加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）題 目：加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究摘 要在鋼鐵企業(yè)中，為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然地要求對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的控制，使之保持在某一特定的范圍內(nèi)。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。加熱爐燃燒過(guò)程是受隨機(jī)因素干擾的，具有大慣性、純滯后的非線性過(guò)程。本設(shè)計(jì)針對(duì)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)，主要介紹的控制方案有單回路控制系統(tǒng)、串級(jí)比值控制系統(tǒng)、單交叉限幅控制系統(tǒng)、雙交叉限幅控制系統(tǒng)，并對(duì)每一種控制方案進(jìn)行了理論分析。運(yùn)用matlab軟件對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析。通過(guò)分析比較可以得出結(jié)論

2、，雙交叉限幅對(duì)加熱爐溫度的控制優(yōu)于其它的控制方案。雙交叉限幅的爐溫控制系統(tǒng)使煤氣流量和空氣流量相互限制，既防止了燃燒中冒黑煙，也防止了空氣過(guò)剩，達(dá)到控制加熱爐溫度，提高煤氣燃燒率，避免環(huán)境污染等目的。關(guān)鍵詞：加熱爐；單交叉限幅控制；雙交叉限幅控制； matlab仿真temperature control of heating furnace system design and simulink studyabstractin the enterprises where producing iron and steel, in order to heat up billet to the tec

3、hnological requirements of rolling, the temperature inside the furnace must be controlled effectively so that it remains in a specific range. maintaining the temperature needs the stable burning of fuel inside the furnace. furnace combustion process is a non-linear process which is subject to the ra

4、ndom interference, great inertia and the pure time delay. the design for the furnace combustion control system is mainly on the control of a single-loop control programme, the ratio of cascade control system, control system limiting unilateral, bilateral limiting control system, and analyses each of

5、 the control programme on theory. using matlab software makes a more comprehensive simulation and performance analysis on the temperature control system. through analysis and comparison we can conclude that bilateral limiting control system is superior to others in the furnace temperature control. t

6、he temperature control system of bilateral limiting control system makes gas flow and air flow restrict on each other, which not only prevent the burning of black smoke, but also prevent the excess air, to reach the purposes of controlling the furnace temperature, enhancing the rate of combustion ga

7、s and avoiding pollution and others.key words: furnace; single-limiting control; bilateral-limiting control; matlab simulation 目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 概述11.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀21.3 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容2第二章 加熱爐工藝簡(jiǎn)介32.1 加熱爐的組成32.2 加熱爐的溫度加熱方式32.3 加熱爐工藝流程32.4 加熱爐溫度控制要求52.4.1 燃燒系統(tǒng)62.4.2 爐膛負(fù)壓72.5 空燃比8第三章 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)103.1 單閉環(huán)控制系

8、統(tǒng)113.2 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)123.3 串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)133.4 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)153.4.1 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)工作原理153.4.2 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)特點(diǎn)173.5 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)173.5.1 雙交叉限幅燃燒控制原理圖173.5.2 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的工作原理183.5.3 雙交叉限幅燃燒控制特點(diǎn)20第四章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真234.1 對(duì)象模型的建立234.2 系統(tǒng)各裝置數(shù)學(xué)模型的建立244.3 仿真軟件簡(jiǎn)介264.4 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析274.4.1 爐溫單回路控制仿真274.4.2 燃料空氣串級(jí)比值控制仿真314.4.3 單交

9、叉限幅控制仿真344.4.4 雙交叉限幅控制仿真364.5 總結(jié)38第五章 系統(tǒng)的檢測(cè)變送裝置及正反作用395.1 檢測(cè)變送395.1.1 差壓式流量計(jì)395.1.2 熱電偶395.2 系統(tǒng)儀表正反作用的確定40參考文獻(xiàn)41致 謝42第一章 緒論1.1 概述加熱爐是熱軋生產(chǎn)過(guò)程的重要熱工設(shè)備，其能耗占到鋼鐵工業(yè)總能耗的25%。它的主要作用是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力，以滿足軋制工藝的要求。其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量、鋼坯成材率、軋制設(shè)備壽命以及整個(gè)軋線的有效作業(yè)率。鋼坯在軋前進(jìn)行加熱，是鋼坯在熱加工過(guò)程中一個(gè)必須的環(huán)節(jié)。對(duì)軋鋼加熱爐而言，加熱的主要目的就是提高鋼坯

10、的塑性，降低變形抗力。鋼坯加熱應(yīng)滿足下列要求：（1）加熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定的溫度范圍，防止產(chǎn)生加熱缺陷。鋼坯加熱應(yīng)當(dāng)保證在軋制全部過(guò)程都具有足夠的可塑性，滿足生產(chǎn)要求，但并非說(shuō)鋼坯加熱溫度越高越好，而應(yīng)有一定的限度，過(guò)高的加熱溫度可能產(chǎn)生廢品和浪費(fèi)能源。（2）加熱制度必須滿足不同鋼種、不同斷面、不同形狀的鋼坯在具體條件下合理加熱。（3）鋼坯加熱溫度應(yīng)在長(zhǎng)度、寬度和斷面上均勻一致。鋼坯加熱溫度是指鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱完畢出爐時(shí)的表面溫度。確定鋼坯加熱溫度不僅要根據(jù)鋼種的性質(zhì)而且還要考慮到加工的要求，以獲得最佳的塑性，最小的變形抗力，從而有利于提高軋制的產(chǎn)量、質(zhì)量、降低能耗和設(shè)備磨損。鍛造加熱爐必

11、須保證1250以上的爐溫。這種爐在以發(fā)熱量低于 1300千焦米3的煤氣或發(fā)熱量低于5000千焦千克的煤為燃料時(shí)，將難于甚至不能達(dá)到需要爐溫，這時(shí)可對(duì)煤氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱。例如：煤氣發(fā)熱量為1200千焦米3，僅能達(dá)到約1200的爐溫,而將空氣預(yù)熱到400時(shí)，則可達(dá)到約1320的爐溫。 加熱爐的離爐煙氣帶走的熱量約占供入爐內(nèi)熱量的5060。利用這部分熱量預(yù)熱空氣和煤氣是節(jié)約燃料的有效方法。燃料節(jié)約百分?jǐn)?shù)與離爐煙氣溫度成正比，離爐煙氣溫度越高，則燃料節(jié)約百分?jǐn)?shù)越大。例如：燃燒發(fā)生爐煤氣的爐子，同樣將空氣預(yù)熱到500，間斷式加熱爐的離爐煙氣溫度為1200，燃料節(jié)約達(dá)30；連續(xù)式加熱爐的離爐煙氣溫度為90

12、0，燃料節(jié)約則為23。1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀我國(guó)從80年代初開(kāi)始進(jìn)入加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究階段。就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，我國(guó)鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有軋鋼爐窖近千座，其中加熱爐700多座。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)加熱爐的計(jì)算機(jī)控制水平很低，雖然引進(jìn)了一些先進(jìn)的控制系統(tǒng)和設(shè)備，但絕大部分加熱爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)仍然處在計(jì)算機(jī)過(guò)程控制的水平上，甚至還有少數(shù)加熱爐由人工操作，其加熱質(zhì)量和能耗與國(guó)外同行相比相距甚遠(yuǎn)。在理論研究方面，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)加熱爐數(shù)學(xué)模型的研究越來(lái)越活躍起來(lái)，我國(guó)的科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多學(xué)者，對(duì)鋼坯升溫的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，還有學(xué)者將燃料消耗與鋼溫聯(lián)系起來(lái)，構(gòu)成燃料消耗最低的

13、真實(shí)目標(biāo)函數(shù)，從而可以運(yùn)用最優(yōu)升溫曲線。1.3 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)源于三段式推鋼側(cè)出加熱爐，燃料采用高爐焦?fàn)t混合煤氣。在參照相關(guān)理論的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)了該加熱爐控制系統(tǒng)，包括加熱爐內(nèi)的加熱爐串級(jí)比值控制、單交叉限幅、雙交叉限幅燃燒控制，很好地抑制了處于副環(huán)（煤氣熱值和壓力的波動(dòng)、生產(chǎn)率的改變及爐內(nèi)參數(shù)的變化等）的干擾因素對(duì)加熱爐運(yùn)行的影響；提高了爐溫控制的快速性，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃燒過(guò)程的控制。 本人在閱讀了大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)加熱爐相關(guān)工藝進(jìn)行了深入的了解，分析了加熱爐控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。在現(xiàn)有幾種燃燒控制方法的基礎(chǔ)上，提出了雙邊限幅控制，使系統(tǒng)性能得到了極大的改善。運(yùn)用matlab軟件對(duì)溫

14、度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析。第二章 加熱爐工藝簡(jiǎn)介2.1 加熱爐的組成加熱爐由以下幾個(gè)基本部分構(gòu)成：爐膛與爐襯、裝出料設(shè)備、燃料系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、余熱利用裝置、檢測(cè)及調(diào)節(jié)裝置等。2.2 加熱爐的溫度加熱方式加熱爐的溫度加熱方式大體分為：一段式加熱方式、兩段式加熱方式、三段式及多段式加熱方式。三段式加熱方式是比較完善的加熱制度，它是把鋼坯放在三個(gè)溫度條件不同的區(qū)域內(nèi)加熱，依次是：預(yù)熱段、加熱段、均熱段。鋼坯首先在低溫區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，這時(shí)加熱速度比較慢，溫度應(yīng)力小，不會(huì)造成危險(xiǎn)。當(dāng)鋼坯溫度超過(guò) 500600以后，進(jìn)入塑性范圍，這時(shí)就可以快速加熱，直

15、到表面溫度快速升高到出爐所要求的溫度。加熱期結(jié)束時(shí)，鋼坯斷面上還有較大的溫差，需要進(jìn)入均熱期進(jìn)行均熱，此時(shí)鋼坯表面溫度不再升高，而使中心溫度逐漸上升，縮小斷面上的溫度差。2.3 加熱爐工藝流程加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度1，在此溫度下進(jìn)行軋制既能保證燃料的合理利用又能使軋制力在正常范圍內(nèi)。下圖為加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖：圖2.1加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖加熱爐為三段式加熱爐，沿爐長(zhǎng)方向分為預(yù)熱段、ii加熱段、i加熱段和均熱段，如上圖所示。預(yù)熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來(lái)預(yù)熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。為了把鋼坯加熱到目標(biāo)溫度，加熱爐以高爐焦?fàn)t混合煤氣為燃料，分成五個(gè)控制區(qū)域?qū)訜釥t的燃燒過(guò)程和爐溫

16、進(jìn)行控制，即 ii 加熱段上區(qū)，并將 i 加熱段和均熱段各分成上、下兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)控制，分別設(shè)置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控制器，對(duì)每段的爐溫以及燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，各控制器的設(shè)定值可用手動(dòng)方式，亦可根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的鋼坯自動(dòng)設(shè)定，預(yù)熱段內(nèi)由于沒(méi)有設(shè)置燒嘴而不參與控制。三段式加熱爐的供熱點(diǎn)一般設(shè)在均熱段端部和側(cè)部，加熱段上方和下方的端部和側(cè)部。兩面加熱可消除坯料沿厚度方向的溫度差，這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量是有利的。為了使加熱均勻，每一個(gè)段上的燃燒嘴越密集越好。加熱爐難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述它的特性，是具有大慣性、大滯后和嚴(yán)重非線性等特性的對(duì)象。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受許多干擾因素

17、的影響，燃料的發(fā)熱值及殘氧又很難在線準(zhǔn)確測(cè)量，因此一般線性調(diào)節(jié)器不能滿足對(duì)象及工藝控制的要求。在加熱爐工作時(shí)，鋼坯被整齊排列在加熱爐內(nèi)，并在推鋼機(jī)的推動(dòng)下不斷地從爐尾推入爐膛，首先進(jìn)入預(yù)熱段，預(yù)熱段主要是依靠加熱段和均熱段排出的高溫?zé)煔鈦?lái)緩慢加熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。這樣鋼坯開(kāi)始升溫不大，溫度應(yīng)力小，不會(huì)造成裂紋和斷裂；鋼坯運(yùn)行到加熱二段時(shí)，鋼坯的中心溫度已超過(guò) 500，進(jìn)入塑性范圍，此時(shí)快速加熱鋼坯使鋼坯表面溫度迅速升高到出爐溫度；在均熱段鋼坯表面溫度不再升高，斷面溫差逐步減小。這樣，鋼坯經(jīng)過(guò)預(yù)熱、加熱、均熱三個(gè)過(guò)程，就被加熱成溫度適宜、溫差較小、可供軋制的熱坯。此時(shí)鋼坯被出鋼機(jī)構(gòu)

18、推上滾道，由滾道傳送給軋機(jī)進(jìn)行軋制，如圖（2.1）所示。根據(jù)加熱工藝要求，一般每塊鋼坯在爐內(nèi)大約停留 2 小時(shí)，但具體鋼種以及生產(chǎn)要求不同，該時(shí)間有差異。加熱爐排煙方式為向上排煙，在爐內(nèi)燃燒生成的煙氣由爐尾總排煙管經(jīng)地上煙道通到廠外煙囪，再排入大氣中。為了提高熱利用率，在煙道內(nèi)安裝有帶保護(hù)管組的金屬管狀換熱器，用來(lái)回收部分高溫?zé)煔馑鶐ё叩臒崃?，冷空氣通過(guò)該處預(yù)熱再分別進(jìn)入各加熱區(qū)域，其間空氣的預(yù)熱溫度大約為 450。在煙道裝有一套轉(zhuǎn)動(dòng)閥門，用來(lái)對(duì)爐膛壓力進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。同時(shí)還要對(duì)加熱爐上方的汽包水位進(jìn)行控制，以保證支撐鋼坯的爐筋管中的水流量，防止燒壞爐筋管。為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝

19、要求，必然地要求對(duì)加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的控制使之保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過(guò)高既不必要且又導(dǎo)致鋼坯過(guò)多燒損和能源浪費(fèi)，甚至造成粘鋼的嚴(yán)重事故。過(guò)低則會(huì)使軋機(jī)軋制困難而影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量和軋機(jī)的使用壽命(或維護(hù)周期)，而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。另外，不同種類的鋼坯對(duì)爐內(nèi)的氣氛有不同的要求(這里氣氛主要是指氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定)，如果氧化氣氛過(guò)重，會(huì)使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費(fèi)材料而且給除鱗帶來(lái)困難，嚴(yán)重的還會(huì)影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。如果還原氣氛過(guò)重，不僅白白浪費(fèi)大量燃料，同時(shí)還污染了空氣。2.4 加熱爐溫度控制要求燃料的種類很多，分類方法也

20、不盡相同。一般按存在狀態(tài)來(lái)分，有固體燃料、液體燃料和氣體燃料三種。隨著我國(guó)冶金工業(yè)設(shè)備的日趨完善，技術(shù)的逐漸提高和石油工業(yè)的全面發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)大、中型冶金企業(yè)的軋鋼加熱爐已極少使用固體燃料，絕大部分軋鋼廠是使用氣體或液體燃料。加熱爐常用的氣體燃料有天然氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣等。常用的液體燃料主要是重油。本設(shè)計(jì)所用加熱爐燃料為高爐與焦?fàn)t煤氣的混合煤氣。高爐煤氣是高爐煉鐵的副產(chǎn)品，它主要由可燃成分co、h2、ch4和不可燃成分n2、co2組成。由于含有大量不可燃成分，約占?xì)怏w體積的60%70%,所以發(fā)熱量比較低，通常只有33504200kj/m3。高爐煤氣由于發(fā)熱量較低，燃燒溫度也低，

21、約1470 ，在加熱爐上單獨(dú)使用困難，往往是與焦?fàn)t煤氣混合使用。焦?fàn)t煤氣是煉焦生產(chǎn)的副產(chǎn)品，它的燃料成份組成是：h2含量一般超過(guò)50%，ch4含量一般超過(guò)25%，其余是少量的co、n2、co2、h2s等。由于焦?fàn)t煤氣的主要可燃成分是高發(fā)熱量的h2和ch4，所以焦?fàn)t煤氣的發(fā)熱量較高，為1600018800 kj/m3。如果高爐煤氣與焦?fàn)t煤氣的發(fā)熱量分別為q高與q焦，要配成發(fā)熱量為q混的混合煤氣，可以用下式計(jì)算:設(shè)焦?fàn)t煤氣在混合煤氣中的體積分?jǐn)?shù)為x,則高爐煤氣的體積分?jǐn)?shù)為（1-x），那么 （2.1）整理上式得： （2.2）采用高爐、焦?fàn)t混合煤氣不僅合理利用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既克服了焦

22、爐煤氣火焰上飄的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以利用焦?fàn)t煤氣中碳?xì)浠衔锓纸猱a(chǎn)生的碳粒，在燃燒時(shí)可以增強(qiáng)火焰的輻射能力。2.4.1 燃燒系統(tǒng)燃燒系統(tǒng)的曲線描述圖如下12：圖2.2 燃燒系統(tǒng)的曲線描述上圖表示了空氣過(guò)剩率與燃燒效率及污染之間的關(guān)系，可以看出，燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量跟空氣過(guò)剩率有很大的關(guān)系。同時(shí)，空氣過(guò)剩率還可以用空氣和燃?xì)獾呐浔龋纯杖急葋?lái)描述。理論空燃比a0為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的空氣量，為一個(gè)常數(shù)。實(shí)際空燃比a=實(shí)際空氣量/煤氣量，設(shè)為剩余空氣系數(shù) , =實(shí)際空氣量/理論空氣量，a /= a0,則實(shí)際空燃比與空氣剩余系數(shù)成正比。從上圖可看出當(dāng)1和11.02分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣

23、過(guò)剩燃燒區(qū)域，在這兩個(gè)燃燒區(qū)中，會(huì)有不完全燃燒現(xiàn)象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會(huì)產(chǎn)生大量的黑煙，污染大氣。但是如果處于高過(guò)?？諝馊紵齾^(qū)，即當(dāng)1.10時(shí)，由于過(guò)多的過(guò)剩空氣，不但使出鋼時(shí)鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過(guò)低，同時(shí)會(huì)使氮硫氧化物增加，對(duì)環(huán)保不利。因此，在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中，空氣過(guò)剩率設(shè)定在過(guò)剩空氣燃燒區(qū)1.021.1是最佳的燃燒方案。2.4.2 爐膛負(fù)壓爐膛壓力對(duì)出鋼質(zhì)量有很大影響，只有爐膛壓力適當(dāng)，才能保證燃燒的效果當(dāng)均熱段的爐膛壓力過(guò)高時(shí)，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴，會(huì)造成很大一部分熱損失。均

24、熱段的爐膛壓力也不能過(guò)低，尤其是當(dāng)出現(xiàn)負(fù)爐壓時(shí)，冷空氣通過(guò)爐門、爐襯裂縫以及其它開(kāi)口進(jìn)入爐內(nèi)，這些漏入的冷空氣不僅會(huì)降低爐膛溫度，而且由于其必須被加熱到爐溫后才能排除，這樣造成了燃燒系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費(fèi)大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來(lái)很大的麻煩，是絕對(duì)不允許的。可見(jiàn)，這兩種情況對(duì)爐內(nèi)熱工過(guò)程均不利。從工藝設(shè)計(jì)上，煙道口的排煙閥功能是用來(lái)調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時(shí)，煙道閥門的開(kāi)度大小適當(dāng)。而在爐內(nèi)壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，根據(jù)爐膛壓力檢測(cè)結(jié)果，改變爐壓調(diào)節(jié)器的輸出，即通過(guò)煙道閥門開(kāi)度的大小，改變排煙量來(lái)獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上，以維持爐內(nèi)微正壓。對(duì)于爐膛壓力，送

25、風(fēng)總管壓力以及汽包水位的控制，由于被控對(duì)象單一，所以采用單回路 pid 控制就能達(dá)到較好的效果。2.5 空燃比燃燒過(guò)程是燃料的氧化過(guò)程，當(dāng)燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過(guò)量。同時(shí)，從安全角度考慮，空氣不足也會(huì)使燃料在爐子中聚集起來(lái)，而一點(diǎn)燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過(guò)程一般都是在空氣過(guò)量的情況下進(jìn)行的。為了使燃料充分燃燒，必須供給足夠的空氣，即保證一定的剩余空氣系數(shù)或空燃比r6。它們的定義分別為： （2.3） （2.4）可知空燃比r與剩余空氣系數(shù)的關(guān)系為： （2.5）為單位體積或質(zhì)量的燃料完全

26、燃燒所需要的理論空氣量和分別為空氣流量的測(cè)量值和最大值和分別為燃料流量的測(cè)量值和最大值為理論空氣修正系數(shù)第三章 加熱爐的溫度控制系統(tǒng)加熱爐的溫度控制一共分為五部分，每一部分單獨(dú)設(shè)置一個(gè)串級(jí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的自動(dòng)控制。在系統(tǒng)中，爐溫控制器為主控制器，它的輸出作為副控制器即燃燒控制器的設(shè)定值，通過(guò)燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開(kāi)度。而煤氣壓力波動(dòng)等變化劇烈的擾動(dòng)包含在副回路當(dāng)中，利用副回路的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能來(lái)抑制這些擾動(dòng)對(duì)爐膛溫度的影響。在穩(wěn)定狀態(tài)下，爐溫控制器和燃燒控制器的輸出都處于相對(duì)穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門的開(kāi)度也保持不變。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)被破壞時(shí)，爐溫控制和燃燒控制的串級(jí)控制開(kāi)始作用。對(duì)于加熱

27、爐溫度的影響主要有以下兩種干擾：1.煤氣壓力波動(dòng)。當(dāng)煤氣壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會(huì)馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時(shí)不變，即煤氣流量的設(shè)定值不變。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經(jīng)過(guò)副回路的調(diào)節(jié)作用，會(huì)大大削弱它對(duì)爐溫的影響，而此時(shí)爐溫控制器開(kāi)始工作，不斷改變副控制器的設(shè)定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，爐溫將很快恢復(fù)到設(shè)定值。2.爐溫變化。當(dāng)爐溫降低時(shí)，溫度控制器開(kāi)始動(dòng)作，控制輸出量增大，即煤氣流量設(shè)定值增大，而此時(shí)煤氣實(shí)際流量沒(méi)有變化，煤氣流量控制器輸出增大，閥門增大開(kāi)度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復(fù)設(shè)定值?？梢?jiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)

28、對(duì)于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動(dòng)等特點(diǎn)的過(guò)程，是一種很好的解決方案。對(duì)于定空燃比(燃料熱值一定)的燃燒控制系統(tǒng)，概括起來(lái)主要有以下幾種爐溫控制方式: （1）單回路控制單回路控制是最簡(jiǎn)單的控制方式，通過(guò)爐溫的變化直接調(diào)節(jié)煤氣流量。（2）串級(jí)控制串級(jí)控制中，空氣和煤氣并行，溫度回路的輸出值作為煤氣、空氣回路的設(shè)定值。（3）單交叉限幅控制單交叉限幅控制可以保證在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空氣量比燃料量富裕，不會(huì)產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，但由于對(duì)空氣量的上限沒(méi)有限制，因此排煙熱損失較大。（4）雙交叉限幅控制雙交叉限幅控制的特點(diǎn)是當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，空氣量設(shè)定值先增加，煤氣量設(shè)定值后增加，防止冒黑煙;當(dāng)熱負(fù)荷降低時(shí)，煤氣量設(shè)定值先

29、降低，空氣量設(shè)定值后降低，減少煙氣熱損失;當(dāng)空氣回路出現(xiàn)故障時(shí)，煤氣自動(dòng)切斷，避免危險(xiǎn)。雙交叉算法在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)能夠獲得合理的空燃比，但響應(yīng)速度慢。雙叉限幅控制的特點(diǎn)是在單交叉的基礎(chǔ)上增加一個(gè)最大選擇器和一個(gè)最小選擇器，其目的是保證當(dāng)爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時(shí)空氣先行;而當(dāng)爐溫高于設(shè)定值，需要減少燃料流量時(shí)燃料先行，以防止冒黑煙。該方法己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過(guò)程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。3.1 單閉環(huán)控制系統(tǒng)加熱爐單回路溫度控制系統(tǒng)框圖如下2：圖3.1 單回路控制系統(tǒng)方框圖采用此系統(tǒng)，在平衡狀態(tài)下如果爐溫突然上升，那么此回路將

30、控制煤氣閥和空氣閥關(guān)小，使溫度降回給定值，同樣如果爐溫突然下降，回路又會(huì)控制煤氣閥和空氣閥開(kāi)大，使溫度回升至給定值。這個(gè)控制方案只是針對(duì)煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當(dāng)煤氣壓力變大時(shí)在閥門開(kāi)度不變的情況下會(huì)導(dǎo)致煤氣流量的增大，從而導(dǎo)致總熱值的上升，影響爐溫。而由于爐溫控制的大慣性，要過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間，爐溫檢測(cè)裝置才會(huì)有反應(yīng)。pid調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（pid）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動(dòng)控制。所謂 pid 控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對(duì)測(cè)量參數(shù)的偏差進(jìn)行運(yùn)算確定輸出量，

31、對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的方法。當(dāng) p、i、d 三個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳系數(shù)組合， pid 的控制效果很好?？刂破鲄?shù)整定的方法很多，歸結(jié)起來(lái)可以分為兩大類7：一類是理論計(jì)算方法，另一類是工程整定方法。本設(shè)計(jì)主要利用工程整定方法進(jìn)行控制器參數(shù)整定，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。（1） 臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改變，直到過(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。此時(shí)的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱臨界周期。（2）衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。不同的是讓過(guò)渡過(guò)程最終呈現(xiàn)4：1衰減振蕩

32、為止。此時(shí)的比例度（s）和振蕩周期（ts）即是我們需要的。因此，在純比例情況下，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，臨界比例度法就無(wú)法應(yīng)用，而衰減曲線法在此種情況下也同樣能用。因此衰減曲線法應(yīng)用較為廣泛，本設(shè)計(jì)也將使用該方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定，用衰減曲線法4：1衰減振蕩時(shí)，控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如圖：表3.1 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式3.2 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)圖3.2爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)在爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)中，pid控制器通過(guò)對(duì)煙道閥開(kāi)度大小的控制，從而達(dá)到了控制爐膛壓力的目的。送風(fēng)總管壓力也采用單回路pid控制系統(tǒng)，使燒嘴噴出的煤氣和空氣有一定的速度。供風(fēng)壓力必須和當(dāng)前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調(diào)節(jié)的靈敏度。若

33、煤氣壓力過(guò)低，必須相應(yīng)降低供風(fēng)壓力，使得空氣閥門和煤氣閥門調(diào)節(jié)行程大致相同，否則，空氣壓力過(guò)高，空氣閥門的微小動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致剩余空氣過(guò)多。反之，若煤氣壓力過(guò)高，也要相應(yīng)提高供風(fēng)壓力，使得流量的調(diào)節(jié)更為準(zhǔn)確，以免在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)黑煙。3.3 串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)為了保證燃料與空氣有一定的配比關(guān)系，最常用的方案之一是串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)，其原理是空氣流量和煤氣流量的設(shè)定值成簡(jiǎn)單的比值關(guān)系。 圖3.3 串級(jí)比值控制系統(tǒng)加熱爐燃燒過(guò)程中，正常情況下，煤氣和空氣應(yīng)該有一定的比例。焦?fàn)t煤氣的空燃比大約在4：1左右，高爐煤氣的空燃比大約在1.05：1左右，轉(zhuǎn)爐煤氣的空燃比大約在1.1：1左右，如果煤氣過(guò)量，會(huì)

34、浪費(fèi)能源，同時(shí)產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，產(chǎn)生環(huán)境污染；如果空氣過(guò)量，不僅溫度上不去，而且為了加熱多余空氣，加熱爐的熱負(fù)荷會(huì)變大，同樣也會(huì)浪費(fèi)能源，剩余的熱空氣隨煙氣排入大氣，會(huì)產(chǎn)生大量的no2、so2等氣體污染環(huán)境。在鋼鐵生產(chǎn)中用到煤氣的地方很多，煤氣閥前壓力難以穩(wěn)定，為了克服閥前壓力波動(dòng)，把溫度和煤氣構(gòu)成串級(jí)控制回路，煤氣和空氣構(gòu)成比值控制系統(tǒng)，因此引入加熱爐串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)。如圖3.3所示。在該圖中，加熱爐溫度控制主調(diào)節(jié)器的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器的給定值，同時(shí)經(jīng)過(guò)空燃比運(yùn)算器r運(yùn)算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器的給定值。通過(guò)調(diào)整r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。加熱爐的燃料燃燒過(guò)程中，不僅要保證

35、穩(wěn)態(tài)情況的剩余空氣系數(shù)一定，更重要的是在加熱爐負(fù)荷發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)情況下，保證剩余空氣系數(shù)仍保持在合理的范圍內(nèi)。在串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)中，煤氣流量是主動(dòng)量，空氣流量是從動(dòng)量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，煤氣流量和空氣流量以一定的比值定量地進(jìn)入加熱爐中。當(dāng)爐膛溫度受干擾作用，燃燒負(fù)荷波動(dòng)不大時(shí)，或工藝上需要升降負(fù)荷的時(shí)候，爐溫控制器的輸出一方面輸出信號(hào)給煤氣流量控制器，從而進(jìn)行煤氣流量的控制；另一方面經(jīng)比值器后作為空氣控制器的設(shè)定值。煤氣和空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)開(kāi)始工作：當(dāng)爐溫升高時(shí)，在爐溫控制器反作用下，其輸出減小，即煤氣流量設(shè)定值減小，同時(shí)，爐溫控制器的輸出經(jīng)比值器給空氣流量的設(shè)定值也減小，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度

36、減小；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)有變化，經(jīng)空氣流量控制器使其輸出也減小，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。當(dāng)爐溫降低時(shí)，爐溫控制器反作用下輸出增大，即煤氣流量設(shè)定值增大，同時(shí)，爐溫控制器的輸出經(jīng)比值器給空氣流量的設(shè)定值也增大。此時(shí)，煤氣流量的測(cè)量值暫時(shí)沒(méi)有變化，經(jīng)煤氣流量控制使其輸出增大，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)有變化，經(jīng)空氣流量控制器輸出也增大，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大。綜上，不論爐溫升高還是降低，通過(guò)煤氣流量和空氣流量的串級(jí)比值控制系統(tǒng)的控制，可以實(shí)現(xiàn)較好的爐溫控制。但是對(duì)于鋼鐵廠中的加熱爐不僅煤氣壓力波動(dòng)大，且燃料熱值也在發(fā)生波動(dòng)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，實(shí)際空燃比會(huì)

37、產(chǎn)生很大的波動(dòng)，空氣過(guò)剩系數(shù)很容易進(jìn)入黑煙區(qū)，因此，無(wú)法進(jìn)行抑制，效果很差12。在燃燒負(fù)荷發(fā)生急劇變化的情況下，由于控制空氣流動(dòng)管道與煤氣流動(dòng)管道特性間的差異，各閥門的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同，會(huì)帶來(lái)缺氧燃燒現(xiàn)象和過(guò)氧燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，此時(shí)若仍采用串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)將無(wú)法保證燃料與空氣之間的最佳動(dòng)態(tài)配比關(guān)系，因此，引入單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)。3.4 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)3.4.1 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)工作原理圖3.4單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)圖單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)是在串級(jí)比值燃燒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了高值選擇器hs，低值選擇器ls，正偏置+a1(%)和負(fù)偏置-a2(%)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)燃料和空

38、氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)低于其給定值s以下的某一允許區(qū)間，即（s- a1），并保證燃料流量ff低于冒黑煙界限，以及空氣流量fa高于冒黑煙界限。單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的工作原理如下：在燃料流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a，與根據(jù)空氣流量測(cè)量值fa算出的所需燃料流量加上偏置a1 (%)得到的信號(hào)b （3.1）相比較，由低值選擇器ls來(lái)選通a、b之一作為燃料流量調(diào)節(jié)器ffc的給定值sf。在空氣流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a，與燃料流量測(cè)量值ff減去偏置a2(%)得到的信號(hào)d （3.2）相比較，由高值選擇器hs來(lái)選通a，d之一，再乘以空燃比r作為空氣流量調(diào)節(jié)器fac

39、的給定值sa。下面分別對(duì)負(fù)荷穩(wěn)定，升負(fù)荷和降負(fù)荷時(shí)這三種狀態(tài)進(jìn)行分析。系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a同時(shí)作為空氣和燃料流量調(diào)節(jié)回路的給定信號(hào)，此時(shí)剩余空氣系數(shù)等于給定值s。當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，信號(hào)a急劇上升，發(fā)生正跳變。先看空氣流量調(diào)節(jié)回路的情況。此時(shí)，ad，hs選通a，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣流量增加；再看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況，當(dāng)a正跳到ab時(shí)，ls選通b，a被中斷，b作為該回路的燃料流量給定值sf，使燃料流量隨著b值的增加而增加，即燃料流量隨著空氣流量的增加而增加，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)b增加到ba時(shí)，ls又選通a，a作為該回路的燃料流量給定值，交叉限制結(jié)束。這樣，系統(tǒng)又

40、恢復(fù)到了穩(wěn)定狀態(tài)。由于a跳變，b緩慢上升，即空氣流量給定值sa急劇上升，燃料流量給定值sf緩慢上升，實(shí)現(xiàn)了升負(fù)荷時(shí)“先增加空氣后增加燃料”,克服了空氣與燃料流量回路特性的差異，使得升負(fù)荷的動(dòng)態(tài)過(guò)程能夠合理燃燒13。當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，信號(hào)a急劇下降，發(fā)生負(fù)跳變。先看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況。此時(shí)，ab，ls選通a，a作為該回路的燃料流量給定值sf，使燃料流量減小，再看空氣流量調(diào)節(jié)回路的情況，當(dāng)a負(fù)跳變到ad時(shí)，hs選通d，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣流量隨著d的減少而減少，即空氣流量隨著燃料流量的減少而減少，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)d減少到da時(shí)，hs又選通a，再乘以r作為空氣流量給定值，交叉限制結(jié)束

41、。這樣，系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于a負(fù)跳變、d緩慢下降，即sf急劇下降，sa緩慢下降，實(shí)現(xiàn)了降負(fù)荷時(shí)“先減少燃料后減少空氣”，同樣克服了空氣與燃料回路特性的差異。通過(guò)上述分析可知，該系統(tǒng)對(duì)燃料流量和空氣流量只規(guī)定了不超過(guò)冒黑煙界線，并沒(méi)有規(guī)定空氣過(guò)剩的界線。也就是說(shuō)，系統(tǒng)只限制了升負(fù)荷時(shí)剩余空氣系數(shù)的下降幅度，即（s-a1），而不能抑制降負(fù)荷時(shí)剩余空氣系數(shù)的上升，這也是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)。由于該系統(tǒng)只對(duì)剩余空氣系數(shù)做了單向限幅，故起名為單交叉限幅。3.4.2 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)特點(diǎn)單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)升負(fù)荷時(shí)空氣先行，降負(fù)荷時(shí)煤氣先行，由于采用了這種控制方式，所以單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)具有以下特

42、點(diǎn)：（1）當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，先增加空氣后增加燃料；當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，先減少燃料后減少空氣。這樣，可以防止冒黑煙。（2）一旦空氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障，fa降于0，那么燃料流量也自動(dòng)降為0，確保安全燃燒。（3）當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，不能抑制剩余空氣系數(shù)的上升，在這段動(dòng)態(tài)過(guò)程中燃燒效率有所下降。由于單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)限制了剩余空氣系數(shù)的下限值，可以防止負(fù)荷增加的動(dòng)態(tài)過(guò)程中燃料過(guò)剩所引起的不完全燃燒。但它沒(méi)有限制剩余空氣系數(shù)的上限值，因而導(dǎo)致負(fù)荷減少的動(dòng)態(tài)過(guò)程中空氣過(guò)剩，使得燃燒效率降低。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)。3.5 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)3.5.1 雙交叉限幅燃燒控制原理圖圖3.5 雙交叉限幅燃燒控

43、制原理圖雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)是在單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了高值選擇器hs2，低值選擇器ls2，正偏置+a4(%)和負(fù)偏置-a3(%),從而保證了爐子負(fù)荷擾動(dòng)的過(guò)程中，既限制了剩余空氣系數(shù)的下限值，又限制了它的上限值，使得燃料流量ff和空氣流量fa分別限制在冒黑煙界限和空氣剩余界限之內(nèi)。3.5.2 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的工作原理在燃料流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a，與根據(jù)空氣流量測(cè)量值fa算出的所需燃料流量減去偏置a3 (%)得到的信號(hào)c （3.3） 和信號(hào)b相比較，由高值選擇器hs2和低值選擇器ls1來(lái)選通a、c、b之一作為燃料流量調(diào)節(jié)器ffc的給定值sf。在空氣流

44、量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a，與燃料流量測(cè)量值ff加上偏置a4(%)得到的信號(hào)e （3.4） 和信號(hào)d相比較，由低值選擇器ls2和高值選擇器hs1來(lái)選通a、e、d之一，再乘以空燃比r作為空氣流量調(diào)節(jié)器fac的給定值sa。下面分別對(duì)負(fù)荷穩(wěn)定，升負(fù)荷和降負(fù)荷這三種狀態(tài)進(jìn)行分析。系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，爐溫調(diào)節(jié)器tc的輸出信號(hào)a同時(shí)作為燃料和空氣流量調(diào)節(jié)回路中的給定信號(hào)，此時(shí)剩余空氣系數(shù)等于給定值s 。當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，信號(hào)a急劇上升，發(fā)生正跳變，先看空氣流量調(diào)節(jié)回路的情況。此時(shí)ae時(shí)，ls2選通e，a被中斷，同時(shí)ed,hs1又選通e，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣隨著e值的增加而增加，即

45、空氣流量隨著燃料流量的增加而增加，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)e增加到ea時(shí)，ls2選通a，e被中斷，同時(shí)，ad，hs1又選通a，再乘以r作為空氣流量給定值sa，交叉限制結(jié)束，此時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；再看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況，此時(shí)ac，hs2選通a。當(dāng)a正跳變到ab時(shí)，ls1又選通b，a被中斷，b作為該回路的燃料給定值sf，使燃料流量隨著b值的增加而增加，即燃料流量隨著空氣流量的增加而增加，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)b增加到ba時(shí)，同時(shí)ac，hs2選通a，ls1也選通a，a作為該回路的燃料流量給定值sf，交叉限制結(jié)束，此時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。至此，升負(fù)荷的過(guò)渡過(guò)程結(jié)束。在這個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，燃料流量和空氣流量互相影

46、響，交替增加8。當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，信號(hào)a急劇下降，發(fā)生負(fù)跳變。先看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況，此時(shí)ac，hs2選通a。當(dāng)a負(fù)跳變到ac時(shí)，hs2選通c，a被中斷，同時(shí)cb，ls1又選通c，c作為該回路的燃料流量給定值sf，使燃料流量隨著c值的減小而減小，即燃料流量隨著空氣流量的減小而減小，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)c減小到ca 時(shí)，hs2選通a，同時(shí)，ab，ls1也選通a，a作為該回路的燃料流量給定值sf，交叉限制結(jié)束。此時(shí)系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；再看空氣流量調(diào)節(jié)回路的情況，此時(shí)ae，ls2選通a。當(dāng)a負(fù)跳變到ad 時(shí)，hs1又選通d，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣流量隨著d值的減小而減小，即空氣流量隨著燃料

47、流量的減小而減小，交叉限制開(kāi)始。當(dāng)d減小到da時(shí)，同時(shí)aa1 (%)，當(dāng)升負(fù)荷時(shí)多增加一些空氣流量，實(shí)現(xiàn)“先增加空氣后增加燃料”，選擇a3(%)a2(%)，當(dāng)降負(fù)荷時(shí)多減少一些燃料，實(shí)現(xiàn)“先減少燃料后減少空氣”，這樣，不僅可以使燃料和空氣流量的變化速度相協(xié)調(diào)，而且可以解決因燃料流量調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作過(guò)快，往往空氣流量調(diào)節(jié)閥跟不上而失調(diào)，引起冒黑煙的問(wèn)題。（3）在穩(wěn)態(tài)過(guò)程中防止空氣和燃料流量的波動(dòng)，+ a1 (%)和- a3 (%)可以防止因空氣流量的波動(dòng)而引起燃料流量的波動(dòng)，而- a2 (%)和+ a4 (%)可以防止因燃料流量的波動(dòng)而引起空氣流量的波動(dòng)。這就相當(dāng)于設(shè)置了一個(gè)死區(qū)，可以防止干擾和改善

48、系統(tǒng)響應(yīng)特性。3.5.3 雙交叉限幅燃燒控制特點(diǎn)雙交叉限幅方法是針對(duì)動(dòng)態(tài)過(guò)程的一種控制方式，從理論上講，燃燒過(guò)程中，空燃比保持在最佳值，可以減少?gòu)U氣中的污染物含量，從而實(shí)現(xiàn)了燃料流量和溫度的良好控制。但由于系統(tǒng)分析也是基于理想狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用中也存在不足之處。雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：（1）保證空氣過(guò)剩率雙交叉限幅有力地限制了空氣過(guò)剩率的實(shí)際值，克服了單交叉限幅的不足，從而保證了在負(fù)荷波動(dòng)的過(guò)程中，空氣過(guò)剩率不會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)定值，保證燃燒控制系統(tǒng)工作在最佳燃燒區(qū)域內(nèi)。（2）克服煤氣壓力波動(dòng)的影響在加熱爐系統(tǒng)中，煤氣壓力的波動(dòng)范圍非常大（2.5kpa10.0kpa），在同一閥門開(kāi)度下，導(dǎo)致煤氣

49、流量發(fā)生很大的變化。雙交叉系統(tǒng)能夠使得空氣和煤氣回路同時(shí)感應(yīng)到煤氣流量的變化，做出相應(yīng)的調(diào)整，從而保證了系統(tǒng)不受壓力波動(dòng)的干擾。（3）出鋼質(zhì)量和環(huán)境保護(hù)雙交叉限幅減少了缺氧燃燒和過(guò)氧燃燒帶來(lái)的熱損失，降低了系統(tǒng)的能耗，同時(shí)避免了鋼的過(guò)氧燒損，保證了出鋼質(zhì)量。并且最大程度上降低了黑煙以及nox和sox給環(huán)境帶來(lái)的污染。雙交叉限幅燃燒控制方式的缺點(diǎn)：雙交叉限幅燃燒控制方式雖然能保證燃燒系統(tǒng)工作在最佳區(qū)域內(nèi)，但是其控制方式在實(shí)際的工程應(yīng)用中效果較差，通過(guò)理論分析總結(jié)出了影響雙交叉限幅性能的原因：（1）響應(yīng)速度慢從原理分析可以得出，雙交叉限幅燃燒控制實(shí)質(zhì)上犧牲了系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷變化的速度，降低了系統(tǒng)的響應(yīng)

50、速度。當(dāng)a1a4選擇很小的時(shí)候，雖然能夠達(dá)到節(jié)能的目的，并且有利于環(huán)保，但過(guò)小的限幅系數(shù)使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷變化響應(yīng)的快速性大大降低。（2）無(wú)法克服熱值波動(dòng)在燃燒控制系統(tǒng)中，由于煤氣熱值發(fā)生變化，空燃比應(yīng)該跟著變化，否則就不能保證系統(tǒng)的最佳燃燒控制。當(dāng)熱值上升時(shí)，空燃比應(yīng)該上升；當(dāng)熱值下降時(shí)，空燃比應(yīng)該下降。然而，串級(jí)比值控制系統(tǒng)和交叉限幅控制系統(tǒng)均是在假設(shè)空燃比為定值的條件下得到的，沒(méi)有考慮空燃比隨燃料成分和加熱負(fù)荷等因素變化而改變的情況，實(shí)際上是一種開(kāi)環(huán)控制方法。（3）控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象當(dāng)控制系統(tǒng)中的煤氣流量信號(hào)發(fā)生突變時(shí)，空氣流量信號(hào)的設(shè)定值必然會(huì)受到限幅的限制，空氣流量的實(shí)測(cè)值和設(shè)定值之

51、間肯定會(huì)有很大的偏差，使 pid 控制器的輸出起伏很大，空氣流量會(huì)接著快速降低(或升高)，在接下的一個(gè)周期內(nèi)，煤氣流量的設(shè)定值也會(huì)因?qū)嶋H空氣流量的變化被限幅，煤氣流量的設(shè)定值會(huì)取上限(或下限)，反過(guò)來(lái)，煤氣流量設(shè)定值的變化也會(huì)影響煤氣流量的實(shí)測(cè)值，這樣，整個(gè)控制系統(tǒng)會(huì)由于信號(hào)的突變震蕩起來(lái)。通過(guò)分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)論單交叉還是雙交叉燃燒控制系統(tǒng)，他們都是用犧牲系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的速度，來(lái)?yè)Q取燃料和空氣流量之間相互制約，并限制剩余空氣系數(shù)的瞬態(tài)變化，從而達(dá)到節(jié)約能源的目的。單交叉限制的相應(yīng)速度較慢，且主要影響負(fù)荷，而雙交叉限幅的相應(yīng)速度更慢，對(duì)升、降負(fù)荷都有影響。研究結(jié)果表明，四個(gè)偏置+ a1 (%

52、)、- a2 (%)、- a3 (%)、+ a4 (%)的取值與系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷相應(yīng)速度和節(jié)能效果有關(guān)。從節(jié)能的觀點(diǎn)看，希望四個(gè)偏置的取值小點(diǎn)，但這樣一來(lái)會(huì)使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度變慢。此外，由于燃料空氣流量的隨機(jī)波動(dòng)是不可避免的，為了防止由此而引起的高值、低值選擇器不必要的頻繁切換給系統(tǒng)帶來(lái)的擾動(dòng)，也必須用偏置來(lái)給系統(tǒng)設(shè)置一定的死區(qū)，所以希望四個(gè)偏置的取值大點(diǎn)。一般要根據(jù)實(shí)際情況和控制要求在調(diào)試中確定四個(gè)偏置值。綜合考慮節(jié)能效果和系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷響應(yīng)的快速性這兩方面的影響，并通過(guò)試驗(yàn)研究，建議選擇a1= a2 =2%5%，a3= a4 =8%。如果要求調(diào)節(jié)過(guò)程短，則取上述偏置的上限值，如果著眼于最大限度節(jié)能

53、，則取下限值。雙交叉控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)剩余空氣系數(shù)進(jìn)行雙向限幅，保證燃燒始終維持在最佳燃燒區(qū)，有利于節(jié)能，但它的缺點(diǎn)是偏置過(guò)小使系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷響應(yīng)速度變慢。第四章 加熱爐溫度控制系統(tǒng)仿真4.1 對(duì)象模型的建立 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在控制系統(tǒng)的研究中有著相當(dāng)重要的地位，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真處理，首先需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而后才有可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。同樣，只有知道系統(tǒng)模型，才有可能在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)合適的控制器，使系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到預(yù)期效果，滿足實(shí)際的工程需要。 在線性系統(tǒng)理論中，常用的數(shù)學(xué)模型形式有：傳遞函數(shù)模型（系統(tǒng)的外部模型）、狀態(tài)方程模型（系統(tǒng)的內(nèi)部模型）、零極點(diǎn)增益模型和部分分式模型等。這些模型之間都有著內(nèi)在的聯(lián)系，可以相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 微分方程是控制系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)，一般來(lái)講，利用機(jī)械學(xué)、電學(xué)、力學(xué)等物理規(guī)律便可以得到控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)方程，這些方程對(duì)于線性定常連續(xù)系統(tǒng)而言是一種常系數(shù)的微分方程。 控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微分方程的建立基于以下兩個(gè)條件：（1）在給定量產(chǎn)生變化或擾動(dòng)出現(xiàn)之前，被控量的各階導(dǎo)數(shù)都為零，即系統(tǒng)是處于平衡狀態(tài)的，因此，在任一瞬間，由各種不同環(huán)節(jié)組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)用幾個(gè)獨(dú)立變量就可以完全確定系統(tǒng)的狀態(tài)。（2）建立的動(dòng)態(tài)微分方程式是以微小增量為基礎(chǔ)的增量方