焦炉立火道温度控制系统仿真研究

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题 目：焦炉立火道温度控制系统

仿真研究

学生姓名：成功 学 号：0705112206 专 业：测控技术与仪器 班 级：测控07-2班 指导教师：闫俊红

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摘 要

焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇，全炉连续，受多种因素干扰的热工过程。其控制系统是典型的大惯性、非线性、时变的复杂系统，因此如何优化焦炉加热过程控制、降低炼焦能耗、确保焦炭均匀稳定成熟、延长焦炉使用寿命，仍然是炼焦业界重大难题。

本文提出了多模态模糊控制系统的策略，在一定范围内运用传统PID控制，当超出这个范围时切换到模糊控制，从而解决了传统PID控制存在的响应慢、超调量大，而模糊控制存在静差、在工作点附近容易产生小范围的极限振荡的问题，满足了焦炉立火道温度控制要求。

本文的控制系统满足了实际应用的需要，对提高焦炉生产率和焦炭质量 ,降低能耗及延长焦炉寿命 ,减少炼焦生产中的环境污染以及改善劳动条件具有重要的意义。

关键词：焦炉立火道；PID控制；模糊控制

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Abstract

Coke's heating is an thermal process, it is a single chamber batch, continous in the whole coke and influenced by many factors, the control system is complex because of its large inertia, nonlinear and time-varying. So how to optimize the coke’s heating process, reduce the consumption, ensure the coke uniform and stable and extend the coke’s service life is still a major problem in coking industry.

This paper comes up with a multi-modal strategy and fuzzy control system to solve the problem,using traditional PID control within a certain range, when outside the range, using the fuzzy control instead, this method can solve the solve the slow response, large overshoot in traditional PID control and deviation prone to bring small oscillations near the working point in fuzzy control. Then meet control requirements’need of coke’s flue temperature.

The control system meets the needs of practical application, It’s of great significance in improving productivity and coke’s quality, reducing energy consumption and extending the coke’s service life, also in reducing pollution and improving working conditions.

Key words: Coke flue; PID control；Fuzzy control

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1课题研究背景 .............................................................................................................. 1 1.2焦炉立火道温度控制系统发展状况 .......................................................................... 2 1.3焦炉立火道温度控制理论 .......................................................................................... 2

1.3.1 PID控制 ............................................................................................................ 3 1.3.2模糊控制 ........................................................................................................... 3 1.4焦炉立火道焦热技术展望 .......................................................................................... 3 1.5本文的作用 .................................................................................................................. 4 第二章 焦炉工艺及焦炉立火道温度的不确定性分析 .......................................................... 5

2.1焦炉结构 ...................................................................................................................... 5 2.2焦炉加热燃烧工艺 ...................................................................................................... 6 2.3焦炉加热过程中的不确定性分析 .............................................................................. 6 2.4焦炉立火道的加热特点及其控制难度 ...................................................................... 8 2.5小结 .............................................................................................................................. 9 第三章 焦炉立火道加热控制系统 ........................................................................................ 10

3.1单回路控制系统 ........................................................................................................ 10

3.1.1焦炉立火道单回路控制系统 ......................................................................... 10 3.1.2 PID控制器 ...................................................................................................... 11 3.2串级比值控制系统 .................................................................................................... 11 3.3单交叉限幅燃烧控制系统 ........................................................................................ 12

3.3.1单交叉限幅燃烧控制系统工作原理 ............................................................. 12 3.3.2单交叉限幅燃烧控制系统及其特点 ............................................................. 14 3.4双交叉限幅燃烧控制系统 ........................................................................................ 15

3.4.1双交叉限幅燃烧控制系统工作原理 ............................................................. 15 3.4.2双交叉限幅燃烧控制系统的特点 ................................................................. 16 3.5小结 ............................................................................................................................ 18

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第四章 焦炉立火道温度控制仿真 ........................................................................................ 19

4.1仿真软件简介 ............................................................................................................ 19 4.2仿真对象模型建立 .................................................................................................... 20 4.3焦炉立火道温度控制系统仿真波形参数 ................................................................ 21 4.4焦炉立火道温度控制系统仿真研究 ........................................................................ 22

4.4.1常规PID控制系统仿真分析 ......................................................................... 22 4.4.2串级比值控制系统仿真分析 ......................................................................... 25 4.4.3单交叉限幅控制系统仿真分析 ..................................................................... 28 4.4.4系统仿真分析比较 ......................................................................................... 30 4.4.5双交叉限幅控制系统仿真分析 ..................................................................... 31 4.5小结 ............................................................................................................................ 33 第五章 模糊控制系统原理及模糊控制系统仿真分析 ........................................................ 35

5.1常规模糊控制器的基本结构 .................................................................................... 35 5.2量化因子对模糊控制器的影响 ................................................................................ 35 5.3模糊控制器仿真 ........................................................................................................ 36 5.4焦炉立火道温度模糊控制仿真结果分析 ................................................................ 38

5.4.1模糊控制系统仿真分析 ................................................................................. 38 5.4.2多模态模糊控制系统仿真分析 ..................................................................... 39 5.5小结 ............................................................................................................................ 41 总 结 ........................................................................................................................................ 42 参考文献 .................................................................................................................................. 43 致 谢 ........................................................................................................................................ 45

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第一章 绪论

焦炉是比较复杂的热工设备，在总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的70%。焦炭是焦炉的主要产品，钢铁企业炼铁过程中焦炭是必不可少的原材料，钢铁质量的好坏焦炭质量是必可可少的主要影响因素之一，提高焦炭的生产质量对钢铁质量生产起着关键性的影响，能更好的提高焦炭和钢铁企业的市场竞争力。焦炭质量的好坏的取决因素主要是焦炉立火道内部温度高低和焦炉立火道内部温度稳定。焦炉炼焦生产过程是一个相对复杂的生产过程，焦炉主要由蓄热室、燃烧室、立火道等重要部分组成。焦炉的混合煤气在燃烧室中燃烧将其热量通过热辐射方式传递给炭化室中的煤粉，炭化室中的煤粉在隔绝空气高温的条件下逐渐结焦成焦炭。焦炉的基本特性主要有大时滞、非线性、大惯性、生产参数变化的特点。焦炭的生成是个相当复杂的化学变化，还有就是焦炉的炉体结构也比较复杂，操作条件也是比较困难，焦炉立火道内部温度检测手段相对贫乏，所以焦炉立火道内部温度很难达到稳定的控制，对于稳定的控制焦炉立火道内部温度对于焦炉的使用寿命和焦炭的生产质量有着显著的作用。本文提出了相应的控制策略，温度模糊控制系统在焦炉加热方面的应用逐步得到开发和利用[1]。

1.1课题研究背景

焦炉是冶金工业中重要的热工设备，其生产原理是将煤粉在隔绝空气的情况下进行高温干馏、煤气以及焦油等其他有机化学副产品。我国是世界上焦炭生产大国，也是最大的焦炭出口国[2]。

焦炉生产出占整个钢铁企业70%的二次能源，但焦炉自身又是一个比较耗能的热工设备。焦炉立火道加热过程很容易环境的污染，如果焦炉立火道内部温度控制不好，焦炭受热不均匀，焦炉的烟道就会发生冒黑烟的现象；焦炉立火道内部温度的稳定性，也会对焦炉的使用寿命和焦炭生产质量的好坏有着决定性的影响。焦炉立火道温度的控制在生产条件不断变化和外部环境不断变化的情况下进行焦炉立火道的温度控制，从而使焦炉立火道温度控制达到实际生产要求温度，进一步达到能源损耗见到最低和是焦炉的生产使用寿命。在焦炉实际的生产过程中，焦炉立火道内部温度的平均性和稳定型要达到实际的生要求，此时焦炉立火道温度被成为焦炉立火道的直行温度。焦炉立火道的直行温度其实就是焦炉焦侧温度，同样也是焦炉的炼焦温度。由于不同操作人员操作的熟

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练程度各不相同，也会对焦炉立火道直行温度造成严重的影响，这样焦炭质量就不能的以保证，焦炉的使用寿命也会受到严重影响。

1.2焦炉立火道温度控制系统发展状况

在我国刚刚成立之时，国外重工业发达的国家美国、前苏联（俄罗斯）等中工业发达的国家就已经对焦炉立火道温度的操作方面和焦炉立火道内部温度控制方面进行探索，但是由于当时生产条件和当时的科技水平的影响，焦炉立火道温度控制方面没有取得明显的控制效果。但是进入70年代，计算机控制技术的不断发展，还有自动控制理论的提出，焦炉立火道温度控制进入新的控制时代。在焦炉立火道温度进入计算机控制时代，焦炭的生产质量的焦炉的使用寿命都有着显著改善，但是我国当时在焦炉立火道温度控制方面与国外的重工业发达的国家还存在着明显的差距。

到了80年代初期，我国很多焦化厂也开展了研究工作，也取得了显著的节能效果。但与国外先进技术相比，国内的焦炉控制水平较落后，还需进一步的研究及开发。自90年代末期以来由于国内经济的快速发展以及我国焦炭产量的大幅增加，由焦炭大国向焦炭强国转变的欲望和要求，广大的焦化工作者根据国内焦炉结构和生产特点积极开发计算机加热自动控制系统。无论控制系统还是控制数学模型均充分考虑结焦特点焦炉立火道特性，取得较为成熟的经验。近年来随着模糊控制、专家系统、神经网络和预测控制等人工智能技术的广泛应用，也为焦炉计算机控制开辟了新的领域。人工智能控制技术与传统控制方法相结合，取得比较好的控制效果[5]。

1.3焦炉立火道温度控制理论

焦炉立火道温度控制系统首先在焦炉立火道PID控制系统取得比较明显的控制效果，但是焦炉立火道PID控制系统在实际生产过程中有着明显的控制作用但是在焦炉立火道温度控制上也有着明显的不足。后来焦炉立火道温度PID控制系统与其他的控制手段相结合，焦炉立火道温度控制效果也有所改善。随着计算机控制技术的不断发展和现代控制理论的提出，焦炉立火道温度控制系统进入人工智能阶段，相继提出了焦炉立火道温度模糊控制系统、焦炉立火道温度遗传算法控制系统、焦炉立火道温度神经网络控制系统，在焦炉立火道加热燃烧控制中取得了明显效果【15】。

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1.3.1 PID控制

由于焦炉立火道温度PID控制系统的组成结构相对简单，焦炉立火道温度控制的稳定行也比较好，控制器的控制参数相互独立之间不相互影响的有点，在焦炉实际生产过程中得到广泛的应用，在焦炉立火道温度控制领域起着至关重要的作用。有焦炉立火道温度变送器测量的到焦炉立火道内部温度的平均值与焦炉立火道温度给定值之间形成的差值，控制焦炉混合煤气在焦炉立火道中的实际流量，从而是焦炉立火道温度保持在焦炉实际生产的要求温度范围之内。 1.3.2模糊控制

在焦炉实际生产炼焦过程中，对焦炉立火道温度控制的影响因素有很多方面，切影响因素具有很多的不确定因素存在，模糊控制系统-非线性控制系统在焦炉实际生产过程中的意义重大，根据焦炉立火道温度控制系统的温度输出值的结果分析和焦炉操作人员多年的焦炉立火道温度控制经验，可以对焦炉立火道温度控制系统进行有效地事实控制，从而满足焦炉实际生产要求。

焦炉立火道温度模糊控制系统也是在焦炉立火道温度PID控制系统控制的基础之上引入模糊控制规则，为了实现焦炉立火道温度控制的自动化控制往往单一的控制手段不能满足焦炉立火道温度控制要求，从而必须与其它控制手段相结合，焦炉立火道温度控制的自动化控制是焦炉立火道温度控制走向和趋势。

1.4焦炉立火道焦热技术展望

我国焦炉温度控制水平与国外的先进国家相比，还存在着一定的差距，整体和单体设备的控制水平都有待继续提高。根据我国的实际情况，加热炉控制技术的发展主要应注意以下几点：

1.尽管国内许多更先进的计算机系统的企业，但仅限于比较简单的PID控制的一些计算机的潜力没有发挥好，最专业的国有企业将保持计算机只能识别人才的缺乏，导致计算机控制炉并不十分令人满意的结果，所以，首先有必要把现有设备要很好地利用起来。

2.对国内发展的一些数学模型，其焦炉立火道温度预测模型几乎都是实验模型。访问主要是通过黑箱实验得到的实验数据，但是这是昂贵的实验手段。中国目前的技术还比较落后，就必须处理焦炉烟道的特点和实验数据在一起，形成一个新的模型结构和模

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型和热平衡计算来修复实验模型的机制，使之能适应工作条件和焦炉烟道变化。随着模糊控制系统的快速发展，可以确定焦炉立火道温度模型。

3.设置优化策略和控制结构的改进，更好的控制策略，以减少由于缓慢的对象时变的进一步提高控制精度的影响造成的不确定性特征[9]。

1.5本文的作用

本课题的主要研究内容包括PID控制和模糊控制研究及其在焦炉立火道上的应用两方面。具体如下：

l.简单PID控制系统、串级比值控制系统和单交叉限幅控制的仿真研究。 2.双交叉限幅控制系统的仿真研究。模糊控制的工作原理研究。 3.模糊控制的工作原理研究，模糊控制的仿真研究。 4.多模态模糊控制系统设计与仿真研究。

通过对目前焦炉立火道温度控制系统的仿真分析，发现其中的缺陷并根据模拟焦炉立火道实际条件，设计了焦炉立火道温度多模态模糊控制系统，通过与传统的PID控制和纯模糊控制相比较，体现出多模态模糊控制系统的优越性。

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第二章 焦炉工艺及焦炉立火道温度的不确定性分析

由于许多行业不断提高对焦炭质量要求，焦炉立火道加热过程存在着许多不确定性因素，因此，焦炉立火道加热燃烧过程控制系统的稳定性和被控对象的动态特性是焦炉立火道加热燃烧过程控制的关键。

本章首先介绍了焦炉的生产工艺，然后对焦炉立火道温度的不确定性进行分析，通过找出立火道温度的主要不确定性的难点以及控制的难点，从而提出焦炉立火道温度控制的基本思想和整体结构的设计。

2.1焦炉结构

图 2.1 焦炉炉体结构

焦炉立火道加热是比较复杂的热工设备，它的工作原理是装煤的炭化室与燃烧室相连在一起，而蓄热室是在炭化室与燃烧室的底部。煤气与空气在燃烧室中按你所设置的比例进行混合燃烧，然后再通过炉墙将热量传递给炭化室中的煤粉，最后成为焦炭，而且，炼焦用煤在炭化室中进行高温蒸馏，混合煤气在燃烧室中进行燃烧产生热量，所产生的热量会使炭化室的温度上升到大约1200℃。焦炉炉体结构主要包括上升管路、炭化室、燃烧室、装煤孔、看火孔、炉顶、立火道、斜道、砖煤气道、蓄热室、小烟道、筛子砖、烟道等部分组成。

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2.2焦炉加热燃烧工艺

焦炉是冶金行业中极其重要的热工设备，焦炉的基本结构比较复杂。它由多个炭化室和燃烧室交替配置组成，炭化室和燃烧室仅仅相邻。本次设计所使用的是JN型焦炉，同时，炭化室与燃烧室的大小是由焦炉的型号所决定的。

炭化室是煤粉结焦成焦炭的地方，燃烧室是用来进行混合煤气的燃烧。而且燃烧室又含有多个立火道，每两个立火道组成一个气体通路，同时，焦炉立火道的两端会分别和蓄热室相连。

焦炉生产过程具有周期性特点。从装煤开始到焦炭结焦完成的所有时间称为结焦周期，结焦时间的长短和焦炉立火道内部温度决定焦炭质量的好坏。焦炉生产的主要燃料是高炉煤气和焦炉煤气组成的混合煤气，在通常情况下，为了提高混合煤气燃烧热值，需要控制焦炉煤气的高炉煤气的比例。高炉煤气和焦炉煤气从各自管道流入各自蓄热室预热后在燃烧室进行混合开始燃烧从而劫夺大量的能源，热能以多种方式传递给炉墙，最主要的方式是通过热辐射传递给炭化室内部的煤粉。

2.3焦炉加热过程中的不确定性分析

焦炉立火道温度燃烧控制具有很大的难度[19]。焦炉结构和生产工艺是用来控制焦炉立火道加热的，其特点与独特的操作方式如图2.2所示，而且主要是由以下几个方面来影响焦炉加热过程的不确定因素的。

装炉煤参数、水分等不确定性信息煤气热值推焦及生产过程的人为因素环境温度、大气压力等机侧焦炉煤气流量机侧高炉煤气流量焦侧焦炉煤气流量焦侧高炉煤气流量焦机侧立火道温度炉焦侧立火道温度

图2.2 焦炉加热控制输入输出及不确定性信息

1、煤料水分、装煤量及煤料品种

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在炼制焦炭的过程中，首先要在炉煤粉中加入适量的水，煤粉加入水的含量范围要求控制在9%-13.5%之间，并且要求加入水分的含量基本保持不变[16]。当煤粉中水分较低时，炼焦的耗能情况将有所改善;当煤粉中的水分含量较高时，不仅影响结焦时间而且炼焦的总耗能会增加。炭化室中的煤粉不仅会因为水分含量的变化而变化，也会随着推焦的过程而更新的，因此，焦炉立火道的温度变化不会因为其中两个因素中的任何一个改变立即发生比较明显的变化的。

装煤量的多少只是表现炭化室的两个燃烧室温度的变化，而其他的的燃烧室温度并受不到影响，即使受到影响，影响也不是很大，在通常的实际生产情况下的装煤量是在你所设定的标准值附近进行波动，你多次测得的数值进行平均值计算，然后再与标准值相比，直至是装煤量的平均值接近标准值，因此我们可以假设装煤量在标准值的上下很小的范围内波动是不会对焦炉立火道直行温度有太大的影响的。

2、煤气热值

焦炉生产用的燃料有两种：焦炉煤气和高炉煤气，根据每个大小的实验以及每个工厂所统计的数据，焦炉煤气和高炉煤气的组成成分以及各个成分的热值如表2.1所示。

表2.1 焦炉煤气和高炉煤气的组成和热值

名称 H2 C H4 CO CO2 N2 O2 热值 Kg/m3 焦炉55-60 煤 气 23-27 5-8 1.5-3 3-7 5-8 17000-19000 高炉1.5-3.0 0.2-0.5 23-27 煤 气 15-19 55-60 0.2-0.4 3200-3800 从上表中可以看出，燃料煤气主要受煤气热值影响，它是单位体积的煤气在完全燃烧的情况下所放出的热量，然而，热值是有高、低之分的，其是受燃烧产物中水的状态的影响。高热值是指燃烧产物中水蒸气冷凝成0℃液态水时的热值；低热值是指燃烧产物中的水成气态时的热值。在实际的焦炉立火道燃烧过程中，燃烧时产生废气的温度很高，水气不可能凝液态水，焦炉立火道燃烧使得热量是低热值。焦炉立火道加热燃烧过程中，一般将焦炉煤气和高炉煤气两种煤气按照一定比例混合后作为加热用混合煤气，混合煤气在进入燃烧室中燃烧产生热量。

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3、环境温度、大气压力等因素

在本设计中焦炉立火道燃烧控制系统是半开放式操作的系统，然而焦炉结构是自然抽风式，因此炭化室不可能完全的与空气隔绝，外界因素对焦炉立火道温度控制系统影响很严重。环境温度、大气压力等众多因素的变化，使焦炉立火道内部温度极其分烟道压力很难控制，分烟道压力发生变化时，引起燃烧混合煤气的空气过剩系数发生相应改变，焦炉立火道内部温度也会发生改变。

环境温度、大气压力对焦炉直行温度的影响也是比较缓慢过程，因此也可以通过焦炉立火道温度变送器的输出反馈控制来调节煤气在燃烧室的流量，从而保证焦炉立火道内部温度保持相对的稳定。由于大气压力的变化会引起分烟道压力的变化，进而影响空气过剩系数及分烟道废气中的氧气含量，通过反馈控制系统可以很快使分烟道的含氧量快速恢复平稳状态。

4、其他因素

在实际生产过程中人为的操作因素对焦炉立火道温度也有重要的影响、焦炉生产推出焦时间的不均匀、推出焦因生产条件发生改变、设备故障、运输条件等等人为因素，也都会引起焦炉立火道温度的改变。焦炉直行温度的设定值是对应于焦炉的结焦时间，因此，当结焦时间发生变化时，则重新设定控制器来控制焦炉立火道的直行温。

综上所述，本文将受到焦炉煤气加热的干扰，燃烧过程中的不确定性主要是烟道热值，并为焦炉烟道燃烧过程热效应煤气热值在进一步深入分析，在本文中，提出了相应的控制策略。

2.4焦炉立火道的加热特点及其控制难度

焦炉立火道加热燃烧过程控制是根据被控对象焦炉立火道内部温度的发生改变时，及时地调混合煤气流量，使其混合煤气在燃烧室中充分的燃烧，在各种干扰因素的影响下，保证焦炉立火道温度的基本稳定。当焦炉立火道火道内部温度平均值与设定温度的标准值之间存在偏差时，通过焦炉立火道温度变送器控制混合煤气的调节阀大小，控制混合煤气的实际流量。然而实际情况中，混合煤气热值不断发生变化，若忽略混合煤气热值对焦炉立火道温度的影响，焦炉立火道内部温度保持相对稳定。同时焦炉立火道温度控制系统由于存在比较明显的滞后现象。针对焦炉本身特有的这些特性，本文最终提

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出焦炉立火道温度多模态模糊控制系统来实现焦炉立火道供热量的调节，在控制算法中加入反馈校正环节，提高焦炉立火道温度控制精度[21]。

2.5小结

本章介绍了焦炉烟道的生产工艺，在加热过程中燃烧的基础上，深入的分析了焦炉加热燃烧不确定性以及对火道温度的影响过程，将混合煤气热值作为焦炉立火道温度控制系统的主要不确定因素，并在此基础上提出了焦炉火道温度控制的基本思想，设计了焦炉立火道温度多模态模糊控制系统总体方案。

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第三章 焦炉立火道加热控制系统

焦炉立火道温度控制系统共由一下五部分组成，为实现焦炉立火道温度的自动化控制每个部分都由一个串级控制系统来实现，在焦炉立火道加热燃烧控制系统中，焦炉立火道温度主控制器的输出值作为流量控制器的设定值，通过混合煤气的控制阀调节混合煤气在焦炉立火道的总体流量。然而焦炉煤气和高炉煤气的热值的改变情况下，并利用混合煤气的负反馈回路来控制对焦炉立火道影响扰动对焦炉立火道的影响作用【15】。在焦炉立火道温度稳定的条件情况下，焦炉立火道温度控制器和混合煤气流量控制器的输出值和给定值都处于相对稳定的情况下。对于焦炉立火道的影响主要有以下两种干扰：

1、焦炉的混合煤气总体压力值发生变化是，混合煤气相对稳定条件也发生相应的改变，在焦炉混合煤气变化的起始阶段混合煤气的总流量的变化值不会对焦炉立火道温度控制产生太大的影响，因此，焦炉立火道温度控制器的输出值在焦炉混合煤气压力值变化是不会发生太大的改变。所以误差的产生，焦炉混合煤气流量控制器发生改变，经过副回路的反馈调节作用，焦炉混合煤气压力变化对焦炉立火道温度变化影响不是特别的严重，焦炉立火道温度输出值不断变化，在焦炉立火道温度控制器和混合煤气流利那个调节器的工作作用下，焦炉立火道温度值很快回到焦炉立火道温度的设定值。

2、焦炉立火道温度改变。当通过焦炉立火道温度变送器测的焦炉立火道温度降低时，焦炉立火道温度控制器发作用开始工作，与焦炉立火道的给定值想成的误差值，作为焦炉混合煤气调节器的设定值，是焦炉混合煤气流量发生改变，焦炉立火道温度逐渐升高，直到重新恢复设定值。可见，串级控制系统对于焦炉立火道具有很好的解决方案。

3.1单回路控制系统

3.1.1焦炉立火道单回路控制系统

焦炉立火道单回路温度控制系统框图如下。

给定-温度控制器调节阀焦炉立火道温度温度变送器

图3.1单回路温度控制系统方框图

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在单回路控制系统中的平衡状态的条件下，如果焦炉立火道的温度突然上升，温度控制器将控制焦炉煤气阀开度变小，使温度回到稳态值，同样如果焦炉立火道温度突然降低，温度控制器控制焦炉燃气气阀开度变大，使温度回升到稳态值。单回路控制系统只针对焦炉立火道内部压力稳定的条件下进行的，当阀门开度不变的条件下，煤气压力增大，从而导致总热值的上升，将会影响焦炉立火道内部温度变化。而由于焦炉立火道是大惯性的对象，要经过比较长的时间，立火道温度检测装置才会检测到焦炉立火道内部温度的变化。 3.1.2 PID控制器

PID调节器将来自焦炉立火道温度变送器测得的焦炉立火道内部平均温度与给定温度进行比值作用后产生的偏差进行比例、积分、微分运算，并输出统一标准信号，去控制阀门开度的大小，实现对温度、压力、流量的热工参数的自动控制。

焦炉立火道温度PID控制系统，就是利用给定值进行比例、微分、积分作用，对焦炉立火道温度被控对象碱性偏差计算，最后确定输出值，对焦炉立火道温度被控对象进行PID控制。调节三个参数使PID 的控制效果达到比较理想的状态。

控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类[7]：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要利用工程整定方法进行控制器参数整定，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。

3.2串级比值控制系统

为了控制煤气和空气有一定的比值关系，串级比值燃烧控制系统[4]，其原理是空气流量和煤气流量的设定值成简单的比值关系。

焦炉立火道内部燃烧正常的情况下，煤气和空气应该控制在空燃比的范围内。焦炉煤气的空燃比大约在1.2左右，如果煤气过量，会煤气燃烧不充分造成能源浪费，产生环境污染；如果空气过量，焦炉立火道内部温度过低，同样也会产生能源浪费现象，大量的热量会随着废气进入大气中，大量的NO2、SO2等气体污染性气体进入空气。

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温度测量变送-温度控制器-燃料控制器燃料阀燃料流量F1燃料测量变送K空气控制器空气阀空气流量-F2空气测量变送

图3.2 串级比值控制系统方框图

在串级比值燃烧控制系统中，煤气流量作为主动量，空气流量作为从动量。在焦炉立火道温度串级比值控制系统相对稳定的情况下，焦炉的混合煤气和焦炉空气按照一定比值进入焦炉立火道燃烧室。

当焦炉立火道温度升高时，在焦炉立火道温度控制器反作用下，使其输出值减小，同时，焦炉立火道温度控制器的输出值经比值器作为空气流量的给定值，控制焦炉煤气调节阀阀度变小；同样空气流量的测量在这短时间内没有发生变化，焦炉立火道中的空气流量控制器的输出值也发生改变。

综上所述，不论焦炉立火道温度升高还是降低，通过串级比值控制系统的控制，可以实现较好的焦炉立火道温度控制。

3.3单交叉限幅燃烧控制系统

3.3.1单交叉限幅燃烧控制系统工作原理

单交叉限幅燃烧控制系统是在串级比值燃烧控制系统的基础上增加了高值选择器HS1（正偏置+a1(%)），低值选择器LS1（和负偏置-a2(%)），用来实现煤气和空气流量之间的相互影响，剩余空气系数μ大于其给定值μs，即μ?（μs- a1），并保证煤气流量Ff低于冒黑烟界限之内，以及空气流量Fa高于冒黑烟界限之外。

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SiTiTCFfFfCSfLS1AHS1D1/rBrSaFaC焦炉立火道温度MVtFaFf-a2+a1燃料空气

图3.3单交叉限幅燃烧控制系统原理图

单交叉限幅燃烧控制系统的工作原理如下。

在煤气流量回路中，焦炉立火道温度调节器TC的输出信号A和空气流量测量值Fa算出的所需燃料流量加上偏置a1 (%)得到的信号B。

B?(1?a1Fa)? （3.1） 100r在焦炉立火道温度单交叉限幅控制系统中有地址选择器选择焦炉立火道的温度信号和焦炉混合煤气的流量信号作为焦炉混合煤气控制器的设定值。焦炉立火道温度控制系统的空气流量控制回路中，焦炉立火道温度控制的温度控制器输出的温度信号减去焦炉混合煤气回路中的正偏执的输出信号D。

D?(1?a2)?FF （3.2） 100由高值选择器HS来选择信号A、D之一，再乘以空燃比r作为空气流量调节器FaC的给定值Sa。

在焦炉立火道的高值选择器选择焦炉立火道温度信号和焦炉混合煤气的流量信号，选择出的信号值在乘以焦炉的空燃比作为焦炉空气流量的设定值。当焦炉立火道温度升高时，焦炉立火道温度信号A急剧上升。空气流量回路中。此时，温度信号A大于流量信号D，HS1选通温度信号A，再乘以空燃比作为空气流量给定值Sa，使空气流量增加；此时煤气流量回路中，温度信号A大于空气信号B，LS1选通空气信号B，温度信号呗低值选择器中断，焦炉空气流量作为焦炉混合煤气的设定值，从而焦炉空气流量逐渐增加，

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从而焦炉混合煤气的流量不断增加，焦炉立火道温度控制系统交叉限制开始发生调节作用[22]。

通过单交叉限幅控制系统的分析可以得到，焦炉立火道温度单交叉限幅控制系统只在焦炉产生黑烟的现象焦炉空气流量的下限值，并没有设定焦炉空气流量的上限值，如果焦炉空气流量过大的情况下，会造成能原谅非现象，单交叉限幅控制系统的缺点。由于单交叉限幅控制系统只对剩余空气系数μ做了单向限幅控制。 3.3.2单交叉限幅燃烧控制系统及其特点

一、单交叉限幅燃烧控制系统

单交叉限幅控制系统结构框图，如图 3.4所示。通过在串级比值控制系统上增加高、低选择器，确保剩余空气系数不低于最佳燃烧区。

空气流量控制器-1/K空气测量变送空气阀空气流量高选器温度设定值温度控制器1+k1燃烧器低选器1-k2燃料测量变送-燃料流量控制器燃料阀燃料流量

图3.4 单边限幅控制系统

二、单交叉限幅燃烧控制系统的特点

焦炉立火道温度单交叉限幅燃烧控制系统焦炉立火道温度升高时先控制空气流量，焦炉立火道温度降低时在控制煤气流量，单交叉限幅燃烧控制系统具有以下特点[17]：

1、一但空气系统出现故障，空气流量降于0，那么煤气流量也自动降为0，确保该系统的安全运行。

2、当焦炉立火道温度升高时，先增加焦炉空气流量后增加焦炉混合煤气流量。

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3、当焦炉立火道温度降低时，单交叉限幅控制系统不能抑制剩余空气系数μ的上升，在焦炉立火道温度降低时煤气的燃烧效率有所降低。

根据焦炉立火道温度单交叉限幅控制系统的特点，为了克服焦炉立火道温度单交叉限幅控制系统的缺点，特别提出焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统。

3.4双交叉限幅燃烧控制系统

3.4.1双交叉限幅燃烧控制系统工作原理

双交叉限幅燃烧控制系统是在单交叉限幅燃烧控制系统的基础上，增加了高值选择器HS2（正偏置+a4(%)），低值选择器LS2(和负偏置-a3(%)),从而保证了焦炉立火道温度在各种外界因素和内在因素的干扰情况下，焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统设定了巨鹿空气不足的下限值和焦炉空气过量的上限值。在煤气流量调节回路中，焦炉立火道温度TC温度调节器输出信号信号a，空气流量测量根据所需要的燃料流量法计算出的信号中减去焦炉空气流量信号C

C?(1?a3Fa)? （3.3） 100r焦炉混合煤气信号与焦炉空气流量信号相比，LS1来选通温度信号A、空气流量信号C、煤气流量信号B的三个流量信号中的一个作为焦炉混合煤气流量的设定值。 在焦炉立火道温度控制系统中焦炉空气流量回路中，输出信号A作为焦炉立火道温度调节器TC的输出值，与焦炉立火道温度控制 系统中燃料流量测量值Ff加上偏置a4(%)得到的信号E

E?(1?a4)?Ff （3.4） 100焦炉立火道信号流量信号E与焦炉立火道温度控制系统中的空气流量信号D相比较，由低值选择器LS2和高值选择器HS1来选通温度信号A、煤气流量E、空气流量信号D三者之一，再乘以空燃比r作为空气流量调节器FaC的给定值Sa。

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SiTiTCFfFfCSfSfHS2ACLS2HSD+a1-a3/rLS1BFaCFa*rMV1Fa立火道温度EFf+a4-a2燃料空气

图3.5 双交叉限幅燃烧控制原理图

通过对焦炉立火道温度上升动态响应的过程中判断可知，焦炉立火道温度信号A增加时，焦炉立火道温度升高。在焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统焦炉混合煤气和焦炉空气流量不见交替增加。

焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统中不仅设置黑烟边界，而且还提供空气其余边界。当双交叉限幅控制系统处于稳定状态，其余的空气系数变化不大。在焦炉烟气温度的上升过程的动态响应，不仅焦炉烟气温度上升，以防止不低于黑烟下限，和焦炭炉烟气温度降低没有上限。在剩余的空气比过剩情况下。由于该系统做了其余两路空气的限制因素，所以命名为双限制交叉。这是双交叉限幅系统优于单交叉限幅系统，从而在稳态或动态过程而言燃烧过程中可以保持在最佳燃烧区，防止冒黑烟，空气污染和节约能源。

3.4.2双交叉限幅燃烧控制系统的特点

一、双交叉限幅燃烧控制系统

图 3.6 是双交叉限幅燃烧控制系统的原理框图，焦炉立火道温度双交叉限幅燃烧控制系统采用煤气流量和空气流量的实际测值，分别针对焦炉空气流量和焦炉混合煤气流量的设定值进行设定。通过焦炉立火道温度双交叉限幅防止燃烧系统出现焦炉空气的上限值和焦炉空气的下限值，燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值。

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空气流量控制器-1/K高选器1+k1空气测量变送空气阀空气流量温度设定值温度控制器低选器1-k2燃烧器高选器1+k3低选器1-k4燃料测量变送-燃料流量控制器燃料阀燃料流量

图3.6 双交叉限幅燃烧控制系统方框图

二、双交叉限幅燃烧控制系统特点

双交叉限幅方法是针对动态过程的一种控制方式，从实际生产过程可以了解到，在燃烧过程中，空燃比保持在最佳值，可以减少废气对空气的污染。

焦炉立火道温度双交叉限幅燃烧控制系统的优点： 1、保证焦炉空气过剩率的控制； 2、克服焦炉煤气煤气压力值变化的影响； 3、焦炉混合煤气的燃烧损耗和环境保护。 双交叉限幅燃烧控制方式的缺点：

1、焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统的响应速度慢； 2、无法克服热值波动；

3、控制系统容易出现震荡现象。

综合所述分析得知节约能源和双交叉限幅控制系统对负荷动态响应的快速性这两方面产生的影响，并通过大量实验和查阅相关资料了解到偏置量的取值范围，建议选择a1= a2 =2%-5%，a3= a4 =8%。

焦炉立火道温度双交叉控制系统的优点是对剩余空气系数进行双向限幅，保证焦炉混合煤气燃烧始终维持在最佳燃烧区，有利于能源的节约，但焦炉立火道温度双交叉限幅控制系统的缺点是偏置过小使系统对负荷响应速度变的缓慢[12]。

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3.5小结

在前两章的基础上本章最终设计出了焦炉立火道的温度控制系统，包括燃烧串级控制系统、焦炉立火道内部压力控制系统、单交叉燃烧控制系统和双交叉燃烧控制系统。重点对单交叉燃烧控制系统和双交叉燃烧控制系统做了介绍。对焦炉立火道温度控制系统主要讲了串级控制的特点，以及是怎样实现对扰动的抑制，还说了主控制器算法的选取和参数的整定。本章重点介绍单交叉限幅燃烧控制系统和双交叉限幅燃烧控制系统和工作原理图及其工作特点。

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第四章 焦炉立火道温度控制仿真

4.1仿真软件简介

C语言是一种应用广泛的计算机语言，但是此系统用C语言不能进行抽象的建模，所以，此系统用了一种接近人的抽象思维的高级计算机语言—MATLAB语言。C语言是一种应用广泛的计算机语言，但是此系统用C语言不能进行抽象的建模，所以，此系统用了一种接近人的抽象思维的高级计算机语言—MATLAB语言。它的程序是很容易学习的，并具有良好的开放性，用户可以利用MATLAB提供了基本工具的优势，根据自己的需要，灵活的准备和发展自己的程序，也可以利用MATLAB软件环境实现计算机的仿真。

在MATLAB环境下，数字仿真工具是Simulink，它可用于动态系统建模、仿真和分析的综合环境。它有两个功能：第一，它支持连续，离散，以及线性和非线性系统仿真的混合物；第二，它也支持模拟的多速率系等。Simulink还提供了一个工具包，它具有模块化，特别是复杂的，多层次，高非线性系统仿真。在MATLAB的工作空间，键入命令Simulink中，你可以打开Simulink库。模块库简化了设计过程，减轻了设计负担，提高了仿真的集成化和可视化[12]。

Simulink提供了用鼠标“画”出系统框图的方式，可以进行图形建模。因此，Simulink具有以下有点：它提供的丰富功能块，可以迅速的创建动态系统模型；实时代码生成工具Real-Time Workshop的支持平台；它还集成了Stateflow，用来建模等的逻辑行为[16]。

Simulink的主要功能如下： 1、交互建模

建模时，将Simulink提供的功能模块拖放并将它们连接起来组成完整的仿真系统，这些功能块可以方便用户快速有效地建立动态系统仿真模型。

2、交互仿真

Simulink提供了一个高度互动的仿真环境，仿真可以执行下拉菜单。仿真结果可以同时运行图形窗口查看

3、扩充和定制

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Simulink的开放式结构允许用户扩展仿真环境的特点，扩充是用户可以将原有的语言代码连接起来；定制是用户可以用MATLAB生成自定义模块库，并设定自己的图标和界面。

4、Simulink可以直接利用 MATLAB的数学、图形和编程功能，用户可以直接在Simulink下完成数据分析等工作。

4.2仿真对象模型建立

本系统对温度控制器进行仿真研究，是为了比较出哪种算法更适于焦炉立火道温度控制系统。此系统仅对影响焦炉立火道温度系统控制效果的主要因素进行仿真研究，因此，只对焦炉立火道内部压力、焦炉煤气压力及各个焦炉立火道之间温度的相互影响做出了如下假设

[11]

：

1.本系统采用单回路PID控制使焦炉立火道内部压力保持稳定的值。在焦炉立火道内部相对压力稳定的前提下，并且充分考虑了压力等因素对焦炉立火道参数的改变，本文主要选择空燃比寻优的方法，最佳空燃比的压力，以尽量减少影响。因此，压力保持不变，它们可以忽略其对燃烧过程的影响。

2.在正常燃烧时，焦炉立火道温度相互之间的影响并不大，只是当焦炉的进出料情况下，对焦炉立火道内部温度有着明显的影响，因此，在仿真时将该过程当做是一个干扰进行处理。

在做出了上述的假设后，根据焦炉立火道温度对象为大滞后、大惯性的特点，为便于控制方法的研究，将加热炉简化为一个二阶环节，其传递函数为

G（S）=

1 （4.1）

0.1S2?S?1此外，燃料流量对象和空气流量对象本设计将把它们近似看成一阶惯性环节，相应的传递函数如下： 燃料流量对象传递函数

G(S)?K （4.2） TS?1空气流量对象传递函数

G(S)?K （4.3） TS?1

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4.3焦炉立火道温度控制系统仿真波形参数

对于稳定的系统，通常用描述系统阶跃响应特征的一些参数来评价其性能的好坏。从调节过程中的六个主要指标分析仿真结果的不同。这几个指标分别是衰减比，余差，最大偏差，调节时间，超调量，振荡周期[23]。

1、最大超调量δ% 瞬态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数为

?%?Cmax?C(?)?100% （4.4）

C(?)2、衰减比 它是后一波与前一个波的振幅的比值，但习惯上以1：n表示。或者也可以用衰减率表示，它是前一个波峰值与稳态值之差减去后一个波峰值与稳态值之差的值与前一个波峰值与稳态值之差的比值。

3、余差 也称静差，它是调节过程终止时的剩余偏差，即被调量稳定值与给定值之差。

4、大偏差 它是被调量在动态过程中的最大偏差，是第一个波峰与给定值之差。 5、节时间 当 和 之间误差达到规定的允许值，且以后不再超过此值所需的时间称为调节时间ts 。

6、升时间 输出响应第一次达到稳态值的时间，或由稳态值的10%上升到90%所需的时间。

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4.4焦炉立火道温度控制系统仿真研究

4.4.1常规PID控制系统仿真分析

图 4.1 单回路控制系统仿真原理图

图4.1是单回路控制系统仿真原理图，此系统的控制为PID控制，PID控制器的Kp、Ki、Kd三个参数的大小决定了PID控制器的比例、积分、微分控制作用的强弱。此时加热炉温度特性的稳态值设定为1200℃。

当KP =0.5，TI =5，TD=0.8时，阶跃响应结果如图4.2所示。

图 4.2 单回路控制系统仿真波形

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当KP =0.8，TI =5，TD=0.8时，阶跃响应结果如图4.3所示。

图 4.3 单回路控制系统仿真波形

当KP =0.8，TI =3，TD=0.8时，阶跃响应结果如图4.4所示。

图 4.4 单回路控制系统仿真波形

当KP =0.8，TI =3，TD=1.5时，阶跃响应结果如图4.5所示。

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图 4.5 单回路控制系统仿真波形

有单回路控制系统仿真波形可得知PID调节器有如下特点[20]： 1、比例系数Kp对控制性能的影响

比例系数Kp影响系统的幅值、超调量、系统响应速度以及稳态误差，随着比例系数Kp的增加，超调量增大，减少稳态误差。但比例系数Kp不能无限增加，因为无限增加会使系统不稳定。

2、积分时间常数Ti对控制性能的影响

积分时间Ti主要是消除系统的稳态误差，随着积分时间常数Ti的增加，超调量降低，系统响应速度稍有变慢。积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差。

3、微分时间常数Td对控制性能的影响

微分时间Td的主要作用是提高系统的响应速度。随着微分时间常数Td的增加，闭环系统响应的速度加快。

当PID调节器中的KP =0.8，Ti=3，Td=0.8时,由仿真结果可以看出，经过30min系统达到稳态，系统的最大偏差大约为400℃，最大超调量δ%=33.34%，为系统稳定后无余差。控制效果不理想，但控制结构简单抗干扰性差。

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4.4.2串级比值控制系统仿真分析

图4.6 串级比值控制系统仿真原理图

图4.6是串级比值控制系统仿真原理图。串级系统主回路是炉温控制，副回路是燃料控制，比值系统是煤气和空气的比值。

当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=3.5，Kd0=1.35；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0; Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=1.1时串级比值系统仿真结果如下图所示。

图 4.7 串级比值系统仿真波形

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当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=3.5，Kd0=1.35；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0; Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=1.2时串级比值系统仿真结果如下图所示。

图 4.8 串级比值系统仿真波形

当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=3.5，Kd0=1.35；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0; Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=1.3时串级比值系统仿真结果如下图所示。

图 4.9 串级比值系统仿真波形

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当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=3.5，Kd0=1.35；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0; Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=1.5时串级比值系统仿真结果如下图所示。

图 4.10 串级比值系统仿真波形

图4.7中可以看出，纵轴的值乘以一千代表的是温度，单位为℃，横轴代表的是时间，单位为min。从图中可以看出，串级比值控制系统的仿真图和单回路控制系统相比超调量变小，响应时间变快。但是串级比值控制系统不能克服煤气过剩，也不能克服煤气不足。

由此可知，r=0.25时，阶跃响应结果最好。此时空燃比为4：1。当主调节器中的KP =1.8，TI =3.5，TD=1.35时，由仿真结果可以看出，经过30min系统达到稳态，系统的最大偏差大约为300℃，最大超调量δ%=25%，为系统稳定后无余差。

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4.4.3单交叉限幅控制系统仿真分析

图 4.11 单交叉限幅控制系统原理图

图4.11单交叉限幅燃烧控制系统的仿真原理图，它是在串级比值控制系统的基础上进行改进来实现的。本图是用单边限幅的串级比值来实现的。仪表间的通讯信号和图4.6串级比值控制一样。本图是在串级比值控制的基础上加入了高低选择器，作为限幅控制。

当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=1.65，Kd0=1.55；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0；Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=0.25。

图 4.12 单交叉限幅控制系统仿真波形图

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当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=1.65，Kd0=1.55；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0；Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=3.5。

图 4.13 单交叉限幅控制系统仿真波形图

当控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=1.65，Kd0=1.55；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0；Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=1.1。

图 4.14 单交叉限幅控制系统仿真波形图

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图4.14图是加入了单边限幅后仿真结果，由仿真结果可以看出，经过26min系统达到稳态，系统的最大偏差为140℃，最大超调量δ%=11.67%，系统稳定后无余差。当温度提量时，整条曲线都位于最佳燃烧区，因此，加入了单边限幅后，能克服冒黑烟的问题。并且从图中可以看出，空燃比有个波峰，可得出，空气过剩系数大于1.3，带来能量的浪费和产品的质量下降。 4.4.4系统仿真分析比较

图4.15 焦炉立火道温度控制系统仿真原理图比较

图4.15为单回路控制系统、串级比值控制系统、单边限幅控制系统。其控制参数不

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变。仿真波形如图4.16所示。

图4.16 焦炉立火道温度控制系统仿真波形比较

通过单回路控制系统、串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统方针结果比较，单边限幅控制系统仿真波形中的超调量最小，过渡时间最小，系统稳定后无余差。但是单边限幅只限制了升负荷时空气系数的下限，没有限制降负荷是空气系数的上限，针对这一缺点提出了双边限幅控制系统。 4.4.5双交叉限幅控制系统仿真分析

图 4.17双交叉限幅控制系统仿真原理图

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图4.17是在用双边限幅的串级比值来实现的，是在单边限幅的基础上又增加了两个高低选择器。此控制器的PID参数为Kp0=1.85，Ki0=1.8，Kd0=0.85；Kp1=844，Ki1=240，Kd1=0；Kp2=400，Ki2=360,Kd2=0；r=0.25。

图4.18双交叉限幅控制系统仿真结果

图4.18是加入了双边限幅后，由仿真结果可以看出，经过25min系统达到稳态，系统最大偏差为120，系统稳定后无余差。当温度降量时，从图中可知，空气过剩系数位于最佳燃烧区，因此，加入了双边限幅可以防止空气过量带来的一系列的问题。当温度提量时，和单边限幅一样，能防止空气不足带来的一系列问题。

当a1= 0.03 ，a2= 0.04 ，a3=0.08，a4=0.06时，阶跃响应结果如图4.15所示。

图4.19双交叉限幅控制系统仿真结果

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当a1= 0.03 ，a2= 0.04 ，a3=0.08，a4=0.08时，阶跃响应结果如图4.16所示。

图4.20双交叉限幅控制系统仿真结果

由仿真结果可以看出，经过27min系统达到稳态，系统的最大偏差为140℃，最大超调量δ%=8.33%，系统稳定后无余差。串级比值控制系统不能克服空气不足和空气过剩；因此，对单交叉限幅比值控制系统基础上进行了改进，加入了双边限幅控制，能克服空气不足和空气过剩的问题；最后提出了在双交叉限幅的控制系统，不但能克服空气不足，而且还能克服空气过剩。从方案比较中可以知道，双交叉限幅控制温度可以达到比较好的控制效果。

4.5小结

在焦炉立火道燃烧串级控制系统中，温度的控制是很容易实现的，但既要及时而有效的控制温度，又要将空气过剩系数控制在最佳燃烧区，就没那么容易了。对于整个焦炉立火道温度控制系统采用串级控制是没有异议的，而在其中的燃烧控制部分就提出了多种方法：最先想到的是串级简单比值控制系统，最后通过仿真得出，串级简单比值控制系统不能克服提量时，空气不足，降量时，空气过剩；因此，在串级简单比值控制系统基础上改进，加入了单边限幅控制，能克服提量时，空气不足，但不能克服降量时，空气过剩；最后提出了在燃烧控制中基于双边限幅的焦炉立火道燃烧串级控制系统，不但能克服提量时，空气不足，而且还能克服降量时，空气过剩。

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通过分析和试验结果表明，无论单交叉还是双交叉燃烧控制系统，这两个控制系统都是用调节时间来换取煤气和空气流量之间相互作用，并限制剩余空气系数μ的上限值，从而避免能源浪费的现象。单交叉限幅控制系统的响应速度较慢，而双交叉限幅控制系统的响应速度更慢。

研究结果表明，双交叉限幅控制系统中的四个偏置+ a1 (%)、- a2 (%)、- a3 (%)、+ a4 (%)的取值与系统对负荷响应速度和节能效果有关。从节约能源的观点看，希望四个偏置的取值相对小时，但这样一来会使系统对负荷响应速度变慢。此外，由于煤气空气流量的随机波动是不可避免的，为了防止由此而引起的高值、低值选择器不必要的频繁切换给系统带来的不必要干扰。一般要根据实际生产情况和控制要求在系统调试中确定四个偏置值。

综合考虑节能效果和系统对负荷响应的速度这两方面的影响，并通过大量试验证明，建议选择a1= a2 =2%～5%，a3= a4 =8%。

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第五章 模糊控制系统原理及模糊控制系统仿真分析

5.1常规模糊控制器的基本结构

模糊控制器，也称为模糊逻辑控制器[15]，焦炉立火道温度模糊控制系统中模糊控制器由以下四部分组成：模糊化接口、模糊推理机、解模糊、知识库。模糊量化作为控制器性能的主要影响关键因素。

焦炉立火道温度模糊控制系统原理框图如图5.1所示。

输入通道模糊控制器输出通道执行机构对象传感器知识库数据库规则库模糊量化因子模糊推理决策判决比例因子（解模糊） 图5.1 模糊控制系统原理框图

焦炉立火道温度模糊控制系统由模糊化接口、模糊判断接口、推理机、知识库四部分组成。

5.2量化因子对模糊控制器的影响

在焦炉立火道温度模糊控制系统的模糊控制器中，主要影响模糊控制系统的性能的好与坏除了控制规则的确定外，还得合理选择模糊控制器输入变量的量化因子输入波形和输出变量的比化因子输出波形，也是影响模糊控制的重中之重[17]。

输入量的量化因子： Ke = E /e； Kec =EC /ec (5.1) 输出量的比例因子： Ku =U /u (5.2) 以上式中：e，ec，u 分别为模拟量的误差、模拟量误差变化以及控制模拟输出量的基本论域：E ，EC ，U 分别作为误差、误差变化率，模糊控制输出量的模糊论域。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5lb.html