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1、管式加热炉温度限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，对产品的温度限制的要求也越来越高，所以探讨设计管式加热炉的温度限制器具有很大的现实意义和运用价值。本文是基于 PID 限制算法的管式加热炉智能温度限制器为探讨对象，首先阐述本文的探讨背景和温度自动限制器的需求，然后对分析了传统限制方法的弊端，对模糊限制方法进行了介绍。随后利用模糊PID计算方法计算对系统功能的实现状况，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：温度限制器；SSR 固态继电器；STM32 单片机ABSTRACT：With the rapid
2、 development of science and technology, consumer and industrial production to civilian production requirements for product update performance, which, on product temperature control requirements have become more sophisticated, so designing resistance furnace temperature controller is of great practic
3、al significance and usefulness. This article is a resistance furnace temperature controller based on PID control algorithm for the study, first of all explains the background of this study and temperature control needs, then design the overall system-wide programme, including in particular the hardw
4、are system design, system design and software design of the control circuit of temperature. Then take advantage of fuzzy PID calculation system of implementation, and run from the two systems in terms of hardware and software debugging, produce better results and conclusion full text.KEY WORDS：Tempe
5、rature controller; SSR-solid state relays; STM32 microcontroller目 录1 引言12.管式加热炉温度系统12.1管式加热炉的一般结构22.2管式加热炉传热方式43 管式加热炉温度系统的模糊限制63.1 常规限制方法的局限性63.2 智能限制思想63.3 管式加热炉温度系统的智能模糊限制73.3.1 模糊限制概述73.3.2 模糊限制原理83.3.3 模糊限制器结构82.2.4 建立模糊规则表114.限制系统仿真134.1 PID原理134.2 PID 参数的选择144.3 Smith 模糊 PID 限制算法164.4 模糊 PID
6、限制器的设计及仿真结果16结论20参考文献221 引言随着现代科技的快速发展，科学技术的应用，大大改善了人类的生产、生活方式。但是近年来气候的改变无常，严峻的干扰了人类正常的生产、生活，人们对自己生活的质量和经济发展的要求逐步提高，对所用的设备功能和效用的要求也逐步提高。温度自动限制器家电产品中的应用分为民用，工业用途两种。民用如空调，微波炉，热水器，采暖炉，冰箱等等方面；温度自动限制器在工业生产用途表现在工厂的大型的机械，如锅炉等大型的机械设备，这种设备对温度的限制要求特别高。此外，还在大棚种植、养殖，温室环境等对温度有肯定要求的地方应用广泛。温度自动限制器中，管式加热炉温度限制器作为管式加
7、热炉应用的必备工具，从民用的日常生活，到钢铁冶金等大型工业生产都有涉及，可以说是具有广袤的应用前景。由于机械设备常常反复运用，对温度限制器的损耗大，并且其温度限制器都是机械式的，简洁损坏，对其进行修理只能更换配件，将费用加到企业消费者身上。这就使机械不具备经久耐用的特点。针对制冷制热产品的运用范围广，需求量大的特点，设计出耗费成本低，温度限制效果好的温度限制器产品，必定会得到消费者的宠爱，为企业迎来利益增长。同时，温度限制器的应用不仅仅局限于家电产品，在企业须要制冷制热的机械设备中，也同样适用。由此可见，温度限制器在民用工业用途上，应用范围广，需求量大。2.管式加热炉温度系统管式加热炉是石油炼
8、制、石油化工和化学、化纤工业中所运用的具有供应热源的火力加热设备，加热炉炉内装有无缝钢管连接而成的管士作，被加热物质（仅限加热气体或液体）在管内流淌，被加热到工艺要求的温度。管式加热炉渐渐成为工业生产中的重要设备，同其他工业炉相比有如下特点：（1）待加热介质在管内流淌，故适用于加热液体或气体，通常是易燃、易爆的烃类物质，同锅炉加热水产蒸汽相比，危急性大、操作条件苛刻。（2）液体燃料或燃烧气体。（3）干脆受火式加热方式。（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
9、、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。辐射室干脆受火焰冲刷，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
10、）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，该比值的选择应依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确定。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
11、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”。另一种是采纳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，一般采纳强制循环方式，尽量放到对流室顶部。目前，加热炉的余热回收系统多采纳空气余热回收方式，通常只有高温管式炉（如烃蒸气转化炉、乙烯裂解炉）和纯辐射炉才运用余热锅炉。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，为热交换供应热量。燃烧器由燃料喷嘴、配风器、燃烧通道3部分组成。燃烧器依据燃用燃料不同分为
12、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，干脆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，必需有牢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，强制通风则运用鼓风机和引风机。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，生产企业己起先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、结构的困难化
13、，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须要，强制通风方式越来越受到重视和运用。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汲取热量，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，10001500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淌的介质，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
14、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，还要尽量削减炉管内结焦状况的发生，使加热炉长周期平安运行。（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汲取的热量约有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汲取时，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炙热气体和火焰的对流放热和辐射放热。假如燃料燃烧产生的热量全部被生成物汲取，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
15、断接受到辐射热量，而且在流淌方向上有温度梯度，所以温度根本达不到。罗伯伊万斯方法的基本动身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，是依据热平衡原理得到的离开辐射室时的烟气温度。虚拟最高火焰温度明显高一于烟气平均温度，而在辐射室出口，烟气的实际温度为，依据不同的加热炉，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
16、中虽然不占主要地位，但对降低排烟温度，削减热损失，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安排比改变较大。过去安排比是：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限制3.1 常规限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，对其优化限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限制角度来看，这样分别达到局部最优化
