管式加热炉温度控制系统仿真设计.docx
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管式加热炉温度控制系统仿真设计
管式加热炉温度控制系统仿真设计
管式加热炉温度控制系统仿真设计
摘要：
随着科学技术的飞速发展，消费者对民用生产和工业生产对产品的性能有了更新的要求，其中，对产品的温度控制的要求也越来越高，所以研究设计管式加热炉的温度控制器具有很大的现实意义和使用价值。
本文是基于PID控制算法的管式加热炉智能温度控制器为研究对象，首先阐述本文的研究背景和温度自动控制器的需求，然后对分析了传统控制方法的弊端，对模糊控制方法进行了介绍。
随后利用模糊PID计算方法计算对系统功能的实现情况，并从硬件和软件两个方面进行系统运行调试，得出较好的结果。
关键词：
温度控制器；SSR固态继电器；STM32单片机
ABSTRACT：
Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,consumerandindustrialproductiontocivilianproductionrequirementsforproductupdateperformance,which,onproducttemperaturecontrolrequirementshavebecomemoresophisticated,sodesigningresistancefurnacetemperaturecontrollerisofgreatpracticalsignificanceandusefulness.ThisarticleisaresistancefurnacetemperaturecontrollerbasedonPIDcontrolalgorithmforthestudy,firstofallexplainsthebackgroundofthisstudyandtemperaturecontrolneeds,thendesigntheoverallsystem-wideprogramme,includinginparticularthehardwaresystemdesign,systemdesignandsoftwaredesignofthecontrolcircuitoftemperature.ThentakeadvantageoffuzzyPIDcalculationsystemofimplementation,andrunfromthetwosystemsintermsofhardwareandsoftwaredebugging,producebetterresultsandconclusionfulltext.
KEYWORDS：
Temperaturecontroller;SSR-solidstaterelays;STM32microcontroller
（2）液体燃料或燃烧气体。
（3）直接受火式加热方式。
（4）长周期连续运行。
管式加热炉性能优越，符合现代工业生产大型化、自动化、连续化的要求，它的发展对石化等行业的发展、进步起到了很大的推动作用，在一些生产过程中对产品质量、产品收率、能耗和操作周期甚至起着重要的支配作用。
2.1管式加热炉的一般结构
管式加热炉包括5部分，分别是：
对流室、辐射室、通风系统、燃烧系统及余热回收系统，如图2.1所示，结构中包括：
钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。
图2.1管式加热炉的一般结构
（1）辐射室
辐射室通过火焰或高温烟气进行辐射传热，是加热炉热交换的毛要场所。
辐射室直接受火焰冲刷，温度较高、所用材料的强度、耐热性定要好，其热负荷一般占加热炉热负荷的70%~80%，是加热炉最重要的部位。
乙烯裂解炉、烃类蒸汽转化炉的裂解和反应过程全部在辐射室完成。
辐射室有两个作用：
一是用作燃烧室；二是将燃烧器喷出的火焰、高温烟气通过炉管传给介质。
（2）对流室
对流室是由辐射室出来的烟气进行对流传热的部分，对流室热负荷约占加热炉负荷的20%~30%。
对流室的取热量比值越大，加热炉热效率越高，该比值的选择应根据管内流体同烟气的温度差和烟气通过对流管排的压力损失等方面考虑决定。
对流室位置一般在辐射室之上，内部紧密分布着多排炉管，烟气通过较快的速度冲刷炉管，从而实现对流传热。
加热炉炉管中的介质一般由低温部分流到高温部分，即先到对流室，后到辐射室。
水蒸气介质的流向是对于烟气上行的炉子为从上到下，烟气下行的炉子为从下到上。
对流段的主要作用是：
在对流室内的高温烟气以对流的方式将热量传给炉管内的介质。
在对流室内也有很小一部分烟气及炉墙的辐射传热。
（3）余热回收系统
余热回收系统用以进一步回收离开对流室烟气中的余热。
回收方法有2种：
一是通过余热供燃烧用的空气来回收，使回收的热量再次返回炉中，称为“空气预热方式”。
另一种是采用同加热炉完全无关的其它介质回收热量，称为“余热锅炉”方式，一般采用强制循环方式，尽量放到对流室顶部。
目前，加热炉的余热回收系统多采用空气余热回收方式，通常只有高温管式炉（如烃蒸气转化炉、乙烯裂解炉）和纯辐射炉才使用余热锅炉。
这些炉子的排烟温度较高，安装余热回收后，加热炉的热效率可达到88%~90%。
（4）燃烧器
燃烧器的作用是完成燃料的燃烧过程，为热交换提供热量。
燃烧器由燃料喷嘴、配风器、燃烧通道3部分组成。
燃烧器根据燃用燃料不同分为燃油燃烧器、燃气燃烧器和油气联合燃烧器。
燃烧器性能的好坏，直接影响炉子质量及炉子的热效率。
为保证燃烧质量和整炉热效率，必须有可靠的燃料供应系统和良好的空气预热系统。
（5）通风系统
通风系统是把燃料燃烧所用空气导入燃烧器，同时将废烟气引出加热炉。
通风方式有自然通风和强制通风，自然通风依靠烟囱本身的抽力，强制通风则使用鼓风机和引风机。
当加热炉炉内烟气侧阻力不大时，通风方式为自然通风，对于加热炉烟囱的高度，要求可以保证克服加热炉炉内烟气侧阻力。
但是，近年来随着环保要求的提高，生产企业己开始安装独立于炉群的超高型集合烟囱，用来将多个加热炉的烟气集中在一起进行排放。
随着管式加热炉性能的多元化、结构的复杂化，炉内烟气侧阻力降增大，以及高效大功率燃烧器的应用、提高加热炉热效率和节能降耗工作的需要，强制通风方式越来越受到重视和使用。
2.2管式加热炉传热方式
管式加热炉的工艺过程就是燃料燃烧释放出热量和油介质或者其他介质吸收热量，使其升温，产生相变或同时产生裂化和反应等的过程，是供热和吸热的过程。
燃料在炉膛内燃烧后，1000~1500℃的高温烟气主要以辐射的方式将大部分热量传给辐射管的外表面，再通过炉管的金属壁以全传导的方式传递给炉管的内表面，又以对流方式传递给在炉管中流动的介质，使之加热到工艺上要求的温度。
以较少的传热面积，消耗较少的燃料，来完成既定的加热任务，是加热炉的基本工艺要求。
加热炉不能由于局部过热导致油品或其它介质的分解，尤其是用于反应的加热炉除要达到规定的反应深度外，还要尽量减少炉管内结焦状况的发生，使加热炉长周期安全运行。
（1）辐射传热
在加热炉内，热辐射是重要的传热方式。
在管式加热炉内炉管吸收的热量约有80%~90%是以辐射的方式进行的。
辐射是物质以电磁波或光子的形式传递能量的过程。
是物质的固有属性，所传递的能量叫辐射能。
当辐射能落在另一个物体上被吸收时，可转化为该物体的内增能量，产生热效应、化学效应或光电效应等。
辐射室中的传热方式主要包括炽热气体和火焰的对流放热和辐射放热。
如果燃料燃烧产生的热量全部被生成物吸收，那么生成物的温度为最高温度，即虚拟火焰最高温度
。
由于炉膛墙壁和管排不断接受到辐射热量，而且在流动方向上有温度梯度，所以温度
根本达不到。
罗伯—伊万斯方法的基本出发点提出了如下的假设：
在管式加热炉的辐射室中，可以用
来表示烟气的平均温度，其中，
是根据热平衡原理得到的离开辐射室时的烟气温度。
虚拟最高火焰温度
显然高一于烟气平均温度
，而在辐射室出口，烟气的实际温度为
，根据不同的加热炉，
要么高于
，要么等于
。
此外，接受了对流传热的炉膛墙壁也会有散热损失，管排的平均温度为
，炉墙的不变温度为
，上述过程如图2.2所示。
图2.2辐射室的传热过程
图中，各温度之间的关系为：
>
>
>
>
。
（2）对流传热
在加热炉的辐射室以对流传热为主，同时高温烟气和炉墙也以辐射形式进行传热。
对流室的传热在整个管式加热炉中虽然不占主要地位，但对降低排烟温度，减少热损失，提高全炉热效率具有重要的作用。
一般辐射对流型加热炉要比全辐射型加热炉的热效率高10%~15%。
从发展趋势上看，辐射室和对流室的热负荷分配比变化较大。
过去分配比是：
辐射室：
对流室：
烟气损失=50：
20：
30，而现在是40：
50：
10。
对流传热的主要作用是确定对流室的传热面积和对流管表面热强度。
3管式加热炉温度系统的模糊控制
3.1常规控制方法的局限性
在整个轧钢生产流程中，钢坯的加热和轧制是两个有各自生产目标的相互独立的工序，对其优化控制的过程也是分别进行的，即分别达到各自的最优化，但是从对整个热轧生产系统的综合优化控制角度来看，这样分别达到局部最优化的控制方案并不能够实现整个系统的最优化，即控制效果的局部最优化不能保证全局的最优化。
就轧制工序而言，为保证轧制的正常进行，就要求钢坯的加热温度留有较大的裕度，实际上这个设定值有很大的可下降空间，因而钢坯出炉温度设定值得过高就使得燃料能耗增加很多，与加热炉节能降耗的生产目标相矛盾；就加热工序而言，为了尽量较少燃料消耗，炉温的设定值会尽量降低以实现节能降耗的优化目标，但是这样有可能造成钢坯的加热质量变差影响轧制的正常生产，影响轧机的使用寿命甚至会引起重大生产事故，从整个轧钢生产流程看反而增加了能耗，降低了生产效益。
这是因为两个系统各自有其控制目标，将加热工序和扎制工序分开来控制造成加热炉控制系统不能及时的根据轧制信息的反馈调整控制策略。
所以就控制目标而言利用常规的控制方法将两个系统作为独立的开环系统不能得到很好的控制效果。
为了达到良好的控制效果，将整个轧钢过程作为一个大的闭环系统进行优化控制，将粗轧机一侧的轧制信息反馈到加热炉一侧，并根据反馈信息对加热炉的炉温设定值进行动态补偿，优化钢坯的加热过程。
对这个控制过程，常规控制方法也存在局限性。
常规控制方法是以被控对象能够建立精确的数学模型为基础的，而对于整个轧钢生产过程很难建立精确的数学模型，而且就轧制信息反馈动态补偿炉温设定值的这个过程而言目前也不能建立出数学模型，所以常规方法不再适用。
因此，不需要建立被控对象精确数学模型的智能控制方法的出现为解决这个问题提供了新的思路。
3.2智能控制思想
管式加热炉是一个复杂的被控对象，通常加热炉都是采取分段加热的供热方式，在生产过程中各段之间容易发生耦合，在描述钢坯在炉内的热交换机理时除了有关热传导、对流和辐射的关系式外，还包括像炉温的滞后效应、压力变化等许多不确定因素的影响，所以对钢坯的加热过程是一个典型的强耦合、非线性、纯滞后特性的过程，要想用常规的数学方法对这种复杂的对象建模非常困难。
实际使用的通过各种假设建立的数学模型不能准确描述被控对象的特点，常规PID的控制效果也不是很理想。
在实际生产中，有经验的操作工人能够很轻松的把加热炉控制在一个很稳定的工作状态，这是因为他们可以通过现场各种仪表的检测数据依据自己的经验准确判断出加热炉的工作状态，并及时对其做出相应的调整。
受这一现象的启发，可以在实际工程应用中采用基于仿人智能控制的控制策略对加热炉进行控制,将人类专家和熟练操作工人的经验存储在控制器中应用于整个控制系统，同样可以取得很好的控制效果。
针对在传统控制中，加热炉的控制和轧机的控制被割裂开来单独考虑的情况，提出如下控制思想：
将两个信息流只能向前传播的开环系统改造成信息流可以反向传播的闭环控制系统，利用智能控制算法对炉温设定值进行修正，使加热炉能够根据轧制节奏以及轧机反馈的信息动态的实时优化钢坯的加热过程，改善钢坯加热质量，以达到在此过程中达到降低能耗、提高产品质量和生产效率的同时满足生产指标和经济指标的要求，提高企业利润的目标。
在这个闭环控制系统中，将轧机电流反馈作为验证钢坯加热质量好坏的检验标准，并以实测电流和额定电流的偏差作为对炉温设定值进行补偿的依据，以优化钢坯的加热过程，从而降低加热炉和轧机的整体能耗。
3.3管式加热炉温度系统的智能模糊控制
3.3.1模糊控制概述
模糊控制方法：
一种基于模糊语言的表示、模糊数学以及模糊逻辑规则推理，一种有反馈通道的，闭环数字系统，它依赖与计算机技术。
随着智能控制技术的不断发展，出现的新科学方法，例如模糊控制、遗传算法和神经网络以及混纯理论等，这些智能控制方法是一种有效的控制形式，可以发挥出更优越的作用。
运用模糊的控制方法，它能较好的将人工经验运用在控制系统的自动控制中。
如果一个熟练的操作人员，在不了解被控对象的精确数学模型情况下，凭借以往的操作经验，运用相对应的方法能较好的控制较复条的系统。
将操作的实践经验进行描述，将其以语言的形式表达，可以得到不精确、定性的的规则。
3.3.2模糊控制原理
模糊控制方法首先将现场操作人员的对策或专家经验编写成与控制相对应的规则，后系统将传感器检测到的信号进行模糊化，再将模糊化后的信号作为模糊规则输入，最后将所推理得到的控制输出量加到对应的执行控制器上。
3.3.3模糊控制器结构
运用计算机程序来控制模糊控制器。
一般情况下选择的误差信号为e和误差的变化率为ec，将选择的信号作为控制器的输入量。
误差e和误差变化率ec的模糊量能运用相对应的模糊语言来表示，在其模糊化后会生成相对应的模糊量，及由误差e和误差的变化率ec在模糊语言集合中得到一个模糊矢量E和EC，根据模糊控制的规则R和模糊矢量E、EC，根据推理的规则进行模糊决策以得出模糊控制量U，最后根据得出的模糊控制量U进行反模糊，得到精确的控制量U。
图3.1模糊控制器结构图
图3.1为模糊控制器的结构，在实际的工作中，一般选择查表法、软件模糊推理法等模糊控制器。
本设计为节省控制器的时间，减少CPU的运算量，采用查表法。
设计步骤如下:
（1）在控制系统中，输入量是由输入目标值和实时所检测得到的实际值的偏差e以及该偏差的变化率ec组成。
（2）将控制系统的输入量e和ec进行模糊化处理，将输入量量带入到确定的模糊子集中。
（3）根据实际的操作实践经验和专家知识决定控制的策略，并建立当前的模糊规则表。
（4）根据模糊控制的规则，查找与控制系统相对应的模糊控制量。
（5）采用如下几种解模糊的方法对控制量进行解模糊：
加权平均的方法、取中位数的方法以及最大隶属度的方法。
1、模糊量化
（a）对检测到的输入量进行相应的处理，转变为模糊控制器所要求的输入量。
计算误差e=r-y，其中r表示控制系统的参考输入量，y表示控制系统的实际输出量，e表示误差，ec代表误差的变化速率。
对于计算得到的误差e以及误差变化ec就是系统输入语言的变量。
（b）对输入量进行相应尺度的变换，转变到模糊量的论域范围中。
（C）对控制系统处理后的输入量进行模糊化。
例如输入量中的误差，将误差的论域e分为七个等级：
正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（Z0）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NB）。
选择的隶属函数为三角形函数、棒型函数、钟形函数、高斯函数等。
本文选取的是高斯函数。
2、知识库
知识库分为两部分：
数据库和规则库。
（1）数据库
所有模糊子集的隶属度矢量值都存放在控制系统的数据库中。
（2）规则库
模糊规则有相应的关系词：
如if-then、else、also、end、or等，IfAandBthenC，A是论域U上的一个模糊子集，B是论域V上的一个模糊子集。
（3）模糊推理
在模糊推理过程中，每一条控制规则对应一条模糊语句，全部的规则构成一组多重复合的模糊蕴含关系，根据模糊推理规定，第i条规则对应于推理关系Ri，
全部n条规则对应于总的模糊推理关系R：
模糊控制器的所用的性能由R决定。
（4）反模糊化
进行了模糊推理后，所得到的结果还是模糊量，然而在实际的控制中运用的结果是精确量。
所以，在进行推理过程后，必须将模糊输出量进行精确化的处理。
解模糊的方法如下所示：
（a）重心法
重心法以模糊集合的隶属函数曲线和所对应的横坐标轴围成面积的重心为代表点，即
（b）最大隶属度法
最大隶属度的方法：
在模糊集合中选取隶属度最大的元素作为精确的控制量。
如果同时出现最大隶属度值的情况时，取这些元素的平均值作为最后的结果。
（C）系数加权平均法
系数加权平均法：
将模糊集合中各元素进行加权平均，将最后计算得出的加权平均值作为最后的精确值，即
（d）隶属度限幅元素平均法
根据设置的隶属度值a，切割模糊集合的隶属函数曲线，将等于该隶属度的全部元素进行取平均值，将得出的平均值作为精确量进行输出。
如果a取最大隶属度1时，代表“完全隶属”的关系；如果a取0.5时，代表“大概隶属”的关系。
（e）中位数法
中位数法：
把隶属函数曲线和横坐标围成的面积等分为两部分，将两部分的分界点所对应的元素作为精确量进行输出。
该种方法能够全面考虑模糊集合所有信息的作用。
五种解模糊的方法各有特点，适用于不同的情况，具体分析如下：
（1）重心法的优点：
不但可以根据公式，理论上也相对合理，这种方法利用模糊集合的全部信息。
缺点：
计算复杂，主要被用于理论推导要求不高的场合。
（2）最大隶属度法的优点：
简单可行，算法实时性较好，使用也方便。
缺点：
因为利用最大隶属的信息所以计算相对复杂，它忽略了较小隶属度元素的影响，信息量利用较少，这种方法一般被应用于简单的控制系统中。
（3）系数加权平均法的优点：
能选择和调整权系数的大小，改善系统的响应性能。
缺点：
权系数的选择是基于工作人员的操作经验与观测的实验数据，需要对其进行持续的调整。
（4）隶属度限幅元素平均法是在以上一些方法对比中处于中间的位置。
（5）中位数法的优点：
比较全面的利用相关信息，也考虑了全部信息的作用。
缺点：
计算过程相对复杂，缺少重视隶属度较大元素的主导地位。
中位数法是相对全面的解模糊方法，但实际中应用不广泛。
所以，在实际的应用中根据系统的复杂性以及系统的控制精度等。
本文运用系数加权平均法来对模糊量进行清晰化。
反模糊化有两部分组成：
先对推理得到的模糊量经过反模糊化的变换，变成输出量论域范围的等级量，后再对论域范围的等级量进行尺度的变换。
变换中，模糊控制器的输入量误差、误差变化率的实际范围为模糊量的基本论域。
如果误差的基本论域为[-x1，，+x1]，误差的变化率基本论域为[-x2，，+x2]，输出变量的基本论域为[-yu，+yu]。
一般情况下选择误差的论域为n>6，选择误差变化率的论域为m>=6，选择控制量论域为l>=7。
所以误差与误差变化率的模糊子集的论域为{-n，-n+1…，0，…，n-1，n}、{-m，m+1，…，0，…，m-1，m}；控制量的模糊子集的论域为{-l，-l+1…，0，…，l-1，l}；则量化因子、比例因子为：
ke=n/x，kce=m/x2，ku=l/yu。
因为控制量的基本论域是连续的实数域，所以用下式进行计算，表示控制量的模糊集论域到基本论域的变换:
上式中li为控制量的模糊集判决得到的控制量，yui为基本论域中的一个准确量。
模糊控制器
不仅与模糊控制规则有关，还与所选择的量化因子以及比例因子有关。
对控制系统的动态性能影响较大的是量化因子ke和kec的大小。
2.2.4建立模糊规则表
根据误差和误差的变化率，第ij条模糊控制规则的表达形式为：
如果
，则
采用乘积推理机的方法，推出规则前部分的隶属函数为：
采用系数加权平均法解模糊器的方法进行清晰化，得到模糊控制器为：
式中，uij的值由模糊规则表确定。
在模糊规则表里，各条规则的输出uij的值可根据模糊推理或者经验来确定。
如e和△e各有五个隶属函数，则模糊规则表的形式如表3-1所示：
△e
e
NB
N
Z
P
PB
NB
u11
u12
u13
u14
u15
N
u21
u22
u23
u24
u25
Z
u31
u32
u33
u34
u35
P
u41
u42
u43
u44
u45
PB
u51
u512
u53
u54
u55
表中NB表示负误差很大，N表示负误差比较大，Z表示误差为0，P表示正误差比较大，PB表示正误差很大。
根据不同的情况，输出对应的uij值。
主要根据温控系统硬件的设计，再结合基本的控制经验，确定输入输出变量的基本论域、模糊子集、模糊论域、比例因子以及量化因子。
本设计的各项模糊化参数如下表所示。
表3-2输入输出变化表
系统的分辨率是由隶属度函数的斜率决定的，如果斜率大时，则系统的分辨率越高，控制的效果好。
根据误差e以及误差的变化率ec的输入值以及所建立的模糊控制规则表，经过模糊推理，求出控制系统的kp、ki和kd的模糊集。
温度控制系统的控制精度及稳定性是由Kp、Ki、Kd三个参数决定的，所以对Kp、Ki、Kd三个参数的自整定是模糊PID控制方法的核心部分。
4.控制系统仿真
Matlab为我们提供了友好方便的仿真实验环境，Simulink工具箱更是提供了多种模块，避免了代码重复编写的繁杂工作。
Matlab具有的工具箱齐全、使用透明度高等优势使其已经成为最常用的过程控制系统仿真实验平台。
本文利用Siimilink工具箱，分别对串级PID控制策略、模糊PID控制和本文提出的控制方案进行仿真，通过对仿真结果的对比分析，来确定加热炉燃烧控制系统新策略的可行性。
4.1PID原理
PID控制器的出现到现在己经有六七十年的历史了。
将偏差的比例（P）、积分（D和微分（D）通过线性组合的方式构成控制量，对被控对象进行控制，这种控制方法是PID控制。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，因为它所采用的控制算法和结构都很简单、工作可靠性能稳定、调整方便，十分适用于工程应用背景。
此外，PID控制对被控对象并不要求精确的数学模型，采用PID控制的效果一般比较令人满意，所以，PID控制是一种应用比较广泛的控制策略。
由于管式加热炉的加热过程是一非线性的随机过程，具有非线性，大时滞的特性，且容易受到随机因素的干扰，因此，实际的管式加热炉加热过程很难得到精确的数学模型。
要解决这个问题，我们可以把加热炉的温度控制系统看成一个近似的纯滞后的线性系统。
其模型可以近似的描述为：
（4-1）
其中T为系统时间常数，Y为加热对象，t为加热时间，
为放大倍数，U为控制电压，
为纯滞后时间。
如果设定控制器输出为u，而u正比于
，即：
，对式（1-1）做拉斯变换得：
（4-2）
于是可得加热炉温度控制系统的近似传递函数为：
（4-3）
4.2PID参数的选择
对于数字PID控制器，PID参数的选择，决定着控制器的准确与否，所以PID参数的整定是PID控制技术的重要内容，它需要根据被控对象的特性确定PID控制器的比例系数、积分系数和微分系数的大小。
首先，按照模拟PID控制参数整定的方法选择数字PID控制器的参数，然后在做适当
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