【文章內(nèi)容簡介】 (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，執(zhí)行器得由一個開度變化到另一個開度，因此這有一個過程，則中間就有一個過渡，但時間較短。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)由于檢測和變送器的輸入信號和輸出信號可以看成已線性化，因此其傳遞函數(shù)可以看成純比例，即 G(S)=Kp[9] (37) 串級比值控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真本設(shè)計共做了三個控制系統(tǒng)，現(xiàn)在先設(shè)計串級比值系統(tǒng)。下面是其儀表圓圈圖： 圖32 串級比值控制系統(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。 串級比值控制系統(tǒng)的工作過程是，首先用熱電偶從爐膛內(nèi)檢測實時溫度，通過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。通過設(shè)定值和燃料流量變送器輸出的信號比較，來控制閥門的開度以改變?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，最終使爐膛溫度穩(wěn)定在一個合適的溫度。本系統(tǒng)的優(yōu)點是能快速克服進入副回路的干擾，使系統(tǒng)的抗干擾能力增強，控制質(zhì)量提高；改善控制過程的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作效率；對負荷和操作條件的變化適應(yīng)性強。下面，本設(shè)計將要對本系統(tǒng)進行Simulink進行仿真。仿真原理圖如下：圖33 串級比值控制系統(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統(tǒng)一為0~5V，而對象輸出的信號為實際的流量信號和溫度信號。各個環(huán)節(jié)之間都經(jīng)過了統(tǒng)一的標度轉(zhuǎn)換。下面對仿真結(jié)果圖進行說明，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，橫軸代表的是時間，單位是秒。當降負荷時，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下降，但由于空氣對象的時間常數(shù)大于燃料對象，使得實際燃料流量給定值降低快于空氣流量給定值。則空燃比將有個波峰，空氣過剩。這可能使產(chǎn)品氧化，質(zhì)量下降。當升負荷時，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上升，同樣由于空氣對象的時間常數(shù)大于燃料對象的時間常數(shù)，使燃料流量給定值增加快于空氣流量給定值。則空燃比將有個波谷，空氣不足。這將引起冒黑煙，污染環(huán)境，浪費能量[10]。下面是串級比值控制系統(tǒng)溫度降量時的空燃比仿真圖：圖34 串級比值控制系統(tǒng)降量時的空燃比仿真圖從圖中可以看出，當溫度降量時空燃比有一個大的波峰，已經(jīng)超出最佳燃燒區(qū)的上限。因此，過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。下面是串級比值控制系統(tǒng)溫度提量時空燃比仿真圖：圖35 串級比值控制系統(tǒng)提量時空燃比仿真圖從圖中可以看出，當溫度提量時，空燃比有一個大的波谷。因此，在本控制系統(tǒng)溫度提量時空氣過少，煤氣過多，導(dǎo)致冒黑煙，將對環(huán)境污染和能量浪費。 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計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)。 當升負荷時，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，空氣控制器的給定值就是溫度控制器的輸出，其輸出通過空氣流量單回路控制系統(tǒng)使空氣流量變大。同時，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，再通過燃料流量單回路控制系統(tǒng)使燃料流量增加。最終，通過空氣和燃料流量的增大使溫度上升，最后達到設(shè)定值，進入穩(wěn)定狀態(tài)。當降負荷時，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，再通過空氣流量的單回路使空氣流量減??；這時，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，再達到穩(wěn)定。通過以上分析可以知道，本系統(tǒng)有如下特點：1）當升負荷時，先升空氣后升燃料；降負荷時，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)榱悖瑒t燃料流量自動降為零，這樣可以確保燃燒安全。3）當降負荷時，不能抑制空氣過剩系數(shù)u的上升。本系統(tǒng)只限制了空氣過剩系數(shù)u的下限值，可以防止負荷增加時的動態(tài)過程的不完全燃燒。但其沒限制u的上限值，則導(dǎo)致降負荷時空氣過剩，使燃燒效率降低[11] 。下面，我將要對本系統(tǒng)進行仿真。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)儀表間通訊信號和串級控制系統(tǒng)一樣。從圖中可以看出，單交叉限幅控制系統(tǒng)比串級比值控制系統(tǒng)多了一個高選器、一個低選器和兩個偏置單元。在后面將會對偏置單元進行說明。下面是單邊限幅控制系統(tǒng)溫度降量時空燃比仿真圖：圖38 單邊限幅控制系統(tǒng)降量時空燃比仿真圖由圖可以得知，系統(tǒng)加入了單邊限幅后，溫度降量時空燃比有個大波峰，這將使能量浪費和產(chǎn)品質(zhì)量下降。下面是單邊限幅控制系統(tǒng)溫度提量時空燃比仿真圖：圖39 單邊限幅控制系統(tǒng)提量時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，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)上增加了一個高選器、一個低選器、偏置單元K4和K3。這樣就可以限制空氣過剩系數(shù)u的上、下限值。在上圖中，本設(shè)計設(shè)定K1 =,K2=,K3=,K4=。當爐溫升負荷時，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a作為空氣流量控制器的給定值；對于燃料回路，ec，則高選器選擇信號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d。上述情況表明：升溫時，燃料和空氣同時取上限限幅值，隨溫度的上升，e值逐漸變小，最終溫度值達到設(shè)定值，進入穩(wěn)定狀態(tài)，雙交叉限幅過程結(jié)束。當爐溫降負荷時，即溫度設(shè)定值變小，同上，輸出e變小。對于空氣回路，ea，則低選器選擇信號e，而e又小于b，因此高選器選擇信號b作為空氣流量控制器的給定值；對于燃料回路，ec，則高選器選擇信號c，同時，由于cd,所以低選器選擇信號c，這就是說燃料流量控制器的給定值就是信號c。上述情況表明：溫度降負荷時，空氣和燃料同時選擇下限限幅值，隨著溫度的下降，輸出信號e逐漸增大，最后達到穩(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,當爐內(nèi)檢測點的溫度改變時,溫度調(diào)節(jié)器TC的輸出會發(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?？諝夂腿剂系牧髁繉嶋H值交替地跟蹤對方的流量實際值的變化,變化速度取決于雙邊系統(tǒng)的慣性。同無限幅的系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)是將TC的輸出對下面直接大幅度設(shè)定改成由對象時間常數(shù)規(guī)定的小幅度的設(shè)定,是等待對方流量變化后再進行己方控制的過程,從而使動態(tài)響應(yīng)時間變長,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度排熱的情況,實現(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)點是，在降負荷時，空氣過剩系數(shù)不超過上限值；在升負荷時，空氣過剩系數(shù)不低于防止冒黑煙的下限值。這樣就確保了燃燒過程中都在最佳燃燒區(qū)內(nèi)進行，達到節(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)上又增加了兩個高低選擇器。儀表間的通訊信號如串級控制的一樣?？梢詮膱D中看出，高選器和低選器是使用選擇開關(guān)來代替的。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)溫度降量時空燃比的仿真圖：圖312 雙交叉限幅控制系統(tǒng)降量時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，空氣過剩系數(shù)一直處于最佳燃燒區(qū)。這樣，既不會造成冒黑煙，浪費能量，也不會造成產(chǎn)品氧化，質(zhì)量下降。下面是雙交叉限幅控制系統(tǒng)溫度提量時的空燃比仿真圖：圖313 雙交叉限幅控制系統(tǒng)提量時空燃比仿真圖從圖中可以知道，溫度提量和溫度降量時一樣，空氣過剩系數(shù)一直在最佳燃燒區(qū)。這就是說，不管溫度升降，空氣過剩系數(shù)就在最佳燃燒區(qū)，即沒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。 偏置單元和爐膛負壓控制系統(tǒng)簡介我們知道，無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)跟蹤負荷的速度來換取燃料和空氣流量