型钢加热炉温度控制系统设计及仿真研究毕业论文.docx
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型钢加热炉温度控制系统设计及仿真研究毕业论文
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题目：
型钢加热炉温度控制系统设计及仿真研究
加热炉温度控制系统设计及仿真研究
摘要
加热炉是一个典型的复杂的工业被控对象，它很显著地具有多变量，时变，非线性，强藕合，大惯性和纯滞后等特点，而且由于炉温分布难以测量，外界扰动因素多，很难对其进行准确建模和控制。
并且，随着工艺要求的日益提高，以前的传统控制方法己经不能满足现在的社会需求。
本设计将对加热炉控制的关键问题：
燃烧控制、温度控制以及空燃比优化等进行研究，因此，本设计主要涉及以下几点：
1.采用炉温---燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。
2.在现有几种燃烧控制方法的基础上，提出了双边限幅控制。
3.提出了变空燃比的控制。
4.运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。
关键词：
加热炉；炉温---燃烧串级控制；双边限幅控制；仿真
TheDesignandSimulationofFurnaceTemperatureControlSystem
Abstract
Furnaceisatypicalindustrialcomplexobject,Itisnotabletohaveamulti-variable,time-varying,nonlinear,strongcoupling,andtheinertialcharacteristicsofpuredelay,andbecausethetemperatureoffurnaceisdifficulttomeasure,externaldisturbancefactors,itisdifficulttoaccuratelymodelingandcontrol.And,Withtheincreasingrequirementsoftheprocess,thetraditionalcontrolmethodhasbeenunabletomeetthecurrentneedsofthecommunity.thedesignrelatesmainlytothefollowingpoints:
1.usingcombustiontemperaturecascadecontrolmethodoftemperaturecontrol.2.Severaloftheexistingcombustioncontrollingmethodsonthebasisofbilaterallimitingcontrolled.3.Changeoftheair-fuelratiocontrol.4.UsingMATLABsoftwareonthetemperaturecontrolsystemforamorecomprehensivesimulationandperformanceanalysis.
Keywords:
Furnace;Combustiontemperaturecascadecontrol;bilaterallimitingcontrol;MatlabSimulation
第一章绪论
1.1概述
随着科技的飞速发展，能源与环境面对着巨大的挑战。
不可再生能源的枯竭，现代工业能源利用过低，环境污染严重，使人们意识到我们面对着一个很大的挑战。
为了解决如今所面对的问题，我们可以从两个方面来进行改革。
第一：
寻求新的能源，探索世界未知领域是当今科学研究的主流；第二提高工业能源的利用率、保护环境，沿着可持续发展的路线走下去是现代工业当务之急必须采取的改革措施。
对于一个钢铁冶金企业来说，能用最低的生产成本生产出高质量的产品是其最重要的生产目标，也是实现企业利润最大化的必由之路。
随着世界能源危机的逐渐加剧，各个国家都在加紧研究工业生产的节能降耗问题，作为能耗大户的钢铁冶金行业对于节能降耗问题起到了举足轻重的作用，这个占整个冶金工业能耗四分之一强的加热炉能耗问题走到了首当其冲的位置，加热炉节能降耗的问题对于钢铁冶金企业的意义重大。
加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的25%,而其温度控制性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量。
目前，国内仍有大量的加热炉停留在简单的人工控制或者通过电子仪表进行手工电动操作，这种操作方式劳动强度大、控制粗糙、节能效果不好、对操作工的水平要求较高。
随着要求高效利用能源和降低环境污染等问题的日益急迫，急需对加热炉之类的工业炉窑实行自动优化控制以实现节能和降低对环境的污染。
因此，提高加热炉控制水平，建立良好的炉温自动控制系统成为当务之急。
1.2国内外现状
早在60年代初，世界上许多国家如美国、前苏联、联邦德国等国家已开始研究加热炉的优化策略。
最初，加热炉控制一般采用常规仪表。
由于受到常规仪表功能限制，很难组成复杂的控制系统。
同时，随着计算机技术的逐步发展、成熟,使得加热炉控制应用复杂、先进的控制策略成为可能。
因此，计算机技术逐步取代常规仪表，在加热炉中得到应用，计算机技术的应用也极大的促进了控制策略的进一步发展。
日本是最早将计算机技术引入加热炉生产过程的国家之一，而且发展迅速。
随后，其它国家如英国、美国、法国、德国、加拿大、前苏联等也分别在六七十年代将计算机引入加热炉生产过程。
我国是从八十年代初期开始对加热炉生产过程进行计算机控制技术的研究，虽然起步较晚，但目前在控制理论和关键技术的开发和应用方而作了大量工作。
我国轧钢企业的加热炉很多，大型现代化炉子都配备了计算机监控或控制系统，进行了不同层次的控制，绝大多数控制系统以燃烧控制为主，有的控制系统具有优化功能，而高级控制系统虽有研究但应用还较少[2]。
总之，我国的理论研究虽已赶上国际水平，但国内加热炉的控制水平与先进国家相比还存在较大的差距，还有许多处于手工操纵阶段。
1.3本设计的研究内容
本设计源于钢铁公司三段式推钢侧出加热炉，燃料采用高炉焦炉混合煤气。
在参照相关理论的基础之上，设计了该加热炉控制系统，包括加热炉内的炉温燃烧串级控制、单边限幅燃烧控制、双边限幅燃烧控制。
很好地抑制了处于副环（煤气热值和压力的波动、生产率的改变及炉内参数的变化等）的干扰因素对加热炉运行的影响；同时高效的利用了能源和降低了环境的污染；提高了炉温控制的快速性，实现了加热炉燃烧过程的有效控制。
具体来说，本设计主要完成了以下几个方面的工作:
（1）查阅了大量的文献资料，对国内、外加热炉计算机控制系统发展及应用现状
作了详细的综述，指出了加热炉控制存在的问题和系统研究的意义。
（2）对加热炉的核心技术—燃烧机理进行了深入研究，阐述了燃烧效率与空燃比的关系。
并且从工艺角度对加热炉中关键技术提出了相应的要求，分析了加热炉控制系统的难点。
（3）采用炉温—燃烧串级控制方式实现温度的自动控制。
详细分析各段不同的升温特性，以此为依据设计了炉温模糊控制器。
（4）运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。
1.4小结
本章从节能、环境和出钢品质问题入手，根据国内现状，提出了改造加热炉炉温--燃烧控制系统的问题。
同时，基于国内加热控制系统的现状和加热炉本身的特性，本设计提出了三点：
（1）从节能和环境问题入手对燃烧控制系统提出了双边限幅控制。
（2）从出钢的品质要求、加热炉本身的大惯性和纯滞后等特性、随机因素干扰多
等问题入手对炉温控制系统提出了串级控制。
（3）将模糊控制与传统PID相结合将有效的提高系统的鲁棒性，改善PID的不足。
燃烧控制系统和炉温控制系统不是独立的，没有燃烧控制又何从谈炉温控制；只谈燃烧控制而没有炉温控制又有何意义。
即燃烧控制决定了炉温控制，炉温是燃烧控制的一个重要的外在表象。
则燃烧控制和炉温控制是相互联系相互影响的，在本设计中它们是处于一个大系统中的，即炉温---燃烧串级控制系统。
因此，节能、环境和出钢品质问题是一个有待整体解决的问题。
第二章加热炉工艺及难点分析
.21加热炉工艺流程
加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度[3]。
在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使产品达到需要的品质。
图2.1加热炉结构图
此加热炉为三段式（即预热段、加热段、均热段）端进侧出加热炉，沿炉长方向分为预热段、II加热段、I加热段和均热段，如图2.1所示。
预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热炉中的钢坯，从而提高燃料的利用率，为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料，分成五个控制区域对加热炉的燃烧过程和炉温进行控制，即预热段区，并将I加热段和II均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独控制，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量控制器、煤气流量控制器，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制[4]。
为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然要求对加热炉内的温度进行有效的控制使其保持在某一特定的范围内，出钢温度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源浪费，甚至造成粘钢的严重事故。
过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命。
而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。
另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求，（这里气氛主要是指氧化气氛和还原气氛，具体要求视加热工艺要求而定）如果氧化气氛过重，会使被加热金属表面生成较厚的氧化皮，不仅浪费材料，而且严重的还会影响产品表面质量。
如果还原气氛过重，不仅白白浪费大量燃料，同时还污染了空气，可见，燃烧过程是影响加热炉系统的关键。
2.2燃烧机理分析
燃烧过程是燃料（固体、气体、液体或者它们的混合燃料）的氧化过程，而氧化反应生成的热正是我们所需要的热量。
当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低并不由燃料数量的多少来决定，而取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。
同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。
但是空气中的氮气不仅不参与燃烧，而且还要起一种稀释作用，从而降低了火焰的温度，由此可见，在实际工况中，最高火焰温度是发生在空气微过量的情况下。
根据热力学的原理，辐射的能量与火焰绝对温度的四次方成正比，所以炉子的最高效率总是在火焰温度最高的情况下才能出现[5]。
图2.2燃烧系统评估因素
图2.2表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。
同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的配比，即空燃比来描述：
设μ为剩余空气系数，r为空燃比。
其定义如下:
（2-1）
（2-2）
可知空燃比r与剩余空气系数μ的关系为：
（2-3）
（2-4）
为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的理论空气量。
和
分别为空气流量的测量值和最大值。
和
分别为燃料流量的测量值和最大值。
为理论空气修正系数。
从图2.3可以看出，当μ为1时，是理论上达到合理空燃比所需要的空气量；但在实际中，μ＜1和1≤μ＜1.02分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。
但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当μ＞1.10时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低，同时，过多的Ox会使NOx和SOx增加，对环保也不利。
因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.02≤μ≤1.1是最佳的燃烧方案，在此燃烧区域内，可以得到如下的经济效果：
（1）燃烧效率最高，综合的热损失最小，达到节能的目的。
（2）减少燃烧空气量和排风量，节省风机的动力费用。
（3）既能避免黑烟的出现，又降低NOx的生成，减少空气污染。
（4）降低SOx的生成，防止设备腐蚀，延长了炉龄。
（5）减少灰分，使除尘器小型化并节省维护费用。
2.3加热炉工艺要求
加热炉系统非常复杂，很多系统相互影响，为了达到工艺水平，保证出钢的质量，对以下几个部分做出了相应的要求：
炉膛温度、煤气和空气流量（燃烧过程）、炉膛压力、送风总管压力等[6]。
2.3.1炉膛温度
在加热炉系统中，炉温的高低直接决定钢坯的温度。
如果炉温偏低，导致钢坯温度偏低，钢坯软度不够将会损坏轧钢机；如果炉温偏高，钢坯会在加热炉中发生粘结，因此，对炉膛的温度范围有较高的要求。
炉膛温度是个复杂的被调量，受到很多因素的干扰，如各段之间温度的相互影响，冷钢进入加热炉导致的温度降低，预热空气温度的波动，炉膛压力的变化。
对于炉膛温度，我们的要求是，当加热炉内的温度稳定不变时，喷入炉内的煤气流量也能恒定不变；而当炉温受到外界扰动作用偏离给定值时，则煤气流量又必须作相应地变化，以使热能的供需达到新的平衡，从而保持炉内温度恒定不变。
在动态过程中，必须要保证响应的快速性和较高的鲁棒性。
2.3.2燃烧过程
燃烧的基本条件是燃料和空气，通过燃烧器将燃料和空气充分混合是燃料完全燃烧的关键，根据对燃烧机理的剖析，为了节能和保护环境，不管是在燃烧稳定的状态下还是在过渡状态下，都必须将空气流量和燃料流量的空燃比控制在正常值上。
在通常的燃烧系统中，常常是根据大量的经验总结给出操作中应遵循的空燃比要求，然后在燃烧中保持此空燃比，同时稳定炉温在设定范围内。
但是加热炉中使用的燃料性能不高，燃料的热值的慢时变是不可避免的，当燃料的热值变化较大时，继续保持预先设定的空燃比就没有意义了。
这就意味着燃烧控制系统要根据燃料的具体情况使燃烧状况符合一定的要求，在这种情况下如果仍然人为设定为一固定的空燃比显然是无法使燃烧保持最优的，所以，在要求较高的燃烧系统中最好具备动态优化空燃比的功能。
因此，燃烧过程应满足以下两点要求:
[7]
（1）保证空气流量和煤气流量按照设定的空燃比实现快速调节。
（2）在工艺要求和外界干扰的情况下，空燃比设定值能在线优化。
2.3.3炉膛压力
炉膛压力是保证加热炉良好燃烧状况的一个重要因素，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果，对出钢质量有很大影响。
以均热段的炉膛压力检测点为准。
当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷，造成很大一部分热损失。
当然，均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其他开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且由于其必须被加热到炉温后才能排除，这样造成了燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料，且给炉膛温度控制系统带来很大的麻烦，是绝对不允许的。
可见，这两种情况对炉内热工过程均不利。
从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调节炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。
而在炉内压力发生波动时，根据炉膛压力检测结果，改变炉压调节器的输出，即通过烟道阀门开度的大小，改变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值上，以维持炉内微正压。
2.3.4送风管总压力
为了保证燃烧充分，要使烧嘴喷出的煤气和空气有一定的速度且能充分混合，就必须使供风压力达到一个合理的值。
因此，要保证炉温控制的顺利进行，必须对送风总管的压力进行有效的调节。
同时，供风压力必须和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调节的灵敏度。
若煤气压力过低，必须相应调低供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调节行程大致相同，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。
反之，若煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调节更为准确，以免在调节过程中出现黑烟。
2.4加热炉难点分析
2.4.1被控对象特性
加热炉难以用严格的数学表达式来描述其特性，是具有大惯性、时变性、严重非线性等特性的对象，其结构复杂，受许多干扰因素的影响，燃料的发热值又很难在线准确测量，且炉内参数多变。
因此，一般线性调节器不能满足对象及工艺控制的要求，而对于燃烧控制系统，采用PID算法双交叉限幅效果较好。
从上述可归纳出被控对象有以下特性[8]:
（1）系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；
（2）系统滞后的未知性和时变性；
（3）系统严重的非线性；
（4）系统各变量间的关联性；
（5）环境干扰的未知性、多样性和随机性。
由此可见，加热炉系统是具有不确定性的复杂控制对象。
2.4.2加热炉控制难点
我国的加热炉自动化系统，大多还处于第1代的水平，只有10%左右用上了第2代PLC/DCS系统[9]。
由于加热炉复杂的工艺对象特性以及检测/驱动设备较差，给加热炉实施全面自动控制带来种种困难。
具体表现在:
（1）工艺粗糙复杂
首先，加热炉是一个复杂对象。
钢坯加热炉一般是多段式复合结构，分段加热，各段之间温度相互影响。
其燃烧升温过程是一个典型的具有时变性、非线性、滞后性等特性的过程。
要描述炉内热交换机理除包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很多不确定因素。
因此，要以数学方法建立加热炉这种复杂、粗糙对象的模型是十分困难的。
其次，燃料波动大。
由于煤气是供应全厂区生产，每一处使用都会对其他地方产生影响，故压力波动非常大（在该课题中实测为2.5～10Kpa）,且混合煤气的成分也在发生变化，使煤气的燃值也发生变化，进而引起炉温的波动。
第三是生产节奏波动。
由于加热炉车间是为轧钢生产线服务的从属车间，故轧钢生产线故障及生产节奏的变化对加热炉生产影响较大，造成加热生产节奏经常波动。
（2）检测/驱动设备不良
检测/驱动设备是加热炉自动控制系统的重要设备，其检测数据是否准确、控制信号能否得到顺利执行将直接影响到调节效果。
但目前国内加热炉大多存在如下问题:
调节阀线性不好，有时煤气堵塞，致使控制不灵；有些流量检测环节设计不好，流量难以计测。
这些给加热炉控制带来很多困难，造成炉子的大惯性以及阀的非线性，传统PID难以克服；流量测量不准确，双交叉限幅响应速度慢，基础自动化无法投运；数学模型虽功能齐全，但由于假设过多，与实际模型相差甚远，不能真正投运；残氧检测不合实际，无法克服热值波动影响，无法进行空燃比寻优。
2.5小结
对加热炉的工艺流程作了简单的介绍，最后提出了工艺要求，即炉膛温度、煤气和空气流量（燃烧过程）、炉膛压力、送风总管压力是必须控制的。
同时，对需要控制的对象作了介绍，为后续的设计提供了依据和明确了工作。
特别的介绍了炉温对象的特性和期望达到的控制目标；也从多个方面指出燃烧控制是一个关键。
因而本章为后续的设计思路指明了方向。
第三章加热炉控制系统
3.1加热控制系统结构设计
根据对加热炉工艺的深入分析，最终建立的加热炉控制系统结构框图如图3.1所示：
图3.1加热炉控制系统框图
整个系统由以下几个部分构成[11]：
（1）供风压力单回路PID控制系统；
（2）汽包液位单回路PID控制系统;
（3）炉膛压力单回路PID控制系统;
对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位，由于被控对象单一，所以仅需要采用单回路PID就能达到较好的效果。
（4）炉温――燃烧串级控制系统；
炉膛温度和燃烧系统紧密联系，温度控制器输出量作为燃烧控制器的给定值，而燃烧控制的结果，空气流量和燃料流量的配比，直接影响炉膛的温度高低，从结构上看，二者串联在一起，共同影响炉膛温度。
因此，本文选用炉温---燃烧串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。
3.2炉温---燃烧串级控制
3.2.1串级控制特点
所谓串级控制系统是指一个调节器的输出用来改变另一个调节器的设定值，两台控制器从结构上看是串联在一起的控制系统。
串级控制的特点在于[12]：
（1）改善了过程的动态特性，提高了系统的控制质量。
（2）由于发生于副回路内部的干扰，通常在它影响主被调量之前，就被副调节器校
正了，故具有较强的抗扰动性能。
（3）对负荷变化具有一定的自适应能力。
（4）副回路可以按照主回路的需要对质量流量或能量流量实施精确控制。
3.2.2炉温---燃烧串级控制分析
加热炉的温度控制一共分为五部分，每一部分单独设置一串级系统来实现炉膛温度的自动控制。
在此系统中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即燃烧控制器的设定值，通过燃烧控制器去决定煤气阀门和空气阀门的开度。
而煤气压力波动等变化剧烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。
在稳定状态下，炉温控制器和燃烧控制器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。
当稳定状态被破坏时，炉温控制和燃烧控制的串级控制开始作用。
（1）煤气压力波动。
当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。
在初始阶段，由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温控制器的输出暂时不变，即煤气流量的设定值不变。
由于误差的产生，煤气流量控制器发生作用，经过副回路的调节作用，会大大削弱它对炉温的影响，而此时炉温控制器开始工作，不断改变的副控制器的设定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。
（2）炉温变化。
当炉温降低时，温度控制器开始动作，控制输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量控制器输出增大，阀门增大开度，炉温逐渐升高，直到重新恢复设定值。
可见，串级控制系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案，在本章中首先分析炉膛温度控制器的设计方法。
3.2.3主回路温度控制策略选择
本设计对加热炉炉温采用PID控制。
所谓PID控制，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算确定输出量，对被控对象进行控制的方法。
当P、I、D三个参数达到最佳系数组合，PID的控制效果是很好的。
然而，PID控制的难点是P、I、D三者系数的整定问题。
方法如下：
控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类：
一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。
本设计主要讲解工程整定方法，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法[13]。
临界比例度法在系统闭环情况下，将控制器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改变，直到过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。
此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。
衰减曲线法此法与临界比例度法有些类似。
不同的是让过渡过程最终呈现4：
1衰减振荡为止。
此时的比例度（δs）和振荡周期（Ts）即是我们需要的。
因此，在纯比例情况下，系统不会出现等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减曲线法在此种情况下也同样能用。
因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进行整定。
对系统进行整定，用衰减曲线法4：
1衰减振荡时，控制器参数经验公式如表3.1：
表3.1控制器参数经验公式
反应曲线法在此也不再做介绍。
3.3常规模糊控制器结构分析
3.3.1控制器基本结构
模糊控制系统原理框图如图3.2所示，从图中可以看出，模糊控制系统与通常的数字控制系统的主要差别是以虚线框内的模糊控制器代替了传统的控制器[19]。
模糊控制器是模糊控制的核心。
一个模糊控制系统的优劣，主要是取决模糊控制器的结构，所采用的模糊规则，合成推理法，以及模糊决策的方法等因素。
模糊控制器（FussyController，FC），也称为模糊逻辑控制器（FussyLogicalController，FLC），它是基于模糊语句描述的语言控制规则，所以
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