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课程设计说明书课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学 号： 学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 题 目： 燃烧式工业窑炉温度比值控制系统设计 指导教师： 职称: 职称: 职称: 2012 年1 月 4 日 课程设计任务书 2011/2012 学年第 1 学期学 院： 机械工程与自动化学院 专 业： 过程装备与控制工程 学 生 姓 名： 学 号： 课程设计题目：燃烧式工业窑炉温度比值控制系统设计 起 迄 日 期： 2011年12月19日2012 年1月5日 课程设计地点： 指 导 教 师： 系 主 任： 下达任务书日期: 2011年12月19日课 程 设 计 任 务 书1设计目的：（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。 （2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：经过过程检测仪表与控制课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。1. 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；2. 现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；3. 给出控制系统方框图；4. 分析被控对象特性，选择控制算法；5. 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；6. 写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。3设计工作任务及工作量的要求包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等：1确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。2撰写课程设计说明书一份（A4纸）。4主要参考文献：1过程装备控制技术及其应用 王毅 主编 化学工业出版社2过程自动化及仪表 俞金寿 主编 化学工业出版社 3工业过程控制工程 王树青 主编 化学工业出版社4控制仪表及装置 吴勤勤 主编 化学工业出版社5过程控制仪表 徐春山 主编 冶金工业出版社6过程装备成套技术设计指南工程 黄振仁 主编 化学工业出版社7过程控制装置 张永德 主编 化学工业出版社8化工单元过程及设备课程设计 匡国柱 主编 化学工业出版社9化工设备设计设计手册（上、下） 朱有庭 主编 化学工业出版社10工业过程检测与控制 孟华 主编 化学工业出版社5设计成果形式及要求：提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；系统控制流程图一份；6工作计划及进度：2011年12月19日 - 12月21日 确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图； 12月22日 - 12月25日 控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；12月26日-12月28日 进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；12月29日-12月31日 编写课程设计说明书1月4 日 答辩系主任审查意见： 签字： 年 月 日目 录1 概述 72 被控对象特性的研究 72.1 被控变量的选择 82.2 操纵变量的选择 82.3 被控对象的数学描述 83 燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立 94 过程检测仪表的选用 104.1 测温元件及温度变送器 104.2 执行器 114.3 调节器 125 参数整定 126 实验仿真 137 课程设计总结 178 参考文献 171.概述燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，一般大型窑炉燃料多为重油，轻柴油或煤气、天然气。窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备，输送设备等四部分组成。窑炉大致分为 箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉（碳管炉）、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉，工作温度2002500。可用于ZnO压敏电阻器、避雷器阀片、结构陶瓷、纺织陶瓷、PTC&NTC热敏电阻器、电子陶瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜电路、片式电阻、磁性材料、粉末冶金、电子粉体、稀土化工、聚焦电位器、陶瓷基板、高铝陶瓷及其金属化，触头材料、硬质合金材料、钨钼材料等的烧成。本次课程设计是要完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统的设计，采用的是比值控制系统，实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统。比值控制系统可分为：开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统，变比值控制系统，串级和比值控制组合的系统等。在本次设计中，窑炉以甲烷作为燃料。空气和甲烷分别通入炉内进行燃烧。甲烷充分燃烧的方程式为，空气中含氧量约为20%。所以可以得出空气的流量是甲烷的10倍就可以保证甲烷充分燃烧。假设空气供应充足，大气压恒定。所以采用开环比值控制系统。在本次课程设计中，为了简化系统模型、便于分析，采用如下假设：1、燃料为天然气，被加热的介质为陶瓷，陶瓷的厚度为7厘米2、窑炉为绝热炉，废渣不带走热量2.被控对象特性的研究燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，其工作原理为燃料进入炉内燃烧，其发出的热量一部分被被加热介质所吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。为了满足工艺的需要，必须使炉内温度维持在一定的范围内。影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。2.1被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值获按一定规律变化的过程参数。在燃烧式工业窑炉温度控制系统中，我们希望炉内的温度保持在一定的范围内，因此可以把炉内的温度作为被控变量。2.2操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。对于燃烧式工业窑炉，燃料的流量对炉内温度的影响最大，因此可以把燃料的流量作为操纵变量。2.3被控对象的数学描述对于燃烧式工业窑炉，其控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。图2 燃烧式工业窑炉温度控制示意图现假设空气充足，燃料能够充分燃烧，且窑炉是绝热的，没有热量损失，则燃料燃烧的热量一部分被被加热的介质所吸收，另一部分用于维持窑炉整个环境在一定的温度范围内，现假设窑炉内整个空气环境所拥有的热量为Q,燃料的体积流量为，燃料的燃烧值为,空气的质量为，空气的比热容为，被加热介质的传热系数为,传热面积为，炉内温度为，被加热物质和空气的原始温度为。根据热量关系，有其中，则将上式带入（1）式，得到对上式进行增量化，则，得到对上式进行拉普拉斯变换，得到则现假设燃料为甲烷，被加热的物质为陶瓷，陶瓷的厚度为0.07m，长为0.2m，宽为0.1m甲烷的燃烧值为，空气的质量空气的比热容为,陶瓷的传热系数为,所有陶瓷的传热面积为将以上数据带入（2）式，得到3.燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立燃烧式工业炉的工作方式为：燃料进入炉内燃烧，其热量主要用于两部分，一部分用于被加热介质的吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。控制方案采用比值定值控制系统，其方框图如下：图1 比值定值控制系统方框图从控制任务要求可知，燃烧式工业窑炉温度比值控制系统是单点、恒值控制，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制即可。4. 过程检测控制仪表的选用4.1 测温元件及变送器根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。热电偶温度计有以下特点：测温精度高，性能稳定；结构简单，易于制造，产品互换性好；将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；测温范围广，可达-2002000；形式多样，适用于多种测温条件；在此，我们选用一体化温度变送器，Sure301系列热电偶、热电阻一体化温度变送器（以下简称温度变送器）是由温度传感器与信号转换器组成。本产品经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格，防爆合格证为GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。广泛用于石油、化工、冶金、机械、煤炭、电站、船泊、国防等部门用来测量液体、气体和蒸汽等介质的温度。 图3 热电偶温度检测变送器热电偶测量范围：01200测量精度：热电阻为0.2%；热电偶为1%2%；冷端补偿为2/60温度漂移：0.025%，年漂移0.5%供电电压：24VDC10%（4-20mA电流型模块最低工作电压需要10V余下供负载）负载能力：0-600欧姆（24V电压时）电压变化影响0.015%V环境湿度85%，且无腐蚀性4.2 流量计 流量计是用来检测甲烷流量，从而对空气流量进行比值控制。在本次设计中选取涡轮流量计。它具有压损小、测量精度高、量程范围宽、管道安装要求低、抗扰动性能强、性能稳定可靠、重复性好等优点，可广泛用于工业领域燃气和各种气体以及城市燃气和天然气的贸易计量。 在此选用ZBWL-90/99型涡轮流量计 精确度：0.5%,1.0%;重复性；优于0.2%。输出信号：4-20mA电流信号工作压力：0-1.6Mpa环境温度：-30+60；介质-30+604.3 执行器执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。标准技术参数阀体型式：直通铸造球形阀阀尺寸：DN20200额定压力：PN 16，PN40，PN63，PN100连接形式：法兰（标准型） 法兰标准：钢制法兰按GB9113-2000，JB|T-94密封面型式：PN16为突面 材料：阀体，阀内组件材料配套和工作温度范围参照ZMA|BM压盖形式：压板式填料：V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料垫片：型式，齿型和平型 材料，F4|改性F4，不锈钢+石墨结构形式：压力平衡型式阀芯：柱塞型套筒：金属密封， 线性特性（LG）执行机构型式：电动（电子）式执行机构 381LSA|XA-08，381LSA|XA20阀作用：正在用控制动作：比例控制输入信号：420mADC（负载电阻500以下）功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA保护等级：IP55出线连接：普通S型G1|2，防爆X型G3|4环境温度：无空间加热器-1060 有空间加热器-3560 防爆X型 -1040 图4 电动执行器环境温度： 普通S型95%以下 防爆X型4585%防爆等级：ExdllBT4过载保护：A、B型任选，C型必配 手动装置：带手柄4.4 调节器调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。目前在中国工业上广泛应用的DDZ-型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。 表1 DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数输入信号15V.DC内给定信号15V.DC外给定信号420mA.DC调节作用（比例+积分+微分）比例带：2500%积分时间：0.012.5分微分时间：0.0410分（可切除）输入、给定指示表指示范围：0100%，误差：1%输出指示表指示范围：0100%，误差：25%输出信号420mA.DC负载电阻250750工作条件环境温度：045工作振动：频率25Hz5.参数整定对于热电偶温度一体化变送器，对于电动执行器，由于选用的是直线型流量调节阀，对于PID调节器，运用经验试凑法对其进行参数整定，根据调节器参数经验数据表，由于本次设计控制的是窑炉内的温度，所以选择，表2 调节器参数经验数据系统参数温度流量压力液位20-6040-10030-7020-1003-100.1-10.4-30.5-36.实验仿真经过实验仿真，PID调节器的参数整定为，时，响应曲线能够得到较好的效果。实验仿真的结果如下：图5 实验连接图图6 空气流量实验响应曲线图图6 炉内温度实验响应曲线图7.课程设计总结本次课程设计通过对燃烧式工业窑炉工作原理的分析，结合题目的要求，即采用比值控制系统对炉内的温度进行定制控制，决定选用炉内的温度作为被控变量，选用燃料的进料流量作为操作变量，通过对系统的分析，建立了被控对象的数学模型，然后选用合适的检测变送器和执行器、调节器，调节规律采用PID调节，其参数通过经验试凑法来进行整定，然后运用matlab软件进行仿真，再修