過程控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文）鍋爐雙沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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1、 過程控制系統(tǒng) 課程設(shè)計(jì)（論文） 題目： 鍋爐雙沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 院（系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止時(shí)間： 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)及評語

2、學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 設(shè)計(jì)題目 鍋爐雙沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù) 課題完成的設(shè)計(jì)任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù) 實(shí)現(xiàn)功能 鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量，并保證汽包中的水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)。在鍋爐給水控制中，汽包水位是被控參數(shù)，而引起汽包水位變化的主要擾動(dòng)是鍋爐的蒸汽流量。其中蒸汽是負(fù)荷，它隨用戶需要而變化，給水流量作為可調(diào)參數(shù)。試設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 1、確定控制方案并繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖； 2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)； 3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方

3、式； 4、若設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖； 5、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書一份；設(shè)計(jì)說明書應(yīng)在4000字以上。 技術(shù)參數(shù) 1． 控制范圍：45%～75%H ； 2． 控制精度：1% ； 3． 最大偏差：3%H； 工作計(jì)劃 1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天 ） 2、確定系統(tǒng)的控制方案，繪制原理結(jié)構(gòu)圖、方框圖。（1天 ） 3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)。（2天 ） 4、確定

4、控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式。（ 1天） 5、上機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模擬運(yùn)行、答辯。（3天 ） 6、撰寫、打印設(shè)計(jì)說明書（1天 ） 指導(dǎo)教師評語及成績 平時(shí)： 論文質(zhì)量： 答辯： 指導(dǎo)教師簽字： 總成績： 年 月 日 注：成績：平時(shí)20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計(jì)算 摘要 鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定

5、運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有重要意義。模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，它能將熟練操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)出來，得到定性的、不精確的控制規(guī)則，不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制易于被人們接受，構(gòu)造容易，魯棒性和適應(yīng)性好。本文分析了汽包水位對象的動(dòng)態(tài)特性，介紹傳統(tǒng)的控制方式。由于鍋爐水位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸入端常加有兩個(gè)輸入量，極易引起水位控制偏差，本文提出了如何消除水位偏差的方法，即輔助信號自消方法。根據(jù)雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位誤差,設(shè)計(jì)采用了雙沖量PID串級控制方式采用輔助信號蒸汽流量和給水

6、流量對消方法消除水位偏差。根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀，提出了參數(shù)自整定模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)了二輸入三輸出自適應(yīng)模糊PID控制器對汽包水位進(jìn)行控制，克服了傳統(tǒng)控制方式的控制效果不精確和參數(shù)難以調(diào)整等缺點(diǎn)。利用MATLAB對傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和雙沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明后者的自適應(yīng)能力更強(qiáng)，抗干擾能力和魯棒性更好，保證水位的穩(wěn)定。 關(guān)鍵詞：汽包水位； 雙沖量； 串級系統(tǒng)； PID控制； 模糊控制 目錄 第1章 緒論 1 1.1 鍋爐工作過程簡介 1 1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義 2 第2章 方案論證 3 2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 3 2.2 系統(tǒng)方案論證 3 2.2.1 串級

7、控制方案 3 2.2.2 串級控制方案論證 4 2.3 氣包水位串級雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖 5 2.4 鍋爐汽包水位的PID控制方案 5 2.4.1 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 6 2.4.2 串級前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 6 第3章 硬件設(shè)計(jì) 8 3.1 調(diào)節(jié)閥的選擇 8 3.2 控制儀表的選擇 8 3.3 控制器設(shè)計(jì) 9 3.3.1 控制器控制規(guī)律選擇 9 3.3.2 控制器正反作用選擇 10 3.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn) 10 3.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 10 3.5 傳感器選擇 11 3.6 變送器選擇 12 第4章 軟件設(shè)計(jì) 13 4.1 程序流程圖 13 4.2 PID控制系統(tǒng)算法

8、13 第5章 系統(tǒng)分析及參數(shù)整定 15 5.1 給水控制系統(tǒng)分析及整定 15 5.1.1 副回路的分析和整定 15 5.1.2 主回路的分析和整定 15 5.2 鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu)及仿真 15 第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 17 參考文獻(xiàn) 18 第1章 緒論 1.1 鍋爐工作過程簡介 鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備.其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式,長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和

9、相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖1.1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽

10、水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 燃 燒 室 燃料 空氣 1 2 3 4 5 6 7 8 圖1.1鍋爐的汽水系統(tǒng) “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)

11、過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。 經(jīng)上介紹，鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。 1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義 鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位受到負(fù)荷變化的影響，因此當(dāng)鍋爐用汽量變化時(shí)，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會(huì)影響汽水分離器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁結(jié)垢，造成工業(yè)事故，同時(shí)鍋爐出口蒸汽

12、帶水過多還會(huì)使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會(huì)破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持在設(shè)計(jì)值75~100mm范圍內(nèi)。 通過以上分析，鍋爐水位的控制是十分必要的，隨著自動(dòng)化水平的不斷提高，設(shè)計(jì)一款簡單、方便的過程控制系統(tǒng)來對水位進(jìn)行自動(dòng)控制及處理也顯得十分必要。 第2章 方案論證 2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能 通過使用該系統(tǒng)，可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。 2.2 系統(tǒng)方案論證 2.2.1 串級控制方案 過熱器出口蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示。采用兩級調(diào)節(jié)器，這兩級調(diào)節(jié)器串在一起，各有

13、其特殊任務(wù)，調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器1的控制，而調(diào)節(jié)器1的給定值受到調(diào)節(jié)器2的控制，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號—出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán)是串在主環(huán)之中。 圖2.1 過熱蒸汽溫度串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖 調(diào)節(jié)器2稱主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號，不是用來控制調(diào)節(jié)閥而是用來改變調(diào)節(jié)器2的給定值，起著最后校正作用。 串級系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常串級系統(tǒng)副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大

14、，工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能，希望主副環(huán)的工作頻率相差三倍以上，以免頻率相近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象面破壞正常工作。串級控制系統(tǒng)可以看作一個(gè)閉合的副回路代替了原來的一部分對象，起了改善對象特征的作用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。 串級控制由于副環(huán)的存在，改善了對象的特性，使等效副對象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí)，由于串級系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)，因此，一般來說串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量要比單回路控制系統(tǒng)高。 在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，為了獲得更好的控制精度，所以采用串級控制系統(tǒng)以得到良好的控制特

15、性。 2.2.2 串級控制方案論證 串級控制是隨著工業(yè)的發(fā)展，新工藝不斷出現(xiàn)，生產(chǎn)過程日趨強(qiáng)化，對產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高，簡單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。 圖2.2 串級控制系統(tǒng)方框圖 由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，是一個(gè)定制，因此，主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。 串級控制系統(tǒng)中，兩個(gè)控制器串聯(lián)工作，以主控制器為主導(dǎo)，保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。若干擾來自副環(huán)，副控制器首先

16、進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行“細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量優(yōu)于簡單控制系統(tǒng)。 串級控制有以下優(yōu)點(diǎn) 1、由于副回路的存在，減小了對象的時(shí)間常數(shù)，縮短了控制通道，使控制作用更加及時(shí)； 2、提高了系統(tǒng)的工作頻率，使振蕩周期減小，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，系統(tǒng)的快速性增強(qiáng)了； 3、對二次干擾具有很強(qiáng)的克服能力，對客服一次干擾的能力也有一定的提高； 4、對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。 一般來說，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的串級控制系統(tǒng)，當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時(shí)，其最大偏差將會(huì)較小到控制系統(tǒng)的，即便是干擾從主回路進(jìn)入，最大偏差也會(huì)縮小到單回路控制系統(tǒng)的。但是，如果串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理，其優(yōu)越性就不能夠充分體現(xiàn)

17、。因此，串級控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性十分重要。 2.3 氣包水位串級雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖 圖2.3中所示的雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng),汽包水位是被控變量,是主沖量信號,蒸汽流量和給水流量是輔助沖量信號。系統(tǒng)將蒸汽流量和給水流量前饋到汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中去,一旦蒸汽流量或給水流量發(fā)生波動(dòng), 不是等到影響到水位才進(jìn)行調(diào)節(jié),而是在這兩個(gè)流量改變之時(shí)就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校正,故大大提高了水位這個(gè)被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。 圖2.3中所示的串級控制系統(tǒng)有一個(gè)明顯的特點(diǎn):在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)環(huán)在里面，稱之為副環(huán)或副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用;一個(gè)環(huán)在外面，稱之為主環(huán)或主回路，用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)

18、，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。在串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位偏差。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。這樣，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位穩(wěn)定值是靠主調(diào)節(jié)器來維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度按所謂“靜態(tài)配比”來進(jìn)行整定.恰恰相反，在這里可以根據(jù)對象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度，從而改變負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品

19、質(zhì)。 圖2.3 2.4 鍋爐汽包水位的PID控制方案 控制汽包水位的手段是操縱給水，依此構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)對鍋爐的假水位現(xiàn)象回發(fā)出相反的補(bǔ)償動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档阶阋园l(fā)生危險(xiǎn)事故的程度，如果根據(jù)蒸汽流量來給出校正動(dòng)作，就可以糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作，從而減少水位的波動(dòng)，改善控制的精確度。 2.4.1 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 比較前饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是在干擾作用下，必須形成偏差，才能進(jìn)行調(diào)節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時(shí)，就開始調(diào)節(jié)，使被控變量保持不變。而前饋系統(tǒng)是按

20、干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時(shí)，前饋控制器根據(jù)干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來補(bǔ)償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。 圖 2.4 前饋系統(tǒng)方框圖 其中 表示干擾通道對象特性，表示控制通道對象特性，表示前饋控制器傳函。 根據(jù)不變性原理，即被控變量與干擾量絕對無關(guān)，或被控變量對干擾完全獨(dú)立，則=0，即=0 ==0 所以- 即=- 干擾通道對象特性/控制通道對象特性 上式的負(fù)號表示控制通道與干擾通道作用相反。 所以前饋控制器傳函由控制通道對象特性和干擾通道對象特性決定。 2.4.2 串級前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 為克服

21、調(diào)節(jié)閥的變差（滯環(huán)），閥前后壓差變化，引起閥和流量變化（如蒸汽壓力變化）增加一個(gè)流量付環(huán)，其目的在于通過設(shè)置副變量來提高對主變量的控制質(zhì)量，由于副回路的存在，對進(jìn)入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對主變量的影響，同時(shí)系統(tǒng)對負(fù)荷改變時(shí)有一定的自適應(yīng)能力。 圖2.5 串級前饋系統(tǒng)模型 圖2.6 串級前饋控制系統(tǒng)方框圖 串級前饋模型傳遞函數(shù)： =0 綜上兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比較，我們可以看出，采用串級前饋調(diào)節(jié)具有更大的優(yōu)勢，故在在此設(shè)計(jì)方案中，采用串級前饋的控制方式來對其進(jìn)行控制。 第3章 硬件設(shè)計(jì) 3.1 調(diào)節(jié)閥的選擇 在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的

22、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。 調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。 調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素： 1、生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故； 2、保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低； 3、盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗； 4、從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。 綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇

23、氣開閥。 調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇，在實(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對數(shù)特性和快開特性三種，在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。 閥門定位器的選用，閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置，與調(diào)節(jié)閥配套使用，它接受控制器來的信號作為輸入信號，并以其輸出信號去控制調(diào)節(jié)閥，同時(shí)將調(diào)節(jié)閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng)，閥門定位器可以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦，從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和可靠性，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位；閥門定位器增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率，減少了系統(tǒng)的傳遞滯后，加快閥桿的移動(dòng)速度；閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。 3.2 控制儀表的選擇 控制儀

24、表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng)，電動(dòng)I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng)II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實(shí)施方案也不同。 電動(dòng)III型和電動(dòng)II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動(dòng)III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡捷，同時(shí)III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換非常方便，隨時(shí)都可以進(jìn)行切換，且保證無擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)III型儀表。 由電動(dòng)III型儀表構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)的基本方案有如下兩種： 圖3.1 用電動(dòng)III型

25、儀表組成的串級控制系統(tǒng)方塊圖 該方案中采用了兩臺控制器，主、副變量通過一臺雙筆記錄儀進(jìn)行記錄。由于副控制器輸出的是，而控制閥只能接受氣壓信號，所以在副控制器與控制閥之間設(shè)置了一個(gè)電氣轉(zhuǎn)換器。 圖3.2 用電動(dòng)III型儀表組成的主控-串級控制系統(tǒng)方塊圖 該方案較于上一方案多設(shè)置了一個(gè)主控-串級控制切換開關(guān)，可以根據(jù)不同情況使控制系統(tǒng)工作于主控方式和串級控制方式下。 在本設(shè)計(jì)中采用第二種方式將可以控制系統(tǒng)更好的工作，得到更穩(wěn)定的控制輸出。 3.3 控制器設(shè)計(jì) 由上文論述可知，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)選擇串級控制。 3.3.1 控制器控制規(guī)律選擇 在串級控制中，主變量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或

26、生產(chǎn)的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許有一定的波動(dòng)和余差。從串級控制的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個(gè)定制系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用，為使其穩(wěn)定，主控制器通常選用比例積分控制器，對于本系統(tǒng)由于控制通道容量之后較大，為克服容量滯后，選用比例積分微分控制器作為主控制器。 副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了加快跟蹤，副控制器一般不帶積分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五輸出稍有變化，控制閥就將大幅度變化，這對控制系統(tǒng)很不利，故副控制器只選用比例控制器。 3.3.2 控制器正反作用選擇 對于串級控制系統(tǒng)，主、副控制器正、反作用

27、的選擇順序應(yīng)該是先副后主。 副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無關(guān)。為了使副環(huán)回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號必須為“負(fù)”，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應(yīng)為“負(fù)”。在本設(shè)計(jì)中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即減溫器后端蒸汽溫度會(huì)降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用為“負(fù)”；而調(diào)節(jié)閥為氣開閥，即其控制作用為“正”，所以負(fù)調(diào)節(jié)器的控制作用應(yīng)為負(fù)作用。 主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況來確定，同時(shí)可將副回路視為一放大倍數(shù)為“正”的環(huán)節(jié)來看待，因?yàn)楦被芈肥且噪S動(dòng)系統(tǒng)。這樣只要根據(jù)主對象與主變送器放大倍數(shù)的符號及整個(gè)主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)

28、的符號為“負(fù)”的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，主對象的放大倍數(shù)為的符號為“正”，所以主控制器應(yīng)選“負(fù)”作用。 3.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn) 主控制器采用PID調(diào)節(jié)器，副控制器采用P調(diào)節(jié)器，可以使用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)P、I、D的調(diào)節(jié)作用，也可以直接使用模擬電路搭建PID調(diào)節(jié)模塊，在實(shí)際生產(chǎn)中，大多采用制作成型的PID模塊以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。 3.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)電路圖如圖3.3所示。 圖3.3 系統(tǒng)電路圖 本系統(tǒng)以80C51 單片機(jī)為核心, 它有4KEPROM, 所以不需外擴(kuò)EPROM, 這樣可利用P1 口作為按鍵輸入口,輸入口接有中斷式獨(dú)立式按鍵

29、電路, 向單片機(jī)輸入命令、功能切換, 可以對單片機(jī)進(jìn)行人工干預(yù); 另對串行輸入口P3.0 擴(kuò)展接口, 使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號的接口, 可以方便地?cái)U(kuò)展并行輸入口, 這種方法不占用片外地址, 簡單易行, 便于操作適合于速度較慢、適時(shí)性要求不高的場合, 它是利用一片74LS165 與80C51 的3 根端口線相連, 可擴(kuò)展8 根并行輸入口線, 在電位器式傳感器采集信號,A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號后, 將信號輸入到此接口, 如圖4-3 所示。由于輸出接口比較多, 可擴(kuò)展一片8255 可編程接口芯片, 利用指令設(shè)置各口的工作方式, 8255 內(nèi)部有3 個(gè)并行的8 位I/O 接口,分別為A 口、B

30、口、C 口, 8255 是8 位芯片, 有8 位數(shù)據(jù)線, 數(shù)據(jù)線接于80C51 的P0 接口, 可以用于實(shí)現(xiàn)8255 與80C51 之間的數(shù)據(jù)傳輸。需要注意一點(diǎn), 使用8255 芯片時(shí), 首先要對它初始化, 也就是對8255 的3 個(gè)端口的工作方式預(yù)先設(shè)置。擴(kuò)展口接有4 位74LS164 驅(qū)動(dòng)顯示器,并有1 個(gè)報(bào)警器( 用于極低水位、極高水位報(bào)警) , 和3 個(gè)發(fā)光二極管指示燈( 用于電源顯示、水泵上水顯示、水位顯示) ; 并行輸出口接有雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器電路, 來控制電機(jī)啟停。 3.5 傳感器選擇 由于鍋爐內(nèi)的溫度較高，所以，對于傳感器的選擇必須適合于高溫環(huán)境，本設(shè)計(jì)采用溶解氧傳感器，該傳

31、感器不但適合高溫環(huán)境，且操作維護(hù)十分簡便，價(jià)格經(jīng)濟(jì)。 3.6 變送器選擇 本設(shè)計(jì)需要采用變送器來記錄蒸汽流量和給水量，符合性能的有,XGS868、WRN-230。對于本設(shè)計(jì)來說，他們均符合要求，且性能差別不是很大，因此從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，WRN-230更為合適，該型號不但符合設(shè)計(jì)要求，且價(jià)格合理，易于維護(hù)。 第4章 軟件設(shè)計(jì) 4.1 程序流程圖 該系統(tǒng)的工作過程是由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機(jī)發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開打，注水量增加，水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)，8051單片機(jī)再次發(fā)出控制信號，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī)定范圍。如

32、此循環(huán)工作，使汽包水位得以準(zhǔn)確控制，保證鍋爐的安全、可靠運(yùn)行。程序流程圖如圖4.1所示。 圖4.1程序流程圖 4.2 PID控制系統(tǒng)算法 PID控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器，通過調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù)，使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。對于水位系統(tǒng)的建模，可近似地認(rèn)為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對于一階慣性環(huán)節(jié)對象，往往采用PID控制算法， PID調(diào)節(jié)器如圖4.2所示。 Kp Ki/S Kd*S 圖4.2 PID調(diào)節(jié)器 調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例-微分-積分關(guān)系如下： u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]

33、 其中Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù)。 式中T是采樣周期，周期T必須足夠短,才能保證有足夠的精度，因此數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，表達(dá)式如下： u(kT)=Kp{e(kT)+T/Ti∑e(jT)+Td/T[e(Kd)―e(Kt―T)]} 在反饋控制部分，如果過早地引入積分作用容易產(chǎn)生飽和，產(chǎn)生過大的超調(diào)量，預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn)，可以采用積分分離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調(diào)量，使控制性能有較大的改善。 積分分離法思想： 1—一般PID調(diào)節(jié)曲線 2—積分分離PID調(diào)節(jié)

34、曲線 Q—從此點(diǎn)開始引入積分作用 圖4.3 PID調(diào)節(jié)曲線 第5章 系統(tǒng)分析及參數(shù)整定 5.1 給水控制系統(tǒng)分析及整定 根據(jù)串級雙沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理, 對主回路和副回路進(jìn)行分析整定。 5.1.1 副回路的分析和整定 根據(jù)串級控制系統(tǒng)的分析整定方法, 應(yīng)將副回路處理為具有近似比例特性的快速隨動(dòng)系統(tǒng), 以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。用試探的方法選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶,以保證內(nèi)回路不振蕩為原則。在試探時(shí),給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值,以得到滿意的比例帶值。如果傳遞函數(shù)以后需要改變,則應(yīng)相應(yīng)地改變比例帶值,使傳遞函數(shù)與比例帶的比值保持為試探

35、時(shí)的值,以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)通道放大系數(shù)較大,副調(diào)節(jié)回路可等效為反饋回路的倒數(shù)。 5.1.2 主回路的分析和整定 在主回路中, 如果把副回路近似看作為比例環(huán)節(jié), 則主回路等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。如果以給水流量W 作為被控對象的輸入信號, 水位變送單元的輸出為輸出信號, 可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定, 如通過試驗(yàn)方法求取主回路被控對象的階躍響應(yīng)曲線,并由曲線求得參數(shù), 再按響應(yīng)曲線法中給定的公式計(jì)算等效調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。 5.2 鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu)及仿真 通過前述各方面的分析，我們可以作出鍋爐水位PID控制的結(jié)構(gòu)圖

36、如圖5.1所示。 圖5.1 鍋爐水位P-PID串級控制結(jié)構(gòu)圖 其中前述和分別為控制回路的擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)，、、別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測量器件的傳遞系數(shù)，、分別為蒸汽流量和給水流量的分壓系數(shù)，、分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥們的特性系數(shù)，回路采用PID控制以快速消除給水?dāng)_動(dòng)，外回路采用預(yù)測PID來抑制蒸汽擾動(dòng)，其算法為： =— 當(dāng)忽略蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為如下： = 取工程書中廣泛采用的參數(shù)對設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真，，，，，，，， 預(yù)測PI控制器的比例系數(shù)，內(nèi)回路控制器取純比例控制，為了便于比較控制效果，在考慮了擾動(dòng)抑制性能后，取，，由以上所取的數(shù)

37、值，可得控制系統(tǒng)仿真圖如圖5.2所示。 圖5.2 采用廣義參數(shù)的系統(tǒng)仿真圖 由圖可以看出，經(jīng)過P—PID控制系統(tǒng)控制的鍋爐水位輸出的超調(diào)量有所減小，在蒸汽擾動(dòng)作用下，水位波動(dòng)范圍也減小了，達(dá)到了控制的目的。 第6章 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，鍋爐燃燒過程控制有許多被控量和控制變量，這些變量互相關(guān)聯(lián)，要對其建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)之一，本文采用的PID控制方式在鍋爐水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)中參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下可以投入自動(dòng)，應(yīng)用PID控制對汽包水位進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)中的PID控制方法對鍋爐

38、水位進(jìn)行的控制，通過比較前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級前饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用了串級前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與整個(gè)控制，內(nèi)循環(huán)采用PID控制快速消除了控制通道的給水?dāng)_動(dòng)，外回路采用的PID方法克服了蒸汽擾動(dòng)的影響，并通過采用廣泛的工程參數(shù)進(jìn)行仿真，可以看出用此系統(tǒng)可以有效的控制鍋爐汽包水位。 參考文獻(xiàn) [1] 孫優(yōu)賢《鍋爐設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)》中國電力出版社 1993.1 [2] 廖初《新型PID控制及其應(yīng)用》機(jī)械工業(yè)出版社 2003.9 [3] 周萬河《過程控制與自動(dòng)化儀表》電子工業(yè)出版社 2001.12 [4] 李家強(qiáng)《計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》機(jī)械工業(yè)出版社 2005.7 [5] 范勝宇《MATLAB及其在電路與控制理論中的應(yīng)用》中國電力出版社 2004.6 [6] 張國兵《工業(yè)鍋爐微機(jī)控制》清華大學(xué)出版社 2002.7