第2章 系统总体方案
2.1 隧道窑的结构
隧道窑的整个窑炉主要包括窑炉主体结构、窑头封闭气幕及排烟系统、搅拌风系统、燃烧系统、窑尾冷却系统、车下冷却风系统、余热利用系统、窑车、自动控制系统等。
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色。因此，我选用了隔焰式隧道窑，让火焰只在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
2.2 方案比较
制品在窑道的烧成带内按工艺规定的温度进行烧结，烧结温度一般为1300℃，偏差不得超过5C。所以烧成带的烧结温度是影响产品质量的重要控制指标之一，因此将窑道烧成带的温度作为被控变量，将燃料的流量作为操纵变量。如果火焰直接在窑道烧成带燃烧，燃烧气体中的有害物质将会影响产品的光泽和颜色，所以就出现了隔焰式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰板辐射加热烧成带。
若采用隔焰隧道窑温度简单控制系统，由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间
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太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将发生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰板的传热、辐射，引起烧成带温度的变化。因为只有烧成带温度出现偏差时，才能发现干扰的存在，所以对于燃料压力的干扰不能够及时发现。烧成带温度出现偏差后，控制器根据偏差的性质立即改变控制阀的开度，改变燃料流量，对烧成带温度加以调节。可是这个调节作用同样要经历燃烧室的燃烧、隔焰板的传热以及烧成带温度的变化这个时间滞后很长的通道，当调节过程起作用时，烧成带的温度已偏离设定值很远了。也就是说，即使发现了偏差，也得不到及时调节，造成超调量增大，稳定性下降。如果燃料压力干扰繁出现，对于单回路控制系统，不论控制器采用PID的什么控制作用，还是参数如何整定，都得不到满意的控制效果。
为了克服较大的滞后，抑制较大的干扰以及使控制更加的准确，简单控制系统已不能满足条件，故可选择串级控制系统。简单控制系统和串级控制系统的结构图如下图所示。
V2(S)Gv2(S)R(S)+D(S)+G2(S)Y2(S)Y(S)G1(S)-+
图2.1 单回路控制系统结构图
V2(S)R(S)+D1(S)D2(S)++V1(S)++G2(S)G1(S)Y(S)-+-
图2.2 串级控制系统的结构图
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2.3 方案选择
方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变
燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。
方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率； ②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。
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第3章 系统控制参数的选择
3.1串级控制系统选择
3.1.1 主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。
由于陶瓷制品的烧成主要是在烧成带，故在本系统中选择烧成带温度作为主变量。
3.1.2 副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：
① 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； ② 应使主、副对象的时间常数匹配； ③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
另外考虑到燃料压力变化的干扰对系统温度影响较大，选择燃烧室温度作为副变量。
3.1.3 操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量； ② 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制；
③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；
燃料流量方便控制，且对温度的影响较大，故选择燃料流量作为操纵变量。
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3.2 调节阀开关形式的选择
调节阀的气开、气关形式需要考虑到以下几种因素：
① 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
② 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
③ 尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
当隔焰隧道窑发生故障时，应关闭调节阀停止燃料的送入，避免窑内温度过高及燃料不必要的浪费。所以调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
3.3 传感器、变送器的选择
由于窑内烧结温度一般为1300℃，故应选择热电偶温度传感器。
一体化温度变送器，是指将变送器模块安装在测温度元件接线盒或专用接线盒内，变
送器模块和测温元件形成一个整体，可直接安装在被测设备上，输出为统一标准信号，4mA～20mA。这种变送器具有体积小、质量轻、现场安装方便等优点，因而在工业生产中 得到广泛应用。
所以本设计选择一体化化热电偶温度变送器。根据表1所示，其材质可选则铂铑30-铂铑6热电偶。
表1 不同材质热电偶测量范围对应表 类 别 材 质 镍铬-康铜 镍铬-镍硅 铂铑10-铂 铂铑30-铂铑6 铜-康铜 铁-康铜 分 度 号 E K S B T J 测 量 范 围 0-1000℃范围内任选 0-1300℃范围内任选 0-1600℃范围内任选 0-1800℃范围内任选 0-400℃范围内任选 0-1200℃范围内任选 热 电 偶 整个温度变送器的电路原理图如图所示，由热电偶、输入电路和
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