隔焰隧道窑温度-温度串级控制系统

1、隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。制品在窑道的烧成带内按工艺 规定的温度进行烧结, 烧结温度一般为 1300°C , 偏差不得超过 5°C 。 本文设计的隔焰式 隧道窑烧成带系统是以窑道烧成带的温度作为被控变量,燃料的流量作为操纵变量的温度 温度串级控制系统。在设计中具体分析了系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定 及其系统的工作过程。本系统的硬件设计核心为单片机的和温度的检测变送两部分,同时 给出了整体的软件设计流程。 在本文的最后详细的叙述了参数整定的几种方法, 各有优点。关键字 :串级控制 温度控制 单片机 参数整定 控制器1 隔焰式隧道窑系统的分析及设

2、计要求 . 1 1.1 隔焰式隧道窑系统概述 . 11.2 隔焰式隧道窑系统设计要求 . 12 隔焰式隧道窑串级控制系统设计 . 2 2.1 隔焰式隧道窑控制系统方案设计 . 2 2.2 系统控制量和被控量的选择 . 4 2.3 系统主副控制器的选择 . 4 2.4 系统各部分正反作用方式的确定 . 42.5 隔焰式隧道窑系统的调节过程 . 53 系统硬件电路设计 . 8 3.1 硬件设计总体思路 . 8 3.2 单片机系统的设计 . 8 3.3 传感器和变送器的选择 . 93.4 外围电路结构 . 104 系统软件设计 . 114.1软件设计流程图 . 115 控制器控制规律的实现以及参数整

3、定 . 12 5.1控制规律的实现 . 125.2 控制规律参数的整定 . 126 心得体会 . 14参考文献 . 15隔焰式隧道窑温度-温度串级控制系统 1 隔焰式隧道窑系统的分析及设计要求1.1 隔焰式隧道窑系统概述隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。制品在窑道的烧成带内按工艺规 定的温度进行烧结,烧结温度一般为 1300°C ,偏差不得超过 5°C 。 所以烧成带的烧结温 度是影响产品质量的重要控制指标之一,因此将窑道烧成带的温度作为被控变量,将燃料 的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧,燃烧气体中的有害物质将会影响 产品的光泽和颜色,所以就出现

4、了隔焰式式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧,热量经过隔焰 式板辐射加热烧成带 。1.2 隔焰式隧道窑系统设计要求1分析被控对象特性,设计一种串级控制系统,绘制系统的结构示意图和原理方框 图,说明其工作原理和工艺流程。2系统调节过程,控制量和被控量的选择3系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。4系统硬件电路与软件设计5控制器控制规律的实现以及参数整定2 隔焰式隧道窑串级控制系统设计2.1 隔焰式隧道窑控制系统方案设计(1隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图如图 1所示,原理方框图如图 2所 示。按照简单控制系统,影响烧成带温度 1的各种干扰因素都被包括在控

5、制回路当中,只 要干扰造成 1偏离设定值,控制器就会根据偏差的情况,通过控制阀改变燃料的流量,从 而把变化了的 1重新调回到设定值。图 1隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图 图 2隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统原理方框图但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大,如果燃料的压力发生波动,尽管控制阀 门开度没变,但燃料流量将使图 2隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图生变化,必将引 起燃烧室温度的波动,再经过隔焰式板的传热、辐射,引起烧成带温度的变化。因为只有 烧成带温度出现偏差时, 才能发现干扰的存在, 所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。 烧成带温度出现偏差后,控制器根据偏差的性质

6、立即改变控制阀的开度,改变燃料流量, 对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰式板的传热以 及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道,当调节过程起作用时,烧成带的温度已偏离设定值很远了。也就是说,即使发现了偏差,也得不到及时调节,造成超调量增大,稳 定性下降。如果燃料压力干扰频繁出现,对于单回路控制系统,不论控制器采用 PID 的什 么控制作用,还是参数如何整定,都得不到满意的控制效果。(2隔焰式隧道窑串级控制系统控制燃烧室的温度 2并不是目的, 真正的目的是烧成带 1的温度稳定不变, 所以烧成 带温度控制器应该是定值控制,起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用,

7、它在克 服干扰 D 2的同时, 应该受烧成带温度控制器的操纵, 操纵方法就是烧成带温度控制器的输 出作为燃烧室温度控制器的设定值,从而就形成了图 3所示的串级控制系统。图 3隔焰式隧道窑温度 -温度串联控制工艺流程图所谓串级控制系统,就是采用两个控制器串联工作,主控制器的输出作为副控制器的 设定值,由副控制器的输出去操纵控制阀,从而对主被控变量具有更好的控制效果,这样 的控制系统被称为串级控制系统,隔焰式隧道窑温度 -温度串联控制原理方框图如图 4所 示。 图 4隔焰式隧道窑温度 -温度串联控制原理方框图串级系统和简单系统有一个显著的区别,即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在 里面,被称为副

8、环或者副回路,在控制过程中起着“粗调”的作用;一个环在外面,被称为主环或主回路,用来完成“细调”任务,以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或 副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。2.2 系统控制量和被控量的选择制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结,烧结温度一般为 1300°C ,偏差 不得超过 5°C 。 所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一, 因此将窑道 烧成带的温度作为被控变量,将燃料的流量作为操纵变量。2.3 系统主副控制器的选择在串级控制系统中,主调节器和副调节器的任务不同,对于它们的选型即调节动作规 律的选择也有不同考虑。副调节

9、器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动,面且副参数则并不要 求无差,所以一般都选 P 调节器,也可以采用 PD 调节器,但这增加了系统的复杂性,而 效果并不很大。在一般情况下,采用 P 调节器就足够了。如主、副环的频率相差很大,也 可以考虑采用 PI 调节器。隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集,所以主、副环的频 率相差不大,副调节器选用 P 调节器即可达到设计要求。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合,工 艺上对控制品质的要求总是很高的,不允许被调量存在偏差,因此,主调节器都必须具有 积分作用, 一般都采用 PI 调节器。 如果

10、副环外面的容积数目较多, 同时有主要扰动落在副 环外面的话,就可以考虑采用 PID 调节器。隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为 1300°C ,偏 差不得超过 5°C ,为了达到精准的控制,所以在系统本设计中主调节器选用 PID 调节器。 2.4 系统各部分正反作用方式的确定与简单控制系统一样,一个串级控制系统要实现正常运行,其主、副回路都必须构成 负反馈,因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。(1副控制器正、反作用的选择串级控制系统中,副控制器作用方式的选择,是根据工艺安全等要求,在选定调节阀 的气开、气关形式后,按照使副回路构成副反馈

11、系统的原则来确定的。因此,副控制器的 作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关,其选择方法与简单控制系统中控制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式,只是将主控制 器的输出作为副控制器的设定值即可。在假定副测量变送装置的增益为正的情况下,副控 制器正反作用选择的判别式为(副控制器±³(调节阀±³(副对象± =(-其中,调节阀的“±”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式, “气开”为“ +” , “气 关”为“ -” ;而副对象的“±”取决于控制变量和副被控变量的关系,控制变量增大,副 被控变

12、量也增大时称其为“ +” ,否则称其为“ -” 。(2主控制器正、反作用的选择串级控制系统中, 主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定, 而与调节阀的气开、 气关形式及副控制器的作用方式完全无关,即只需根据主对象的特性,选择与其作用方向 相反的主控制器就行了。由于副回路是一个随动控制系统,在选择主控制器的作用方式时,首先把整个副回路 简化为一个环节,该环节的输入信号是主控制器的输出信号(即副回路的设定值 ,而输 出信号就是副变量,其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用,即输入增加,输出 亦增加。因此,整个副回路可看成为一个增益为正的环节。这样,在假定主测量变送装置的增益为正的情况下,主控

13、制器正、反作用的选择实际 上只取决于主对象的增益符号,主控制器正反作用方式选择的判别式为(主控制器±³ (主对象± =(-由这个判别式也可看出,主控制器的作用方向与主对象的特性相反。即当主对象为正 作用时,主控制器选反作用;而当主对象为负作用时,主控制器选正作用。在隔焰式隧道窑串级控制系统中, 考虑到生产的安全, 控制阀选择 “气开” 工作方式, 根据主、副控制器的正反选择规律分析,两个控制器都选择“反”作用方式。2.5 隔焰式隧道窑系统的调节过程(1 只存在二次干扰假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。 由于它进入副回路, 所以属于二次干扰 D 2。 例如整个系

14、统处于稳定状态下,突然燃料压力升高,这时尽管控制阀门开度没变,可燃料 的流量增大了,首先将引起燃烧室温度 2升高,经副温度检测变送器后,副控制器接受的 测量值增大。由于燃料流量的变化,并不能立即引起烧成带温度 1的变化。所以此时主控 制器的输出暂时还没有变化,因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作用,其输出将减小, “气开”式的控制阀门将被关小,燃料流量将被调节回稳定状态时的 大小。(2只存在一次干扰假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰,比如窑车的速度加快,必然导致窑道 中烧成带温度 1的降低。对于定值控制的主控制器来说,其测量值减小,由于主控制器的 “反”作用,它的输出必然

15、增大,也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属 于一次干扰,它对副变量(燃烧室的温度 2没有影响,所以这时副控制器的测量值暂时 还没有改变。对于副控制器来说,设定值增大而测量值没变,可以等效为其设定值不变而 测量值减小。根据副控制器的“反”作用,其输出将增大, “气开”式的控制阀门开度增 大,从而加大燃料的流量,使燃烧室温度 2升高,进而使窑道烧成带温度回升至设定值。 (3一次干扰和二次干扰同时存在两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化,即同时增大或同时减小。 假定一次干扰为窑车的前进速度减小,将引起主变量(烧成带温度 1升高;二次干 扰为

16、燃料压力增大,导致副变量(燃烧室温度 2也升高。对于主控制器来讲,由于它的 测量值升高,根据它的“反作用关系,它的输出将在稳态时的基础上减小,也就是副控 制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲,由于它的测量值增大,其输出的变化应该根 据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为 设定值不变而测量值变化的情况,设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据 副控制器的“反”作用关系,上述两种干扰都将使副控制器的输出减小,都要求阀门开度 关小。一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化,即一个增大而另一个减小。 假定一次干扰为窑车前进速度增大,引起主变量(烧成带

17、温度 1下降;二次干扰为 燃料压力增大,导致副变量(燃烧室温度 2升高。对主控制器来说,由于其测量值减小, 根据其“反”作用关系,它的输出将增大,也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来 说,由于其测量值增大,设定值也增大,如果它们同步增大,幅度相同,即副控制器的输 入信号偏差没有改变,控制器的输出当然也就不变,控制阀开度不变。实际上就是用 二次干扰补偿了一次干扰,阀门无需调节。如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同,也就是说二次干扰还不足以补偿一次干扰时,副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在 设定值上。3 系统硬件电路设计3.1 硬件设计总体思路硬件设计主

18、要是单片机系统设计,外围功能模块选择, I/O端口分配,通信线路选择, 模拟 I/O通道电路设计等,具体包括传感器、变送器的选择、控制器芯片、 A/D、 D/A转 换,线路的连接,隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块如图 5所示进行设计。 图 5 隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块图3.2 单片机系统的设计为了获得键盘输入、实时显示的功能,这里扩展使用两片单片机进行控制。每一个单片机分别执行不同的功能,它完成了对整个系统的温度的控制及显示温度的 测量值。设计中不再需要扩展 I/O接口,而是用单片机取代 I/O接口。一来可以减少系统复 杂程度,有利于增加系统的反应速度,同时又增强了其精度,并在正常

19、或意外停电时数据 不易丢失,增强人机交互能力,且结构简单,易于安装和实现。在本系统中,由于需要实现功能的功能相对简单,所以选择 89C52型单片机,其特点 是运算功能强, 片内含有 256KBROM , 不需片外扩展 ROM 。 其中 A/D转换器采用 ADC0809, 满足两路采样通道的要求, D/A转换器选择 DAC0832,显示采用 8段数码显示管。串级控制中,对于输入的两路信号,采用两路输入的 A/D转换器转换为数字信号直接 传给两片单片机。在二号单片机中通过检测温度的输入和键盘的输人的不同来控制电机的 运转, 检测温度的输入是存放在 PA 中的, 键盘的输入是放在 PB 中的, 这样

20、可以通过两路采 样,构成串级控制系统,从而实现调节温度的需求。一号单片机用来显示测量温度和存储 数据,单片机系统的结构设计如图 6所示。 图 6 单片机系统结构图3.3 传感器和变送器的选择在本设计中选用热电偶作为温度传感元件,能将温度信号转换成电动势(mV 信号, 配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳 定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点。热电偶一般用于 500°C 以上的高温,可 以在 1600°C 高温下长期使用,能够达到本设计的要求,烧结温度一般为 1300°C 。在使用热电偶时,由于冷端暴露在空气中,受周围环境

21、温度波动的影响,且距热源较 近,其温度波动也较大,给测量带来误差,为了降低这一影响,通常用补偿导线作为热电 偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的 地方。补偿导线的作用如图 7所示。 图 7 补偿导线的作用示意图检测信号要进入控制系统,必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测 信号转换成标准信号输出。因此,热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标 准信号后,才能进入控制系统,与调节器等其他仪表配合工作。图 8给出了温度变送器的原理框图, 虽然温度变送器有多个品种、 规格, 以配合不同的传感元件和不同的量程需要, 但他们的结构基本相同。

22、图 8温度变送器原理框图在隔焰式隧道窑串级控制系统设计中采用 DDZ-III 型热电偶温度变送器。3.4 外围电路结构外围电路,主要是信号的检测、 I/V变换、伺服放大等。外围电路的设计连接比较简 单如图 9所示。对串级控制中的主副参数检测后,通过温度传感器、变送器,送给单片机 系统的输入;单片机系统的输出则进行伺服放大后,控制电动执行机构,按照控制结构进 行响应动作。图 9 外围电路结构调节阀通过控制燃料的供给量,控制燃烧室和烧成带的温度变化。温度变送器是直接 安装在烧成带和燃烧室内,其输出结果送至 A/D转换的两个通道 IN0, IN1等待程序进行 选择。 4 系统软件设计4.1软件设计流

23、程图对于系统的主要执行程序,包括了 A/D采样、 PID 运算、结果输出和 D/A转换,总体 程序设计流程图如图 10所示。图 10 主程序的设计流程图图中对主回路的 PID 运算是将给定值减去主回路通过液位变送器 1反馈得到的参数得 到控制器输入量,经过运算输出后,送至副回路的给定值,减去副回路通过液位变送器 2反馈得到的参数作为副回路 P 运算的给定值。副回路的输出量送至 D/A进行驱动。 这里,对于主回路的 PID 参数选择需要通过调试来实现,使得在参数在较大的变动范 围内能够实现控制。通常,这里的 PID 运算要引入积分分离及输出限幅。 5 控制器控制规律的实现以及参数整定串级系统的整

24、定要比简单系统复杂些。在运行中,主环和副环的波动频率不同,副环 频率较高,主环频率较低。这些频率主要决定于调节对象的动态特性,但也与主、副调节 器的整定情况有关。在整定时,应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率,目的是使 主、副环的频率错开,要求最好相差三倍以上 12(310o o T T ,以减少相互之间的影响。5.1控制规律的实现隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集,所以主、副环的频 率相差不大,副调节器选用 P 调节器即可达到设计要求。隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为 1300°C ,偏 差不得超过 5°C ,为了达

25、到精准的控制,所以在系统本设计中主调节器选用 PID 调节器。由于本设计中采用的数字控制器,故控制规律的实现采用的是软件实现,通过程序的 控制实现副调节器 P 控制和主调节器 PID 控制规律。5.2 控制规律参数的整定在实际中进行参数整定的方法有以下三种:(1逐步逼近法:它是一种依次整定主环、副环,然后循环进行,逐步接近主、副 环的最佳整定的一种方法。(2两步整定法:它是一种先整定副环,后整定主环的一种方法。(3一步整定法:人们在采用两步法整定参数的实践中,对两步法反复进行总结、 简化,从而得到了一步整定法两步整定法虽然比逐步逼近法简便得多,但仍然要分两步进行整定,要寻求两个 4:1的衰减振

26、荡过程,因而仍比较麻烦。所以本设计在进行参数整定时采用的是一步整定法。 所谓一步整定法,就是根据经验先确定副控制器的比例度,然后按照单回路控制系统的整 定方法整定主控制器的参数。一步法的整定准确性虽然比两步法低一些,但由于方法更简 便,易于操作和掌握,因而在工程上得到了广泛的应用。对于一个串级控制系统,在纯比例控制的情况下,要得到主变量的 4:1衰减振荡过 程,主、副控制器的放大系数 Kc1、 Kc2可以有好几组搭配,它们的相互关系近似满足 Kc1²Kc2=Ks(常数 ,如表 1所示的实验数据可以说明这一点。表 1 主、副控制器放大系数匹配实验数据 当采用 1至 3组整定参数时,主变量均可得到 4:1衰减振荡过程,且过渡过程时间 均在 9min 左右,而 Ks 一般为 3.3。这说明主、副控制器的放大系数可以在一定范围内任 意匹配,而控制效果基本相同。这样就可以依据经验,先将副控制器的比例度确定一个数 值,然后按一般单回路控制系统参数整定方法整定主控制器的参数。虽然副控制器按经验 设置的比例度不一定很合适,但可以通过调整主控制器的比例度进行补