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

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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 Q

VC HA dt θθ=--

其中0()K K Q M C θθ=-，则0()

K K dQ

M 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 θ

θθ=--

对上式进行增量化，则00θ∆=，得到

K K R d M C VC HA dt θ

θ∆=∆-∆

K K R d M C HA VC dt θ

θ∆+∆=∆

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)

R

K K S S S C

G 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 2

3070%(0.070.20.20.10.070.1)212300.070.20.1

A 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

3

3805/(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