同濟(jì)大學(xué) 龐志輝 馮良 葛雪 李建設(shè)

熱風(fēng)發(fā)生器于20世紀(jì)70年代末在我國(guó)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，屬于燃燒技術(shù)領(lǐng)域中供給熱風(fēng)的設(shè)備，在電子、食品、制藥、印刷、包裝、清洗、熱處理等行業(yè)有十分廣泛的應(yīng)用前景。高效、可靠、穩(wěn)定的熱風(fēng)發(fā)生器成為這些行業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量的重要保證。實(shí)驗(yàn)中所測(cè)試的采用全預(yù)混燃燒技術(shù)的直燃式熱風(fēng)發(fā)生器，具有污染物排放低(排放物中CO含量約為14×10-6，NOx含量約為6×10-6)，熱效率高(幾乎達(dá)到100%)等優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家節(jié)能減排的政策要求，可適用于各種場(chǎng)合。但是各行業(yè)的生產(chǎn)工藝有很大差別，所涉及的工藝參數(shù)較多，如熱風(fēng)流量、熱風(fēng)溫度等,例如纖維類(lèi)物料干燥系統(tǒng)，烘干溫度若超過(guò)85 ℃，干燥后的物料變色發(fā)黃且易碎，物料的物性改變而不能使用，成為廢品；若溫度過(guò)低，又會(huì)造成生產(chǎn)效率下降，生產(chǎn)成本提高，還有像透氣防毒服的主要研制設(shè)備噴涂式上漿機(jī)，由于是特種行業(yè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求很高，噴涂式上漿機(jī)烘箱的控溫精度要求相當(dāng)嚴(yán)格，溫控精度需達(dá)到±4 ℃，這就要求建立高性能的、精確的、穩(wěn)定的熱風(fēng)發(fā)生器的控制系統(tǒng)。

1 熱風(fēng)發(fā)生器的控制方式

熱風(fēng)發(fā)生器的控制系統(tǒng)可分為燃燒控制和溫度控制兩部分。

1.1 燃燒控制

合理可靠的燃燒控制是熱風(fēng)發(fā)生器最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，控制質(zhì)量的好壞直接影響燃燒穩(wěn)定性。由于全預(yù)混燃燒具有火焰短、燃燒完全等明顯優(yōu)點(diǎn)，因此本研究采用該燃燒技術(shù)的熱風(fēng)發(fā)生器。一套完整的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)包括全預(yù)混的燃燒器頭部和空氣/燃?xì)獗壤刂蒲b置等。對(duì)于全預(yù)混燃燒狀態(tài)下的燃燒器，保持合理、穩(wěn)定的空燃比是燃燒器正常工作的前提，調(diào)節(jié)空氣/燃?xì)獗壤难b置顯得尤為重要。維持穩(wěn)定的燃?xì)?、空氣比例?duì)燃?xì)馊紵闹饕饔檬蔷S持穩(wěn)定的燃燒工況、提高燃燒效率、減少污染排放。

常用的空氣/燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)的方式有以下三種：

(1)機(jī)械連桿調(diào)節(jié)閥：伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣蝶閥，通過(guò)連桿同步控制燃?xì)獾y的開(kāi)度，同步調(diào)節(jié)空氣和燃?xì)獾墓┙o量，維持空氣/燃?xì)獗壤暮愣ā?/p>

(2)燃?xì)獗壤y：通過(guò)混合器與伺服閥相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)燃?xì)?、空氣比例的調(diào)節(jié)。

(3)伺服電機(jī)分別控制燃?xì)夂涂諝獾y的開(kāi)度，由所謂電子空燃比控制器進(jìn)行協(xié)同控制。

由上述幾種調(diào)節(jié)方式可以看出，有兩種是利用蝶閥控制空氣與燃?xì)饬髁康姆绞絹?lái)控制空氣/燃?xì)獗壤?。這種調(diào)節(jié)方式的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，具有良好的流體控制特性和密閉性能。但是普通蝶閥的調(diào)節(jié)特性與快開(kāi)式的調(diào)節(jié)特性接近，如圖1，即在閥程很小時(shí)，流量就有比較大的增加，并很快達(dá)到最大，只在某一流量范圍內(nèi)線(xiàn)性度較好，而在最大和最小流量運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，線(xiàn)性度不是很好。這樣的調(diào)節(jié)特性極易使空燃比偏離預(yù)期的設(shè)定值，從而影響全預(yù)混燃燒器的燃燒狀態(tài)。而且蝶閥的快開(kāi)式調(diào)節(jié)特性，使得它的流量調(diào)節(jié)范圍較小，繼而使燃燒器負(fù)荷調(diào)節(jié)比受到限制。所以這種空燃比的控制方式，會(huì)影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的精度。

圖1 部分旋轉(zhuǎn)閥的流量特性

本系統(tǒng)中控制空氣/燃?xì)獗壤难b置采用的是壓力式空氣/燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，具體調(diào)節(jié)過(guò)程為，將空氣壓力作為調(diào)節(jié)量，燃?xì)鈮毫ψ鳛樾Ｕ浚細(xì)獗壤y在空氣壓力信號(hào)與燃?xì)獬隹趬毫χg建立1:1關(guān)系，在空氣壓力發(fā)生變化時(shí)這個(gè)比例關(guān)系是保持不變的。

圖2 空氣/燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)裝置

燃?xì)獗壤y的調(diào)節(jié)特性如圖3，可見(jiàn)在較大的壓力范圍內(nèi)(0.1~1.5 kPa)空氣/燃?xì)獾谋壤３址€(wěn)定的值，可以達(dá)到我們的設(shè)計(jì)目的，保持合理、穩(wěn)定的空燃比，維持全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的理想燃燒工況。

圖3 燃?xì)獗壤y空氣/燃?xì)獗壤{(diào)節(jié)特性

1.2 溫度控制

熱風(fēng)發(fā)生器最主要的控制指標(biāo)是熱風(fēng)的出口溫度，控制變量為無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，即空氣的流量。

1.2.1 ON-OFF控制模式

ON-OFF控制方式容易操作，當(dāng)前溫度如果低于設(shè)定值，溫度控制器輸出ON，燃燒器以最大功率(100%負(fù)荷)運(yùn)行，如果溫度高于設(shè)定值，溫度控制器輸出OFF，燃燒器停止運(yùn)行(相當(dāng)于0%負(fù)荷)。由于燃燒器啟動(dòng)需要一定的吹掃、點(diǎn)火等時(shí)間，響應(yīng)較慢，因此在像熱風(fēng)發(fā)生器這種熱惰性較小的應(yīng)用場(chǎng)合，在溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，一般以能維持燃燒的較小功率運(yùn)行(例如30%負(fù)荷)，即所謂的HIGH-LOW-OFF模式。由于它們都是由控制器輸出觸點(diǎn)的狀態(tài)(ON或OFF)控制的，在這里把HIGH-LOW-OFF模式也歸于ON-OFF控制模式，見(jiàn)圖4。

ON-OFF控制方式就是以設(shè)定值為基準(zhǔn)重復(fù)執(zhí)行ON、OFF操作，將溫度保持在固定的水平范圍。

圖4 ON-OFF控制過(guò)程示意

1.2.2 PID控制模式

PID是溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的一種控制方式。其調(diào)節(jié)的本質(zhì)就是根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際反饋值的偏差，通過(guò)比例、積分、微分這三個(gè)函數(shù)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果用于控制輸出。PID在時(shí)域里的微分方程為：

式中：u(t)—控制輸出量；

Kp—控制器的比例系數(shù)；

e(t)—控制輸入量；

Ti—為控制器的積分時(shí)間常數(shù)；

Td—控制器的微分時(shí)間常數(shù)。

比例環(huán)節(jié)反應(yīng)了控制系統(tǒng)在偏差產(chǎn)生時(shí)控制器的響應(yīng)速度。積分環(huán)節(jié)的作用是消除靜態(tài)誤差，但是會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。微分環(huán)節(jié)的作用是對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程起控制作用，根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正。這三個(gè)環(huán)節(jié)各自作用的相互配合，決定了PID控制器控制品質(zhì)的優(yōu)劣。

1.2.3 溫度控制過(guò)程

燃燒系統(tǒng)采用PWM調(diào)速風(fēng)機(jī)，因此控制器通過(guò)調(diào)節(jié)PWM輸出信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制空氣流量的大小，由于燃?xì)獗壤y的控制作用，燃?xì)饬髁侩S空氣量的變化等比例的改變，穩(wěn)定地控制燃燒器的負(fù)荷大小，從而最終實(shí)現(xiàn)新型的全預(yù)混熱風(fēng)發(fā)生器的溫度調(diào)節(jié)控制。

熱風(fēng)溫度采用ON-OFF控制模式時(shí)，溫度控制器根據(jù)檢測(cè)的熱風(fēng)溫度值判斷，如果低于設(shè)定溫度值，輸出ON給燃燒控制器的大小火控制端，燃燒控制器把最大功率對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)給風(fēng)機(jī)，如果高于設(shè)定溫度值則輸出OFF，燃燒控制器對(duì)應(yīng)地把最小功率時(shí)的PWM信號(hào)給風(fēng)機(jī)。采用PID溫度控制模式時(shí)，選配的PID溫度控制模塊根據(jù)實(shí)測(cè)熱風(fēng)溫度與設(shè)定溫度的偏差，經(jīng)PID計(jì)算后輸出4~20 mA信號(hào)給燃燒控制器的4~20 mA信號(hào)輸入端，而燃燒控制器把4~20 mA轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的PWM轉(zhuǎn)速信號(hào)后送風(fēng)機(jī)。

2 熱風(fēng)發(fā)生器的溫控性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5。

2.1.1 測(cè)試對(duì)象

全預(yù)混直燃式熱風(fēng)發(fā)生器。

圖5 全預(yù)混燃燒熱風(fēng)發(fā)生器溫度控制性能測(cè)試裝置

2.1.2 溫度數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)使用研華ADAM-4011溫度采集智能模塊溫度數(shù)據(jù)采集裝置為，該模塊使用微處理器控制的積分式A/D轉(zhuǎn)換器將熱電偶電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的溫度值數(shù)字信號(hào)，采樣的速率為10采樣點(diǎn)/s，精度為0.05%(電壓輸入)。研華ADAM-4520智能模塊將采集到的數(shù)據(jù)按照RS-485標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以接受的RS-232標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，傳遞給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

實(shí)驗(yàn)中組態(tài)軟件記錄溫度的速率為1采樣點(diǎn)/s。

2.1.3 溫度控制器

在實(shí)驗(yàn)中使用的溫度控制器兼有PID和ON-OFF控制的功能，通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)控制PID控制模式和ON-OFF控制模式的切換。

PID溫度控制器有自整定的功能，可根據(jù)熱風(fēng)發(fā)生器自身具體的狀況調(diào)整PID各參數(shù)，以達(dá)到最佳的控制性能。

ON-OFF控制模式時(shí)溫控器在溫度設(shè)定值及5 ℃的回差溫度輸出相應(yīng)的ON和OFF信號(hào)，實(shí)現(xiàn)大小火的切換，大火為滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，小火為滿(mǎn)負(fù)荷的30%負(fù)荷運(yùn)行。

2.2 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程記錄的PID控制模式與ON-OFF控制模式下溫度數(shù)據(jù)，繪制成如圖6、圖7的溫升曲線(xiàn)，從熱風(fēng)溫升曲線(xiàn)可以看出：熱風(fēng)發(fā)生器在PID控制模式時(shí)，溫度由49.8 ℃開(kāi)始升溫，第一次達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間為14 s，超調(diào)量為11.7 ℃，最終穩(wěn)定到的設(shè)定值時(shí)間為56 s，在熱風(fēng)溫度穩(wěn)定后，溫度上下波動(dòng)不超過(guò)1.5 ℃，所以溫控精度為±2 ℃；在ON-OFF控制模式下，溫度由50.6 ℃開(kāi)始升溫，第一次達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間為12 s，但ON-OFF控制無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定，溫度值總是在設(shè)定值上下振蕩，振蕩的幅度在20 ℃左右。

圖6 PID控制模式下熱風(fēng)溫升曲線(xiàn)

圖7 ON-OFF控制模式下熱風(fēng)溫升曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際測(cè)得的溫度響應(yīng)可以看出，熱風(fēng)發(fā)生器在ON-OFF控制模式下，熱風(fēng)溫度在設(shè)定溫度點(diǎn)上有±20 ℃的波動(dòng)；在PID控制模式下，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能得到明顯改善，熱風(fēng)溫度在平衡點(diǎn)附近震蕩小，控制精度顯著提高，達(dá)到±2 ℃。將PID控制方式應(yīng)用于熱風(fēng)發(fā)生器的熱風(fēng)溫度控制中，實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)溫度穩(wěn)定、精確地控制，使得該類(lèi)型熱風(fēng)發(fā)生器應(yīng)用于更為廣泛的場(chǎng)合，有利于該類(lèi)型熱風(fēng)發(fā)生器的推廣普及。