【正文】 爐溫單回路控制仿真 圖 PID 控制仿真原理圖 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 28 圖 是加熱爐特性仿真圖，以單回路控制系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，因為單回路最簡單，所以在仿真過程中，所得仿真特性圖最能體現(xiàn)對象的特性 。 3 擴充和定制 Simulink 的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴展仿真環(huán)境的功能：用戶可以用 MATLAB、Fortran 和 C 代碼生成自定義模塊庫，并擁有自己的圖標和界面；用戶還可以將原有的 Fortran 或 C 語言代碼連接起來。 Simulink 的主要功能如下： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 Simulink 提供了大量的功能塊以方便用戶快速地建立動態(tài)系統(tǒng)模型。 Simulink 提供了采用鼠標拖放的方法建立系統(tǒng)框圖模型的圖形交互平臺。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點 [9]。 利用 MATLAB 軟件環(huán)境可以實現(xiàn)計算機仿真 [11]。 Tf— 被控對象的時間常數(shù) 。 如果系統(tǒng)接受一 個 階躍信號，此時執(zhí)行器由一個開度變化成另一開度，那么中間就有一個過渡過程，但過渡過程時間通常比較短。即使偏 差很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，就有調(diào)節(jié)作用輸出，故有超前調(diào)節(jié)之稱。 TI 越短，積分速度越快，積分作用就越強。 具有比例積分運算規(guī)律的調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器。 為了減內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 小余差，可增大 Kp。它通常不能表明系統(tǒng)的物理特性和物理結(jié)構(gòu)，許多物理性質(zhì)不同的系統(tǒng)卻有著相同的傳遞函數(shù)，正如一些不同的物理現(xiàn)象可以用相同的微分方程描述一樣。微分方程描述的系統(tǒng)模型，通過求解微分方程，可以得到系統(tǒng)隨時間變化的規(guī)律，比較直觀。 （ 2）建立的動態(tài)微分方程式是以微小增量為基礎(chǔ)的增量方程，而不是其絕對值的方程，因此，當出現(xiàn)擾動和給定量產(chǎn)生變化時，被控量和各獨立變量在其平衡點附近將產(chǎn)生微小的增量，微分方程式描述的是微小偏差下系統(tǒng)運動狀態(tài)的增量方程，不是運動狀態(tài)變量的絕對值方程，也不是大偏差范圍內(nèi)的增量方程。 在線性系統(tǒng)理論中，常用的數(shù)學模型形式有：傳遞函 數(shù)模型（系統(tǒng)的外部模型）、狀態(tài)方程模型（系統(tǒng)的內(nèi)部模型）、零極點增益模型和部分分式模型等。如果要求調(diào)節(jié)過程短，則取上述偏置的上限值，如果著眼于最大限度節(jié)能，則取下限值。從節(jié)能的觀 點看，希望四個偏置的取值小點，但這樣一來會使系統(tǒng)對負荷響應(yīng)速度變慢。 （ 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。當 a1～ a4 選擇很小的時候，雖然能夠達到節(jié)能的目的，并且有利于環(huán)保，但過小的限幅系數(shù)使系統(tǒng)對負荷變化響應(yīng)的快速性大大降低。雙交叉系統(tǒng)能夠使得空氣和煤氣回路同時感應(yīng)到煤氣流量的變化，做出相應(yīng)的調(diào)整， 從而 保證了系統(tǒng)不受壓力波動的干擾。 雙交叉限幅燃燒控制 特點 雙交叉限幅方法是針對動態(tài)過程的一種控制方式，從理 論上講，燃燒過程中，空燃比保持在最佳值，可以減少廢氣中的污染 物 含量 ，從而實現(xiàn)了燃料流量和溫度的良好控制。 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 ） 20 （ 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。在升、降負荷的動態(tài)過程中，不但升負荷時剩余空氣系數(shù)不低于防止冒黑煙的下限值，即 μ ? （ μ sa1） 。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。此時系統(tǒng)恢復到穩(wěn)定狀態(tài)；再看空氣流量調(diào)節(jié)回路的情況，此時AE， LS 2選通 A。 當降負荷時，信號 A 急劇下降，發(fā)生負跳變。當 A 正 跳變到 AB 時， LS1又選通 B， A 被中斷，B 作為該回路的燃料給定值 Sf，使燃料流量隨著 B 值的增加而增加，即燃料流量隨著空氣流量的增加而增加 ， 交叉限制開始。 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。 雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的工作原理 在燃料流量調(diào)節(jié)回路中，爐溫調(diào)節(jié)器 TC 的輸出信號 A，與根據(jù)空氣流量測量值 Fa 算出的所需燃料流量減去偏置 a3 (%)得到的信號 C rFaC a??? )1001( 3 （ ） 和信號 B 相比較，由高值選擇器 HS2和低值選擇器 LS 1來選通 A、 C、 B 之一作為燃料流量調(diào)節(jié)器 FfC 的給定值 Sf。 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。 單交叉限 幅 燃燒控制系統(tǒng)特點 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng) 升負荷時空氣先行，降負荷時煤氣先行，由于采用了這種控制方式，所以 單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng) 具有以下特點： （ 1） 當升負荷時，先增加空氣后增加燃料；當降負荷時，先減少燃料后減少空氣。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。先看燃料流量調(diào)節(jié)回路的情況。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。 系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，爐溫調(diào)節(jié)器 TC 的輸出信號 A 同時作為空氣和燃料流量調(diào)節(jié)回路的給定信號，此時剩余空氣系數(shù)等于給定值 μ s。 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。此時，煤氣流量的測量值暫時沒有變化，經(jīng)煤氣流量控制 使 其輸出增大，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開度增大；同樣空氣流量的測量值暫時也沒有變化，經(jīng)空氣流量控制器輸出也增大，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開度增大。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。在該圖中，加熱爐溫度控制主調(diào)節(jié)器的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器的給定值，同時經(jīng)過空燃比運算器 r 運算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器的給定值。 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(yīng)該有一定的比例。 供風壓力必須和當前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調(diào)節(jié)的靈敏度。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(yīng)用，而衰減曲線法在此種情況下也同樣能用。此時的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱臨界周期。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。這 個控制方案 只是針對煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當煤氣壓力變大 時在閥門開度不變的情況下會導致煤氣流量的增大，從而導致總熱值的上升，影響爐溫。 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 。 （ 4）雙交叉限幅控制 雙交叉限幅控制的特點是當熱負荷增加時，空氣量設(shè)定值先增加，煤氣量設(shè)定值后增加，防止冒黑煙 ?？梢姡壙刂葡到y(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。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時不變，即煤氣流量的設(shè)定值不變。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。 為了使燃料充分燃燒 ， 必須供給足夠的空氣，即保證一定的剩余空氣系數(shù) μ 或空燃比 r[6]。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。 爐膛負壓 爐膛壓力對出鋼質(zhì)量有很大影響，只有爐膛壓力適當，才能保證燃燒的效果當均熱段的爐膛壓力過高時，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴， 會 造成很大一部分熱內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 損失。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。 如果高爐煤氣與焦爐煤氣的發(fā)熱量分別為 Q 高 與 Q 焦 ，要配成發(fā)熱量為 Q 混 的混合煤氣，可以用下式計算 : 設(shè)焦爐煤氣在混合煤氣中的體積分數(shù)為 x,則高爐煤氣的體積分數(shù)為（ 1x） ，那么 高焦混 ）（ Qxx ??? 1 （ ） 整理上式得： 高焦高混 x??? （ ） 采用高爐、焦爐混合煤氣不 僅 合理利用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既克服了焦爐煤氣火焰上飄的缺點，同時也可以利用焦爐煤氣中碳氫化合物分解產(chǎn)生的碳粒，在燃燒時可以增強火焰的輻射能力。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。 加熱爐常用的氣體燃料有天然氣、高爐煤氣、焦爐煤氣、發(fā)生爐煤氣等。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。同時還要對加熱爐上方的汽包水位進行控制，以保證支撐鋼坯的爐筋管中的水流量，防止燒壞爐筋管。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。 在加熱爐工作時，鋼坯被整齊排列在加熱爐內(nèi)，并在推鋼機的推動下不斷地從爐尾推入爐膛，首先進入預(yù)熱段，預(yù)熱段主要是依靠加熱段和均熱段排出的高溫煙氣來緩慢加熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。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。下圖為加熱爐結(jié)構(gòu)簡圖： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 4 圖 加熱爐結(jié)構(gòu)簡圖 加熱爐為三段式加熱爐，沿爐長方向分為預(yù)熱段、 II 加熱段、 I 加熱段和均熱段，如上圖所示。鋼坯首先在低溫區(qū)域進行預(yù)熱，這時加熱速度比較慢，溫度應(yīng)力小，不會造成危險。運用 MATLAB 軟件對溫度控制系統(tǒng)進行了較為全面的仿真和性能分析 。 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。就國內(nèi)來說，我國鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有軋鋼爐窖近千座，其中加熱爐 700 多座。利用這部分熱量預(yù)熱空氣和煤氣是節(jié)約燃料的有效方法。 鍛造加熱爐必須保證 1250℃ 以上的爐溫。 （ 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。 鋼坯在軋前進行加熱，是鋼坯在熱加工過程中一個必須的環(huán)節(jié)。 bilaterallimiting control。通過分析比較可以得出結(jié)論，雙 交叉 限幅對加熱爐溫度的控制優(yōu)于其它的控制方案。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。加熱爐燃燒過程是受隨機因素干擾的，具有大慣性、 純滯后的非線性過程。 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。 MATLAB Simulation 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） III 目 錄 摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract.