武汉理工大学仪表与过程控制课程设计玻璃窑炉温度控制系统设计

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书学号：课程设计题目玻璃窑炉温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化班级姓名指导教师贺远华2014年1月12日武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化1004指导教师：贺远华工作单位：自动化学院题目:玻璃窑炉温度控制系统设计初始条件：假设工作池及原料口有准确而恒定的温度值，从而确保玻璃的质量。此外，窑炉压力与玻璃液位也要保持恒定。虽然玻璃窑炉的控制包括：窑炉温度控制，窑炉压力控制，料道温度控制，玻璃液位控制等，而且各个子控制系统之间是相互影响的，但是在本次课程设计中只考虑窑炉温度控制的影响。要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1.对玻璃窑炉的生产工艺进行介绍；2.对玻璃窑炉的控制对象进行特性分析；3.设计玻璃窑炉温度控制系统的硬件部分和软件部分，并整定PID控制器的参数;4.说明控制系统的工作原理。时间安排：月日选题，理解课程设计的任务和要求月日方案设计月日参数计算，撰写说明书月日答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书目录摘要01概述11.1玻璃窑炉简介11.2生产工艺简介12玻璃窑炉的控制对象特性分析33玻璃窑炉温度控制系统设计43.1系统设计方案的选择43.2系统硬件结构设计53.2.1被控变量的选择53.2.2控制变量的选择53.2.3调节阀的选择63.2.4控制器正、反作用选择73.3温度控制原理73.4整定PID控制器的参数84心得体会12参考文献13武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书0摘要玻璃窑炉是玻璃工厂最重要的热工工艺设备，工厂生产的玻璃制品的质量受到玻璃窑炉温度的直接影响，而窑炉温度与燃油喷嘴喷出燃油量直接相关，可以通过控制燃油流量来控制原理温度。本设计运用过程控制的基本原理，来指导设计玻璃窑炉的温度控制系统，将系统设计为单回路控制系统，选择调节阀为气开式，然后设定具体参数，运用Matlab仿真软件来整定PID控制器的参数，完成设计要求任务。关键词：玻璃窑炉生产工艺控制对象温度控制PID武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书1玻璃窑炉温度控制系统1概述1.1玻璃窑炉简介玻璃窑炉是玻璃工厂最重要的热工工艺设备，而熔制是玻璃生产中最重要的工序之一，它是将混合均匀的配合料，送往玻璃窑炉，在高温条件下，经过一系列物理的、化学的变化和反应,形成均匀的、无气泡的、符合成形要求的玻璃液。这是一个非常复杂的过程,对硅酸盐形成、玻璃形成、澄清、均化和冷却成形各阶段的温度都有一定的工艺要求。所以，玻璃窑炉温度控制效果的好坏直接关系到成品玻璃液质量的优劣，因此说窑炉温度的稳定极为重要。如果温度控制不理想或受到干扰而不稳定,就会使一系列的平衡遭到破坏,特别是玻璃液流轨迹的破坏,严重时,会造成泡界线偏移、热点位置及温度的改变和熔化带长短的变化,进而导致结石、气泡、硝水及制品的多种缺陷同时产生,严重影响产品的质量和产量。玻璃窑炉是一个时变的、非线性的、多变量耦合的复杂控制对象，其结构及其控制技术将极大的影响着产品的质量、生产的成本。故玻璃窑炉温度系统是一个大惯性、大滞后并具有非线性特征的变参数系统,难以建立精确的数型,而且窑炉在运行过程中要受到多种扰动因素的影响。玻璃窑炉温度控制系统一般运用的控制方法主要是传统的PID控制，这种方法的优点是在工作点附近小范围内能够取得良好的控制效果，但其缺点也很明显，就是在系统运行工况有较大的波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，难以稳定及时的对系统进行控制，有较大的局限性。所以玻璃窑炉温度控制系统现在的发展方向是运用计算机来控制。1.2生产工艺简介玻璃窑炉可以分为蓄热式和换热式两种。大、中型平板玻璃窑炉多是带有蓄热室的。在玻璃的生产工艺中，最重要的过程之一就是玻璃的熔化。任务是用燃料（一般为重油或煤气）把混合原料在炉窑中加热、高温熔化，获得化学稳定和热均匀的玻璃液，玻璃液进入成型压机后压制成一系列的玻璃制品。玻璃的熔化分成五武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书2个阶段：硅酸盐的形成、玻璃的形成、玻璃液的澄清、玻璃液的均化、玻璃液的冷却。（1）硅酸盐的形成：由原料变成玻璃液，必须经过形成硅酸盐的过程。随着温度的升高（从200度以下到1200度左右），将发生一系列的化学反应，最终将形成半熔融体的硅酸盐。（2）玻璃的形成：随着温度的继续升高，各种硅酸盐开始熔融形成玻璃液。（3）玻璃液的澄清和均化：在玻璃形成阶段，熔融体是很不均匀的，含有大量的气泡，必须进行澄清和均化。澄清和均化在玻璃熔制过程中几乎是同时进行的两个阶段。澄清是从玻璃液中除去可见气体杂物的过程。均化是通过对流、扩散等作用，使玻璃也达到化学成分均匀和温度均匀。（4）玻璃液的冷却：澄清阶段的玻璃液温度可达到1500度左右，玻璃液粘度很低，不适应玻璃成型的需要。必须使其温度降到1000度左右，以加大粘度，供给成型。武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书32玻璃窑炉的控制对象特性分析玻璃窑炉的一般结构是：窑炉前有投料机，用它对窑炉加料；窑炉的两侧各有一个蓄热室，两个蓄热室交替被高温烟道气加热，蓄热室中蓄存的热量预热助燃空气；每一个蓄热室都有三个喷火口（燃烧喷嘴）与溶解池相连。预热后的重油同空气混合成均匀的混合物，空气重油混合物以雾状从喷火口吹入溶解池，在溶解池内燃烧。为了保证重油充分燃烧，有一定的二次空气量从喷火口吹入。左右两组喷火口跟随蓄热室交替投入工作，火焰燃烧方向每隔20min交换一次。两台投料机把配料工段送来的混合原料交替的投入溶解池，在溶解池被高温火焰熔化成玻璃液，此玻璃液经过“流液洞”流入工作池，再通过；料到口进入成型压机，压制成制品。玻璃的熔化过程极其复杂，在原料高温熔化的过程中，温度可以高达1550~1580℃。混合原料受到高温的作用，进行一系列的物理化学反应。这一过程进行的是否合理和迅速，不仅对玻璃的产量和质量有决定性的作用，而且对玻璃窑炉的生产能力、生产成本等经济技术指标也有重大影响。因此，熔化过程的稳定是非常重要的。为了稳定生产，要按照工艺的要求，结合玻璃窑炉的具体情况，确定一条稳定的温度分布曲线，对于工作池及料道口，要求有准确而恒定的温度值，才能确保玻璃制品的质量。此外，窑炉压力与玻璃液位也要保持恒定。因此，玻璃窑炉的控制包括：窑炉温度控制、窑炉压力控制、料道温度控制、玻璃液位控制等，而且各个自控制系统之间是互相影响的。玻璃窑炉的主要被控量有：窑炉压力P、玻璃液位H、窑炉温度T，它们相应的控制变量为炉压档板开度W、投料机的停歇时间Tm、重油流量M。玻璃窑炉控制中的燃烧控制是由三个基本控制系统组成：燃料与助燃空气之间的比值控制、玻璃窑炉温度控制、恒定窑炉压力的控制。本设计题目要求为玻璃窑炉的温度控制系统，所以下面只讨论玻璃窑炉的温度控制系统的设计。武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书43玻璃窑炉温度控制系统设计3.1系统设计方案的选择熔解池分为3个区，3个区温度彼此不相同，其平均值用1T、2T、3T表示，彼此之间有一定的耦合关系。按玻璃液流动的方向：1区对2区的影响、2区对3区的影响都比较大，但逆玻璃流动的方向，彼此之间的影响比较小。各个区域的窑炉温度与对应燃烧喷嘴的燃油量M之间的关系为有纯滞后的一阶或二阶惯性系统，其传递函数为：或，(1,2)i溶解池3个区的温度是关键参数，在每个区域的窑炉温度在3个不同的位置上（如窑炉的弧形顶部、窑炉的左侧和右侧）安装测温元件与温度变送器。窑炉温度是这3个不同位置的温度的加权平均值：112233iiiiTCTCTCT，(1,2,3)i式中：iT为第i个区域的窑炉温度平均值，(1,2,3)iCi为加权系数（在0~1之间取值）。玻璃窑炉内各处的温度是否保持在这一稳定的温度分布线上，对玻璃的产量和质量都有很大影响，因此，控制温度的稳定是玻璃生产中的关键。在大型玻璃窑炉内，温度受各种因素的影响：燃油温度、燃油压力、空气温度、一次空气压力（直接携带燃油进入炉膛的助燃空气压力）、二次空气量（对炉膛内的热气进行搅拌的助燃气喷射量）、投料数量、窑炉压力等。以某种玻璃生产所用的大中型蓄热式燃油玻璃窑炉为原型，来研究玻璃窑炉温度控制系统的具体设计思路，可以得出系统是一个具有纯滞后的大惯性系统。为了设计简便，把系统看作是一个一阶惯性系统，令0.33K，180s，1800Ts，可以得到过程的传递函数：()()1misimiimiTsKeMsTs12()()(1)(1)misimiimimiTsKeMsTsTs1800.33()18001sGses武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书5T为过程时间常数，为纯滞后时间，则表示工业过程控制的难易程度指标。如果，表示过程比较难以控制，需要特殊的控制手段；如果，作为大纯滞后过程，需要采用如串级、前馈等高级控制；如果，则过程比较容易控制，不必采用特殊的控制。现在，采用PID控制规律就可以获得比较满意的控制效果。对于玻璃窑炉温度的控制，可以通过控制燃油流量来恒定窑炉温度，所以采用连续PID控制规律进行定值控制的玻璃窑炉温度的单回路控制系统方案。单回路控制系统方框图如图1所示。图1单回路控制系统方框图3.2系统硬件结构设计3.2.1被控变量的选择被控变量的选择是控制系统设计的核心问题，选择的正确与否，会直接关系到生产的稳定操作、产品产量和质量的提高以及生产安全与劳动条件的改善等。如果被控变量选择不当，不论采用何种控制仪表，组成什么样的控制系统，都不能达到预期的控制效果，满足不了生产的技术要求。本系统是以窑炉温度为操作指标的生产过程，而且，被控变量是被控对象的一个输出，所以应选择窑炉温度作为被控变量。3.2.2控制变量的选择控制变量指的是被选中作为控制手段的参数，是框图中调节阀的输出，同时也是直接影响被控对象的输入信号。控制变量选择的原则：（1）所选控制变量必须是可控的；（2）所选控制变量应该是其控制通道具有较大的放大倍数；（3）所选控制变量应尽量使干扰点远离被控变量而靠近控制阀；（4）所选控制变量其通道纯滞后时间应越小越好；T1T0.5T0.3T0.1T武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书6（5）所选控制变量应使扰动通道时间常数越大越好；（6）选择控制变量应考虑到工艺的合理性，不宜选择生产负荷为控制变量。综上所述，选择燃油流量作为控制变量。3.2.3调节阀的选择气动调节阀主要有气开、气关两种形式，对于一个具体控制系统，调节阀形式的选择应考虑以下因素：（1）首先应考虑生产安全。当出现调节阀气源供气中断、调节阀发生故障、调节阀膜片破裂等意外情况而使调节阀无法正常工作，以致气开阀回复到全关状态，气关阀回复到全开位置时，应能确保生产工艺设备的安全，不至于发生人身安全事故。例如，中小型锅炉的给水阀大多是气关阀，一旦气源中断，阀门全开，将不会出现锅炉烧干甚至爆炸的安全事故。（2）当发生调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，如果排除了发生人身安全事故的可能，则应尽量力争不降低产品质量。如精馏塔回流量调节阀常采用气关式，一旦发生事故，调节阀全开，生产处于全回流状态，防止了不合格产品的蒸出。（3）从降低原料、成品、动力损耗等方面考虑。如控制精馏塔进料的调节阀常采用气开式，一旦调节阀失去能源，调节阀即处于关闭状态，不再给塔进料，以免造成原料浪费。（4）从介质特点考虑。精馏塔塔釜加热蒸汽调节阀一般选气开式，以保证调节阀失去能源是能处于全关状态，避免蒸汽浪费。但是如果反应釜液是易凝、易结晶、易聚合的物料时，调节阀应选择气关式，以防止调节阀失去能源时阀门关闭，停止蒸汽进入而导致釜内液体的结晶和凝聚。综上所述，从工艺生产的安全出发，由于工艺设备的流体为燃油，属于易燃易爆类液体，当仪表供气系统故障或控制信号突然中断，为了防止爆炸，阀门应处于全关状态，所以