隧道加热炉串级控制系统分析

（许昌学院 电气信息工程学院，河南 许昌 461000）赵正印，王 武

赵正印（1980-）男，河南淅川人，讲师，硕士，主要从事高能物理和电工电子方向研究。

1 引言

隧道炉加热设备位置分散，数据点众多，为了实现现代化的管理和发展，快速、便捷地掌握各电阻炉的实时状况，提高管理质量和效益[1]。因此可以采用集中控制监视系统，实现对设备运行情况实时检测和控制，很多人在系统的构建方面进行了大量研究工作[2]。

隧道加热炉的温度控制系统具有较大的容量滞后，采用单回路控制往往会出现较大的动态偏差，很难达到好的控制效果，为提高系统对负荷变化较大或其他扰动比较剧烈时的控制质量，采用串级控制方法往往应用到系统控制中。串级控制系统中含有主副调节器以及两个闭合回路，特别是副调节器能够快速及时地消除内回路扰动的影响，同时副回路的作用又相当于改善了调节对象的动态特性，因此，论文通过系统控制器设计的角度来研究隧道加热炉温控系统的设计和分析，并结合串级控制有效地限制被调量的动态偏差，从而达到良好的性能，为整个系统顺利投产运行做前期设计准备工作。

2 加热炉系统分析

隧道加热炉温度控制系统如图1所示，原料在加热管中从入口到出口过程中被加热到指定的温度。该系统从燃油燃烧到原料出口温度有三个容量环节：炉膛、管壁和被加热的原料。

图1 加热炉温度控制系统

系统的基本扰动来自两个方面，一是原料侧的扰动及负荷扰动，二是燃烧侧的扰动，诸如燃油压力、配风量等。由于该系统容量滞后较大，如采用以原料出口温度为被控量的单回路控制系统，当燃料侧扰动产生时，系统不能立即感知，直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生改变时，系统控制作用才开始反应，但为时已晚。同样，控制器的动作必须经过较大容积滞后才能开始对输出的改变进行调整。这样感知慢、调整慢，控制系统的品质不可能很高。对于负荷侧的扰动，虽然感知较早，但是控制过程较慢。为此可增设炉膛温度作为另一个被控参量，构成一个如图1所示的串级控制系统，系统的原理框图如图2所示。

图2 加热炉温度控制系统的原理框图

3 控制系统分析和设计

3.1 串级控制系统的性能分析

串级控制系统的性能可归纳如下：① 可以显著提高系统对二次扰动的抑制能力，甚至在二次扰动对主被控量尚未产生明显影响时就被副回路克服了。由于副回路调节作用的加快，整个系统的调节作用加快了，对一次扰动的抑制能力也提高了。② 提高系统的动态性能。由于副回路显著改善包括控制阀在内的副对象的特性，减小其时间常数和相位滞后，使得整个系统的动态性能有明显的改善。③ 提高系统的工作频率。由于副回路性能的改善，使得主控制器的比例带可以更窄，从而提高系统的工作频率。④ 有一定的自适应能力。在副回路作用下，包括控制阀在内的副对象在操作条件和负荷变化时，其特性变化对系统的影响显著地削弱了，需要注意当副回路是流量环节时流量检测线性化[3]。

3.2 主、副回路设计

串级系统对二次扰动的抑制效果最好，所以副回路应包含尽可能多的扰动，特别是把变化最剧烈、幅值最大最频繁的主要扰动包括在副回路内。由副回路先把扰动克服到最低程度，减小其对主变量的影响，从而提高控制质量，因此，在设计串级控制系统之前，要对生产工艺中的各种扰动的来源进行分析。

在隧道加热炉温度控制系统中，如果燃料油的阀前压力波动是主要扰动，当加热物料的流量和入口温度(负荷侧扰动)相对比较稳定时，采用燃料油流量——原料出口温度的串级控制比较合适，这时主要扰动就包含在副回路中，而副回路的控制通道又很短。

图3 串级控制系统的Simulink模型

3.3 主、副控制器设计

一般说来主变量是控制的主要参数，其状态是生产工艺的主要指标，而只有对主变量控制要求较高的条件下才考虑采用串级控制方式，在要求不高时采用单回路控制就可以了。因此主控制器通常采用PI控制器，在某些容量滞后较大的系统，如隧道加热炉温度控制系统中采用PID控制[4]。

至于副控制器，其情况有所不同，如果副被控量的控制范围从工艺上要求不是太严格，那么副控制器就可以只采用比例控制，这时引入积分控制可能反而会降低副回路的响应快速性，降低串级控制的效果。从另一方面来说，不必要的副控制器积分作用的引入，会使副回路的谐振峰值加大、谐振频率降低，从而加大了主副回路之间共振的可能。如果生产工艺对副被控量的控制要求也较高，不允许副被控量偏离期望值太大，在加热炉的温度控制，采用炉膛温度作为副被控量，显然炉膛温度过分偏离设定值严重影响了炉子的安全运行，这种情况下副控制器也可以采用PI控制，但是注意到副回路的设定值是主控制器的输出，如果主控制器的输出在动态过程中大幅度地变化，即使副控制器采用PI控制也避免不了副被控量的大幅度变化，因此在主副控制器参数整定时也应该考虑这种情况，此处副回路控制器采用比例控制。

4 控制系统仿真分析

4.1 控制系统传递函数模型

隧道加热炉系统中，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，串级控制系统中主、副对象的传递函数和 分别为：

主、副控制器的传递函数 和 为：

采用传递函数描述的串级控制时系统的Simulink模型如图3所示：q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主控制器，采用PID控制；PID C2为副控制器，采用PID控制； 为副对象； 为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以方便地观测输出。

4.2 PID参数整定

采用逐次逼近法整定PID控制器的参数，并给出整定后系统的阶跃响应特性曲线[5]。按照逐次逼近法，先主回路开环，按单回路方法整定副控制器，不断地试验，当 时，副回路阶跃响应如图4所示。

图4 副回路阶跃响应曲线

此时衰减比约为4:1，进入主回路闭环，开始整定主控制器，通过反复试验，当场 ， ， 时，系统阶跃响应如图5所示[6]。

图5 主回路阶跃响应曲线

由图5可知，系统的阶跃响应效果比较理想，此时整定的主、副回路的参数比较合适。

4.3 控制性能分析

当传输延迟位于主回路中时，按上文中提到的PID整定参数，并设延迟时间为10s，加上二次阶跃扰动，此时系统的阶跃响应曲线如图6所示[7]。

图6 主回路二次阶跃扰动响应曲线

当传输延迟位于副回路中时，按照前文所述方法整定主副回路的PID参数，当 ， ， 时，系统阶跃响应曲线如图7所示。

图7 副回路二次阶跃扰动响应曲线

对比延迟位于主回路中时系统对二次扰动的响应曲线图以及延迟位于副回路中时系统对二次扰动的响应曲线，可以明显地看出，延迟位于主回路中时通过串级控制可以很好地消除其影响[8]。

5 结语

本文以某隧道加热炉的温度控制系统为工程背景，通过采用串级PID对系统进行控制，通过在MATLAB环境下仿真，说明针对该系统，串级控制可以取得很好的控制效果，本论文的相关结论可有效地应用到其他带有干扰、耦合和复杂环境和强干扰的系统，为实现有效地控制提供理论基础。

其它作者：王武（1978-），男，甘肃兰州人，讲师，硕士，主要从事控制理论与控制工程、智能控制方向的研究

[1] 王法杰，杜京义. HMIBuilder组态软件在隧道加热炉控制中的应用[J]. 工业控制计算机，2008，(6): 18-21.

[2] 夏春荣. 基于PLC的FBT隧道炉设计[J]. 工业控制计算机，2006，5: 71-72.

[3] 金以慧. 过程控制[M]. 北京: 清华大学出版社. 1993.

[4] 俞金寿. 过程控制系统和应用[M]. 北京: 机械工业出版社. 2003.

[5] F. G. Shinskey著，萧德云，吕伯明译. 过程控制系统: 应用、设计与整定[M]. 北京: 清华大学出版社，2004.

[6] 黄忠霖. 控制系统MATLAB计算及仿真[M]. 北京: 国防工业出版社，2004.

[7] 邵裕森，戴先中. 过程控制工程[M]. 北京: 机械工业出版社，2000.

[8] 陈晓平，李长杰. MATLAB及其在电路和控制理论中的应用[M]. 北京: 中国科学技术大学出版社，2004.