燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 過(guò)程裝備與控制工程 學(xué) 生 姓 名： 焦彪彪 學(xué) 號(hào)： 0902034220 課程設(shè)計(jì)題目：燃燒式工業(yè)窯爐溫度單回路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)1設(shè)計(jì)目的：（1）培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用過(guò)程檢測(cè)儀表與控制技術(shù)及其他相關(guān)課程的知識(shí)，結(jié)合畢業(yè)實(shí)習(xí)中學(xué)到的實(shí)踐知識(shí)，獨(dú)立地分析和解決實(shí)際過(guò)程控制的問(wèn)題，初步具備設(shè)計(jì)一個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)的能力。 （2）運(yùn)用工程的方法，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單課題的設(shè)計(jì)練習(xí)，可使學(xué)生初步體驗(yàn)過(guò)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程、設(shè)計(jì)要求、完成的工作內(nèi)容和具體的設(shè)計(jì)方法。（3）培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)造力；綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)及基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際工程技術(shù)問(wèn)題的能力；（4

2、）培養(yǎng)查閱圖書(shū)資料、產(chǎn)品手冊(cè)和各種工具書(shū)的能力；（5）培養(yǎng)編寫(xiě)技術(shù)報(bào)告和編制技術(shù)資料的能力。2設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計(jì)要求等）：經(jīng)過(guò)過(guò)程檢測(cè)儀表與控制課程的學(xué)習(xí)和生產(chǎn)實(shí)習(xí)后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際過(guò)程控制策略、實(shí)際環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)有了一定的認(rèn)識(shí)和了解。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)踐環(huán)節(jié)中的被控對(duì)象（控制裝置），獨(dú)立完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制參數(shù)，達(dá)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(gòu)成方式，給出控制流程圖；2. 現(xiàn)場(chǎng)儀表選型，編制有關(guān)儀表信息的設(shè)計(jì)文件；3. 給出控制系統(tǒng)方框圖；4. 分析被控對(duì)象特性，選擇控制算法；5. 進(jìn)行系統(tǒng)仿真，調(diào)節(jié)控制參數(shù)，分析系統(tǒng)

3、性能；6. 寫(xiě)出設(shè)計(jì)工作小結(jié)。對(duì)在完成以上設(shè)計(jì)過(guò)程所進(jìn)行的有關(guān)步驟：如設(shè)計(jì) 思想、指標(biāo)論證、方案確定、參數(shù)計(jì)算、元器件選擇、原理分析等作出說(shuō)明，并對(duì)所完成的設(shè)計(jì)作出評(píng)價(jià)，對(duì)自己整個(gè)設(shè)計(jì)工作中經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，總結(jié)收獲。3設(shè)計(jì)工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)(論文)、圖紙、實(shí)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(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份（A4紙）。4主要參考文獻(xiàn)：1過(guò)程裝備控制技術(shù)及其應(yīng)用 王毅 主編 化學(xué)工業(yè)出版社2過(guò)程自動(dòng)化及儀表 俞金壽 主編 化學(xué)工業(yè)出版社 3工業(yè)過(guò)程控制工程 王樹(shù)青 主編 化學(xué)工業(yè)出版社4控制儀表及裝置 吳勤勤 主編 化學(xué)工業(yè)出版

4、社5過(guò)程控制儀表 徐春山 主編 冶金工業(yè)出版社6過(guò)程裝備成套技術(shù)設(shè)計(jì)指南工程 黃振仁 主編 化學(xué)工業(yè)出版社7過(guò)程控制裝置 張永德 主編 化學(xué)工業(yè)出版社8化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì) 匡國(guó)柱 主編 化學(xué)工業(yè)出版社9化工設(shè)備設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下） 朱有庭 主編 化學(xué)工業(yè)出版社10工業(yè)過(guò)程檢測(cè)與控制 孟華 主編 化學(xué)工業(yè)出版社目 錄1 概述 72 被控對(duì)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(duì)象的數(shù)學(xué)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(xué)模型 105 檢測(cè)變送器的數(shù)學(xué)模型 106 過(guò)程檢測(cè)儀表的選用 116.1 測(cè)溫元件及

5、溫度變送器 116.2 執(zhí)行器 116.3 調(diào)節(jié)器 127 參數(shù)整定與實(shí)驗(yàn)仿真 138 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 169 參考文獻(xiàn) 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(shè)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(shè)備、通風(fēng)設(shè)備，輸送設(shè)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(zhuǎn)式、窯車(chē)式、推板式隧道電阻爐、真空爐、氣體保護(hù)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?？捎糜赯nO壓敏電阻器、避雷器閥片、結(jié)構(gòu)陶瓷、紡織陶瓷、PTC&NTC熱敏電阻器、電子陶瓷濾波器、

6、片式電容、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(zhì)合金材料、鎢鉬材料等的燒成。本次課程設(shè)計(jì)是要完成燃燒式工業(yè)窯爐溫度定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用的是單回路控制，單回路控制系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，是指由一個(gè)被控對(duì)象、一個(gè)檢測(cè)元件及變送器、一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器所構(gòu)成的閉合系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)的有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析設(shè)計(jì)，投資少、便于施工，并能滿足一般生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因此在生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。但單回路控制系統(tǒng)也有一些缺點(diǎn)，如系統(tǒng)適用于控制負(fù)荷變化較小的被控對(duì)象，如果負(fù)荷變化較大，無(wú)論選擇哪種調(diào)節(jié)規(guī)律，

7、簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)都很難得到滿意控制質(zhì)量。在本次課程設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型、便于分析，采用如下假設(shè)：1、燃料為甲烷(最大流量為)，被加熱的介質(zhì)為磚，磚的厚度為7厘米。2、窯爐為絕熱爐與外界沒(méi)有熱交換，廢渣不帶走熱量。3、空氣供應(yīng)充足，燃料在爐內(nèi)能夠充分燃燒。4、忽略燃?xì)鉁囟茸兓瘜?duì)窯內(nèi)溫度的影響。5、單位時(shí)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(duì)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(shè)備，其工作原理為燃料進(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其發(fā)出的熱量一部分被被加熱介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。為了滿足工藝的需要，必須使?fàn)t內(nèi)溫度維持在一定的范圍

8、內(nèi)。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過(guò)控制燃料的進(jìn)料流量來(lái)控制爐內(nèi)的溫度。2.1被控變量的選擇被控變量是生產(chǎn)過(guò)程中希望保持在定值獲按一定規(guī)律變化的過(guò)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(nèi)的溫度保持在一定的范圍內(nèi)，因此可以把爐內(nèi)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(lái)克服干擾對(duì)被控變量的影響，實(shí)現(xiàn)控制作用的變量就是操縱變量。對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，燃料的流量對(duì)爐內(nèi)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(duì)象的數(shù)學(xué)描述對(duì)于燃燒式工業(yè)窯爐，其控制原理為通過(guò)控制燃料的進(jìn)料流量來(lái)控制爐內(nèi)的溫度。圖1 燃燒式工業(yè)窯爐溫度控制示意圖現(xiàn)假設(shè)空

9、氣充足，燃料能夠充分燃燒，且窯爐是絕熱的，沒(méi)有熱量損失，則燃料燃燒的熱量一部分被被加熱的介質(zhì)所吸收，另一部分用于維持窯爐整個(gè)環(huán)境在一定的溫度范圍內(nèi)，現(xiàn)假設(shè)窯爐內(nèi)整個(gè)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(zhì)量為，空氣的比熱容為，被加熱介質(zhì)的傳熱系數(shù)為,傳熱面積為，爐內(nèi)溫度為，被加熱物質(zhì)和空氣的原始溫度為單位時(shí)間廢氣帶走的熱量為 ，其中，m為單位時(shí)間排出的廢氣質(zhì)量，c為廢氣比熱容。 根據(jù)熱量關(guān)系有:其中，則將上式帶入（1）式，得到對(duì)上式進(jìn)行增量化，則，得到對(duì)上式進(jìn)行拉普拉斯變換，得到則(2)現(xiàn)假設(shè)燃料為甲烷，被加熱的物質(zhì)為磚，磚的厚度為0.07m，長(zhǎng)為0.2m，寬為0.

10、1m甲烷的燃燒值為，空氣的質(zhì)量空氣的比熱容為,磚的傳熱系數(shù)為假設(shè)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(jìn)入爐內(nèi)燃燒，其熱量主要用于兩部分，一部分用于被加熱介質(zhì)的吸收，另一部分用于維持爐內(nèi)整個(gè)環(huán)境的溫度。影響爐內(nèi)溫度最主要的因素為燃料的進(jìn)料流量，因此可以通過(guò)控制燃料的進(jìn)料流量來(lái)控制爐內(nèi)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(wù)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(diǎn)、恒值控制，控制范圍和控制精度要求一般，功能上無(wú)特殊要求，采用廣泛使用的P

11、ID控制即可。4.執(zhí)行器的數(shù)學(xué)模型對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行器，由于選用的是直線型流量調(diào)節(jié)閥，輸入與輸出成線性關(guān)系，其增益為5.檢測(cè)變送器的數(shù)學(xué)模型選用熱電偶溫度檢測(cè)變送器，對(duì)于熱電偶溫度一體化變送器，由于其輸入與輸出成線性關(guān)系，所以其增益為6.過(guò)程控制儀表的選用 6.1測(cè)溫元件及變送器根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)使用條件以及儀表的性能，我們選用普通熱電偶測(cè)溫儀表。熱電偶溫度儀表是基于熱電效應(yīng)原理制成的測(cè)溫儀器，它由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線組成，其核心元件是熱電偶。熱電偶溫度計(jì)有以下特點(diǎn)：測(cè)溫精度高，性能穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，產(chǎn)品互換性好；將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，便于信號(hào)遠(yuǎn)傳和實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)切換測(cè)量；測(cè)溫范圍廣，可達(dá)

12、-2002000；形式多樣，適用于多種測(cè)溫條件；在此，我們選用6.2 執(zhí)行器執(zhí)行器的作用是接受調(diào)節(jié)器送來(lái)的控制信號(hào)，自動(dòng)的改變操縱量（在此為介質(zhì)流量），達(dá)到對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)的目的。電動(dòng)執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（閥體）兩部分組成?？紤]被調(diào)介質(zhì)的工藝條件及流體特性來(lái)選擇調(diào)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(jī)械傳動(dòng)部分有所區(qū)別。按照特性不同，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為比例式和積分式。根據(jù)實(shí)際情況和介質(zhì)特性，我選用直行程（DKZ型）比例式電動(dòng)執(zhí)行器，其輸出直線位移與輸入電流信號(hào)成正比。標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)閥體型式：直通鑄造球形閥閥尺寸：DN20200額定壓力：

13、PN 16，PN40，PN63，PN100連接形式：法蘭（標(biāo)準(zhǔn)型） 法蘭標(biāo)準(zhǔn)：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(nèi)組件材料配套和工作溫度范圍參照Z(yǔ)MA|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，F(xiàn)4|改性F4，不銹鋼+石墨結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)型式：電動(dòng)（電子）式執(zhí)行機(jī)構(gòu) 381LSA|XA-08，381LSA|XA20閥作用：正在用控制動(dòng)作：比例控制輸入信號(hào)：420mADC（負(fù)載電阻500以下）功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型

14、|220VA保護(hù)等級(jí)：IP55出線連接：普通S型G1|2，防爆X型G3|4環(huán)境溫度：無(wú)空間加熱器-1060 有空間加熱器-3560 防爆X型 -1040 圖4 電動(dòng)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(jí)：ExdllBT4過(guò)載保護(hù)：A、B型任選，C型必配 手動(dòng)裝置：帶手柄6.3 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器又稱控制器，是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)的核心儀表，其作用是將參數(shù)測(cè)量值和規(guī)定的參數(shù)值相比較后，得出被調(diào)量的偏差，再根據(jù)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生輸出信號(hào)，從而推動(dòng)執(zhí)行器工作，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。目前在中國(guó)工業(yè)上廣泛應(yīng)用的DDZ-型電動(dòng)調(diào)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(jìn)可靠

15、的防爆結(jié)構(gòu)。我選用DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器。 表1 DTZ-2100型全刻度指示調(diào)節(jié)器相關(guān)參數(shù)輸入信號(hào)15V.DC內(nèi)給定信號(hào)15V.DC外給定信號(hào)420mA.DC調(diào)節(jié)作用（比例+積分+微分）比例帶：2500%積分時(shí)間：0.012.5分微分時(shí)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(hào)420mA.DC負(fù)載電阻250750工作條件環(huán)境溫度：045工作振動(dòng)：頻率25Hz7.參數(shù)整定與實(shí)驗(yàn)仿真圖5 實(shí)驗(yàn)連接圖表2 調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)參數(shù)溫度流量壓力液位20-6040-10030-7020-1003-100

16、.1-10.4-30.5-3對(duì)于PID調(diào)節(jié)器，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)試湊法對(duì)其進(jìn)行參數(shù)整定，根據(jù)調(diào)節(jié)器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表，由于本次設(shè)計(jì)控制的是窯爐內(nèi)的溫度，所以初步選擇， 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真，得到如下響應(yīng)曲線：圖6 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖當(dāng)，,時(shí)圖7 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖當(dāng)，,時(shí)圖8 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖當(dāng)，,時(shí)，圖9 實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線圖經(jīng)過(guò)比較，得到當(dāng)，,時(shí)，能得到理想的響應(yīng)曲線。8.課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)燃燒式工業(yè)窯爐工作原理的分析，結(jié)合題目的要求，即采用單回路控制系統(tǒng)對(duì)爐內(nèi)的溫度進(jìn)行定制控制，決定選用爐內(nèi)的溫度作為被控變量，選用燃料的進(jìn)料流量作為操作變量，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的分析，建立了被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后選用合適的檢測(cè)變送器和執(zhí)行器、調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)規(guī)律采用PID調(diào)節(jié)，其參數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)試湊法來(lái)進(jìn)行整定，然后運(yùn)用matlab軟件進(jìn)行仿真，再修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，得到理想的響應(yīng)曲線。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我對(duì)單回路控制系統(tǒng)有了進(jìn)一