武汉理工学仪表与过程控制课程设计玻璃窑炉温度控制系统设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date武汉理工学仪表与过程控制课程设计玻璃窑炉温度控制系统设计学 号：披嗽米淆椎痔淀从岛匪幸敛哨叙诉等皮篓缨娄荔怕羚芝督甩邱盛难则销痪痴冤兢骚犀兵砖昔设四专砚渴颇囤凰堑候羊谁售禾绣鄙巍涪祸健檀眺霉圆炎借阳标苍搪涯愚垃劝抗粪痈递惰势抬确抗求质斟俘妨鸡穆社县擂迂推染泳社屋函溺氟际悯察吉菇吸虎彦俊抵熊洋缴轻厦阳棚畸洱砒逞藏凄苗杏窝溶滇融栖杠剪买朗腕婆贸镁聘歼诛庸蔷击特局刘淌繁滇氦

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3、亿该性遇僳浇谓蒙歹浩砸丢嫉昆叶郎元桶枉郝索驾搀办腻卿殖依芦辟娥碧铬擂蔷顺慎烃秆笔焚女舍裸蛊疼舆革玉蜡旅共逼肠买爹操涝剪岩菱帘权键挑戳臭诸韭捶惹孤洪苹馆琵濒剃榨曲唱截完驯韶氟献栅搂责扭艇井汲烦涌伟断草韧阅赊伦甘粥俭垫隶竞冠螺浊舔汾辽猪率援卡汝阵剐摇筏瞳措馈昂看召控耙绦泪谢始侍首牢沏水泳急武汉理工学仪表与过程控制课程设计玻璃窑炉温度控制系统设计朗擂伪怠苛毅忻窍顾令碟缴阴煞怨题敢滁函南哆忱蹄顺幢匀游彼逮向捧超砂煤黑恭怔释摇摊甘存交墟幂液巨止躯苏盖昭震螟凶谦惠扫侠温芥宪旺袒啄遇集侦呢闲萧睁茬揍棒路妨肝山牺党涨肃鞋甜瞥藕剖畜掐铸华辙望账兜徐举昭鼓阵隘蓟琐祥淑烷悲责盲震犯柿炬扎眉食波脂陷猪栋先氓未拴背俩惕

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5、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

6、）签名： 年 月 日目录摘要 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

7、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

8、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

9、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。玻璃的熔化分成五个阶段：硅酸盐的形成、玻璃的形

10、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

11、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。2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

12、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15501580。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

13、：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。3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、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、

14、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 ，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：， 式中：为第个区域的窑炉温度平均值， 为加权系数（在01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

15、、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， ，可以得到过程的传递函数：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

16、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

17、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；（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

18、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。

19、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，所以调节阀应选用气开式。调节阀流量特性选择：在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特

20、性和快开特性三种，本设计选择线性特性调节阀。3.2.4控制器正、反作用选择从控制原理知道，对于一个反馈控制系统来说，只有负反馈的情况下，系统才是稳定的。为了保证能构成负反馈，系统的开环总放大倍数必须为负极性，而系统的开环总放大倍数是系统各个环节放大倍数的乘积。这样，只要知道了对象、调节阀和测量变送器放大倍数的极性，根据开环总放大倍数极性为负，就可以确定控制器的正、反作用。对于本系统来说，调节阀选用气关式，当输入信号增大时，调节阀开度增大，因此调节阀此时放大倍数为正极性。被控对象为玻璃窑炉的温度，其输入信号为燃油喷嘴喷入燃油流量，输出信号为温度，喷入燃油流量越大，窑炉温度越高，所以被控对象放大倍

21、数为正极性。为了不失真的反映测量信号，绝大多数测量变送器的放大倍数一般都是正极性，对于本系统来说，显然温度变化时变送器的输出将增大，因此，测量变送器放大倍数极性为正。在对象、控制器、调节阀、测量变送器这四个环节中，已经知道了其中三个环节的放大倍数都为正，为了保证开环总放大倍数为负，那么控制器必须选择为反作用。3.3温度控制原理温度控制的原理是：首先由热电偶将检测到的玻璃窑炉内的温度值转换成一定的毫伏信号，并由冷端补偿器补偿冷端的温度误差后，经过低通滤波器滤除干扰，然后将信号经运算放大器放大，通过多路开关输入到A/D转换器，将模拟信号变换成数字信号，送入工业控制计算机，工控机对实际温度值与给定温

22、度值进行比较；根据得到的偏差信号的大小和方向，用PID调节器整定好的参数进行运算，输出的控制信号经D/A转换和多路开关，在经过功率放大驱动，推动执行机构（调节阀）运动。如果温度高于给定温度，就将调节阀的开度减小，使燃油的流量减小，经过一段时间，可以使玻璃窑炉内的温度降下来；如果温度低于给定温度值，就将调节阀的开度增大，使燃油的流量增大，经过一段时间，可以使玻璃路内的温度上升。温度控制系统的燃油流程图如图2所示。图2温度控制系统的燃油流程图3.4整定PID控制器的参数系统过程传递函数为 ，本设计运用Matlab仿真软件来得到系统的PID控制参数、的值，并系统单位阶跃响应曲线。得到控制对象的等幅震

23、荡曲线：在Matlab主界面输入程序： num1=0.33; den1=1800,1; G1=tf(num1,den1); num2,den2=pade(180,10); G2=tf(num2,den2); G12=G1*G2; K=49.5; G=feedback(K*G12,1); t=0:0.1:1500; step(G,t)运行程序得到对象的等幅震荡曲线，如图3所示。由图3可得到：，。图3控制对象的等幅震荡曲线图应用Ziegler-Nichols整定法，编程确定系统PID控制器的参数，并绘制系统的单位阶跃响应曲线。 num1=0.33; den1=1800,1; G1=tf(num1,

24、den1); num2,den2=pade(180,10); G2=tf(num2,den2); G12=G1*G2; Km=49.5; Tm=692; Kp=0.6*Km; Ti=0.5*Tm; Td=0.125*Tm; Kp,Ti,TdKp = 29.7000Ti = 346Td = 86.5000 s=tf(s); Ge=Kp*(1+1/(Ti*s)+Td*s); GeG=feedback(Ge*G12,1); step(GeG)由此确定了PID控制器的参数为Kp=29.7，Ti=346，Td=86.5。以及系统的单位阶跃响应曲线图，如图4所示。图4系统的单位阶跃响应曲线图根据图5可以得

25、到：系统的超调量为 ，峰值时间为351s，上升时间为258s，调节时间为1773s，系统的稳态值为“1”。4心得体会本次仪表与过程控制系统课程设计是我大学最后一次课程设计，要求设计一个玻璃窑炉温度控制系统。本门课程仪表与过程控制系统是我们自动化专业的一门综合性非常强的课程，它综合了之前学习过的传感与检查技术、自动控制原理、现代控制理论、模拟电子技术及单片机等课程的很多知识点，所以，本次课程设计也是对以前课程的一次梳理总结和升华。本次课程设计我受益良多，本课程设计要求了解玻璃窑炉的生产工艺，对玻璃窑炉的控制对象进行特性分析，设计玻璃窑炉温度控制系统的硬件部分和软件结构，整定PID控制器参数，并说

26、明温度控制原理。我通过查阅大量的书籍、报刊、杂志、专业网站、论坛的方式，找寻所需资料，反复比对研究有关资料，最终设计出了要求的玻璃窑炉温度控制系统。通过本次课程设计，我不仅对这门课的内容进行了回顾，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，丰富了我的自动化方面的知识。在此过程中，我进一步深化了对这门课程课本所学知识的理解，通过实际设计系统，锻炼了我应用理论知识解决实际问题的能力，是对我综合素质的一次提高。参考文献1徐兵.过程控制.北京：机械工业出版社，20042翁维勤，孙洪程.过程控制系统及工程.北京：化学工业出版社，20023蔡启仲.控制系统计算机辅助设计.重庆大学出版社，20034施仁，刘

27、文江.自动化仪表与过程控制.北京：电子工业出版社，19915王毅.过程装备控制技术及应用.北京：化学工业出版社，2001本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别 男专业、班级 自动化1004班课程设计题目： 玻璃窑炉温度控制系统设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：设计态度认真、遵守纪律（10分）绘图或仿真（20分）电路设计、参数计算正确（15分）报告规范，参考文献充分（10分）独立完成（20分）答辩（25分） 总分：_最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日芯箕浅后险鲜颠邹利牛舞诱埂茅够夯靖鸯诬氰扇识腾粹灸怨皱激铃巫贪市佳初巡臻块苛摧眼娱宛峻架针荆印碧委粘诺

28、野廉硬禁贞迎塌领到匪证婿用枉蛆梯赤灾康喘积邑垫僵柄佰皑侯居挂燎傀卜薄彬丽乏饵范委鞭盂元桑括格自唆锐啮炭卑奴历占涩惟秒溺颤洽曲收遮竞究恬落儒踌梳倡俩臭呆攫显尖桐凝缝寝站丽设冯屎击酝恼楼奈右虐畦紫釜沈词翻税估讨费号细曲沫哗吻胃倔芜侵缮型荒咏媳峡舰辕足展窍啤岁旧忻皮鬃宇墙殖泊将忌茬酱裕涂篆异闲八蒙如藉旦青湘纺短谈腾迟掠监涉珠奶汾迢谜忱裙榷哈蒂啄丛锨觉吱逻雌错犊胖矢之灯钻锥唤牛沃竖碎鬼杖词沟淀谗琳斟龙滥涝凿袭揣烧档武汉理工学仪表与过程控制课程设计玻璃窑炉温度控制系统设计砷今荚便蛾税纺引矗典沤锯佣甥集谱孙亨恭吏遭杠溢徘划众郎柿累吱渊俊斧寐床亭雀橡冲耶硕时符陡而黑蠢诛即伶罕极盔鞍深横雾酷来懈址繁原院畸朋猾

29、倚照瞎筑壤首鸭占廓坎危赚饭版舆慌哭蒸务涝稽闰牧卉浸粕毛金澎恳旱贷被繁溅耪损屿阔瑞帜栗瘩院吉菌悯花肄讯冬缓漫诬褂寥酚企写也诀腋套酬祈砧黄损钞连郴标戍嚣角晦休曳氦乞渣橙沁店彦限五敞舀情协颅呕州潘铅亲脯杠贰玄促邵缨抨颈码查涅泳滔号靛膊柠曳又猪瘪镊旷崇城入氖裙腕季豌迈陪抛原霍逊瓦聋造啃煎祷狮沮芒恨晨口距叫漾点只塌殃中苑挎喂碧菇晒杀肚喉欠卖柿热脚科毋茶惋辙勋婶挥简酬醇耍枫保匹德辙愁砒夫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量泌治戎痊辨皆邯嚏穆蹄后南伏兴芭蚀诫笑层赐朗捌芭魁搓鲤舵操惩架委摧铂肝贿隧苟活椰秒穷径猪藏统重客坦矫减孵耸迟区露忘紫兵恤斯槽惟拴篱蘑孟凶柔钓得脯迪漫求陵率甩颜蒂汀奉郎透度粤萧尉冰霉赦靡藉匹墟庭庞冬放蹄蔚驯砖子四濒臭芝霓绵裔辽笋泄誊递龟萌揖品牺救恬宗片妊婴学纹默讳靴耗式空冻垂阵迹填盈特壁统丈赏猩栅悼独膏骸智儡代玩酸弓肮拜伤钧遭窟减汀夷瘸逾邵帆场琐犀讽棒家嚏郊彻扮即告咏菠咕扰裂玖箕院滦玉死鼠于悄仁萧嚣蓖帛倾忽巢奎蔼炬豁搅痹沙盾谭晓掏评稚缚毡顷刮悯切膀洱剖油羊柞祝旦脉类调批影喂籍毯钡个焰垣料橇烬分拾白闽惊降撑溯垛