过程控制系统课程设计 (2).doc

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1、目录一、设计目的3二、设计要求3三、实现过程41、系统概述41.1 加热炉41.2 加热炉工艺过程41.3 控制参数的选择及控制燃烧方案的确定51.4 加热炉的工艺结构及其设备组成61.5 生产线的特点72、设计与分析72.1 加热炉生产工艺和控制要求72.2 燃烧控制系统及仿真7四总结12五、附录13六、参考文献13一、设计目的经过一个学期的过程控制系统课程的学习，对过程控制有了一个基本的了解。然而仅仅在理论方面是远远不够的，需要将所学的应用于实际生产过程中，只有这样才能真正的对过程控制有一个比较深入的认识，为以后的学习和工作打下一个良好的基础。通过这次课程设计，我们可以了解具体生产工业过程

2、控制系统设计的基本步骤和方法。同时也对氧化铝的生产工艺有一个大概的认识，只有弄清楚生产工艺对控制的具体要求，才能去设计一个过程控制系统。同时：1、提高对所学自动化仪表和过程控制的原理、结构、特性的认识和理解，加深对所学知识的巩固和融会贯通。2、针对一个小型课题的设计开发，培养查阅参考书籍资料的自学能力，通过独立思考，学会分析问题的方法。3、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、培养学生严谨的工作作风，相互合作的团队精神，提高其综合素质，获得初级工程应用经验，为将来从事专业工作建立基础。二、设计要求 燃烧量对蒸汽母线压力：1、 查阅资料，深入掌握钢铁工业过程的工作原理及控制要求

3、，绘制出钢铁工业生产过程工艺流程图。2、 设计控制方案。(1) 根据燃烧对象特性及控制要求，完成燃烧量的选择、执行器、变送器的选择、控制仪表选择等方案设计。(2) 绘制完整的系统工艺流程图，按工程要求标注所有仪表和变量。3、采用MATLAB/Matlab工具，完成系统仿真，验证以下内容：(1) 系统跟踪能力、抗干扰能力的仿真。(2) 控制器参数整定过程。三、实现过程1、系统概述1.1 加热炉热连轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢连铸的钢坯在钢坯库冷却后，必须经过加热炉按照特定的工艺曲线加热后才能送往热轧线进行轧制，它在炼钢生产和连续性轧钢生产之间起缓冲、平衡作用。加热炉是热连轧厂中钢坯加热用的设

4、备，它将冷钢坯加热到轧制要求的目标温度，并使其温度均匀。加热炉的控制系统直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥连轧机的生产能力，要求加热炉提高炉床负荷，因此有必要增强对加热炉的控制。加热炉属室状炉类型，即炉温是随时间而变的。加热炉要根据钢坯的材质、尺寸规格、装炉温度、出炉温度等，确定炉子的加热制度，即确定加热升温曲线，包括各阶段的加热温度、加热时间、加热速度、保温时间。加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济地燃烧。因此当加热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，应当考虑 4采用何种合理有效的控制手段，能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定

5、在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内。加热炉的结构图如下所示：1.2 加热炉工艺过程由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算机的控制系统发出指令，炉门升起，炉内步进梁再将其托起、前进、下降、后退，完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端按顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动后

6、，算出板坯位置，当炉子接到要钢信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。当步进梁需要分段操作时，在两段步进梁的分段区域内设置一组激光检测器，经检测确认分段区域没有钢坯时，才能进行步进梁按工艺要求的分段操作。加热炉的工艺过程图如下所示：1.3 控制参数的选择及控制燃烧方案的确定1）控制参数的选择燃烧过程的控制有以下三个基本要求：a）保证炉膛内温度稳定，能按要求自动增减燃料量；b） 燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；c） 保证锅炉安全运行。保证炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正，造成炉膛内

7、热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量冷空气漏进炉内，从而使热量损失增加7。因此，在本设计中要做两个控制系统。一个是温度控制系统；一个是炉膛负压控制系统。则控制参数分别为炉膛内温度和炉膛负压。炉膛内温度范围是11001200，炉膛负压范围是0-30Pa3。2）控制燃烧方案燃烧自动调节系统包括热负荷、送风、引风三个调节回路。其中，燃料量和送风量的比例是影响燃烧经济性的主要因素。为了防止不完全燃烧，保证动态过程中风量始终有一定裕量，就需要采用单交叉控制（或称选择性控制），以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。单交叉控制只有风对燃料的限制，没有燃料对风的限制，

8、即可以保证风量始终有一定富裕量，但不能排除风量过大可能造成的热损失。为此可采用双交叉控制，即在风量调节回路中再增加一个低值选择器，燃料回路中再增加一个高值选择器及必要的运算组件，以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风，保证一定的空气裕量，同时又防止风量过大。1.4 加热炉的工艺结构及其设备组成加热炉共分为3个供热段：预热段、加热段、均热段，对应于10个燃烧控制区。炉体四壁由不同材质的耐火保温材料砌筑而成。设备组成如下:a）板坯输送辊道设备b）装料炉门升降机构c）装钢机d）炉底步进机械e）步进炉液压系统f）出钢机g）出料炉门的升降机构h）干油集中润滑系统1.5 生产线的特点a）生产

9、能耗大幅度降低，从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。b）产量大幅度提高，现在都在100万吨/年以上。c）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统都是PLC或DCS统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置2、设计与分析2.1 加热炉生产工艺和控制要求轧钢坯根据计划被排列在加热炉内的滑轨上，用燃料和空气混合燃烧产生的热量进行加热，钢坯被加热到合适的温度后送给轧机进行轧制。燃料的燃烧需要适当配比的空气，空气量不足会造成燃料燃烧不充分从而浪费能源并污染大

10、气；而空气过量时多余的空气会带走炉内热量，同时过量的空气会造成钢坯的氧化烧损，高效燃烧控制的重点就是空燃比的控制。考虑燃料和空气混合的实际情况，通常空气量要多于燃烧所需的理论值，而空气过剩系数一般控制在1.021.1之间。为了充分利用燃烧产生的热量，保证钢坯按适当的速度升温，加热炉沿入料端至出料端分成预热、加热、均热三个温度段。预热段为缓慢加热区，炉膛温度稍低；加热段为快速加热区，温度在炉内最高均热段主要是消除钢坯表面和芯部的温度差，使整个钢坯的温度适合于轧制要求。对于不同规格种类的钢坯三段温度的控制要求不同。钢坯在炉内随着温度场的变化逐渐被加热到轧制温度。炉膛温度在正常生产情况下与投入到炉内

11、的燃料量是相对应的，在满足轧机生产要求的前提下适当降低加热强度，可以降低燃料的消耗量。2.2 燃烧控制系统及仿真对于燃烧控制系统，空气过剩系数u是一个重要参数。因为燃烧控制系统一个最重要的参数就是空燃比k，而k=u，其中为量程修正系数。u与节能有着直接的联系。如下图所示图2.2.1 空气过剩系数与节能的关系从图中可以看出，最佳燃烧范围是空气过剩系数在1.021.1之间。当空气过剩系数从1.02逐渐减小时，由于空气不足，燃料燃烧不完全，这样不但要冒黑烟污染环境，还要燃烧率降低浪费能量；当空气过剩系数从1.1逐渐增大时，由于空气过多，使多余的空气带着热量排到空气中，这也使热效率减小。2.2.1仿真

12、模型的建立在设计中用Matlab调试仿真，使控制效果达到最佳，进最终改进加热炉燃烧控制的性能。由于加热炉温度控制有大滞后、大惯性的特点，而其也可以看成单容对象，因此温度的传递函数可以设定为： （2-1）燃料流量和空气流量反应较快，又是单容对象，因此它们都可以看成一阶惯性环节，其传递函数如下：燃料流量对象传递函数： （2-2）空气流量对象传递函数： （2-3）由于温度对象的传递函数具有滞后和非线性，则温度PID中要有比例、积分和微分环节。微分的作用是克服温度的滞后，积分的目的是消除静态误差和稳定温度控制对象。因此温度PID的传递函数为： （2-4）流量是个脉动信号，因此不能在控制器中加入微分作用

13、，否则系统对输入太敏感，容易引起系统严重不稳定。同时为了控制器可以快速对偏差做出反应，燃料流量和空气流量PID设定为纯比例，即 （2-5）根据执行器的原理可知，如果系统接受一阶阶跃信号，执行器得由一个开度变化到另一个开度，因此这有一个过程，则中间就有一个过渡，但时间较短。因此执行器的传递函数可以近似为一阶惯性环节： （2-6）由于检测和变送器的输入信号和输出信号可以看成已线性化，因此其传递函数可以看成纯比例，即G(S)=Kp （2-7）以下是本次课程设计具体数据：MATLAB仿真模型如下：使用临界比例度法调节得到特性曲线基本等幅状况说明KP参数基本稳定，可得到临界比例度=360。通过表1可以计

14、算出PI调节器的参数：Kp=505，Ki=5.5，仿真输出波形图如下图所示阶跃信号源r: value=360 step time=0 干扰源g1阶跃信号为:value=100 step time=10 final time=18干扰源g2阶跃信号为:value=100 step time=20 final time=38无干扰波形有干扰波形根据仿真可知，有以上波形结果得知，满足设计工艺要求。四总结空燃比的最佳匹配，是加热炉燃烧控制的重要内容。根据加热炉的工艺特点和燃烧机理，结合国内已有的工程实例，提出了空燃比的自动控制系统，采用此空燃比自寻优控制方案和炉温、燃料和空气流量交变串级比值燃烧控制方

15、案相结合。实现对各段温度加以控制，以达到生产的要求。在实际控制中配备适当的设备，就可以在对空燃比进行有效控制的基础上，进一步对流量、温度、压力、液位等被控对象进行有效的模糊控制，这样可节约能源，有利于环保，其使用范围和应用前景是十分广阔的。这次过程控制课程设计中，我们通过自行搜集资料、询问老师同学及MATLAB仿真调试逐渐完成了对钢铁工业中加热炉的燃烧控制的系统设计。虽然这次题目比较开放，但是难度着实不小，对燃烧炉和各类元件的学习在之前的所掌握的知识中并没有设计，我们查阅了大量资料、书籍等才有了基本的了解认识，而在软件仿真中，我们运用到之前所学的Simulink来完成这次的设计，选择了最适合的

16、燃烧控制系统。感谢这一周以来帮助我们的沈老师和诸位同学们，帮助我们奠定了学科知识上的基础，拓宽了过程控制领域的视野，我们才再这么短的时间内完成这次课程设计！再次表示衷心感谢！五、附录测温元件：本控制系统的测温元件采用Pt100热电阻温度变送器：型号：DBW-4230，环境温度:050,环境湿度:90%RH,供电电源:220AC、220VAC(开关电源)调节器：DDZ-III型PID调节器执行器：气动薄膜执行机构并配上电/气阀门定位器电/气阀门定位器：ZPD-01安全栅：型号：DFA-3100，防爆等级：iaIICT6，最大允许电压VM：（防爆额定值）AC/DC、220V配电器：型号：DFP-2100 ，通道数:2，重量:1.5Kg，功耗：2.4W六、参考文献1 陈夕松过程控制系统M2版北京：科学出版社，2011，12 施仁自动化仪表与过程控制M.5版电子工业出版社, 2011，53 李文涛过程控制M北京：科学出版社，2012，24 黄德先过程控制系统M北京：清华大学出版社，2011，55 张志涌等MATLAB教程M北京：北京航空航天大学出版社，20066 刘文定MATLAB/Simulink与过程控制系统M北京：机械工业出版社，2013，112