燃煤加热炉温度控制系统解耦方法设计.pdf

第44卷第5期 2018年5月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 5 May 2018 文章编号671-251X201805-0100-05 D O I 10. 13272/j. i s s n. 1671-251x. 2017110047 燃 煤 加 热 炉 温 度 控 制 系 统 解 耦 方 法 设 计 施韬，，何凤有 中国矿业大学电气与动力工程学院， 江 苏 徐 州 221008 摘 要 针对燃煤加热炉由于控温难而导致的生产燃料浪费过多、 污染严重等问题， 构建了多温区燃煤加 热炉加热系统模型，提出了一种基于P I D控制算法的前馈解耦控制方法。。采用前馈解耦控制对多温区加热 炉各个加热通道耦合部分进行解耦， 减少加热系统达到稳态所需时间； 采 用P I D控制算法对多温区加热炉 加热系统控制参数进行优化，，从而使加热系统的温度在短时间内迅速上升并保持稳定。。仿真与实验结果表 明， 该方法能够大幅改善温度控制速度， 且可以在较短的响应时间内达到稳定的控制精度， 避免了燃料浪费，， 提高了加热速率。。 关 键 词 燃煤加热炉；；多温区加热系统温度控制前馈解耦P I D控制 中图分类号T D67 文献标志码 A 网络出版地址E t t p //k n s. c n k i. n e t/k c m s/d e t a i l/32. 1627. t p. 20180417. 1721. 003. h t m l Design of decoupling of temperature control system for coal-fired reheating furnace S H I T a o, H E F e n g y o u S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g, C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y, X u z h o u 221008, C h i n a Abstract I n v i e w o f p r o b l e m s o f w a s t i n g t o o m u c h f u e l, s e r i o u s p o l l u t i o n o f c o a l - f i r e d r e h e a t i n g f u r n a c e c a u s e d b y d i f f i c u l t t e m p e r a t u r e c o n t r o l, a h e a t i n g s y s t e m m o d e l o f c o a l - f i r e d r e h e a t i n g f u r n a c e w i t h m u l t i - t e m p e r a t u r e z o n e s w a s e s t a b l i s h e d. A f e e d f o r w a r d d e c o u p l i n g c o n t r o l m e t h o d b a s e d o n P I D c o n t r o l a l g o r i t h m w a s p r o p o s e d. T h e m e t h o d u s e s f e e d f o r w a r d d e c o u p l i n g c o n t r o l t o r e a l i z e d e c o u p l i n g f o r c o u p l i n g p a r t s o f e a c h h e a t i n g c h a n n e l, w h i c h c a n r e d u c e t h e t i m e r e q u i r e d f o r t h e h e a t i n g s y s t e m t o r e a c h s t e a d y s t a t e, a n d u s e s P I D c o n t r o l a l g o r i t h m t o o p t i m i z e c o n t r o l p a r a m e t e r s o f t h e h e a t i n g s y s t e m, w h i c h c a n m a k e t e m p e r a t u r e o f t h e h e a t i n g s y s t e m r a p i d l y r i s e a n d r e m a i n s t a b i l i t y in a s h o r t t i m e. T h e s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e m e t h o d c a n g r e a t l y i m p r o v e t e m p e r a t u r e c o n t r o l s p e e d, 收稿日期 2017-11-23;修回日期 2018-02-28;责任编辑 张强。 作者筒介 施裙（ 1995 男， 辽宁沈阳人， 硕士研究生， 研究方向为电力电子与电力传动， E-mail1965770996qq. com。 引用格式施韬， 何凤有.燃煤加热炉温度控制系统解耦方法设计工矿自动化， 2018,44500-104. SHI TaoHE Fengyou. Design of decoupling m ethod of temperature control system for coal-fired reheating furnace[J] . Industry and M ine Automation， 018， 45 100-104. YU Yongwei， YIN Guofu， YIN Ying, et al. Defect recognition for radiographic image based on deep learning network [J ]. Chinese Journal of Scientific Instrument,2014,359 2012-2019. [13] TONG Y,CHEN R, CHENG Y. Facial expression recognition algorithm using LGC based on horizontal and diagonal prior principle [J ]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics , 2014,12516 4186-4189. [14] SEBE N， COHEN I， GARG A， et al. 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Key words c o a l - f i r e d r e h e a t i n g f u r n a c e; h e a t i n g s y s t e m w i t h m u l t i - t e m p e r a t u r e z o n e; t e m p e r a t u r e c o n t r o l; f e e d f o r w a r d d e c o u p l i n g； P I D c o n t r o l 〇 引言 燃煤加热炉是以煤为燃料， 导热油为载热体， 利 用循环油泵强制液相循环， 将热能输送给用热设备 后 ， 再重新返回加热循环供热的特种工业炉， 在工业 应用中主要负责对原料进行提炼[12] 现今广泛应用的燃煤加热炉的内部锅炉主要以 三温区加热炉为主， 这 3 个温区分别为预热区、 加热 区、 均 热 区 。预 热区、 加热区的主要作用是可以使物 料在最合适的时间内加热至所需温度， 又不至于产 生过多浪费， 均热区主要作用为维持被加工物料温 度的稳定， 以 避 免 局 部 升温过快导致炉体开裂） ]。 燃煤加热炉中锅炉的温度控制是很重要的环节， 在 节能的同时， 如果可以缩短加热时间， 将大规模提升 燃煤加热炉的工作效率]。 本 文 以 燃 煤 加 热 炉 中 的锅炉本体为研究对象， 针对其温度控制问题， 构建了多温区燃煤加热炉加 热系统模型， 提 出 了 一 种 基 于P I D控制算法的前馈 解耦控制方法。 1燃煤加热炉加热系统模型 首先将燃煤加热炉的各个温区近似等价为一阶 惯性环节与滞后环节的组合。采用惯性环节是因为 在加热系统中温度的上升与下降存在大惯性， 无法 瞬间达到温度需求。采用滞后环节是因为温度的回 升与保持需要一段时间才可以达到要求。由此拟定 加热系统的计算公式为） ] W 8 e x p zs 1 _ / I 十 1 式 中 为 增 益； T为 时 间 常 数 第 2 通 道 代 表 加 热 区 ， 输入给 定 为 0.9;第 3 通 道 为 均 热 区 ， 输 入 给 定 为 1.0。为 突 出 基 于P I D控 制 算 法 的 前 馈 解 耦 控 制 方 法 的 解 耦 效 果 ， 选 取 单 独 的 前 馈 解 耦 控 制 方 法 与P I D控制 方 法 及 原 三 维 系 统 的 普 通 控 制 方 法 做 对 比 ， 3 个通 道 输 出 曲 线 如 图 2 所 示 。从 图 2 可 知 ， 采用基于 P I D控制算法的前馈解耦控制方法可以提升加热速 率 ， 缩短上升时间， 并能在到达稳态时保持长时间的 。 Fig. 2 Simulation results comparison curve of different control s 在加热炉加热过程中时常会出现干扰情况[10]， 采用突加扰动的方式来模拟这种干扰， 并通过输出 曲 线 观 察 基 于P I D控 制 算 法 的 前 馈 解 耦 控 制 方 法 是否更适合三温区加热系统。 在其他实验条件不变、 只突加扰动的情况下， 不 同控制方法实验输出对比曲线如图3 所 示 。从 图 3 可 以 看 出 ， 对 于 只 存 在 耦 合 干 扰 的 第 1 通 道 及 第 3 通 道 来 说 ， 基 于P I D控制算法的前馈解耦控制方法 2 0 1 8 年 第 5 期施 韬 等 燃 煤 加 热 炉 温 度 控 制 系 统 解 耦 方 法 设 计 103 基本可以不受干扰， 而在受到主要干扰的第2 通道 中， 基 于 PID 控制算法的前馈解耦控制方法的输出 曲线可以快速跟随扰动， 并可以在扰动消失后的最 快时间内恢复到原状态。由此可见， 基 于 PID 控制 算法的前馈解耦控制方法在处理系统干扰时反应迅 速 ， 并能在最短时间内恢复原状态。 0.75 0.70 0.65 0.60 ....PID控 制 方 法 _ _ _前 馈 解 耦 控 制 方 法 -一 一 基 于PID控 制 算 法 的 前 馈 解 耦 控 制 方 法 4 500 5 000 5 500 6 000 6 500 7 000 7 500 8 000 8 500 9 000 时 间 /m s 多变量综合控制系统训练平台” 中的燃煤加热炉提 供 。多温区实验加热部分电路设计如图所示。 第1通 道 b第2通 道 PID控 制 方 法 前 馈 解 耦 控 制 方 法 基于PID控 制 算 法 的 前 馈 解 耦 控 制 方 法 6 000 6 500 7 000 7 500 8 000 8 500 时 间 /m s “第3通 道 图3添加扰动后的不同控制方法仿真结果对比曲线 Fig. 3 Simulation results comparison curve of different control s after adding disturbance 4前馈解耦控制方法实验分析 为了测试基于PID 控制算法的前馈解耦控制 方法是否能够达到预期的控制目的， 进行了相关实 验 。 实验采用的加热部分由“ 复杂工业过程多参数 图 多温区实验加热部分电路 Fig. 4 Circuit of experimental heating unit of multi-temperature 实 验 数 据 通 过 数 据 采 集 卡 采 集 ， 再 通 过 Lab View软 件将数据录入计算机， 最 后 用 Matlab 将数据整合为曲线， 从曲线中得到单温区水箱的建 模参数。选取采样频率为10 Hz。 由于实验数据输出点数过多， 且存在干扰， 决定 数 据 曲 线 应 通过截止频率为0.001 Hz的二阶巴特沃斯滤 波器对实验数据进行滤波处理， 滤波处理后的实验 数据曲线如图5 所示。 图5滤波处理后的实验数据 Fig. 5 Experimental data after filtering 图 5 所示的滤波数据曲线即为加热系统的响应 曲线。根据式（ 1计算方法及系统模型对实验曲线 进行处理， 得到多温区实验参数如下 Ws 0. 05 8935 1 0. 01 9455 1 exp 130s exp140s _13〇2.32 1e X p - 觸 0. 023 9005 1 0. 05 8855 1 exp130s exp150s 0.122 245, 1exp1 05 0. 011 9945 1 Q . 051 7035 1 0. 043 8235 1 exp170s exp1800s exp120s “8 在保持原有给定的情况下， 采用基于PID 控制 由图 6 可知， 在给定 同 为 0. 7， 0. 9， 1. 0 的比例 算法的前馈解耦控制方法对系统进行控制， 输出曲 温度下， 基 于 PID 控制算法的前馈解耦控制方法可 线 如 图 6 所示。 以使加热系统迅速达到温度要求， 证明了采用基于 104 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 P I D控制算法的前馈解耦控制方法可以优化根据实 验测得的多温区系统的输出曲线， 达到了在避免浪 费原料的前提下提高加热速率的目的。 预 热 区 8 000 1 0 000 图6采用基于PID控制算法的前馈解耦控制方法的 三维系统输出曲线 Fig. 6 Output curve of three-dimensional system using feedforward decoupling control based on PID control algorithm 5结论 仿真与实验结果表明， 采 用 基 于P I D控制算法 的前馈解耦控制方法对三温区加热炉加热系统进行 控 制 ， 可以提高系统的稳定性， 并能使加热温度快速 达到预期的目标， 达到了在避免浪费原料的前提下 提高加热速率的目的， 且在干扰情况下， 也能对温度 进行快速反应与调整。 针对多温区加热炉这一复杂工业过程的控制方 法的研究仍然有很大的提升空间。 1应 先 解 决 加 热 炉 系 统 所 受 外 界 干 扰 的 问 题 ， 采取相关方法， 尽量避免外界环境干扰。 “ 以 本 设 计 的 线 性 模 型 入 手 ， 考虑整个系统 的非线性， 使系统更加完整。 “ 基 于 本 文 中 的 控 制 方 法 ， 设计相应的自适 应 解耦环节， 使系统可以更加智能地达到控制效果。 参 考 文 献 （参 考 文 献 （References 1 *康洋， 刘红梅.浅析燃煤锅炉燃烧过程与减少烟尘污 染的处理[J].黑龙江科技信息， 20091650. 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