1、內蒙古科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：加熱爐溫度控制系統設計與仿真研究加熱爐溫度控制系統設計與仿真研究摘 要在鋼鐵企業中，為了將鋼坯加熱到軋制所規定的工藝要求，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。而溫度的維持又要求燃料在爐內穩定地燃燒。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。本設計針對加熱爐燃燒控制系統，主要介紹的控制方案有單回路控制系統、串級比值控制系統、單交叉限幅控制系統、雙交叉限幅控制系統，并對每一種控制方案進行了理論分析。運用matlab軟件對溫度控制系統進行了較為全面的仿真和性能分析。通過分析比較可以得出結論

2、，雙交叉限幅對加熱爐溫度的控制優于其它的控制方案。雙交叉限幅的爐溫控制系統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，避免環境污染等目的。關鍵詞：加熱爐；單交叉限幅控制；雙交叉限幅控制； matlab仿真temperature control of heating furnace system design and simulink studyabstractin the enterprises where producing iron and steel, in order to heat up billet to the tec

3、hnological requirements of rolling, the temperature inside the furnace must be controlled effectively so that it remains in a specific range. maintaining the temperature needs the stable burning of fuel inside the furnace. furnace combustion process is a non-linear process which is subject to the ra

4、ndom interference, great inertia and the pure time delay. the design for the furnace combustion control system is mainly on the control of a single-loop control programme, the ratio of cascade control system, control system limiting unilateral, bilateral limiting control system, and analyses each of

5、 the control programme on theory. using matlab software makes a more comprehensive simulation and performance analysis on the temperature control system. through analysis and comparison we can conclude that bilateral limiting control system is superior to others in the furnace temperature control. t

6、he 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 combustion ga

7、s and avoiding pollution and others.key words: furnace; single-limiting control; bilateral-limiting control; matlab simulation 目 錄摘 要iabstractii第一章 緒論11.1 概述11.2 國內現狀21.3 本設計的研究內容2第二章 加熱爐工藝簡介32.1 加熱爐的組成32.2 加熱爐的溫度加熱方式32.3 加熱爐工藝流程32.4 加熱爐溫度控制要求52.4.1 燃燒系統62.4.2 爐膛負壓72.5 空燃比8第三章 加熱爐的溫度控制系統103.1 單閉環控制系

8、統113.2 爐膛負壓控制系統123.3 串級比值燃燒控制系統133.4 單交叉限幅燃燒控制系統153.4.1 單交叉限幅燃燒控制系統工作原理153.4.2 單交叉限幅燃燒控制系統特點173.5 雙交叉限幅燃燒控制系統173.5.1 雙交叉限幅燃燒控制原理圖173.5.2 雙交叉限幅燃燒控制系統的工作原理183.5.3 雙交叉限幅燃燒控制特點20第四章 加熱爐溫度控制系統仿真234.1 對象模型的建立234.2 系統各裝置數學模型的建立244.3 仿真軟件簡介264.4 加熱爐爐溫控制系統仿真結果分析274.4.1 爐溫單回路控制仿真274.4.2 燃料空氣串級比值控制仿真314.4.3 單交

9、叉限幅控制仿真344.4.4 雙交叉限幅控制仿真364.5 總結38第五章 系統的檢測變送裝置及正反作用395.1 檢測變送395.1.1 差壓式流量計395.1.2 熱電偶395.2 系統儀表正反作用的確定40參考文獻41致 謝42第一章 緒論1.1 概述加熱爐是熱軋生產過程的重要熱工設備，其能耗占到鋼鐵工業總能耗的25%。它的主要作用是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力，以滿足軋制工藝的要求。其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產品質量、鋼坯成材率、軋制設備壽命以及整個軋線的有效作業率。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節。對軋鋼加熱爐而言，加熱的主要目的就是提高鋼坯

10、的塑性，降低變形抗力。鋼坯加熱應滿足下列要求：（1）加熱溫度應嚴格控制在規定的溫度范圍，防止產生加熱缺陷。鋼坯加熱應當保證在軋制全部過程都具有足夠的可塑性，滿足生產要求，但并非說鋼坯加熱溫度越高越好，而應有一定的限度，過高的加熱溫度可能產生廢品和浪費能源。（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。（3）鋼坯加熱溫度應在長度、寬度和斷面上均勻一致。鋼坯加熱溫度是指鋼坯在加熱爐內加熱完畢出爐時的表面溫度。確定鋼坯加熱溫度不僅要根據鋼種的性質而且還要考慮到加工的要求，以獲得最佳的塑性，最小的變形抗力，從而有利于提高軋制的產量、質量、降低能耗和設備磨損。鍛造加熱爐必

11、須保證1250以上的爐溫。這種爐在以發熱量低于 1300千焦米3的煤氣或發熱量低于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。例如：煤氣發熱量為1200千焦米3，僅能達到約1200的爐溫,而將空氣預熱到400時，則可達到約1320的爐溫。 加熱爐的離爐煙氣帶走的熱量約占供入爐內熱量的5060。利用這部分熱量預熱空氣和煤氣是節約燃料的有效方法。燃料節約百分數與離爐煙氣溫度成正比，離爐煙氣溫度越高，則燃料節約百分數越大。例如：燃燒發生爐煤氣的爐子，同樣將空氣預熱到500，間斷式加熱爐的離爐煙氣溫度為1200，燃料節約達30；連續式加熱爐的離爐煙氣溫度為90

12、0，燃料節約則為23。1.2 國內現狀我國從80年代初開始進入加熱爐計算機控制系統研究階段。就國內來說，我國鋼鐵企業現有軋鋼爐窖近千座，其中加熱爐700多座。目前，國內大多數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和設備，但絕大部分加熱爐計算機控制系統仍然處在計算機過程控制的水平上，甚至還有少數加熱爐由人工操作，其加熱質量和能耗與國外同行相比相距甚遠。在理論研究方面，近年來，國內對加熱爐數學模型的研究越來越活躍起來，我國的科學工作者進行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多學者，對鋼坯升溫的數學模型進行了研究，還有學者將燃料消耗與鋼溫聯系起來，構成燃料消耗最低的

13、真實目標函數，從而可以運用最優升溫曲線。1.3 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。在參照相關理論的基礎之上，設計了該加熱爐控制系統，包括加熱爐內的加熱爐串級比值控制、單交叉限幅、雙交叉限幅燃燒控制，很好地抑制了處于副環（煤氣熱值和壓力的波動、生產率的改變及爐內參數的變化等）的干擾因素對加熱爐運行的影響；提高了爐溫控制的快速性，實現了加熱爐燃燒過程的控制。 本人在閱讀了大量的文獻資料的基礎上，對加熱爐相關工藝進行了深入的了解，分析了加熱爐控制系統的難點。在現有幾種燃燒控制方法的基礎上，提出了雙邊限幅控制，使系統性能得到了極大的改善。運用matlab軟件對溫

14、度控制系統進行了較為全面的仿真和性能分析。第二章 加熱爐工藝簡介2.1 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、供風系統、排煙系統、冷卻系統、電子計算機控制系統、余熱利用裝置、檢測及調節裝置等。2.2 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。三段式加熱方式是比較完善的加熱制度，它是把鋼坯放在三個溫度條件不同的區域內加熱，依次是：預熱段、加熱段、均熱段。鋼坯首先在低溫區域進行預熱，這時加熱速度比較慢，溫度應力小，不會造成危險。當鋼坯溫度超過 500600以后，進入塑性范圍，這時就可以快速加熱，直

15、到表面溫度快速升高到出爐所要求的溫度。加熱期結束時，鋼坯斷面上還有較大的溫差，需要進入均熱期進行均熱，此時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。2.3 加熱爐工藝流程加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度1，在此溫度下進行軋制既能保證燃料的合理利用又能使軋制力在正常范圍內。下圖為加熱爐結構簡圖：圖2.1加熱爐結構簡圖加熱爐為三段式加熱爐，沿爐長方向分為預熱段、ii加熱段、i加熱段和均熱段，如上圖所示。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。為了把鋼坯加熱到目標溫度，加熱爐以高爐焦爐混合煤氣為燃料，分成五個控制區域對加熱爐的燃燒過程和爐溫

16、進行控制，即 ii 加熱段上區，并將 i 加熱段和均熱段各分成上、下兩個區域，每個區域單獨控制，分別設置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控制器，對每段的爐溫以及燃燒狀況進行實時監控，各控制器的設定值可用手動方式，亦可根據不同規格、材質的鋼坯自動設定，預熱段內由于沒有設置燒嘴而不參與控制。三段式加熱爐的供熱點一般設在均熱段端部和側部，加熱段上方和下方的端部和側部。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。為了使加熱均勻，每一個段上的燃燒嘴越密集越好。加熱爐難以用嚴格的數學表達式描述它的特性，是具有大慣性、大滯后和嚴重非線性等特性的對象。其結構復雜，受許多干擾因素

17、的影響，燃料的發熱值及殘氧又很難在線準確測量，因此一般線性調節器不能滿足對象及工藝控制的要求。在加熱爐工作時，鋼坯被整齊排列在加熱爐內，并在推鋼機的推動下不斷地從爐尾推入爐膛，首先進入預熱段，預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。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。這樣，鋼坯經過預熱、加熱、均熱三個過程，就被加熱成溫度適宜、溫差較小、可供軋制的熱坯。此時鋼坯被出鋼機構

18、推上滾道，由滾道傳送給軋機進行軋制，如圖（2.1）所示。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。加熱爐排煙方式為向上排煙，在爐內燃燒生成的煙氣由爐尾總排煙管經地上煙道通到廠外煙囪，再排入大氣中。為了提高熱利用率，在煙道內安裝有帶保護管組的金屬管狀換熱器，用來回收部分高溫煙氣所帶走的熱量，冷空氣通過該處預熱再分別進入各加熱區域，其間空氣的預熱溫度大約為 450。在煙道裝有一套轉動閥門，用來對爐膛壓力進行自動調節和控制。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。為了將鋼坯加熱到軋制所規定的工藝

19、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。過低則會使軋機軋制困難而影響到最終產品質量和軋機的使用壽命(或維護周期)，而溫度的維持又要求燃料在爐內穩定地燃燒。另外，不同種類的鋼坯對爐內的氣氛有不同的要求(這里氣氛主要是指氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定)，如果氧化氣氛過重，會使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費材料而且給除鱗帶來困難，嚴重的還會影響產品表面質量。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。2.4 加熱爐溫度控制要求燃料的種類很多，分類方法也

20、不盡相同。一般按存在狀態來分，有固體燃料、液體燃料和氣體燃料三種。隨著我國冶金工業設備的日趨完善，技術的逐漸提高和石油工業的全面發展，目前國內大、中型冶金企業的軋鋼加熱爐已極少使用固體燃料，絕大部分軋鋼廠是使用氣體或液體燃料。加熱爐常用的氣體燃料有天然氣、高爐煤氣、焦爐煤氣、發生爐煤氣等。常用的液體燃料主要是重油。本設計所用加熱爐燃料為高爐與焦爐煤氣的混合煤氣。高爐煤氣是高爐煉鐵的副產品，它主要由可燃成分co、h2、ch4和不可燃成分n2、co2組成。由于含有大量不可燃成分，約占氣體體積的60%70%,所以發熱量比較低，通常只有33504200kj/m3。高爐煤氣由于發熱量較低，燃燒溫度也低，

21、約1470 ，在加熱爐上單獨使用困難，往往是與焦爐煤氣混合使用。焦爐煤氣是煉焦生產的副產品，它的燃料成份組成是：h2含量一般超過50%，ch4含量一般超過25%，其余是少量的co、n2、co2、h2s等。由于焦爐煤氣的主要可燃成分是高發熱量的h2和ch4，所以焦爐煤氣的發熱量較高，為1600018800 kj/m3。如果高爐煤氣與焦爐煤氣的發熱量分別為q高與q焦，要配成發熱量為q混的混合煤氣，可以用下式計算:設焦爐煤氣在混合煤氣中的體積分數為x,則高爐煤氣的體積分數為（1-x），那么 （2.1）整理上式得： （2.2）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

22、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生的碳粒，在燃燒時可以增強火焰的輻射能力。2.4.1 燃燒系統燃燒系統的曲線描述圖如下12：圖2.2 燃燒系統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，燃燒系統的質量跟空氣過剩率有很大的關系。同時，空氣過剩率還可以用空氣和燃氣的配比，即空燃比來描述。理論空燃比a0為單位體積或質量的燃料完全燃燒所需的空氣量，為一個常數。實際空燃比a=實際空氣量/煤氣量，設為剩余空氣系數 , =實際空氣量/理論空氣量，a /= a0,則實際空燃比與空氣剩余系數成正比。從上圖可看出當1和11.02分別為空氣不足燃燒區域和超低空氣

23、過剩燃燒區域，在這兩個燃燒區中，會有不完全燃燒現象，這樣的熱損失就比較大，而且從環境污染角度看，由于不完全燃燒，將會產生大量的黑煙，污染大氣。但是如果處于高過剩空氣燃燒區，即當1.10時，由于過多的過剩空氣，不但使出鋼時鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統熱效率過低，同時會使氮硫氧化物增加，對環保不利。因此，在實際燃燒系統中，空氣過剩率設定在過剩空氣燃燒區1.021.1是最佳的燃燒方案。2.4.2 爐膛負壓爐膛壓力對出鋼質量有很大影響，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，爐膛內的熱氣從爐膛口往外噴，會造成很大一部分熱損失。均

24、熱段的爐膛壓力也不能過低，尤其是當出現負爐壓時，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的額外負擔并浪費大量燃料，且給爐膛溫度控制系統帶來很大的麻煩，是絕對不允許的。可見，這兩種情況對爐內熱工過程均不利。從工藝設計上，煙道口的排煙閥功能是用來調節爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產時，煙道閥門的開度大小適當。而在爐內壓力發生波動時，根據爐膛壓力檢測結果，改變爐壓調節器的輸出，即通過煙道閥門開度的大小，改變排煙量來獲得穩定的爐膛壓力，從而使爐膛壓力穩定在設定值上，以維持爐內微正壓。對于爐膛壓力，送

25、風總管壓力以及汽包水位的控制，由于被控對象單一，所以采用單回路 pid 控制就能達到較好的效果。2.5 空燃比燃燒過程是燃料的氧化過程，當燃料燃燒時，燃燒產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，是否發出最大的熱效率，故需要空氣過量。同時，從安全角度考慮，空氣不足也會使燃料在爐子中聚集起來，而一點燃就可能發生爆炸，因此，燃燒過程一般都是在空氣過量的情況下進行的。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或空燃比r6。它們的定義分別為： （2.3） （2.4）可知空燃比r與剩余空氣系數的關系為： （2.5）為單位體積或質量的燃料完全

26、燃燒所需要的理論空氣量和分別為空氣流量的測量值和最大值和分別為燃料流量的測量值和最大值為理論空氣修正系數第三章 加熱爐的溫度控制系統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來實現爐膛溫度的自動控制。在系統中，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定值，通過燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開度。而煤氣壓力波動等變化劇烈的擾動包含在副回路當中，利用副回路的優良動態性能來抑制這些擾動對爐膛溫度的影響。在穩定狀態下，爐溫控制器和燃燒控制器的輸出都處于相對穩定值，煤氣、空氣閥門的開度也保持不變。當穩定狀態被破壞時，爐溫控制和燃燒控制的串級控制開始作用。對于加熱

27、爐溫度的影響主要有以下兩種干擾：1.煤氣壓力波動。當煤氣壓力發生波動時，流量會相應發生變化。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，即煤氣流量的設定值不變。由于誤差的產生，煤氣流量控制器發生作用，經過副回路的調節作用，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。2.爐溫變化。當爐溫降低時，溫度控制器開始動作，控制輸出量增大，即煤氣流量設定值增大，而此時煤氣實際流量沒有變化，煤氣流量控制器輸出增大，閥門增大開度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復設定值。可見，串級控制系統

28、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。對于定空燃比(燃料熱值一定)的燃燒控制系統，概括起來主要有以下幾種爐溫控制方式: （1）單回路控制單回路控制是最簡單的控制方式，通過爐溫的變化直接調節煤氣流量。（2）串級控制串級控制中，空氣和煤氣并行，溫度回路的輸出值作為煤氣、空氣回路的設定值。（3）單交叉限幅控制單交叉限幅控制可以保證在動態過程中，空氣量比燃料量富裕，不會產生冒黑煙現象，但由于對空氣量的上限沒有限制，因此排煙熱損失較大。（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，空氣量設定值先增加，煤氣量設定值后增加，防止冒黑煙;當熱負荷降低時，煤氣量設定值先

29、降低，空氣量設定值后降低，減少煙氣熱損失;當空氣回路出現故障時，煤氣自動切斷，避免危險。雙交叉算法在動態調節時能夠獲得合理的空燃比，但響應速度慢。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;而當爐溫高于設定值，需要減少燃料流量時燃料先行，以防止冒黑煙。該方法己經廣泛應用于工業燃燒控制中，它能在動態過程中保證空燃比在規定范圍內，從而使燃燒過程最佳，節約能量，減少環境污染。3.1 單閉環控制系統加熱爐單回路溫度控制系統框圖如下2：圖3.1 單回路控制系統方框圖采用此系統，在平衡狀態下如果爐溫突然上升，那么此回路將

30、控制煤氣閥和空氣閥關小，使溫度降回給定值，同樣如果爐溫突然下降，回路又會控制煤氣閥和空氣閥開大，使溫度回升至給定值。這個控制方案只是針對煤氣和空氣的壓力穩定的情況，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。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。pid調節器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分（pid）運算，并輸出統一標準信號，去控制執行機構的動作，以實現對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。所謂 pid 控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對測量參數的偏差進行運算確定輸出量，

31、對被控對象進行控制的方法。當 p、i、d 三個參數達到最佳系數組合， pid 的控制效果很好。控制器參數整定的方法很多，歸結起來可以分為兩大類7：一類是理論計算方法，另一類是工程整定方法。本設計主要利用工程整定方法進行控制器參數整定，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應曲線法。（1） 臨界比例度法 在系統閉環情況下，將控制器的積分時間放到最大，微分時間放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改變，直到過渡過程出現不衰減的等幅振蕩為止。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。（2）衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。不同的是讓過渡過程最終呈現4：1衰減振蕩

32、為止。此時的比例度（s）和振蕩周期（ts）即是我們需要的。因此，在純比例情況下，系統不會出現等幅振蕩，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。因此衰減曲線法應用較為廣泛，本設計也將使用該方法對系統進行整定。對系統進行整定，用衰減曲線法4：1衰減振蕩時，控制器參數經驗公式如圖：表3.1 控制器參數經驗公式3.2 爐膛負壓控制系統圖3.2爐膛負壓控制系統在爐膛負壓控制系統中，pid控制器通過對煙道閥開度大小的控制，從而達到了控制爐膛壓力的目的。送風總管壓力也采用單回路pid控制系統，使燒嘴噴出的煤氣和空氣有一定的速度。供風壓力必須和當前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調節的靈敏度。若

33、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。反之，若煤氣壓力過高，也要相應提高供風壓力，使得流量的調節更為準確，以免在調節過程中出現黑煙。3.3 串級比值燃燒控制系統為了保證燃料與空氣有一定的配比關系，最常用的方案之一是串級比值燃燒控制系統，其原理是空氣流量和煤氣流量的設定值成簡單的比值關系。 圖3.3 串級比值控制系統加熱爐燃燒過程中，正常情況下，煤氣和空氣應該有一定的比例。焦爐煤氣的空燃比大約在4：1左右，高爐煤氣的空燃比大約在1.05：1左右，轉爐煤氣的空燃比大約在1.1：1左右，如果煤氣過量，會

34、浪費能源，同時產生冒黑煙現象，產生環境污染；如果空氣過量，不僅溫度上不去，而且為了加熱多余空氣，加熱爐的熱負荷會變大，同樣也會浪費能源，剩余的熱空氣隨煙氣排入大氣，會產生大量的no2、so2等氣體污染環境。在鋼鐵生產中用到煤氣的地方很多，煤氣閥前壓力難以穩定，為了克服閥前壓力波動，把溫度和煤氣構成串級控制回路，煤氣和空氣構成比值控制系統，因此引入加熱爐串級比值燃燒控制系統。如圖3.3所示。在該圖中，加熱爐溫度控制主調節器的輸出直接作為燃料流量副調節器的給定值，同時經過空燃比運算器r運算后，作為空氣流量副調節器的給定值。通過調整r，可以改變空氣和燃料的配比關系。加熱爐的燃料燃燒過程中，不僅要保證

35、穩態情況的剩余空氣系數一定，更重要的是在加熱爐負荷發生變化的動態情況下，保證剩余空氣系數仍保持在合理的范圍內。在串級比值燃燒控制系統中，煤氣流量是主動量，空氣流量是從動量。在穩定狀態下，煤氣流量和空氣流量以一定的比值定量地進入加熱爐中。當爐膛溫度受干擾作用，燃燒負荷波動不大時，或工藝上需要升降負荷的時候，爐溫控制器的輸出一方面輸出信號給煤氣流量控制器，從而進行煤氣流量的控制；另一方面經比值器后作為空氣控制器的設定值。煤氣和空氣串級比值控制系統開始工作：當爐溫升高時，在爐溫控制器反作用下，其輸出減小，即煤氣流量設定值減小，同時，爐溫控制器的輸出經比值器給空氣流量的設定值也減小，控制煤氣調節閥開度

36、減小；同樣空氣流量的測量值暫時也沒有變化，經空氣流量控制器使其輸出也減小，相應地控制空氣調節閥開度減小。當爐溫降低時，爐溫控制器反作用下輸出增大，即煤氣流量設定值增大，同時，爐溫控制器的輸出經比值器給空氣流量的設定值也增大。此時，煤氣流量的測量值暫時沒有變化，經煤氣流量控制使其輸出增大，控制煤氣調節閥開度增大；同樣空氣流量的測量值暫時也沒有變化，經空氣流量控制器輸出也增大，相應地控制空氣調節閥開度增大。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的控制，可以實現較好的爐溫控制。但是對于鋼鐵廠中的加熱爐不僅煤氣壓力波動大，且燃料熱值也在發生波動，在動態過程中，實際空燃比會

37、產生很大的波動，空氣過剩系數很容易進入黑煙區，因此，無法進行抑制，效果很差12。在燃燒負荷發生急劇變化的情況下，由于控制空氣流動管道與煤氣流動管道特性間的差異，各閥門的響應速度和系統的響應速度不同，會帶來缺氧燃燒現象和過氧燃燒現象的發生，此時若仍采用串級比值燃燒控制系統將無法保證燃料與空氣之間的最佳動態配比關系，因此，引入單交叉限幅燃燒控制系統。3.4 單交叉限幅燃燒控制系統3.4.1 單交叉限幅燃燒控制系統工作原理圖3.4單交叉限幅燃燒控制系統圖單交叉限幅燃燒控制系統是在串級比值燃燒控制系統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(%)，用來實現燃料和空

38、氣流量之間的相互制約，防止剩余空氣系數低于其給定值s以下的某一允許區間，即（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。單交叉限幅燃燒控制系統的工作原理如下：在燃料流量調節回路中，爐溫調節器tc的輸出信號a，與根據空氣流量測量值fa算出的所需燃料流量加上偏置a1 (%)得到的信號b （3.1）相比較，由低值選擇器ls來選通a、b之一作為燃料流量調節器ffc的給定值sf。在空氣流量調節回路中，爐溫調節器tc的輸出信號a，與燃料流量測量值ff減去偏置a2(%)得到的信號d （3.2）相比較，由高值選擇器hs來選通a，d之一，再乘以空燃比r作為空氣流量調節器fac

39、的給定值sa。下面分別對負荷穩定，升負荷和降負荷時這三種狀態進行分析。系統處于穩定狀態時，爐溫調節器tc的輸出信號a同時作為空氣和燃料流量調節回路的給定信號，此時剩余空氣系數等于給定值s。當升負荷時，信號a急劇上升，發生正跳變。先看空氣流量調節回路的情況。此時，ad，hs選通a，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣流量增加；再看燃料流量調節回路的情況，當a正跳到ab時，ls選通b，a被中斷，b作為該回路的燃料流量給定值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。這樣，系統又

40、恢復到了穩定狀態。由于a跳變，b緩慢上升，即空氣流量給定值sa急劇上升，燃料流量給定值sf緩慢上升，實現了升負荷時“先增加空氣后增加燃料”,克服了空氣與燃料流量回路特性的差異，使得升負荷的動態過程能夠合理燃燒13。當降負荷時，信號a急劇下降，發生負跳變。先看燃料流量調節回路的情況。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d減少到da時，hs又選通a，再乘以r作為空氣流量給定值，交叉限制結束

41、。這樣，系統恢復到穩定狀態。由于a負跳變、d緩慢下降，即sf急劇下降，sa緩慢下降，實現了降負荷時“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。通過上述分析可知，該系統對燃料流量和空氣流量只規定了不超過冒黑煙界線，并沒有規定空氣過剩的界線。也就是說，系統只限制了升負荷時剩余空氣系數的下降幅度，即（s-a1），而不能抑制降負荷時剩余空氣系數的上升，這也是該系統的缺點。由于該系統只對剩余空氣系數做了單向限幅，故起名為單交叉限幅。3.4.2 單交叉限幅燃燒控制系統特點單交叉限幅燃燒控制系統升負荷時空氣先行，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具有以下特

42、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。這樣，可以防止冒黑煙。（2）一旦空氣系統出現故障，fa降于0，那么燃料流量也自動降為0，確保安全燃燒。（3）當降負荷時，不能抑制剩余空氣系數的上升，在這段動態過程中燃燒效率有所下降。由于單交叉限幅燃燒控制系統限制了剩余空氣系數的下限值，可以防止負荷增加的動態過程中燃料過剩所引起的不完全燃燒。但它沒有限制剩余空氣系數的上限值，因而導致負荷減少的動態過程中空氣過剩，使得燃燒效率降低。為了克服上述缺點，可采用雙交叉限幅燃燒控制系統。3.5 雙交叉限幅燃燒控制系統3.5.1 雙交叉限幅燃燒控制原理圖圖3.5 雙交叉限幅燃燒控

43、制原理圖雙交叉限幅燃燒控制系統是在單交叉限幅燃燒控制系統的基礎上，增加了高值選擇器hs2，低值選擇器ls2，正偏置+a4(%)和負偏置-a3(%),從而保證了爐子負荷擾動的過程中，既限制了剩余空氣系數的下限值，又限制了它的上限值，使得燃料流量ff和空氣流量fa分別限制在冒黑煙界限和空氣剩余界限之內。3.5.2 雙交叉限幅燃燒控制系統的工作原理在燃料流量調節回路中，爐溫調節器tc的輸出信號a，與根據空氣流量測量值fa算出的所需燃料流量減去偏置a3 (%)得到的信號c （3.3） 和信號b相比較，由高值選擇器hs2和低值選擇器ls1來選通a、c、b之一作為燃料流量調節器ffc的給定值sf。在空氣流

44、量調節回路中，爐溫調節器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 （3.4） 和信號d相比較，由低值選擇器ls2和高值選擇器hs1來選通a、e、d之一，再乘以空燃比r作為空氣流量調節器fac的給定值sa。下面分別對負荷穩定，升負荷和降負荷這三種狀態進行分析。系統處于穩定狀態時，爐溫調節器tc的輸出信號a同時作為燃料和空氣流量調節回路中的給定信號，此時剩余空氣系數等于給定值s 。當升負荷時，信號a急劇上升，發生正跳變，先看空氣流量調節回路的情況。此時ae時，ls2選通e，a被中斷，同時ed,hs1又選通e，再乘以r作為空氣流量給定值sa，使空氣隨著e值的增加而增加，即

45、空氣流量隨著燃料流量的增加而增加，交叉限制開始。當e增加到ea時，ls2選通a，e被中斷，同時，ad，hs1又選通a，再乘以r作為空氣流量給定值sa，交叉限制結束，此時系統恢復到穩定狀態；再看燃料流量調節回路的情況，此時ac，hs2選通a。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b增加到ba時，同時ac，hs2選通a，ls1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，此時系統恢復到穩定狀態。至此，升負荷的過渡過程結束。在這個動態的過程中，燃料流量和空氣流量互相影

46、響，交替增加8。當降負荷時，信號a急劇下降，發生負跳變。先看燃料流量調節回路的情況，此時ac，hs2選通a。當a負跳變到ac時，hs2選通c，a被中斷，同時cb，ls1又選通c，c作為該回路的燃料流量給定值sf，使燃料流量隨著c值的減小而減小，即燃料流量隨著空氣流量的減小而減小，交叉限制開始。當c減小到ca 時，hs2選通a，同時，ab，ls1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。此時系統恢復到穩定狀態；再看空氣流量調節回路的情況，此時ae，ls2選通a。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

47、流量的減小而減小，交叉限制開始。當d減小到da時，同時aa1 (%)，當升負荷時多增加一些空氣流量，實現“先增加空氣后增加燃料”，選擇a3(%)a2(%)，當降負荷時多減少一些燃料，實現“先減少燃料后減少空氣”，這樣，不僅可以使燃料和空氣流量的變化速度相協調，而且可以解決因燃料流量調節閥的動作過快，往往空氣流量調節閥跟不上而失調，引起冒黑煙的問題。（3）在穩態過程中防止空氣和燃料流量的波動，+ a1 (%)和- a3 (%)可以防止因空氣流量的波動而引起燃料流量的波動，而- a2 (%)和+ a4 (%)可以防止因燃料流量的波動而引起空氣流量的波動。這就相當于設置了一個死區，可以防止干擾和改善

48、系統響應特性。3.5.3 雙交叉限幅燃燒控制特點雙交叉限幅方法是針對動態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，從而實現了燃料流量和溫度的良好控制。但由于系統分析也是基于理想狀態，在實際應用中也存在不足之處。雙交叉限幅燃燒控制系統的優點：（1）保證空氣過剩率雙交叉限幅有力地限制了空氣過剩率的實際值，克服了單交叉限幅的不足，從而保證了在負荷波動的過程中，空氣過剩率不會遠遠偏離設定值，保證燃燒控制系統工作在最佳燃燒區域內。（2）克服煤氣壓力波動的影響在加熱爐系統中，煤氣壓力的波動范圍非常大（2.5kpa10.0kpa），在同一閥門開度下，導致煤氣

49、流量發生很大的變化。雙交叉系統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，從而保證了系統不受壓力波動的干擾。（3）出鋼質量和環境保護雙交叉限幅減少了缺氧燃燒和過氧燃燒帶來的熱損失，降低了系統的能耗，同時避免了鋼的過氧燒損，保證了出鋼質量。并且最大程度上降低了黑煙以及nox和sox給環境帶來的污染。雙交叉限幅燃燒控制方式的缺點：雙交叉限幅燃燒控制方式雖然能保證燃燒系統工作在最佳區域內，但是其控制方式在實際的工程應用中效果較差，通過理論分析總結出了影響雙交叉限幅性能的原因：（1）響應速度慢從原理分析可以得出，雙交叉限幅燃燒控制實質上犧牲了系統跟蹤負荷變化的速度，降低了系統的響應

50、速度。當a1a4選擇很小的時候，雖然能夠達到節能的目的，并且有利于環保，但過小的限幅系數使系統對負荷變化響應的快速性大大降低。（2）無法克服熱值波動在燃燒控制系統中，由于煤氣熱值發生變化，空燃比應該跟著變化，否則就不能保證系統的最佳燃燒控制。當熱值上升時，空燃比應該上升；當熱值下降時，空燃比應該下降。然而，串級比值控制系統和交叉限幅控制系統均是在假設空燃比為定值的條件下得到的，沒有考慮空燃比隨燃料成分和加熱負荷等因素變化而改變的情況，實際上是一種開環控制方法。（3）控制系統容易出現震蕩現象當控制系統中的煤氣流量信號發生突變時，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

51、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，整個控制系統會由于信號的突變震蕩起來。通過分析和試驗結果表明，無論單交叉還是雙交叉燃燒控制系統，他們都是用犧牲系統跟蹤負荷的速度，來換取燃料和空氣流量之間相互制約，并限制剩余空氣系數的瞬態變化，從而達到節約能源的目的。單交叉限制的相應速度較慢，且主要影響負荷，而雙交叉限幅的相應速度更慢，對升、降負荷都有影響。研究結果表明，四個偏置+ a1 (%

52、)、- a2 (%)、- a3 (%)、+ a4 (%)的取值與系統對負荷相應速度和節能效果有關。從節能的觀點看，希望四個偏置的取值小點，但這樣一來會使系統對負荷響應速度變慢。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帶來的擾動，也必須用偏置來給系統設置一定的死區，所以希望四個偏置的取值大點。一般要根據實際情況和控制要求在調試中確定四個偏置值。綜合考慮節能效果和系統對負荷響應的快速性這兩方面的影響，并通過試驗研究，建議選擇a1= a2 =2%5%，a3= a4 =8%。如果要求調節過程短，則取上述偏置的上限值，如果著眼于最大限度節能

53、，則取下限值。雙交叉控制系統的優點是對剩余空氣系數進行雙向限幅，保證燃燒始終維持在最佳燃燒區，有利于節能，但它的缺點是偏置過小使系統對負荷響應速度變慢。第四章 加熱爐溫度控制系統仿真4.1 對象模型的建立 控制系統的數學模型在控制系統的研究中有著相當重要的地位，要對系統進行仿真處理，首先需要知道系統的數學模型，而后才有可能對系統進行仿真。同樣，只有知道系統模型，才有可能在此基礎上設計一個合適的控制器，使系統響應達到預期效果，滿足實際的工程需要。 在線性系統理論中，常用的數學模型形式有：傳遞函數模型（系統的外部模型）、狀態方程模型（系統的內部模型）、零極點增益模型和部分分式模型等。這些模型之間都有著內在的聯系，可以相互進行轉換。 微分方程是控制系統模型的基礎，一般來講，利用機械學、電學、力學等物理規律便可以得到控制系統的動態方程，這些方程對于線性定常連續系統而言是一種常系數的微分方程。 控制系統動態微分方程的建立基于以下兩個條件：（1）在給定量產生變化或擾動出現之前，被控量的各階導數都為零，即系統是處于平衡狀態的，因此，在任一瞬間，由各種不同環節組成的自動控制系統用幾個獨立變量就可以完全確定系統的狀態。（2）建立的動態微分方程式是以微小增量為基礎的增量方