課程設計說明書燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)設計

1、學 院： 機械工程與自動化學院 專 業(yè)： 過程裝備與控制工程 學 生 姓 名： 焦彪彪 學 號： 0902034220 課程設計題目：燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)設計 課 程 設 計 任 務 書1設計目的：（1）培養(yǎng)學生運用過程檢測儀表與控制技術及其他相關課程的知識，結合畢業(yè)實習中學到的實踐知識，獨立地分析和解決實際過程控制的問題，初步具備設計一個過程控制系統(tǒng)的能力。 （2）運用工程的方法，通過一個簡單課題的設計練習，可使學生初步體驗過程控制系統(tǒng)的設計過程、設計要求、完成的工作內容和具體的設計方法。（3）培養(yǎng)學生獨立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運用專業(yè)及基礎知識，解決實際工程技術問題的能力；（4

2、）培養(yǎng)查閱圖書資料、產(chǎn)品手冊和各種工具書的能力；（5）培養(yǎng)編寫技術報告和編制技術資料的能力。2設計內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術參數(shù)、條件、設計要求等）：經(jīng)過過程檢測儀表與控制課程的學習和生產(chǎn)實習后，對現(xiàn)場的實際過程控制策略、實際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認識和了解。在此基礎上，針對實踐環(huán)節(jié)中的被控對象（控制裝置），獨立完成控制系統(tǒng)的設計，并通過調節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達到較好的控制效果。1. 確定系統(tǒng)整體控制方案以及系統(tǒng)的構成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場儀表選型，編制有關儀表信息的設計文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對象特性，選擇控制算法；5. 進行系統(tǒng)仿真，調節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)

3、性能；6. 寫出設計工作小結。對在完成以上設計過程所進行的有關步驟：如設計 思想、指標論證、方案確定、參數(shù)計算、元器件選擇、原理分析等作出說明，并對所完成的設計作出評價，對自己整個設計工作中經(jīng)驗教訓，總結收獲。3設計工作任務及工作量的要求包括課程設計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：1確定系統(tǒng)整體控制方案、儀表選型、系統(tǒng)控制流程圖、選擇控制算法。2撰寫課程設計說明書一份（a4紙）。4主要參考文獻：1過程裝備控制技術及其應用 王毅 主編 化學工業(yè)出版社2過程自動化及儀表 俞金壽 主編 化學工業(yè)出版社 3工業(yè)過程控制工程 王樹青 主編 化學工業(yè)出版社4控制儀表及裝置 吳勤勤 主編 化學工業(yè)出版

4、社5過程控制儀表 徐春山 主編 冶金工業(yè)出版社6過程裝備成套技術設計指南工程 黃振仁 主編 化學工業(yè)出版社7過程控制裝置 張永德 主編 化學工業(yè)出版社8化工單元過程及設備課程設計 匡國柱 主編 化學工業(yè)出版社9化工設備設計設計手冊（上、下） 朱有庭 主編 化學工業(yè)出版社10工業(yè)過程檢測與控制 孟華 主編 化學工業(yè)出版社目 錄1 概述 72 被控對象特性的研究 72.1 被控變量的選擇 72.2 操縱變量的選擇 72.3 被控對象的數(shù)學描述 73 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立 104 執(zhí)行器的數(shù)學模型 105 檢測變送器的數(shù)學模型 106 過程檢測儀表的選用 116.1 測溫元件及

5、溫度變送器 116.2 執(zhí)行器 116.3 調節(jié)器 127 參數(shù)整定與實驗仿真 138 課程設計總結 169 參考文獻 161.概述燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設備，一般大型窯爐燃料多為重油，輕柴油或煤氣、天然氣。窯爐通常由窯室、燃燒設備、通風設備，輸送設備等四部分組成。窯爐大致分為 箱式、井式、梭式、網(wǎng)帶式、回轉式、窯車式、推板式隧道電阻爐、真空爐、氣體保護爐、超高溫管式推板爐（碳管爐）、鎢鉬粉焙燒爐、還原爐等各種高、中、低溫工業(yè)窯爐，工作溫度2002500?？捎糜趜no壓敏電阻器、避雷器閥片、結構陶瓷、紡織陶瓷、ptc&ntc熱敏電阻器、電子陶瓷濾波器、片式電容

6、、瓷介電容、厚膜電路、片式電阻、磁性材料、粉末冶金、電子粉體、稀土化工、聚焦電位器、陶瓷基板、高鋁陶瓷及其金屬化，觸頭材料、硬質合金材料、鎢鉬材料等的燒成。本次課程設計是要完成燃燒式工業(yè)窯爐溫度定值控制系統(tǒng)的設計，采用的是單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測元件及變送器、一個調節(jié)器和一個執(zhí)行器所構成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的有如下特點：系統(tǒng)結構簡單、易于分析設計，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過程的控制要求，因此在生產(chǎn)中得到廣泛的應用。但單回路控制系統(tǒng)也有一些缺點，如系統(tǒng)適用于控制負荷變化較小的被控對象，如果負荷變化較大，無論選擇哪種調節(jié)規(guī)律，簡單控制

7、系統(tǒng)都很難得到滿意控制質量。在本次課程設計中，為了簡化系統(tǒng)模型、便于分析，采用如下假設：1、燃料為甲烷(最大流量為)，被加熱的介質為磚，磚的厚度為7厘米。2、窯爐為絕熱爐與外界沒有熱交換，廢渣不帶走熱量。3、空氣供應充足，燃料在爐內能夠充分燃燒。4、忽略燃氣溫度變化對窯內溫度的影響。5、單位時間廢氣流量恒定。6、窯容量為30立方米,磚塊燒制溫度為9002.被控對象特性的研究燃燒式工業(yè)窯爐是用耐火材料砌成的用以煅燒物料或燒成制品的設備，其工作原理為燃料進入爐內燃燒，其發(fā)出的熱量一部分被被加熱介質所吸收，另一部分用于維持爐內整個環(huán)境的溫度。為了滿足工藝的需要，必須使爐內溫度維持在一定的范圍內。影響

8、爐內溫度最主要的因素為燃料的進料流量，因此可以通過控制燃料的進料流量來控制爐內的溫度。2.1被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過程中希望保持在定值獲按一定規(guī)律變化的過程參數(shù)。在燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制系統(tǒng)中，我們希望爐內的溫度保持在一定的范圍內，因此可以把爐內的溫度作為被控變量。2.2操縱變量的選擇在控制系統(tǒng)中，用來克服干擾對被控變量的影響，實現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。對于燃燒式工業(yè)窯爐，燃料的流量對爐內溫度的影響最大，因此可以把燃料的流量作為操縱變量。2.3被控對象的數(shù)學描述對于燃燒式工業(yè)窯爐，其控制原理為通過控制燃料的進料流量來控制爐內的溫度。圖1 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制示意圖現(xiàn)假設空氣充足，

9、燃料能夠充分燃燒，且窯爐是絕熱的，沒有熱量損失，則燃料燃燒的熱量一部分被被加熱的介質所吸收，另一部分用于維持窯爐整個環(huán)境在一定的溫度范圍內，現(xiàn)假設窯爐內整個空氣環(huán)境所擁有的熱量為q,燃料的體積流量為，燃料的燃燒值為,空氣的質量為，空氣的比熱容為，被加熱介質的傳熱系數(shù)為,傳熱面積為，爐內溫度為，被加熱物質和空氣的原始溫度為單位時間廢氣帶走的熱量為 ，其中，m為單位時間排出的廢氣質量，c為廢氣比熱容。 根據(jù)熱量關系有:其中，則將上式帶入（1）式，得到對上式進行增量化，則，得到對上式進行拉普拉斯變換，得到則(2)現(xiàn)假設燃料為甲烷，被加熱的物質為磚，磚的厚度為0.07m，長為0.2m，寬為0.1m甲烷

10、的燃燒值為，空氣的質量空氣的比熱容為,磚的傳熱系數(shù)為假設廢氣熱量損失速度所有磚的傳熱面積為將以上數(shù)據(jù)帶入（2）式，得到3.燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制原理及控制方案的確立燃燒式工業(yè)爐的工作方式為：燃料進入爐內燃燒，其熱量主要用于兩部分，一部分用于被加熱介質的吸收，另一部分用于維持爐內整個環(huán)境的溫度。影響爐內溫度最主要的因素為燃料的進料流量，因此可以通過控制燃料的進料流量來控制爐內的溫度?？刂品桨覆捎脝位芈范ㄖ悼刂葡到y(tǒng)，其方框圖如下：圖2 單回路定值控制系統(tǒng)方框圖從控制任務要求可知，燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)是單點、恒值控制，控制范圍和控制精度要求一般，功能上無特殊要求，采用廣泛使用的pid控制

11、即可。4.執(zhí)行器的數(shù)學模型對于電動執(zhí)行器，由于選用的是直線型流量調節(jié)閥，輸入與輸出成線性關系，其增益為5.檢測變送器的數(shù)學模型選用熱電偶溫度檢測變送器，對于熱電偶溫度一體化變送器，由于其輸入與輸出成線性關系，所以其增益為6.過程控制儀表的選用 6.1測溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實踐和現(xiàn)場使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應原理制成的測溫儀器，它由熱電偶、電測儀表和連接導線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計有以下特點：測溫精度高，性能穩(wěn)定；結構簡單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；將溫度信號轉換為電信號，便于信號遠傳和實現(xiàn)多點切換測量；測溫范圍廣，可達-200

12、2000；形式多樣，適用于多種測溫條件；在此，我們選用一體化溫度變送器，sure301系列熱電偶、熱電阻一體化溫度變送器（以下簡稱溫度變送器）是由溫度傳感器與信號轉換器組成。本產(chǎn)品經(jīng)國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站測試合格，防爆合格證為gyb97142、gyb97143、gyb97144、gyb97145。廣泛用于石油、化工、冶金、機械、煤炭、電站、船泊、國防等部門用來測量液體、氣體和蒸汽等介質的溫度。 圖（3） 熱電偶溫度檢測變送器如圖（3） （1）熱電偶測量范圍：01200。（2）測量精度：熱電阻為0.2%；熱電偶為1%2%；冷端補償為2/60。（3）溫度漂移：0.025%，年漂移0.5%

13、。（4）供電電壓：24vdc10%（4-20ma電流型模塊最低工作電壓需要10v余下供負載）。（5）負載能力：0-600歐姆（24v電壓時）電壓變化影響0.015%v。 （6）環(huán)境濕度85%，且無腐蝕性。6.2 執(zhí)行器執(zhí)行器的作用是接受調節(jié)器送來的控制信號，自動的改變操縱量（在此為介質流量），達到對被控參數(shù)進行調節(jié)的目的。電動執(zhí)行器由執(zhí)行機構和調節(jié)機構（閥體）兩部分組成?？紤]被調介質的工藝條件及流體特性來選擇調節(jié)閥?？煞譃榻切谐蹋╠kj型）和直行程（dkz型）兩種，原理和電路原理完全相同，只是輸出機械傳動部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動執(zhí)行機構可分為比例式和積分式。根據(jù)實際情況和介質特性，我選

14、用直行程（dkz型）比例式電動執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號成正比。標準技術參數(shù)閥體型式：直通鑄造球形閥閥尺寸：dn20200額定壓力：pn 16，pn40，pn63，pn100連接形式：法蘭（標準型） 法蘭標準：鋼制法蘭按gb9113-2000，jb|t-94密封面型式：pn16為突面 材料：閥體，閥內組件材料配套和工作溫度范圍參照zma|bm壓蓋形式：壓板式填料：v型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料墊片：型式，齒型和平型 材料，f4|改性f4，不銹鋼+石墨結構形式：壓力平衡型式閥芯：柱塞型套筒：金屬密封， 線性特性（lg）執(zhí)行機構型式：電動（電子）式執(zhí)行機構 381lsa|xa-08，3

15、81lsa|xa20閥作用：正在用控制動作：比例控制輸入信號：420madc（負載電阻500以下）功耗：a型|50va，b型|150va，c型|220va保護等級：ip55出線連接：普通s型g1|2，防爆x型g3|4環(huán)境溫度：無空間加熱器-1060 有空間加熱器-3560 防爆x型 -1040 圖4 電動執(zhí)行器環(huán)境溫度： 普通s型95%以下 防爆x型4585%防爆等級：exdllbt4過載保護：a、b型任選，c型必配 手動裝置：帶手柄6.3 調節(jié)器調節(jié)器又稱控制器，是構成自動控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調量的偏差，再根據(jù)一定的調節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號，從而

16、推動執(zhí)行器工作，對生產(chǎn)過程進行自動調節(jié)。目前在中國工業(yè)上廣泛應用的ddz-型電動調節(jié)儀表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先進可靠的防爆結構。我選用dtz-2100型全刻度指示調節(jié)器。 表1 dtz-2100型全刻度指示調節(jié)器相關參數(shù)輸入信號15v.dc內給定信號15v.dc外給定信號420ma.dc調節(jié)作用（比例+積分+微分）比例帶：2500%積分時間：0.012.5分微分時間：0.0410分（可切除）輸入、給定指示表指示范圍：0100%，誤差：1%輸出指示表指示范圍：0100%，誤差：25%輸出信號420ma.dc負載電阻250750工作條件環(huán)境溫度：045工作振動：頻率25h

17、z7.參數(shù)整定與實驗仿真圖5 實驗連接圖表2 調節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)溫度流量壓力液位20-6040-10030-7020-1003-100.1-10.4-30.5-3對于pid調節(jié)器，運用經(jīng)驗試湊法對其進行參數(shù)整定，根據(jù)調節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)表，由于本次設計控制的是窯爐內的溫度，所以初步選擇， 經(jīng)過實驗仿真，得到如下響應曲線：圖6 實驗響應曲線圖當，,時圖7 實驗響應曲線圖當，,時圖8 實驗響應曲線圖當，,時，圖9 實驗響應曲線圖經(jīng)過比較，得到當，,時，能得到理想的響應曲線。8.課程設計總結本次課程設計通過對燃燒式工業(yè)窯爐工作原理的分析，結合題目的要求，即采用單回路控制系統(tǒng)對爐內的溫度進行定制控制，決定選用爐內的溫度作為被控變量，選用燃料的進料流量作為操作變量，通過對系統(tǒng)的分析，建立了被控對象的數(shù)學模型，然后選用合適的檢測變送器和執(zhí)行器、調節(jié)器，調節(jié)規(guī)律采用pid調節(jié)，其參數(shù)通過經(jīng)驗試湊法來進行整定，然后運用matlab軟件進行仿真，再修改調節(jié)器的參數(shù)，得到理想的響應曲線。通過本