加热炉前馈--串级控制系统

1.1 概述

在产品的工艺加工过程中，温度有时对产品质量的影响很大，温度检测和控制是十分重要的。例如在砂浆工艺中，使浆液的温度保持恒定值，对保持浆液粘度和浓度不变，进行均匀上浆是十分重要的，这就需要对加热介质的温度进行连续的测量和控制；另外，由于砂浆机中蒸气压力和卷绕速度的变化使烘干温度变化很大，因此，测量和控制烘筒的温度非常重要。

加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。

在冶金工业中，加热炉内的温度控制直接关系到所冶炼金属的产品质量的好坏，温度控制不好，将给企业带来不可弥补的损失。为此，可靠的温度的监控在工业中是十分必要的。

加热炉是钢铁企业热轧生产过程的关键设备之一，其性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量钢坯成材率、轧机设备寿命以及整个主轧线的有效作业率．加热炉控制系统对加热炉的控制系统来讲占有很重要的地位，它对于坯料加热温度的均匀，温度控制的准确，合理进行燃烧，节约燃料，减少有害气体对环境的污染都有重要意义单回路控制系统解决了大量的定值控制问题。随着现代工业生产规模越来越大，复杂程度越来越高，产品质量要求也越来越高，简单控制系统已经不能满足这些要求。

前馈—串级控制系统是工业生产中很常见的一种系统，它将前馈控制和反馈控制结合起来，组成前馈—反馈复合控制系统。这样既发挥了前馈控制即使克服主要干扰被控参数影响的优点，又保持了反馈控制能抑制各种干扰的优势，同时也降低了对前馈控制器的要求，便于工程上的实现。

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2.1方案选定

2.1.1 简单控制系统

加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度()11θ为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图2.1所示的温度控制系统。影响原料油出口温度()11θ的干扰有原料油流量1()f t 、原料油入口温度2()f t 、燃料压力3()f t 、燃料压力4()f t 等。该系统根据原料油出

口温度1t θ（）

变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。

图2.1 加热炉出口单回路温度控制系统

由图2.1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度。从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min ，反应缓慢。而温度控制器1T C 是根据原料油的出口温度1()t θ与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，图2.1所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数1()t θ的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1()t θ要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。

燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2()t θ变化，再通过炉膛与原料油的温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。显然，燃料量变化或燃料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min ，对来自燃料的干扰3()f t 、4()f t 的控制作用比较及时，对应的控制系统如图2.2所示。但问题是炉膛温度2()t θ毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t θ，即使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，这是因为来自原料油的干扰1()f t 、2()f t 并没有包含控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()f t 、2()f t 对原料油出口温度的影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。

图2.2 加热炉炉膛温度控制系统

2.1.2 前馈--串级控制系统

如果将上面两种控制系统的优点——温度控制器1T C 对被控参数1()t θ的精确控制、温度控制器2T C 对来自燃料的干扰3()f t 、4()f t 的及时控制结合起来，先根据炉膛温度2()t θ的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()f t 、4()f t 对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t θ与设定值的偏差，改变炉膛温度控制器2T C 的设定值，进一步控制燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。在以这个串级控制系统作为反馈回路，将前馈和反馈相加的信号作为炉膛温度控制器的设定值，组成相加型前馈和串级反馈的控制系

统。这样干扰

3()

f t、

4()

f t对原油出口温度的影响主要由炉膛温度控制器（构成的控制回路

进行校正；由原料油出口温度控制器）构成的控制回路克服干扰

1()

f t、

2()

f t对原料油出口

温度

1()t

θ的影响，并对其他干扰所引起的

1()t

θ的偏差进行校正。

综上所述，由于加热炉动态性复杂，存在多种扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采用前馈--串级控制系统。

第3章加热炉前馈--串级控制系统的设计和器件选择前馈--串级控制系统的串级系统采用两套检测变送器和两个控制器，前一个控制器的输出作为后一个控制器的设定，后一个控制器的输出送往控制阀。前一个控制器称为主控制器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个控制器称为副控制器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。串级部分包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副控制器、控制阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主控制器、副控制器、控制阀、副过程和主过程构成。

前馈—串级控制系统的前馈系统采用一个控制器和一个变送器，当系统出现扰动时，立即将其测量出来，通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制变量，以抵消扰动对被控参数的影响。

图3.1加热炉出口温度前馈--串级控制系统