工业炉温度串级控制课程设计

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1、 第 1 页 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 2002500。可用于 ZnO 压敏电阻器、避雷器阀片、结 构陶瓷、纺织陶瓷、PTC 2 2 2 ( ) 1 D D D K Gs Ts 2 控制系统方案确定 串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作

2、为另一个调节器的 给定值的系统。它的主要特点是如下： （1）能迅速克服进入副回路扰动的影响，对进入副环的扰动具有较强的抗干扰能力； （2）改善除主控制器以外的广义对象特性，使系统的工作频率提高； （3） 串级系统可以消除副过程的非线性特性和忧郁调节阀流量特性不适合而造成的对控 制质量的影响； （4）串级控制系统可以兼顾两个变量，更精确控制操作变量； （5）串级控制系统可以实现灵活的控制方式，必要死可切除副调节器。 根据设计题目为燃烧式工业窑炉温度串级控制控制系统设计，假设该反应器用于常态常 压反应，因此选择控制方案为燃烧式工业窑炉反应温度与炉燃料温度构成的 T-T 串级控制方 图 2 串级系统

3、控制流程图 如图 2-1 所示；被控过程有三个热容器：即炉中的燃料、反应器壁和反应器中的物料。 由于从干扰引起反应温度 1 T 下降，到调节阀动作时温度升高，其间需要经过三个热容过程。 第 6 页 控制通道的时间常数和容量滞后较大，最终使 1 T 调节不及时而出现较大的偏差。图中控制器 2 T C 用于克服干扰 2 F 对炉燃料温度 2 T 的影响通过稳定炉燃料温度来及时抑制干扰 2 F 对反应温 度 1 T 产生的影响。但是控制器 2 T C 不能克服干扰 1 F 对 1 T 的影响.因而也就不能保证 1 T 符合工艺 要求。为此要根据反应器内的情况，适当改变 2 T C 的设定值 2 r

4、T 。以确定炉燃料温度能使 1 T 稳 定在工艺要求的数值上，即有控制器 1c T 根据 1 T 与 1r T 的偏差来自动改变 2 T C 的设定值 2 r T 。 3 控制系统设计 3.1 被控变量和控制变量的选择 3.1.1 被控变量的选择 （1）主被控变量的选择 根据工艺过程的控制要求，主被控变量应该能反映工艺指标。燃烧式工业窑炉的工艺指 标主要是反应器内温度，利用反应器内温度来衡量反应物之间反映的充分情况。因此，若要 反映工艺指标，燃烧式工业窑炉出口温度必须是 T-T 串级控制系统的主被控变量。 （2）副被控变量的选择 从串级控制的特点可知，当扰动进入副回路时，副回路能迅速而强有力地

5、克服它，起到 超前控制作用，因此在选择副变量时，一定要把主要扰动包括在副回路内，并力求把尽量多 的扰动包含在副回路中，以充分发挥串级控制的最大优点，对主变量影响最严重、最剧烈、 最频繁的扰动因素抑制到最低程度，以确保主被控变量的控制质量。同时燃料温度变化是主 要扰动，包括燃料温变化、燃料量变化等许多的扰动。因此采用炉燃料温度作为副被控变量。 这样完全符合副被控变量包括主要扰动且包含尽可能多的扰动的原则。 3.1.2 控制变量的选择 控制变量是在系统中加以控制的变量。除去系统的主、副被控变量外的一切变量，这些 变量有些必须加以控制。在燃烧式工业窑炉中反应温度和炉燃料温度构成的 T-T 串级控制系

6、 统中，燃料流量这一变量在系统中包括的扰动变量最多，因此选取燃料流量作为系统的控制 变量，这样符合系统的整体控制。 3.2 主、副回路的设计 3.2.1 主回路的设计 串级控制系统的主回路仍是一个定值控制系统，主回路的设计仍可用单回路控制系统的 设计原则进行。因此主回路应包括主要的质量指标等标准。因此确定了主被控变量、主控制 第 7 页 变量及主要扰动变量就能组成主回路。由上述的主被控变量和控制变量的选择可设计出系统 主回路。如图 3-1 所示； 图 3 串级控制系统主回路 3.2.2 副回路的设计 副回路可看作是一种新的动态环节。副回路设计是串级控制系统设计的一个关键问题。从结 构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象， 然后组成一个控制回路，即可归纳为如何选择副参数。首先副参数的选择应使副回路的时间 常数小，调节通道短，反应灵敏；其次副回路因包含被控对象所受到主要干扰。由此86-99 可设计出系统的副回路。如图 3-2 所示； 图 4 串级控制系统副回路 3.3 现场仪表选型 3.3.1 测温检测元件及变送器 第 8 页 （1）温