【正文】 1 f sc fKG Tse ??? ? （ ） 式中 Kf— 被控對象的放大系數(shù) 。 Simulink 提供了用鼠標“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以進行圖形建模。另外， Simulink也是實時代碼生成工具 RealTime Workshop 的支持平臺。 加熱爐爐溫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果分析 基于各種控制方案的討論，在仿真環(huán)節(jié)對各種控制方案進行了仿真。 4. Simulink 可以直接利用 MATLAB 的數(shù)學、圖形和編程功能，用戶可以直接在 Simulink 下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過程自動化、優(yōu)化參數(shù)等工作。通過Simulink 提供的豐富功能塊，可以迅速的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型。 Simulink 是 MATLAB 環(huán)境下的數(shù)字仿真工具， 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。所以，可以將其傳遞函數(shù)近似 為 一階慣性環(huán)節(jié)，如下： () 1KGS TS? ? （ ） 因為時間常數(shù)比較小，在要求不是很精確的場合也可以近似為比例。由于積分輸出是隨時間積累而逐漸增大的，故積分動作緩慢，這樣會造成調(diào)節(jié)不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。 Kp 越大，余差也越小。但是，當微分方程階次較高時，微分方程的求解變得十分困難，不易實現(xiàn)，而采用拉氏變換就能把問題的求解從原來的時域內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 變換到復頻域，把微分方程變?yōu)榇鷶?shù)方程，而代數(shù)方程的求解通常是比較簡單的，求解代數(shù)方程后，再通過拉式反變換得到微分方程的解。這些模型之間都有著內(nèi)在的聯(lián)系，可以相互進行轉(zhuǎn)換。此外，由于燃料空氣流量的隨機波動是不可避免的，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)帶來的擾動，也必須用偏置來給系統(tǒng)設(shè)置一定的死區(qū)，所以希望四個偏置的取值大點。 （ 2）無法克服熱值波動 在燃燒控制系統(tǒng)中，由于煤氣熱值發(fā)生變化，空燃比應該跟著變化，否則就不能保證系統(tǒng)的最佳燃燒控制。但由于系統(tǒng)分析也是基于理想狀態(tài)，在實際應用中也存在不足之處。而且降負荷時剩余空氣系數(shù)又不高于規(guī)定的上限值，即 μ ≤ （ μ s+a3）。當 A 負跳變到 AD 時， 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流量的減小而減小，交叉限制開始。當 B 增加到 BA 時，同時 AC，內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） HS2選通 A， LS 1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，此時系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。 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 A，與燃料流量測量值Ff加上偏置 a4(%)得到的信號 E fFaE ??? )1001( 4 （ ） 和信號 D 相比較，由低值選擇器 LS 2和高值選擇器 HS1來選通 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。這樣，可以防止冒黑煙。此時， 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 A 負跳變到 AD 時， 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，交叉限制開始。 當升負荷時，信號 A 急劇上升，發(fā)生正跳變。 綜上，不論爐溫升高還是降低，通過煤氣流量和空氣流量的串級比值控制系統(tǒng)的控制，可以實現(xiàn)較好的爐溫控制。通過調(diào)整 r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。若煤氣壓力過低，必須相應 降低 供風壓力，使得空氣閥門和煤氣閥門調(diào)節(jié)行程大致相同，否則，空氣壓力過高，空氣閥門的微小動作都會導致剩余空氣過多。 （ 2） 衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。而由于爐溫控制的大慣性，要過很長的時間，爐溫檢測裝置才會有 反應。當熱負荷降低時，煤氣量設(shè)定值先降低，空氣量設(shè)定值后降低，減少煙氣熱損失 。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經(jīng)過副回路的調(diào)節(jié)作用 ，會大大削弱它對爐溫的影響，而此時爐溫控制器開始工作，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，爐溫將很快恢復到設(shè)定值。它們的定義分別為： faFAF0?? 理論空氣量實際空氣量? （ ） maxmaxffaaFFFFr ? （ ） 可知空燃比 r 與剩余空氣系數(shù) μ 的關(guān)系為： ??????m a xm a x00m a xm a xaffaffaaFFAFAFFFFFr （ ） 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 0A 為 單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需要的理論空氣量 aF 和 maxaF 分 別為空氣流量的測量值和最大值 fF 和 maxfF 分別為燃料流量的測量值和最大值 ? 為理論空氣修正系數(shù) 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 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 部分單獨設(shè)置一 個 串級系統(tǒng)來實現(xiàn)爐膛溫度的自動控制。均熱段的爐膛壓力也不能過低，尤其是當出現(xiàn)負爐壓時，冷空氣通過爐門、爐襯裂縫以及其 它 開口進入爐內(nèi)，這些漏入的冷空氣不僅會降低爐膛溫度，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)的額外負擔 并浪費大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來很大的麻煩，是絕對不允許的。 燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)的曲線描述圖如下 [12]： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 圖 燃燒系統(tǒng)的曲線描述 上圖表示了空氣過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)量跟空氣過剩率有很大的關(guān)系。常用的液 體燃料主要是重油。 為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然地要求對加熱爐內(nèi)的溫度進行有效的控制使之保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過高既不必要且又導致鋼坯過多燒損和能源浪費，甚至造成粘鋼的嚴重事故。這樣鋼坯開始升溫不大，溫度應力小，不會造成裂紋和斷裂；鋼坯運行到加熱二段時，鋼坯的中心溫度已內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 超過 500℃ ，進入塑性范圍，此時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。預熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來預熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第二章 加熱爐工藝簡介 加熱爐的組成 加熱爐由以下幾個基本部分構(gòu)成：爐膛與爐襯、 裝出料設(shè)備、 燃料系統(tǒng)、供風系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、 電子計算機控制系統(tǒng)、 余熱利用裝置、檢測及調(diào)節(jié)裝置等。目前，國內(nèi)大多數(shù)加熱爐的計算機控制水平很低，雖然引進了一些先進的控制系統(tǒng)和設(shè)備，但絕大部分加熱爐計算機控制系統(tǒng)仍然處在計算機過程控制的水平上，甚至還有少數(shù)加熱爐由人工操作，其加熱質(zhì)量和能耗與國外同行相比相距甚遠。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，將難于甚至不能達到需要 爐溫，這時可對煤氣和空氣進行預熱。對軋鋼加熱爐而言，加熱的主要目的就是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力。 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 了空氣過剩，達到控制加熱爐溫度，提高煤氣燃燒率，避免環(huán)境污染等 目的。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。 bilaterallimiting control。 （ 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。利用這部分熱量預熱空氣和煤氣是節(jié)約燃料的有效方法。 本設(shè)計的研究內(nèi)容 本設(shè)計源于三段式推鋼側(cè)出加熱爐 ， 燃料采用高爐焦爐混合煤氣。鋼坯首先在低溫區(qū)域進行預熱，這時加熱速度比較慢，溫度應力小，不會造成危險。兩面加熱可消除坯料沿厚度方向的溫度差，這對提高產(chǎn)品質(zhì)量是有利的。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，但具體鋼種以及生產(chǎn)要求不同，該時間有差異。如果還原氣氛過重，不僅白白浪費大量燃料，同時還污染了空氣。由于含有大量不可燃成分，約占 氣體體積的 60%～ 70%,所以發(fā)熱量比較低，通常只有3350～ 4200KJ/M3。實際空燃比 A=實際空氣量 /煤氣量，設(shè) μ 為剩余空氣系數(shù) , μ =實際空氣量 /理論空氣量， A /μ = A0,則實際空燃比與空氣剩余系數(shù)成正比。而在爐內(nèi)壓力發(fā)生波動時，根據(jù)爐膛壓力檢測結(jié)果，改變爐壓調(diào)節(jié)器的輸出，即通過煙道閥門開度的大小，改變排煙量來獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使爐膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上，以維持爐內(nèi)微正壓。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穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門的開度也保持不變?？梢?，串級控制系統(tǒng)對于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動等特點的過程，是一種很好的解決方案。 雙 叉限幅控制的特點是 在單交叉的基礎(chǔ)上增加 一個最大選擇器和一個最小選擇器，其目的是保證當爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時空氣先行 。當 P、 I、 D 三個參數(shù)達到最佳系數(shù)組合， PID 的控制效果很好。因此，在純比例情況下，系統(tǒng)不會出現(xiàn)等幅振蕩，臨界比例度法就無法應用，而衰減 曲線法在此種情況下也同樣能用。 燃 料 閥燃 料 測 量變 送燃 料 控 制器燃 料 流 量空 氣 閥空 氣 測 量變 送空 氣 控 制器空 氣 流 量KF1F2溫 度 控 制器溫 度 測 量變 送 圖 串級比值控制系統(tǒng) 加熱爐燃燒過程中，正常情況下，煤氣和空氣應該有一定的比例。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入加熱爐中。 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng) 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng) 工作原理 L SF f CT CF a C爐溫S iS fF fM V tF fS aF a燃 料空 氣* rH S+ a 1/ r a 2T iABD圖 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(%)和負偏置 a2(%)， 用來實現(xiàn)燃料和空氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數(shù)μ低于其給定值 μ s 以下的某一允許區(qū)間，即 μ ? （ μ 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。當 B 增加到 BA 時， 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。由于 A 負跳變、 D 緩慢下降，即 Sf急劇下降， Sa 緩慢下降，實現(xiàn)了降負荷時“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。 由于單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)限制了剩余空氣系數(shù) μ 的下限值，可以防止負荷增加的動態(tài)過程中燃料過剩所引起的不完全燃燒。 當升負荷時，信號 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。 當降負荷時，信號 A 急劇下降，發(fā)生負跳變。在這個動態(tài)過程中，空氣流量和燃料流量互相影響，交替減小。 雙交叉限幅燃燒控制 系統(tǒng)中設(shè)置的四個偏置 + a1 (%)、 a2 (%)、 a3 (%)、 + a4 (%)的作用如下： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） （ 1）在動態(tài)過程中可以起限幅作用，當升負荷時， + a1 (%)作為防止冒黑煙的界限設(shè)定， + a4 (%)作為空氣過剩的界限設(shè)定，反之，當降負荷時， a3 (%)作為空氣過剩的界限設(shè)定， a2 (%)作為防止冒黑煙的界限設(shè)定。雙交叉系統(tǒng) 能夠使得空氣和煤氣回路同時感應到煤氣流量的變化，做出相應的調(diào)整， 從而 保證了系統(tǒng)不受壓力波動的干擾。 （ 3）控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象 當控制系統(tǒng)中的煤氣流量信號發(fā)生突變時，空氣流量信號的設(shè)定值必然會受到限幅的限制，空氣流量的實測值和設(shè)定值之間肯定會有很大的偏差，使 PID 控制器的輸出起伏很大，空氣流量會接著快速降低 (或升高 )， 在接下的一個周期內(nèi)，煤氣流量的設(shè)定值也會因?qū)嶋H空氣流量 的變化 被限幅 ，煤氣流量的設(shè)定值會取上限(或下限 )，反過來，煤氣流量設(shè)定值的變化也會影響煤氣流量的實測值，這樣，整個控制系統(tǒng)會由于信號的突變震蕩起來。如果要求調(diào)節(jié)過程短，則取上述偏置的上限值，如