隔焰隧道窑温度-温度串级控制系统

隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。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°C，偏差不得超过5°C。本文设计的隔焰式隧道窑烧成带系统是以窑道烧成带的温度作为被控变量，燃料的流量作为操纵变量的温度—温度串级控制系统。在设计中具体分析了系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定及其系统的工作过程。本系统的硬件设计核心为单片机的和温度的检测变送两部分，同时给出了整体的软件设计流程。在本文的最后详细的叙述了参数整定的几种方法，各有优点。

关键字：串级控制温度控制单片机参数整定控制器

1 隔焰式隧道窑系统的分析及设计要求 (1)

1.1 隔焰式隧道窑系统概述 (1)

1.2 隔焰式隧道窑系统设计要求 (1)

2 隔焰式隧道窑串级控制系统设计 (2)

2.1 隔焰式隧道窑控制系统方案设计 (2)

2.2 系统控制量和被控量的选择 (4)

2.3 系统主副控制器的选择 (4)

2.4 系统各部分正反作用方式的确定 (4)

2.5 隔焰式隧道窑系统的调节过程 (5)

3 系统硬件电路设计 (8)

3.1 硬件设计总体思路 (8)

3.2 单片机系统的设计 (8)

3.3 传感器和变送器的选择 (9)

3.4 外围电路结构 (10)

4 系统软件设计 (11)

4.1软件设计流程图 (11)

5 控制器控制规律的实现以及参数整定 (12)

5.1控制规律的实现 (12)

5.2 控制规律参数的整定 (12)

6 心得体会 (14)

参考文献 (15)

隔焰式隧道窑温度－温度串级控制系统1 隔焰式隧道窑系统的分析及设计要求

1.1 隔焰式隧道窑系统概述

隧道窑是对陶瓷制品进行预热、烧成、冷却的装置。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°C，偏差不得超过5°C。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式隧道窑。火焰在燃烧室中燃烧，热量经过隔焰式板辐射加热烧成带。

1.2 隔焰式隧道窑系统设计要求

1）分析被控对象特性，设计一种串级控制系统，绘制系统的结构示意图和原理方框图，说明其工作原理和工艺流程。

2）系统调节过程，控制量和被控量的选择

3）系统各组成部分的选型与正反作用方式的确定。

4）系统硬件电路与软件设计

5）控制器控制规律的实现以及参数整定

2 隔焰式隧道窑串级控制系统设计

2.1 隔焰式隧道窑控制系统方案设计

（1）隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统

隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图如图1所示，原理方框图如图2所示。

按照简单控制系统，影响烧成带温度θ1的各种干扰因素都被包括在控制回路当中，只要干扰造成θ1偏离设定值，控制器就会根据偏差的情况，通过控制阀改变燃料的流量，从而把变化了的θ1重新调回到设定值。

图1 隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统工艺流程图

图2 隔焰式隧道窑烧成带温度简单控制系统原理方框图

但由于从控制阀到窑道烧成带滞后时间太大，如果燃料的压力发生波动，尽管控制阀门开度没变，但燃料流量将使图2隔焰式隧道窑温度简单控制系统方框图生变化，必将引起燃烧室温度的波动，再经过隔焰式板的传热、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、隔焰式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，烧成带的温度已偏控制器烧成带燃烧室控制阀检测、变送

D 2

D 1设

定

值+-θ1

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。如果燃料压力干扰频繁出现，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。

（2）隔焰式隧道窑串级控制系统

控制燃烧室的温度θ2并不是目的，真正的目的是烧成带θ1的温度稳定不变，所以烧成带温度控制器应该是定值控制，起主导作用。而燃烧室温度控制器则起辅助作用，它在克服干扰D 2的同时，应该受烧成带温度控制器的操纵，操纵方法就是烧成带温度控制器的输出作为燃烧室温度控制器的设定值，从而就形成了图3所示的串级控制系统。

图3 隔焰式隧道窑温度-温度串联控制工艺流程图

所谓串级控制系统，就是采用两个控制器串联工作，主控制器的输出作为副控制器的设定值，由副控制器的输出去操纵控制阀，从而对主被控变量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级控制系统，隔焰式隧道窑温度-温度串联控制原理方框图如图4所示。

图4 隔焰式隧道窑温度-温度串联控制原理方框图

串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个环在外面，被称主控制器副检测变送烧成带燃烧室控制阀副控制器主检测变送

设定值+-+-

D2D1θ2θ1

为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象、测量变送元件和调节器。

2.2 系统控制量和被控量的选择

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°C，偏差不得超过5°C。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。

2.3 系统主副控制器的选择

在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即调节动作规律的选择也有不同考虑。

副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，面且副参数则并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可以采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，而效果并不很大。在一般情况下，采用P调节器就足够了。如主、副环的频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。

隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副环的频率相差不大，副调节器选用P调节器即可达到设计要求。

主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器都必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，就可以考虑采用PID调节器。

隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为1300°C，偏差不得超过5°C，为了达到精准的控制，所以在系统本设计中主调节器选用PID调节器。

2.4 系统各部分正反作用方式的确定

与简单控制系统一样，一个串级控制系统要实现正常运行，其主、副回路都必须构成负反馈，因而必须正确选择主、副控制器的正、反作用方式。

(1)副控制器正、反作用的选择

串级控制系统中，副控制器作用方式的选择，是根据工艺安全等要求，在选定调节阀的气开、气关形式后，按照使副回路构成副反馈系统的原则来确定的。因此，副控制器的作用方式与副对象特性及调节阀的气开、气关形式有关，其选择方法与简单控制系统中控

制器正、反作用方式的选择方法相同。这时可不考虑主控制器的作用方式，只是将主控制器的输出作为副控制器的设定值即可。在假定副测量变送装置的增益为正的情况下，副控制器正反作用选择的判别式为

（副控制器±）×（调节阀±）×（副对象±）=（-）

其中，调节阀的“±”取决于它的“气开”还是“气关”作用方式，“气开”为“+”，“气关”为“-”；而副对象的“±”取决于控制变量和副被控变量的关系，控制变量增大，副被控变量也增大时称其为“+”，否则称其为“-”。

(2)主控制器正、反作用的选择

串级控制系统中，主控制器作用方式的选择完全由工艺情况确定，而与调节阀的气开、气关形式及副控制器的作用方式完全无关，即只需根据主对象的特性，选择与其作用方向相反的主控制器就行了。

由于副回路是一个随动控制系统，在选择主控制器的作用方式时，首先把整个副回路简化为一个环节，该环节的输入信号是主控制器的输出信号（即副回路的设定值），而输出信号就是副变量，其副回路的输入信号与输出信号之间总是正作用，即输入增加，输出亦增加。因此，整个副回路可看成为一个增益为正的环节。

这样，在假定主测量变送装置的增益为正的情况下，主控制器正、反作用的选择实际上只取决于主对象的增益符号，主控制器正反作用方式选择的判别式为

（主控制器±）× (主对象±）=（-）

由这个判别式也可看出，主控制器的作用方向与主对象的特性相反。即当主对象为正作用时，主控制器选反作用；而当主对象为负作用时，主控制器选正作用。

在隔焰式隧道窑串级控制系统中，考虑到生产的安全，控制阀选择“气开”工作方式，根据主、副控制器的正反选择规律分析，两个控制器都选择“反”作用方式。

2.5 隔焰式隧道窑系统的调节过程

（1)只存在二次干扰

假定系统只受到来自燃料压力波动的干扰。由于它进入副回路，所以属于二次干扰D2。例如整个系统处于稳定状态下，突然燃料压力升高，这时尽管控制阀门开度没变，可燃料的流量增大了，首先将引起燃烧室温度θ2升高，经副温度检测变送器后，副控制器接受的测量值增大。由于燃料流量的变化，并不能立即引起烧成带温度θ1的变化。所以此时主控制器的输出暂时还没有变化，因此副控制器处于定值控制状态。根据副控制器的“反”作

用，其输出将减小，“气开”式的控制阀门将被关小，燃料流量将被调节回稳定状态时的大小。

(2)只存在一次干扰

假定串级控制系统只受到来自窑车速度的干扰，比如窑车的速度加快，必然导致窑道中烧成带温度θ1的降低。对于定值控制的主控制器来说，其测量值减小，由于主控制器的“反”作用，它的输出必然增大，也就是说副控制器的设定值增大了。因为窑车的速度属于一次干扰，它对副变量（燃烧室的温度θ2）没有影响，所以这时副控制器的测量值暂时还没有改变。对于副控制器来说，设定值增大而测量值没变，可以等效为其设定值不变而测量值减小。根据副控制器的“反”作用，其输出将增大，“气开”式的控制阀门开度增大，从而加大燃料的流量，使燃烧室温度θ2升高，进而使窑道烧成带温度回升至设定值。

(3)一次干扰和二次干扰同时存在

两种干扰同时存在又可分为两种不同情况。

①一次干扰和二次干扰引起主变量和副变量同方向变化，即同时增大或同时减小。

假定一次干扰为窑车的前进速度减小，将引起主变量（烧成带温度）θ1升高；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃烧室温度）θ2也升高。对于主控制器来讲，由于它的测量值升高，根据它的“反’作用关系，它的输出将在稳态时的基础上减小，也就是副控制器的设定值将减小。而对于副控制器来讲，由于它的测量值增大，其输出的变化应该根据它的“反”作用以及设定值和测量值的变化方向共同决定。不妨将设定值的变化等效为设定值不变而测量值变化的情况，设定值减小可以等效为设定值不变而测量值增大。根据副控制器的“反”作用关系，上述两种干扰都将使副控制器的输出减小，都要求阀门开度关小。

②一次干扰和二次干扰引起主、副变量反方向变化，即一个增大而另一个减小。

假定一次干扰为窑车前进速度增大，引起主变量（烧成带温度）θ1下降；二次干扰为燃料压力增大，导致副变量（燃烧室温度）θ2升高。对主控制器来说，由于其测量值减小，根据其“反”作用关系，它的输出将增大，也将使副控制器的设定值增大。对副控制器来说，由于其测量值增大，设定值也增大，如果它们同步增大，幅度相同，即副控制器的输入信号——偏差没有改变，控制器的输出当然也就不变，控制阀开度不变。实际上就是用二次干扰补偿了一次干扰，阀门无需调节。

如果两个干扰引起副控制器的设定值和测量值的同向变化不相同，也就是说二次干扰

还不足以补偿一次干扰时，副控制器再根据偏差的性质作小范围调节即可将主变量稳定在设定值上。

3 系统硬件电路设计

3.1 硬件设计总体思路

硬件设计主要是单片机系统设计，外围功能模块选择，I/O 端口分配，通信线路选择，模拟I/O 通道电路设计等，具体包括传感器、变送器的选择、控制器芯片、A/D 、D/A 转换，线路的连接，隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块如图5所示进行设计。

图5 隔焰式隧道窑串级控制系统的硬件模块图

3.2 单片机系统的设计

为了获得键盘输入、实时显示的功能，这里扩展使用两片单片机进行控制。

每一个单片机分别执行不同的功能，它完成了对整个系统的温度的控制及显示温度的测量值。设计中不再需要扩展I/O 接口，而是用单片机取代I/O 接口。一来可以减少系统复杂程度，有利于增加系统的反应速度，同时又增强了其精度，并在正常或意外停电时数据不易丢失，增强人机交互能力，且结构简单，易于安装和实现。

在本系统中，由于需要实现功能的功能相对简单，所以选择89C52型单片机，其特点是运算功能强，片内含有256KBROM ，不需片外扩展ROM 。其中A/D 转换器采用ADC0809，满足两路采样通道的要求，D/A 转换器选择DAC0832，显示采用8段数码显示管。

串级控制中，对于输入的两路信号，采用两路输入的A/D 转换器转换为数字信号直接传给两片单片机。在二号单片机中通过检测温度的输入和键盘的输人的不同来控制电机的运转，检测温度的输入是存放在PA 中的，键盘的输入是放在PB 中的，这样可以通过两路采样，构成串级控制系统，从而实现调节温度的需求。一号单片机用来显示测量温度和存储数据，单片机系统的结构设计如图6所示。

单片机燃料供给阀烧成带

燃烧室A/D

传感器变送器

传感器变送器D/A 伺服放大器键盘报警

显示

图6 单片机系统结构图

3.3 传感器和变送器的选择

在本设计中选用热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV ）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点。热电偶一般用于500°C 以上的高温，可以在1600°C 高温下长期使用，能够达到本设计的要求，烧结温度一般为1300°C 。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图7所示。

图7 补偿导线的作用示意图

检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其他仪表配合工作。图8给出了温度变送器的A/D 转 换

器 1# 单 片 机 2#

单

片

机 D/A 转 换 器 键盘

输

入 显示

输入 输出

原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。 传感元件放大电路输入电路反馈电路

电量输出电流

+

-

图8 温度变送器原理框图 在隔焰式隧道窑串级控制系统设计中采用DDZ-III 型热电偶温度变送器。

3.4 外围电路结构

外围电路，主要是信号的检测、I/V 变换、伺服放大等。外围电路的设计连接比较简单如图9所示。对串级控制中的主副参数检测后，通过温度传感器、变送器，送给单片机系统的输入；单片机系统的输出则进行伺服放大后，控制电动执行机构，按照控制结构进行响应动作。

图9 外围电路结构

调节阀通过控制燃料的供给量，控制燃烧室和烧成带的温度变化。温度变送器是直接安装在烧成带和燃烧室内，其输出结果送至A/D 转换的两个通道IN0，IN1等待程序进行选择。 伺服放大器

D/A 输出

调节阀 燃烧室

烧成带 A/D 输入

IN1

IN0 温度变送器 温度变送器

4 系统软件设计

4.1软件设计流程图

对于系统的主要执行程序，包括了A/D 采样、PID 运算、结果输出和D/A 转换，总体程序设计流程图如图10所示。

图10 主程序的设计流程图

图中对主回路的PID 运算是将给定值减去主回路通过液位变送器1反馈得到的参数得到控制器输入量，经过运算输出后，送至副回路的给定值，减去副回路通过液位变送器2反馈得到的参数作为副回路P 运算的给定值。副回路的输出量送至D/A 进行驱动。

这里，对于主回路的PID 参数选择需要通过调试来实现，使得在参数在较大的变动范围内能够实现控制。通常，这里的PID 运算要引入积分分离及输出限幅。 开始

初始化

键盘扫描

检测温度并显示

对主回路进行PID 运算

对副回路进行P 运算

读取A/D 转换结果

运算结果输出D/A

结束？

结束

Y

N

5 控制器控制规律的实现以及参数整定

串级系统的整定要比简单系统复杂些。在运行中，主环和副环的波动频率不同，副环频率较高，主环频率较低。这些频率主要决定于调节对象的动态特性，但也与主、副调节器的整定情况有关。在整定时，应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率，目的是使主、副环的频率错开，要求最好相差三倍以上12(3~10)o o T T ，以减少相互之间的影响。

5.1控制规律的实现

隔焰式隧道窑串级控制系统中由于主、副对象都是对温度的采集，所以主、副环的频率相差不大，副调节器选用P 调节器即可达到设计要求。

隔焰式隧道窑串级控制系统中对烧成带的温度控制要求烧结温度一般为1300°C ，偏差不得超过5°C ，为了达到精准的控制，所以在系统本设计中主调节器选用PID 调节器。

由于本设计中采用的数字控制器，故控制规律的实现采用的是软件实现，通过程序的控制实现副调节器P 控制和主调节器PID 控制规律。

5.2 控制规律参数的整定

在实际中进行参数整定的方法有以下三种：

（1）逐步逼近法：它是一种依次整定主环、副环，然后循环进行，逐步接近主、副环的最佳整定的一种方法。

（2）两步整定法：它是一种先整定副环，后整定主环的一种方法。

（3）一步整定法：人们在采用两步法整定参数的实践中，对两步法反复进行总结、简化，从而得到了一步整定法

两步整定法虽然比逐步逼近法简便得多，但仍然要分两步进行整定，要寻求两个4：1的衰减振荡过程，因而仍比较麻烦。所以本设计在进行参数整定时采用的是一步整定法。所谓一步整定法，就是根据经验先确定副控制器的比例度，然后按照单回路控制系统的整定方法整定主控制器的参数。一步法的整定准确性虽然比两步法低一些，但由于方法更简便，易于操作和掌握，因而在工程上得到了广泛的应用。

对于一个串级控制系统，在纯比例控制的情况下，要得到主变量的4：1衰减振荡过程，主、副控制器的放大系数Kc1、Kc2可以有好几组搭配，它们的相互关系近似满足Kc1·Kc2=Ks （常数），如表1所示的实验数据可以说明这一点。

表1 主、副控制器放大系数匹配实验数据

参数序号

副控制器主控制器过渡时间K S δ2s Kc2 δ1s Kc1 （min）

1 40% 2.5 75% 1.33 9 3.32

2 30% 3.3

3 100% 1 10 3.33

3 25%

4 125% 0.8 8 3.2

当采用1至3组整定参数时，主变量均可得到4：1衰减振荡过程，且过渡过程时间均在9min左右，而Ks一般为3.3。这说明主、副控制器的放大系数可以在一定范围内任意匹配，而控制效果基本相同。这样就可以依据经验，先将副控制器的比例度确定一个数值，然后按一般单回路控制系统参数整定方法整定主控制器的参数。虽然副控制器按经验设置的比例度不一定很合适，但可以通过调整主控制器的比例度进行补偿，使主变量最终得到4：1的衰减振荡过程。

一步整定法的具体步骤：

①由以上方法选择副控制器的比例度久，使副回路按纯比例控制运行。

②将系统投人申级控制状态运行，按单回路控制系统参数整定的方法对主控制器进行参数整定，使主变量的控制品质最佳。

6 心得体会

从题目得知此设计是温度串级控制，是课堂中学过的内容，但是当对题目进行深入理解时，我发现题目中要求完成硬件与软件的设计。查阅中，我发现了很多以往没在意或者不知道的知识。

运用理论与实践，此次课程设计是一次最好的锻炼。通过此次课程设计，能够对所学知识加以实际应用，加深对理论的了解以及理解，使自己的水平不断得到提升。学习不再局限于书本中的寥寥数语，而是向更宽广更丰富的知识海洋。

理论需要实践来检测，这句话的意义在这次课程设计中表现的尤为突出。在课题的设计过程中，思考、找出并解决问题是成功的关键。从头至尾，我发现很多问题，找到很多不明白的地方，通过借阅图书，网上查询及同学相互之间的交流，一一解决了这些问题。

同时，这次课程还考验着我们的耐心，细心，信心和决心。虽然，运用的是我们已经接触过的知识，但是将过程控制同实际结合使用更具有挑战性。设计、调试、无一不需要我们的全心全意投入，坚持到底，使得事半功倍！

课程设计着重于对当代大学生的接受能力，对各种技巧的掌握、运用能力，对所学知识的应用、拓展与延伸、方法的选择与实现能力等等的锻炼，设计中为了达到自己的要求，我查阅了很多资料。

参考文献

[1] 方康玲.过程控制系统.武汉：武汉理工大学大学出版社，2002年

[2] 张井岗.过程控制与自动化仪表.北京：北京大学出版社，2007年

[3]王广雄.控制系统设计.北京：清华大学出版社，2005年

[4] 向婉成主编.控制仪表与装置.北京：机械工业出版社，2006年

[5] 林德杰编.过程控制仪表及控制系统.北京：机械工业出版社，2009年

[6] 凌玉华主编.单片机原理及应用系统设计.长沙：中南大学出版社，2006年