燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统设计.docx

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燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统设计

课程设计任务书

1．设计目的：

（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。

（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。

（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；

（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；

（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。

在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。

1.确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；

2.现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；

3.给出控制系统方框图；

4.分析被控对象特性，选择控制算法；

5.进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；

6.写出设计工作小结。

对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：

如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、实物样品等〕：

1．确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。

2．撰写课程设计说明书一份（A4纸）。

4．主要参考文献：

[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社

[2]《过程自动化及仪表》俞金寿主编化学工业出版社

[3]《工业过程控制工程》王树青主编化学工业出版社

[4]《控制仪表及装置》吴勤勤主编化学工业出版社

[5]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社

[6]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社

[7]《过程控制装置》张永德主编化学工业出版社

[8]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱主编化学工业出版社

[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）朱有庭主编化学工业出版社

[10]《工业过程检测与控制》孟华主编化学工业出版社

5．设计成果形式及要求：

提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，且格式要符合规定要求；

系统控制流程图一份；

6．工作计划及进度：

2011年12月19日-12月21日确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；

12月22日-12月25日控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；

12月26日-12月28日进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；

12月29日-12月31日编写课程设计说明书

1月4日答辩

系主任审查意见：

签字：

年月日

目录

1概述………………………………………………………………………………7

2被控对象特性的研究……………………………………………………………7

2.1被控变量的选择……………………………………………………………7

2.2操纵变量的选择……………………………………………………………7

2.3被控对象的数学描述………………………………………………………7

3燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立…………………………10

4执行器的数学模型……………………………………………………………10

5检测变送器的数学模型………………………………………………………10

6过程检测仪表的选用……………………………………………………………11

6.1测温元件及温度变送器……………………………………………………11

6.2执行器………………………………………………………………………11

6.3调节器………………………………………………………………………12

7参数整定与实验仿真……………………………………………………………13

8课程设计总结……………………………………………………………………16

9参考文献…………………………………………………………………………16

1.概述

燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，一般大型窑炉燃料多为重油，轻柴油或煤气、天然气。

窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备，输送设备等四部分组成。

窑炉大致分为箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉（碳管炉）、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉，工作温度200～2500℃。

可用于ZnO压敏电阻器、避雷器阀片、结构陶瓷、纺织陶瓷、PTC&NTC热敏电阻器、电子陶瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜电路、片式电阻、磁性材料、粉末冶金、电子粉体、稀土化工、聚焦电位器、陶瓷基板、高铝陶瓷及其金属化，触头材料、硬质合金材料、钨钼材料等的烧成。

本次课程设计是要完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统的设计，采用的是单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

单回路控制系统的有如下特点：

系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。

但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。

在本次课程设计中，为了简化系统模型、便于分析，采用如下假设：

1、燃料为天然气，被加热的介质为砖，砖的厚度为7厘米

2、窑炉为绝热炉，废渣不带走热量

3、空气供应充足，燃料在炉内能够充分燃烧

2.被控对象特性的研究

燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，其工作原理为燃料进入炉内燃烧，其发出的热量一部分被被加热介质所吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。

为了满足工艺的需要，必须使炉内温度维持在一定的范围内。

影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

2.1被控变量的选择

被控变量是生产过程中希望保持在定值获按一定规律变化的过程参数。

在燃烧式工业窑炉温度控制系统中，我们希望炉内的温度保持在一定的范围内，因此可以把炉内的温度作为被控变量。

2.2操纵变量的选择

在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。

对于燃烧式工业窑炉，燃料的流量对炉内温度的影响最大，因此可以把燃料的流量作为操纵变量。

2.3被控对象的数学描述

对于燃烧式工业窑炉，其控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

图1燃烧式工业窑炉温度控制示意图

现假设空气充足，燃料能够充分燃烧，且窑炉是绝热的，没有热量损失，则燃料燃烧的热量一部分被被加热的介质所吸收，另一部分用于维持窑炉整个环境在一定的温度范围内，现假设窑炉内整个空气环境所拥有的热量为Q,燃料的体积流量为

，燃料的燃烧值为

空气的质量为

，空气的比热容为

，被加热介质的传热系数为

传热面积为

，炉内温度为

，被加热物质和空气的原始温度为

。

根据热量关系，有

其中

，则

将上式带入

（1）式，得到

对上式进行增量化，则

，得到

对上式进行拉普拉斯变换，得到

则

现假设燃料为甲烷，被加热的物质为砖，

砖的厚度为0.07m，长为0.2m，宽为0.1m

甲烷的燃烧值

为

，

空气的质量

空气的比热容为

砖的传热系数为

所有砖的传热面积为

将以上数据带入

（2）式，得到

3.燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立

燃烧式工业炉的工作方式为：

燃料进入炉内燃烧，其热量主要用于两部分，一部分用于被加热介质的吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。

影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

控制方案采用单回路定值控制系统，其方框图如下：

图2单回路定值控制系统方框图

从控制任务要求可知，燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统是单点、恒值控制，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID控制即可。

4.执行器的数学模型

对于电动执行器，由于选用的是直线型流量调节阀，输入与输出成线性关系，其增益为

5.检测变送器的数学模型

选用热电偶温度检测变送器，对于热电偶温度一体化变送器，由于其输入与输出成线性关系，所以其增益为

6.过程控制仪表的选用

6.1测温元件及变送器

根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。

热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。

热电偶温度计有以下特点：

①测温精度高，性能稳定；

②结构简单，易于制造，产品互换性好；

③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；

④测温范围广，可达-200~2000℃；

⑤形式多样，适用于多种测温条件；

在此，我们选用一体化温度变送器，Sure301系列热电偶、热电阻一体化温度变送器（以下简称温度变送器）是由温度传感器与信号转换器组成。

本产品经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格，防爆合格证为GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。

广泛用于石油、化工、冶金、机械、煤炭、电站、船泊、国防等部门用来测量液体、气体和蒸汽

等介质的温度。

图3热电偶温度检测变送器

■热电偶测量范围：

0~1200℃

 ■测量精度：

热电阻为±0.2%；热电偶为±1%~±2%；冷端补偿为±2℃/60℃

 ■温度漂移：

±0.025%℃，年漂移＜±0.5%

 ■供电电压：

24VDC±10%（4-20mA电流型模块最低工作电压需要10V余下供负载）

 ■负载能力：

0-600欧姆（24V电压时）电压变化影响＜0.015%V

■环境湿度＜85%，且无腐蚀性

6.2执行器

执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。

电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。

考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。

可分为角行程（DKJ型）和直行程（DKZ型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。

按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。

根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。

标准技术参数

阀体型式：

直通铸造球形阀

阀尺寸：

DN20~200

额定压力：

PN16，PN40，PN63，PN100

连接形式：

法兰（标准型）

法兰标准：

钢制法兰按GB9113-2000，JB|T-94

密封面型式：

PN16为突面

材料：

阀体，阀内组件材料配套和工作温度范围参照ZMA|BM

压盖形式：

压板式

填料：

V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料

垫片：

型式，齿型和平型材料，F4|改性F4，不锈钢+石墨

结构形式：

压力平衡型式

阀芯：

柱塞型

套筒：

金属密封，线性特性（LG）

执行机构

型式：

电动（电子）式执行机构

381LSA|XA-08，381LSA|XA—20

阀作用：

正在用

控制动作：

比例控制

输入信号：

4—20mADC（负载电阻500以下）

功耗：

A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA

保护等级：

IP55

出线连接：

普通S型G1|2，防爆X型G3|4

环境温度：

无空间加热器-10~60

有空间加热器--35~60

防爆X型-10~40图4电动执行器

环境温度：

普通S型95%以下

防爆X型45~85%

防爆等级：

ExdllBT4

过载保护：

A、B型任选，C型必配

手动装置：

带手柄

6.3调节器

调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。

目前在中国工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。

我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。

表1DTZ-2100型全刻度指示调节器相关参数

输入信号

1~5V.DC

内给定信号

1~5V.DC

外给定信号

4~20mA.DC

调节作用（比例+积分+微分）

比例带：

2~500%

积分时间：

0.01~2.5分

微分时间：

0.04~10分（可切除）

输入、给定指示表

指示范围：

0~100%，误差：

1%

输出指示表

指示范围：

0~100%，误差：

25%

输出信号

4~20mA.DC

负载电阻

250~750Ω

工作条件

环境温度：

0~45℃

工作振动：

频率

25Hz

7.参数整定与实验仿真

图5实验连接图

表2调节器参数经验数据

系统

参数

温度

流量

压力

液位

20-60

40-100

30-70

20-100

3-10

0.1-1

0.4-3

0.5-3

对于PID调节器，运用经验试凑法对其进行参数整定，根据调节器参数经验数据表，由于本次设计控制的是窑炉内的温度，所以初步选择

，

，

经过实验仿真，得到如下响应曲线：

图6实验响应曲线图

当

，

时

图7实验响应曲线图

当

，

时

图8实验响应曲线图

当

，

时，

图9实验响应曲线图

经过比较，得到当

，

时，能得到理想的响应曲线。

8.课程设计总结

本次课程设计通过对燃烧式工业窑炉工作原理的分析，结合题目的要求，即采用单回路控制系统对炉内的温度进行定制控制，决定选用炉内的温度作为被控变量，选用燃料的进料流量作为操作变量，通过对系统的分析，建立了被控对象的数学模型，然后选用合适的检测变送器和执行器、调节器，调节规律采用PID调节，其参数通过经验试凑法来进行整定，然后运用matlab软件进行仿真，再修改调节器的参数，得到理想的响应曲线。

通过本次课程设计，我对单回路控制系统有了进一步的了解，学会了如何选择被控变量、如何选择操纵变量，能够对简单的被控对象建立相应的数学模型，加深了对PID调节规律的理解，学会了如何整定PID调节参数，能够初步对检测变送器、执行器进行选型，同时也加强了对matlab软件的运用能力。

9、参考文献

[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅张早校主编化学工业出版社

[2]《自动控制原理》胡寿松主编科学出版社

[3]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社

[4]《过程控制工程》梁昭峰李兵裴旭东主编北京理工大学出版社

[5]《工业窑炉节能技术》王学涛主编化学工业出版社