管式加热炉温度控制系统仿真设计

管式加热炉温度控制系统仿真设计摘要：随着科学技术的飞速发展，消费者对民用生产和工业生产对产品的性能有了更新的要求，其中，对产品的温度控制的要求也越来越高，所以研究设计管式加热炉的温度控制器具有很大的现实意义和使用价值。

本文是基于PID 控制算法的管式加热炉智能温度控制器为研究对象，首先阐述本文的研究背景和温度自动控制器的需求，然后对分析了传统控制方法的弊端，对模糊控制方法进行了介绍。

随后利用模糊PID计算方法计算对系统功能的实现情况，并从硬件和软件两个方面进行系统运行调试，得出较好的结果。

关键词：温度控制器；SSR 固态继电器；STM32 单片机ABSTRACT：With the rapid development of science and technology, consumer and industrial production to civilian production requirements for product update performance, which, on product temperature control requirements have become more sophisticated, so designing resistance furnace temperature controller is of great practical significance and usefulness. This article is a resistance furnace temperature controller based on PID control algorithm for the study, first of all explains the background of this study and temperature control needs, then design the overall system-wide programme, including in particular the hardware system design, system design and software design of the control circuit of temperature. Then take advantage of fuzzy PID calculation system of implementation, and run from the two systems in terms of hardware and software debugging, produce better results and conclusion full text.KEY WORDS：Temperature controller; SSR-solid state relays; STM32 microcontroller目录1 引言 (1)2.管式加热炉温度系统 (1)2.1管式加热炉的一般结构 (2)2.2管式加热炉传热方式 (4)3 管式加热炉温度系统的模糊控制 (6)3.1 常规控制方法的局限性 (6)3.2 智能控制思想 (6)3.3 管式加热炉温度系统的智能模糊控制 (7)3.3.1 模糊控制概述 (7)3.3.2 模糊控制原理 (8)3.3.3 模糊控制器结构 (8)2.2.4 建立模糊规则表 (11)4.控制系统仿真 (13)4.1 PID原理 (13)4.2 PID参数的选择 (14)4.3 Smith模糊PID控制算法 (16)4.4 模糊PID控制器的设计及仿真结果 (16)结论 (20)参考文献 (22)1 引言随着现代科技的快速发展，科学技术的应用，大大改善了人类的生产、生活方式。

但是近年来气候的变化无常，严重的干扰了人类正常的生产、生活，人们对自己生活的质量和经济发展的要求逐步提高，对所用的设备功能和效用的要求也逐步提高。

温度自动控制器家电产品中的应用分为民用，工业用途两种。

民用如空调，微波炉，热水器，采暖炉，冰箱等等方面；温度自动控制器在工业生产用途表现在工厂的大型的机械，如锅炉等大型的机械设备，这种设备对温度的控制要求非常高。

此外，还在大棚种植、养殖，温室环境等对温度有一定要求的地方应用广泛。

温度自动控制器中，管式加热炉温度控制器作为管式加热炉应用的必备工具，从民用的日常生活，到钢铁冶金等大型工业生产都有涉及，可以说是具有广阔的应用前景。

由于机械设备经常反复使用，对温度控制器的损耗大，并且其温度控制器都是机械式的，容易损坏，对其进行修理只能更换配件，将费用加到企业消费者身上。

这就使机械不具备经久耐用的特点。

针对制冷制热产品的使用范围广，需求量大的特点，设计出耗费成本低，温度控制效果好的温度控制器产品，必然会得到消费者的喜爱，为企业迎来利益增长。

同时，温度控制器的应用不仅仅局限于家电产品，在企业需要制冷制热的机械设备中，也同样适用。

由此可见，温度控制器在民用工业用途上，应用范围广，需求量大。

2.管式加热炉温度系统管式加热炉是石油炼制、石油化工和化学、化纤工业中所使用的具有提供热源的火力加热设备，加热炉炉内装有无缝钢管连接而成的管士作，被加热物质（仅限加热气体或液体）在管内流动，被加热到工艺要求的温度。

管式加热炉逐渐成为工业生产中的重要设备，同其他工业炉相比有如下特点：（1）待加热介质在管内流动，故适用于加热液体或气体，通常是易燃、易爆的烃类物质，同锅炉加热水产蒸汽相比，危险性大、操作条件苛刻。

（2）液体燃料或燃烧气体。

（3）直接受火式加热方式。

（4）长周期连续运行。

管式加热炉性能优越，符合现代工业生产大型化、自动化、连续化的要求，它的发展对石化等行业的发展、进步起到了很大的推动作用，在一些生产过程中对产品质量、产品收率、能耗和操作周期甚至起着重要的支配作用。

2.1管式加热炉的一般结构管式加热炉包括5部分，分别是：对流室、辐射室、通风系统、燃烧系统及余热回收系统，如图2.1所示，结构中包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。

图2.1管式加热炉的一般结构（1）辐射室辐射室通过火焰或高温烟气进行辐射传热，是加热炉热交换的毛要场所。

辐射室直接受火焰冲刷，温度较高、所用材料的强度、耐热性定要好，其热负荷一般占加热炉热负荷的70%~80%，是加热炉最重要的部位。

乙烯裂解炉、烃类蒸汽转化炉的裂解和反应过程全部在辐射室完成。

辐射室有两个作用：一是用作燃烧室；二是将燃烧器喷出的火焰、高温烟气通过炉管传给介质。

（2）对流室对流室是由辐射室出来的烟气进行对流传热的部分，对流室热负荷约占加热炉负荷的20%~30%。

对流室的取热量比值越大，加热炉热效率越高，该比值的选择应根据管内流体同烟气的温度差和烟气通过对流管排的压力损失等方面考虑决定。

对流室位置一般在辐射室之上，内部紧密分布着多排炉管，烟气通过较快的速度冲刷炉管，从而实现对流传热。

加热炉炉管中的介质一般由低温部分流到高温部分，即先到对流室，后到辐射室。

水蒸气介质的流向是对于烟气上行的炉子为从上到下，烟气下行的炉子为从下到上。

对流段的主要作用是：在对流室内的高温烟气以对流的方式将热量传给炉管内的介质。

在对流室内也有很小一部分烟气及炉墙的辐射传热。

（3）余热回收系统余热回收系统用以进一步回收离开对流室烟气中的余热。

回收方法有2种：一是通过余热供燃烧用的空气来回收，使回收的热量再次返回炉中，称为“空气预热方式”。

另一种是采用同加热炉完全无关的其它介质回收热量，称为“余热锅炉”方式，一般采用强制循环方式，尽量放到对流室顶部。

目前，加热炉的余热回收系统多采用空气余热回收方式，通常只有高温管式炉（如烃蒸气转化炉、乙烯裂解炉）和纯辐射炉才使用余热锅炉。

这些炉子的排烟温度较高，安装余热回收后，加热炉的热效率可达到88%~90%。

（4）燃烧器燃烧器的作用是完成燃料的燃烧过程，为热交换提供热量。

燃烧器由燃料喷嘴、配风器、燃烧通道3部分组成。

燃烧器根据燃用燃料不同分为燃油燃烧器、燃气燃烧器和油气联合燃烧器。

燃烧器性能的好坏，直接影响炉子质量及炉子的热效率。

为保证燃烧质量和整炉热效率，必须有可靠的燃料供应系统和良好的空气预热系统。

（5）通风系统通风系统是把燃料燃烧所用空气导入燃烧器，同时将废烟气引出加热炉。

通风方式有自然通风和强制通风，自然通风依靠烟囱本身的抽力，强制通风则使用鼓风机和引风机。

当加热炉炉内烟气侧阻力不大时，通风方式为自然通风，对于加热炉烟囱的高度，要求可以保证克服加热炉炉内烟气侧阻力。

但是，近年来随着环保要求的提高，生产企业己开始安装独立于炉群的超高型集合烟囱，用来将多个加热炉的烟气集中在一起进行排放。

随着管式加热炉性能的多元化、结构的复杂化，炉内烟气侧阻力降增大，以及高效大功率燃烧器的应用、提高加热炉热效率和节能降耗工作的需要，强制通风方式越来越受到重视和使用。

2.2管式加热炉传热方式管式加热炉的工艺过程就是燃料燃烧释放出热量和油介质或者其他介质吸收热量，使其升温，产生相变或同时产生裂化和反应等的过程，是供热和吸热的过程。

燃料在炉膛内燃烧后，1000~1500℃的高温烟气主要以辐射的方式将大部分热量传给辐射管的外表面，再通过炉管的金属壁以全传导的方式传递给炉管的内表面，又以对流方式传递给在炉管中流动的介质，使之加热到工艺上要求的温度。

以较少的传热面积，消耗较少的燃料，来完成既定的加热任务，是加热炉的基本工艺要求。

加热炉不能由于局部过热导致油品或其它介质的分解，尤其是用于反应的加热炉除要达到规定的反应深度外，还要尽量减少炉管内结焦状况的发生，使加热炉长周期安全运行。

（1）辐射传热在加热炉内，热辐射是重要的传热方式。

在管式加热炉内炉管吸收的热量约有80%~90%是以辐射的方式进行的。

辐射是物质以电磁波或光子的形式传递能量的过程。

是物质的固有属性，所传递的能量叫辐射能。

当辐射能落在另一个物体上被吸收时，可转化为该物体的内增能量，产生热效应、化学效应或光电效应等。

辐射室中的传热方式主要包括炽热气体和火焰的对流放热和辐射放热。

如果燃料燃烧产生的热量全部被生成物吸收，那么生成物的温度为最高温度，即虚拟火焰最高温度max t 。

由于炉膛墙壁和管排不断接受到辐射热量，而且在流动方向上有温度梯度，所以温度g t 根本达不到。

罗伯—伊万斯方法的基本出发点提出了如下的假设：在管式加热炉的辐射室中，可以用'g t 来表示烟气的平均温度，其中，'gt 是根据热平衡原理得到的离开辐射室时的烟气温度。

虚拟最高火焰温度max t 显然高一于烟气平均温度g t ，而在辐射室出口，烟气的实际温度为'g t ，根据不同的加热炉，g t 要么高于'g t ，要么等于'g t 。