【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蒙古科技大學畢業(yè)設計 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在的聯(lián)系，可以相互進行轉換。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，內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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，交叉限制結束，此時系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。 在空氣流量調節(jié)回路中，爐溫調節(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。通過調整 r，可以改變空氣和燃料的配比關系。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，煤氣量設定值先降低，空氣量設定值后降低，減少煙氣熱損失 。由于誤差的產生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經過副回路的調節(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 的關系為： ??????m a xm a x00m a xm a xaffaffaaFFAFAFFFFFr （ ） 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 0A 為 單位體積或質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) 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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，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]： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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系，可以看出，燃燒系統(tǒng)的質量跟空氣過剩率有很大的關系。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的溫度進行有效的控制使之保持在某一特定的范圍內，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蒙古科技大學畢業(yè)設計 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尾氣余熱來預熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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成：爐膛與爐襯、 裝出料設備、 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、檢測及調節(jié)裝置等。目前，國內大多數(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。 本設計的研究內容 本設計源于三段式推鋼側出加熱爐 ， 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，這對提高產品質量是有利的。根據加熱工藝要求，一般每塊鋼坯在爐內大約停留 2 小時，但具體鋼種以及生產要求不同，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 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。而在爐內壓力發(fā)生波動時，根據爐膛壓力檢測結果，改變爐壓調節(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)定在設定值上，以維持爐內微正壓。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)中設置的四個偏置 + a1 (%)、 a2 (%)、 a3 (%)、 + a4 (%)的作用如下： 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 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定， + a4 (%)作為空氣過剩的界限設定，反之，當降負荷時， a3 (%)作為空氣過剩的界限設定， a2 (%)作為防止冒黑煙的界限設定。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，空氣流量信號的設定值必然會受到限幅的限制，空氣流量的實測值和設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，煤氣流量的設定值也會因實際空氣流量 的變化 被限幅 ，煤氣流量的設定值會取上限(或下限 )，反過來，煤氣流量設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。如果要求調節(jié)過程短，則取上述偏置的上限值，如