗邻至少一个输出干燥器的输出端而布置的温度传感器来执行测量所述原木状料块的所述出口温度。
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