加热炉温度控制系统设计与仿真研究

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题目加热炉温度控制系统设计与仿真研究学生姓名潘凯学号200440503222专业测控技术与仪器班级测控042班指导教师闫俊红加热炉温度控制系统设计与仿真研究摘要在钢铁企业中，为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制，使之保持在某一特定的范围内。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。本设计针对加热炉燃烧控制系统，主要介绍的控制方案有单回路控制系统、串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统、双交叉限幅控制系统，并对每一种控制方案进行了理论分析。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。通过分析比较可以得出结论，双交叉限幅对加热炉温度的控制优于其它的控制方案。双交叉限幅的炉温控制系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到控制加热炉温度，提高煤气燃烧率，避免环境污染等目的。关键词加热炉；单交叉限幅控制；双交叉限幅控制；MATLAB仿真TEMPERATURECONTROLOFHEATINGFURNACESYSTEMDESIGNANDSIMULINKSTUDYABSTRACTINTHEENTERPRISESWHEREPRODUCINGIRONANDSTEEL,INORDERTOHEATUPBILLETTOTHETECHNOLOGICALREQUIREMENTSOFROLLING,THETEMPERATUREINSIDETHEFURNACEMUSTBECONTROLLEDEFFECTIVELYSOTHATITREMAINSINASPECIFICRANGEMAINTAININGTHETEMPERATURENEEDSTHESTABLEBURNINGOFFUELINSIDETHEFURNACEFURNACECOMBUSTIONPROCESSISANONLINEARPROCESSWHICHISSUBJECTTOTHERANDOMINTERFERENCE,GREATINERTIAANDTHEPURETIMEDELAYTHEDESIGNFORTHEFURNACECOMBUSTIONCONTROLSYSTEMISMAINLYONTHECONTROLOFASINGLELOOPCONTROLPROGRAMME,THERATIOOFCASCADECONTROLSYSTEM,CONTROLSYSTEMLIMITINGUNILATERAL,BILATERALLIMITINGCONTROLSYSTEM,ANDANALYSESEACHOFTHECONTROLPROGRAMMEONTHEORYUSINGMATLABSOFTWAREMAKESAMORECOMPREHENSIVESIMULATIONANDPERFORMANCEANALYSISONTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMTHROUGHANALYSISANDCOMPARISONWECANCONCLUDETHATBILATERALLIMITINGCONTROLSYSTEMISSUPERIORTOOTHERSINTHEFURNACETEMPERATURECONTROLTHETEMPERATURECONTROLSYSTEMOFBILATERALLIMITINGCONTROLSYSTEMMAKESGASFLOWANDAIRFLOWRESTRICTONEACHOTHER,WHICHNOTONLYPREVENTTHEBURNINGOFBLACKSMOKE,BUTALSOPREVENTTHEEXCESSAIR,TOREACHTHEPURPOSESOFCONTROLLINGTHEFURNACETEMPERATURE,ENHANCINGTHERATEOFCOMBUSTIONGASANDAVOIDINGPOLLUTIONANDOTHERSKEYWORDSFURNACESINGLELIMITINGCONTROLBILATERALLIMITINGCONTROLMATLABSIMULATION目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111概述112国内现状213本设计的研究内容2第二章加热炉工艺简介321加热炉的组成322加热炉的温度加热方式323加热炉工艺流程324加热炉温度控制要求5241燃烧系统6242炉膛负压725空燃比8第三章加热炉的温度控制系统1031单闭环控制系统1132炉膛负压控制系统1233串级比值燃烧控制系统1334单交叉限幅燃烧控制系统15341单交叉限幅燃烧控制系统工作原理15342单交叉限幅燃烧控制系统特点1735双交叉限幅燃烧控制系统17351双交叉限幅燃烧控制原理图17352双交叉限幅燃烧控制系统的工作原理18353双交叉限幅燃烧控制特点20第四章加热炉温度控制系统仿真2341对象模型的建立2342系统各装置数学模型的建立2443仿真软件简介2644加热炉炉温控制系统仿真结果分析27441炉温单回路控制仿真27442燃料空气串级比值控制仿真31443单交叉限幅控制仿真34444双交叉限幅控制仿真3645总结38第五章系统的检测变送装置及正反作用3951检测变送39511差压式流量计39512热电偶3952系统仪表正反作用的确定40参考文献41致谢42第一章绪论11概述加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的25。它的主要作用是提高钢坯的塑性，降低变形抗力，以满足轧制工艺的要求。其温度控制性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量、钢坯成材率、轧制设备寿命以及整个轧线的有效作业率。钢坯在轧前进行加热，是钢坯在热加工过程中一个必须的环节。对轧钢加热炉而言，加热的主要目的就是提高钢坯的塑性，降低变形抗力。钢坯加热应满足下列要求（1）加热温度应严格控制在规定的温度范围，防止产生加热缺陷。钢坯加热应当保证在轧制全部过程都具有足够的可塑性，满足生产要求，但并非说钢坯加热温度越高越好，而应有一定的限度，过高的加热温度可能产生废品和浪费能源。（2）加热制度必须满足不同钢种、不同断面、不同形状的钢坯在具体条件下合理加热。（3）钢坯加热温度应在长度、宽度和断面上均匀一致。钢坯加热温度是指钢坯在加热炉内加热完毕出炉时的表面温度。确定钢坯加热温度不仅要根据钢种的性质而且还要考虑到加工的要求，以获得最佳的塑性，最小的变形抗力，从而有利于提高轧制的产量、质量、降低能耗和设备磨损。锻造加热炉必须保证1250以上的炉温。这种炉在以发热量低于1300千焦米3的煤气或发热量低于5000千焦千克的煤为燃料时，将难于甚至不能达到需要炉温，这时可对煤气和空气进行预热。例如煤气发热量为1200千焦米3，仅能达到约1200的炉温,而将空气预热到400时，则可达到约1320的炉温。加热炉的离炉烟气带走的热量约占供入炉内热量的5060。利用这部分热量预热空气和煤气是节约燃料的有效方法。燃料节约百分数与离炉烟气温度成正比，离炉烟气温度越高，则燃料节约百分数越大。例如燃烧发生炉煤气的炉子，同样将空气预热到500，间断式加热炉的离炉烟气温度为1200，燃料节约达30；连续式加热炉的离炉烟气温度为900，燃料节约则为23。12国内现状我国从80年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉700多座。目前，国内大多数加热炉的计算机控制水平很低，虽然引进了一些先进的控制系统和设备，但绝大部分加热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，甚至还有少数加热炉由人工操作，其加热质量和能耗与国外同行相比相距甚远。在理论研究方面，近年来，国内对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，我国的科学工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多学者，对钢坯升温的数学模型进行了研究，还有学者将燃料消耗与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线。13本设计的研究内容本设计源于三段式推钢侧出加热炉，燃料采用高炉焦炉混合煤气。在参照相关理论的基础之上，设计了该加热炉控制系统，包括加热炉内的加热炉串级比值控制、单交叉限幅、双交叉限幅燃烧控制，很好地抑制了处于副环（煤气热值和压力的波动、生产率的改变及炉内参数的变化等）的干扰因素对加热炉运行的影响；提高了炉温控制的快速性，实现了加热炉燃烧过程的控制。本人在阅读了大量的文献资料的基础上，对加热炉相关工艺进行了深入的了解，分析了加热炉控制系统的难点。在现有几种燃烧控制方法的基础上，提出了双边限幅控制，使系统性能得到了极大的改善。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。第二章加热炉工艺简介21加热炉的组成加热炉由以下几个基本部分构成炉膛与炉衬、装出料设备、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、电子计算机控制系统、余热利用装置、检测及调节装置等。22加热炉的温度加热方式加热炉的温度加热方式大体分为一段式加热方式、两段式加热方式、三段式及多段式加热方式。三段式加热方式是比较完善的加热制度，它是把钢坯放在三个温度条件不同的区域内加热，依次是预热段、加热段、均热段。钢坯首先在低温区域进行预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危险。当钢坯温度超过500600以后，进入塑性范围，这时就可以快速加热，直到表面温度快速升高到出炉所要求的温度。加热期结束时，钢坯断面上还有较大的温差，需要进入均热期进行均热，此时钢坯表面温度不再升高，而使中心温度逐渐上升，缩小断面上的温度差。23加热炉工艺流程加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度1，在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使轧制力在正常范围内。下图为加热炉结构简图图21加热炉结构简图加热炉为三段式加热炉，沿炉长方向分为预热段、II加热段、I加热段和均热段，如上图所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料，分成五个控制区域对加热炉的燃烧过程和炉温进行控制，即II加热段上区，并将I加热段和均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独控制，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量控制器、煤气流量控制器，对每段的炉温以及燃烧状况进行实时监控，各控制器的设定值可用手动方式，亦可根据不同规格、材质的钢坯自动设定，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制。三段式加热炉的供热点一般设在均热段端部和侧部，加热段上方和下方的端部和侧部。两面加热可消除坯料沿厚度方向的温度差，这对提高产品质量是有利的。为了使加热均匀，每一个段上的燃烧嘴越密集越好。加热炉难以用严格的数学表达式描述它的特性，是具有大惯性、大滞后和严重非线性等特性的对象。其结构复杂，受许多干扰因素的影响，燃料的发热值及残氧又很难在线准确测量，因此一般线性调节器不能满足对象及工艺控制的要求。在加热炉工作时，钢坯被整齐排列在加热炉内，并在推钢机的推动下不断地从炉尾推入炉膛，首先进入预热段，预热段主要是依靠加热段和均热段排出的高温烟气来缓慢加热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。这样钢坯开始升温不大，温度应力小，不会造成裂纹和断裂；钢坯运行到加热二段时，钢坯的中心温度已超过500，进入塑性范围，此时快速加热钢坯使钢坯表面温度迅速升高到出炉温度；在均热段钢坯表面温度不再升高，断面温差逐步减小。这样，钢坯经过预热、加热、均热三个过程，就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的热坯。此时钢坯被出钢机构推上滚道，由滚道传送给轧机进行轧制，如图（21）所示。根据加热工艺要求，一般每块钢坯在炉内大约停留2小时，但具体钢种以及生产要求不同，该时间有差异。加热炉排烟方式为向上排烟，在炉内燃烧生成的烟气由炉尾总排烟管经地上烟道通到厂外烟囱，再排入大气中。为了提高热利用率，在烟道内安装有带保护管组的金属管状换热器，用来回收部分高温烟气所带走的热量，冷空气通过该处预热再分别进入各加热区域，其间空气的预热温度大约为450。在烟道装有一套转动阀门，用来对炉膛压力进行自动调节和控制。同时还要对加热炉上方的汽包水位进行控制，以保证支撑钢坯的炉筋管中的水流量，防止烧坏炉筋管。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制使之保持在某一特定的范围内，出钢温度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源浪费，甚至造成粘钢的严重事故。过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命或维护周期，而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求这里气氛主要是指氧化气氛和还原气氛，具体要求视加热工艺要求而定，如果氧化气氛过重，会使被加热金属表面生成较厚的氧化皮，不仅浪费材料而且给除鳞带来困难，严重的还会影响产品表面质量。如果还原气氛过重，不仅白白浪费大量燃料，同时还污染了空气。24加热炉温度控制要求燃料的种类很多，分类方法也不尽相同。一般按存在状态来分，有固体燃料、液体燃料和气体燃料三种。随着我国冶金工业设备的日趋完善，技术的逐渐提高和石油工业的全面发展，目前国内大、中型冶金企业的轧钢加热炉已极少使用固体燃料，绝大部分轧钢厂是使用气体或液体燃料。加热炉常用的气体燃料有天然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等。常用的液体燃料主要是重油。本设计所用加热炉燃料为高炉与焦炉煤气的混合煤气。高炉煤气是高炉炼铁的副产品，它主要由可燃成分CO、H2、CH4和不可燃成分N2、CO2组成。由于含有大量不可燃成分，约占气体体积的6070,所以发热量比较低，通常只有33504200KJ/M3。高炉煤气由于发热量较低，燃烧温度也低，约1470，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气混合使用。焦炉煤气是炼焦生产的副产品，它的燃料成份组成是H2含量一般超过50，CH4含量一般超过25，其余是少量的CO、N2、CO2、H2S等。由于焦炉煤气的主要可燃成分是高发热量的H2和CH4，所以焦炉煤气的发热量较高，为1600018800KJ/M3。如果高炉煤气与焦炉煤气的发热量分别为Q高与Q焦，要配成发热量为Q混的混合煤气，可以用下式计算设焦炉煤气在混合煤气中的体积分数为X,则高炉煤气的体积分数为（1X），那么高焦混）（QXQ1（21）整理上式得高焦高混X（22）采用高炉、焦炉混合煤气不仅合理利用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既克服了焦炉煤气火焰上飘的缺点，同时也可以利用焦炉煤气中碳氢化合物分解产生的碳粒，在燃烧时可以增强火焰的辐射能力。241燃烧系统燃烧系统的曲线描述图如下12图22燃烧系统的曲线描述上图表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的配比，即空燃比来描述。理论空燃比A0为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的空气量，为一个常数。实际空燃比A实际空气量/煤气量，设为剩余空气系数,实际空气量/理论空气量，A/A0,则实际空燃比与空气剩余系数成正比。从上图可看出当1和1102分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当110时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低，同时会使氮硫氧化物增加，对环保不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区10211是最佳的燃烧方案。242炉膛负压炉膛压力对出钢质量有很大影响，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷，会造成很大一部分热损失。均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其它开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且由于其必须被加热到炉温后才能排除，这样造成了燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料，且给炉膛温度控制系统带来很大的麻烦，是绝对不允许的。可见，这两种情况对炉内热工过程均不利。从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调节炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。而在炉内压力发生波动时，根据炉膛压力检测结果，改变炉压调节器的输出，即通过烟道阀门开度的大小，改变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值上，以维持炉内微正压。对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位的控制，由于被控对象单一，所以采用单回路PID控制就能达到较好的效果。25空燃比燃烧过程是燃料的氧化过程，当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。为了使燃料充分燃烧，必须供给足够的空气，即保证一定的剩余空气系数或空燃比R6。它们的定义分别为（23）FAFA0理论空气量实际空气量（24）MAXFAFR可知空燃比R与剩余空气系数的关系为MAX00MAXFFFAFAFR（25）为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需要的理论空气量0A和分别为空气流量的测量值和最大值AFMAX和分别为燃料流量的测量值和最大值FF为理论空气修正系数第三章加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制一共分为五部分，每一部分单独设置一个串级系统来实现炉膛温度的自动控制。在系统中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即燃烧控制器的设定值，通过燃烧控制器去决定煤气阀门和空气阀门的开度。而煤气压力波动等变化剧烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。在稳定状态下，炉温控制器和燃烧控制器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。当稳定状态被破坏时，炉温控制和燃烧控制的串级控制开始作用。对于加热炉温度的影响主要有以下两种干扰1煤气压力波动。当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。在初始阶段，由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温控制器的输出暂时不变，即煤气流量的设定值不变。由于误差的产生，煤气流量控制器发生作用，经过副回路的调节作用，会大大削弱它对炉温的影响，而此时炉温控制器开始工作，不断改变副控制器的设定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。2炉温变化。当炉温降低时，温度控制器开始动作，控制输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量控制器输出增大，阀门增大开度，炉温逐渐升高，直到重新恢复设定值。可见，串级控制系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案。对于定空燃比燃料热值一定的燃烧控制系统，概括起来主要有以下几种炉温控制方式（1）单回路控制单回路控制是最简单的控制方式，通过炉温的变化直接调节煤气流量。（2）串级控制串级控制中，空气和煤气并行，温度回路的输出值作为煤气、空气回路的设定值。（3）单交叉限幅控制单交叉限幅控制可以保证在动态过程中，空气量比燃料量富裕，不会产生冒黑烟现象，但由于对空气量的上限没有限制，因此排烟热损失较大。（4）双交叉限幅控制双交叉限幅控制的特点是当热负荷增加时，空气量设定值先增加，煤气量设定值后增加，防止冒黑烟当热负荷降低时，煤气量设定值先降低，空气量设定值后降低，减少烟气热损失当空气回路出现故障时，煤气自动切断，避免危险。双交叉算法在动态调节时能够获得合理的空燃比，但响应速度慢。双叉限幅控制的特点是在单交叉的基础上增加一个最大选择器和一个最小选择器，其目的是保证当炉温低于设定值，需要增加燃料流量时空气先行而当炉温高于设定值，需要减少燃料流量时燃料先行，以防止冒黑烟。该方法己经广泛应用于工业燃烧控制中，它能在动态过程中保证空燃比在规定范围内，从而使燃烧过程最佳，节约能量，减少环境污染。31单闭环控制系统加热炉单回路温度控制系统框图如下2温度控制器调节阀煤气流量温度变送器给定温度图31单回路控制系统方框图采用此系统，在平衡状态下如果炉温突然上升，那么此回路将控制煤气阀和空气阀关小，使温度降回给定值，同样如果炉温突然下降，回路又会控制煤气阀和空气阀开大，使温度回升至给定值。这个控制方案只是针对煤气和空气的压力稳定的情况，当煤气压力变大时在阀门开度不变的情况下会导致煤气流量的增大，从而导致总热值的上升，影响炉温。而由于炉温控制的大惯性，要过很长的时间，炉温检测装置才会有反应。PID调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。所谓PID控制，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算确定输出量，对被控对象进行控制的方法。当P、I、D三个参数达到最佳系数组合，PID的控制效果很好。控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类7一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要利用工程整定方法进行控制器参数整定，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。（1）临界比例度法在系统闭环情况下，将控制器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到100，然后使比例度由大往小逐步改变，直到过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。（2）衰减曲线法此法与临界比例度法有些类似。不同的是让过渡过程最终呈现41衰减振荡为止。此时的比例度（S）和振荡周期（TS）即是我们需要的。因此，在纯比例情况下，系统不会出现等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减曲线法在此种情况下也同样能用。因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进行整定。对系统进行整定，用衰减曲线法41衰减振荡时，控制器参数经验公式如图表31控制器参数经验公式PPIPIDS12S08S05TS03TSTI/MIN控制器类型控制器参数TD/MIN01TS32炉膛负压控制系统烟道阀压力检测变送PID控制器炉膛压力压力设定图32炉膛负压控制系统在炉膛负压控制系统中，PID控制器通过对烟道阀开度大小的控制，从而达到了控制炉膛压力的目的。送风总管压力也采用单回路PID控制系统，使烧嘴喷出的煤气和空气有一定的速度。供风压力必须和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调节的灵敏度。若煤气压力过低，必须相应降低供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调节行程大致相同，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。反之，若煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调节更为准确，以免在调节过程中出现黑烟。33串级比值燃烧控制系统为了保证燃料与空气有一定的配比关系，最常用的方案之一是串级比值燃烧控制系统，其原理是空气流量和煤气流量的设定值成简单的比值关系。燃料阀燃料测量变送燃料控制器燃料流量空气阀空气测量变送空气控制器空气流量KF1F2温度控制器温度测量变送图33串级比值控制系统加热炉燃烧过程中，正常情况下，煤气和空气应该有一定的比例。焦炉煤气的空燃比大约在41左右，高炉煤气的空燃比大约在1051左右，转炉煤气的空燃比大约在111左右，如果煤气过量，会浪费能源，同时产生冒黑烟现象，产生环境污染；如果空气过量，不仅温度上不去，而且为了加热多余空气，加热炉的热负荷会变大，同样也会浪费能源，剩余的热空气随烟气排入大气，会产生大量的NO2、SO2等气体污染环境。在钢铁生产中用到煤气的地方很多，煤气阀前压力难以稳定，为了克服阀前压力波动，把温度和煤气构成串级控制回路，煤气和空气构成比值控制系统，因此引入加热炉串级比值燃烧控制系统。如图33所示。在该图中，加热炉温度控制主调节器的输出直接作为燃料流量副调节器的给定值，同时经过空燃比运算器R运算后，作为空气流量副调节器的给定值。通过调整R，可以改变空气和燃料的配比关系。加热炉的燃料燃烧过程中，不仅要保证稳态情况的剩余空气系数一定，更重要的是在加热炉负荷发生变化的动态情况下，保证剩余空气系数仍保持在合理的范围内。在串级比值燃烧控制系统中，煤气流量是主动量，空气流量是从动量。在稳定状态下，煤气流量和空气流量以一定的比值定量地进入加热炉中。当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降负荷的时候，炉温控制器的输出一方面输出信号给煤气流量控制器，从而进行煤气流量的控制；另一方面经比值器后作为空气控制器的设定值。煤气和空气串级比值控制系统开始工作当炉温升高时，在炉温控制器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小，同时，炉温控制器的输出经比值器给空气流量的设定值也减小，控制煤气调节阀开度减小；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器使其输出也减小，相应地控制空气调节阀开度减小。当炉温降低时，炉温控制器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时，炉温控制器的输出经比值器给空气流量的设定值也增大。此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制使其输出增大，控制煤气调节阀开度增大；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也增大，相应地控制空气调节阀开度增大。综上，不论炉温升高还是降低，通过煤气流量和空气流量的串级比值控制系统的控制，可以实现较好的炉温控制。但是对于钢铁厂中的加热炉不仅煤气压力波动大，且燃料热值也在发生波动，在动态过程中，实际空燃比会产生很大的波动，空气过剩系数很容易进入黑烟区，因此，无法进行抑制，效果很差12。在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于控制空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时若仍采用串级比值燃烧控制系统将无法保证燃料与空气之间的最佳动态配比关系，因此，引入单交叉限幅燃烧控制系统。34单交叉限幅燃烧控制系统341单交叉限幅燃烧控制系统工作原理LSFFCTCFAC炉温SISFFFMVTFFSAFA燃料空气RHSA1/RA2TIABD图34单交叉限幅燃烧控制系统图单交叉限幅燃烧控制系统是在串级比值燃烧控制系统的基础上增加了高值选择器HS，低值选择器LS，正偏置A1和负偏置A2，用来实现燃料和空气流量之间的相互制约，防止剩余空气系数低于其给定值S以下的某一允许区间，即（SA1），并保证燃料流量FF低于冒黑烟界限，以及空气流量FA高于冒黑烟界限。单交叉限幅燃烧控制系统的工作原理如下在燃料流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与根据空气流量测量值FA算出的所需燃料流量加上偏置A1得到的信号B（31RFBA0）相比较，由低值选择器LS来选通A、B之一作为燃料流量调节器FFC的给定值SF。在空气流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与燃料流量测量值FF减去偏置A2得到的信号D（32FA102）相比较，由高值选择器HS来选通A，D之一，再乘以空燃比R作为空气流量调节器FAC的给定值SA。下面分别对负荷稳定，升负荷和降负荷时这三种状态进行分析。系统处于稳定状态时，炉温调节器TC的输出信号A同时作为空气和燃料流量调节回路的给定信号，此时剩余空气系数等于给定值S。当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变。先看空气流量调节回路的情况。此时，AD，HS选通A，再乘以R作为空气流量给定值SA，使空气流量增加；再看燃料流量调节回路的情况，当A正跳到AB时，LS选通B，A被中断，B作为该回路的燃料流量给定值SF，使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。当B增加到BA时，LS又选通A，A作为该回路的燃料流量给定值，交叉限制结束。这样，系统又恢复到了稳定状态。由于A跳变，B缓慢上升，即空气流量给定值SA急剧上升，燃料流量给定值SF缓慢上升，实现了升负荷时“先增加空气后增加燃料”,克服了空气与燃料流量回路特性的差异，使得升负荷的动态过程能够合理燃烧13。当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变。先看燃料流量调节回路的情况。此时，AE时，LS2选通E，A被中断，同时ED,HS1又选通E，再乘以R作为空气流量给定值SA，使空气随着E值的增加而增加，即空气流量随着燃料流量的增加而增加，交叉限制开始。当E增加到EA时，LS2选通A，E被中断，同时，AD，HS1又选通A，再乘以R作为空气流量给定值SA，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态；再看燃料流量调节回路的情况，此时AC，HS2选通A。当A正跳变到AB时，LS1又选通B，A被中断，B作为该回路的燃料给定值SF，使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。当B增加到BA时，同时AC，HS2选通A，LS1也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值SF，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。至此，升负荷的过渡过程结束。在这个动态的过程中，燃料流量和空气流量互相影响，交替增加8。当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变。先看燃料流量调节回路的情况，此时AC，HS2选通A。当A负跳变到AA1，当升负荷时多增加一些空气流量，实现“先增加空气后增加燃料”，选择A3A2，当降负荷时多减少一些燃料，实现“先减少燃料后减少空气”，这样，不仅可以使燃料和空气流量的变化速度相协调，而且可以解决因燃料流量调节阀的动作过快，往往空气流量调节阀跟不上而失调，引起冒黑烟的问题。（3）在稳态过程中防止空气和燃料流量的波动，A1和A3可以防止因空气流量的波动而引起燃料流量的波动，而A2和A4可以防止因燃料流量的波动而引起空气流量的波动。这就相当于设置了一个死区，可以防止干扰和改善系统响应特性。353双交叉限幅燃烧控制特点双交叉限幅方法是针对动态过程的一种控制方式，从理论上讲，燃烧过程中，空燃比保持在最佳值，可以减少废气中的污染物含量，从而实现了燃料流量和温度的良好控制。但由于系统分析也是基于理想状态，在实际应用中也存在不足之处。双交叉限幅燃烧控制系统的优点（1）保证空气过剩率双交叉限幅有力地限制了空气过剩率的实际值，克服了单交叉限幅的不足，从而保证了在负荷波动的过程中，空气过剩率不会远远偏离设定值，保证燃烧控制系统工作在最佳燃烧区域内。（2）克服煤气压力波动的影响在加热炉系统中，煤气压力的波动范围非常大（25KPA100KPA），在同一阀门开度下，导致煤气流量发生很大的变化。双交叉系统能够使得空气和煤气回路同时感应到煤气流量的变化，做出相应的调整，从而保证了系统不受压力波动的干扰。（3）出钢质量和环境保护双交叉限幅减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带来的热损失，降低了系统的能耗，同时避免了钢的过氧烧损，保证了出钢质量。并且最大程度上降低了黑烟以及NOX和SOX给环境带来的污染。双交叉限幅燃烧控制方式的缺点双交叉限幅燃烧控制方式虽然能保证燃烧系统工作在最佳区域内，但是其控制方式在实际的工程应用中效果较差，通过理论分析总结出了影响双交叉限幅性能的原因（1）响应速度慢从原理分析可以得出，双交叉限幅燃烧控制实质上牺牲了系统跟踪负荷变化的速度，降低了系统的响应速度。当A1A4选择很小的时候，虽然能够达到节能的目的，并且有利于环保，但过小的限幅系数使系统对负荷变化响应的快速性大大降低。（2）无法克服热值波动在燃烧控制系统中，由于煤气热值发生变化，空燃比应该跟着变化，否则就不能保证系统的最佳燃烧控制。当热值上升时，空燃比应该上升；当热值下降时，空燃比应该下降。然而，串级比值控制系统和交叉限幅控制系统均是在假设空燃比为定值的条件下得到的，没有考虑空燃比随燃料成分和加热负荷等因素变化而改变的情况，实际上是一种开环控制方法。（3）控制系统容易出现震荡现象当控制系统中的煤气流量信号发生突变时，空气流量信号的设定值必然会受到限幅的限制，空气流量的实测值和设定值之间肯定会有很大的偏差，使PID控制器的输出起伏很大，空气流量会接着快速降低或升高，在接下的一个周期内，煤气流量的设定值也会因实际空气流量的变化被限幅，煤气流量的设定值会取上限或下限，反过来，煤气流量设定值的变化也会影响煤气流量的实测值，这样，整个控制系统会由于信号的突变震荡起来。通过分析和试验结果表明，无论单交叉还是双交叉燃烧控制系统，他们都是用牺牲系统跟踪负荷的速度，来换取燃料和空气流量之间相互制约，并限制剩余空气系数的瞬态变化，从而达到节约能源的目的。单交叉限制的相应速度较慢，且主要影响负荷，而双交叉限幅的相应速度更慢，对升、降负荷都有影响。研究结果表明，四个偏置A1、A2、A3、A4的取值与系统对负荷相应速度和节能效果有关。从节能的观点看，希望四个偏置的取值小点，但这样一来会使系统对负荷响应速度变慢。此外，由于燃料空气流量的随机波动是不可避免的，为了防止由此而引起的高值、低值选择器不必要的频繁切换给系统带来的扰动，也必须用偏置来给系统设置一定的死区，所以希望四个偏置的取值大点。一般要根据实际情况和控制要求在调试中确定四个偏置值。综合考虑节能效果和系统对负荷响应的快速性这两方面的影响，并通过试验研究，建议选择A1A225，A3A48。如果要求调节过程短，则取上述偏置的上限值，如果着眼于最大限度节能，则取下限值。双交叉控制系统的优点是对剩余空气系数进行双向限幅，保证燃烧始终维持在最佳燃烧区，有利于节能，但它的缺点是偏置过小使系统对负荷响应速度变慢。第四章加热炉温度控制系统仿真41对象模型的建立控制系统的数学模型在控制系统的研究中有着相当重要的地位，要对系统进行仿真处理，首先需要知道系统的数学模型，而后才有可能对系统进行仿真。同样，只有知道系统模型，才有可能在此基础上设计一个合适的控制器，使系统响应达到预期效果，满足实际的工程需要。在线性系统理论中，常用的数学模型形式有传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。微分方程是控制系统模型的基础，一般来讲，利用机械学、电学、力学等物理规律便可以得到控制系统的动态方程，这些方程对于线性定常连续系统而言是一种常系数的微分方程。控制系统动态微分方程的建立基于以下两个条件（1）在给定量产生变化或扰动出现之前，被控量的各阶导数都为零，即系统是处于平衡状态的，因此，在任一瞬间，由各种不同环节组成的自动控制系统用几个独立变量就可以完全确定系统的状态。（2）建立的动态微分方程式是以微小增量为基础的增量方程，而不是其绝对值的方程，因此，当出现扰动和给定量产生变化时，被控量和各独立变量在其平衡点附近将产生微小的增量，微分方程式描述的是微小偏差下系统运动状态的增量方程，不是运动状态变量的绝对值方程，也不是大偏差范围内的增量方程。动态微分方程描述的是被控制量与给定量或扰动量之间的函数关系，给定量和扰动量可以看成系统的输入量，被控制量看成输出量。建立微分方程时，一般从系统的环节着手，先确定各环节的输入量和输出量，以确定其工作状态，并建立各环节的微分方程，而后消去中间变量，最后得到系统的动态微分方程。动态系统数学模型有多种表达形式，可以是微分方程、差分方程，也可以是传递函数、状态方程。微分方程描述的系统模型，通过求解微分方程，可以得到系统随时间变化的规律，比较直观。但是，当微分方程阶次较高时，微分方程的求解变得十分困难，不易实现，而采用拉氏变换就能把问题的求解从原来的时域变换到复频域，把微分方程变为代数方程，而代数方程的求解通常是比较简单的，求解代数方程后，再通过拉式反变换得到微分方程的解。传递函数是在拉式变换的基础上，以系统本身的参数所描述的线性定常系统输入量和输出量的关系式，它表达了系统内在的固有特性，而与输入量或驱动函数无关。它可以是有量纲的，也可以是无量纲的，视系统的输入量、输出量而定，它包含着联系输入量与输出量所需要的量纲。它通常不能表明系统的物理特性和物理结构，许多物理性质不同的系统却有着相同的传递函数，正如一些不同的物理现象可以用相同的微分方程描述一样。加热炉具有大滞后、大惯性的特点，将加热炉简化为一个带有纯滞后的一阶惯性环节，则温度对象传递函数为（41）1KEGSTS此外，燃料流量对象和空气流量对象本设计将把它们近似看成一阶惯性环节，相应的传递函数如下燃料流量对象传递函数（42）1KGST空气流量对象传递函数（43）42系统各装置数学模型的建立1PID调节器数学模型的建立在温度PID调节器中，有比例、积分、微分三个环节，比例、积分、微分在PID调节器中的作用如下P调节器的输出与输入成比例关系，只要有偏差存在，调节器的输出立刻与偏差成比例的变化，因此比例调节作用及时迅速，这是它的一个显著特点。但是这种调节器用在控制系统中，将会使系统出现余差。也就是说，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。为了减小余差，可增大KP。KP越大，余差也越小。但是KP增大将使系统的稳定性变差，容易产生振荡。P调节器一般用于干扰较小，允许有余差的系统中。具有比例积分运算规律的调节器为PI调节器。对PID调节器而言，当微分时间TD0时，调节器呈PI调节特性。只要偏差存在，积分作用的输出就会随时间不断变化，直到偏差消除，调节器的输出才稳定下来。这就是积分作用能消除余差的原因。TI越短，积分速度越快，积分作用就越强。由于积分输出是随时间积累而逐渐增大的，故积分动作缓慢，这样会造成调节不及时，使系统稳定裕度下降。因此积分作用一般不单独使用，而是与比例作用组合起来构成PI调节器，用于控制系统中。微分作用是根据偏差变化速度进行调节。即使偏差很小，只要出现变化趋势，就有调节作用输出，故有超前调节之称。在温度、成分等控制系统中，往往引入微分作用，以改善控制过程的动态特性，不过在偏差恒定不变时，微分作用输出为零，故微分作用也不能单独使用。比例调节作用及时迅速，积分的作用是为了消除静态误差和稳定控制对象的作用，微分的作用是为了克服加热炉的大惯性。则温度PID调节器的传递函数表示如下（44）1TSKSGDIP空气和燃料流量PID调节器设为纯比例，即（KP）。2执行器数学模型的建立如果系统接受一个阶跃信号，此时执行器由一个开度变化成另一开度，那么中间就有一个过渡过程，但过渡过程时间通常比较短。所以，可以将其传递函数近似为一阶惯性环节，如下（45）1KGST因为时间常数比较小，在要求不是很精确的场合也可以近似为比例。3检测和变送装置数学模型的建立检测和变送装置把输入信号和输出信号看成线性化，在此作为一个比例环节来对待。由于加热炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象，被控对象传递函数可表示为（46）1FSCKGTE式中KF被控对象的放大系数TF被控对象的时间常数纯滞后时间。考虑被控对象为加热炉炉温，因此取KF1TF3,3所以加热炉的传递函数为（47）SEG3143仿真软件简介MATLAB语言是一种抽象的高级计算机语言，既有与C语言等同的一面，又更为接近人的抽象思维，便于学习和编程。同时它具有很好的开放性，用户可以根据自己的需求，利用MATLAB提供的基本工具，灵活的编制和开发自己的程序，开创新的应用。利用MATLAB软件环境可以实现计算机仿真11。SIMULINK是MATLAB环境下的数字仿真工具，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的集成环境。它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统仿真，也支持具有多种采用速率的多速率系统仿真。SIMULINK提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。与传统的仿真软件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直观、方便、灵活的优点9。SIMULINK还提供了封装和模块化工具，尤其适用于复杂、多层次、高非线性的系统仿真。它简化了设计过程，减轻了设计负担，提高了仿真的集成化和可视化程度。在MATLAB工作空间中键入命令SIMULINK，便可以打开SIMULINK模块库。SIMULINK提供了采用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形交互平台。通过SIMULINK提供的丰富功能块，可以迅速的创建动态系统模型。同时，SIMULINK还集成了STATEFLOW，用来建模、仿真复杂时间驱动系统的逻辑行为。另外，SIMULINK也是实时代码生成工具REALTIMEWORKSHOP的支持平台。SIMULINK的主要功能如下1交互建模SIMULINK提供了大量的功能块以方便用户快速地建立动态系统模型。建模时只需使用鼠标拖放库中的功能块并将它们连接起来。2交互仿真SIMULINK提供了交互性很强的飞线性仿真环境，可以通过下拉菜单执行仿真，或使用命令进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口查看。3扩充和定制SIMULINK的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能用户可以用MATLAB、FORTRAN和C代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面；用户还可以将原有的FORTRAN或C语言代码连接起来。4SIMULINK可以直接利用MATLAB的数学、图形和编程功能，用户可以直接在SIMULINK下完成诸如数据分析、过程自动化、优化参数等工作。工具箱提供的高级设计和分析能力可以通过SIMULINK的屏蔽手段在仿真过程中执行。44加热炉炉温控制系统仿真结果分析基于各种控制方案的讨论，在仿真环节对各种控制方案进行了仿真。441炉温单回路控制仿真图41PID控制仿真原理图图41是加热炉特性仿真图，以单回路控制系统为研究基础，因为单回路最简单，所以在仿真过程中，所得仿真特性图最能体现对象的特性。该PID控制器，可以通过改变KP、TI、TD值，可得到阶跃响应结果。当KP09TI02TD12时，阶跃响应结果如图42所示图42PID控制仿真图当KP12TI024TD15时，阶跃响应结果如图43所示图43PID控制仿真图当KP13TI026TD1625时，阶跃响应结果如图44所示图44PID控制仿真图当KP15TI03TD18时，阶跃响应结果如图45所示图45PID控制仿真图当KP12TI018TD15时，阶跃响应结果如图46所示图46PID控制仿真图由这些图可以看出，参数KP、TI、TD的选定是很重要的。当比例系数KP增大时，余差虽然会减小，但是系统的稳定性会变差，容易产生振荡，相反的话，余差又会增大，当被控变量受干扰影响而偏离给定值后，不可能再回到原先数值上，因为如果被控变量值和给定值之间的偏差为零，调节器的输出不会发生变化，系统也就无法保持平衡。由此可知，当KP12TI024TD15时，系统的阶跃响应结果最好。但是，同时也可以看出，超调量太大，响应时间过慢。因此需要采用串级比值控制系统对加热炉的温度进行控制。442燃料空气串级比值控制仿真图47串级比值控制仿真原理图燃料空气串级比值控制系统在SIMULINK中的原理图如图47所示。在PID参数整定的基础上，设计了串级比值控制系统。串级比值控制系统的副回路是燃料控制，而空气回路的给定为燃料回路的检测。在仪表间的通讯信号为05V，而对象的输出信号为实际的流量信号和温度信号。本图中空气流量是在02（M3/S）之间，燃料流量01（M3/S）之间。当K12时，阶跃响应结果如