煤质分析高温炉升温速度的控制方法

浅析煤质分析高温炉升温速度的控制方法 高温炉是一种煤质化验室常用的仪器设备，与之配套的是温度控制仪。如升温速度控制达 不到国标的要求，就会使煤质分析结果出现不同程度的偏差，如胶质层测定仪的升温速度 过快，常会使测得的胶质层最大厚度,，值偏高，反之，就会使y值偏低，从而影响其测值 的准确使用。因而提高高温炉控温仪的质量则是保证煤质分析结果准确可靠的坚实基础。 1高温炉的特点 1. 1热惯性 与机械运动中的运动物体惯性相类似，高温炉也有其热惯性。当加热电流出现时，炉体就立 即升温，加热电流断开时，炉体就降温，这种现象被称之为炉体热惯性小；相反当加热电流 出现，炉体升温不明显，加热电流断开，炉体降温也不明显，则为热惯性大；热惯性的直接 反映形式是系统的温度响应在时间上滞后于输入电流。这种时间滞后性的形成 有2个原因：其一是高温炉系统本身具有的时间常数，其二是系统内存在着纯滞后环节。根 据对实验室的许多类型高温炉的测试，这种滞后时间，少则几秒，多则4—5min。影响热惯 性的因素较多，大致受以下几种因素影响：①炉体的大小；②保温材料的吸热能力及保温能 力；③加热元件的功率大小；④高温炉的冷态起动和热态起动；⑤热电偶有无保护套。 1. 2非线性 高温炉升至高温时，由于加热元件的电阻率发生变化，同时，由于这时高温炉对室温的温差 变大，使其散热能力增强。因而，高温炉的加热电流与升温速度的关系是非线性的，这种非 线性可以从升温过程中观察到；在保持同一升温速度时，高温时的 电流大于低温时的电流。 2现有控速方法 2. 1直接比较法 用设定的速度与实测的速度之差来决定加热电流，两者之差为正值的则为加大电流，反之则 为减少电流。这种方法对高温炉的非线性有很好地补偿作用，但这仅对热惯性较小的炉体有 效果，而对热惯性较大的炉体则会对温升速度产生振荡，至于对热惯性很大(具有大滞后时 间)的炉体则将完全失控。所以此法仅在小范围内实现精度要求不高的控温速 度。 2. 2PID调节法 在控温系统中，用PID调节方法可以达到很满意的恒温效果，因而设计者尝试直接将此方 法用于控速上，但效果难以满意。根本原因是山于PID的输出控制量是实测温度死与设定 温度乃的差值的函数，即电流为系统温升位置的函数，即，=G(r)。而控速则要求电流为温 升位置对时间的一阶导数的函数即，=G(T)O因而直接使用PID的调节法并不 适合于控制温升速度。 2. 3其它方法 用经验法对某一高温炉进行控制，其效果可能很好；但它对另一种高温炉的控制则可能会完 全失效。总的来说，由于经验法缺乏一定的规律性，故它仅能适用于参数不变的某些类型的 高温炉，故其应用范围不广。在实际运用中，炉体的参数总是在不断地变化，如炉子的老化, 敏感元件的迟钝，保温材料的失效等，且各生产厂家生产的高温炉其热惯性 是极不相同的，即使是同一厂家生产的同一批高温炉其热惯性也不完全相同。如灰熔点炉， 由于其硅碳管的生产工艺很难完全掌握，且硅碳管的电阻值各不相同，因而组装成的炉体热 惯性也各不相同。通过以上分析，可知这些方法都难以提高高温炉(特别是热惯性大的高温 炉)的控速精度。提出的“加速度超前控制法”设计原理是根据马佛炉的热惯性及非线性2 个特点，找到一种既能克服热惯性的滞后性对控速造成的困难，又能补偿非线性的误差使升 温速度保持不变。 3加速度超前控制法 3. 1原理 根据物理学中运动物体即时速度公式为：Vt=K+at；而加速度口 =dv/dt；同样，在温度一时 间域中，温升速度对时间的变化率盥就是这一时刻的温升加速度,求得某一时刻的加速度后， 即可假设以后的速度就按此刻的加速度做匀加速上升，按上面的公式就可以计算出时间△ £间隔后所达到的即时温升速度E,再运用比较法与设定速度E进行比较，其偏差EK用微 机处理后输出相应的调节电流，从而达到超前控速的目的。 3. 2原理的实现 目前大部分控温仪器都采用DDC(Direct Digit - al ContrOl)控制系统，在此系统中用微机来 处理数据就使本原理的应用变得很方便了。在DDC系统中，需将连续系统的方程及公式离 散化，用差分方程代替微分方程。设 01为高温炉连续信号频谱的最大频率分量，根据香 农(Shannon)定理，只要控温系统的采样频率t08满足°°s>2tOl则采样的置信度是可靠的。在 实际系统中温度的变化是缓慢的，DDC控制系统的采样速率却是很快的，即’I, s>2t01。 但由于控温系统的电流输出是靠采样值，经计算偏差来进行，采样频率太高计算机将失去调 节作用，所以采样周期T的设定值不能太小，系统温度的采样周期一般取10s左右。由于控 温系统的实际采样值是温度值丁，而不是温升速度V,速度的采样值要根据计算而来，即时 温升速度的离散化增值公式为： V(k)=T(k) — T(k 一 1) / T (1) 式中V(K)——第k次的即时温升速度； T(K)——第k次的温度采样值； T(k 一 1)——第k—1次温度采样值； T —速度的采样周期。 根据两次V(k)值就可以得到加速度的采样值： A(K)=V(k) — V(k — 1) / T“ (2) 式中A(K)——第k次的加速度值； T”一加速度的采样周期值。 需要指出的是：加速度采样周期不小于速度采样周期不小于温度的采样周期，至于具体如何 设定，则山炉体的热惯性、温度和速度在屏幕上的显示周 期而定。一段时间后的即时温升速度可用下式求得： Vn=V(K)+A(K)Xn (3) 式中Vn—n个时间单位后的即时温升速度。 “n个时间单位”是根据被控高温炉的热惯性决 定的。关于热惯性的测定，可以采取实验法完成，即向系统输入一单位阶跃信号后，直到系 统显示的速度有明显的变化这一段时间，可以为(3)式的n值 输入。 偏差算式： E(k)=Vs—Vn(4) 式中E(k)——速度偏差值； Vs——设定速度值。 输出算式:I(k)=F(E(k)) (5) 式中，I(k)——电流输出； F(E(k))——电流输出的函数。 电流输出的函数可以根据系统的情况进行合理的设计。建议可采用“增量式算法”，即将电 流的最大输出分成若干部分，设每一部分为△, 下面的关系式： 当 E(k)>0 则,I(k)=I(k-l)+Al 当 E(k})=0 则 I(k)=I(k-l) 当 E(k)<0 则 I(k)=I(k-l)-Al 3. 3方法的运用及效果 “加速度超前控制法”具有时间超前控制的能力，对于棘手的大热惯性高温炉的时间滞后问 题有很好地补偿效果。根据这种方法制造的控温仪器，已完成了对以下各种不同的高温炉进 行控速试验： (1) 灰熔点测定炉： 滞后时间约3一4rain。 控速误差：±2(°C<9000C) ±1(900 — 14000C) (2) 葛金试验测定炉： 滞后时间约2一3min 控速误差：土 1 °C (300-6000C) (3) 垢蜗膨胀序数炉： 滞后时间约5 — 10s 控速误差：±2。C« 1200°C) 从上面的试验可以看出“加速度超前控制法”的控速效果是