【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 (35)根據(jù)執(zhí)行器的原理可知，如果系統(tǒng)接受一階階躍信號(hào)，執(zhí)行器得由一個(gè)開(kāi)度變化到另一個(gè)開(kāi)度，因此這有一個(gè)過(guò)程，則中間就有一個(gè)過(guò)渡，但時(shí)間較短。因此執(zhí)行器的傳遞函數(shù)可以近似為一階慣性環(huán)節(jié)： G(S)= (36)由于檢測(cè)和變送器的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)可以看成已線性化，因此其傳遞函數(shù)可以看成純比例，即 G(S)=Kp[9] (37) 串級(jí)比值控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真本設(shè)計(jì)共做了三個(gè)控制系統(tǒng)，現(xiàn)在先設(shè)計(jì)串級(jí)比值系統(tǒng)。下面是其儀表圓圈圖： 圖32 串級(jí)比值控制系統(tǒng)儀表圓圈圖如圖所示，其中FaC和FaT是空氣流量控制器和變送器；FfC和FfT是燃料流量控制器和變送器；K為初始空燃比。 串級(jí)比值控制系統(tǒng)的工作過(guò)程是，首先用熱電偶從爐膛內(nèi)檢測(cè)實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)溫度變送器送到溫度控制器，然后其輸出作為燃料控制器的設(shè)定值。通過(guò)設(shè)定值和燃料流量變送器輸出的信號(hào)比較，來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)度以改變?nèi)剂系牧髁?。而空氣流量控制器的設(shè)定值是燃料流量變送器輸出乘以空燃比K，因此空氣流量控制器的設(shè)定值隨爐溫變化而改變，同燃料控制回路，空氣流量也相應(yīng)改變，最終使?fàn)t膛溫度穩(wěn)定在一個(gè)合適的溫度。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能快速克服進(jìn)入副回路的干擾，使系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，控制質(zhì)量提高；改善控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作效率；對(duì)負(fù)荷和操作條件的變化適應(yīng)性強(qiáng)。下面，本設(shè)計(jì)將要對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行Simulink進(jìn)行仿真。仿真原理圖如下：圖33 串級(jí)比值控制系統(tǒng)Simulink仿真原理圖從本原理圖中可以看出，串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是燃料流量控制。在儀表之間的通訊信號(hào)統(tǒng)一為0~5V，而對(duì)象輸出的信號(hào)為實(shí)際的流量信號(hào)和溫度信號(hào)。各個(gè)環(huán)節(jié)之間都經(jīng)過(guò)了統(tǒng)一的標(biāo)度轉(zhuǎn)換。下面對(duì)仿真結(jié)果圖進(jìn)行說(shuō)明，在空燃比的仿真圖中，縱軸代表的是空燃比，橫軸代表的是時(shí)間，單位是秒；在溫度的仿真圖中，縱軸代表的是溫度，單位是度，橫軸代表的是時(shí)間，單位是秒。當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，即爐溫設(shè)定值調(diào)低。由于溫度控制器是反作用，燃料流量給定值和空氣流量給定值同時(shí)下降，但由于空氣對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大于燃料對(duì)象，使得實(shí)際燃料流量給定值降低快于空氣流量給定值。則空燃比將有個(gè)波峰，空氣過(guò)剩。這可能使產(chǎn)品氧化，質(zhì)量下降。當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，即爐溫設(shè)定值調(diào)高。則溫度控制器由于是反作用，其輸出變大，燃料流量給定值和空氣流量給定值同時(shí)上升，同樣由于空氣對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大于燃料對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，使燃料流量給定值增加快于空氣流量給定值。則空燃比將有個(gè)波谷，空氣不足。這將引起冒黑煙，污染環(huán)境，浪費(fèi)能量[10]。下面是串級(jí)比值控制系統(tǒng)溫度降量時(shí)的空燃比仿真圖：圖34 串級(jí)比值控制系統(tǒng)降量時(shí)的空燃比仿真圖從圖中可以看出，當(dāng)溫度降量時(shí)空燃比有一個(gè)大的波峰，已經(jīng)超出最佳燃燒區(qū)的上限。因此，過(guò)剩的空氣將帶走能量，并將氧化鋼坯的表面，使產(chǎn)品質(zhì)量下降。下面是串級(jí)比值控制系統(tǒng)溫度提量時(shí)空燃比仿真圖：圖35 串級(jí)比值控制系統(tǒng)提量時(shí)空燃比仿真圖從圖中可以看出，當(dāng)溫度提量時(shí)，空燃比有一個(gè)大的波谷。因此，在本控制系統(tǒng)溫度提量時(shí)空氣過(guò)少，煤氣過(guò)多，導(dǎo)致冒黑煙，將對(duì)環(huán)境污染和能量浪費(fèi)。 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真下面是單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)儀表圓圈圖：圖36 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真其中：K——空燃比。KK2——偏置單元。、——高選器和低選器。a、f——空氣(air)和燃料(fuel)。 當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，即溫度設(shè)定值變大，由于溫度控制器是反作用，則溫度控制器輸出增大，則高選器選擇溫度控制器的輸出。此時(shí)，空氣控制器的給定值就是溫度控制器的輸出，其輸出通過(guò)空氣流量單回路控制系統(tǒng)使空氣流量變大。同時(shí)，低選器選擇空氣流量除以空燃比乘以偏置單元K2，其作為燃料流量控制器的給定值，再通過(guò)燃料流量單回路控制系統(tǒng)使燃料流量增加。最終，通過(guò)空氣和燃料流量的增大使溫度上升，最后達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，即溫度設(shè)定值變小，同樣由于溫度控制器是反作用，使溫度控制器的輸出減小。這樣，高選器就選擇燃料流量乘以空燃比K和偏置單元K1，則其作為空氣流量控制器的給定值，再通過(guò)空氣流量的單回路使空氣流量減小；這時(shí)，低選器就選擇溫度控制器的輸出作為燃料流量控制器的給定值，通過(guò)燃料流量單回路使燃料流量變小。最后結(jié)果就是，空氣和燃料流量都變小，溫度降低，再達(dá)到穩(wěn)定。通過(guò)以上分析可以知道，本系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：1）當(dāng)升負(fù)荷時(shí)，先升空氣后升燃料；降負(fù)荷時(shí)，先降燃料后降空氣。這樣可以防止冒黑煙，使燃料充分燃燒。2）如果空氣系統(tǒng)有故障，即空氣流量變?yōu)榱?，則燃料流量自動(dòng)降為零，這樣可以確保燃燒安全。3）當(dāng)降負(fù)荷時(shí)，不能抑制空氣過(guò)剩系數(shù)u的上升。本系統(tǒng)只限制了空氣過(guò)剩系數(shù)u的下限值，可以防止負(fù)荷增加時(shí)的動(dòng)態(tài)過(guò)程的不完全燃燒。但其沒(méi)限制u的上限值，則導(dǎo)致降負(fù)荷時(shí)空氣過(guò)剩，使燃燒效率降低[11] 。下面，我將要對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真原理圖如下：圖37 單交叉限幅控制系統(tǒng)仿真原理圖本系統(tǒng)儀表間通訊信號(hào)和串級(jí)控制系統(tǒng)一樣。從圖中可以看出，單交叉限幅控制系統(tǒng)比串級(jí)比值控制系統(tǒng)多了一個(gè)高選器、一個(gè)低選器和兩個(gè)偏置單元。在后面將會(huì)對(duì)偏置單元進(jìn)行說(shuō)明。下面是單邊限幅控制系統(tǒng)溫度降量時(shí)空燃比仿真圖：圖38 單邊限幅控制系統(tǒng)降量時(shí)空燃比仿真圖由圖可以得知，系統(tǒng)加入了單邊限幅后，溫度降量時(shí)空燃比有個(gè)大波峰，這將使能量浪費(fèi)和產(chǎn)品質(zhì)量下降。下面是單邊限幅控制系統(tǒng)溫度提量時(shí)空燃比仿真圖：圖39 單邊限幅控制系統(tǒng)提量時(shí)空燃比仿真圖從圖中可以得知，單邊限幅控制系統(tǒng)溫度提量時(shí)的空燃比一直處于最佳燃燒區(qū)。這既可以防止冒黑煙和能量浪費(fèi)，又可以防止氧化產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 雙交叉限幅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真首先，看看雙交叉限幅控制系統(tǒng)的儀表圓圈圖，如下：圖310 雙交叉限幅控制系統(tǒng)的儀表圓圈圖其中：K——空燃比；K1~K4——偏置單元；a、f——空氣和燃料。由圖中可以看出，雙交叉限幅控制系統(tǒng)是在單交叉限幅控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)高選器、一個(gè)低選器、偏置單元K4和K3。這樣就可以限制空氣過(guò)剩系數(shù)u的上、下限值。在上圖中，本設(shè)計(jì)設(shè)定K1 =,K2=,K3=,K4=。當(dāng)爐溫升負(fù)荷時(shí)，即溫度設(shè)定值變大，由于溫度控制器是反作用，則輸出e變大。對(duì)于空氣回路，ea，則低選器選擇a，而a與b比較，a大于b，則信號(hào)a作為空氣流量控制器的給定值；對(duì)于燃料回路，ec，則高選器選擇信號(hào)e，而e與d比較，e大于d，低選器選擇d，即燃料流量控制器給定值是信號(hào)d。上述情況表明：升溫時(shí)，燃料和空氣同時(shí)取上限限幅值，隨溫度的上升，e值逐漸變小，最終溫度值達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，雙交叉限幅過(guò)程結(jié)束。當(dāng)爐溫降負(fù)荷時(shí)，即溫度設(shè)定值變小，同上，輸出e變小。對(duì)于空氣回路，ea，則低選器選擇信號(hào)e，而e又小于b，因此高選器選擇信號(hào)b作為空氣流量控制器的給定值；對(duì)于燃料回路，ec，則高選器選擇信號(hào)c，同時(shí)，由于cd,所以低選器選擇信號(hào)c，這就是說(shuō)燃料流量控制器的給定值就是信號(hào)c。上述情況表明：溫度降負(fù)荷時(shí)，空氣和燃料同時(shí)選擇下限限幅值，隨著溫度的下降，輸出信號(hào)e逐漸增大，最后達(dá)到穩(wěn)定。雙交叉限幅控制系統(tǒng)是在單交叉限幅設(shè)置冒黑煙界限限制的基礎(chǔ)上增加了空氣過(guò)剩界限限制的一種控制系統(tǒng)。雙交叉限幅可消除單交叉限幅空氣過(guò)剩和減輕燃料流量系統(tǒng)互相影響引起的振蕩。由上述分析可知,當(dāng)爐內(nèi)檢測(cè)點(diǎn)的溫度改變時(shí),溫度調(diào)節(jié)器TC的輸出會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化,而空氣和燃料的流量設(shè)定值均不直接跟蹤TC的改變。空氣和燃料的流量實(shí)際值交替地跟蹤對(duì)方的流量實(shí)際值的變化,變化速度取決于雙邊系統(tǒng)的慣性。同無(wú)限幅的系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)是將TC的輸出對(duì)下面直接大幅度設(shè)定改成由對(duì)象時(shí)間常數(shù)規(guī)定的小幅度的設(shè)定,是等待對(duì)方流量變化后再進(jìn)行己方控制的過(guò)程,從而使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng),超調(diào)量相應(yīng)地減小。本系統(tǒng)基本上杜絕了冒黑煙和過(guò)度排熱的情況,實(shí)現(xiàn)了空燃比較穩(wěn)定的爐內(nèi)溫度穩(wěn)定控制[12]。本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，在降負(fù)荷時(shí)，空氣過(guò)剩系數(shù)不超過(guò)上限值；在升負(fù)荷時(shí)，空氣過(guò)剩系數(shù)不低于防止冒黑煙的下限值。這樣就確保了燃燒過(guò)程中都在最佳燃燒區(qū)內(nèi)進(jìn)行，達(dá)到節(jié)能、完全燃燒、防止污染和提高產(chǎn)品質(zhì)量。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)的仿真原理圖：圖311 雙交叉限幅控制系統(tǒng)的仿真原理圖本圖是在單邊限幅的基礎(chǔ)上又增加了兩個(gè)高低選擇器。儀表間的通訊信號(hào)如串級(jí)控制的一樣?？梢詮膱D中看出，高選器和低選器是使用選擇開(kāi)關(guān)來(lái)代替的。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)溫度降量時(shí)空燃比的仿真圖：圖312 雙交叉限幅控制系統(tǒng)降量時(shí)空燃比仿真圖從圖中可以看出，雙交叉限幅控制系統(tǒng)在溫度降量時(shí)，空氣過(guò)剩系數(shù)一直處于最佳燃燒區(qū)。這樣，既不會(huì)造成冒黑煙，浪費(fèi)能量，也不會(huì)造成產(chǎn)品氧化，質(zhì)量下降。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)溫度提量時(shí)的空燃比仿真圖：圖313 雙交叉限幅控制系統(tǒng)提量時(shí)空燃比仿真圖從圖中可以知道，溫度提量和溫度降量時(shí)一樣，空氣過(guò)剩系數(shù)一直在最佳燃燒區(qū)。這就是說(shuō)，不管溫度升降，空氣過(guò)剩系數(shù)就在最佳燃燒區(qū)，即沒(méi)有冒黑煙和氧化鋼坯。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線仿真圖：圖314 雙交叉限幅控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線仿真圖本圖是溫度的階躍響應(yīng)曲線，由于本圖設(shè)定值是1，而實(shí)際溫度在1200左右，則其縮小了1200倍。最后，把三種控制系統(tǒng)放在一起進(jìn)行仿真，其階躍響應(yīng)曲線如下：圖315 三種控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線仿真圖本圖是三種控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線仿真圖。其中，紫色曲線是串級(jí)比值控制系統(tǒng)的仿真曲線，黃色的是單交叉限幅控制系統(tǒng)的仿真曲線，淺綠色的是雙交叉限幅控制系統(tǒng)的仿真曲線。從圖中可以看出，串級(jí)比值控制系統(tǒng)響應(yīng)速度最快，但其超調(diào)量最大；單交叉限幅控制系統(tǒng)響應(yīng)速度次之，而其超調(diào)量較??；雙交叉限幅控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度最慢，可其超調(diào)量最小。 偏置單元和爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介我們知道，無(wú)論單交叉限幅控制系統(tǒng)還是雙交叉限幅控制系統(tǒng)，它們都以是犧牲系統(tǒng)跟蹤負(fù)荷的速度來(lái)?yè)Q取燃料和空氣流量