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上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 ii 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张智华 日期：2008 年 1 月 22 日 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 iii 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：张智华 指导教师签名：詹永麒 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 iv 环形炉炉温控制系统 摘 要 本文结合钢管环形加热炉的特点，运用模糊 pid 技术、计算机仿真技 术、网络通讯技术、现场总线等技术，采用西门子 s7-300plc 和西门子 wincc 上位机软件，以降低能耗和减少管坯烧损为目的实现环形加热炉的 炉温自动化控制。 (1) 介绍了高温燃烧技术和环形炉的结构特点。针对环行炉炉温的非 线性和大滞后性，提出了将模糊控制理论应用到环形炉炉温控制 系统中去。 (2) 根据空气和煤气混合燃烧的特点，提出了燃烧系统采用双交叉限 幅串级比例控制技术，并设计了炉压、风压、煤气压力、蓄热式 燃烧系统的实施方案。 (3) 根据炉子现场的条件和燃烧系统的特性，本文设计了用于 pid 参 数改变的模糊控制器和空燃比改变的模糊控制器。 (4) 介绍了上位机系统和下位机系统的软件编程和程序主要结构。 (5) 建立了环形炉的数学模型,并用 matlab 仿真软件进行了仿真运 算。 (6) 通过实际使用比较，环形炉采用工业煤气燃烧，使用蓄热式燃烧 系统和模糊 pid 控制技术，比较使用煤气发生炉作为燃烧供应， 可以很大程度的降低能耗、减少管坯烧损、降低升降温时间和减 少污染。 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 v 关键词：模糊 pid，蓄热式燃烧，空燃比，双交叉限幅串级比例控制，环 形炉 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 vi the temperature control system of doughnut-shaped furnace abstract combining the characteristics of furnace with doughnut-shaped steel pipe this article gives us the introduction that by using the fuzzy pid technology, simulate technology of computer, communication technology of network and spot bus technology and adopting siemens s7-300 and wincc software can realize the automation control of furnaces temperature to reduce energy consumption and cut down combustion of base tube. （1） the article introduces the burning technology with high temperature and structure characteristics of doughnut-shaped furnace. the theory of hazy control which can be used into the temperature control system of doughnut-shaped furnace is also introduced. （2） according to the characteristic of mixture combustion of air and gas, its said that combustion system adopts the technology of double-cross 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 vii amplitude limitation and cascade proportional control, also designs the implementations of furnace pressure, wind pressure, gas pressure and regenerative combustion system in the article. （3） according to the situation of furnace on site and the characteristics of combustion system, it designs the fuzzy controller which applied to the pid parameter changing and another fuzzy controller which applied to the combustion ratio of air. （4） the article introduces software programming and main program structure of upper-end and lower-end computer system. （5） the mathematics model of doughnut-shaped furnace is established and the imitative software like matlab is also used to do imitation calculation. （6） compared with the actual resultof using gas generator as combustion supply, the doughnut-shaped furnace can reduce the energy consumption, cut down combustion of base tube, reduce the time of temperature increasing and decreasing and reduce pollution to a large extend by using industrial gas and adopting the regenerative combustion system and fuzzy pid technology. 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 viii keywords:fuzzy pid，the regenerative combustion，the combustion ratio of air，furnace with doughnut-shaped，the technology of double-cross amplitude limitation and cascade proportional control 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 ii 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张智华 日期：2008 年 1 月 22 日 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 iii 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名：张智华 指导教师签名：詹永麒 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 1 第一章 引言 20 世纪 30 年代以来，自动化控制技术获得了惊人的成就，已在工业生产和科学 发展规律中起着关键作用。当前，自动化控制装置已成为大型设备不可分割的重要组 成部分。生产过程的自动化已成为衡量工业企业现代化水平的一个重要标志。 11 自动化控制技术发展和现状 回顾自动化控制技术发展的历史，可以看出它与生产过程本身发展有着密切联 系，是一个从简单形式到复杂形式，从局部自动化到全局自动化，从低级智能到高级 智能的发展过程。 18 世纪，詹姆斯瓦特（james watt）为控制蒸汽机速度而设计的离心调节器， 是自动控制领域的第一项重大成果。1922 年迈纳斯基（minorsky）发明了船舶操纵控 制器，并且证明了如何从描述系统的微分方程中确定系统的稳定性。1932 年，奈魁斯 特（nyquist）提出了一种相当简便的方法，根据对稳态正旋输入的开环响应，确定闭 环系统的稳定性。1934 年，黑曾（hezen）提出了用于位置控制系统的伺服系统的概 念，讨论了可以精确跟踪变化的输入信号的继电式伺服机构。20 世纪 40 年代，频率响 应法为工程技术人员设计满足性能要求的线性闭环控制系统提供了一种可行的方法。 从 20 世纪 40年代末到 50年代初，伊凡思（evans）提出并完善了根轨迹法。 20 世纪 50 年代以前，自动化控制技术的理论基础是用传递函数进行数学描 述，以根轨迹法和频率响应法作为分析和综合系统基本方法的经典控制理论。由于具 有多输入多输出（mimo）的现代设备变得越来越复杂，所以需要大量方程来描述现 代控制系统。古典控制理论只涉及单输入单输出系统（siso），对多输入多输出系统 就无能为力了。20 世纪 50 年代末，由于生产过程迅速向着大型化、连续化方向发展， 工业过程的非线性、耦合性和时变性等特点十分突出。自动控制技术面临工业生产的 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 2 严重挑战。幸运的是，利用状态变量、基于时域分析的现代控制理论已经产生，内容 包括了以最小二乘法为基础的系统辨识，以极大值原理和动态规划为主要方法的最优 控制和以卡尔曼滤波为核心的最佳估计等部分。60 年代中期，出现了用计算机代替模 拟调节器的直接数字控制（ddc）和与由计算机确定模拟调节器或 ddc 回路最优设定 的监督控制（scc），在现代控制理论的移植应用和计算机引入工业过程控制方面都 有了良好的开端和尝试。 1969 年，dec 公司发表了它的“黑盒子”pdp14 可编程逻辑控制 （plc），几乎与此同时，mocidon公司推出了 model 084系列 plc。1975年，美国霍 尼威尔（honeywell）公司针对工业生产规模大、过程参数和控制回路多等特点，为了 满足工业用计算机应具有高度可靠性和灵活性的要求，推出了分布式控制系统 （dcs），又称集散控制系统。它将计算机技术、控制技术、通讯技术、显示技术结 合在一起，为实现高水平的自动化提供了强有力的技术工具，给生产过程自动化的发 展带来了深远的影响。这一阶段的控制理论与其他科学相互交叉，互相渗透，向着纵 深方向发展，形成了大系统理论和智能控制理论。它已突破了局部控制的模式，进入 到全局控制，既包含了若干子系统的闭环控制，又有大系统的协调控制、最优控制以 及决策管理，即控制管理一体化的新模式。 目前，现代控制理论的进展集中于鲁棒控制、h-控制及相关课题，工业自动 化也进入到计算机集成过程系统（cips）时代，可是面对琳琅满目的计算机系统，尽 管有许多现成的先进控制理论，确缺乏行之有效的控制策略和方法去满足工业生产不 断提出的高要求，因此，加强控制理论与生产实际密切结合，注意引入智能系统、专 家系统，逐步形成不同形式的既简单又实用的控制结构和算法，是控制理论工程化的 任务，也是今后过程控制的主要研究内容。 12 高温燃烧技术的发展和现状 最早的炉子，烟气中的热量无法回收利用，高温烟气带走燃料中 7080%的能 量，而炉子的热效率只有 2030%。到了二十世纪中期，国内外开始采用在烟道上安 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 3 装空气预热器的方法来回收烟气中的热量；经过半个世纪的发展和完善，排烟温度大 幅度下降，炉子的热效率提高到 50%左右。尽管如此，烟气仍然带走燃料中 4050% 的能量；而且空气预热器使用寿命有限，维修困难。使用蓄热室回收烟气的热量不能 算一项新技术；在十九世纪末期英国已经有人采用，我国平炉炼刚用过的格子砖也是 一例。当时的蓄热室体积庞大，而且加热空气的效果并不十分理想，因此没有得到广 泛应用。进入二十世纪八十年代以后，由于材料科学的飞速发展，在欧洲开发出一种 陶瓷球蓄热材料。这种陶瓷球热导率高，比热容大，耐高温；以陶瓷球作为蓄热体吸 收烟气热量，空气可以很稳定地预热到 1000以上。由于蓄热燃烧技术节能效益显 著，因此在英国、美国得到应用。然而当时的蓄热燃烧技术并不是真正意义上的高温 空气燃烧技术。燃烧产物中 nox 的浓度是和燃烧温度成指数关系变化的；一味提高空 气预热温度而不采取有效措施抑制 nox 的生成，会引起 nox 排放的急剧增加。蓄热 燃烧技术在节能和环保两方面的矛盾限制了蓄热燃烧技术的推广。高温空气燃烧技术 是田中良一等人在二十世纪八十年代末期提出的；九十年代初期，在日本政府资助 下，由日本一些企业和研究所共同 开发完成。田中良一领导的研究小组以陶瓷蜂窝体 作蓄热体，预热空气的温度仅比炉温低 50100；同时，在燃烧区将助燃空气的氧含 量由 21%降到 24%，解决了高温空气燃烧下高 nox排放问题。使用高温空气燃烧技 术，排烟温度低于 150，低温烟气带走的能量只占燃料化学能的 10%左右，炉子的 热效率接近 90%。我国已于近几年在冶金企业中大力推广该技术的应用，并已取得一 定的效果。 1.3 在温度控制中运用模糊控制器 在过去 20 年中,模糊控制器（fuzzy controllers）和模糊控制系统是智能控制一 个非常活跃的应用领域。模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。模糊控制的 有效性可以从两个方面来考虑。一方面，模糊控制提供一种实现基于知识（基于规 则）的甚至语言描述的控制规律的新机理。另一方面，模糊控制提供了一种改进非线 性控制器一般用于控制含有不确定性和难以用传统非线性控制理论处理的装置。 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 4 1.3.1 模糊控制理论产生的时代背景(4) 自 20 世纪 60 年代以来,现代控制理论已经在工业生产过程中取得了成功的应用。 例如极小值原理可以用来解决某些最优控制问题：利用卡尔曼滤波器可以对具有有色 噪声的系统进行状态评估；预测控制理论可以对大滞后过程进行有效的控制。但是它 们都有一个基本要求，需要建立被控对象的精确数学模型。 随着科学技术的迅猛发展规律，各个领域对自动控制系统控制精度、响应速度、 系统稳定性与适应能力的要求越来越高，所研究的系统也日益复杂多变。然而，由于 一系列原因诸如被控对象或过程的非线性、时变性、多参数项的前列偶合、较大的随 机干扰、过程机理错综复杂、各种不确定性以及现场测量不完善等，难以建立被控对 象的精确模型。虽然常规自适应控制技术可以解决一些问题，但范围是有限的。对于 那些难以建立数学模型的复杂被控对象，采用传统的控制方法，包括基于现代控制理 论的控制方法，往往不如一个有实践经验的操作人员所进行的手动控制效果好。因为 人脑的重要特点之一就是有能力对模糊事物进行识别与判别，看起来似乎不确切的模 糊手动常常可以达到精确的目的。操作人员通过不断的学习，积累操作经验来实现对 被控对象进行控制的，这些经验包括对被控对象特征的了解，在各种情况下相应的控 制策略以及性能指标判定。这些信息通常是以自然语言的形式表达的，其特点是定性 的描述，具有模糊性。由于这种特性使得人们无法采用现有的定量控制理论对这些信 息进行处理，于是需探索出新的理论和方法。 lazadeh 教授提出的模糊集合理论，其核心是对复杂系统或过程建立一种语 言分析的数学模式，使自然语言能直接转化为计算机所能接受的算法语言。模糊集合 理论的诞生，为处理客观世界中存在的一类模糊性问题，提供了有利的工具。同时， 也适应了自适应科学发展的迫切需要。正是在这种背景下，作为模糊数学的一个重要 分支的模糊控制理论便应用而生了。 1.3.2 模糊控制用于温度控制的原因 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 5 所谓模糊控制既不是指被控对象是模糊的，也不是指控制器是不确定的，它是指 在表示知识、概念上的模糊性。虽然模糊控制算法是通过模糊语言描述的，它所完成 的任务却是一项完全确定的工作。 模糊控制理论是控制领域中的非常有发展前途的一个分支，这是由于模糊控制具 有许多传统控制无法比拟的优点。其中主要是： (1)使用语言方法，可不需要掌握过程的精确数学模型，而语言方法却是一种很方 便的近似。 (2)对于具有一定操作经验，而非控制专业的工作者，模糊控制方法易于掌握。操 作人员易于通过人的自然语言进行人机界面联系，这些模糊条件语句很容易加入到过 程的控制环节上。 (3)采用模糊控制，过程的动态响应品质优于常规 pid 控制，并对过程参数的变化 具有较强的适应性。 鉴于模糊控制的独特优点，模糊控制可以使电子计算机模拟人的直觉，并依据不 确定的信息作出决定。模糊逻辑使用是主观的，面向语言的知识，例如操作人员的专 门知识，而不是复杂的数学模型，它基本上是以规划为基础的专家系统，工作起来特 别快，而且模拟人的判断力效率特别高。 因此，在温度控制中采用模糊控制具有充分的理论依据。考虑到模糊控制实施起 来也存在自身的缺点，例如基本模糊控制器存在稳态误差，我们将模糊控制和传统的 pid 控制结合起来使用，采用模糊 pid 控制的方法，可充分发挥两种控制方法的优 点，克服控制中表现的不足。 1.4 课题的意义及现状分析 1.4.1 课题的意义 随着工业的迅速发展和人口的不断增长，能源和环境问题成为倍受国人瞩目的两 大问题。目前全国的能源有 90%以上来自燃烧化石燃料（煤、石油和天然气）所释放 的能量，其中 75%来自煤碳燃烧释放的能量。化石燃料在全国的储量是有限的，我们 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 6 需要开发新能源，而当前更重要的是现有能源的合理利用。相应地，全国 70%以上的 污染物也来自化石燃料的燃烧产物，如二氧化碳（co2）、一氧化碳（co）、二氧化 硫（so2）、氮氧化物（nox）、未燃碳氢化合物（uhc）和烟尘。二氧化碳、一氧 化氮（co）和甲烷（ch4）是温室气体，引起全球气候恶化；一氧化碳、二氧化硫、 氮氧化物、部分未燃碳氢化合物和烟尘可直接对人体和动植物产生危害；大气中的二 氧化硫和氮氧化物会产生酸雨，对建筑物和各种材料也会产生直接腐蚀。因此，在我 国实施经济可持续性发展战略的关键时期，研究和应用节约能源、提高能源利用 效 率、减少污染物排放的燃烧及控制技术成为我国工业界的当务之急。 工业炉是我国能源消耗大户，据有关部门统计，我国工业炉消耗的一次能源约占 我国能源总消耗量的 20%左右，其中耗煤每年 1.210 8 t，耗油约 9.610 6 t。目前， 我国工业炉的燃煤状况部分以直接燃煤为主，还有一部分采用热脏煤气，即将煤在煤 气发生炉内气化成热值较高的发生炉煤气，在热态下直接将热煤气输送到工业炉内燃 烧。热煤气由于压力低，含有焦油及煤尘杂质，并且没有经过加压处理，不能做到远 距离输送，其输送管道及燃烧装置容易堵塞，需要经常清理，工业炉的连续性生产能 力差，热煤气压力低，相对稳定性差，控制火焰稳定燃烧的难度大，自动控制很难实 现。在有条件的地区，采用冷煤气燃烧。 当今钢材市场竞争异常激烈，对于冶金企业，提高产品质量，降低能源成本，减 少环境污染，正成为提高企业竞争力、生存力的重要措施。如何保证钢材生产过程中 “高产、优质、低耗和少污染”是关系到冶金企业可持续发展的重大问题。因而得到 企业界及科技界的广泛关注。本课题主要研究采用蓄热式燃烧技术以工业煤气为燃料 的环行加热炉的燃烧系统的控制,在对蓄热式系统进行控制的同时对燃烧系统采用传统 pid 控制的基础上,先进行手动寻优,最后将模糊控制技术应用到生产中去,使燃料的消 耗、原材料的烧损最低和污染物的排放降到最低的水平。 1.4.2 国内轧钢加热炉现状 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 7 2000 年以前，国内冶金企业加热炉大多采用重油和直接燃煤加热炉，只有少部分 的企业采用燃气加热炉。对于重油加热炉，在控制上，虽然可以采用先进的控制技 术，但由于重油中杂质太多，其流量检测系统寿命短，测量精度很难保证，在实际运 行中，大多仍采用手动为主的燃烧方式。随着石油炼制技术水平的不断提高，重油质 量不断下降，但价格却不断上升。冶金企业为了提高钢材质量，降低能源成本，于 2000 年前后，许多企业将燃油加热炉逐渐改成了燃热脏发射炉煤气。煤气发生 2000 年 以前，国内冶金企业加热炉大多采用重油和直接燃煤加热炉，只有少部分的企业采用 燃气加热炉。对于重油加热炉，在控制上，虽然可以采用先进的控制技术，但由于重 油中杂质太多，其流量检测系统寿命短，测量精度很难保证，在实际运行中，大多仍 采用手动为主的燃烧方式。随着石油炼制技术水平的不断提高，重油质量不断下降， 但价格却不断上升。冶金企业为了提高钢材质量，降低能源成本，于 2000 年前后，许 多企业将燃油加热炉逐渐改成了燃热脏发射炉煤气。煤气发生炉的原料为块煤，因重 油与煤的单价相差很大，故通过油改气改造，企业可节约能源运行成本 3040%。但因 热脏发生炉煤气热值低、压力低，升降温速度慢，较难满足高产的要求。对于热脏煤 气发射炉煤气，由于其单台炉煤气产量低，一般采用在加热炉附近建几台共同供气， 这种煤气发射炉产气量很难精确控制且产气量低、污染大，中间又无储气罐，所以一 般用人工方式进行操作。采用冷煤气作为燃料，一方面可以减少污染，另一方面可以 将先进的控制技术应用到生产中去，并可降低燃料成本、减少原材料的氧化烧损。 1.5 环形炉介绍 1.5.1 环形加热炉工艺过程描述 无锡西姆莱斯钢管有限公司管坯环形加热炉于 1996 年 8 月建成投产，用于钢坯穿 管前加热的连续加热炉。其炉膛中心线的直径为 13m，炉膛内宽 3200mm，炉底宽 2800mm。炉子设预热段、第一加热段、第二加热段和均热段。预热段炉膛高度 850mm，其它炉膛高度 1332mm。炉底转动设备采用液压驱动，出料口与进料口夹角 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 8 为 30 度，最大装料量为 165 根。炉子辅助设备分为排烟系统、助燃空气系统、燃烧系 统、平台和水冷系统。 1.5.1.1 炉子辅助设备 （1） 排烟系统 环形炉为外环侧排烟方式，侧排烟道出炉后扎入地下，后接入烟囱。空气预热置 于地下烟道内，结构形式为带插入件的金属管状预热器，换热面积 131mm2，设计入 口烟气温度 720，出口烟气温度 326，预热后空气温度 400。预热器后设有自动 烟道闸板，用于炉膛压力控制。 （2） 助燃空气系统 包括助燃风机、热风自动放散阀、三段空气流量孔板等。 （3） 系统燃烧 煤气发射炉三台、烧嘴前手动碟阀等。 （4） 水冷系统 环形炉有液压站需要水冷，炉底水封槽需要少量补充水。 1.5.1.2 仪控系统组成 （1） 系统仪控检测系统 通过安装在管路孔板上的差压变送器采集并转换成标准信号送入 plc。 （2） 炉压控制 炉压控制包括助燃空气压力控制、煤气压力控制、炉内压力控制三部分，以保证 助燃空气和煤气压力稳定，使燃烧顺利进行。 （3） 换热器保护 换热器起到节约能源、助燃的作用，换热器的温度不能过高或过低。过高损坏设 备，过低会使煤气结露，腐蚀换热器。 （4） 燃烧控制 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 9 燃烧控制部分由温度控制、空气与煤气的空燃比控制和空气的换向控制几部分组 成。 （5） 执行机构 执行机构采用 plc输出控制，具备手自动切换功能。 1.5.1.3 控制思路描述 采用 simens s7-300plc 对燃烧系统进行控制，1台操作员站工控机作为操作监控 站，并可根据工厂未来需要，加入相应的控制卡，将系统连入工厂局域网内。经与该 公司领导商议，采用模糊 pid 控制。该公司已订购热值仪一台，可实时的将煤气的热 值数据送入 plc 中，用于控制空燃比的一个重要参数。在正常生产中，搜集各种条件 下手动寻优的参数，待参数稳定后将该参数加入程序中。 1.6 本课题选题背景和研究内容 1.6.1 本课题选题背景 无锡西姆莱斯钢管有限公司是江苏锡钢集团下属的全资子公司，年生产热轧无缝 钢管 6 万吨左右，公司内有加热炉两座（一座管坯环形加热炉，一座步进加热炉）， 燃料成本 120 元/吨，占直接生产成本的 28%左右。江苏锡钢集团共有类似的轧钢用加 热炉 20 座左右。基本采用热脏煤气发生炉手动操作方式。 无锡西姆莱斯钢管有限公司管坯环形加热炉于己于 1996 年 8 月建成投产，当时采 用重油燃烧系统（采用传统 pid 技术用华光 plc 控制），起初阶段，运行效果还比较 不错，后来由于重油质量下降，重油定量泵使用寿命特别短，导致难控制温度，又由 于重油价格上涨导致燃料成本上升，该公司于 2000 年将该系统改为用热脏发射炉煤气 加热。由于国家对环保的重视同时原煤价格的上涨，又由于西气东输导致无锡焦化厂 （与无锡西姆莱斯钢管有限公司相邻）的冷煤气有富余，在无锡冶金资产经营公司的 协调下，无锡西姆莱斯钢管有限公司于 2002年与无锡焦化厂签订了用气合同。 1.6.2 环形炉加热时的关键控制技术 加热炉的燃烧控制 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 10 根据炉膛的温度变化，计算机系统自动调节各煤气分管的流量，按一定比例调节 各空气分管的流量，实现空煤气配比调节。 换向阀的自动换向 排烟管道和空气管道轮流切换，正常情况下时间换向，当任一点排烟温度超高报 警时，系统强制换向。时间换向为主，温度换向优先。 炉膛压力的控制 根据炉膛的压力变化，自动调节老烟道上的调节阀改变烟气流量，稳定炉压，减 少坯料的烧损。 建立燃烧系统的模糊数据控制表，进行自动控制。 炉内气氛的控制和调节 钢材在加热过程中的氧化烧损是必然的，它钢材的温度、在炉时间、炉内气氛有 关。通过调节燃烧的空燃比可在一定范围内对炉内气氛进行有效控制，进而降低钢材 的氧化烧损。 1.6.3 本课题的研究内容 在不同的温度、外部条件下，采用不同的控制参数和方法，使煤气最充分燃 烧。在进行手动寻优后，将参数建立数据表或数据曲线，进行模糊控制。 控制蓄热式燃烧系统的自动换向，找出蓄热式燃烧系统换向的最佳温度和最佳 时间。 1.6.4 课题研究目标 采用 pid 调节和模糊 pid 技术控制工业炉煤气和空气的流量、空气与煤气的空 燃比，以达到最小的煤气消耗和最低的原材料氧化烧损。 利用 plc 的可靠、灵活等特点，对蓄热式燃烧系统进行控制，充分发挥蓄热式 燃烧系统的优点。 1.7 本章小结 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 11 本章对自动控制技术、模糊控制理论、高温燃烧技术的发展做了简要的回顾，并 对环形加热炉的工艺过程进行了描述。在此基础上，明确了加热炉生产中的关键技 术，阐明了本课题研究的目的、意义和内容。 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 12 第二章 过程控制系统理论基础 科学技术的发展，对于改变社会的生产面貌，推动人类社会向前发展，具有及其 重要的意义。 2.1 数字 pid 算法 pid 控制是仪表过程控制系统应用最广泛的一种控制规律。由于 pid 技术成熟，技 术人员、操作人员比较熟悉，它不要求被控对象的数学模型，控制效果好，在计算机 ddc、全数字整流装置中得到了广泛的应用。即使在比较复杂的系统中，如串级控制， 也还是用 pid 算法。实践证明，这种算法能适应很多工业生产过程。 2.1.1 理想的数字 pid 控制算法 在模拟控制系统中 pid 控制规律的表达式为 u(t)=kce(t)+（1/t） t 0 e(t)dt+tdde(t)/dt (2.1) 式中的 kc、ti、td分别为模拟调节器的比例增益、积分时间、微分时间，e(t)是给 定值 r(t)与实际输出值 c(t)之差。 计算机系统对多个控制回路进行断续控制，是时间离散控制系统。要实现式 （2.1）的控制,就要对其离散化,令 t 0 e(t)t0e(i) i=0-k (2.2) de(t)/dte(k)-e(k-1)/t0 式中 t0为采样周期。 由式(2.1)和(2.2)可得位置型 pid 算法为 u(t)=kc e(k)+ t0/tie(i)+td/t0e(k)-e(k-1) i=0-k (2.3) u(k)=kc e(k)+ kie(i)+kde(k)-e(k-1) i=0-k (2.4) 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 13 式中 u(k)是第 k 次采样时刻计算机的输出；ki = kcto /ti称为积分系数；kd= kctd /to称为微分系数。 由式（2.3）和(2.4)可以看出, e(i)项不仅使计算繁锁,而且占用了很大内存, 目前增量型 pid 控制算法有比较广泛的应用,在这种情况下计算机的输出是增量 u(k)。 u(k)=u(k)-u(k-1) =kce(k)-e(k-1)+ t0/tie(k)+ td/t0e(k)-2e(k-1)+ e(k-2) (2.5) 或 u(k) =kce(k)-e(k-1)+ kie(k)+ kde(k)-2e(k-1)+ e(k-2) (2.6) 除上述两种控制算法外,还有一种速度型 pid 控制算法。令增量式除以采样周期即得 v（k）=u(k)/ t0= kc1/ t0 e(k)-e(k-1)+ 1/tie(k)+ td/t02e(k)-2e(k-1)+ e(k-2) （2.7） 以上位置、增量、速度型 pid 算法的一个共同点是比例、积分和微分作用彼此独 立，互不相关。这就便于操作人员直接理解和检查个参数（kc、ti 和 td）对控制效果 的影响。通常为了编程方便，人们更愿意采用简单的控制算法。只要将式（2.6）改写 为 u(k) =（kc+ ki+ kd）e(k) - （kc+ 2kd）e(k-1)+ kde(k-2) 并令 a= kc+ ki+ kd ；b=kc+ 2kd ；c=kd，则 u(k) =ae(k) - be(k-1)+ ce(k-2) （2.8） 此时 a、b、c 三个动态参数为中间变量，它们都与采样周期 t0、比例增益 kc、积分 时间 ti、微分时间 td有关的系数。式（2.8）已看不出比例、积分和微分的作用。它只 反映各次采样偏差对控制作用的影响，因此也称作偏差系数控制算法。可以看出，由 于一般计算机采用恒定的采样周期 t0，一旦确定了 kc、ti、td，只要使用前后 3 次测量 值的偏差，即可由式（2.6）或式(2.8)求出控制增量。 212 数字 pid 算法的改进 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 14 在计算机控制系统中，pid 控制规律是用软件来实现的，因此它的灵活性很大。 一些原来在模拟 pid 控制器中无法实现的问题，在引入计算机后，就可以得到解决。 于是产生了一系列的 pid 改进算法，如：积分分离 pid 控制算法、遇限消弱积分 pid 控制算法、不完全微分 pid 控制算法、微分先行 pid 控制算法和带死区的 pid 控制算 法等。 积分分离 pid 控制算法 在普通的 pid 数字控制器中引入积分环的目的，主要是为了消除静差、提高精 度。但在过程启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内系统输出有很大的偏差， 加上系统本身的延迟，在积分项的作用下，将引起系统过量的超调和振荡。为此，可 采用积分分离对策。也就是根据实际情况，人为设定一阀值 k0，在开始控制被调量 且系统偏差较大（|e(k)|k）时，取消积分作用，采用 pd 控制，可避免过大的超 调，又使系统有比较快的响应。当系统偏差较小（|e(k)|k）时，引入积分作用，采 用 pid 控制，可保证系统的控制精度。 遇限消弱积分 pid 控制算法 遇限消弱积分 pid 控制算法一开始就积分，进入限制范围后即停止积分。遇限消 弱积分 pid 控制算法的基本思想是：当控制进入饱和区后，便不再进行积分项的累 加，而只执行消弱积分的运算。因而，在计算 e(k)时，先判断 e(k-1)是否已超出限制 值。若 e(k-1) emax，则只累加负偏差；若 e(k-1) emax，则只累加正偏差。这 样可以避免控制量长时间停留在饱和区。 不完全微分 pid 控制算法 微分环节的引入，改善了系统的动态特性，但对于干扰特别敏感，容易引起控制 过程振荡，降低了调节品质。为克服这一弱点，在 pid 调节器输出串联一个一阶惯性 环节。着就是不完全微分 pid 算法。 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 15 u(s)u(s) gf(s) e(s) pid 图1 不完全微分pid控制算法结构图 其中 gf（s）=1/tfs+1 （2.9） u(t)=kce(t)+（ 1/t） t 0 e(t)dt+tdde(t)/dt tfdu(t)/dt+u(t)=u(t) 所以 tfdu(t)/dt+u(t)= kce(t)+ （1/t） t 0 e(t)dt+tdde(t)/dt (2.10) 将式(2.10)离散化,可得不完全微分 pid 控制算法 u(k)=au(k-1)+(1-a)u(k) (2.11) 式中 a= tf/ t0+tf u(k)=kc e(k)+ （t0/ti）e(i)+（td/t0）e(k)-e(k-1) 与标准 pid 算式一样,不完全微分也有增量型控制算式,即 u(k)= au(k-1)+(1-a) u(k) (2.12) 式中 u(k) =kce(k)+ （t0/ti)e(k)+ （td/t0)e(k)-e(k-1) 相应的不完全微分速度型控制算式为 v(k)=av(k-1)+(1-a)v(k) (2.13) 式中 v(k) =kc1/ t0e(k)+ （1/ti)e(k)+ （td/t0）2e(k)- e(k-1) 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 16 微分先行 pid 控制算法 微分先行 pid 控制算法是只对输出量进行微分,而对给定值不作微分。这种输出量 先行微分控制可以避免给定值升降时所引起的系统振荡，明显地改善了系统的动态特 性。 1+td(s) u(s) u(s) kp(1+1/ti) e(s)+r(s) 图2 微分先行pid控制算法结构图 由图可得微分先行 pid 增量式控制算法为 u(k) =kpe(k)- e(k-1)+ kp（t/ti)e(k)- kp（td/t）c(k) -2c(k-1)+ c(k- 2)- kp（td/ti)c(k) -c(k-1) （2.14） 带死区的 pid 控制算法 在计算机控制系统中,某些系统为了避免控制动作的过于频繁,消除由于频繁动 作所引起的振荡,可用带死区的 pid 控制算法,相应的控制算法为: u(k) = u(k),当|e(k)|e0 0,当|e(k)|e0 式中, e0为死区宽度,其数值根据被控对象由实验确定。若 e0值太小，使控制动 作过于频繁达不到稳定被控对象的目的。e0=0 则为标准 pid 控制算法，若 e0值太大， 则被控对象有较大的滞后。 上海交通大学工程硕士学位论文 环形炉炉温控制系统 17 2.2 集散控制系统概述 集散控制系统(total