【正文】 limiting control system, and analyses each of the control programme on theory. Using MATLAB software makes a more prehensive simulation and performance analysis on the temperature control system. Through analysis and parison we can conclude that bilateral limiting control system is superior to others in the furnace temperature control. The temperature control system of bilateral limiting control system makes gas flow and air flow restrict on each other, which not only prevent the burning of black smoke, but also prevent the excess air, to reach the purposes of controlling the furnace temperature, enhancing the rate of bustion gas and avoiding pollution and others. Key words: furnace。 bilaterallimiting control。它的主要作用是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力，以滿(mǎn)足軋制工藝的要求。 鋼坯在軋前進(jìn)行加熱，是鋼坯在熱加工過(guò)程中一個(gè)必須的環(huán)節(jié)。 鋼坯加熱應(yīng)滿(mǎn)足下列要求： （ 1）加熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定的溫度范圍，防止產(chǎn)生加熱缺陷。 （ 2）加熱制度必須滿(mǎn)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 加熱溫度是指鋼坯 在加熱爐內(nèi)加熱完畢出爐時(shí)的表面溫度。 鍛造加熱爐必須保證 1250℃ 以上的爐溫。例如：煤氣發(fā)熱量為 1200 千焦／米 3，僅能達(dá)到約 1200℃ 的爐溫 ,而將空氣預(yù)熱到 400℃ 時(shí)，則可達(dá)到約 1320℃ 的爐溫。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。例如：燃燒發(fā)生爐煤氣的爐子，同樣將空氣預(yù)熱到 500℃ ， 間斷式加熱爐的離爐煙氣溫度為 1200℃ ，燃料節(jié)約達(dá)30％；連續(xù)式加熱爐的離爐煙氣 溫度為 900℃ ， 燃料節(jié)約則為 23％。就國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)，我國(guó)鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有軋鋼爐窖近千座，其中加熱爐 700 多座。在理論研究方面，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)加熱爐數(shù)學(xué)模型的研究越來(lái)越活躍起來(lái)，我國(guó)的科學(xué)工作者進(jìn)行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果 。 本設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)源于三段式推鋼側(cè)出加熱爐 ， 燃料采用高爐焦?fàn)t混合煤氣。 本人在 閱讀了大量的 文獻(xiàn)資料 的基礎(chǔ)上 ，對(duì)加熱爐相關(guān)工藝進(jìn)行了深入的了解，分析了加熱爐控制系統(tǒng)的難點(diǎn)。運(yùn)用 MATLAB 軟件對(duì)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的仿真和性能分析 。 加熱爐的溫度加熱方式 加熱爐的溫度加熱方式大體分為：一段式加熱方式、兩段式加熱方式、三段式及多段式加熱方式 。鋼坯首先在低溫區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，這時(shí)加熱速度比較慢，溫度應(yīng)力小，不會(huì)造成危險(xiǎn)。加熱期結(jié)束時(shí)，鋼坯斷面上還有較大的溫差，需要進(jìn)入均熱期進(jìn)行均熱，此時(shí)鋼 坯 表面溫度不再升高，而使中心溫度逐漸上升，縮小斷面上的溫度差。下圖為加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 圖 加熱爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 加熱爐為三段式加熱爐，沿爐長(zhǎng)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。為了把鋼坯加熱到目標(biāo)溫度，加熱爐以高爐焦?fàn)t混合煤氣為燃料，分成五個(gè)控制區(qū)域?qū)訜釥t的燃燒過(guò)程和爐溫進(jìn)行控制，即 II 加熱段上區(qū)，并將 I 加熱段和均熱段各分成上、下兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域單獨(dú)控制，分別設(shè)置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控 制器，對(duì)每段的爐溫以及燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，各控制器的設(shè)定值可用手動(dòng)方式，亦可根據(jù)不同規(guī)格、材質(zhì)的鋼坯自動(dòng)設(shè)定，預(yù)熱段內(nèi)由于沒(méi)有設(shè)置燒嘴而不參與控制。兩面加熱可消除坯料沿厚度方向的溫度差，這對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量是有利的。 加熱爐難以用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表達(dá)式描述它的特性，是具有大慣性、大滯后和嚴(yán)重非線性等特性的對(duì)象。 在加熱爐工作時(shí)，鋼坯被整齊排列在加熱爐內(nèi)，并在推鋼機(jī)的推動(dòng)下不斷地從爐尾推入爐膛，首先進(jìn)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?zé)煔鈦?lái)緩慢加熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。這樣，鋼坯經(jīng)過(guò)預(yù)熱、加熱、均熱三個(gè)過(guò)程，就被加熱成溫度適宜、溫差較小、 可供軋制的熱坯。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(shí)，但具體鋼種以及生產(chǎn)要求不同，該時(shí)間有差異。為了提高熱利用率，在煙道內(nèi)安裝有帶保護(hù)管組的金屬管狀換熱器，用來(lái)回收部分高溫?zé)煔馑鶐ё叩臒崃浚淇諝馔ㄟ^(guò)該處預(yù)熱再分別進(jìn)入各加熱區(qū)域，其間空氣的預(yù)熱溫度大約為 450℃ 。同時(shí)還要對(duì)加熱爐上方的汽包水位進(jìn)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。過(guò)低則會(huì)使軋機(jī)軋制困難而影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量和軋機(jī)的使用壽命 (或維護(hù)周期 )，而溫度的維持又要求燃料 在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。如果還原氣氛過(guò)重，不僅白白浪費(fèi)大量燃料，同時(shí)還污染了空氣。一般按存在狀態(tài)來(lái)分，有固體燃料、液體燃料和氣體燃料三種。 加熱爐常用的氣體燃料有天然氣、高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、發(fā)生爐煤氣等。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 本設(shè)計(jì)所用加熱爐燃料為高爐與焦?fàn)t煤氣的混合煤氣。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。焦?fàn)t煤氣是煉焦生產(chǎn)的副產(chǎn)品，它的燃料成份組成是： H2含量一般超過(guò) 50%， CH4含量一般超過(guò) 25%，其余是少量的 CO、 N CO H2S 等 。 如果高爐煤氣與焦?fàn)t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(jì)算 : 設(shè)焦?fàn)t煤氣在混合煤氣中的體積分?jǐn)?shù)為 x,則高爐煤氣的體積分?jǐn)?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?fàn)t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?fàn)t煤氣火焰上飄的缺點(diǎn)，同時(shí)也可以利用焦?fàn)t煤氣中碳?xì)浠衔锓纸猱a(chǎn)生的碳粒，在燃燒時(shí)可以增強(qiáng)火焰的輻射能力。同時(shí)，空氣過(guò)剩率還可以用空氣和燃?xì)獾呐浔?，即空燃比?lái)描述。實(shí)際空燃比 A=實(shí)際空氣量 /煤氣量，設(shè) μ 為剩余空氣系數(shù) , μ =實(shí)際空氣量 /理論空氣量， A /μ = A0,則實(shí)際空燃比與空氣剩余系數(shù)成正比。但是如果處于高過(guò)剩空氣燃燒區(qū)，即當(dāng) μ ＞ 時(shí)，由于過(guò)多的過(guò)?？諝猓坏钩鲣摃r(shí)鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量 的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過(guò)低，同時(shí)會(huì)使氮硫氧化物增加，對(duì)環(huán)保不利。 爐膛負(fù)壓 爐膛壓力對(duì)出鋼質(zhì)量有很大影響，只有爐膛壓力適當(dāng)，才能保證燃燒的效果當(dāng)均熱段的爐膛壓力過(guò)高時(shí)，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴， 會(huì) 造成很大一部分熱內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 損失?？梢?jiàn)，這兩種情況對(duì)爐內(nèi)熱工過(guò)程均不利。而在爐內(nèi)壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，根據(jù)爐膛壓力檢測(cè)結(jié)果，改變爐壓調(diào)節(jié)器的輸出，即通過(guò)煙道閥門(mén)開(kāi)度的大小，改變排煙量來(lái)獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在設(shè)定值上，以維持爐內(nèi)微正壓。 空燃比 燃燒過(guò)程是燃料的氧化過(guò)程，當(dāng)燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過(guò)量。 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]。在 系統(tǒng)中，爐溫控制器為主控制器，它的 輸出作為副控制器即燃燒控制器的設(shè)定值，通過(guò)燃燒控制器去決定煤氣閥門(mén)和空氣閥門(mén)的開(kāi)度。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(duì)穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門(mén)的開(kāi)度也保持不變。 對(duì)于加熱爐溫度的影響主要有以下兩種干擾： 。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會(huì)馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出 暫時(shí)不變，即煤氣流量的設(shè)定值不變。 。可見(jiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動(dòng)等特點(diǎn)的過(guò)程，是一種很好的解決方案。 （ 2）串級(jí)控制 串級(jí)控制中，空氣和煤氣并行，溫度回路的輸出值作為煤氣、空氣回路的設(shè)定值。 （ 4）雙交叉限幅控制 雙交叉限幅控制的特點(diǎn)是當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，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 。當(dāng)空氣回路出 現(xiàn) 故障時(shí)，煤氣自動(dòng)切斷，避免危險(xiǎn)。 雙 叉限幅控制的特點(diǎn)是 在單交叉的基礎(chǔ)上增加 一個(gè)最大選擇器和一個(gè)最小選擇器，其目的是保證當(dāng)爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時(shí)空氣先行 。該方法己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過(guò)程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。這 個(gè)控制方案 只是針對(duì)煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當(dāng)煤氣壓力變大時(shí)在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下會(huì)導(dǎo)致煤氣流量的增大，從而導(dǎo)致總熱值的上升，影響爐溫。 PID 調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（ PID）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動(dòng)控制。當(dāng) P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳系數(shù)組合， PID 的控制效果很好。本設(shè)計(jì)主要 利用 工程整定方法 進(jìn)行控制器參數(shù)整 定 ，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應(yīng)曲線法。此時(shí)的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱(chēng)臨界周期。不同的是讓過(guò)渡過(guò)程最終呈現(xiàn) 4： 1 衰減振蕩為止。因此，在純比例情況下，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，臨界比例度法就無(wú)法應(yīng)用，而衰減 曲線法在此種情況下也同樣能用。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定，用衰減曲線法 4： 1 衰減振蕩時(shí)，控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如 圖 ： 表 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式 PP IP I Dδs1 . 2 δs0 . 8 δsδ %0 . 5 T s0 . 3 T sTi/ m i n控 制 器 類(lèi) 型控 制 器 參 數(shù)TD/ m i n0 . 1 T s 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 煙 道 閥壓 力 檢 測(cè) 變送P I D 控 制 器 爐 膛 壓 力壓 力 設(shè) 定 圖 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 在 爐膛負(fù)壓 控制系統(tǒng)中， PID 控制器通過(guò)對(duì)煙道閥 開(kāi)度大小 的控制，從而達(dá)到了控制爐膛壓力的目的。 供風(fēng)壓力必須和當(dāng)前煤氣壓力相匹配，以提高閥門(mén)調(diào)節(jié)的靈敏度。反之，若煤氣壓力過(guò)高，也要相應(yīng)提高供風(fēng)壓力，使得流量的調(diào)節(jié)更為準(zhǔn)確，以免在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)黑煙。 燃 料 閥燃 料 測(cè) 量變 送燃 料 控 制器燃 料 流 量空 氣 閥空 氣 測(cè) 量變 送空 氣 控 制器空 氣 流 量KF1F2溫 度 控 制器溫 度 測(cè) 量變 送 圖 串級(jí)比值控制系統(tǒng) 加熱爐燃燒過(guò)程中，正常情況下，煤氣和空氣應(yīng)該有一定的比例。 在鋼鐵生產(chǎn)中用到煤氣的地方 很多，煤氣閥前壓力難以穩(wěn)定，為了克服閥前壓力波動(dòng)， 把 溫度和煤氣構(gòu)成串級(jí)控制回路，煤氣和空氣構(gòu)成比值控制系統(tǒng)，因此引入加熱爐串級(jí)比值 燃燒 控制系統(tǒng)。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(shí)經(jīng)過(guò)空燃比運(yùn)算器 r 運(yùn)算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器的給定值。 加熱爐的燃料燃燒過(guò)程中，不僅要保證穩(wěn)態(tài)情況的剩余空氣系數(shù)一定，更重要的是在加熱爐負(fù)荷發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)情況下，保證剩余空氣系數(shù)仍保持在合理的范圍內(nèi)。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(jìn)入加熱爐中。煤氣和空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)開(kāi)始工作： 當(dāng)爐溫升高時(shí)，在爐溫控制器反作用下，其輸出減小，即煤氣流量設(shè)定值減小，同時(shí)，爐溫控制器 的 輸出經(jīng)比值器給空氣流量的設(shè)定值也 減 小，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減??；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)有變化，經(jīng)空氣流量 控制器 使其 輸出也減小，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。此時(shí)，煤氣流量的測(cè)量值暫時(shí)沒(méi)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(kāi)度增大；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)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(kāi)度增大。 但是對(duì)于鋼鐵廠中的加熱爐不僅煤氣壓力波動(dòng)大，且燃料熱值 也在發(fā)生波動(dòng)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，實(shí)際空燃比會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，空氣過(guò)剩系數(shù)很容易進(jìn)入黑煙區(qū)，因此，無(wú)法進(jìn)行抑制，效果很差 [12]。 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