隔焰隧道窑串级控制系统设计(向凯华)

武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书目录1引言......................................................................12方案分析..................................................................12.1控制方案的选择........................................................12.2系统控制参数的选择....................................................22.2.1主变量的选择.......................................................22.2.2副变量的选择.......................................................32.2.3操纵变量的选择.....................................................32.3调节阀的选择..........................................................32.4传感器、变送器的选择..................................................32.5控制器的选择..........................................................42.5.1控制器控制规律的选择..............................................42.5.2控制器正、反作用选择..............................................52.5.3控制器选型........................................................53参数整定..................................................................64仿真分析..................................................................85心得体会.................................................................13参考文献...................................................................14武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书1隔焰隧道窑串级控制系统设计1引言过程控制是指在生产过程中，运用合适的控制策略，采用自动化仪表及系统来代替操作人员的部分或全部直接劳动，使生产过程在不同程度上自动地运行，所以过程控制又被称为生产过程自动化，广泛应用于石油、化工、冶金、机械、电力、轻工、纺织、建材、原子能等领域。过程控制系统是指自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分、粘度、湿度以及PH值等这样一些过程变量的控制系统。过程控制是提高社会生产力的有力工具之一。它在确保生产正常运行，提高产品质量，降低能耗，降低生产成本，改善劳动条件，减轻劳动强度等方面具有巨大的作用。隔焰隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。因为几个环节都涉及到温度的控制，因此隔焰隧道窑的温度是生产工艺的一项重要指标，温度控制的好坏将直接影响产品的质量。另外随着现代工业生产的迅速发展，对工艺操作条件的要求更严格，对安全运行及对控制质量的要求也更高。而因为隧道窑温度的变化比较慢，所以滞后比较大。综上所述，须设计一套以温度为控制变量的控制系统。该控制系统的生产工艺要求：⑴可以实现对整个隧道窑的工艺流程的控制。⑵能够克服较大的滞后。⑶能够自动控制窑内温度，并达到所需精度。2方案分析2.1控制方案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℃，偏差不得超过5C。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，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书2果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、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。为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。系统的结构原理图如图1所示。图1隔焰隧道窑温度—温度串级控制系统结构原理图2.2系统控制参数的选择2.2.1主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书32.2.2副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；②应使主、副对象的时间常数匹配；③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。2.2.3操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量；②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。2.3调节阀的选择调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：①生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；②保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；③尽可能的降低原料、产品、动力损耗；当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃料不必要的浪费。所以调节阀选择气开阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。2.4传感器、变送器的选择由于窑内烧结温度一般为1300℃，故应选择热电偶温度传感器。武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书4一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内，变送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号，4mA～20mA。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中得到广泛应用。所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。根据表1所示，其材质可选则铂铑30-铂铑6热电偶。表1不同材质热电偶测量范围对应表类别材质分度号测量范围热电偶镍铬-康铜E0-1000℃范围内任选镍铬-镍硅K0-1300℃范围内任选铂铑10-铂S0-1600℃范围内任选铂铑30-铂铑6B0-1800℃范围内任选铜-康铜T0-400℃范围内任选铁-康铜J0-1200℃范围内任选整个温度变送器的电路原理图如图2所示，由热电偶、输入电路和AD693等组成。输入电路是一个冷端补偿电桥，cuR为铜补偿电阻，通过改变电位器1W的阻值可以调整变送器的零点。2W和3W的作用是调整量程。图2一体化热电偶温度变送器原理图2.5控制器的选择2.5.1控制器控制规律的选择在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书5得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定值系统，副环是一个随动系统。对于本系统由于温度变化缓慢造成的滞后较大，为克服较大滞后，选用PID控制器作为主控制器。副控制器只选比例控制器。2.5.2控制器正、反作用选择因为当阀开大使燃料流量增加时，燃烧室温度升高，故副对象为正作用。燃烧室温度增加使烧成带温度也增加，即主对象为正作用。调节阀为气开式为正作用。温度传感器均为正作用。要满足主回路和副回路为负反馈，则副控制器为反作用，主控制器为反作用。2.5.3控制器选型通过前面的分析，主调节器要用到PID调节，副调节器要用到P调节，所以对于主副调节器我们用两个DDZ-III型控制器即可。DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有特点：1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4-20mA，控制室联络信号为DC1-5V，信号电流与电压的转换电阻为250；2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少；3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。图3DDZ-III型调节器的结构框图DDZ-III型PID调节器的结构框图如图6。主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。武汉理工大学《过程控制系统与仪表》课程设计说明书6调节器接收变送器送来的测量信号(DC4-20mA或DC1-5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4-20mA直流电流输出。对于控制器的正反作用、PID或P调节以及参数的设定都可以通过调节器面板上的操作键来完成。对于主控制器的DDZ-III型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切换按钮切到反作用上，并在P、TI、TD参数设定轮上使P、TI、TD均不为0构成PID调节；对于副控制器的DDZ-III型调节器，我们将其右侧面板上设有正反作用切换按钮切到反作用上，并在P、TI、TD参数设定轮上将TD设定为零，TI设定为无穷大，构成P调节。综上所述，可画出隔焰隧道窑温度—温度串级控制系统的结构方框图，如图2。图4隔焰隧道窑温度—温度串级控制系统的结构方框图3参数整定由上所知，主控制器为PID控制器，副控制器为P控制器。可设定控制系统所用主、副控制器的传递函数分别为：sTsTKsGdicc11)(11，22)(ccKsG，假设主对象的传递函数为131301)(1sssGo