CN105159235A

CN105159235A - 回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统

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Publication number: CN105159235A
Application number: CN201510007760.XA
Authority: CN
Inventors: 樊生文; 胡长斌; 王鹏; 史运涛; 李正熙; 孙德辉
Original assignee: North China University of Technology
Current assignee: North China University of Technology
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: CN105159235B

Abstract

本发明涉及一种电解铝炭素阳极熟料的回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统，属于自动控制技术领域，根据窑皮温度和窑内温度的非线性传热关系，按照神经网络和有限元的混合建模方法，根据窑皮温度、窑头温度、窑尾温度，以及窑头、窑尾压力等工艺检测参数，建立窑皮温度与窑内温度的非线性映射关系，以克服现有技术存在的煅烧带温度的测量粗糙，不能真实反映的煅烧带温度、位置、长度数据的问题；同时在现有回转窑自动控制的基础上，加入一种高效、稳定、实时的网络通信方案，以实现信息、操作管理集中化和控制分散化，从而达到提高产品质量、节能降耗、可靠稳定运行的目标。

Description

回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种电解铝炭素阳极的熟料煅烧过程中回转窑的控制方法及系统。

背景技术

炭素阳极在铝电解槽生产过程中起着十分重要的作用，它作为导体将直流电导入电解槽，并作为电解槽阳极材料参与阳极反应过程。每生产一吨原铝要消耗500公斤左右的炭素阳极。因此，炭素阳极的各项质量指标直接影响到电解槽的正常生产及原铝的产量、质量、炭耗和电耗等各项技术经济指标。

炭素阳极的熟料煅烧的重要设备是炭素回转窑，回转窑运行情况的好坏，直接影响着炭素熟料的产量、质量和能耗。其设备具有以下几方面特点：

1)回转窑是一个大惯性、大滞后性、存在时变参数的控制对象，即使是最简单的回转窑，物料在窑内的运动过程也是高度非线性、复杂的，它不仅涉及到复杂的传热、传质机理，还与窑内物质的物料特性密切相关；

2)关键工艺参数难以准确及时的测量，窑体结构的主要部分处于回转状态，检测仪器通常只能安装在窑的两端，导致关键工艺参数难以准确及时的测量，因此我们很难定量的描述封闭窑内的热工状况；这种参数信息的模糊性，使得建模的难度非常大，导致传统的控制策略难以实施；

3)控制手段多样化，各控制手段之间耦合现象严重；其控制手段包括回转窑转速、给料量、负压、旋风除尘及二、三次风量等多种控制手段，每种控制手段在一定工况下都可以产生影响回转窑煅烧的正反两种趋势，从而造成回转窑控制的严重耦合、工作稳点区域狭小等问题，难以找到控制手段较优的配合方法。

国外一些国家(如美国)已经实现了炭素回转窑的自动控制，但是我国在这方面的研究和发展相对落后，由此导致了煅烧生产的指标低于这些国家的水平。80年代末期，在工业发达的国家，已普遍实现了回转窑煅烧过程的计算机双级稳定化控制。其中以法国SATERAM公司及瑞士R&D公司为代表的燃烧装置及控制系统，领导着世界上石油焦煅烧生产的最先进水平，不但提高了炭块煅烧的均质性，降低了煅烧炉的单位能耗，而且促进了环保效果，提高了经济效益。

国内从80年代初开始进入回转窑煅烧过程计算机控制应用阶段。长期以来，科研技术人员进行了大量研究工作，将数学模型与窑温控制相结合，引入自动控制的方法，在多家回转窑煅烧过程进行了计算机控制尝试。例如，云南铝厂、贵州铝厂、包头铝厂等在不同程度上对回转窑煅烧过程进行了计算机自动化控制，有一定的成效。但回转窑煅烧过程计算机控制水平与工业发达国家相比，起步晚、差距比较大，并且发展十分不平衡。到目前为止，国内相当一部分回转窑煅烧过程还是手动操作，加上工艺技术落后，工作环境恶劣，设备陈旧，造成回转窑长期处于不经济状态，严重影响煅后焦质量。同时，劳动生产率低，能耗大，环境污染严重。这些差距严重威胁到我国铝业的生存和发展，大大削弱了其参与国际市场竞争的能力。

现有炭素回转窑煅烧控制技术主要存在如下缺陷：

1)石油焦原料在回转窑内煅烧过程温度可以达到1200～1300℃，炭素晶格细化致密化，以满足煅后焦真密度、比电阻指标；但是国内煅烧带温度的测量粗糙，不能真实反映的煅烧带温度、位置、长度数据，煅烧带形成控制全靠操作人员经验人工调节，自动控制尚是空白；

2)大多数回转窑控制系统结构分为过程自动化级和基础自动化级两层，但是在过程自动化控制过程中，由于现场环境影响和回转窑自身系统的复杂性，所以一般控制系统中的控制手段多为单一量操作；但是单一变量的操作使得该变量与其他控制变量的耦合关系难以排除，系统难以通过优化的方式运行到更优稳定点上；

3)加入第三级专家控制和故障诊断系统，改变了原有系统的双级控制通信拓扑结构，没有实现DCS(分布式集散控制系统)，第三级专家控制和故障诊断系统无法与下面两级系统进行有效数据通信，从而无法实现回转煅烧窑工艺全过程的计算机集成监视控制。

发明内容

本发明针对当前铝电解阳极炭素回转窑煅烧检测与自动控制系统现状，提供一种回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统，以克服现有技术存在的煅烧带温度的测量粗糙，不能真实反映的煅烧带温度、位置、长度数据的问题；同时从回转窑生产工艺控制角度出发，发明一种铝电解阳极炭素回转窑的分布式集散控制系统，将计算机、专家系统、优化技术、数据分析理论、数据通信等技术进行有机融合；在现有回转窑自动控制的基础上，加入一种高效、稳定、实时的网络通信方案，在不破坏原来通信系统的基础上，建立统一数据库实现新系统与原系统的有效信息交互，并通过通信系统协助实现一、二、三级分布式集散控制系统的回转窑煅烧过程综合协调控制，克服集中式控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，将控制和管理功能分开，以实现信息、操作管理集中化和控制分散化，从而达到提高产品质量、节能降耗、可靠稳定运行的目标。考虑到系统设备增添、调整和升级，在系统配置上充分考虑了系统软、硬件资源的可扩展性，以便往后在不影响现有设备运行的情况下，即可将系统扩大升级成包含多台回转窑的全厂计算机自动控制系统。

为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其包括：

1)根据窑皮温度和窑内温度的非线性传热关系，按照BP神经网络和有限元模拟的混合建模方法，建立窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系；

2)利用红外窑体扫描设备对回转窑的窑皮温度进行实时连续的数据采集，并根据窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系，构建窑内温度的温度曲线，利用最小二乘法进行窑内温度的数据拟合，并根据煅烧带建立标准，计算煅烧带及窑内热值信息；

3)根据煅烧带信息以及现场工艺直接采集参数，按照自动控制程序调节多种控制手段形成煅烧带，完成回转窑煅烧过程综合协调控制；

其中，所计算的煅烧带信息包括煅烧带平均温度、长度、位置等；所采用的多种控制手段包括二次风、三次风、窑转速、引风机、给料量等。

优选的，所述窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系的建立方法包括以下步骤：

1)建立光学测温计历史数据集：利用回转窑煅烧过程数据库中获取的2-3个月表征窑内温度和窑皮温度的历史数据，其中排除掉天气变化引起的窑皮温度变化，例如下雪，下雨造成温度骤降问题；

2)建立回转窑传热系数模型：在回转窑传热机理的基础上，获取回转窑内壁与煅烧原料颗粒间换热模型的基本构成；再根据窑内衬材料的构成，研究窑内的温度梯度，构建窑内壁与窑皮在正常天气情况下的温度非线性关系，即回转窑传热系统本质动态特性的数学模型；

3)使用BP神经网络与有限元模拟的混合建模方法对回转窑传热系统本质动态特性及热应力进行数学建模。

优选的，所述使用BP神经网络与有限元模拟的混合建模方法对回转窑传热系统本质动态特性及热应力进行数学建模的方法，具体步骤如下：

1)确定BP神经网络的结构为三层；其中，输入层的神经元个数等于影响窑内温度的因素的数目；隐含层神经元个数可根据不同的训练样本集来确定；输出层只有一个神经元，代表输出的窑内煅烧带温度；其中，所述影响窑内温度的因素包括：窑皮温度T_p、窑头温度T_t、窑尾温度T_w、沉降室温度T_c、窑头压力P_t、窑尾压力P_w、沉降室压力P_c、窑转速S_y；

2)定义初始回转窑工艺参数，按照有限元的计算流程对回转窑的煅烧过程进行仿真；

3)对有限元模型计算所得煅烧带温度与实测值进行比较，当满足误差条件时，输出煅烧带温度作为本次仿真的预测输出；

4)如果误差条件未满足，将有限元计算所得的、影响煅烧带温度的关键因素值作为已训练好的神经网络输入，由神经网络计算输出煅烧带温度误差值；

5)同时将回转窑的变形温度、变形程度、变形速率作为变形抗力公式的自变量，求出窑体的变形抗力值；

6)根据神经网络的输出和计算的变形抗力值，重新优化调整有限元模型的初始参数，进行新一轮计算，直到满足收敛条件为止。

优选的，所述初始回转窑工艺参数包括：简体长度、直径、窑内衬材料系数、窑皮材料系数等。

有限元建模过程中，虽然对现场生产数据进行了处理，并且提取出了用于有限元建模的实际物理参数，但数据间强烈的非线性特性却很难把握，也就是造成有限元建模偏差的根本原因。而神经网络良好的非线性特征，则有效地帮助了有限元参数的动态调整。

实现以上目的，本发明还提供一种回转窑煅烧过程综合协调控制系统，其采用了多系统、多功能、多通信协议的混合通信集成方案，以辅助构建回转窑三级控制系统，实现检测、控制信号的有效传递和反馈，完成三级控制系统协调。该混合通信集成方案采用包括控制与检测层、监视层和决策层的网络通信结构，混合通信集成方案具体如下：

1)控制与检测层中，PLC控制器控制并实时检测回转窑操作参数，并传输所述参数给FactoryTalkView上位机画面；操作工人根据上位机的显示界面数据人工进行调整；同时西门子PC-BOX进行残氧量数据检测和窑头、窑尾压力和温度的实时控制；

2)在窑皮温度扫描仪工控机中建立OPC服务器1，CT红外扫描仪获取窑皮温度分布数据，并传送到OPC服务器1上，同时在决策层的分布式集散控制系统的WINCC监控系统加入OPC驱动，连接OPC服务器1访问窑皮温度分布数据；

3)根据窑皮温度的分布数据，利用BP神经网络与有限元模拟混合建模方法对窑内温度实时推理计算，完成窑内温度的分布曲线，并利用最小二乘法对采集数据进行实时拟合，按照煅烧带制定规则计算和归档煅烧带信息；

4)在决策层SIMATICPCS7的分布式集散控制系统的基础上配置RS-link通信软件，扫描PLC控制器，并在分布式集散控制系统中建立工况信息OPC服务器2；

5)使用AIMATICNET在分布式集散控制系统中建立控制信息OPC服务器3，同时将专家控制系统也集成到分布式集散控制系统中，专家系统调用fuzzy-clips计算引擎进行模糊推理，输出控制信息存储在OPC服务器3上；

6)使用LinkMaster-OPC桥梁连接工况信息OPC服务器2和控制信息OPC服务器3；

7)位于中央控制室(CCR)的工程师站通过工业以太网，与各个现场工作站完成通讯连接，实现双环网的通讯系统，通过对通讯系统的冗余组态，实现整个网络系统的冗余功能；每个现场工作站又与各个从站连接。

其中，所述PLC控制器控制并实时检测的回转窑操作参数包括：给料量，窑转速，二、三次风机转速，引风机转速，窑头、窑尾、沉降室温度和压力等；所述工况信息OPC服务器2为窑头、窑尾、沉降室的压力和温度工况信息OPC服务器2；所输出的控制信息包括窑头、窑尾压力和温度。

本发明根据现场工况的复杂多样性，深入分析提炼出了一整套回转窑煅烧过程的控制规则，并且通过可视化软件，可以对相应的现场规则进行修正和添加。通过长时间的积累，能够很好对现场工作点进行寻优。同时大大减轻现场工作人员的工作强度，使系统知识更新更为简便，透明性、交互性更强。

本发明控制方法及系统专门用于电解铝行业的炭素回转窑，克服了炭素回转窑自动化程度不高，以人为影响因素为主要的控制手段的缺点，能够迅速指导现场操作人员的技术规范及操作规程，大大提高炭素阳极的产能，保证产品质量，更能够很好保证回转窑设备的稳定性、安全性。

附图说明

图1为BP神经网络与有限元分析的混合建模流程图；

图2为炭素回转窑的网络通信结构图；

图3为控制系统的三级结构图；

图4为三级系统界面设置图；

图5为智能决策系统和优化控制表格图；

图6为回转窑实际操作过程中，加入和没有加入自动控制的窑头、窑尾、沉降室的温度和负压曲线。

具体实施方式

如图1所示，使用BP神经网络与有限元模拟的混合建模方法对回转窑传热系统本质动态特性及热应力进行数学建模的方法，具体如下：

1)确定BP神经网络的结构为三层；其中，输入层的神经元个数等于影响窑内温度的数目，例如：包括窑皮温度T_p、窑头温度T_t、窑尾温度T_w、沉降室温度T_c、窑头压力P_t、窑尾压力P_w、沉降室压力P_c、窑转速S_y等参数；隐含层神经元个数可根据不同的训练样本集来确定；输出层只有一个神经元，代表输出的窑内煅烧带温度；

2)定义初始回转窑工艺参数，例如：筒体长度、直径、窑内衬材料系数、窑皮材料系数等，按照有限元的计算流程对回转窑的煅烧过程进行仿真；

6)然后根据神经网络的输出和计算的变形抗力值，重新优化调整有限元模型的初始参数，进行新一轮计算，直到满足收敛条件为止。

如图2所示，回转窑煅烧过程综合协调控制系统采用了多系统、多功能、多通信协议的混合通信集成方案，以辅助构建回转窑三级控制系统，实现检测、控制信号的有效传递和反馈，完成三级控制系统协调。混合通信集成方案采用包括控制与检测层、监视层和决策层的网络通信结构，混合通信集成方案具体如下：

1)控制与检测层中，罗克韦尔公司的ABSLC500系列PLC控制器控制给料量，窑转速，二、三次风机转速，引风机转速等参量，并实时检测给料量，窑头、窑尾、沉降室温度和负压，窑转速等工艺参数，并通过以太网传输数据给FactoryTalkView上位机画面；由操作工人工观测上位机界面，根据上位机的显示界面数据人工进行调整，以维持窑内工况稳定；同时西门子PC-BOX进行残氧量数据检测和窑头、窑尾负压和温度的实时控制；

2)在窑皮温度扫描仪工控机中建立OPC服务器1，窑皮温度CT红外扫描仪获取回转窑的整个窑皮温度分布详细数据，将获得的数据通过红外扫描仪监控软件的OPC通道传送到OPC服务器1上，同时在决策层的分布式集散控制系统的WINCC监控系统加入OPC驱动，连接OPC服务器1访问窑体温度分布数据；

3)根据采集的窑皮温度的分布数据，利用BP神经网络与有限元模拟混合建模方法对窑内温度实时推理计算，完成窑内温度的分布曲线，并利用最小二乘法对采集数据进行实时拟合，按照煅烧带制定规则计算和归档煅烧带温度、位置、长度的信息；

4)在决策层SIMATICPCS7的分布式集散控制系统的基础上配置RS-link通信软件，扫描回转窑罗克韦尔控制系统的ABPLC设备，并在决策层的分布式集散控制系统中建立窑头、窑尾、沉降室的压力和温度工况信息OPC服务器2；

5)使用SIMATICNET在SIMATICPCS7的分布式集散控制系统中建立控制信息OPC服务器3，同时将专家控制系统也集成到分布式集散控制系统中，专家系统调用fuzzy-clips计算引擎进行模糊推理，输出窑头、窑尾压力和温度等控制信息存储在OPC服务器3上；

6)使用LinkMaster-OPC桥梁连接工况信息OPC服务器2和控制信息OPC服务器3进行数据传送和接收，实现三级控制系统对回转窑的全自动化协调；

7)位于中央控制室(CCR)的工程师站通过工业以太网，与各个现场站完成通讯连接，实现双环网的通讯系统，通过对系统的冗余组态，实现整个网络系统的冗余功能；系统每个现场工作站又通过光纤或DP与各个从站连接。

三级控制系统的结构如图3所示，三级控制系统每级控制的具体功能为：

一级回转窑检测子系统，用于对回转窑燃烧过程中的参数进行检测，并将所述参数传送到二级控制子系统和三级诊断决策子系统；

二级控制子系统，用于根据一级回转窑检测子系统传送来的所述参数以及三级诊断决策子系统传送来的回转窑的给料量、二次风机、三次风机、引风机及窑转速的优化后的控制量对回转窑进行控制；

三级诊断决策子系统，用于根据一级回转窑检测子系统传送来的所述参数得到回转窑的给料量、二次风机、三次风机、引风机及窑转速的控制量并对控制量进行优化，并将优化后的控制量传送到二级控制子系统。

三级控制系统主要完成煅烧带异常工况的识别与智能决策。根据一级检测设备的历史数据，构建了用于综合多种控制变量(窑头、窑尾温度)和多种控制手段(二次风、三次风、窑尾负压)来对原有控制量(煅烧带温度、长度、位置)进行进一步优化的三级控制系统。该系统由于综合了各个控制变量的变化规律，利用回转窑的多个控制变量来将回转窑的多个工艺参数控制在最佳控制点上，保证煅烧产品的质量、产量的同时，提高回转窑运行的可靠性、安全性和有效性。

图4是三级系统的设置界面，可以完成实时数据的检测，模糊推理事实、规则输入，以及推理结果(工况分析，操作手段调整)的输出；工程师选项可以完成以上功能，并将工况分析的内容和操作手段调整方案最终输出到控制系统的主界面上；

图5是智能决策系统和优化控制表格图，根据不同给料量工况的具体参数，通过大量历史数据的分析，可以获得回转窑控制变量的最优设定值，根据最优设定值的参数设定，实现回转窑在某种异常工况向正常工况的回归。最终实现回转窑的三级智能控制方案，减轻现场操作人员的工作量和工作压力，提高经济效益。

下表1为操作手段与产品质量的分析表，通过对2014年6月至2014年7月近2个月的数据统计可以看出，采用本发明回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统的回转窑炭素阳极熟料煅烧技术基本上能够满足各项性能指标，达到如下的控制目标：

(1)煅烧带起点位置距离窑尾13m左右，煅烧带长度15-20m，窑皮外部温度＜230℃时，煅烧带温度不低于1250℃，煅烧带位于二、三次风之间；

(2)窑头要求保证负压状态，要求-5Pa至10Pa之间；

(3)窑头温度不大于950℃；

(4)窑尾温度不大于1050℃；

(5)窑尾负压保持在-25Pa至-50Pa之间；

(6)沉降室温度不大于1250℃；

(7)三次风转速不超过2000rpm；

(8)二、三次风风机转速的调整不能过快过猛，一般调整时二、三次风每次调整值为不大于50-100rpm，稳定后再做调整；

(9)投料量正常生产时不小于12t；

(10)为防止窑头返火及斗提压料，必须密切关注小窑排气及排料温度，要求排气温度不大于220℃，排料温度50-120℃；

(11)正常生产时，回转窑转速：0.6-1.2rpm。

如图6所示，回转窑实际操作过程中，加入和没有加入自动控制的窑头、窑尾、沉降室的温度和负压曲线。从图中可以看出无论是负压还是温度曲线，加入自动控制后，都较为平稳，没有出现较大波动，所以看出自动控制能够有效克服窑内的扰动，从而为较好质量的煅后焦产生创造了有利条件。

本发明提供的回转窑煅烧过程综合协调控制方法及系统，克服了现有技术存在的煅烧带温度的测量粗糙，不能真实反映的煅烧带温度、位置、长度数据的问题；同时将计算机、专家系统、优化技术、数据分析理论、数据通信等技术进行有机融合，在不破坏原来通信系统的基础上，建立统一数据库实现新系统与原系统的有效信息交互，并通过通信系统协助实现一、二、三级分布式集散控制系统的回转窑煅烧过程综合协调控制，克服集中式控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷，将控制和管理功能分开，以实现信息、操作管理集中化和控制分散化，从而达到提高产品质量、节能降耗、可靠稳定运行的目标。

虽然已经参照本发明的示例性实施例具体地示出并描述了本发明，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如权利要求和它们的等同物所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此做出形式和细节上的各种改变。应当仅仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的来考虑实施例。因此，本发明的范围不是由本发明的具体实施方式来限定，而是由权利要求书来限定，该范围内的所有差异将被解释为包括在本发明中。

Claims

1.一种回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所述方法包括：

3)根据煅烧带信息以及现场工艺直接采集参数，按照自动控制程序调节多种控制手段形成煅烧带，完成回转窑煅烧过程综合协调控制。

2.根据权利要求1所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所述窑内温度与窑皮温度的非线性映射关系的建立方法包括以下步骤：

1)建立光学测温计历史数据集：利用回转窑煅烧过程数据库中获取的2-3个月表征窑内温度和窑皮温度的历史数据，其中排除天气变化引起的窑皮温度变化；

3.根据权利要求2所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所述使用BP神经网络与有限元模拟的混合建模方法对回转窑传热系统本质动态特性及热应力进行数学建模的方法，具体步骤如下：

1)确定BP神经网络的结构为三层；其中，输入层的神经元个数等于影响窑内温度的因素的数目；隐含层神经元个数可根据不同的训练样本集来确定；输出层只有一个神经元，代表输出的窑内煅烧带温度；

4.根据权利要求3所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所述影响窑内温度的因素包括：窑皮温度T_p、窑头温度T_t、窑尾温度T_w、沉降室温度T_c、窑头压力P_t、窑尾压力P_w、沉降室压力P_c、窑转速S_y。

5.根据权利要求3所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所述初始回转窑工艺参数包括：筒体长度、直径、窑内衬材料系数、窑皮材料系数。

6.根据权利要求1所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所计算的信息包括煅烧带平均温度、长度、位置，以及窑内的热值。

7.根据权利要求1所述的回转窑煅烧过程综合协调控制方法，其特征在于，所采用的多种控制手段包括二次风、三次风、窑转速、引风机、给料量。

8.一种回转窑煅烧过程综合协调控制系统，其特征在于，采用多系统、多功能、多通信协议的混合通信集成方案辅助构建，混合通信集成方案采用包括控制与检测层、监视层和决策层的网络通信结构，混合通信集成方案具体如下：

5)使用SIMATICNET在分布式集散控制系统中建立控制信息OPC服务器3，同时将专家控制系统也集成到分布式集散控制系统中，专家系统调用fuzzy-clips计算引擎进行模糊推理，输出控制信息存储在OPC服务器3上；

9.根据权利要求8所述的回转窑煅烧过程综合协调控制系统，其特征在于，所述PLC控制器控制并实时检测的回转窑操作参数包括：给料量，窑转速，二、三次风机转速，引风机转速，窑头、窑尾、沉降室温度和压力。

10.根据权利要求8所述的回转窑煅烧过程综合协调控制系统，其特征在于，所述工况信息OPC服务器2为窑头、窑尾、沉降室的压力和温度工况信息OPC服务器2。

11.根据权利要求8所述的回转窑煅烧过程综合协调控制系统，其特征在于，所输出的控制信息包括窑头、窑尾压力和温度。