（机械设计及理论专业论文）自动送料式铜阀红冲加热炉设计及控制系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 针对国内铜棒红冲加热设备加热手段原始、能源浪费巨大、环境污染严重、 工作条件恶劣、产品质量低下的现状，对自动送料式高效红冲加热炉及控制系 统进行了研究，主要工作有以下几个部分： 系统研究了多种加热方式的特点及其加热设备的结构，研究了各种加热方 式的控制方法以及进行测试和控制参数整定的一般方法，对各种加热方式的优 劣进行了对比，提出了可行的加热方案。 对各种机械结构在高温下工作的实验结果进行了对比和分析，总结了有效 结构的优势所在。按功能要求进行了炉体尺寸设计，研究了不同保温材料的保 温特性，建立了保温材料设计计算模型。 分析了控制功能的需求，设计了控制电路的各功能模块。开发出能用于加 热系统控制方法研究的具有通用接口协议的测试软件，并用于系统的测试和控 制方法的研究。 总结了实验中所使用的系统识别方法和理论。通过实验，仿真，实验数据 的分析建立起了加热炉的理论模型。 提出了改进的基于重复控制补偿的高精度p i d 控制，并通过理论仿真和具 体实验对控制方法的有效性进行了验证。 关键词：加热炉，结构，温控电路，串口通讯，系统辨识，p i d 控制，重 复控制补偿p i d 控制 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t e n e r g yn m e n d o u sw a s t ea n ds e r i o u se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nc o m p a n i e dw i t h p o o rw o r k i n gc o n d o m 1 0 wq u a l i t yp r o d u c t sh a v eb e e nc o s tb yd o m e s t i ch e a t i n g c o p p e re q u i p m e n t a b o v ea l lo f t h i s a u t o m a t i cf e e de f f i c i e n tf u m a c ea n dc o n t r o l s y s t e ma l es t u d i e d ： c h a r a c t e r o f v a r i o u sh e a t i n gw a ya n dt h e i rh e a t i n ge q u i p m e n ts t r u c t u r ei s s t u d i e d ，av a r i e t yo f h e a t i n gm o d e , t h ec o n t r o lm e t h o da n dt h eg e n e r a lm e t h o df o r t e s t i n gi sc o n t r a s t e d af e a s i b i l i t yp r o g r a mi sg o t , i nt h ec o n t r a s to f a uo f t h e s e m a n ym e c h a n i c a ls t r u c t u r e sa r ec o m p a r e dw h i c hw o r ki nt h eh i 曲t e m p e r a t u r e c o n d i t i o n , i nt h ee x p e r i m e n t s t r u c t u r eo f m e c h a n i ca n dt h es i z ea r ed e s i g n e d ， a c c o r d i n g t ot h en e e d i n g d i f f e r e n tt h eh e a ti n s u l a t o rc h a r a c t e r i s t i ci ss t u d i e d , s u i t a b l eh e a ti n s u l a t o ri sr e a c b e da n dt h et h i c l 【n e s so f t h eh e a ti n s u l a t o rh a v eb e e n c a l c u l a t e do u t t h ec o n t r o lf u n c t i o nn e e di sa n a l y s e d , e v e r yc o n t r o lc i r c u i tf u n c t i o nm o d u l e h a v eb e e nd e s i g n e d t e s t i n gs o f t w a r eu s e df o r r e a c h i n gc o n t r o lm e t h o do f h e a t i n g s y s t e m ，w i t hac o m m o ni n t e r f a c ep r o t o c o l ，i sd e v e l o p e d , a n di su s e di nt h e e x p e r i m e n t t h ei d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa n dt h e o r e t i c a lp r i n c i p l e sa r es u m m a r i z e d t h r o u g h e x p e r i m e n t s ，s i m u l a t i o n , a n a l y s i so f t h ee x p e r i m e n t a ld a t a ，at h e o r e t i c a lm o d e l f u i l l a c ei se s t a b l i s h e d t h ei m p r o v e do n eb a s e do nr e p e t i t i v ec o n t r o lc o m p e n s a t i o np r e c i s i o np i d c o n t r o lm o d u l ei sr e a c h e d t h en e wc o n t r o lm e t h o di sp r o v e dt ob eb e t t e r , t h r o u g h c o m p a r i n gw i t ht h eo l do n e i nt h et h e o r e t i c a l ，e x p e r i m e n t a la s p e c t k e y w o r d s ：f u r n a c e ，s t r u c t u r e ，t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i t ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n s ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n , p i dc o n t r o l ，p i dc o n t r o lm o d u l eb a s e d o n r e p e t i t i v ec o m p e n s a t i o n i i 学号竺! ! 兰! ! ! 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特，l , l j r l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得逝堑太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嗜南l签字日期：2 口1 年7 2 ，月 学位论文版权使用授权书 ，靠 本学位论文作者完全了解童堑太兰有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权逝堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：嚏薹t 导师签名： 签字日期：撕订年i 。月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 猁期：知产厂妇旷日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 从8 0 年代开始，节能工作已纳入国家发展计划，取得了明显的成效。但是， 由于我国经济的长期粗放型管理，没有真正实行集约式经营，能源从开采、运 输加工到终端利用的效率都很低。我国开采上的效率为3 3 ，加工运输上为 6 8 8 ，终端利用上为4 5 3 ，总效率低到1 0 3 ，有近9 0 的能源未得到利用 1 1 。 我国1 9 9 8 年单位g d p 能耗为1 3 7 6 吨标煤万美元，为世界平均水平的3 倍，日本的7 2 倍【2 】。 因此，节能工作已经是迫在眉睫的任务了。而在加热行业中如何提高热效 率和利用好余热将是节能的关键。 玉环县是中国最大的低压铜阀门生产和出口基地。现有水暖阀门生产和加 工企业1 1 0 0 多家，其中年销售收入5 0 0 0 万元以上企业4 6 家，超亿元企业3 4 家，拥有阀门及配件、水暖件、柱塞阀三大系列，水嘴、龙头、管件等1 0 0 个 品种1 0 0 0 多种规格。2 0 0 6 年，全县水暖阀门行业实现产值1 4 8 亿元，出口总 额7 9 6 亿美元，占全国阀门行业同类产品总产值、外贸出口值合市场份额的5 0 以上。水暖阀门是玉环工业的第二支柱产业和出口创汇产业，在国际行业市场 具有重大的影响力。 铜阀门加工过程属于模锻工艺，其中必不可少的需要锻前加热，以保证产 品的质量、产量以及设备的正常运行。但是目前阀门生产企业所采用的阀门锻 前加热设备以煤油喷灯为主，加热环境开放，热量流失大，能源利用率极低， 其热效率不超过2 0 ，企业能源投入巨大。同时对环境污染严重，生产工作条 件极差。加热设备的先天不足已成为影响玉环阀门产业形象和制约玉环阀门企 业发展的重要环节。锻前加热设备的改进已经势在必行。 目前企业对铜坯加热温度的控制基本依据经验进行，所研究的对象材料为 黄铜( c u 7 0 z n 3 0 ) ，密度为8 4 4 0 k g m 3 ，比热容0 0 9 k c a l ( k g ) 【3 1 。根据物 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 体吸热公式( 1 1 ) ： q = c m a t ( 1 - 1 ) 其中：q 为所吸收( 放出) 的热量，单位：k c a l ； c 为比热容，单位：k c a l ( k g ) ； m 为质量，单位：埏； a t 为升高( 降低) 的温度，单位。 研究对象的尺寸是a 2 0 m m 4 0 m m 的铜棒，每根铜棒质量为o 1 0 6 k g ，假 设加温到5 6 0 ，设室温为2 0 ，按公式( 1 - 1 ) 计算，则每根铜棒需要吸 收的热量为：o 0 9 k c a l ( k g ) x o 1 0 6 k g x ( 5 6 0 - 2 0 ) = 5 1 5k c a l 。 根据工厂提供的资料，2 0 0 5 年1 至9 月，平均每吨煤油加热2 2 5 吨铜棒， 假设为同一系列的尺寸铜棒( 0 2 0 m i n x 4 0 r a m ) ，则每吨煤油加热2 1 2 2 6 4 根铜 棒，现每吨煤油价格为4 2 0 0 元，折合每根铜棒消耗的能源成本为0 0 2 元。如 果设想热效率提高原先的两倍，即每根铜棒的加热能耗需降至o 0 1 元。 欲降低每根铜棒的能耗成本，需要了解目前常用能源的成本情况，见表1 1 。 表1 1 常用能源成本 能源当量热值 4 1 1 5 1单位价格单位成本热量 电 8 6 0k e a l 千瓦时 0 9 元千瓦时【+ 1 9 5 6 k c a l 元 煤炭 5 0 0 0k e a l 千克 4 0 0 元吨 1 2 5 0 0k c a l 元 柴油1 0 0 0 0k c a l ，千克4 1 6 0 4 4 1 0 元吨2 4 0 4 k c a l ，元 煤油1 0 0 0 0k c a l 千克4 2 0 0 元左右吨2 3 8 0 k c a l | 元 汽油1 0 0 0 0k c a l 千克4 1 3 0 4 7 6 0 元吨2 4 2 1k c a l 元 天然气 9 3 1 0k e a l 立方米1 9 元立方米4 9 0 0k c a l 元 注：+ 玉环地区电价为0 9 元千瓦时 预计改进后的能耗成本每根铜棒需o 0 1 元，则不同能源其热效率见表1 2 。 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 不同能源加热铜棒所需达到的热效率 能源种类成本价格的能源释放的热量单位铜棒吸收的热效率 电能 9 5 6k c a l 元o o l 元- - 9 5 6k e a l5 1 5 ，9 5 6 = 5 4 煤 1 2 5 0 0k c a l ，元0 0 1 元= 1 2 5k c a l5 1 5 1 2 5 = 4 2 煤油 2 3 8 0k e a l 5 0 0 1 元- - - 2 3 8i c e a l5 1 5 2 3 8 = 2 1 6 天然气 4 9 0 0k c a l 元o 0 1 元= 4 9k c a l5 1 5 4 9 = - 1 0 5 由表1 1 及计算可知，煤的成本最低，也最容易实现降低能耗成本( 热效 率4 2 1 1 p 可) ，但用煤作为能源加热，工作环境差，且不容易控制温度；其次 是天然气，天然气近年来在加热及热处理行业中被得到重视【“，而考虑到玉环 地区受到地理环境的限制，尚未通有天然气；从作业环境和温度控制出发，电 能最为理想，但由于是二次能源，成本较高，需要在保温及热效率上做出努力 来弥补( 玉环地区铜阀加工厂虽然布有煤油管道，但是煤油加热温度不易控制， 且安全性需要考虑，所以首选了电能) 。 金属坯料的加热方法按照所采用的热源不同，可分为火焰加热和电加热两 大类。加热的热效率与加热的方法、热源的种类以及工件的热物理性能等多种 因素有关。 ( 一) 火焰加热 火焰加热是利用燃料( 煤、焦炭、重油、柴油、煤气和天然气) 在火焰加 热炉内燃烧产生含有大量热能的高温气体( 火焰) ，通过对流、辐射把热能传给 坯料表面，再由表面向中心热传导而使金属坯料加热。一般当炉内温度超过 7 0 0 8 0 0 c 时以辐射传热为主，占9 0 以 - - 7 1 s 。 火焰加热方法的优点是，燃料种类较多，炉子修造简单，加热费用较低， 对坯料的适应范围广等。其缺点是劳动条件差，加热速度慢，加热质量难于控 制等，并且一般情况下，火焰加热的热效率比较低1 9 1 。 ( 二) 电加热 电加热是通过把电能转变为热能来加热工件，其中有感应电加热、接触电 加热、电阻炉加热和盐浴炉加热等【1 0 l 。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 与火焰加热相比，电加热有以下优点： 炉温便于控制。 炉内气氛可自由选择( 火焰加热炉气即为热源，二者不可分) 。 热利用率高( 没有烟气带走的热损失) 。 设备简单紧凑。 操作方便，劳动条件好。 电加热的缺点：由于是二次能源，成本较高。 ( 1 ) 感应电加热 感应电加热是在感应器通过交变电流产生交变磁场，感应器内的金属坯料， 在交变磁场的作用下，其内部产生交变涡流，由于涡流发热和磁化发热( 在磁 性范围内) ，直接使金属坯料加热1 1 】。 感应加热的优点是速度快，质量好，温度控制准确，金属烧损一般小于5 ， 操作简便，工作稳定，便于和模锻设备一起组成机械化自动化生产线，劳 动条件较好，对环境无污染。 缺点是，出现趋肤效应现象，加热温度不均匀，设备投资费用较高，一种 规格感应器所能加热的坯料尺寸范围很窄，电能消耗较大。 但随着我国发电量的迅速增长和感应加热设备与技术的进步，感应加热正 迅速发展为模锻加热的主要方法。 ( 2 ) 接触电加热 接触电加热是以低压大电流直接通入金属坯料，依靠金属内部电阻产生热 量。电流通过金属坯料所产生的热量o 可按( 1 2 ) ) 计算1 2 】： q2，2rt(1-2) 其中，为通过坯料的电流，单位：a ； r 为金属坯料的电阻，单位：q ； 为通电时间，单位：s 。 由于产生的热量大部分用于工件升温，小部分散失到周围环境中，因此通 常情况下，接触电加热的热效率较高。 接触电加热的优点为： 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 加热快，一般以秒计算。 热损失少，热效率高。 结构简单，容易布置。 缺点有： 工件形状尺寸受限制，只适用于断面均一，直径小于7 0 m m ，长度与直 径比大于3 0 的细长型棒、带、丝、管等材料。 沿工件断面及长度会出现温度不均匀。 设备投资大，需有大电流的降压变压器。 铜的电阻率小，实际加工的铜捧横截面积大，铜棒的电阻小，不适合用 接触加热的方法。 ( 3 ) 电阻炉加热 电阻炉是利用电流通过炉内电热元件所产生的热量，以辐射和对流传热方 式来加热金属坯料。 电热体有两种，一种是金属电热体，如铁铬铝合金和镍铬合金；另一种是 非金属电热体，如碳化硅和二硅化钼。 由于受到电热体的限制，这种电加热方法热效率也比其他加热法低1 3 】。 ( 4 ) 盐浴炉加热 内热式电极盐浴炉是利用电流通过炉内电极产生的热量把导电介质熔融， 通过高温介质的对流与传导传热，将埋在介质中的金属坯料加热，最高使用温 度可达1 3 5 0 c ，文献【1 4 】有详细的介绍。 这种电加热法的加热速度快，加热温度均匀，但其热效率较低。 上述各种电加热方法的应用范围如表1 2 所示。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 电加热方法的应用范围【1 5 】 电加热类型应用范围 ， 坯料规格加热批量 适用工艺 工频感应加热直径大于1 5 0 r a m成批、大量 模锻、热挤、轧锻 中频感应加热直径为2 0 15 0 m m 成批、大量 模锻、热挤、轧锻 高频感应加热直径小于2 0 m m成批、大量模锻、热挤、轧锻 接触电加热直径小于7 0 m m 长成批、大量 模锻、电镦、卷簧、 坯料的整体或者轧锻、电热弯曲 局部加热 电阻炉加热中小型非铁金属单件、成批自由锻、模锻 及高合金钢 盐浴炉加热小件或局部无氧单件、成批精密模锻 化加热 根据上述比较，与火焰加热相比，电加热虽然成本高，但热效率高，而且 温度易于控制，故重点考虑电能加热。在电能加热中，感应加热效率高，但有 趋肤效应，且设备成本高；接触电加热只适用于细长型棒料；盐浴炉热效率低， 且不适于流水作业；故传统的电阻炉加热仍不失为一种解决方法。 1 2 课韪的研究内容 1 2 1 主要任务和目标 加热炉的功能结构如图1 1 所示，主要的任务和目标是 ( 1 ) 试制出一台能够满足工厂生产效率，并能够提高能源利用率，操作方便， 以电力为能源的加热炉样机。 ( 2 ) 设计样机的机械结构。自动送料式加热炉目标是要实现物料自动进给并 加热，所以机械部分的设计就包括了进给机构的设计，炉膛的设计和保温材料 6 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的配置等方面，重要的是功率的配置，提高效率，尽量减少预热时间和完成对 在高温环境下工作材料的选择。 ( 3 ) 设计控制电路。加热炉系统的控制主要有两部分，一部分是进给速度的 控制，通过对步进电机的调节实现进给速度的开环控制系统；另一部分是温度 控制，通过一个闭环反馈对炉温进行调节，从而控制铜棒的出炉温度。 ( 4 ) 开发出能用于加热系统控制研究的具有通用接口协议的测试软件，并用 于系统的测试和控制方法的研究。测试软件所需达到的功能是实时接收硬件电 路测试出的温度，记录得到温度的时刻，并在屏幕中实时显示。为了能够对数 据进行后续的分析，在实验结束后能够把时间和温度数据保存为m a t l a b 的矩 阵格式，以方便m a t l a b 对温度和时间数据进行理论处理。 ( 5 ) 设计控制算法。通过常用的试验仿真方法辨识系统的参数，提出控制算 法，以系统各性能指标为标准对系统进行整定。 图1 1 加热炉功能结构图 1 2 - 2 研究的重点和难点 ( 1 ) 改变传统加热炉预热时间长，散热时间长的缺点。寻找合适的保温材料， 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 适当的改变炉体结构希望能够达到预期的效果。 ( 2 ) 要设计出能够尽量减少热损失的进给机构，很多经典的进给机构在加热 炉上并不适用。因为工作在高温环境下，同时还要求机构变形足够小，能长期 正常工作，所以要采用合适的耐高温材料，并对机构合理设计以防止升温后产 生过大变形。 ( 3 ) 实现控制电路和p c 机的通讯。开发出能用于加热系统控制研究的具有 通用接口协议的测试软件，还要将该数据以适当的格式保存以方便使用相应的 工具软件调用数据，进行分析和仿真。 ( 4 ) 分析系统模型，并提出有效的控制算法。温度控制虽然多采用p i d 控制， 但是控制的方法不尽相同，辨识出加热系统的模型后，就能更好的对系统进行 分析和仿真，得到更适合的控制算法。 1 3 相关技术研究现状 1 3 1 加热炉研究现状 国内市场上还没有真对这一产业的专业产品，但是有一些类似的产品出现。 由江苏宜兴市昌明炉业生产的网带式平面输送加热炉图1 2 ，它的各项技术 参数如下： 炉膛尺寸：w 3 1 0 h 1 4 0 + i a 7 8 0 m m 使用温度：7 8 0 - - 8 5 0 控制方式：接触器 控温点数：3 控温区数：3 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 2 该加热炉已经有很多可以借鉴的地方。因为不是针对铜棒加热开发的，所 以也有很多可以该进的地方。 ( 1 ) 接触器控制的情况下，系统工作在不稳定状态，而且系统的控制是通过 电流的通断控制，对电网冲击大。 ( 2 ) 温控点数只有3 个，无法适应不同类型铜棒对温度区别的细致要求；只 有人工调节，无法实现根据铜棒尺寸进行自动选择参数的自动控制。 ( 3 ) 同时进给方式采用了网带，不可避免的会有大量热量的损失，无法实现 高热效率。 ( 4 ) 采用的多温度区控制，使炉内温度容易平均，能实现重点对不同区域的 加热，这方面值得借鉴。 很多厂家生产，学校实验室也经常使用到的箱式电阻炉如图1 3 ，以武汉亚 华公司的s x 2 1 2 1 0 型号的箱式电阻炉的为例：使用三相电，额定功率1 2 k w ， 额定温度1 0 0 0 。c ，采用电炉丝加热。它所使用的温度控制方式，和高温所使用 的耐高温材料都值得借鉴。 9 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 3 因为玉环阀门厂多有现成的煤油管道。所以喷油式大型加热炉的喷嘴设计 和控制方法，也可以成为铜阀红冲加热炉的参考。 现有的设备都说明还没有针对铜棒加热的成熟产品的出现，现有产品在各 方面都有很大的改进余地，也有改进的可能。 铜阀的加热条件和加热方式需要改变，而且在性能的提升方面有很大空间， 所以对加热炉的研究和设计是可行的。 1 3 2 系统辨识的常用方法 为加热炉设计控制方法，必然要经过系统辨识的阶段。以试验，仿真和计 算的方法得出系统的理论模型，才能更好的对系统进行控制。现有的常用的系 统辨识方法有： ( 1 ) 经典方法：在一定连续时间的输入信号下( 非周期的或周期的) ，观测 被辨识对象对这种输入作用的响应。根据需要，再由这些响应特性求出系统的 参数模型。这些方法有阶跃响应法、频率特性法和相关法。为区别于近代发展 起来的各种辨识方法，往往称这些方法为系统辨识的经典方法，所谓经典方法， 意思是指这些方法有来已久，并经过实践考验证明它们仍是可取的一些方法1 1 6 】。 ( 2 ) 最小二乘法：在系统辨识和参数估计领域中，最小二乘法已经是这个领 域中的一种基本的估计方法，最t 1 、- - 乘法可用于离线估计，也可用于在线估计。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 在随机的环境下利用最小二乘法时，并不要求观测数据提供出它的概率统计方 面的信息，而用这种方法所获得的估计结果，却有相当好的统计特性。最小二 乘法容易理解和掌握，利用最小二乘原理所拟定的辨识算法在实施上比较简单。 有时，在其它辨识方法失效时，最小二乘法却能提供出对问题的解决方案。此 外，许多用于系统辨识的估计算法也往往可以解释为是最小二乘法。所有这些 原因，使最小二乘估计在系统辨识领域中达到了应用上相当普及，方法上相当 完善的程度i l ”。 ( 3 ) 最大似然法：最大似然估计参数的基本思想，是构造一个以观测数据和 未知参数为自变量的似然函数。要确定似然函数，必须确定被观察的输出量的 条件概念密度或条件分布。取定这个条件分布本质上是一个预报问题。这种与 预报问题的关系还可以使我们将参数估计问题用另一种方式加以表述【1 8 】。 ( 4 ) 预报误差法：预报误差法是一种比最大似然法更为普遍的参数估计方 法。最小二乘法是它的一种特殊情况。当对于最大似然法来说，验前信息不够 充分的情况下，就可以使用预报误差法。随机逼近法：随机逼近法是一种递推 参数估计算法。随机逼近法是在随机环境下，当观测量受到随机干扰下，对被 搜索量的一种递推估计方法。只要在过程中进行反复的观测，这种估计方法就 可以应用于任何回归类型的问题。 经典辨识法能较快较简单的辨识出系统的模型，但是误差较大，最小二乘 法以残差为标准进行计算，辨识出的系统准确，但是计算量大，在加热炉系统 辨识中，可以将两者相结合，辨识出系统能较快较好的接近真实系统。 1 3 3 系统的设计校正 设计控制系统的目的是使控制系统满足特定的性能指标，性能指标与控制 精度、相对稳定性、响应速度等因素有关。在设计控制系统时，确定控制系统 性能指标是非常重要的工作【1 9 | 2 0 1 1 2 1 1 。 加热炉控制算法确定之后也要以这些指标为标准，不同控制算法之间的优 劣比较也是以这些性能指标上的差异为标准进行评定的。 ( 1 ) 控制性能指标 在系统控制方面，普遍的做法是通过实验建立系统的数学模型，对模型性 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 能进行研究，提出相应的控制算法，通过仿真和试验的对比验证算法的可行性。 性能指标有多种形式，不同的设计方法选用的性能指标是不同的，不同的 性能指标之间又存在着某些联系，这些都需要在确定性能指标时仔细考虑。 ( 2 ) 性能指标的概述 按类型，控制系统的性能指标可分为： 时域性能指标，包括稳态性能指标和动态性能指标； 频域性能指标，包括开环频域指标和闭环频域指标。 性能分类如图1 4 所示。 在控制系统设计中，采用的设计方法一般依据性能指标的形式而定。如果 性能指标以单位阶跃响应的峰值时间、调节时间等时域特征量给出，那么一般 采用频率法进行设计。工程上通常采用频率法进行设计，因此需要通过近似公 式对时域和频域两种性能指标进行转换。 厂 柱鍪奏妊厂f 开环增益，开环截止频率。c “a d s ) 性能指标弋r开环j 藉茬箍j 茎笃，嚣蓄善釜等龇 l j频域指标犟嚣鐾誓薹：嚣嚣鐾嘉率 1产 闭环谐振峰值m r l 频域指标、闭环截止频率岫 l 图1 4 控制系统性能指标分类图 ( 3 ) 二阶系统频域指标与时域指标的关系吲吲 各类性能指标是从不同的角度表示系统性能的，他们之间存在着联系。二 阶系统是设计中最常见的系统，对于二阶系统，时域指标和频域指标能用数学 公式准确地表示出来，它们可统一采用阻尼比和无阻尼自然振荡频率c o n 来 进行如下描述。 1 2 厂lj，、ill 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 硝 ( 1 ) 超调量：m e ：p 了亍1 0 0 ( 1 - 3 ) ( 2 ) 调节时间；= 芸，毗= 古 ( ) 。一删g 晕拿 。址删陬铲才1 o 。5 q 、一告 ( 4 ) 谐振峰值：鸠= j 丽1 ，。郇孚( 1 - s ) ( 5 ) 谐振频率：q = 撕= 孑( 1 - 7 ) ( 6 ) 带宽频率：= 小二毫i j 丢i 丽( 1 - 8 ) 相位裕度垆嘴丽寺霉 。柳 芦 ( 8 ) 截止频率：皱- - 4 1 + 4 f 4 2 善2 ( 1 一l o ) 引入控制器前后系统性能指标的比较将反应出控制算法的优劣，不同控制 算法间的比较也是以性能指标为标准的。 在加热炉的设计中，把改进的控制算法的各项性能参数与原有控制算法的 性能参数进行比较，判定改进的控制算法的优劣，还可以定量的分析改进后提 升的水平。 ( 1 ) 控制系统校正概述 为使控制系统能满足一定的性能指标，通常需要在控制系统中引入一定的 附加装置，称为控制器或校正装置。任何控制算法的实现都是通过控制器达到 浙江大学硕士学位论文第章绪论 的，加热炉的控制算法也是通过控制器达到的。 根据校正装置的特性，可分为超前校正装置、滞后校正装置和滞后一超前 校正装置。 1 超前校正装置 校正装置输出信号在相位上超前于输入信号，即校正装置具有正的相角特 性，这种校正装置称为超前校正装置，对系统的校正称为超前校正。 2 滞后校正装置 校正装置输出信号在相位上滞后于输入信号，即校正装置具有正的相角特 性，这种校正装置称为滞后校正装置，对系统的校正称为滞后校正。 3 滞后一超前校正装置 校正装置在某一频率范围内具有负的相角特性，而另一频率范围内却具有 正的相角特性，这种校正装置称为滞后一超前校正装置，对系统的校正称为滞 后一超前校正。 根据校正装置与被控对象的不同连接方式，可分为串联校正、反馈( 并联) 校正、前馈校正和干扰补偿等。串联校正和并联校正是最常见的两种校正方式。 4 串联校正 如果校正元件与系统的不可变部分串联起来，如图所示，则称这种形式的 校正为串联校正。串联校正通常设置在前向通道中能量较低的点，为此通常需 要附加放大器以增大增益，补偿校正装置的衰减或进行隔离。 g c ( s ) - k 删) g o ( s ) - k c 坐等业g c ( s ) - k p ( 1 + 去哪) 图1 5 表示前向通道不可变部分的传递函数，日( s ) 表示反馈通道不可变部 分的传递函数，g c ( s ) 表示校正部分的传递函数。 图1 5 串联校正 1 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 5 反馈校正 如果从系统的某个元件输出取得反馈信号，构成反馈回路，并在反馈回路 内设置传递函数为g c ( s ) 的校正元件，如图1 6 所示，则称这种形式的校正为反 馈校正。反馈削弱了前向通道上元件变化的影响，具有较高的灵敏度，单位反 馈时也容易控制偏差，这就是较多地采用反馈校正的原因。 图1 6 反馈校正 6 前馈校正 如果从系统的输入元件输出取得前馈信号，构成前馈回路，并在前馈汇率 内设置传递函数为g c ) 的校正元件，如图1 7 所示，则称这种形式的校正为前 馈校正。它是在系统反馈回路之外采用的校正方式之一。前馈校正通常用于补 偿系统外部扰动的影响，也可用于对控制输入进行校正。 图1 7 前馈校正 p i d 校正： p d 校正 q ( j ) = ( r s + 1 ) ，是一种超前校正。 p i 校i e q ( j ) ：疋立世，是一种滞后校正。 q s 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 p i d 校正 g a 沪疋盟掣或啪) = k a l + 石1 毋) 是一种 f s j 滞后超前校正咖。 加热炉的控制算法一般采用的是p i d 控制算法，跟据p i d 的不同组合可以 采用不同的校正方法对系统进行调整，也可以以p i d 控制算法为基础加以改进， 提出各项性能更好的控制算法，基本来说都可归纳为以上的几种校正方式。 1 6 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 2 1 引言 第二章加热炉机械结构设计与分析 本章节中根据期望实现的功能对加热炉的机械结构进行功能分析，对多种 实验中采用的进给机构和材料进行对比，得出可行结构，分析该结构的优点。 并对关键的参数进行设计。 2 2 加热炉机械结构功能分析 自动送料式加热炉在功能上要实现物料的自动进给和加热。自动进给方面 主要是进给机构的设计，进给机构除了满足输送物料的功能要求外，要尽量减 少热量的损失，便于加工装配，还要选择耐高温的材料进行制造。加热方面要 考虑额定功率配置，炉体如何设计能提高效率减小预热时间。保温材料方面需 要考虑保温材料的选择和保温材料参数的确定等问题。加热炉机械结构的技术 设计过程如下图所示。 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 匡 堂墅忙 b ，炉俸技术设计 图2 1 机械结构技术设计 加热市场上电阻炉加热用器件多种多样，加热炉结构设计有多种可能性。 因此需要经过大量的试验对多种结构进行测试，排除多种常见但是在特殊环境 下不适用的结构和材料，同时为了改善加热反应速度在结构上也必须做出相应 的调整。 2 3 进给机构的对比分析 ( 一) 链传动：在常温下的进给机构种类繁多，其中最为普遍的是链传动 以及链传动的各种变体如网带的传动。链传动机构简单普遍，而且有相应的标 准件，设计安装都非常方便。在常温下运送产品的可靠性高。 可是在高温条件下，链传动的几个缺陷是：普通链条能承受的工作温度 为3 0 0 , - 4 0 0 ，一旦工作温度再高，链条的节距将变大而不能正常工作。使 用链传动运送物料，链条的安装方式很重要，如果链条的一半不安装在炉内将 会导致大量的热量散失热效率下降。如果将链条安装在炉内，炉内空间就会增 大，导致升温速度下降，预热时间长，保温困难等问题的出现。 1 8 浙江大学硕士学位论文 第二章加热炉机械结构设计与分析 ( 二) 不锈钢网带传动( 图2 2 ) ：不锈钢网带也越来越多地运用于输送物 料。它的优缺点与链传动差不多，在8 0 0 的条件下工作会不断的伸长，而且 伸长量很多，需要较长距离的张紧装置。 图2 2 不锈钢网带 ( 三) 推进方式：推进方式机构如图2 3 ，推进方式机构口5 1 【2 6 1 几乎不带走 任何热量，将大幅度地提高热量的利用率。同时机构不直接在8 0 0 的高温下 工作所以对材料耐高温的要求不高，机构加工简单。该机构在常温下能够正常 运送铜棒。但是铜棒在高温下加热后，表面不像在常温下一样光滑，而且金属 轨道在高温下也变得粘软且容易长锈，铜棒和轨道之间的摩擦力大大升高。当 它高于铜棒间的摩擦力时，铜棒之间发生堆叠阻塞轨道使加工不得不停止，进 行轨道的清理。 图2 3 推进式运送结构图 ( 四) 双曲柄机构：双曲柄机构1 2 7 1 1 2 8 1 可以完全密封在加热炉中，机构并不 带出热量，可以提高热效率，只要机构不发生变形铜棒就可以正常进给。正因 为该机构需要定制，所以在材料上可以自行选择，使用耐高温的金属材料进行 加工。 1 9 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 图2 4 双曲柄机构示意图 进给机构由双曲柄机构和定位板组成，工作原理如所示，当双曲柄机构运 动至最下方时，工件先靠在定位板上如图2 5 所示；由于偏心销轮转动，工件 脱离定位板如所示；偏心销轮继续转动，驱使动梁将工件向前移送一个步距， 并将其放到定板的下一个位置上如所示；偏心销轮继续转动，又回到第一个步 骤。如此重复，实现工件的进给。 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 妇) 工件熬在定键圾上 ( 酚陡十德心销轮转动，动粱 将王绺托灞定豫擞 和) 德心镪轮继续转动，鞑使动 粱掩工件淹糯移遂个多距，辫 将箕敷剜定德叛的下一个位逻上 图2 5 进给机构工作原理图【2 9 】 2 l 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 经过对各种机构的试验、比较和分析，最终将机构确定为双曲柄机构。试 验证明只要材料使用正确，该机构足以满足对工作的要求。机构的三维图如图 2 6 所示。 1 、电机2 、锥齿轮3 、曲轴4 、轴承座5 、长轴6 、连轴器 图2 6 传动机构 2 4 整体结构设计计算 加热炉功率设计：根据实际考察，工厂工人的工作效率平均为8 s 加工一个 铜棒，为了满足工厂生产需求并留有一定余量，于是把加热炉设计为在每4 s 输 出一个直径为2 0 m m 长为4 0 m m 的铜棒。 铜棒的体积：v = l x r r r 2 = o 0 4 7 ( o 0 2 2 ) 2 1 2 5 6 l o 。研3 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 铜棒的质量：珊= v x p = 1 2 5 6 x 1 0 - 6 8 5 x 1 0 3 o 1 l k g 每个铜棒升高到6 2 0 c 需要吸收的能量口0 1 1 3 1 】： q = m c a t = o 1 l x 3 8 9 x 6 0 0 = 2 5 6 7 4 j 所需功率：w 2 q t r l2 2 5 6 7 4 4 0 5 51 2 k w 按电价0 9 元一度计算，一小时用电1 2 度，就是1 0 8 元，4 s 加工一个铜 棒，一小时能加工9 0 0 个，平均加工一个铜棒用电成本为0 0 1 2 元 炉膛长度设计：跟据试验测定，当炉温达到8 2 0 ，一个铜棒在炉内要停 留将近4 分钟能达到6 2 0 。c 。双曲柄机构每次推进2 0 m m ，每次推进为4 s ，所 以跟据4 分钟推进距离计算，炉内轨道长度设计： l = 4 m i n x 6 0 s m i i l 4 s 2 0 m m = 1 2 m 。 炉膛宽度设计：每根铜棒长4 0 m m ，给铜棒传送留下足够宽度的同时加上 轨道自身厚度，将炉宽定为7 1 m m 。 炉膛高度设计：炉两侧要均匀布开l o 根自制的1 5 的加热棒，所以将高度 设计为1 2 0 m m 。在炉体到底座留有6 0 m m 的空隙放置保温材料。 加热炉最终设计的三维图如图2 7 所示。 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 图2 7 整体结构 炉内结构设计：采用传统的硅砖作为炉体的材料，在炉体中嵌入电炉丝， 如图2 8 所示的结构。这种结构由于炉体密度大，温度升高需要大量的热量， 大大延长了预热时间，温度从室温升高至工作温度需要5 0 分钟左右的时间。而 且在加热炉关闭后需要相当长的时间才能散热，浪费大量的热量。 图2 8 传统炉体结构 图中1 、加热元件( 电炉丝) ，2 、硅砖炉体 创新结构是将电炉丝串在陶瓷棒中做成自制加热元件，固定在炉膛中，使 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 加热元件直接向炉膛辐射，在炉膛外覆盖比热小，传热慢，密度小的保温材料， 如图2 9 所示的结构。由于这种结构减少了大量吸热的材料，而且加热元件直 接向炉内辐射，能大幅度减少预热时间，实验表明，与传统炉体结构相比，采 用这一结构可以将预热时间从原来的5 0 分钟减少至3 0 分钟甚至更少。 图2 9 创新炉体结构 图中1 、自制加热元件，2 、保温材料 根据改进后的结构技术和参数的设计，材料也选用$ 3 0 9 耐高温材料，陶瓷 棒内径1 5 m m ，外径1 7 m m ，一边布置五根加热管。最后设计如图2 1 0 所示。 图2 1 0 炉内结构 耐高温材料选择：耐高温金属材料的选择参考了大型高温辊底式热处理炉 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 的炉底辊材料的选择。炉底辊要求很苛刻，不但要求有良好的抗氧化性能，而 且还要有一定的高温强度，可以作为该项目选材的借鉴。国内外在9 0 0 一1 1 0 0 范围内用的炉底辊材料多为奥氏体耐热钢，如c r 2 5 n i 2 0 s i 2 ，c r 2 8 n i 4 8 w 5 等，这些材料能满足要求，但价格高。3 c r 2 4 n i 7 n 的基础上加稀土研究成的炉 辊，经常使用在1 0 5 0 - - - 1 1 5 0 c ，有时达1 1 8 0 ，使用寿命4 年。与c r 2 5 n i 2 0 s i 2 比较，降低镍含量6 5 。 含稀土的铬镍硅氮型耐热钢3 c r 2 4 n i 7 s i n r e 是用于9 0 0 - - - 1 2 0 0 c 的一种 廉价优质的炉用耐热钢，它利用我国丰富的稀土资源，用碳、氮、硅、稀土复 合合金化，大幅度降低镍含量。该钢有良好抗氧化性、抗渗碳性。制作r 口型节 能瓶式渗碳炉，以板材代替铸件，在1 1 5 0 。c 氧化气氛下和8 5 0 含硫气氛下工 作，其抗氧化性和抗硫腐蚀性均优于a s t m 3 1 0 不锈钢，提高寿命2 倍以上 3 2 3 3 1 m 。 钢材市场上所用的钢牌号现在都是美国牌号，其中2 5 2 0 就是c ，2 5 m 2 0 2 ， 价格高。在8 0 0 _ - 9 0 0 的温度下可以以$ 3 0 9 ，s 3 1 6 作为替代品，该牌号的 钢较容易找到且价格比c ，2 5 f 2 0 脱稍低。 保温材料：常用的工业保温材料有岩棉矿渣棉制品、玻璃棉制品、石棉绝 热制品、硅酸钙绝热制品、耐火纤维制品等等【3 5 】【3 6 1 ，它的性能归纳如表2 1 。 表2 1 常用的工业保温材料 最高使用温 导热系数方程 保温材料原料 印( 保温材料平均 备注 度( ) 温度) 矿渣棉工业矿渣 6 0 0 6 5 0 o 0 3 5 + 0 0 0 0 2 3t p纤维较短、较脆 化学耐久性和耐水 岩棉天然岩石 8 2 0 8 7 0 0 0 4 4 2 + 0 0 0 0 2 7 t p 性好 密度小，仅为 玻璃棉天然矿石 4 0 00 0 3 3 + 0 0 0 0 2 3t p 1 8 - 2 0 k g m 3 无机矿物纤主要应用于保温、 泡沫石棉 5 0 0 o 0 3 0 2 + 0 0 0 0 1 6 t p 维 保冷及吸声等工程 浙江大学硕士学位论文第二章加热炉机械结构设计与分析 氧化硅、氧导热率低、价格适 硅酸钙保 化钙和增强 6 5 0 1 0 0 0 2 8 8 m m 。