AOD烘烤控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)交叉限幅比值控制

李立敏，邱　東，王天飛，徐成勝

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春　130012)

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AOD烘烤控制系統(tǒng)中的雙閉環(huán)交叉限幅比值控制

李立敏，邱東*，王天飛，徐成勝

(長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 吉林 長春130012)

AOD烘烤過程中，為合理控制燃氣量和空氣量的比例關(guān)系，比較了串級比值控制、空氣限幅控制和雙閉環(huán)交叉限幅控制方案，仿真結(jié)果表明，雙閉環(huán)交叉限幅控制在燃氣升負荷和降負荷的過程中能維持合適的空燃比。

AOD烘烤； 溫度串級； 雙閉環(huán)交叉限幅控制

0　引　言

AOD烘烤器烘烤過程中通常由控制煤氣或天然氣等燃氣流量來加熱爐溫。在烘烤過程中，燃氣流量和空氣流量必須保持在一定的比例，保證燃氣燃燒良好，燃燒過程經(jīng)濟運行。既要避免空氣不足導(dǎo)致煙囪冒黑煙，又要防止空氣過量而使熱量增加損失[1]。所以變負荷時，空氣量應(yīng)略大于燃氣量。在升負荷時，應(yīng)先加大空氣量，后加大燃氣量；在降負荷時，要先降燃氣量，后降空氣量。總之，燃氣量與空氣量應(yīng)保持一定的比值。由此可見，在AOD烘烤過程中對燃氣和空氣流量的合理控制非常重要。特別是設(shè)定值在升負荷和降負荷波動較大的時候，保證合適的空燃比和最佳的燃燒熱效率至關(guān)重要。

1　AOD烘烤控制方案

AOD烘烤控制的關(guān)鍵是流量控制，為保證空氣和燃氣燃燒的經(jīng)濟性，即保證燃燒過程中有合適的燃氣與空氣比例,下面介紹并分析3種比值控制系統(tǒng)[2]。

1.1串級比值控制

在串級比值控制系統(tǒng)中，燃氣單回路和空氣單回路并行，其中燃氣流量為主動量，空氣流量為從動量，兩個流量均構(gòu)成閉環(huán)回路，如圖1所示。

圖1串級比值控制框圖

由圖1可知，燃氣回路的輸入值是溫度控制器的輸出值，同時空氣回路的輸入值是溫度控制器的輸出值乘以空燃比得出的值。這種比值控制主要適用于燃氣和空氣流量波動比較小的時候，這時主從流量都比較平穩(wěn)，工藝總負荷也較穩(wěn)定[3]。但是空氣和燃氣回路的波動較大時，實際空燃比同時發(fā)生較大波動，兩個流量無法保證最佳燃燒熱效率，造成空氣或燃氣過剩的狀況。

1.2空氣限幅控制

空氣限幅控制是在串級比值控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個空氣高值選擇器，如圖2所示。

圖2空氣限幅控制框圖

空氣回路的最終輸入值變?yōu)闇囟瓤刂破鞯妮敵鲋党艘钥杖急鹊贸龅闹岛腿細鈱嶋H流量輸出值乘以空燃比得出的值進行高值選擇后的值。空氣限幅控制系統(tǒng)中的高值選擇器使空氣流量比燃氣流量充足，防止缺氧使得燃氣燃燒不完全。但是因為空氣流量沒有上限，容易空氣比燃氣量過大，使多余熱空氣帶走大量熱量，導(dǎo)致排煙熱損較大。

1.3雙閉環(huán)交叉限幅比值控制

針對空氣限幅控制中容易出現(xiàn)過氧現(xiàn)象，在空氣限幅控制方法的基礎(chǔ)上增加一個燃氣低值選擇器，如圖3所示。

圖3雙閉環(huán)交叉限幅比值控制框圖

燃氣回路的最終輸入值是溫度控制器的輸出值與空氣實際流量輸出值除以空燃比得出的值之間低值選擇后的值。由于這種控制方法可以實現(xiàn)燃氣和空氣燃料的完全燃燒，所以,國內(nèi)外多采用該方法來解決兩種物料的配比關(guān)系[4]。

1.4雙閉環(huán)交叉限幅工作原理

雙閉環(huán)交叉限幅的工作原理是測量出當前空氣與燃氣的實際流量，并由最佳空燃比計算出兩個單回路的安全閥限值，再將安全閥限值交叉回饋到選擇器，與設(shè)定值進行比較，最后比較結(jié)果作為各個單回路的輸入值，再由執(zhí)行機構(gòu)輸出控制作用[5]。

(1)

(2)

(3)

(4)

雙閉環(huán)交叉限幅比值控制系統(tǒng)因燃氣流量與空氣流量之間的相互制約，從而實現(xiàn)在負荷變化時，保證最佳燃燒熱效率。溫度串級控制如圖4所示。

圖4溫度串級控制

如果溫度調(diào)節(jié)器穩(wěn)定輸出時，燃氣流量最初設(shè)定值經(jīng)過雙閉環(huán)交叉限幅動態(tài)過程后，空氣單回路最終輸入值還是最初設(shè)定值，并符合最佳空燃比。同時方便地實現(xiàn)系統(tǒng)平衡穩(wěn)定的烘烤狀態(tài)。

1.5溫度串級控制

AOD烘烤控制的主要任務(wù)是使進入爐內(nèi)的燃氣流量隨時與溫度負荷要求相適應(yīng)。爐內(nèi)溫度的主要干擾是燃氣流量的波動,但對AOD爐來說，運行中的燃氣擾動是經(jīng)常出現(xiàn)的，如燃氣流量波動較大。為使系統(tǒng)具有快速消除燃氣擾動的措施，采用燃氣流量變?yōu)楦弊兞?、溫度為主變量的串級控制系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，實現(xiàn)了溫度串級-流量雙閉環(huán)交叉限幅控制[6]。

2　控制系統(tǒng)仿真

2.1仿真分析

控制仿真圖如圖5所示。

(a) 煤氣限幅控制(b) 空氣限幅控制

(c) 串級比值控制　　　　　　　　　　　　　　　(d) 雙閉環(huán)交叉限幅控制

其中空燃比為固定值0.75，x為煤氣流量設(shè)定值，x1為煤氣流量輸出值，x2為空氣流量輸出值。由圖5可知，在串級比值控制系統(tǒng)中，煤氣流量和空氣流量始終按照設(shè)定空燃比比例進行燃燒，在煤氣流量發(fā)生負荷變化時，空氣和煤氣流量同時等比例變化；在空氣限幅控制系統(tǒng)中，煤氣負荷下降時，煤氣流量能先降低；在煤氣限幅控制中，煤氣負荷上升時，空氣流量能先增加。但是這3種控制系統(tǒng)都容易造成空氣過量或燃氣過量。不僅浪費能源、污染環(huán)境、熱損失增加，而且嚴重時可能導(dǎo)致爐內(nèi)熄火。

采用的雙閉環(huán)交叉限幅比值控制仿真波形見圖5(d)。在增加負荷時，空氣流量先加大，燃氣流量后加大；在降負荷時，燃氣流量先降低，空氣流量后降低。總而言之，燃氣流量與空氣流量在該控制方法中保持了一定的比值，保證了燃燒的經(jīng)濟性，又實現(xiàn)燃氣的完全燃燒。

2.2系統(tǒng)響應(yīng)性能改進

由于雙閉環(huán)交叉限幅比值控制系統(tǒng)通過閉環(huán)反饋的偏置值來限幅，達到比例控制目的。而這是以犧牲系統(tǒng)的部分動態(tài)響應(yīng)性能來實現(xiàn)的。在實際使用中也發(fā)現(xiàn)雙閉環(huán)限幅投入后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時間比普通PID調(diào)節(jié)有所增加[8]。

過剩空氣率與熱效率關(guān)系如圖6所示。

圖6　過?？諝饴逝c熱效率關(guān)系圖

由圖6可知,空氣過剩率μ在1.02～1.10之間時達到最佳的燃燒熱效率[9-11]，增大μ值熱效率降低。通過對雙閉環(huán)限幅控制的分析可知，提高μ值卻可以提高控制系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能，μ值和動態(tài)響應(yīng)時間是一組相互制約的矛盾。

3　結(jié)　語

通過對AOD烘烤器烘烤過程中使用的雙閉環(huán)交叉限幅比例控制算法進行仿真，得出該算法即保證空氣流量在煤氣流量設(shè)定值升降負荷時，跟隨煤氣流量變化而變化，也保證了煤氣流量在這過程中的完全燃燒。這種方法在各種工業(yè)燃燒控制中已得到廣泛應(yīng)用[12]。

針對雙閉環(huán)限幅算法以犧牲系統(tǒng)的部分動態(tài)響應(yīng)性能來實現(xiàn)的問題，分析了動態(tài)響應(yīng)時間與空氣過剩率之間的矛盾，提出改進型變偏置雙閉環(huán)限幅控制的思路。對工業(yè)控制中既要求限幅比例控制，又對動態(tài)響應(yīng)時間要求嚴格的場合，均具有普遍的借鑒價值。

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Double closed-loop cross-limiting ratio control in AOD baking control system

LI Limin,QIU Dong*,WANG Tianfei，XU Chengsheng

(School of Electrical & Electronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

To balance the ratio between the amount of gas and air quantity in the AOD backing process, we compare the three control methods which are cascade ratio control, air limiting control and double closed-loop cross-limiting ratio control, and the simulation results show that the double closed loop cross limiting control is optimal to keep the suitable air-fuel ratio.

AOD baking; temperature cascade; double closed-loop cross-limiting control.

2016-01-06

長春市科技局重大科技攻關(guān)項目(2013264)

李立敏(1988-)，女，漢族，河北石家莊人，長春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事AOD烘烤控制方向研究,E-mail:471833986@qq.com. *通訊作者：邱東(1969-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學(xué)教授，博士，主要從事生產(chǎn)過程智能控制與系統(tǒng)優(yōu)化方向研究,E-mail:qiudong@ccut.edu.cn.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.4.14

TP 273.4

A

1674-1374(2016)04-0387-05