过控课设——热风炉送风温度控制

1、学 号： 012121136 课 程 设 计题 目热风炉送风温度控制系统的设计学 院自动化专 业自动化卓越工程师班 级自动化卓越1202班姓 名指导教师傅 剑2015年11月9日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化卓越1202班 指导教师： 傅 剑 工作单位： 自动化学院 题 目: 热风炉送风温度控制系统的设计 初始条件：炼钢 高炉采用内燃式热风炉,燃烧所采用的燃料为高炉煤气和转炉煤气。两种燃料混合后进入热风炉燃烧室,再与助燃空气一起燃烧, 要求向高炉送风温度达到1300 ，则炉顶温度必须达到1450 ±8。要求完成的主要任务: 1、了解内燃式热风炉工艺设备2、绘制内燃式热风

2、炉温度控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书时间安排11月3日 选题、理解课题任务、要求 11月4日 方案设计 11月5日-11月8日 参数计算撰写说明书11月9日 答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘 要 作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。通过长时间的生产实践，人们已经认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大地提高热利用率和热工作效果。传统电热源和蒸汽热动力在输送过程中往往配置多台循环风机，使之最终还是间接形成热

3、风进行烘干或供暖操作。这种过程显然存在大量浪费能源及造成附属设备过多、工艺过程复杂等诸多缺点。在本设计系统中采用了串级与比例控制，通过微机控制热风炉拱顶温度和煤气流量，使系统能够很好的保持拱顶温度和高炉送风温度，而且通过废气中的含氧量调节空燃比的大小从而实现最佳燃料。系统设计中还介绍了主系统结构、并按系统要求选择检测元件、执行元件、调节仪表的技术参数，选择调节器结构，并进行参数近似计算。关键字 热风炉 送风温度 PID控制 Matlab仿真目录1高炉炼铁工艺11.1高炉炼铁工艺流程11.2 热风炉设备工艺21.3 热风炉工作原理31.4热风炉燃烧分析42热风炉送风温度控制系统设计42.1控制变

4、量选择42.2控制对象数学模型52.2热风炉送风温度控制方案63控制系统元件选择63.1执行器的选择63.2传感器的选择73.3变送器的选择83.4控制器的选择84 Matlab仿真设计以及PID参数整定104.1仿真方案设计104.2 仿真参数PID整定115 仿真结果以及分析126 总结157参考文献16武汉理工大学仪表与过程控制系统课程设计说明书热风炉送风温度控制系统设计1高炉炼铁工艺 1.1高炉炼铁工艺流程图1-1 高炉炼铁工艺流程高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。 焦炭和矿石在炉

5、内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣，聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。 鼓风机送出的冷空气 在热风炉加热到8001350以后，经风口连续而稳定地进入炉缸，热风使风口前的焦炭燃烧，产生2000以上的炽热还原性煤气。上升的高温煤气流加 热铁矿石和熔剂，使成为液态；并使铁矿石完成一系列物理化学变化，煤气流则逐渐冷却。下降料柱与上升煤气流之间进行剧烈的传热、传质和传动量的过程。 下降炉料中的毛细水分当受热到100200即蒸发，褐铁矿和某些脉石中的结晶水要到500800才分解蒸发。主要的熔剂石灰石和白云石，以及其他 碳酸盐和硫酸盐，也在炉中受热分解。石灰石中CaCO3和白云

6、石中MgCO3的分解温度分别为9001000和740900。铁矿石在高炉中于 400或稍低温度下开始还原。部分氧化铁是在下部高温区先熔于炉渣，然后再从渣中还原出铁。 焦炭在高炉中不熔化,只是到风口前才燃烧气化, 少部分焦炭在还原氧化物时气化成CO。而矿石在部分还原并升温到10001100时就开始软化；到13501400时完全熔化；超过1400就 滴落。焦炭和矿石在下降过程中，一直保持交替分层的结构。由于高炉中的逆流热交换,形成了温度分布不同的几个区域，区是矿石与焦炭分层的干区，称块状 带，没有液体；区为由软熔层和焦炭夹层组成的软熔带，矿石开始软化到完全熔化；区是液态渣、铁的滴落带，带内只有焦炭

7、仍是固体；风口前有一个袋形的 焦炭回旋区，在这里，焦炭强烈地回旋和燃烧，是炉内热量和气体还原剂的主要产生地。1.2 热风炉设备工艺高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。蓄热式热风炉，按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉（简称球炉）和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。传统内燃式热风炉及主要组织部分（如图1-2所示4）包括燃烧室和蓄热室两大部分，并由炉基、炉底、炉衬、炉箅子、支柱等构成。热风炉主要尺寸决定于高炉有效容积、冶炼强度要求的风温。 图1-2 热风炉主体结构图1.3 热风炉工作原理图1-3 热风炉功能结构图热

8、风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。(1) 热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(2) 热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(3) 热风炉闷炉状态热风炉处于

9、闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。1.4热风炉燃烧分析煤气和空气的混合是一种物理过程，需要消耗能量和一定的时间才能完成。而混合后的可燃气体只有加热到它的着火温度时才能进行燃烧反应，点火以后可燃气体的加热是靠其本身燃烧的热量而实现的。而且燃烧化学反应是一种激烈的氧化反应，其燃烧速度主要取决于煤气和空气的混合比，因此，空燃比是描述燃料燃烧完全程度的重要指标。煤气最大流量为0.1

10、1m3/s5，在热风炉仅烧高炉煤气时空燃比最佳为0.59。当然实际煤气成分可能有波动，但应该以0.59为基准进行调节6。但不同情况下空燃比不同，如果一直采用固定的空燃比进行燃烧，则无法适应这个变化。2热风炉送风温度控制系统设计2.1控制变量选择高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求，从鼓风机来的风温约150-200，经过热风炉加热提高风温后可达1300以上。根据热风炉送风温度控制任务书要求，拱顶温度应稳定在1450±8，使得热风炉送风温度能达到1300 。因此，本设计选取热风炉拱顶温度为被控对象。而在通过改变燃料浓度或流量可以有效改变热风炉内温度，从节省燃料并且本着安全的

11、原则，本设计选择燃料（即煤气和空气送入流量）为控制量，但为简化系统，就默认为1来进行调节。如图2-1 即热风炉送风温度控制原理图图2-1 热风炉送风温度控制原理图2.2控制对象数学模型热风炉炉顶温度的数学模型可用带时延的近似一阶惯性系统来描述，惯性时间常数T=150s，滞后时间=10s5，则被控对象传递函数为：Gos=132150s+1e-10s (2-1)而把除被控对象外包括调节阀，测量传送等环节在内的传递函数近似等效为：Grsts=110s+1 (2-2)2.2热风炉送风温度控制方案图2-2 热风炉送风温度控制系统框图设计由于控制对象T<0.3，整个控制过程纯滞后不大，而时间常数T较

12、大，被控变量的变化比较缓慢，此时过程比较平稳，容易进行控制。因此，采用单闭环PI控制即可达到不错的控制效果。如图2-2即本设计热风炉送风温度控制系统方框图。3控制系统元件选择3.1执行器的选择由于我们选择的是燃料送入率作为操作变量，因此，从安全角度和燃料节约角度，选择的执行器煤气流量调节阀应为气开型，这样当控制器发生故障或控制器信号传送异常时燃料流量控制为最小，这样能尽可能减少损失。而相应地，空气调节阀也取为气开型。如图即几种常见调节阀流量特性曲线，为了使控制简单，本设计选用线性流量特性的调节阀，即流量特性参数为Kv，结合上文所述气开特性，本设计中Kv>0。图3-1 气开调节阀流量特性曲

13、线图3.2传感器的选择由工艺可知，热风温度一般在0-1400之间。热电偶是在工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。 测量范围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。 构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。 满足热风炉工艺要求的热电偶型号有B型和S型，B型测温范围是0-1700，S型测温范围是0-1450，由于所测温度（炉顶温度）应

14、长期保持1450，因此选择B型铂铑30-铂铑6热电偶。具体参数见图3-2:图3-2 标准化热电偶技术数据用铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。3.3变送器的选择热电偶的输出信号为mV级电信号，不能直接送入调节器，所以要经过温度变送器则可以将热电偶输出的mV信号转变为4-20mA或者1-5V的电信号供调节器使用。而DDZ-III型温度变送器有：（1）采用集成电路

15、温度变送器放大单元采用高增益、低漂移集成运算放大器进行直流放大，较型仪表的调制放大器线路简单、元件少、可靠性高。（2）采用了线性化线路热电偶温度变送器采用非线性负反馈回路，热电阻温度变送器采用线性化电路。使变送器的输出信号和被测温度间呈线性关系，提高了精度，有利于指示，记录。（3）增加了安全措施现场的测温元件（热电偶或电阻体）与控制室温度变送器相连的线路是安全火花线路。不必再经任何安全设备可使测量元件工作在危险场所等优点。还可以有效的对热电偶进行有效的冷端补偿，所以可以选择DDZ-III型温度变送器。3.4控制器的选择由于执行器（煤气流量调节阀）环节系数为Kv>0，因此为保证闭环PI控制

16、系统的正常工作，控制器环节的系数需满足Kc=KpKi>0，且比例系数Kp>0，积分系数Ki>0，即使控制器为反作用控制器，这样单闭环控制系统就能构成负反馈，实现控制作用：当温度低于设定值时，控制器输出ut 为正，使得煤气流量调节阀开度增大，煤气流量增大，炉内温度上升；而当温度高于设定值时，控制器输出ut 为负，使得煤气通入流量减少，使炉内温度下降。工业控制领域常用的控制器有工业控制计算机、单片机和可编程逻辑控制器（即PLC）等。与其它几种控制器相比较，PLC是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统

17、的继电器完成开关量的控制，比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算，顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化。工业控制采用PLC，显示了突出的优越性，因它可对用户提出的生产控制要求和意见，能方便地在现场进行程序修改和调试，使系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用，增加了系统的可靠性，简化设备，维修方便。而且，随着PLC的发展，在硬件、软件方面都会有更先进的计数出现。

18、针对系统的特点，分析各控制器的优缺点，采用PLC作为本次设计的控制器。具体比较如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下优点：(1)对低端应用,PLC具有极大的性能价格比优势.工控机的价格较高,将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制,无论是在体积和价格上都很难接受,可靠性也远不如PLC。(2)PLC的可靠性无可比拟,故障停机时间最少.基本WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统,在实时任务处理,长期稳定运行,抗病毒和恶意攻击等方面还存在较大的问题.IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。(3)PLC是专为工厂现场应用环境设计的,结构上采取整体密封或插件组合

19、型,对印制板,电源,机架,插座的制造和安装,均采取了严密的措施。(4)PLC是使用专门为工业设计的编程语言,这些语言简单易学.工控机如果用VB,VC等语言来编程,需要花更多时间来学习,编程的效率也没有PLC高.如果使用Windows操作系统，其稳定性远远不如PLC,时间控制精度也较差。(5)与PC机发展太快相比,PLC产品可以长期供货,并提供长期的技术支持。(6)PLC有庞大的有经验的设计人员,维护人员和技术支持系统。其次，与单片机相比，具有以下优点：1.由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。2.编程简单易学，即使不熟悉电脑的工程师也能用它开发复杂的控制系统。3.抗干扰能力

20、强，适用于环境恶劣的工业控制场合。4.有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。同时，目前在张力、速度、液位特别是温度等过程控制中，经常使用温控器等专用控制器或用户自制设备。近年来，随着技术的发展，PLC的处理速度越来越快，功能也越来越丰富。因此，采用PLC进行PID控制可以逐渐取代一些传统的控制手段。就以温度为例，可以比较出采用PLC的优点。通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制，而PLC可以实现多回路的整体控制，相比主要有以下的特点：在多点加热时，可以错开加热导通时序，避免同时导通引起的大电流;在控制过程中可以自由简便地修改设定值及其它参数；可以定时自动执行所需

21、的控制曲线；可以使用相位控制，降低冲击电流、峰值电流，减少加热器频繁冷热变化引起的热压力；可以同时控制系统或机械中的其它动作；可以实现多种报警功能等等。最初的PLC主要是用于取代继电器进行顺序控制，其后又逐步扩充了数值运算、模拟量、电机控制、网络通信。从发展趋势看，PID控制特别是温度控制将是今后PLC应有的功能。4 Matlab仿真设计以及PID参数整定4.1仿真方案设计本设计运用Matlab软件中Simulink库对所设计控制系统进行仿真以及性能分析。阶跃输入为煤气（空气）流量最大为11m3/s5，因此k=145011=132。控制器选用PI控制，并且在600s时刻模拟为系统引入一幅值20

22、0的阶跃干扰以测试系统的鲁棒性。得到仿真图如图4-1:图4-1热风炉拱顶温度Simulink仿真图4.2 仿真参数PID整定 在Matlab软件2012a版本以及之后发行的Matlab版本软件Simulink库中，都新增入了PID辅助整定功能“Tune”（功能界面见图4-2），借助“Tune”背后强大的最优算法辅助，现在整定PID参数不再像之前那样费时费力。 图4-2 新版本Matlab新增PID调谐功能“Tune”如图4-2，该功能可以直观地进行PID参数整定，左边窗口正上方可以直接对响应时间和瞬态性能进行调试，还可以点按Reset Design得到系统认为的一个各参数相对平衡的最优响应曲线

23、。而所需的PID值随着曲线的调整，同步更新并显示在右下角，并且可同步上载到仿真系统中。而右边小窗口则同步显示当前左窗曲线的峰值，超调，衰减（或增益）的等参数，功能十分强大，大大缩减了控制领域的系统研发周期。 5 仿真结果以及分析在本设计中，先使用Matlab中“Tune”得到系统最优曲线（如图5-1）图5-1 热风炉温度控制Matlab系统最优曲线调谐如右边小窗口所示，该曲线超调10.8%，上升时间106s，调节时间443s，而上载到仿真系统中运行结果如图5-2：S图5-2 热风炉温度控制Matlab系统最优曲线但从图5-2可以很清晰看出峰值超出1600，而由于传感器的选择缘故，这个超调显然对于本设计来说显然动态性能还不是很理想，因此，在此基础上运用试凑法得到本设计所允许的相对最优的整定曲线如图5-3：图5-3 热风炉温度控制整定曲线而这条响应曲线如右边小窗口所示，该曲线超调5.03%，上升时间70.7s，调节时间309s，因此得到对应PID参数为：