工业炉温度串级控制课程设计.doc

1 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200～2500℃。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串级控制系统的设计，采用的是串级控制系统， 
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。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。所以串级控制系统。 
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。+=+，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
1.2 燃烧式工业窑炉的控制要求
（1）质量指标
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）约束条件
约束条件防止燃烧式工业窑炉的过程变量进入危险工作区或不正常工况。必须设置相应的参数反应到控制系统中。假设本设计是在一般条件下的反应器装置，没有爆炸危险，因此只涉及了反应液液位报警系统，在反应器内反应温度过高或过低时系统将发出报警信号。
（3）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。 
（4）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。
1.3 燃烧式工业窑炉的扰动变量
燃烧式工业窑炉的扰动变量有进料的流量、出料的流量、炉中冷燃料的流量、燃料温度变化、炉内压力等多个扰动变量，其中燃料温度的变化是主要扰动。 这些扰动变量有可控的和不可控的。
当扰动变量作用下反应转化率或反应生成物组分与温度、压力等参数之间不出现单值函数关系时，需要根据工况变化补偿温度控制系统的给定值。
1.4 燃烧式工业窑炉动态数学模型
绝大部分被控工业对象都是具有稳定性，是一个开环稳定的对象。通常，化学反应过程伴有强烈的热效应。有的是吸热，也有的是放热。然而本反应器的反应设置为放热反应。对于具有放热效应的对象，因外干扰式反应器温度升高，随着反应速度的加快，释放的热量也迅速增多，最终导致温度不断上升。因此对于这种具有正负反馈性质的放热器，在外扰作用下，温度的变化将向两个极端方向发展：一种是温度一直上升，最终使反应器急速终了；另一种是若外扰先引起反应器温度下降，则温度不断下降，直到反应停止。不少高分子聚合过程的情况就是如此，遂于这样的放热反应过程，如果没有适当的换热促使，将是一个开环不稳定的对象。 化学反应过程涉及物料、能量平衡、反应动力学等，利用动态数学模型可以更好的了解这些量的物理意义。以炉式液相反应器为例，来说明反应器激励模型的建模思路。其中炉式液相反应器装置如图1-1示：

图1 燃烧式工业窑炉
1.4.1 基本动态方程式
（1）基本假设
①两侧流体均呈活塞流状流动，无轴向混合；
②径向热传导可用集中参数表示，即同一截面上各点温度相同；
③传热系数U和比热Ca、Cb恒定不变；
④管壁热容忽略不计；
⑤外部绝热良好，即不考虑热损失。
（2） 系统基本方程式的建立
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，被加热的物质为砖，
砖的厚度为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,
砖的传热系数为,
所有砖的传热面积为

将以上数据带入（2）式，得到
1.4.2 模型的简化：
有上式整理得被控对象传函为：
;
2 控制系统方案确定
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。它的主要特点是如下：
（1）能迅速克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；
（2）改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高；
（3）串级系统可以消除副过程的非线性特性和忧郁调节阀流量特性不适合而造成的对控制质量的影响；
（4）串级控制系统可以兼顾两个变量，更精确控制操作变量；
（5）串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要死可切除副调节器。
根据设计题目为燃烧式工业窑炉温度串级控制控制系统设计，假设该反应器用于常态常压反应，因此选择控制方案为燃烧式工业窑炉反应温度与炉燃料温度构成的T-T串级控制方

图2 串级系统控制流程图
如图2-1所示；被控过程有三个热容器：即炉中的燃料、反应器壁和反应器中的物料。由于从干扰引起反应温度下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要经过三个热容过程。控制通道的时间常数和容量滞后较大，最终使调节不及时而出现较大的偏差。图中控制器用于克服干扰对炉燃料温度的影响通过稳定炉燃料温度来及时抑制干扰对反应温度产生的影响。但是控制器不能克服干扰对的影响.因而也就不能保证符合工艺要求。为此要根据反应器内的情况，适当改变的设定值。以确定炉燃料温度能使稳定在工艺要求的数值上，即有控制器根据与的偏差来自动改变的设定值 。
3 控制系统设计
3.1 被控变量和控制变量的选择
3.1.1 被控变量的选择
（1）主被控变量的选择
根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。燃烧式工业窑炉的工艺指标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，若要反映工艺指标，燃烧式工业窑炉出口温度必须是T-T串级控制系统的主被控变量。
（2）副被控变量的选择
从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地克服它，起到超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，对主变量影响最严重、最剧烈、最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时燃料温度变化是主要扰动，包括燃料温变化、燃料量变化等许多的扰动。因此采用炉燃料温度作为副被控变量。这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。
3.1.2控制变量的选择
控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些变量有些必须加以控制。在燃烧式工业窑炉中反应温度和炉燃料温度构成的T-T串级控制系统中，燃料流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取燃料流量作为系统的控制变量，这样符合系统的整体控制。
3.2 主、副回路的设计
3.2.1 主回路的设计
串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的设计原则进行。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。因此确定了主被控变量、主控制变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统主回路。如图3-1所示；

图3串级控制系统主回路
3.2.2 副回路的设计
副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择副参数。首先副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此86-99
可设计出系统的副回路。如图3-2所示；

图4串级控制系统副回路
3.3 现场仪表选型
3.3.1 测温检测元件及变送器
（1） 温度检测元件
数量2（主副各一个）

图5热电偶的分度规格及特性表
由于主、副回路的温度变送器的温度范围相差不大可以忽略，因此两个热电偶可以选择相同的。假设该燃烧式工业窑炉用于普通常压的情况下100℃条件下的反应。由此可选镍铬-铜镍（GB/T4993-1998）的热电极代号为EP。在温度测量环节可用以下的一节化解来近似：式中，与测量仪表的量程有关。为温度测量环节的时间常数，单位为分，min.在实际过沉重这些参数基本不变。这里假设，主温度仪表量程为50~150℃，副温度仪表量程为0~500℃，测量环节的时间常数。而各仪表输出经归一化后均为0~100%，因而有, 。可选出上述的热电偶。
在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图3-3所示：

图6 补偿导线作用
用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。

（2） 温度变送器
数量：2（主副各一个）
检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。
如图3-4所示；给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。

图7温度变送器原理方框图

图8智能温度变送器 
本设计采用镍铬-铜镍EP-II型热电偶温度变送器。
3.3.2 执行器
。
图9气动球阀
内螺纹连接球阀及对焊连接球阀分为整体式、两段式及三段式。阀体铸造，结构合理、造型美观。阀座采用弹性密封结构，密封可靠，启闭轻松。可设置90°开关定位机构，根据需要加锁以防止误操作。内螺纹连接不堪阀及对焊连接球阀适用于PN1.0～4.0MPa,工作温度-29～180℃（密封圈为增强聚四氟乙烯）或-29～300℃（密封圈为对位聚苯）的各种管路上，用于截断或接通管路中的介质，选用不同的材质，可分别适用于燃料、蒸汽、油品、硝酸、醋酸、氨盐燃料、中和燃料等多种介质。
假设调节阀为近似线性阀，其动态滞后忽略不计，而且式中为调节阀的流通面积，通常在一定范围内变化，这里假设（即控制器的输出变化，调节阀的相对流通面积变化）。
3.3.3 调节器

图10智能温度变送器
选择SK－808/900系列智能PID调节仪
智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。
3.4 主、副控制器正、反作用的选择
假设燃烧式工业窑炉中反应为放热反应。则选择如下：
（1）控制阀：从安全角度考虑，选择气开型控制阀（出现断气等事故时应阻止燃料的进入）；
（2）副控制对象（）：燃料流量增加，炉温度上升，因此；
（3）副控制器（）：为保证负反馈，应满足，因此，应选，即选用反作用控制器；
（4）主被控对象（）：当炉温度升高时，出料温度升高，因此；
（5）主控制器（）：为保证负反馈，应满足，因此，应选，即选用反作用控制器。
3.5 控制系统方框图

图11燃烧式工业窑炉温度串级控制系统方框图
如图3-5所示；反应温度与炉温度构成串级控制系统，反应温度为主被控变量，炉温度为副被控变量。反应温度控制器的输出作为炉温度控制的设定值。
此温度串级控制系统的具体工作过程为：当工况稳定时，物料的流量和温度不变，燃料的压力和温度稳定。反应温度和炉燃料温度均处于相对平衡状态，调节阀保持一定开度，也稳定在设定值上。如果工况平衡被破坏，一方面燃料干扰会影响炉燃料的温度，副控制器动作，控制调节阀改变燃料流量，以克服其对炉燃料温度的影响。如果干扰量不大，经过副回路的及时控制一般不会影响反应温度。如果干扰量副职较大，副回路虽能及时矫正，但仍可能影响反应温度，此时再通过主控制器的进一步调节，就可以完全克服上述扰动。若进料干扰使反应温度变化，通过主回路即可抑制其影响。显然由于副回路的存在加快了控制作用，使扰动对反应温度的影响比单回路要小。
3.6 分析被控对象特性及控制算法的选择
3.6.1 被控对象特性分析
由于被控变量的选择中可知主被控变量为反应器内的反应温度，副被控变量为炉内燃料的温度。由设计可知；主扰动为进料口进料流量，副扰动为燃料流量。
依据文献资料可做以下假设：对于燃烧式工业窑炉反应温度对象，控制通道与扰动通道的动态特性可假设为：， 。对于炉燃料温度对象，控制通道与扰动通道动态特性可假设为：，。
3.6.2 控制算法的选择
根据燃烧式工业窑炉的工艺指标及工艺要求，该系统设计的控制算法选择PID算法。
3.7 控制系统的仿真及参数整定
3.7.1 控制系统的SIMULINK仿真
由各个传函等模块所组成的SIMULINK模型如下图所示，其中两个温度控制器都采用PID调节器。对应的对象模型参数分别取值为：
，，，
，，，
，,
可得到串级控制系统SIMILINK仿真模型，如图3-6所示；

图12燃烧式工业窑炉温度串级控制系统SIMULINK模型
3.7.2 串级控制系统PID参数整定方法
炉反应器串级控制系统PID参数整定过程为：进行主控制器的参数整定。
步骤一 首先设定控制器PID参数的初始值为
可得到系统输出图如图3-7所示；此图不符合整定要求。

图13系统初始输出图
步骤二 再根据设定值跟踪速度的快慢，调整PID中的值，将副回路的放大系数适当放大，适当减小，增加调控力度。可得到整定输出图，如图3-8所示；

图14系统最终输出图

最后选取的温度控制器的参数为,,，，，。可得到整定输出图，如图3-9所示；
主回路：

副回路：

图15系统最终输出图
设计小结：
由此可知，串级控制系统能迅速的克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力；它还改善了除主控制器以外的广义对象特性，是系统的工作频率提高；并且消除副过程的非线性特性和由于调解阀流量不适合而造成的对控制质量的影响；可兼顾两个变量，更精确控制操作变量，控制方式灵活，必要时可切除副调节器。这些都大大的提高了串级控制系统在工业生产中的应用。设计基本合格满足设计要求。
4 课程设计心得及体会
课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
通过这次燃烧式工业窑炉温度串级控制控制系统设计，我在很多方面都有所提高。在这次课程设计中，我基本上掌握了控制系统的设计方法，并且对串级控制方法有了更深入的的了解。通过系统仿真，我对系统性能有了更加深刻的认识，明确了各个参数对系统性能的影响。我综合运用本专业所学的课程理论，更加升入了解了串级控制系统的各个方面的知识。进一步了解串级控制系统在生产实际中的运用原理及过程。大大提高了个人独立工作和学习能力，巩固与扩充了过程控制系统这方面所学的内容，掌握控制系统设计的方法和步骤，掌握了课程设计中的燃烧式工业窑炉的工艺性能及指标，并且掌握了控制系统设计中的各个参数及工艺要求的确定。熟悉了设计规范和标准，同时各科相关的知识都有了全面的复习，独立思考的能力也有了很大的提高。
这次课程设计使我在各个方面的能力都有很大的提高，并且从中也意识到了自己的不足，并且得到了弥补。为自己以后在工作中打下了良好了基础。另外感谢各位老师的指导。

图2 串级系统控制流程图

主要参考文献：
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