【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 3 雙交叉限幅經(jīng)歷了燃料先行的比值或空氣先行的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、串級串聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級并聯(lián)單交叉限幅燃燒控制 系統(tǒng)四個(gè)發(fā)展階段。它是以爐溫調(diào)節(jié)回路為主環(huán)，燃料流量和空氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，構(gòu)成串級并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng) [13]。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)各參數(shù)變化，根據(jù)實(shí)測空氣流量對燃料流量進(jìn)行上、下限幅，而且還根據(jù)實(shí)測燃料流量對空氣流量進(jìn)行上、下限幅。在負(fù)荷增加或減小時(shí)，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動態(tài)情況下，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比 。 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)采用前饋 — 反饋控制系統(tǒng)，爐膛負(fù)壓控制一般可通過控制引風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化較大時(shí)，單回路控制系統(tǒng)較難控制。因負(fù)荷變化后，燃料及送風(fēng) 量均將變化，但引風(fēng)量只有在爐膛負(fù)壓產(chǎn)生偏差時(shí)，才能由引風(fēng)控制器去控制，這樣引風(fēng)量的變化落后于送風(fēng)量，從而造成爐膛負(fù)壓的較大波動。為此用反映負(fù)荷變化的蒸汽壓力作為前饋信號，組成前饋 — 反饋控制系統(tǒng)。 仿真手段 早期的仿真軟件是仿真程序，是針對某類問題或仿真方法編制的專用程序，是仿真軟件的初級形式。例如， CSS 仿真程序就是專門解決連續(xù)系統(tǒng)仿真問題的。仿真程序通常采用人機(jī)對話方式輸入必要參數(shù)，具有使用簡單、修改及擴(kuò)充方便、易于普及推廣等優(yōu)點(diǎn) [11]。但仿真程序的功能比較簡單，一般只能處理仿真的一些基本問題，不能 對復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行有效的仿真。 仿真語言是一種直接用于解決仿真問題的專用高級語言，是仿真軟件的高級形式。它是在某一種程序設(shè)計(jì)語言的基礎(chǔ)上編制的，其成熟期在 20 世紀(jì)的 70年代至 80 年代。例如， ACSL,DAREP,CSSL IV,SLAM 和 MIMIC 就是其比較流行的數(shù)字仿真語言。使用者可以通過一些專用語句，把微分方程或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖輸入到計(jì)算機(jī)中，由仿真語言中的“翻譯模塊”將它們翻譯成機(jī)械的匯編語言或某種程序設(shè)計(jì)語言，并自動翻譯、裝配、執(zhí)行，從而使得用戶更多地?cái)[脫對程序的熟悉和了解。仿真語言比仿真程序功能更全面， 使用起來更方面。然而，由于要求用戶能按仿真語言的格式去編寫仿真源程序，因此對于一般工程技術(shù)人員而言，使用起來仍然感到不是很方面 [4]。 近二十年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)軟件也取得了巨大的進(jìn)步，突出的表現(xiàn)是廣泛的可視化操作和軟件的高度集成南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 4 化。 1985 年推出的 MATLAB 語言就是這樣的一個(gè)軟件。尤其是 1993 年問世的Simulink，這個(gè)集成在 MATLAB 中的動態(tài)系統(tǒng)建模及仿真工具，使得 MATLAB集可靠的數(shù)值運(yùn)算（尤其是矩陣運(yùn)算）、圖形圖像顯示和處理、高水平的圖形界面設(shè)計(jì)功能 與一身，并提供與其他高級程序設(shè)計(jì)語言的接口，因此成為控制系統(tǒng)研究人員必備的工具。目前， MATLAB 已可以在多種機(jī)型上運(yùn)行，用 MATLAB設(shè)計(jì)的仿真模型具有良好的可移植性。 MATLAB 是一種解釋性程序設(shè)計(jì)語言，用戶既可以在 MATLAB 環(huán)境下輸入一個(gè)命令，也可以用 MATLAB 語言編寫應(yīng)用程序，由 MATLAB 負(fù)責(zé)執(zhí)行并給出結(jié)果 [14]。而控制系統(tǒng)工具箱是 MATLAB 中專門針對控制系統(tǒng)工程分析設(shè)計(jì)的函數(shù)和工具的集合。該工具箱采用 M 文件形式，提供了非常豐富的算法程序。它主要應(yīng)用于反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和建模，所涉 及的領(lǐng)域涵蓋 經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的大部分內(nèi)容，包括根軌跡、極點(diǎn)配置和 LQG（線性二次最優(yōu)）控制器設(shè)計(jì)等。另外，還提供友好的圖形界面環(huán)境（ GUI），大大簡化了控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)過程。為此，在本設(shè)計(jì)中我選用 MATLAB 來對本設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。 第二章 步進(jìn)式加熱爐 步進(jìn)式加熱爐簡介 熱連軋是鋼鐵工業(yè)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。煉鋼連鑄的鋼坯在鋼坯庫冷卻后，必須經(jīng)過加熱爐按照特定的工藝曲線加熱后才能送往熱軋線進(jìn)行軋制，它在煉鋼生產(chǎn)和連續(xù)性軋鋼生產(chǎn)之間起緩沖、平衡作用。步進(jìn)式加熱爐是熱連軋廠中鋼坯加熱用的設(shè)備，它將 冷鋼坯加熱到軋制要求的目標(biāo)溫度，并使其溫度均勻。加熱爐的控制系統(tǒng)直接影響到鋼坯的產(chǎn)量、質(zhì)量和成本。為了充分發(fā)揮連軋機(jī)的生產(chǎn)能力，要求加熱爐提高爐床負(fù)荷，因此有必要增強(qiáng)對加熱爐的控制。 步進(jìn)式加熱爐屬室狀爐類型，即爐溫是隨時(shí)間而變的。加熱爐要根據(jù)鋼坯的材質(zhì)、尺寸規(guī)格、裝爐溫度、出爐溫度等，確定爐子的加熱制度，即確定加熱升溫曲線，包括各階段的加熱溫度、加熱時(shí)間、加熱速度、保溫時(shí)間。 加熱爐在保證安全運(yùn)行及完成加熱鋼坯任務(wù)的同時(shí)，還要考慮高效及經(jīng)濟(jì)地燃燒。因此當(dāng)加熱爐控制系統(tǒng)的負(fù)荷及煤氣的質(zhì)量等因素發(fā)生波動時(shí)，應(yīng) 當(dāng)考慮南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 5 采用何種合理有效的控制手段，能使加熱爐內(nèi)的爐膛溫度、爐膛壓力、排煙溫度等參數(shù)穩(wěn)定在控制范圍之內(nèi)，并且能夠使加熱爐工作在最佳燃燒區(qū)內(nèi) [5]。 步進(jìn)式加熱爐的結(jié)構(gòu)圖如下所示： 預(yù) 熱 段爐 尾 加 熱 段 均 熱 段鼻 部 鼻 部 圖 21 步進(jìn)式加熱爐的結(jié)構(gòu)圖 步進(jìn)式加熱爐工藝過程 由連鑄出坯輥道送來的板坯在裝料輥道上自動測量板坯長度，合格板坯經(jīng)電子稱量裝置稱量后準(zhǔn)備人爐。 爐子為雙排料，裝料端設(shè)置兩臺裝料推鋼機(jī)，板坯由裝料輥道運(yùn)至裝料機(jī)口定位后，裝料推鋼機(jī)將板坯從裝料輥道上推到爐子固定梁上 ，當(dāng)需要入爐時(shí)計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)出指令，爐門升起，爐內(nèi)步進(jìn)梁再將其托起、前進(jìn)、下降、后退，完成一個(gè)步進(jìn)行程，而板坯向前移運(yùn)了一個(gè)步距。如此周而復(fù)始，板坯自裝料端按順序經(jīng)過爐子預(yù)熱段、加熱段、均熱段，一步步地移送到爐子的出料端。在出料端，激光檢測器檢測到板坯邊緣并在步進(jìn)梁完成一個(gè)水平行程運(yùn)動后，算出板坯位置，當(dāng)爐子接到要鋼信號后再自動開啟出料爐門，用出鋼機(jī)將加熱好的板坯取出后，直接放在出料輥道上，出料輥道為單傳輥道。當(dāng)步進(jìn)梁需要分段操作時(shí)，在兩段步進(jìn)梁的分段區(qū)域內(nèi)設(shè)置一組激光檢測器，經(jīng)檢測確認(rèn)分段區(qū)域沒有鋼坯時(shí)，才能進(jìn)行步進(jìn)梁按工藝要求的分段操作。 南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 6 步進(jìn)式加熱爐的工藝過程圖如下所示： 連 鑄 出 坯 輥 道裝 料 輥 道裝 料 機(jī) 口爐 內(nèi) 固 定 梁預(yù) 熱 段加 熱 段均 熱 段出 料 輥 道 圖 22 步進(jìn)式加熱爐的工藝過程圖 步進(jìn)梁的運(yùn)動軌跡是一個(gè)矩形運(yùn)動軌跡，具體入下圖所示。步進(jìn)梁運(yùn)動由水平運(yùn)動和升降運(yùn)動組成：水平運(yùn)動和升降運(yùn)動過程中的速度是變化的，其目的在于保證板坯以較低的速度接觸固定梁和步進(jìn)梁開始動作和結(jié)束動作的緩和，減少步進(jìn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊和震動。步進(jìn)機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動是：通過一臺平移液壓缸驅(qū)動平移框架，使其在提升框架的滾輪上作平移運(yùn)動，此時(shí) ，提升鋼處于靜止?fàn)顟B(tài)。 前 進(jìn)后 退下降上升固 定 梁 水 平 面 圖 21 步進(jìn)式爐內(nèi)鋼坯運(yùn)動軌跡 步進(jìn)梁的升降運(yùn)動是：一套提升缸驅(qū)動提升框架，使其滾輪沿斜臺面滾動完成升降運(yùn)動，此時(shí)，平移缸處于靜止?fàn)顟B(tài)。 步進(jìn)梁運(yùn)動的工作行程為：上升為 200mm，前進(jìn)為 550mm，步進(jìn)周期為 35南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 7 秒，其中上升 秒，前進(jìn) 7 秒，下降 秒，后退 7 秒，運(yùn)動速度的變化由液壓系統(tǒng)比例閥的控制來實(shí)現(xiàn)，而步進(jìn)梁的運(yùn)動極限位置以及運(yùn)動速度改變點(diǎn)(位置 )分別由升降缸內(nèi)置線性位移傳感器和平移缸內(nèi)置線性位移傳感器來確定 。當(dāng)板坯較長時(shí)間停爐時(shí)，要求步進(jìn)梁停在中位與固定梁同一標(biāo)高或進(jìn)行踏步，以避免板坯變形彎曲和黑印加重，正常生產(chǎn)時(shí)步進(jìn)梁停在低位 [7]。 通過前面的介紹，我們可以總結(jié)出步進(jìn)式加熱爐相對于推鋼式加熱爐的優(yōu)點(diǎn)如下： 1）軋機(jī)計(jì)劃停軋前，步進(jìn)式加熱爐可以把所有的鋼坯取出送往軋機(jī)而不需要其他設(shè)備，爐子出空后其熱惰性比裝有坯料的爐子小，冷卻較快，縮短了檢修周期，減輕了勞動強(qiáng)度；軋機(jī)事故停扎時(shí)，爐內(nèi)鋼坯可以局部或全部從裝料側(cè)方向退出爐外，沒有因爐內(nèi)保溫造成的氧化損失和燃料消耗。 2）鋼坯在步進(jìn)式爐內(nèi)以一定間隔放置，排除了粘 鋼的可能性。裝料可以按任意順序安排鋼號或鋼種，只要在他們之間將間隙增大到若干步距即可。 3）鋼坯在步進(jìn)式爐內(nèi)四面受熱，加熱斷面溫差小、加熱均勻，能減少脫碳深度，減少氧化燒損。 4）步進(jìn)式加熱爐爐長不受限制，產(chǎn)量高，生產(chǎn)操作靈活，符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無公害及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求。 步進(jìn)式加熱爐的工藝結(jié)構(gòu) 步進(jìn)式加熱爐共分為 3 個(gè)供熱段：預(yù)熱段、加熱段、均熱段，對應(yīng)于 10 個(gè)燃燒控制區(qū)。爐體四壁由不同材質(zhì)的耐火保溫材料砌筑而成。設(shè)備組成如下 : 1） 板坯輸送輥道設(shè)備 2） 裝料爐門升降機(jī)構(gòu) 3） 裝鋼機(jī) 4） 爐底步進(jìn) 機(jī)械 5） 步進(jìn)爐液壓系統(tǒng) 6） 出鋼機(jī) 7） 出料爐門的升降機(jī)構(gòu) 8） 干油集中潤滑系統(tǒng) 南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 8 加熱爐控制技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)狀 現(xiàn)代化的高產(chǎn)量熱軋帶鋼軋機(jī)，由于對軋制帶鋼的厚度尺寸公差，帶鋼表面質(zhì)量和板型控制的要求日益嚴(yán)格，因而對板坯加熱溫度均勻性和熱板坯表面的質(zhì)量要求也不斷提高。加熱爐是熱軋帶鋼軋機(jī)必須配備的熱處理設(shè)備，隨著工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化的熱連軋機(jī)應(yīng)該配置大型化的，高度自動化的步進(jìn)梁式加熱爐，其生產(chǎn)應(yīng)符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)低耗、節(jié)能、無公害以及生產(chǎn)操作自動化的工藝要求，以提高其產(chǎn)品的質(zhì)量，增強(qiáng)產(chǎn)品的市場競爭力。 我國軋 鋼工業(yè)的加熱爐型有推鋼式爐和步進(jìn)式爐兩種，但推鋼式爐有長度短、產(chǎn)量低、燒損大，操作不當(dāng)時(shí)會粘鋼造成生產(chǎn)上的問題，鋼坯斷面溫差較大，板坯背面滑軌擦痕多，難以實(shí)現(xiàn)管理自動化。由于推鋼式爐有難以克服的缺點(diǎn)，而步進(jìn)梁式爐是靠專用的步進(jìn)機(jī)構(gòu)，在爐內(nèi)做矩形運(yùn)動來移送板坯，板坯之間可以留出空隙，板坯和步進(jìn)梁之間沒有摩擦，出爐板坯通過托出裝置出爐，完全消除了滑軌擦痕，又有適合加熱斷面較大的坯料，鋼坯加熱斷面溫差小、加熱均勻以及可出空爐料，爐長不受限制，產(chǎn)量高、生產(chǎn)操作靈活等特點(diǎn)，其生產(chǎn)符合高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、低耗、節(jié)能、無公害以及 生產(chǎn)操作自動化的工藝要求。 從 60 年代開始，一些發(fā)達(dá)國家就開始對工業(yè)爐進(jìn)行改造，除組織合理化以外，主要靠技術(shù)進(jìn)步，即新設(shè)備、新工藝和自動化技術(shù)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用，從而使工業(yè)爐技術(shù)飛速發(fā)展，且向高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)多品種和節(jié)能降耗方向發(fā)展。由于自動化及計(jì)算機(jī)應(yīng)用不僅節(jié)省人力，更重要的是能把工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在規(guī)定值范圍之內(nèi)，監(jiān)控生產(chǎn)過程，甚至于自尋最優(yōu)而使工藝過程優(yōu)化，達(dá)到高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗以及降低成本，而且能生產(chǎn)過去不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，故自動化及計(jì)算機(jī)應(yīng)用不僅是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，而且是生產(chǎn)必需和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，因此世界各國都努力發(fā)展工業(yè)自動化。加熱爐采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一般能節(jié)能 5%左右，減少氧化燒損 %左右，在頻繁改變生產(chǎn)計(jì)劃、坯料鋼種和規(guī)格的情況下，其節(jié)能和減少板坯氧化燒損的效果將更加顯著。 我國在 70~80 年代建的軋鋼生產(chǎn)線大多存在能耗高、產(chǎn)量低、產(chǎn)品質(zhì)量差、生產(chǎn)自動化水平低等問題。 1979 年 12 月召開的全國軋鋼會議，對我國軋鋼工業(yè)現(xiàn)狀與其發(fā)展方向進(jìn)行了全面深入的討論，提出應(yīng)用連鑄逐步代替初軋，用連續(xù)式冷熱寬帶鋼軋機(jī)代替勞特式中板軋機(jī)和迭軋薄板軋機(jī)，用冷軋硅鋼片代替熱軋南通紡織技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文） 9 硅鋼片，用連續(xù)式棒材型材軋機(jī)代替橫列式軋機(jī)，用步進(jìn)式加 熱爐代替推式加熱爐等等。我國軋機(jī)在裝備水平上與國外的差距一是規(guī)模小，裝機(jī)水平低；二是我國的軋機(jī)加熱爐大多數(shù)是推鋼式加熱爐，小時(shí)產(chǎn)量為 60~80 噸，國外發(fā)達(dá)國家基本是采用步進(jìn)式加熱爐，加熱能力為 250 噸。 80 年代后期開始我國經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份和各大鋼鐵集團(tuán)公司相繼引進(jìn)或改建成了控制系統(tǒng)引進(jìn)國外的系統(tǒng)具有國際水平的全連續(xù)、全自動化步進(jìn)式加熱爐。這種生產(chǎn)線都具有以下特點(diǎn)： 1）生產(chǎn)能耗大幅度降低，從煉鋼連鑄后開始全連續(xù)的直接生產(chǎn)。 2）產(chǎn)量大幅度提高，現(xiàn)在都在 100 萬噸 /年以上。 3）生產(chǎn)自動化水平非常高，原加熱爐的 控制系統(tǒng)大都是單回路儀表和繼電器邏輯控制系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)也大多是模擬量控制式供電裝置，現(xiàn)在的加熱爐的控制系統(tǒng)都是 PLC 或 DCS 統(tǒng)，而且大多還具有二級過程控制系統(tǒng)和三級生產(chǎn)管理系統(tǒng)，傳動系統(tǒng)都是全數(shù)字化的直流或交流供電裝置 [8]。 第三章 燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 步進(jìn)式加熱爐生產(chǎn)工藝和控制要求 待軋鋼坯根據(jù)計(jì)劃被排列在加熱爐內(nèi)的滑軌上，用燃料和空氣混合燃燒產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱，鋼坯被加熱到合適的溫度后送給軋機(jī)進(jìn)行軋制。燃料的燃燒需要適當(dāng)配比的空氣，空氣量不足會造成燃料燃燒不充分從而浪費(fèi)能源并污染大氣；而空 氣過量時(shí)多余的空氣會帶走爐內(nèi)熱量，同時(shí)過量的空氣會造成鋼坯的氧化燒損，高效燃燒控制的重點(diǎn)就是空燃比的控制。考慮燃料和空氣混合的實(shí)際情況，通?？諝饬恳嘤谌紵璧睦碚撝担蠢碚摽諝饬?，而空氣過剩系數(shù)一般控制在 ～ 之間。 為了充分利用燃燒產(chǎn)生的熱量，保證鋼坯按適當(dāng)?shù)乃俣壬郎?，加熱爐沿入料端至出料端分成預(yù)熱、加熱、均熱三個(gè)溫度段。預(yù)熱段為緩慢加熱區(qū)，爐膛溫度稍低；加熱段為快速加熱區(qū)，溫度在爐內(nèi)最高均熱段主要是消除鋼坯表面和芯部的溫度差，使整個(gè)鋼坯的溫度適合于軋制要求。對于不同規(guī)格種類的鋼坯三段溫度的 控制要求不同。鋼坯在爐內(nèi)隨著溫度場的變化逐漸被加熱到軋制溫度。爐膛溫度在正常生產(chǎn)情況下與投入到爐內(nèi)的