加热炉温度控制系统.doc

42内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）加热炉温度控制系统仿真摘 要本设计是以钢铁公司加热炉控制系统为背景展开的, 加热炉是冶金行业中的重要热工设备，消耗的能量占到钢铁工业总能耗的25%1，其出钢温度是影响后续工艺的关键因素。因此本设计以控制温度为核心。在钢铁冶金行业竞争日趋激烈的今天，如何实现加热炉的有效控制，有着重要的意义。加热炉控制的难点和重点在于其燃烧过程是受随机因素干扰的、具有大惯性、纯滞后的过程，本设计将对加热炉控制的关键问题：燃烧控制、温度控制以及空燃比优化等进行研究，因此，本设计主要涉及以下几点：1.采用炉温-燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。2.在现有几种燃烧控制方法的基础上，提出了双边限幅控制。3.提出了变空燃比的控制。4.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。关键词：加热炉；炉温-燃烧串级控制；双边限幅控制；变空燃比的控制；仿真AbstractThe design is based on iron and steel companys furnace control system to start background, the metallurgical industry furnace is the important thermal equipment, the energy consumption of the iron and steel industry accounted for the total energy consumption of 25%, its steel temperature is the follow-up of the key factors. Therefore the design controlled the temperature of the core. Metallurgical industry in the increasingly fierce competition today, and how to realize the effective control of furnace, is of important significance. Furnace control difficult and the focus of the combustion process is subject to the random interference with great inertia, pure delay the process, the furnace design will control the key issues. It contents combustion control, temperature control and air-fuel ratio optimization study and, therefore, the design relates mainly to the following points: 1. using combustion temperature cascade control method of temperature control. 2. Several of the existing combustion controlling methods on the basis of bilateral limiting controlled. 3. Change of the air-fuel ratio control. 4. Using MATLAB software on the temperature control system for a more comprehensive simulation and performance analysis. Key words: Furnace; Combustion temperature cascade control; bilateral limiting control; Change the air-fuel ratio control; MATLAB Simulation 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1概述11.2国内外现状11.3本设计的研究内容21.4小结3第二章 加热炉工艺简介42.1加热炉工艺流程42.2加热炉工艺要求52.2.1炉膛温度52.2.2燃烧过程62.2.3炉膛压力62.2.4送风管总压力72.3加热炉被控对象特性72.4小结8第三章 加热炉控制系统93.1加热控制系统结构设计93.2炉温-燃烧串级控制103.2.1串级控制特点回顾103.2.2炉温-燃烧串级控制分析113.2.3主回路温度控制的算法113.3燃烧控制133.3.1燃烧副回路的控制目标133.3.2燃烧控制方法的实现143.4小结19第四章 加热炉温度控制系统仿真204.1对象模型的建立204.2系统各装置数学模型的建立214.3加热炉炉温控制系统仿真结果分析224.4小结35第五章 系统的检测变送及正反作用365.1检测变送365.1.1差压式流量计365.1.2热电偶365.2系统仪表正反作用的确定375.3小结37第六章 总结38参考文献39附 录40致 谢41内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 绪论1.1概述自18世纪后半期的工业革命以来，世界对于煤、石油、天然气等不可再生能源的消耗不断扩大，能源危机日益加深。在1973年发生第一次能源危机后，各工业先进国家对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛深入的研究，大大降低了能耗。其能耗占到钢铁工业总能耗的25%,而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。但是加热炉的燃烧过程是受随机因素干扰的、时变性的过程。对于这种复杂的控制对象，即使是经验丰富的操作工人，也很难全面的考虑各种因素的影响进行准确的控制，这将影响钢坯的加热质量，甚至影响正常的生产。目前，国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行自动优化控制以实现节能和降低对环境的污染。因此，提高加热炉控制水平，建立良好的炉温自动控制系统成为当务之急。1.2国内外现状早在60年代初，世界上许多国家如美国、前苏联、联邦德国等国家已开始研究加热炉的优化策略。最初，加热炉控制一般采用常规仪表。由于受到常规仪表功能限制，很难组成复杂的控制系统。同时，随着计算机技术的逐步发展、成熟,使得加热炉控制应用复杂、先进的控制策略成为可能。因此，计算机技术逐步取代常规仪表，在加热炉中得到应用，计算机技术的应用也极大的促进了控制策略的进一步发展。日本是最早将计算机技术引入加热炉生产过程的国家之一，而且发展迅速。随后，其它国家如英国、美国、法国、德国、加拿大、前苏联等也分别在六七十年代将计算机引入加热炉生产过程。我国是从八十年代初期开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究，虽然起步较晚，但目前在控制理论和关键技术的开发和应用方而作了大量工作。我国轧钢企业的加热炉很多，大型现代化炉子都配备了计算机监控或控制系统，进行了不同层次的控制，绝大多数控制系统以燃烧控制为主，有的控制系统具有优化功能，而高级控制系统虽有研究但应用还较少。总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，还有许多处于手工操纵阶段。1.3本设计的研究内容本设计源于钢铁公司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，包括加热炉内的炉温串级控制、双边限幅燃烧控制。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；同时高效的利用了能源和降低了环境的污染；提高了炉温控制的快速性，实现了加热炉燃烧过程的有效控制。具体来说，本设计主要完成了以下几个方面的工作: 1.阅读了大量的文献资料，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。2.用炉温-燃烧串级控制方式实现温度的自动控制，减少了不少系统干扰。3.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。4.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。 1.4小结本章从节能、环境和出钢品质问题入手，根据国内现状，提出了改造加热炉炉温-燃烧控制系统的问题。同时，基于国内加热控制系统的现状和加热炉本身的特性，本设计提出了三点：1.从节能和环境问题入手对燃烧控制系统提出了双边限幅控制。2.从出钢的品质要求、加热炉本身的大惯性和纯滞后等特性、随机因素干扰多等问题入手对炉温控制系统提出了串级控制。3.因为燃料的热值问题，在双边限幅控制的基础上加上了优化比值控制。燃烧控制系统和炉温控制系统不是独立的，没有燃烧控制又何从谈炉温控制；只谈燃烧控制而没有炉温控制又有何意义。即燃烧控制决定了炉温控制，炉温是燃烧控制的一个重要的外在表象。则燃烧控制和炉温控制是相互联系相互影响的，在本设计中它们是处于一个大系统中的，即炉温-燃烧串级控制系统。因此，节能、环境和出钢品质问题是一个有待整体解决的问题。第二章 加热炉工艺简介2.1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3。在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使产品达到需要的品质。 图2.1 加热炉结构图 此加热炉为三段式（即预热段、加热段、均热段）端进侧出加热炉，沿炉长方向分为预热段、II 加热段、I 加热段和均热段，如图所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热炉中的钢坯，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，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制8。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然要求对加热炉内的温度进行有效的控制使其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。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，可见，燃烧过程是影响加热炉系统的关键。2.2加热炉工艺要求加热炉系统非常复杂，很多系统相互影响，为了达到工艺水平，保证出钢的质量，对以下几个部分做出了相应的要求：炉膛温度、煤气和空气流量(燃烧过程) 、炉膛压力、送风总管压力等。2.2.1炉膛温度 在加热炉系统中，炉温的高低直接决定钢坯的温度。如果炉温偏低，导致钢坯温度偏低，钢坯软度不够将会损坏轧钢机；如果炉温偏高，钢坯会在加热炉中发生粘结，因此，对炉膛的温度范围有较高的要求。炉膛温度是个复杂的被调量，受到很多因素的干扰，如各段之间温度的相互影响，冷钢进入加热炉导致的温度降低，预热空气温度的波动，炉膛压力的变化。对于炉膛温度，我们的要求是，当加热炉内的温度稳定不变时，喷入炉内的煤气流量也能恒定不变；而当炉温受到外界扰动作用偏离给定值时，则煤气流量又必须作相应地变化，以使热能的供需达到新的平衡，从而保持炉内温度恒定不变。在动态过程中，必须要保证响应的快速性和较高的鲁棒性。2.2.2燃烧过程 燃烧的基本条件是燃料和空气，通过燃烧器将燃料和空气充分混合是燃料完全燃烧的关键，根据对燃烧机理的剖析，为了节能和保护环境，不管是在燃烧稳定的状态下还是在过渡状态下，都必须将空气流量和燃料流量的空燃比控制在正常值上。在通常的燃烧系统中，常常是根据大量的经验总结给出操作中应遵循的空燃比要求，然后在燃烧中保持此空燃比，同时稳定炉温在设定范围内。但是加热炉中使用的燃料性能不高，燃料的热值的慢时变是不可避免的，当燃料的热值变化较大时，继续保持预先设定的空燃比就没有意义了。这就意味着燃烧控制系统要根据燃料的具体情况使燃烧状况符合一定的要求，在这种情况下如果仍然人为设定为一固定的空燃比显然是无法使燃烧保持最优的，所以，在要求较高的燃烧系统中最好具备动态优化空燃比的功能。因此，燃烧过程应满足以下两点要求: 21.保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节。2.在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值能在线优化。2.2.3炉膛压力炉膛压力是保证加热炉良好燃烧状况的一个重要因素，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果，对出钢质量有很大影响。以均热段的炉膛压力检测点为准。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，造成很大一部分热损失。当然，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、炉衬裂缝以及其他开口进入炉内，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。2.2.4送风管总压力为了保证燃烧充分，要使烧嘴喷出的煤气和空气有一定的速度且能充分混合，就必须使供风压力达到一个合理的值。因此，要保证炉温控制的顺利进行，必须对送风总管的压力进行有效的调节。同时，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，必须相应调低供风压力，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。2.3加热炉被控对象特性 加热炉是具有大惯性、时变性等特性的对象，其结构复杂，受许多干扰因素的影响，而对于燃烧控制系统，采用简单的控制系统是不能达到工艺要求的5。由此可见，加热炉系统是很复杂的。2.4小结对加热炉的工艺流程作了简单的介绍，最后提出了工艺要求，即炉膛温度、煤气和空气流量(燃烧过程) 、炉膛压力、送风总管压力是必须控制的。同时，对需要控制的对象作了介绍，为后续的设计提供了依据和明确了工作。特别的介绍了炉温对象的特性和期望达到的控制目标；也从多个方面指出燃烧控制是一个关键。因而本章为后续的设计思路指明了方向。第三章 加热炉控制系统3.1加热控制系统结构设计图3.1 炉温-燃烧串级控制系统 图3.2 供风压力控制系统图3.3炉膛压力控制系统整个系统由以下几个部分构成：供风压力单回路 PID 控制系统（图3.2）；炉膛压力单回路 PID 控制系统（图3.3）；对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位，由于被控对象单一，所以仅需要采用单回路 PID 就能达到较好的效果。炉温-燃烧串级控制系统（图3.1）炉膛温度和燃烧系统紧密联系，温度控制器输出量作为燃烧控制器的给定值，而燃烧控制的结果，空气流量和燃料流量的配比，直接影响炉膛的温度高低，从结构上看，二者串联在一起，共同影响炉膛温度。因此，本文选用炉温-燃烧串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。3.2炉温-燃烧串级控制3.2.1串级控制特点回顾 所谓串级控制系统是指一个调节器的输出用来改变另一个调节器的设定值，两台控制器从结构上看是串联在一起的控制系统。串级控制的特点在于4：1.改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量。2.由于发生于副回路内部的干扰，通常在它影响主被调量之前，就被副调节器校正了，故具有较强的抗扰动性能。3.对负荷变化具有一定的自适应能力。4.副回路可以按照主回路的需要对质量流量或能量流量实施精确控制。3.2.2炉温-燃烧串级控制分析 加热炉的温度控制一共分为五部分，每一部分单独设置一串级系统来实现炉膛温度的自动控制。在此系统中，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。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，不断改变的副控制器的设定值，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，在本章中首先分析炉膛温度控制器的设计方法。3.2.3主回路温度控制的算法 本设计对加热炉炉温采用 PID 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 的控制效果是很好的。然而，PID 控制的难点是 P、I、D 三者系数的整定问题。方法如下：控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要讲解工程整定方法，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法6。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。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4：1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4：1衰减振荡时，控制器参数经验公式如表3.1：表3.1 控制器参数经验公式反应曲线法在此也不再做介绍。 3.3燃烧控制3.3.1燃烧副回路的控制目标燃烧系统作为串级控制系统的副回路，主要是用来按照主回路温度控制器的输出流量要求为燃烧过程提供合理的空气和煤气的流入量，在保证最佳燃烧效率的基础上，尽快响应主回路的输出变化。在该系统中，可以克服流量回路压力变化、阀门摩擦及非线性特性等造成的困难。根据燃烧的机理，不管是燃烧的稳定状态还是在过渡状态下，只有当炉内燃烧效率最高，才能保证主回路温度控制器输出的煤气流量变化能够以最快的速度准确地反映到炉温的变化上。由于空燃比与空气过剩系数成正比，故空燃比与热效率也存在一个极值关系，因此，提高炉内的热效率，就转化成为寻找炉内最佳空燃比10。通过上述分析，笔者认为燃烧控制系统主要解决以下两个问题：1.保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节。空气回路和燃料回路的特性(如调节阀的形式及流体特性等)有所不同，两个系统的响应特性也有很大的差异，空气回路往往滞后于煤气回路，使得动态过程中空燃比难以保持一致。因此，使两个回路按照设定的空燃比以最快的速度响应炉温控制器的调节，是燃烧系统需要解决的主要问题之一。2.在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值的在线优化，在煤气热值发生变化时，空燃比的波动很大，必须重新寻找空燃比的最佳值，找到平衡关系。3.3.2燃烧控制方法的实现3.3.2.1比值串级控制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比值串级调节系统，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，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。7图3.4 比值串级控制系统3.3.2.2单边限幅控制 在对串级控制做出改进的基础上，出现了单交叉限幅控制，如图 3.5所示。通过在串级系统上增加高、低选择器，以实现燃料流量和空气流量设定值与测量值之间的相互制约，确保剩余空气系数不低于最佳燃烧区。该系统的特点在于：图3.5 单边限幅控制1.通过负荷增加时先增加空气，负荷减小时先减小燃料，这种控制方式可完全防止黑烟，实现低空气系数燃烧。2.一旦空气系统出现故障，燃料流量自动停止，确保燃烧安全。3.缺点在于由于没有限制剩余空气系数上限，不能抑制负荷急剧降低时剩余空气系数的上升。3.3.2.3双边限幅控制为了克服单交叉限幅系统的缺点，经过改进，设计了双交叉限幅控制如图3.6。下面对该方式做重点分析：图3.6 双边限幅控制 图 3.6 是双交叉限幅的原理框图，与单交叉限幅相比，增加了空气过剩率的上限限制功能，防止了在负荷减小时的空气过剩。双交叉限幅燃烧控制采用燃料流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约来防止负荷变化很快时出现燃料或空气的过度过剩。通过双交叉限幅，副回路控制器会在主回路的输出、以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值。这样，燃料的流量和空气的流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内。双交叉限幅方法是针对动态过程的一种控制方式，燃烧过程中，空燃比保持在最佳值，可以减少废气中的污染放射物，从而实现了燃料流量和温度的良好控制。双交叉限幅燃烧控制方式的优点：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控制区域内。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（2.5Kpa10.0Kpa），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能同时感应到煤气流量的变化，做出相应的调整，保证了系统不受压力波动的干扰。3.3.2.4变空燃比的燃烧控制通过上述分析可知，目前所有的燃烧控制方式都是建立在固定的空燃比基础之上，该值的大小关系到燃烧控制系统的性能、出钢质量以及能源消耗，可见，一个较准确的空燃比设定值对提高燃烧控制系统的性能是非常关键的。为了解决这个问题，本设计在加热炉控制系统的设计上采用氧化镐氧浓度检测仪。氧化镐是通过检测尾气中的氧浓度进行反馈控制，适当地调整空燃比，使燃烧系统工作在最佳燃烧区域内。分析到此，最终设计出了图3.1、3.2、3.3加热炉控制系统结构图。3.4小结在前两章的基础上本章最终设计出了加热炉的整个控制系统，包括炉温-燃烧串级控制系统、炉膛压力控制系统、空气总管压力控制系统。重点对炉温-燃烧串级控制系统作了详细的分析，对其分析分为两步，一是炉温控制的分析，二是燃烧控制的分析。对炉温控制主要讲了串级控制的特点，以及是怎样实现对扰动的抑制，还说了主控制器算法的选取和参数的整定；对燃烧控制首先提出了必须达到的两个目标，即空燃比必须得到快速的调节和时时的处于设定范围，最后详细的讲了燃烧控制确定的过程，即对方案的逐一改进，最后确定出较优的方案用于本设计。第四章 加热炉温度控制系统仿真4.1对象模型的建立 为了对本文中设计的加热炉温度控制系统的性能进行验证，笔者对其进行了仿真研究，以此让系统结构呈现合理，参数配比达到最佳，最终改进加热炉炉温控制系统的性能。加热炉是一个十分复杂的被控对象，目前还没有加热炉整体的数学模型。在进行仿真研究时，笔者对影响加热炉系统控制效果的主要因素如下假设：1.对于炉膛压力，采用单回路PID控制，使其保持稳定的值。因此，在压力保持固定不变的时候，可以忽略其对燃烧过程造成的影响。2.正常燃烧时，炉内各段间温度的相互影响并不大，只是当钢坯在推钢机的推动下，从相邻段之间穿越时会对该段炉温造成较为明显的影响，因此，在仿真时将该过程当作是一个干扰进行处理。在做出了上述的假设后，根据加热炉大滞后、大惯性的特点，为便于控制方法的研究，可以借鉴文献中已有的被控对象数学模型，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: （4.1）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： （4.2）空气流量对象传递函数： （4.3）4.2系统各装置数学模型的建立1.PID调节器数学模型的建立温度PID调节器数学模型的建立。根据前面几章的讲述，可以知道，加热炉是具有大惯性、时变性、严重非线性等特性的对象，因此，在温度PID调节器中，比例、积分、微分都的加入。在此加入微分的目的是为了克服加热炉的大惯性，加入积分是为了消除静态误差和稳定控制对象的作用。则温度PID调节器的传递函数如下9： （4.4）空气和燃料流量PID调节器数学模型的建立。流量是一个脉动信号，因此，不能在调节器中加入微分作用，因为微分作用对变化的信号太敏感，容易导致系统的严重不稳定。为了让调节器能根据偏差快速的做出反应，所以，将空气和燃料流量PID调节器设为纯比例的。即（）。2.执行器数学模型的建立根据执行器的原理可知，如果系统接受一阶跃信号，此时执行器得由一个开度变化成另一开度，因此这也一个过程，那么中间就有一个过渡，但过渡过程时间通常比较短。所以，在此可以将其传递函数近似为一阶惯性环节，如下： （4.5）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已线性化，在此，作为一比例环节来对待。4.3加热炉炉温控制系统仿真结果分析图4.1串级比值控制仿真原理图本图是串级比值控制系统在SIMULINK中的原理图。串级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0-5V，而对象的输出信号为实际的流量信号和温度信号。各环节之间都经过了统一的标度变换，还是在一起叠加的信号都有统一的量纲。本图中空气流量是在0-2（m3 /s）之间，燃料流量0-1（m3 /s）之间，温度在1200-1250（）。在此对下面的图给一些说明：在空燃比的仿真图中，纵轴代表的是空燃比，横轴代表的是时间，单位为；在温度的仿真图中，纵轴的值乘以一千代表的是温度，单位为，横轴代表的是时间，单位为。图4.2串级比值温度降量空燃比仿真图本图是串级比值控制系统温度降量时空燃比的仿真图。从图中可以看出，温度降量时，空燃比有一个大的波峰，同时也可以得出，空气过剩系数大于1.1，已超出最佳燃烧区的上限。因此，过剩的空气将带走能量，同时也将钢锭表面氧化，对产品的质量产生影响。图4.3串级比值温度提量空燃比仿真图本图是串级比值控制系统温度提量时的空燃比的仿真图。从图中看出，空燃比有一个大的波谷，可知，空气过剩系数已小于最佳燃烧区的下限值1.02，因此，在工业中，将导致冒黑烟，这不仅是对环境的污染，也是对能量的浪费。 图4.4单边限幅控制仿真原理图4.4所示的即为加热炉控制系统的仿真原理图，本图是用单边限幅的串级比值来实现的。仪表间的通讯信号和图4.1串级比值控制一样。本图是在串级比值控制的基础上加入了高低选择器，作为限幅控制。图4.5PID控制器仿真原理图图4.5是4.4中的PID控制器，将图4.5模块化即成为图4.4中所示，该PID控制器为实际的PID，如在微分环节中有一个惯性环节存在，其中PID各参数可以用临界比例度法或者衰减曲线法进行整定，在进行整定时，将开关打在燃料通路，空气通路断开，因为本设计的温度对象是针对燃料的。图4-6单边限幅控制温度提量空燃比仿真图本图是加入了单边限幅后，温度提量时的空燃比，很显然，整条曲线都位于最佳燃烧区，因此，加入了单边限幅后，能克服冒黑烟的问题。 图4.7单边限幅控制温度降量空燃比仿真图本图是加入了单边限幅后，温度提量时的空燃比，从图中可以看出，空燃比有个波峰，可得出，空气过剩系数大于1.1，带来能量的浪费和产品的质量下降。图4.8双边限幅控制仿真原理图本图是用双边限幅的串级比值来实现的，是在单边限幅的基础上又增加了两个高低选择器。图4.9双边限幅控制温度降量空燃比仿真图本图是加入了双边限幅后，温度降量时的空燃比，从图中可知，空气过剩系数位于最佳燃烧区，因此，加入了双边限幅可以防止空气过量带来的一系列的问题。图4.10双边限幅控制温度提量空燃比仿真图本图是加入了双边限幅后，温度提量时的空燃比，和单边限幅一样，能防止空气不足带来的一系列问题。图4.11温度的阶跃响应曲线图图4.11为温度的阶跃响应曲线图，是缩小了1000倍后，在示波器上的图像。图4.12放大的温度的阶跃响应曲线图图4.12在图4.11的基础上对纵轴放大所得，因为对温度已经缩小了1000倍，则1.2在此即1200，则可知变化了5。图4.13放大的温度的阶跃响应曲线图本图是在4.12的基础上再放大纵轴所得，可计算出其超调量为8%，工艺要求小于15%，完全符合要求，还可以知道在20秒时将进入5%的范围内，则其过渡时间为20秒。 4.4小结在炉温-燃烧串级控制系统中，温度的控制是很容易实现的，但既要及时而有效的控制温度，又要将空气过剩系数控制在最佳燃烧区，就没那么容易了。对于整个加热炉控制系统采用串级控制是没有异议的，而在其中的燃烧控制部分就提出了多种方法：最先想到的是串级简单比值控制系统，最后通过仿真得出，串级简单比值控制系统不能克服提量时，空气不足，降量时，空气过剩；因此，在串级简单比值控制系统基础上改进，加入了单边限幅控制，能克服提量时，空气不足，但不能克服降量时，空气过剩；最后提出了在燃烧控制中基于双边限幅的炉温-燃烧串级控制系统，不但能克服提量时，空气不足，而且还能克服降量时，空气过剩。在炉温控制中，只要是基于串级控制的系统，最后的温度阶跃曲线基本特性都一样，所以本章只给出了在燃烧的双边限幅控制下，温度的阶跃仿真曲线。第五章 系统的检测变送及正反作用5.1检测变送5.1.1差压式流量计1.差压流量计组成。差压流量计由节流装置、引压导管、和差压变送器组成，如图：图5.1 差压式流量计的组成（1）节流装置：节流装置安装于管道中产生差压，节流件前后差压与流量成开方关系。（2）引压导管：将节流装置前后产生的差压传送给差压变送器。（3）差压变送器：将节流装置前后产生的差压转换为标准的电信号（4-20mA）。2.节流装置分类。节流式差压式流量计的节流装置按其标准化程度分为标准和非标准型两大类 。所谓的标准节流装置是指标准孔板、标准喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。在设计、制造和安装及使用方面皆遵守标准规定，相关规定请查阅热工仪表和检测技术等书籍，在此不再作细致的介绍。5.1.2热电偶1.铂铑10-铂热电偶（分度号是S）。S型热电偶的特点是热电性能稳定，抗氧化性强，可以在氧化性、惰性气氛中连续使用。在所有的热电偶中它的准确度等级最高。它的长期使用温度为1400（我国规定1300），短期使用温度为1600。通常作为标准或者测量高温的热电偶，它的使用温度范围广、均质性及互换性好。它的缺点是价格昂贵，而且需配用灵敏度高的显示仪表；这种热电偶不适合在还原气氛中使用。2.铂铑30-铂铑6电偶（分度号为B）。它的特点是测量时一般不使用补偿导线，可以忽略冷端温度的影响。它的长期使用温度是1600，短期使用温度是1800。适合在氧化气氛中使用，即使在还原气氛中使用，其寿命也是S热电偶的10-20倍。3.镍铬-镍硅热电偶（分度号为K）。它的特点是使用范围宽，高温下性能较稳定，热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，因此它目前用量最大的一种热电偶，长期使用温度为1000，短期使用温度为1200。4.镍铬硅-镍硅热电偶（分度号为N）。N型热电偶使用温度为-200-1300长期使用温度为1200，短期使用温度为1300。在相同条件下，尤其在1100-1300高度条件下，N型热电偶的高温稳定性及使用寿命较K型有成倍的提高，与S型热电偶接近，其价格为S型的1/10。它为现有的贱金属热电偶显然不能胜任的场合，提供了新型的测温材料，也为在1300以下部分，取代S型热电偶提供了依据。因此，在-200-1300整个温度范围内，有全面取代贱金属热电偶和部分代替S型热电偶的趋势。因此,在本设计中,因为工艺的要求，采用标准孔板作为空气流量和燃料流量的节流装置，用S型热电偶作为测温元件。5.2系统仪表正反作用的确定在本系统中，流量对象和温度对象都为正对象，而根据工艺要求，两个控制阀都是气开式，因此，可以确定三个控制器都为反作用。5.3小结 本章不是本设计的主要内容，但在系统中涉及到了相关的知识，