计算机控制的加热炉炉压智能系统研究.doc

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第i 页 计算机控制的加热炉炉压智能系统研究 摘 要 众所周知，炉膛压力是热处理炉运行中监视、控制并且反映炉内燃烧工况正 常与否的重要参数之一它不仅仅与燃烧效率直接相关，而且与安全、节能和环 保有着密切的联系炉膛压力自动控制和炉膛温度自动控制已成为燃气工业炉自 动控制系统中妇孺皆知的基本功能如何在满足炉膛温度的控制精度下合理的控 制炉膛压力，已经是热处理炉行业迫在眉睫的主要难题本文以“东北特钢集团 大连基地锻钢工程新建台车式热处理炉”为课题背景，在了解了热处理炉的工艺 流程和工艺要求之后，详细阐述了炉膛压力控制系统的设计方案和设计过程整 个设计方案是：传统的单闭环调节加上炉膛压力监督机制炉膛压力监督机制主 要用于调节、修正不合理的控制参量空燃比、燃烧时间在研究中，首先对炉 膛压力系统进行建模，然后用自适应模糊pid控制算法对炉膛压力进行单闭环调 节，并在控制过程中进行量化因子和比例因子的寻优经过仿真，效果良好接 着应用模糊传感器理论对当前的压力状态进行正确的修正，并将修正后的压力状 态适中、偏高、偏低与当前的空气过剩系数适中、偏高、偏低进行综合讨论 分析，得出控制参量空燃比和燃烧时间的修正值，从而调节炉内的氛围，使炉 膛压力和炉膛温度都处在一个良好的气氛中 关键词：热处理炉，自适应模糊 pid，寻优，模糊传感器，空气过剩系数，空 燃比 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第ii 页 abstract as we all known, the furnace pressure is one of the important parameters in monitoring, controlling and reflecting whether the combustion is normal or not in the operation of the heat treatment furnace. it isnt only related to the combustion efficiency but also to the safety, energy conservation and environmental protection. furnace pressure automatic control and furnace temperature automatic control have been the basic function known by the women and children in the gas fired industrial furnace. how to control the furnace pressure reasonably under the control of the furnace temperature accurately has been the major challenge in the field of heat treatment furnace imminently.based on the new-built car-type heat treatment furnace used in forged steel project of northeast special steel group in dalian, after known the process flows and the technological requirements of heat treatment furnace, in this paper, i illustrated in detail the design proposal and the design process of furnace pressure control system. the whole design is the traditional single return circuit regulation plus the monitoring mechanism of furnace pressure. the monitoring mechanism of furnace pressure is used to regulate, amend the unreasonable control parameters.in the study, first, i created the model of furnace pressure system and then used the adaptive fuzzy pid algorithm to regulate the furnace pressure in a single return circuit, at the same time i optimized the quantization factor and the scale factor. the results good after simulation. subsequently i used the fuzzy sensor theory to amend the current pressure state, put amended pressure statemedium、high、low and the coefficient of excess air medium、high、low into discussion, concluded the corrected values of control parametersair-fuel ratio and combustion time, adjusted the furnace atmosphere, made the furnace pressure and furnace temperature in a good atmosphere. key words: heat treatment furnace，adaptive fuzzy pid，optimization，fuzzy sensor，coefficient of excess air，air-fuel ratio 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第iii 页 目 录 计算机控制的加热炉炉压智能系统研究计算机控制的加热炉炉压智能系统研究i i 摘摘 要要.i i abstractabstractiiii 第第 1 1 章章 绪绪 论论1 1 1.1 台车式热处理炉简介1 1.2 台车式热处理炉工艺4 1.2.1 200t台车式热处理炉工艺参数 .4 1.2.2 200t台车式热处理炉工艺结构 .5 1.3 台车式热处理炉控制的关键问题5 1.4 台车式热处理炉炉膛压力控制技术的发展历程及现状7 1.5 课题的研究意义和本文的主要工作8 第第 2 2 章章 台车式热处理炉压力控制系统的总体设计台车式热处理炉压力控制系统的总体设计.1010 2.1 引言.10 2.2 台车式热处理炉炉膛压力控制原理.11 2.2.1 炉膛压力控制系统的组成11 2.2.2 炉膛压力的影响因素12 2.2.3 炉膛压力的控制参量分析13 2.3 台车式热处理炉炉膛压力的控制方案.14 2.4 本章小结.16 第第 3 3 章章 单闭环控制系统的研究与设计单闭环控制系统的研究与设计.1717 3.1 引言.17 3.2 台车式热处理炉炉膛压力控制系统的模型建立.17 3.2.1 炉膛压力数学模型的建立18 3.2.2 系统元件的传递函数19 3.3 pid 控制原理和参数整定19 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第iv 页 3.3.1 pid控制的基本原理.19 3.3.2 pid调节器的参数工程整定.22 3.4 基于自适应模糊 pid 算法的单闭环设计23 3.4.1 pid初始参数的整定.24 3.4.2 自适应模糊pid控制器的设计.25 3.5 本章小结.30 第第 4 4 章章 炉膛压力状态模糊传感器的研究炉膛压力状态模糊传感器的研究3131 4.1 引言.31 4.2 炉膛压力状态模糊传感器的研究与设计.32 4.2.1 模糊传感器的基本结构和功能33 4.2.2 炉膛压力状态的测量和语言输出34 4.2.3 蝶阀状态的测量和语言输出35 4.2.4 炉膛压力状态对环境的适应性36 4.3 本章小结.39 第第 5 5 章章 结论与展望结论与展望4040 参考文献参考文献4141 致致 谢谢4242 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第1 页 第 1 章 绪 论 1.11.1 台车式热处理炉简介台车式热处理炉简介 台车炉是属于周期式作业炉，顾名思义，它的炉底为一可移动的台车炉膛 不分区段，炉温按规定的加热制度随时间变化，用于钢锭（或钢坯）锻前加热或 工件热处理加热加热前，台车在炉外装料，加热件放在专用的垫铁上1（垫铁 高度一般为 250400 毫米） ，然后由牵引机构将台车拉入炉内进行加热，加热之 后再由牵引机构将台车拉出炉外卸料，最后用吊车将加热的工件吊到锻压设备上 进行加工台车式炉适用于不便在室式炉内加热的大型钢锭、钢坯、钢板的锻压 前加热和大型铸件、锻件、焊接件的热处理加热。可用气体或液体作燃料，也可 用电加热使用气体或液体燃料时，烧嘴多布置在炉膛两侧。 台车式炉按用途分为台车式加热炉和台车式热处理炉台车式加热炉的炉温 变化范围为 6001250;台车式热处理炉的炉温变化范围为 3001100按燃 烧室或烧嘴布置方式分为侧燃式，底燃式及循环式等类型。 热处理工艺包括退火、回火、淬火、正火以及各种化学热处理它是将材料 放在一定的介质内加热、保温、冷却，通过改变材料表面或内部的组织结构来控 制其性能的一种综合工艺过程在冶金工厂，热处理的主要对象是金属的锭、板、 管、带、丝以及型材、钢轨、车轮等而在机械制造工厂，热处理对象是各种零 件、刀具、量具以及锻件、铸件等。 与轧锻前的加热炉相比，热处理炉有些明显的特点： 1热处理工件的尺寸、形状、性质干差万别，工艺种类又很繁多，所以热 处理炉的炉型非常多样化。 2热处理往往是冶金和机械加工生产过程的最后一道工序，所以对工件的 质量要求较高，这不仅是指工件内部的金相组织，而且还包括工件表面的质量和 变形程度。 3热处理工艺过程比较复杂，其中包括加热、保温、冷却等阶段，所以热 处理炉的单位生产率和热耗指标一般都较低。 热处理炉在使用中有严格的技术要求: 1热处理时，在金属工件横截面上所允许的温差比较小，要求加热均匀(在金属 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第2 页 工件的横截面上及长度上都有均匀的温度分布)或温度分布符合要求。 2进行金属热处理时，要保证金属有最少的脱炭、氧化。 随着耐火材料制造技术、高质量耐火纤维制品、燃烧技术的发展应用，以及 计算机在热处理参数及管理和热处理生产控制过程中的应用，热处理炉在逐步向 节能的全自动控制的数字化方向发展。 本课题即以“东北特钢集团大连基地锻钢工程新建台车式热处理炉”为研究 对象，根据台车式热处理炉炉膛压力控制系统的要求，提出问题，分析原因，设 计了一套新的控制方案，解决了系统的快速性、稳定性、精确性等问题。 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第4 页 1.21.2 台车式热处理炉工艺台车式热处理炉工艺 1.2.11.2.1 200t200t 台车式热处理炉工艺参数台车式热处理炉工艺参数 本课题以“东北特钢集团大连基地锻钢工程新建台车式热处理炉”为例，进行叙述 1热处理炉炉子型号：trg-48，有效尺寸：12*4*3.5m. 2热处理炉控制方式：采用 plc 控制，有工控机进行操作，cpu 采用西门 子 s7-300 系列 3热处理炉工艺：最高炉温：970和 1100两种；升温速度：20125 /h，可控；降温速度：1035/h，可实现控制冷却；炉内温差：保温期内5； 炉子温控精度：1.5。金属烧损率：1.0%；钢坯表面脱碳层深度： 1.5mm 4温度检测：共有 10 个烧嘴，侧墙热电偶布置在烧嘴对面的炉墙上，工作 温度为 0-1250，温度控制要求能做到指示，记录，报警，自动控制功能 5流量检测：包括冷发生炉煤气和空气煤气的最大流量为 4800nm3/h，最 小流量为 500 nm3/h，平均流量为 3000 nm3/h，温度为常温煤气管道管径为 325 *4要求煤气控制具有指示，记录，随炉温自动调节功能空气的最大流 量为 6600 nm3/h，最小流量为 800 nm3/h，平均流量为 4000 nm3/h，温度为 300空气管道管径为 620*4控制同煤气 6压力检测：炉膛压力，工作压力为+2030pa，具有指示，记录功能，能 通过烟道闸板调节；空气热风总管，工作压力为 8000pa，具有指示功能，能通过 变频器调节；煤气总管，工作压力为 6000pa，具有指示，记录，报警功能；氮气 总管，工作压力为 0.5*106 pa，具有指示功能 7安全：当煤气管道低压2000pa，空气管道低压3000pa 或助燃风机断电， 氮气管道压力0.2*106pa 时，要求煤气管道切断阀切断，并发出声光报警 8热处理炉的温度控制，连锁，严格的升降温曲线及控制柜配置的要求等 都按厂家的要求来做，在此不列出 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第5 页 1.2.2 200t 台车式热处理炉工艺结构台车式热处理炉工艺结构 1炉体：炉体钢结构，炉体陶瓷纤维炉衬 2炉门：炉门钢结构，炉门内衬，炉门口，炉口钢 3台车及其行走机构：台车钢结构，砌砖座，耐火砌体，行走结构为自行 走形式 4密封系统：炉门的密封，台车的密封 5燃烧供热系统：煤气供给系统，空气供给系统，燃烧装置（采用霍克德 技术高速烧嘴及其配套器件组成，燃烧过程采用大动量数字化燃烧方式） ，排烟 系统（由烟道、余热回收装置、烟气调节阀和烟筒组成） ，吹扫放散系统，仪表 用压缩空气系统 1.3 台车式热处理炉控制的关键问题台车式热处理炉控制的关键问题 台车式热处理炉自动化控制系统由自动化仪表（仪控） 、电气传动控制（电 控）及配套的低压供配电构成系统组成如下： 0 级：现场级，包括现场仪表、传感器及执行器等 1 级：基础自动化级，包括操作员站 hmi、plc、远程 i/o、智能测量仪表等 组成 通信网络：plc 与 hmi 之间采用工业以太网进行数据通信，plc 与远程 i/o、智能测量仪表及变频器等现场设备之间采用 profibus-dp 工业现场总线进行 过程通信，本系统与公司能源管理系统之间也采用以太网进行数据通信 具体包括以下 7 个系统： 1温度控制系统：炉膛温度控制和助燃空气温度控制 2压力控制系统：炉前煤气压力监测控制、空气压力监测控制、炉膛压力 监测控制、以及仪表气源压力监测报警系统 3流量检测控制系统：括煤气流量和空气流量检测 4参数检测系统：对温度、流量、压力、调节阀设定、调节阀反馈、设备 状态进行实时检测、显示、存档 5故障检测报警系统 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第6 页 6上位机功能：实时监控、人工干预指令、故障报警管理、故障诊断、安 全管理、能源数据采集、设备管理、操作指导、库存管理 7低压电气传动及控制：鼓风机启停传动及控制，台车出入、炉门升降、 侧密封传动及控制 根据台车式热处理炉的工作原理，不难看出台车式热处理炉控制中有两个关 键问题： 1. 炉膛温度控制.炉膛温度是热处理炉最重要的工艺参数对于不同的工艺 制度，炉温的时变关系和分布的均匀性，在各升温期、保温期和降温期都有具体 要求在升温期，为了保证锻材的加热速度（不能过快，也不希望过慢，这样不 易引起热应力，对保证合金钢和大型工件的加热质量有利） ，炉温应该按照某种 时变关系连续上升，且与时间一一对应，呈正变关系，这时，如何能够及时准确 地把炉温连续调整到位是问题的关键在恒温期，炉温保持不变，与时间无关， 这时控制看似简单，则难点转变为如何始终保证炉温的准确性与均匀性在降温 期，为了保证锻材的冷却速度，炉温应该按照某种时变关系连续下降，其时变特 性也与时间一一对应，但是呈负变关系，此时的控制关键是如何及时准确地将炉 温连续调整到位 值得一提的是炉温的均匀性，除了在恒温期的作用非常重要以外，在升温期 和降温期也同等重要，所以最好也能够做到像恒温期一样的均匀 2炉膛压力控制炉膛压力控制对于炉子的使用寿命以及操作的稳定性至 关重要必须保证炉膛压力为微正压炉压大有利于炉气对工件的加热和温度的 均匀，但压力过大，则会在炉盖缝隙中窜火，不仅浪费能源，而且易加快炉衬的 损坏，还会造成操作人员人身危险，导致劳动环境的恶化如果压力小，虽然对 炉衬材料的使用有好处，但过低，则会在炉子缝隙处吸入大量的冷空气，除增加 工件的氧化外，还会导致炉温的降低，又使加热时间延长，同时浪费大量的能 源 此外，炉膛压力作为保证热处理炉良好燃烧状况的一个重要因素，对燃烧系 统起着至关重要的作用炉压的波动不仅会影响到燃料的正常燃烧，造成炉温波 动，同时还会影响空气、燃气单位时间的喷出量，使空燃比偏离最佳状态因此， 必须对炉膛压力进行控制 如何解决上述两个关键问题影响到台车式热处理炉控制系统控制效果的好 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第7 页 坏故本人的论文就针对热处理炉炉膛压力控制方面做了一些研究 1.4 台车式热处理炉炉膛压力控制技术的发展历程及现状台车式热处理炉炉膛压力控制技术的发展历程及现状 热处理炉压力控制系统包括炉前煤气压力监测控制、空气压力监测控制、炉 膛压力监测控制、以及仪表气源压力监测报警系统 本课题研究的台车式热处理炉在设计上采用大动量火焰的高速烧嘴燃烧系统 和数字化燃烧方式供热，控制时只需将煤气压力和空气压力、仪表气源压力一次 性调整到合适值, 在系统投入运行后, 只要保持压力稳定即可，因此控制相对简 单，易于实现，故本文研究的核心是炉膛压力控制系统 自炉温控制和燃烧控制都已经实现全部自动化后，炉膛压力的控制也越来越 显示出重要性从 70 年代开始，世界各国就在为炉压的控制研究了各种各样的 方式，使得炉压控制已经由最初的喷射式、配重式，发展到自动烟阀仪表调节方 式等等 国内在炉压控制方面所做的研究主要有： 1定值控制法是指炉压控制系统的设定值不随时间改变这种控制方法 的弊端是致使炉压执行机构始终处于工作状态，降低了它的使用寿命当其用于 连续加热炉时，由于炉压检测位置与执行机构安装位置相距较远，会使炉内烟气 流速较低，纯滞后时间长，控制精度无从谈起 2 “前馈反馈”控制系统基于考虑影响炉压变化的主要因素是炉内烟气量， 而烟气量与燃料量（或空气量）成正比所以一些人就采用炉子燃料总消耗检测 信号作为前馈量，组成前馈反馈控制系统这种系统虽能有效克服对象的纯滞 后现象，但仍属定值调节系统类型近年来，北科大与太原钢铁公司合作，开发 了以热负荷为基准的变参数前馈炉压控制策略，使随热负荷的变化调节烟道闸板 的开启度，取得了很好的效果 3文献3提出“等等看看”控制方法改连续调节为定时周期调节，并设立调 节死区，允许炉压在一定范围内波动，只要不超过给定界限，不予调节 “等” 就是等控制量输出后系统纯滞后时间过去, 下一次发出的控制信号由在观察 时段内所“看”到的误差和误差的变化率决定此种方法已经应用到烟台鲁宝钢管 厂的加热炉压力控制中并取得较好的效果 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第8 页 4赵渭国，杜涛在文献4中提出用开环控制系统进行炉压调节即采集总燃 料耗量信号和炉温信号，将信号经函数转换后输出，利用输出值直接控制烟闸执 行机构，自动调节烟闸开度，达到调节炉压的目的通过沈阳线材厂，营口中板 厂和安钢中型厂的运行实践表明，该法取得了良好的控制效果 5李红利在文献5提出了不用任何仪表，仅凭热处理工的观察法就能判断炉 内压力的大小，并给出解决方法经过一年多的实践证明，炉压受控后，台车维 修量明显减少，钢件质量有了明显提高，能耗也有了显著下降 国外热处理炉的发展趋势是围绕着提高产品质量、节能、环保、自动化操作 进行的: 1. 以电能为热源的炉子增多，油和煤气为热源的热处理炉比例逐渐减少 2. 对产品表面质量的要求更为严格，可控气氛热处理炉仍占重要地位 3. 炉衬趋向使用轻质材料，在电阻炉上应用非金属炉用耐热构件和发热元件 的比例逐渐增加 4. 微机和可编程序控制器的发展加速了热处理自动化，并有与其它工序组成 全自动热处理线的趋势 1.5 课题的研究意义和本文的主要工作课题的研究意义和本文的主要工作 热处理是提高工件质量和延长使用寿命的关键工序，也是充分发挥金属材料 潜力、节约材料的有效途径热处理炉是实现金属热处理工艺的主要设备，没有 先进的热处理炉就不能实现先进的热处理工艺有了先进的热处理炉我们还必须 应用先进的控制技术才能使它物尽所用，才能达到最终的控制目的 众所周知，一台装备优良、技术先进的燃气工业炉，在自动控制系统中必须 配备炉温自动控制、空燃比自动控制和炉膛压力自动控制三个基本功能但是人 们对炉温自动控制和空燃比自动控制比较重视，而对炉膛压力自动控制缺乏足够 的认识或虽已认识到它的重要性，但所做的研究、应用还是少之又少因此，本 人在导师王克成教授的带领下，在对东北特钢集团大边基地锻钢工程新建台车式 热处理炉完成原理图设计之后，重点研究了炉膛压力控制系统的设计根据台车 式热处理炉炉膛压力控制系统的要求，提出问题，分析原因，设计了一套新的控 制方案，解决了系统的快速性、稳定性、精确性等问题 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第9 页 本文所做的主要工作是：首先介绍了台车式热处理炉的工艺流程、工艺 参数和工艺结构，让大家对台车式热处理炉有了一个总体上的认识接着详细叙 述了模糊控制原理，为后续章节提供理论基础第 3 章提出炉膛压力控制系统的 总体设计方案共分两个步骤，第一步采用单闭环调节，使用自适应模糊 pid 控 制算法.第二步设计炉膛压力监督机制，运用模糊传感器理论，在蝶阀开度为测量 背景下，对炉膛压力状态给出准确的描述，并结合当前空气过剩系数的大小展开 讨论，找出炉膛压力状态不适中的原因，同时对空燃比、燃烧时间进行修正 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第10页 第 2 章 台车式热处理炉压力控制系统的总体设计 2.1 引言引言 热处理的压力制度对燃烧过程、炉内气体流动和温度分布有重要影响，从这 个角度来说，压力制度也服务于温度制度，也是实现工艺要求的温度制度的保证 条件所以，热处理炉的压力控制与炉压调节也应具有调节能力足够大、调整及 时准确的特点 热处理炉压力控制系统包括炉前煤气压力监测控制、空气压力监测控制、炉 膛压力监测控制、以及仪表气源压力监测报警系统 1煤气压力监测控制系统 对炉前煤气压力实时监测当煤气总管压力低于第一限定值时，系统发出声 光报警信号，提醒有关人员及时处理；低于第二限定值（最低允许压力）时，系 统发出指令，迅速关闭炉前煤气快切总阀并进行声光报警，热处理炉停止运行 1空气压力监测控制系统 对炉前空气压力实时监测当总管空气压力低于第一限定值时，系统发出声 光报警信号，提醒有关人员及时处理；低于第二限定值（最低允许压力）时，系 统发出指令，迅速关闭炉前煤气快切总阀并声光报警，热处理炉停止运行 2仪表气源压力监测报警系统 对仪表气源压力进行监测当气源欠压、低于第一限定值时，由 plc 发出声 光报警信号，当气源超低压、低于第二限定值时，系统会发出指令，热处理炉自 动停止运行，以确保设备运行的安全可靠通过人机界面，操作人员可以随时了 解气源压力状况 由于本课题研究的热处理炉采用脉冲燃烧控制方式, 所以可以将煤气压力和 空气压力、仪表气源压力一次性调整到合适值, 在系统投入运行后, 只需保持压力 稳定即可，控制相对简单，易于实现，故本文不做详细论述 4炉膛压力监测控制系统 这是本文研究的核心理论研究和实验证明，炉内的压力对不同加热工艺的 加热质量影响是很大的，通过炉内压力的有效控制，可以提高热处理的质量，可 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第11页 以获得稳定的炉内温度场，引导热流的方向，因而提高了热处理的质量，并且能 有效地节约能源特别是随着热处理技术向高精度方向发展，使热处理炉炉内压 力的控制越来越显示出其重要性 2.2 台车式热处理炉炉膛压力控制原理台车式热处理炉炉膛压力控制原理 2.2.1 炉膛压力控制系统的组成炉膛压力控制系统的组成 为了防止冷空气侵入和火焰外喷，炉膛压力要保持微正压炉内压力是否控 制或控制的好坏，直接影响炉内温度的均匀性和炉子热效率因此，对于全自动 控制的炉子必须采取相应技术措施控制炉压 热处理炉的炉压控制系统就是控制排烟量使炉膛压力维持在设定范围内 热处理炉单独设置排烟系统排烟系统由烟道、余热回收装置、烟气调节阀 和烟筒组成采用集中排烟方式，依据炉子大小，设置一个或两个排烟口烟气 从排烟口排出，经过烟道、空气预热器、烟气调节阀、烟筒，排入大气 我们采用的炉压自动控制系统由微差压变送器（-100100pa） 、plc（s7- 300）和气动执行机构（烟气调节阀蝶阀）构成典型的闭环调节系统，见图 3- 1根据实时采集的炉压参数，利用烟囱排烟量的多少自动调节蝶阀的开度，从 而实现炉膛压力的自动控制，保持炉膛压力为微正压（2030pa） ，并且通过人 机界面，操作人员可以随时了解炉内压力状况 图 2.1 炉压控制系统的组成 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第12页 2.2.2 炉膛压力的影响因素炉膛压力的影响因素 炉压控制技术远比炉温控制复杂得多，影响因素有19-20： 1排烟装置抽力 是指烟囱与排烟机等排烟装置对炉内的抽力这是影响火焰炉炉内压力的主 要因素该抽力愈大，则炉内烟气排出速度愈快，单位时间内排出的烟气量愈多， 炉气压力愈低，甚至造成负压 2燃烧器喷出的火焰 燃烧器喷出的火焰，沿流动方向压力逐渐增大，火焰根部为负压，而火焰尾 部为正压此外，当火焰与炉料相碰后，部分动压头转变为静压头，使料面压力 增大 3炉气密度与炉膛高度 如暂不考虑前两个因素影响，则火焰炉炉内压力沿炉膛高度方向的分布服从 式即 (3-1)的规律其中、为炉膛内上下两平面ghpp)( 12热空表表 2表 p 1表 p 处表压力，、为外界空气与炉内热气的密度，为两平面相距的高度此 空 热 h 式表明，炉膛上部表压力大于下部，而且愈小（即炉气温度愈高）,愈高， 热 h 则上下压力相差愈大 4燃料消耗量 当排烟装置对炉内抽力不变条件下，单位时间内火焰炉燃烧的燃料量愈多， 则炉气量愈大，炉膛单位容积内气体分子数增多、压力上升 5烟气流速 当烟道系统、烟阀型式及直径确定后，整个系统的阻力特性即已确定，在烟 气流速恒定的情况下，烟气的流量就与阀门的开度成比例关系烟气流速提高时， 系统阻力增大，炉压则增高；反之，烟气的流速降低时，炉压则降低 6烟阀的流通特性和调节速度 采用不同型式及直径的烟阀，其流通特性和调节速度是不一样的在热处理 炉上常采用闸板式和蝶式烟阀蝶阀的反应速度要好，但蝶阀的开启角度与流通 能力并不成线性比例关系，使用时要注意 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第13页 2.2.3 炉膛压力的控制参量分析炉膛压力的控制参量分析 热处理炉系统非常复杂，很多环节相互耦合，共同影响炉内的氛围其炉内 的压力就随炉内温度变化、燃烧量变化和炉外环境气候的变化而变化21如当增 加空气量和燃气量或在数字脉冲燃烧方式中增大烧嘴的燃烧时间以提高炉温时， 热处理炉的炉膛压力也会随之增加；反之当降低空气量和燃气量或在数字脉冲燃 烧方式中减少烧嘴的燃烧时间以降低炉温时，炉膛压力也会随之降低当增加烟 道阀门开度的时候，可以减小炉膛压力，但同时又降低炉膛温度；当减少烟道阀 门开度的时候，可以增加炉膛压力，但同时又增加炉膛温度 况且在不同的加热工艺，所需要的压力也不同所以对炉膛压力的调节要考 虑到对炉膛温度的影响而炉温又与空燃比、燃料量、助燃空气量息息相关空 燃比过大时，炉内空气过量，不但会从炉内带走大量的热能，降低火焰的温 度，还会产生过多的废气，导致氧化氮、氧化硫排量增加，污染环境，而且炉内 气氛中的过多氧气，还会造成钢坯、锻件严重烧损、氧化；空燃比过小时，炉内 空气不足，会造成燃烧不完全，降低热效率，热损失增大，还产生大量黑烟污染 环境，甚至会造成炉尾喷火影响到操作人员和设备的安全22所以空燃比直接影 响燃烧状况，也影响炉内气压在空燃比适中的情况，单位时间内燃烧的燃料量 愈多，则炉温和炉压就愈大，反之，就越小所以热处理炉的炉压控制是一个复 杂的工业过程，有多个控制参量，且参量关系比较复杂如图2.2所示 图 2.2 炉压控制系统的控制参量作用关系 由此可以看出： 1炉膛压力是所有变量中变化比较快的量，滞后量比较小，直接和排烟量 相关，但易受燃料量、助燃空气、空燃比的影响 2炉膛温度和燃料量、助燃空气、空燃比有直接关系，但受到排烟量的影 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第14页 响 2.3 台车式热处理炉炉膛压力的控制方案台车式热处理炉炉膛压力的控制方案 1控制策略的研究 大家都知道，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，最佳开度是 50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，以维持炉内微正压但是，有时我们还会发现这样的情况： 比如，当前的压力值在设定值范围之内，但此时的蝶阀开度已大于 50，蝶阀没 有在最佳状态说明此时此刻燃烧之后炉子里的气体（烟气）比较多，压力比较 高，只有靠加大阀门的开度，才能迅速地排除烟气，保证新的气体补充进来但 是此时的状态已不是最好状态，炉膛的压力值正常只是一种虚假现象因为，我 们希望的是只要压力值正常，蝶阀的开度就在理想状态50开度还有的时候 会出现 压力值在设定范围之内，但蝶阀开度偏小（50）的情况说明了此时的 压力正常仍是一种假象，实际上炉膛压力是偏小的，它只能通过大量减小阀门的 开度，减小烟气的排放量才能达到满足压力设定值的要求 通过上面的分析，我们可以看出：台车式热处理炉炉膛压力的调节看似简单， 而实际上则是一个复杂的控制过程单独的依靠改变烟阀的开度来跟踪、适应炉 膛压力的设定值达到调节炉膛压力的目的显然不够准确，我们还应该把当前的压 力检测值和蝶阀的开度联系起来综合考虑，运用模糊传感器的理论，对当前炉膛 压力的状态进行定性分析，是偏高、偏低还是适中，然后根据空气过剩系数的大 小偏大、适中、偏小，讨论产生不合理现象的原因，纠正不合理的参数设置如 燃料量、助燃空气量（在数字化脉冲燃烧方式中改变烧嘴的燃烧时间）和空燃比， 以实现炉膛压力的有效调节，使炉子的工艺参数更加优化，使炉内的氛围更加有 利在控制算法上不能单以 pid 为主，还应该采用更高智能的拟人操作的模糊控 制和 pid 结合而成的自适应模糊 pid 控制技术 由于在本文中第一次提到空气过剩系数，所以有必要在此详细说明一下 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第15页 燃料燃烧时，燃料与空气的混合与接触很难达到十分理想的程度，因此，为 保证燃料充分燃烧，实际供应的助燃空气量必须多于理论空气空气过剩系数的 定义是：设每 kg 或 m3（标）燃料所消耗的实际空气量为 ln（标 m3），其值与理 论空气量 l0之比，用 n 表示，即： 0 l l n n （2.2） 显然，为确保完全燃烧，n 值应大于 1.但过大将引起燃烧产物体积增大，废 气中剩余的氧气增多，燃烧温度降低并增大废气带走的热量n 值不仅影响燃烧 本身，而且关系到炉内气氛过大，炉气氧化性强；小于 1，炉气为还原性，对 金属加热都不利应该在尽可能小的空气过剩系数下，保证燃料的充分燃烧，避 免过剩空气量过多或空气供给量不足 毋庸置疑, n 值的大小与燃料的种类有关通常气体燃料 n1.051.15，液 体燃料 n1.151.25，固体燃料 n1.201.50. 既然在实际生产中，在保证燃料完全燃烧的前提下，应尽量减少过剩空气 量那么我们如何知道生产过程中炉膛里空气过剩量的多少呢？因为烟气含氧量 可以正确反映空气过剩系数，反映燃烧的经济性因此，可用烟气中的含氧量作 为检查燃料量和助燃空气量是否配合恰当的指标，所以在工程上学者和技术人员 提出了采用氧化锆测氧设备（氧化锆测氧仪）测量烟道含氧量 空气过剩系数和烟气中含氧量的关系为： 2 21 21 o n （2.3） 式中：21 为空气中氧含量，：烟气中含氧量，我们把用氧化锆 2 o 测氧仪测出的烟道含氧量代入式 3-3 就能轻而易举的求出空气过剩系数 2控制方案的提出 综合考虑以上的因素，根据现场操作人员的经验和专家的知识，提出了本文 的控制方案见图 2-3. 第一步：单闭环调节即利用自适应模糊 pid 控制技术使炉膛压力在每个采 样周期都保持在设定值范围之内 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第16页 第二步：监督优化机制即根据模糊传感器理论，将炉膛压力的状态输出与 空气过剩系数进行对比分析、模糊推理，自动修改空燃比和燃烧时间，达到有效 控制炉膛压力，优化系统工艺参数的目的 图 2.3 台车式热处理炉炉膛压力控制的方框图 2.4 本章小结本章小结 本章主要介绍了台车式热处理炉炉膛压力控制系统的总体设计思路首先提 出了台车式热处理炉压力控制系统的组成，接着重点介绍炉膛压力控制系统， 先 后分别说明了炉膛压力系统的组成，炉膛压力的影响因素和与其它控制参量 之间的耦合关系最后在这基础之上提出了炉膛压力控制的总体方案炉膛压力 自适应模糊 pid 的单闭环调节加上炉膛压力监督机制 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第17页 第 3 章 单闭环控制系统的研究与设计 3.1 引言引言 在传统的炉膛压力自动控制中，一般都采用 pid 控制pid 控制具有结构简 单、稳定性好、可靠性高等优点，在工业过程控制中有广泛的应用但受其控制 参数整定的限制，对于非线性、大滞后系统难以达到满意的控制效果而智能控 制中的模糊控制则能模拟人类逻辑思维能力，不依赖被控对象的精确数学模型， 只需提供专业技术人员的经验知识及操作数据，对复杂系统有着良好的控制效 果尤其是炉压自动控制技术涉及到流体力学、热力学、机械传动和电气控制等， 为了更好的适应热处理炉工艺变化和实际情况多变的需要，所以本文根据刘金琨 所著的先进 pid 控制 matlab 仿真一书所提的自适应模糊 pid 控制的方法， 设计了基于自适应模糊 pid 控制的炉膛压力单闭环调节系统，对其量化因子、比 例因子进行寻优，实现了对炉膛压力的自动调节，并借助 matlab 中 simulink 直观便捷的构建系统模型，进行仿真实验 炉膛压力单闭环控制系统示意图： 图 3.1 炉膛压力单闭环控制示意图 3.2 台车式热处理炉炉膛压力控制系统的模型建立台车式热处理炉炉膛压力控制系统的模型建立 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第18页 过程控制系统的建模主要有两种方法一种是机理法建模，另一种是测试法 建模机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平 衡方程如：物质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程以及反映流体流动、传 热、传质、化学反应等基本规律的运动方程，特性参数方程和某些设备的特性方 程等，从中获得所需的数学模型测试法一般只用于建立输入输出模型它是根 据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型它的主要 特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动 态性质，因此不需要深入掌握其内部机理本文根据实际情况，对炉膛压力系统 进行了建模 3.2.1 炉膛压力数学模型的建立炉膛压力数学模型的建立 根据文献29所推导的锅炉炉膛压力表达式的过程，我们去粗取精地应用在热 处理炉炉膛压力的建模上 已知：炉膛里的参数量有燃料量（煤气量）qc，助燃空气量 q1和排烟量 q2， 炉膛压力 p则：烟气质量变化方程为： 21 qqqdm c （3.1） 根据理想气体状态方程30-31可知：炉内气体介质存量 m，压力 p，温度 t， 炉膛容积 v 之间存在关系： mrtpv （3.2） 其中 r 是燃烧产物的气体常数把公式进行变形： r k t pv k rt pv m 1 , 11 （3.3） 炉膛中能量变化方程： 22211 qhqhqhq dt de cc （3.4） 式中 h1为助燃空气比焓；hc为煤气比焓； h2为烟气比焓；q2为炉膛辐 射热量 而能量 e 的表达式： mtce p （3.5） 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第19页 其中是定压比热系数把式（3.3）代入式（3.5）得： p c vpkce p1 （3.6） 对式（3-6）求导得： dt dp vkc dt de p1 （3.7） 由式（3-4）和式（3-7）得能量守恒方程： 222111 qhqhqhq dt dp vkc ccp （3.8） 至此，式（3-8）建立了炉膛压力的数学表达式，由该式可以得出在不同时刻 炉膛压力的值 将式（3-8）进行拉氏变换得： vskc qhqhqhq sp p cc 1 22211 )( （3.9） 令： vkckqhqhqhqk pcc13222112 , （3.10） 则： 3 2 3 2 ,)( k k k s k sk k sp （3.11） 3.2.2 系统元件的传递函数系统元件的传递函数 1蝶阀的传递函数蝶阀的传递函数 根据参考书籍32-33和文献34，电动，气动执行机构的微分方程为： pku dt ud t 3 3 （3.12） 式中：为执行机构的时间常数，为执行机构的放大系数把上式经过拉 3 t 3 k 氏变换后得蝶阀的传递函数为： 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第20页 （3.13） 1 )( ts k su 2微差压变送器的传递函数微差压变送器的传递函数 根据参考书籍33，变送器的特性也可视为比例环节所以本项目中的微差压 变送器等效为一个比例环节 3.3 pid 控制原理和参数整定控制原理和参数整定 3.3.1 pid 控制的基本原理控制的基本原理 pid(propotional-intigrate-differential)控制是比例积分微分控制的简称在生 产过程自动控制的发展历程中，pid 控制是历史最久，生命力最强的基本控制方 式在上世纪 40 年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一 的控制方式此后，随着科学技术的发展，特别是电子计算机的诞生和发展，涌 现出许多先进的控制方法，然而直到现在，pid 控制由于它自身的优点仍然是得 到最广泛应用的基本控制方式 pid 控制器由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成原理框图可用 下图表示： pid 控制的传递函数为： sk st k ksg p i p pc )( （3.17） 其中，为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数，三者都是可 p k i t 调的参数 图 3.2 pid 控制系统原理框图 辽宁科技大学本科生毕业设计(论文) 第21页 pid 控制器的输出信号为： dt tde kdtte t t tektu p t i p p )( )()()( 0 （3.18） 简单的说，pid 控制器各环节的作用如下： 1比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 e(t)，偏差一旦产生，控制 器立即产生控制作用，以减小偏差增大比例系数可减小系统的稳态误差，提高 系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳 定 2积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度积分作用越大，系 统的静态误差消除越快，但过大，会在响应过程的初期产生积分饱和现象，引起 较大超调过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度 3微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号变得太 大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减 少调节时间微分作用过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且 会降低系统的抗干扰性能 在计算机控制系统中，一般采用两种形式的数字 pid 控制算法：理想微分的 数字 pid 控制和实际微分的数字 pid 控制36实际微分 pid 控制的提出是因为 在模拟调节中，pid 运算是靠硬件实现，由于反馈电路本身特性的限制，理想微 分无法实现，所以在实际中常采用三种较常用的实际微分 pid.而理想微分 pid 控 制在计算机上实现时，必须把微分方程改为差分方程，为此，偏差 可进行如下e 近似，即： （3.19） n j jteedt 0 )( （3.20） t nene dt de) 1()( 式中，为控制周期，为控制周期序号（n=0,1,2,）,e(n)为第个控制周tnn 期的偏差 （3.21） ) 1()()()()( 0 nene t t je t t neknu