燃烧式工业窑炉温度单回路控制2008版

学院：机械工程与自动化学院专业：过程装备与控制工程学生姓名： . 学号：课程设计题目：燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统设计课程设计任务书目录1 概述 (7)2 被控对象特性的研究 (7)2.1 被控变量的选择 (7)2.2 操纵变量的选择 (7)2.3 被控对象的数学描述 (7)3 燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立 (10)4 执行器的数学模型 (10)5 检测变送器的数学模型 (10)6 过程检测仪表的选用 (11)6.1 测温元件及温度变送器 (11)6.2 执行器 (11)6.3 调节器 (12)7 参数整定与实验仿真 (13)8 课程设计总结 (16)9 参考文献 (16)1.概述燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，一般大型窑炉燃料多为重油，轻柴油或煤气、天然气。

窑炉通常由窑室、燃烧设备、通风设备，输送设备等四部分组成。

窑炉大致分为箱式、井式、梭式、网带式、回转式、窑车式、推板式隧道电阻炉、真空炉、气体保护炉、超高温管式推板炉（碳管炉）、钨钼粉焙烧炉、还原炉等各种高、中、低温工业窑炉，工作温度200～2500℃。

可用于ZnO压敏电阻器、避雷器阀片、结构陶瓷、纺织陶瓷、PTC&NTC热敏电阻器、电子陶瓷滤波器、片式电容、瓷介电容、厚膜电路、片式电阻、磁性材料、粉末冶金、电子粉体、稀土化工、聚焦电位器、陶瓷基板、高铝陶瓷及其金属化，触头材料、硬质合金材料、钨钼材料等的烧成。

本次课程设计是要完成燃烧式工业窑炉温度定值控制系统的设计，采用的是单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

单回路控制系统的有如下特点：系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。

但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。

在本次课程设计中，为了简化系统模型、便于分析，采用如下假设：1、燃料为天然气，被加热的介质为砖，砖的厚度为7厘米2、窑炉为绝热炉，废渣不带走热量3、空气供应充足，燃料在炉内能够充分燃烧2.被控对象特性的研究燃烧式工业窑炉是用耐火材料砌成的用以煅烧物料或烧成制品的设备，其工作原理为燃料进入炉内燃烧，其发出的热量一部分被被加热介质所吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。

为了满足工艺的需要，必须使炉内温度维持在一定的范围内。

影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

2.1被控变量的选择被控变量是生产过程中希望保持在定值获按一定规律变化的过程参数。

在燃烧式工业窑炉温度控制系统中，我们希望炉内的温度保持在一定的范围内，因此可以把炉内的温度作为被控变量。

2.2操纵变量的选择在控制系统中，用来克服干扰对被控变量的影响，实现控制作用的变量就是操纵变量。

对于燃烧式工业窑炉，燃料的流量对炉内温度的影响最大，因此可以把燃料的流量作为操纵变量。

2.3被控对象的数学描述对于燃烧式工业窑炉，其控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

图1 燃烧式工业窑炉温度控制示意图TT TC 燃料空气热电偶废气废渣TT TC 燃料空气热电偶废气废渣现假设空气充足，燃料能够充分燃烧，且窑炉是绝热的，没有热量损失，则燃料燃烧的热量一部分被被加热的介质所吸收，另一部分用于维持窑炉整个环境在一定的温度范围内，现假设窑炉内整个空气环境所拥有的热量为Q,燃料的体积流量为3(/)V dm s ，燃料的燃烧值为R C ,空气的质量为K M ，空气的比热容为K C ，被加热介质的传热系数为H ,传热面积为A ，炉内温度为θ，被加热物质和空气的原始温度为0θ。

根据热量关系，有0d ()(1)R QVC HA dt θθ=--其中0()K K Q M C θθ=-，则0()K K dQM C d dt dt θθ-=将上式带入（1）式，得到00()()K K R M C d VC HA dt θθθθ-=--0()K K R M C d VC HA dt θθθ=--对上式进行增量化，则00θ∆=，得到K K R d M C VC HA dt θθ∆=∆-∆K K R d M C HA VC dt θθ∆+∆=∆对上式进行拉普拉斯变换，得到()()()K K R S S M C S HA V C θ+∆=∆ 则()()()(2)RK K S S S CG V M C S HA θ∆==∆+现假设燃料为甲烷，被加热的物质为砖，砖的厚度为0.07m ，长为0.2m ，宽为0.1m甲烷的燃烧值R C 为336.22/KJ dm ，空气的质量331.205/3036.15K M kg m m kg =⨯= 空气的比热容为0.717/(*)KJ kg K ,砖的传热系数为221.43310/(*)KW m K -⨯,所有砖的传热面积为 23070%(0.070.20.20.10.070.1)212300.070.20.1A m =⨯⨯⨯+⨯+⨯⨯=⨯⨯将以上数据带入（2）式，得到()()() 2.061.471S S S G V S θ∆==∆+3.燃烧式工业窑炉温度控制原理及控制方案的确立燃烧式工业炉的工作方式为：燃料进入炉内燃烧，其热量主要用于两部分，一部分用于被加热介质的吸收，另一部分用于维持炉内整个环境的温度。

影响炉内温度最主要的因素为燃料的进料流量，因此可以通过控制燃料的进料流量来控制炉内的温度。

控制方案采用单回路定值控制系统，其方框图如下：图2 单回路定值控制系统方框图从控制任务要求可知，燃烧式工业窑炉温度单回路控制系统是单点、恒值控制，控制范围和控制精度要求一般，功能上无特殊要求，采用广泛使用的PID 控制即可。

4.执行器的数学模型 对于电动执行器，由于选用的是直线型流量调节阀，输入与输出成线性关系，其增益为33805/(204)v dm K dm mA mA∆==- 5.检测变送器的数学模型 调节器执行器被控对象检测变送器+-给定温度值甲烷流量炉内温度干扰作用调节器执行器被控对象检测变送器+-给定温度值甲烷流量炉内温度干扰作用选用热电偶温度检测变送器，对于热电偶温度一体化变送器，由于其输入与输出成线性关系，所以其增益为(204)0.0133/1200T mA K mA C C∆-==︒︒ 12000.0133=116T K ∆=⨯ 6.过程控制仪表的选用6.1测温元件及变送器根据生产实践和现场使用条件以及仪表的性能，我们选用普通热电偶测温仪表。

热电偶温度仪表是基于热电效应原理制成的测温仪器，它由热电偶、电测仪表和连接导线组成，其核心元件是热电偶。

热电偶温度计有以下特点：①测温精度高，性能稳定；②结构简单，易于制造，产品互换性好；③将温度信号转换为电信号，便于信号远传和实现多点切换测量；④测温范围广，可达-200~2000℃；⑤形式多样，适用于多种测温条件；在此，我们选用一体化温度变送器，Sure301系列热电偶、热电阻一体化温度变送器（以下简称温度变送器）是由温度传感器与信号转换器组成。

本产品经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站测试合格，防爆合格证为GYB97142、GYB97143、GYB97144、GYB97145。

广泛用于石油、化工、冶金、机械、煤炭、电站、船泊、国防等部门用来测量液体、气体和蒸汽等介质的温度。

图3 热电偶温度检测变送器■热电偶测量范围：0~1200℃■测量精度：热电阻为±0.2%；热电偶为±1%~±2%；冷端补偿为±2℃/60℃■温度漂移：±0.025%℃，年漂移＜±0.5%■供电电压：24VDC ±10%（4-20mA 电流型模块最低工作电压需要10V 余下供负载）■负载能力：0-600欧姆（24V 电压时）电压变化影响＜0.015%V■环境湿度＜85%，且无腐蚀性6.2 执行器执行器的作用是接受调节器送来的控制信号，自动的改变操纵量（在此为介质流量），达到对被控参数进行调节的目的。

电动执行器由执行机构和调节机构（阀体）两部分组成。

考虑被调介质的工艺条件及流体特性来选择调节阀。

可分为角行程（DKJ 型）和直行程（DKZ 型）两种，原理和电路原理完全相同，只是输出机械传动部分有所区别。

按照特性不同，电动执行机构可分为比例式和积分式。

根据实际情况和介质特性，我选用直行程（DKZ型）比例式电动执行器，其输出直线位移与输入电流信号成正比。

标准技术参数阀体型式：直通铸造球形阀阀尺寸：DN20~200额定压力：PN 16，PN40，PN63，PN100连接形式：法兰（标准型）法兰标准：钢制法兰按GB9113-2000，JB|T-94密封面型式：PN16为突面材料：阀体，阀内组件材料配套和工作温度范围参照ZMA|BM压盖形式：压板式填料：V型聚四氟乙烯填料，柔性石墨填料垫片：型式，齿型和平型材料，F4|改性F4，不锈钢+石墨结构形式：压力平衡型式阀芯：柱塞型套筒：金属密封，线性特性（LG）执行机构型式：电动（电子）式执行机构381LSA|XA-08，381LSA|XA—20阀作用：正在用控制动作：比例控制输入信号：4—20mADC（负载电阻500以下）功耗：A型|50VA，B型|150VA，C型|220VA保护等级：IP55出线连接：普通S型G1|2，防爆X型G3|4环境温度：无空间加热器-10~60有空间加热器--35~60防爆X型 -10~40 图4 电动执行器环境温度：普通S型95%以下防爆X型45~85%防爆等级：ExdllBT4过载保护：A、B型任选，C型必配手动装置：带手柄6.3 调节器调节器又称控制器，是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，再根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器工作，对生产过程进行自动调节。

目前在中国工业上广泛应用的DDZ-Ⅲ型电动调节仪表具有良好的性能，且采取安全火花型防爆措施，具有先进可靠的防爆结构。

我选用DTZ-2100型全刻度指示调节器。

输入信号1~5V.DC内给定信号1~5V.DC外给定信号4~20mA.DC调节作用（比例+积分+微分）比例带：2~500%积分时间：0.01~2.5分微分时间：0.04~10分（可切除）输入、给定指示表指示范围：0~100%，误差：±1%输出指示表指示范围：0~100%，误差：±25%输出信号4~20mA.DC负载电阻250~750Ω工作条件环境温度：0~45℃工作振动：频率≤25Hz7.参数整定与实验仿真图5 实验连接图表2 调节器参数经验数据系统 参数/%δ /min I T /min D T温度 流量 压力 液位 20-60 40-100 30-70 20-1003-10 0.1-10.4-30.5-3对于PID 调节器，运用经验试凑法对其进行参数整定，根据调节器参数经验数据表，由于本次设计控制的是窑炉内的温度，所以初步选择4K=，=60s I T ，0s D T =经过实验仿真，得到如下响应曲线：图6 实验响应曲线图当4K =，=10s I T ,0s D T =时图7 实验响应曲线图当5K =，=10s I T ,0s D T =时图8 实验响应曲线图当4K =，=100s I T ,0s D T =时，图9 实验响应曲线图经过比较，得到当4K =，=10s I T ,0s D T =时，能得到理想的响应曲线。