加热炉燃烧控制系统设计与仿真.doc

加热炉燃烧控制系统设计与仿真摘 要冶金工业消耗大量的能源，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的四分之一。自70年代中期以来，各工业先进国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。步进式加热炉不仅是轧线上最重要的设备之一，而且也是耗能大户。钢坯加热的技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。因此步进式加热炉优化设定控制技术的推广对钢铁企业意义重大。步进式加热炉的生产目的是满足轧制要求的钢坯温度分布，并实现钢坯表面氧化烧损最少和能耗最小。由于步进式加热炉具有非线性、不确定性等特点，其动态特性很难用数学模型加以描述，因此采用经典的控制方法难以收到理想的控制效果，只能依靠操作人员凭经验控制设定值，当工况发生变化时，往往使工艺指标（如空燃比）实际值偏离目标值范围，造成产品质量下降消耗增加。针对以上情况，本文通过理论和仿真比较说明使用双交叉限幅控制系统是一种比较好的燃烧控制方法。关键词：步进式加热炉； 空燃比； 双交叉限幅 ；系统仿真加热炉燃烧控制系统设计与仿真ABSTRACTMetallurgical industry consumes a lot of energy, billet heating furnace in which iron and steel industry accounted for a quarter of total energy consumption. Since the mid-70s from the advanced industrial countries on a variety of energy-efficient control of combustion equipment were extensive and in-depth research, greatly reduces energy consumption. Reheating furnace online is not only a rolling one of the most important equipment, but also energy-hungry. Billet heating technology directly affect the quality of steel products, energy consumption and mill life. Therefore set the reheating furnace control technology to optimize the promotion of iron and steel enterprises of great significance. Reheating furnace production to meet the requirements of steel rolling temperature distribution, and the billet surface oxidation and burning at least the minimum energy consumption. As a result of reheating furnace with a non-linear, characterized by uncertainty, the dynamic characteristics of the mathematical model it is difficult to describe, so the use of classical control methods difficult to control the desired effect, to use their experience to rely on the operator control settings, when conditions change, the process often indicators (such as air-fuel ratio) the scope of the actual value deviated from the target, resulting in decreased product quality to increase consumption. Response to the above, this paper compared the theoretical and simulation of dual-use control system for cross-limiter is a better method of combustion control.Keywords: Walking Beam Furnace；Air-fuel ratio；Double cross-limiter；System Simulation目 录摘 要IABSTRACTII第一章 引言1第二章 步进式加热炉42.1步进式加热炉简介42.2 步进式加热炉工艺过程52.3 加热炉控制技术的发展和现状8第三章 燃烧控制系统设计及仿真93.1 步进式加热炉生产工艺和控制要求93.2 燃烧控制系统及仿真103.2.1 Simulink简介103.2.2 仿真模型的建立113.2.3 串级比值控制系统设计及仿真123.2.4 单交叉限幅燃烧控制系统设计及仿真173.2.5 双交叉限幅控制系统设计及仿真223.2.6 偏置单元和炉膛负压控制系统简介29第四章 组态软件MCGS在加热炉控制中的应用304.1 MCGS简介304.2 MCGS在加热炉控制中的应用32第五章 仪表选型345.1 检测元件的选型345.1.1 温度检测345.2 压力和流量的测量365.3 变送器的选取375.3.1温度变送器385.3.2差压变送器的选取395.4 执行器的选择40结束语42参考文献43致谢44第一章 引言工业锅炉广泛应用于炼油、冶金、化工、轻工、造纸、纺织与食品等行业。每年消耗大量的原煤。由于热工检测手段落后，自动控制系统不够完善及运行管理不良等原因,导致热效率比设计值低10%20%。并由于调节量过大的波动引起执行机构过度磨损，燃烧不稳定，热力设备与管道的热应力破坏，工艺次品率升高，锅炉冒黑烟，产生大量氮氧化物等造成环境污染。许多厂家和单位已研制出多种工业锅炉的仪表或微机控制系统，并取得一定成效。但运行实践表明，工业锅炉滞后和惯性大，反应慢，回路多，耦合性强，过程扰动与噪声大，以及对象特性由于积灰、结垢、电子元件老化，环境、负荷、煤质等原因而发生变化。人们发现，燃烧调节系统已偏离最佳整定，要么反应迟钝，要么振荡太大，难以长期或在某些工况下运行。而调节器的整定又很费时间，且要求相当的技术，因此常将其切换至手控运行方式。不仅工人劳动强度大，且易使效率降低，污染加剧。采用自适应控制可以使自控系统投入率提高，减少运行操作人员，节约能源，减轻污染。自动燃烧控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前提下，实现最佳燃烧控制以达到减少烧损、节约能源的目的。根据燃烧机理，一般加热炉内空气过剩系数u的最佳范围为1.021.10，称为最佳燃烧带。如果u过大，使火焰温度降低，氧化铁皮厚度增加即烧损增加；反之，u过小，既冒黑烟污染环境，又使燃烧效率下降。一般情况下，加热炉燃烧控制都采用基本串级比值控制方案，或是其变化形式。但由于空气管道时间常数比燃料回路大，当负荷突然发生变化时，这种控制方案不能保证u在最佳燃烧区。为解决这一问题，许多人进行了深人研究，先后产生了几种交叉制约控制方案，使燃烧控制系统日趋完善1。1、加热炉的工艺和结构在本文中加热炉使用的是步进式加热炉。它由以下几个基本部分结构组成：炉膛和炉衬，燃料系统，供风系统，排烟系统，冷却系统，余热利用装置，装出料设备，检测及调节设备，电子计算机控制系统等。步进式加热炉的工业过程：由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算机的控制系统发出指令，炉门升起，炉内步进梁再将其托起、前进、下降、后退，完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端依次顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动后，算出板坯位置，当炉子接到信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。2、控制参数的选择燃烧过程的控制有以下三个基本要求：1） 保证炉膛内温度稳定，能按要求自动增减燃料量；2） 燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；3） 保证锅炉安全运行。保证炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，造成炉膛内热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加7。因此，在本设计中要做两个控制系统。一个是温度控制系统；一个是炉膛负压控制系统。则控制参数分别为炉膛内温度和炉膛负压。炉膛内温度范围是11001200，炉膛负压范围是0-30Pa3。3、控制燃烧方案燃烧自动调节系统包括热负荷、送风、引风三个调节回路。其中，燃料量和送风量的比例是影响燃烧经济性的主要因素。为了防止不完全燃烧，保证动态过程中风量始终有一定裕量，就需要采用单交叉控制（或称选择性控制），以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。  单交叉控制只有风对燃料的限制，没有燃料对风的限制，即可以保证风量始终有一定富裕量，但不能排除风量过大可能造成的热损失。为此可采用双交叉控制，即在风量调节回路中再增加一个低值选择器，燃料回路中再增加一个高值选择器及必要的运算组件，以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风，保证一定的空气裕量，同时又防止风量过大。双交叉限幅经历了燃料先行的比值或空气先行的比值调节系统、串级串联燃烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单交叉限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它是以炉温调节回路为主环，燃料流量和空气流量调节为副环，构成串级并联双交叉限幅控制系统13。双交叉限幅控制系统在负荷变化时，系统各参数变化，根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量对空气流量进行上、下限幅。在负荷增加或减小时，燃料流量和空气流量相互限制交替增加或减小，即使在动态情况下，系统也能保持良好的空燃比。炉膛负压控制系统采用前馈反馈控制系统，炉膛负压控制一般可通过控制引风量来实现，但当锅炉负荷变化较大时，单回路控制系统较难控制。因负荷变化后，燃料及送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引风控制器去控制，这样引风量的变化落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波动。为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈反馈控制系统。4、仿真手段早期的仿真软件是仿真程序，是针对某类问题或仿真方法编制的专用程序，是仿真软件的初级形式。例如，CSS仿真程序就是专门解决连续系统仿真问题的。仿真程序通常采用人机对话方式输入必要参数，具有使用简单、修改及扩充方便、易于普及推广等优点11。但仿真程序的功能比较简单，一般只能处理仿真的一些基本问题，不能对复杂的系统进行有效的仿真。仿真语言是一种直接用于解决仿真问题的专用高级语言，是仿真软件的高级形式。它是在某一种程序设计语言的基础上编制的，其成熟期在20世纪的70年代至80年代。例如，ACSL,DARE-P,CSSL IV,SLAM和MIMIC就是其比较流行的数字仿真语言。使用者可以通过一些专用语句，把微分方程或系统结构图输入到计算机中，由仿真语言中的“翻译模块”将它们翻译成机械的汇编语言或某种程序设计语言，并自动翻译、装配、执行，从而使得用户更多地摆脱对程序的熟悉和了解。仿真语言比仿真程序功能更全面，使用起来更方面。然而，由于要求用户能按仿真语言的格式去编写仿真源程序，因此对于一般工程技术人员而言，使用起来仍然感到不是很方面4。近二十年来，随着计算机技术的飞速发展，控制系统计算机仿真与辅助设计软件也取得了巨大的进步，突出的表现是广泛的可视化操作和软件的高度集成化。1985年推出的MATLAB语言就是这样的一个软件。尤其是1993年问世的Simulink，这个集成在MATLAB中的动态系统建模及仿真工具，使得MATLAB集可靠的数值运算（尤其是矩阵运算）、图形图像显示和处理、高水平的图形界面设计功能与一身，并提供与其他高级程序设计语言的接口，因此成为控制系统研究人员必备的工具。目前，MATLAB已可以在多种机型上运行，用MATLAB设计的仿真模型具有良好的可移植性。MATLAB是一种解释性程序设计语言，用户既可以在MATLAB环境下输入一个命令，也可以用MATLAB语言编写应用程序，由MATLAB负责执行并给出结果14。而控制系统工具箱是MATLAB中专门针对控制系统工程分析设计的函数和工具的集合。该工具箱采用M文件形式，提供了非常丰富的算法程序。它主要应用于反馈控制系统的设计、分析和建模，所涉及的领域涵盖 经典控制理论和现代控制理论的大部分内容，包括根轨迹、极点配置和LQG（线性二次最优）控制器设计等。另外，还提供友好的图形界面环境（GUI），大大简化了控制系统的分析和设计过程。为此，在本设计中我选用MATLAB来对本设计进行仿真。第二章 步进式加热炉2.1步进式加热炉简介热连轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢连铸的钢坯在钢坯库冷却后，必须经过加热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往热轧线进行轧制，它在炼钢生产和连续性轧钢生产之间起缓冲、平衡作用。步进式加热炉是热连轧厂中钢坯加热用的设备，它将冷钢坯加热到轧制要求的目标温度，并使其温度均匀。加热炉的控制系统直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥连轧机的生产能力，要求加热炉提高炉床负荷，因此有必要增强对加热炉的控制。步进式加热炉属室状炉类型，即炉温是随时间而变的。加热炉要根据钢坯的材质、尺寸规格、装炉温度、出炉温度等，确定炉子的加热制度，即确定加热升温曲线，包括各阶段的加热温度、加热时间、加热速度、保温时间。加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济地燃烧。因此当加热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，应当考虑采用何种合理有效的控制手段，能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内5。步进式加热炉的结构图如下所示：图2-1 步进式加热炉的结构图2.2 步进式加热炉工艺过程由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算机的控制系统发出指令，炉门升起，炉内步进梁再将其托起、前进、下降、后退，完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端按顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动后，算出板坯位置，当炉子接到要钢信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。当步进梁需要分段操作时，在两段步进梁的分段区域内设置一组激光检测器，经检测确认分段区域没有钢坯时，才能进行步进梁按工艺要求的分段操作。步进式加热炉的工艺过程图如下所示：图2-2 步进式加热炉的工艺过程图步进梁的运动轨迹是一个矩形运动轨迹，具体入下图所示。步进梁运动由水平运动和升降运动组成：水平运动和升降运动过程中的速度是变化的，其目的在于保证板坯以较低的速度接触固定梁和步进梁开始动作和结束动作的缓和，减少步进机构产生的冲击和震动。步进机构的水平运动是：通过一台平移液压缸驱动平移框架，使其在提升框架的滚轮上作平移运动，此时，提升钢处于静止状态。图2-1 步进式炉内钢坯运动轨迹步进梁的升降运动是：一套提升缸驱动提升框架，使其滚轮沿斜台面滚动完成升降运动，此时，平移缸处于静止状态。步进梁运动的工作行程为：上升为200mm，前进为550mm，步进周期为35秒，其中上升10.5秒，前进7秒，下降10.5秒，后退7秒，运动速度的变化由液压系统比例阀的控制来实现，而步进梁的运动极限位置以及运动速度改变点(位置)分别由升降缸内置线性位移传感器和平移缸内置线性位移传感器来确定。当板坯较长时间停炉时，要求步进梁停在中位与固定梁同一标高或进行踏步，以避免板坯变形弯曲和黑印加重，正常生产时步进梁停在低位7。通过前面的介绍，我们可以总结出步进式加热炉相对于推钢式加热炉的优点如下：1）轧机计划停轧前，步进式加热炉可以把所有的钢坯取出送往轧机而不需要其他设备，炉子出空后其热惰性比装有坯料的炉子小，冷却较快，缩短了检修周期，减轻了劳动强度；轧机事故停扎时，炉内钢坯可以局部或全部从装料侧方向退出炉外，没有因炉内保温造成的氧化损失和燃料消耗。2）钢坯在步进式炉内以一定间隔放置，排除了粘钢的可能性。装料可以按任意顺序安排钢号或钢种，只要在他们之间将间隙增大到若干步距即可。3）钢坯在步进式炉内四面受热，加热断面温差小、加热均匀，能减少脱碳深度，减少氧化烧损。4）步进式加热炉炉长不受限制，产量高，生产操作灵活，符合高产、优质、低耗、节能、无公害及生产操作自动化的工艺要求。2.3 步进式加热炉的工艺结构步进式加热炉共分为3个供热段：预热段、加热段、均热段，对应于10个燃烧控制区。炉体四壁由不同材质的耐火保温材料砌筑而成。设备组成如下:1） 板坯输送辊道设备2） 装料炉门升降机构3） 装钢机4） 炉底步进机械5） 步进炉液压系统6） 出钢机7） 出料炉门的升降机构8） 干油集中润滑系统2.3 加热炉控制技术的发展和现状现代化的高产量热轧带钢轧机，由于对轧制带钢的厚度尺寸公差，带钢表面质量和板型控制的要求日益严格，因而对板坯加热温度均匀性和热板坯表面的质量要求也不断提高。加热炉是热轧带钢轧机必须配备的热处理设备，随着工业自动化技术的不断发展，现代化的热连轧机应该配置大型化的，高度自动化的步进梁式加热炉，其生产应符合高产、优质低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求，以提高其产品的质量，增强产品的市场竞争力。我国轧钢工业的加热炉型有推钢式炉和步进式炉两种，但推钢式炉有长度短、产量低、烧损大，操作不当时会粘钢造成生产上的问题，钢坯断面温差较大，板坯背面滑轨擦痕多，难以实现管理自动化。由于推钢式炉有难以克服的缺点，而步进梁式炉是靠专用的步进机构，在炉内做矩形运动来移送板坯，板坯之间可以留出空隙，板坯和步进梁之间没有摩擦，出炉板坯通过托出装置出炉，完全消除了滑轨擦痕，又有适合加热断面较大的坯料，钢坯加热断面温差小、加热均匀以及可出空炉料，炉长不受限制，产量高、生产操作灵活等特点，其生产符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。从60年代开始，一些发达国家就开始对工业炉进行改造，除组织合理化以外，主要靠技术进步，即新设备、新工艺和自动化技术及计算机应用，从而使工业炉技术飞速发展，且向高产、优质多品种和节能降耗方向发展。由于自动化及计算机应用不仅节省人力，更重要的是能把工艺参数严格控制在规定值范围之内，监控生产过程，甚至于自寻最优而使工艺过程优化，达到高产、优质、节能降耗以及降低成本，而且能生产过去不能生产的产品，故自动化及计算机应用不仅是工业现代化的标志，而且是生产必需和关键的环节，因此世界各国都努力发展工业自动化。加热炉采用计算机控制系统，一般能节能5%左右，减少氧化烧损0.2%左右，在频繁改变生产计划、坯料钢种和规格的情况下，其节能和减少板坯氧化烧损的效果将更加显著。我国在7080年代建的轧钢生产线大多存在能耗高、产量低、产品质量差、生产自动化水平低等问题。1979年12月召开的全国轧钢会议，对我国轧钢工业现状与其发展方向进行了全面深入的讨论，提出应用连铸逐步代替初轧，用连续式冷热宽带钢轧机代替劳特式中板轧机和迭轧薄板轧机，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片，用连续式棒材型材轧机代替横列式轧机，用步进式加热炉代替推式加热炉等等。我国轧机在装备水平上与国外的差距一是规模小，装机水平低；二是我国的轧机加热炉大多数是推钢式加热炉，小时产量为6080吨，国外发达国家基本是采用步进式加热炉，加热能力为250吨。80年代后期开始我国经济发达的省份和各大钢铁集团公司相继引进或改建成了控制系统引进国外的系统具有国际水平的全连续、全自动化步进式加热炉。这种生产线都具有以下特点：1）生产能耗大幅度降低，从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。2）产量大幅度提高，现在都在100万吨/年以上。3）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统都是PLC或DCS统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置8。第三章 燃烧控制系统设计及仿真3.1 步进式加热炉生产工艺和控制要求待轧钢坯根据计划被排列在加热炉内的滑轨上，用燃料和空气混合燃烧产生的热量进行加热，钢坯被加热到合适的温度后送给轧机进行轧制。燃料的燃烧需要适当配比的空气，空气量不足会造成燃料燃烧不充分从而浪费能源并污染大气；而空气过量时多余的空气会带走炉内热量，同时过量的空气会造成钢坯的氧化烧损，高效燃烧控制的重点就是空燃比的控制。考虑燃料和空气混合的实际情况，通常空气量要多于燃烧所需的理论值，即理论空气量，而空气过剩系数一般控制在1.021.1之间。为了充分利用燃烧产生的热量，保证钢坯按适当的速度升温，加热炉沿入料端至出料端分成预热、加热、均热三个温度段。预热段为缓慢加热区，炉膛温度稍低；加热段为快速加热区，温度在炉内最高均热段主要是消除钢坯表面和芯部的温度差，使整个钢坯的温度适合于轧制要求。对于不同规格种类的钢坯三段温度的控制要求不同。钢坯在炉内随着温度场的变化逐渐被加热到轧制温度。炉膛温度在正常生产情况下与投入到炉内的燃料量是相对应的，在满足轧机生产要求的前提下适当降低加热强度，可以降低燃料的消耗量。3.2 燃烧控制系统及仿真对于燃烧控制系统，空气过剩系数u是一个重要参数。因为燃烧控制系统一个最重要的参数就是空燃比k，而k=×u，其中为量程修正系数。u与节能有着直接的联系。如下图所示：图3-1 空气过剩系数与节能的关系从图中可以看出，最佳燃烧范围是空气过剩系数在1.021.1之间。当空气过剩系数从1.02逐渐减小时，由于空气不足，燃料燃烧不完全，这样不但要冒黑烟污染环境，还要燃烧率降低浪费能量；当空气过剩系数从1.1逐渐增大时，由于空气过多，使多余的空气带着热量排到空气中，这也使热效率减小。3.2.1 Simulink简介Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。3.2.2 仿真模型的建立为了对本设计中的三种燃烧控制系统进行比较，作者在设计中用Simulink对这三种燃烧控制系统调试仿真，使控制效果达到最佳，进最终改进加热炉燃烧控制的性能。由于加热炉温度控制有大滞后、大惯性的特点，而其也可以看成单容对象，因此温度的传递函数可以设定为：G(S)= (3-1)燃料流量和空气流量反应较快，又是单容对象，因此它们都可以看成一阶惯性环节，其传递函数如下：燃料流量对象传递函数：G(S)= (3-2)空气流量对象传递函数：G(S)= (3-3)由于温度对象的传递函数具有滞后和非线性，则温度PID中要有比例、积分和微分环节。微分的作用是克服温度的滞后，积分的目的是消除静态误差和稳定温度控制对象。因此温度PID的传递函数为：G(S)=Kp+ (3-4)流量是个脉动信号，因此不能在控制器中加入微分作用，否则系统对输入太敏感，容易引起系统严重不稳定。同时为了控制器可以快速对偏差做出反应，燃料流量和空气流量PID设定为纯比例，即 G(S)=Kp。 (3-5)根据执行器的原理可知，如果系统接受一阶阶跃信号，执行器得由一个开度变化到另一个开度，因此这有一个过程，则中间就有一个过渡，但时间较短。因此执行器的传递函数可以近似为一阶惯性环节： G(S)= (3-6)由于检测和变送器的输入信号和输出信号可以看成已线性化，因此其传递函数可以看成纯比例，即 G(S)=Kp9 (3-7)3.2.3 串级比值控制系统设计及仿真本设计共做了三个控制系统，现在先设计串级比值系统。下面是其仪表圆圈图： 图3-2 串级比值控制系统仪表圆圈图如图所示，其中FaC和FaT是空气流量控制器和变送器；FfC和FfT是燃料流量控制器和变送器；K为初始空燃比。 串级比值控制系统的工作过程是，首先用热电偶从炉膛内检测实时温度，通过温度变送器送到温度控制器，然后其输出作为燃料控制器的设定值。通过设定值和燃料流量变送器输出的信号比较，来控制阀门的开度以改变燃料的流量。而空气流量控制器的设定值是燃料流量变送器输出乘以空燃比K，因此空气流量控制器的设定值随炉温变化而改变，同燃料控制回路，空气流量也相应改变，最终使炉膛温度稳定在一个合适的温度。本系统的优点是能快速克服进入副回路的干扰，使系统的抗干扰能力增强，控制质量提高；改善控制过程的动态特性，提高系统的工作效率；对负荷和操作条件的变化适应性强。下面，本设计将要对本系统进行Simulink进行仿真。仿真原理图如下：图3-3 串级比值控制系统Simulink仿真原理图从本原理图中可以看出，串级控制系统的副回路是燃料流量控制。在仪表之间的通讯信号统一为05V，而对象输出的信号为实际的流量信号和温度信号。各个环节之间都经过了统一的标度转换。下面对仿真结果图进行说明，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，单位是秒；在温度的仿真图中，纵轴代表的是温度，单位是度，横轴代表的是时间，单位是秒。当降负荷时，即炉温设定值调低。由于温度控制器是反作用，燃料流量给定值和空气流量给定值同时下降，但由于空气对象的时间常数大于燃料对象，使得实际燃料流量给定值降低快于空气流量给定值。则空燃比将有个波峰，空气过剩。这可能使产品氧化，质量下降。当升负荷时，即炉温设定值调高。则温度控制器由于是反作用，其输出变大，燃料流量给定值和空气流量给定值同时上升，同样由于空气对象的时间常数大于燃料对象的时间常数，使燃料流量给定值增加快于空气流量给定值。则空燃比将有个波谷，空气不足。这将引起冒黑烟，污染环境，浪费能量10。下面是串级比值控制系统温度降量时的空燃比仿真图：图3-4 串级比值控制系统降量时的空燃比仿真图从图中可以看出，当温度降量时空燃比有一个大的波峰，同时可以知道此时空气过剩系数大于1.1，已经超出最佳燃烧区的上限。因此，过剩的空气将带走能量，并将氧化钢坯的表面，使产品质量下降。下面是串级比值控制系统温度提量时空燃比仿真图：图3-5 串级比值控制系统提量时空燃比仿真图从图中可以看出，当温度提量时，空燃比有一个大的波谷，同时可以知道空气过剩系数此时已经小于最佳燃烧区的下限值1.02。因此，在本控制系统温度提量时空气过少，煤气过多，导致冒黑烟，将对环境污染和能量浪费。3.2.4 单交叉限幅燃烧控制系统设计及仿真下面是单交叉限幅燃烧控制系统仪表圆圈图：图3-6 单交叉限幅燃烧控制系统设计与仿真其中：K空燃比;K1、K2偏置单元;>、<高选器和低选器;a、f空气(air)和燃料(fuel)。 当升负荷时，即温度设定值变大，由于温度控制器是反作用，则温度控制器输出增大，则高选器选择温度控制器的输出。此时，空气控制器的给定值就是温度控制器的输出，其输出通过空气流量单回路控制系统使空气流量变大。同时，低选器选择空气流量除以空燃比乘以偏置单元K2，其作为燃料流量控制器的给定值，再通过燃料流量单回路控制系统使燃料流量增加。最终，通过空气和燃料流量的增大使温度上升，最后达到设定值，进入稳定状态。当降负荷时，即温度设定值变小，同样由于温度控制器是反作用，使温度控制器的输出减小。这样，高选器就选择燃料流量乘以空燃比K和偏置单元K1，则其作为空气流量控制器的给定值，再通过空气流量的单回路使空气流量减小；这时，低选器就选择温度控制器的输出作为燃料流量控制器的给定值，通过燃料流量单回路使燃料流量变小。最后结果就是，空气和燃料流量都变小，温度降低，再达到稳定。通过以上分析可以知道，本系统有如下特点：1）当升负荷时，先升空气后升燃料；降负荷时，先降燃料后降空气。这样可以防止冒黑烟，使燃料充分燃烧。2）如果空气系统有故障，即空气流量变为零，则燃料流量自动降为零，这样可以确保燃烧安全。3）当降负荷时，不能抑制空气过剩系数u的上升。本系统只限制了空气过剩系数u的下限值，可以防止负荷增加时的动态过程的不完全燃烧。但其没限制u的上限值，则导致降负荷时空气过剩，使燃烧效率降低11 。下面，我将要对本系统进行仿真。仿真原理图如下：图3-7 单交叉限幅控制系统仿真原理图本系统仪表间通讯信号和串级控制系统一样。从图中可以看出，单交叉限幅控制系统比串级比值控制系统多了一个高选器、一个低选器和两个偏置单元。在后面将会对偏置单元进行说明。下面是单边限幅控制系统温度降量时空燃比仿真图：图3-8 单边限幅控制系统降量时空燃比仿真图由图可以得知，系统加入了单边限幅后，温度降量时空燃比有个大波峰，此时空气过剩系数大于1.1，这将使能量浪费和产品质量下降。下面是单边限幅控制系统温度提量时空燃比仿真图：图3-9 单边限幅控制系统提量时空燃比仿真图从图中可以得知，单边限幅控制系统温度提量时的空燃比一直处于最佳燃烧区。这既可以防止冒黑烟和能量浪费，又可以防止氧化产品，提高产品质量。3.2.5 双交叉限幅控制系统设计及仿真首先，看看双交叉限幅控制系统的仪表圆圈图，如下：图3-10 双交叉限幅控制系统的仪表圆圈图其中：K空燃比；K1K4偏置单元；a、f空气和燃料。由图中可以看出，双交叉限幅控制系统是在单交叉限幅控制系统的基础上增加了一个高选器、一个低选器、偏置单元K4和K3。这样就可以限制空气过剩系数u的上、下限值。在上图中，本设计设定K1 =1.07,K2=0.96,K3=0.93,K4=1.04。当炉温升负荷时，即温度设定值变大，由于温度控制器是反作用，则输出e变大。对于空气回路，e>a，则低选器选择a，而a与b比较，a大于b，则信号a作为空气流量控制器的给定值；对于燃料回路，e>c，则高选器选择信号e，而e与d比较，e大于d，低选器选择d，即燃料流量控制器给定值是信号d。上述情况表明：升温时，燃料和空气同时取上限限幅值，随温度的上升，e值逐渐变小，最终温度值达到设定值，进入稳定状态，双交叉限幅过程结束。当炉温降负荷时，即温度设定值变小，同上，输出e变小。对于空气回路，e<a，则低选器选择信号e，而e又小于b，因此高选器选择信号b作为空气流量控制器的给定值；对于燃料回路，e<c，则高选器选择信号c，同时，由于c<d,所以低选器选择信号c，这就是说燃料流量控制器的给定值就是信号c。上述情况表明：温度降负荷时，空气和燃料同时选择下限限幅值，随着温度的下降，输出信号e逐渐增大，最后达到稳定。双交叉限幅控制系统是在单交叉限幅设置冒黑烟界限限制的基础上增加了空气过剩界限限制的一种控制系统。双交叉限幅可消除单交叉限幅空气过剩和减轻燃料流量系统互相影响引起的振荡。由上述分析可知,当炉内检测点的温度改变时,温度调节器TC的输出会发生相应变化,而空气和燃料的流量设定值均不直接跟踪TC的改变。空气和燃料的流量实际值交替地跟踪对方的流量实际值的变化,变化速度取决于双边系统的惯性。同无限幅的系统相比,本系统是将TC的输出对下面直接大幅度设定改成由对象时间常数规定的小幅度的设定,是等待对方流量变化后再进行己方控制的过程,从而使动态响应时间变长,超调量相应地减小。本系统基本上杜绝了冒黑烟和过度排热的情况,实现了空燃比较稳定的炉内温度稳定控制12。本系统的优点是，在降负荷时，空气过剩系数不超过上限值；在升负荷时，空气过剩系数不低于防止冒黑烟的下限值。这样就确保了燃烧过程中都在最佳燃烧区内进行，达到节能、完全燃烧、防止污染和提高产品质量。下面是双交叉限幅控制系统的仿真原理图：图3-11 双交叉限幅控制系统的仿真原理图本图是在单边限幅的基础上又增加了两个高低选择器。仪表间的通讯信号如串级控制的一样。可以从图中看出，高选器和低选器是使用选择开关来代替的。下面是双交叉限幅控制系统温度降量时空燃比的仿真图：图3-12 双交叉限幅控制系统降量时空燃比仿真图