汽包水位控制系统设计

1、毕毕毕毕业业业业设设设设计计计计（论论论论文文文文）说说说说明明明明书书书书毕毕毕毕业业业业设设设设计计计计（论论论论文文文文）题题题题目目目目锅 炉汽包水位控制系统设计系 部：自动化与信息工程系 年级专业： 08 电气自动化二班 学生姓名： 学号： 指导教师： 2011 年 5 月 18 日毕业设计（论文）任务书姓名 专业 电气自动化技术任 务 下 达 日 期 2011年 2月 21日 设计（论文）开始日期 2011年 2月 28日 设计（论文）完成日期 2011年 5月 18日 设计（论文）题目：锅炉汽包水位控制系统设计A编制设计 B设计专题（毕业论文） 指导教师系（部）主任2011 年

2、6 月 2 日毕业设计（论文）答辩委员会记录自动化与信息工程系电气自动化技术专业，学生 于 2011 年 6 月 12 日进 行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：锅炉汽包水位控制系统设计专题（论文）题目： 指导老师： 答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况， 经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩 为 。答辩委员会 人，出席 人 答辩委员会主任（签字）： 答辩委员会副主任（签字）： 答辩委员会委员： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 毕业设计（论文）评语学生姓名： 专业 电气自动化技术年级 2008毕业设计（论文）题目：锅炉汽包水位控制系统设

3、计评 阅 人： 指导教师： （签字）年月日成绩： 系（科）主任： （签字）年月日第 页 共 页毕业设计（论文）及答辩评语： 摘摘摘摘 要要要要锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸 发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气 轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运 行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工 作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出 口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循

4、环， 危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上 从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制。关键词：锅炉汽包三冲量水位控制设计目目目目录录录录引言70.1 设计的目的和意义70.2 应解决的主要问题70.3 国内外发展现状70.4 指导思想8第 1 章 设计方案101.1 单冲量水位控制系统101.2 双冲量水位控制系统111.3 三冲量水位控制系统131.4 设计方案的确定17第 2 章 控制系统的设计192.1 过程控制系统设计的一般要求及内容192.2 控制系统方框图192.3

5、 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程192.4 串级控制系统的设计20第 3 章 控制系统各元器件选择243.1 控制器的选择243.2 控制阀选择273.3 AI-808 型人工智能调节器27第 4 章 PID 控制器参数整定294.1PID 控制的原理和特点294.2PID 控制器的参数整定29结束语32参考文献33引引引引言言言言0.1 设计的目的和意义锅炉烧水产生高温高压的蒸汽，蒸汽温度可以达到 1000 多度，用这样的蒸汽可以 用来消毒，煮饭，烧开水等。现在学校，工厂的食堂烧水做饭就是用锅炉烧水产生的蒸 汽做的。锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的

6、蒸 发量。由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和气轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或气 轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和气轮机安全运 行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工 作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和气轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出 口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环， 危及水冷壁受热面的安全。一般要求锅筒水位维持。在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重 中之重。本设计是通过了解了锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上 从单

7、冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制， 具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。0.2 应解决的主要问题本设计主要解决传感器的选择（温度，压力，水位），输出道的设计和软件程序的 设计。其所能达到的技术指标为：（1）可以对锅炉水位，蒸汽量和给水量分别采集（2）通过单片机控制，使锅炉汽包水位维持在正常的范围内（3）具有键盘显示功能（4）具有报警功能当水位超过上限或下限时，能及时报警，0.3 国内外发展现状目前在国内外随科学技术的发展，都采用三冲量水位自动调节系统，该控制引进蒸 汽流量和给水流量信号作为控制信号，系统动作及时，有较强的抗干扰能力，因此得到 广泛的应

8、用。主要用微型计算机控制系统来控制锅炉。微型计算机控制系统的特点是，其控制功 能要通过内部的控制程序来实现，人们只需要改变这些程序，就可以更改锅炉设备的控 制功能，以适应新的控制要求而不需要改动硬件系统。这种灵活性在硬联逻辑系统中是没有的。因此，掌握微型计算机应用系统的设计和研制技术，是开发微型计算机应用的 一个重要课题。在国内主要有单，双，三冲；量控制系统来控制锅炉汽包水位。 单冲量控制系统以锅炉锅筒水位为唯一信号的锅炉给水连续调解。该系统由水位变送器，伺服放大器，执行器和给水调节阀组成。水位变送器将水位信号送到调节器，调 节器根据实测水位和给定值的偏差，经过运算放大后输出调解信号，驱动执行

9、器改变调 节阀的开度，改变锅炉上水量，使水位控制在容许范围呢。在单冲量水位自动调节的基础上，加上蒸汽流量作为前馈信号，使构成所谓的双冲 量水位自动调节系统。前馈控制的主要特点是根据扰动的大小直接调节，使调节作用在 扰动发生的同时起作用，从而减少扰动造成的被控参数的变化。引入蒸汽流量前馈信号 可以消除虚假水位对水位控制的不良影响，减少或抵消由于虚假水位现象而造成的调节 误动作。在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性下降的问题， 引入给水流量作为调节器的反馈信号。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克服负荷变化引 起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作，用给水量作为反馈信号，克服内

10、扰影响， 稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系 统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广 泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。但是随着生产向大型化连续化发展，对自动 化技术的要求越来越高，模拟自动化控制系统越来越表现出它的局限性。例如它难以实 现多变量控制，复杂控制规律的控制，最优控制，自适应控制，以及时变控制等，模拟 控制屏越来越长，难以实现集中控制，各系统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控 制，控制方案的修改比较麻烦。如果采用计算机作为自动化工具的过程控制系统，就能 很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。随着生

11、产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的 重要热力设备之一。在现在化建设中，能源的需求量非常大的，然而我国能源利用率极 低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制宜地有 效地染用地方燃料，并为满足环境保护的需求而努力解决烟尘污染问题，以提高才做管 理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定运行及运行效率，安全可靠地供热等问题。0.4 指导思想采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量 为控制器的反馈信号来控制给水量。其目的是通过单片机的控制，使锅炉汽包水位维持 在正常的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相

12、应措施。充分体现三冲量控制系统的优越性，系统功能完善，结构先进合理，能耗小，扩展灵活，便于维护， 并且可靠性高，而且还极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统系动画程度较 高，大大降低了操作者劳动强度，综性性强，适用性好，保障锅炉正常运行。第第第第 1 章章章章 设设设设计计计计方方方方案案案案工业锅炉汽包水位的自动控制，根据锅炉容量大小，供给蒸汽（或热水）的使用要 求不同，通常有单冲量自动控制系统，双冲量自动控制系统和三冲量自动控制系统三种 形式。1.1 单冲量水位控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号即水位测量信号经 变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量

13、值与给定值的偏差去控制调节阀，改 变给水量来保持汽包水水位在容许的范围内。单冲量水位自动控制系统，是汽包水位自 动控制中最简单最基本的一种形式。对于中小型锅炉在蒸汽负荷变化不大的情况下，水 位受到扰动后的反应速度比较慢，“虚假水位”现象也不严重，采用单冲量控制系统， 一般采用比例调节就能满足生产上的要求，如果采用 PI 调节器，将得到更满意的效果。 其原理框图见图 1.1-1，方框图见 1.1-2.1.1-1Xepqy1.1-2单冲量水位存在的问题是：当锅炉蒸汽负荷变化很大时，由于“虚假水位”现象的 影响，在调节过程一开始，调节器根据水位先上升趋关下调节阀，减少给水量，这个错 误动作扩大了汽包

14、进出流量的不平衡，使汽包水位和给水量的波动幅度增大，降低了调节质量。从给水扰动下的情况下看。由于给水总管压力改变等原因造成的给水量变动时， 调节器要等到水位改变后才能动作，而调节器动作后又要经过一段延时时间才能影响到 水位，因此将导致汽包水位发生较大的变化，调节时间长。1.2 双冲量水位控制系统1.2.1 双冲量水位控制方案及工作原理1. 控制方案 在单冲量汽包水位控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统。这种水位控制的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对控 制的不良影响，当负荷蒸汽变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可 以减少或抵消由于“虚

15、假水位”现象而使给水量与蒸汽流量向相反方向变化的误动作， 使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减少了给水和水位的波动，能够改善控 制系统的静态特性，提高控制质量。其原理图和方框图见 1.2-1,1.2-2由于过程控制系统总具有滞后的特性，当从干扰产生到被控制量起变化，需要一定 长的时间；而被控制量变化后通过调节器产生的调节作用又要经历一段时间。因此，被 控参数要达到新的稳定状态就要经历相当长的时间。显然，控制系统的滞后越大，则被 控参数变化的幅度也越大，偏差持续的时间也越长。为了解决上述问题，采用一种与反 馈控制原理完全不同的控制方法，这种方法是按照干扰作用进行控制的。只要干扰一出 现，

16、在被控制量未受到影响前，补偿器立即根据干扰的性质和大小，改变执行器的输入 信号，从而使被控制量基本不受扰动的影响。蒸汽给水省煤 器1.2-1 2. 工作原理1.2-21）前馈控制系统工作原理 利用输入或扰动信号的直接控制作用构成的开环控制系统。这类按输入或扰动的开环控制通常与包含按偏差的闭环控制共同组成反馈-前馈控制系统，称为复合控制系统。 由于按偏差确定控制作用以使输出量保持其在期望值的反馈控制系统，对于滞后较大的 控制对象，其反馈控制作用不能及时影响系统的输出，以致引起输出量的过大波动，直 接影响控制品质。如果引起输出量较大波动的主要外扰动参量是可量测和可控制的，则 可在反馈控制的同时，利

17、用外扰信号直接控制输出（实施前馈控制），构成复合控制能 迅速有效地补偿外扰对整个系统的影响，并利于提高控制精度。这种按外扰信号实施前 馈控制的方式称为扰动控制，按不变性原理，理论上可做到完全消除主扰动对系统输出 的影响。前馈控制系统的特点（1）前馈控制是基于不变性原理工作的，比反馈控制及时、有效；（2）前馈控制是属于“开环”控制系统；（3）前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器，又称前馈补偿装置；（4）一种前馈作用只能克服一种干扰。 前馈控制主要用于下列场合（1）干扰幅值大而频繁，对被控变量影响剧烈，单纯反馈控制达不到要求时；（2）主要干扰是可测不可控的变量；（3）对象的控制通道滞后大

18、，反馈控制不及时，控制质量差时，可采用前馈一反 馈控制系统，以提高控制质量。2）反馈控制系统的工作原理 反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。 带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称 为调节器。以锅炉温度控制为例，受控对象为汽包；输出变量为实际的锅炉汽包水位; 输入变量为给定常值水位。锅炉温度用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相 比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制 量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因

19、此，它具有抑制干扰的能力， 对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统 输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并 消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向 通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反 馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运 行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟 随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。同开环控

20、制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什 么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制 作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系 统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系 统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即 前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。1.2.2 双冲量水位控制系统的特点从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈（蒸汽流量）与单回路反馈控制系统的复 合控制系统。双冲量汽包水位控制，能在负荷变化频繁的工况下比较好

21、的完成水位控制 任务。在给水压力比较平衡时，采用双冲量控制是能够达到控制要求的。双冲量汽包水位控制存在的问题是：控制作用不能及时反应给水方面的扰动，当给 水量扰动时，控制系统等于单冲量的控制。因此，如果给水母管压力经常波动，给水调 节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制。1.3 三冲量水位控制系统1.3.1 结构原理双冲量系统还有两个弱点，即调节阀的工作特性不一定是线性，这样要做到静态补 偿不是很难；同时给与给水系统的扰动不能直接补偿。为此，将给水量流量信号引入， 构成三冲量控制。在双冲量水位自动调节的基础上，为解决给水压力不稳而造成调节性 下降的问题，引入给水流量作为调节器的反馈信号

22、。它采用蒸汽流量作为前馈信号，克 服负荷变化引起的外扰动，减少假水位引起的调节器误动作；用给水流量作为反馈信号， 克服内扰影响，稳定给水量，可以进一步改善给水调节质量。针对上述情况，为了把水位控制平衡，在双冲量水位控制的基础上引入了给水流量信号，这时调节器接受三个输入信号：汽包水位是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量是 前馈信号，给水流量是反馈信号，这就是汽包水位的三冲量控制系统。 工业锅炉采用三冲量控制系统时，当蒸汽负荷突然发生变化，蒸汽流量信号使给水调节 阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水 位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于

23、水压干扰使给水 流量改变时，控制器能迅速消除干扰。如给水流量减少，控制器立即根据给水流量减少 的信号，开大给水阀门，使水流量保持不变。另外，给水流量信号也是控制器动作后的 反馈信号，能使控制器及早知道调节的效果，所以三冲量给水调节系统，控制器动作快， 还可以避免调节过头，减少波动和失调，这样汽包水位就很少受到影响。:1.3.1-1从三冲量水位控制系统的原理框图可以看出，它由两个闭合回路组成：1.是由给水量，调节阀，控制器组成的内回路；2.由汽包水位对象和内回路构成的主回路，蒸汽流量和分流器均在闭合回路之外， 它的引入可以改善调节质量，但不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制的实质 是前馈加

24、串级的控制系统。三冲量控制对单、双冲量控制方案取长补短，极大地提高了水位控制质量。例如， 当耗气量 D 突然阶跃增大时，一方面由于假水位现象水位会暂时升高，它使调节阀错误 地指挥调节机构增加给水量。另一方面。D 的增大又通过双冲量控制作用指挥调节阀机 构增加给水量。实际给水量是增大还是减少，取决于系统系数的整定。当假水位现象消 失后，水位个蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作，只要参数整定合适，当系数恢复 平衡后，给水量必然等于蒸汽流量。水位 H 也会维持在设定值。总之，三冲量汽包水位控制系统，由于引进蒸汽流量和给水流量信号作为控制信号， 系统动作及时，有较强的抗干扰能力，在较大的阶跃扰动时都能

25、有效地控制水位的变化，因而得到了广泛的引用。1.3.2 三冲量控制方案1.方案之一图 1.3.2-1 所示是三冲量控制方案之一。该方案实质上是前馈（蒸汽流量）加反馈 控制系统。这种三冲量控制方案结构简单，只需要一台多通道调节器，整个系统亦可看 作三冲量的综合信号被控变量的单回路控制系统，所以投运和整定与单回路一样，但是 如果系统设置不能确保物料平衡，当负荷变化时，水位将有余差。如图 1.3.2-1,为方案 一的原理图2.方案之二1.3.2-1该方案与方案一相类似，仅是加法器位置从调节器前移至调节阀后。该方案相当于 前馈串级控制系统，而副回路的调节阀比例度为 100%，该方案不管系数如何设置，

26、当负荷变化时，液位可以保持无差。如图 1.3.2-2 为原理图：3.方案之三1.3.2-2如图 1.3.2-3 所示为三冲量控制方案之三，这是一种前馈（蒸汽流量）与串级控制 组成的复合控制系统。在汽包停留时间较短，“虚假水位”严重时，需引入蒸汽流量信 号的微分作用，如图中虚线所示。这种微分作用应是负微分作用，起一个动态前馈作用， 以避免由于负荷突然增加或减少时，水位偏离设定值过高或低而造成锅炉停车。1.3.2-31.3.3 几种控制方案的比较单冲量水位控制是汽包水位自动化控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水量信号的反馈，所 以水

27、位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前 馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节 品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号， 可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节 阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动，缩短调节的时 间，而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能该少调节系统的静特性，提高调节质量。双冲 量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动 时，给水调节阀前后压差不宜保持正常时，不宜采用双冲量控制：另

28、外在大型锅炉的控 制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容量就越小，允许波动的出水量就更 少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水量信号，由水位蒸汽 流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量， 是主冲量信号，蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号，三冲量水位控制系统抗干扰能 力强，适于大中型中压锅炉。三冲量控制方案一：方案一宜作为一般锅炉水位的控制方案，其特点是使用的设备少，整定方发比较简单，调节机构动作比较平稳。 三冲量控制方案二：与方案一比较，其加法器从调节阀前移至调节阀后，即使出现物料不平衡的的现象，只要水位有偏差，调节器的积分作用就

29、能消除偏差。 三冲量控制方案三：采用这种控制方案，在负荷变化时给水量会及时作出相应变化，调节时间也比较短，对于克服“虚假水位“的动态偏差有进一步的好处，方案三适 于大容量高压锅炉，而且要求水位控制严格的场合。1.4 设计方案的确定锅炉的给水量在运行生产中经常有自发性变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发 生几台锅炉的汽包水位控制互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起 给水母管压力波动而使其他锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量 这种自发性变化不能及时反映出来，要经过一定的延迟时间之后，给水量的扰动才能通 过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位控制

30、又互相影响，使 得控制过程非常复杂。另外，近代工业锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般锅炉容 量越大，汽包的容水量就越小，容许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在 1030s 就会发生危险水位；如仅是给水量与蒸汽量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺 水或满水事故。这样对汽包水位控制要求就更高了。由常规仪表和调节仪表构成的模拟控制系统，虽然具有可靠性高，成本低，易于维护和操作等优点，并在大中小企业中得到了广泛的应用，解决了不少自动化方面的问题。 但是随着生产向大型化连续化发展，对自动化技术的要求越来越高，模拟自动控制系统 越来越表现出它的局限性。例如它难以实现多变量控制，复杂控制规律的控

31、制，最优控 制，自适应控制，以及时变控制等；模拟控制屏越来越长，难以实现集中控制；各条系 统之间不便进行通讯联系，难以实现多级控制；控制方案的修改比较麻烦。如果采用计 算机作为自动化工具的过程控制系统，就能很好地解决模拟控制系统存在的上述问题。采用三冲量水位控制系统，以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水量 为控制器的反馈信号来控制给水量。通过智能仪表的控制，使锅炉汽包水位维持在正常 的范围内，当水位超过上限或下限时，能及时报警并采取相应的措施，并且可靠性高， 充分体现三冲量控制系统的优越性，极大地提高了企业的生产效率和经济效益。该系统 自动化程度较高，大大降低了操作者劳动强度，降低了

32、成本，综合性强，实用性好，保 障锅炉正常运行。经分析可知采用三冲量的控制方案三为最优方案。第第第第 2 章章章章 控控控控制制制制系系系系统统统统的的的的设设设设计计计计2.1 过程控制系统设计的一般要求及内容1.过程控制系统设计的一般要求：1)过程控制系统是稳定的，且具有适当的稳定裕度。2)系统应是一个衰减振荡过程，但过渡时间要短，余差要小。2.过程控制系统设计的主要内容：1)控制方案的设计，是整个系统设计的核心。2)工程设计。3)工程安装和仪表调校。4)控制参数工程整定。2.2 控制系统方框图锅炉汽包液位控制系统图和调节器正反作用的确定。 在确定调节阀为气关的前提下，按单回路控制系统，可以

33、确定流量控制器 FC 为正作用。汽包液位和给水流量增加都需要关小调节阀，即对阀位的动作方向要求是一致的， 故液位控制器 LC 是反作用。:2.2-12.3 锅炉三冲量控制系统工作原理及调节过程2.3.1 工作原理冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器 LC 与流量控制器 FC 构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水流量是副变量。副变 量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动是引起汽包液位变化的因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入 FC，使给水流量作相应的变化，所 以这是按干扰进行控制的，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。2.3.2

34、 调节过程根据串级控制系统选择主、副控制器的正、反作用的原则，水位控制器 LC 反作用 选反作用，流量控制器 FC 为正作用，调节器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因 LC 反作用，它的输出下降，进入加法器后，使 FC 给定值减小而输出增加，调节阀的开 度减小，给水流量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC 给定值 增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水流量增加，保持水蒸汽平衡，使水位不；副 回路克服给水自身的扰动，要进一步地稳定了水位的自动控制；给水流量增加，FC 输 出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸汽平衡。1. 常见故障和处理措施常见故障是出现“假液位”

35、 现象时，容易烧干锅炉。此时，仪表维护人员应该检 查、测量汽包液位的真实性，做相应的处理；调节阀线性不好，出现 DCS 控制室调节 阀的输出信号和现场阀位的开度对不上，仪表维护人员应联系好工艺，办好检修票的同 时，在现场进行多次校验，至到合格为止；蒸汽流量突然波动，FC 来不及进行作相应 的变化，及时的按干扰量进行控制，应该检查 FC 的 PID 参数是否设的合适。此外，应 该经常检查 LC、FC 调节器的正、反作用是否设的合适，有无更改过等，如有，根据工 艺和安全要求，进行合理修改；在进行停车检修后，现场调节阀的作用方式是气关或气 关，设定是否更改过？是否满足工艺安全生产的要求等。2. 注意

36、事项和改进方法在实际维护当中，由于蒸汽流量的波动，对汽包液位的影响，调节不及时，常常出 现“假液位” 现象，造成操作人员误判断，容易烧干锅炉，严重时导致锅炉爆炸等事 故。根据工艺操作法，严格按照工艺流程进行精心操作，串级回路一定要投自动，不允 许按照个人习惯进行手动操作。否则，应该给予经济制裁。除了仪表维护人员加强巡检外，对汽包液位可再增加一台实现双冗余，防止汽包液 位表坏，工艺操作人员仅靠汽包压力调节控制阀，容易做出误判断，容易烧干锅炉，严 重时导致锅炉爆炸等事故。2.4 串级控制系统的设计2.4.1 串级控制系统各环节的选择如图 2.2-1 所示，主变量 y1 是工艺控制指标或与工艺控制指

37、标有直接关系，在串级 控制系统中起主导作用的被控变量，其主变量为锅炉汽包水位。副变量 y2 在串级控制系统中为了更好的稳定主变量或因其他某些要求而引入的辅 助变量，其副变量为给定水流量。主对象是由主变量表征其主要特征的生产设备，如加热炉串级控制例子中从炉膛温 度监测点到加热炉出口温度监测点这段局部设备，其主对象为锅炉汽包。副对象是由副变量表征其特征的生产设备如加热炉串级控制例子中，从执行器到炉 膛温度监测点的这段局部设备，其副对象为蒸汽管道。主控制器是按主变量的测量值，与给定值的偏差进行工作的控制器，其输出作为副 控制器的给定值，其主控制器为 LC。副控制器是按副变量的测量值与主控制器的输出值

38、的偏差进行工作的控制器，其输 出直接改变控制阀阀门开度，其副控制器为 FC。主变送器是测量并转换主变量的变送器。副变送器是测量并转换副变量的变送器。副回路是由副测量变送器 FT，副控制器 FC，执行器 FV 和副对象构成的闭合回路，也称副环或内环。主回路是由主测量变送器 LT，主控制器 LC，副回路和主对象构成的闭合回路，也 称主环或外环。2.4.2 回路设计1.主回路的设计：串级控制系统的主回路是定值控制，其设计单回路控制系统的设 计类似，设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。这里主要解决串级控制系统中 两个回路的协调工作问题。主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问 题。2

39、.副回路的设计：由于副回路是随动系统， 对包含在其中的二次扰动具有很强的抑 制能力和自适应能力，二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小，因此在 选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路 中，此外要尽可能包含较多的扰动。归纳如下：1) 在设计中要将主要扰动包括在副回路中。2) 将更多的扰动包括在副回路中。3) 副被控过程的滞后不能太大，以保持副回路的快速相应特性。4) 要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。5) 在需要以流量实现精确跟踪时，可选流量为副被控量。在这里要注意 2)和 3)存在明显的矛盾，将更多的扰动包括在副回路中有可

40、能导致副 回路的滞后过大，这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥，因此，在实际系统的设计中要兼 2)和 3)的综合。例如，以物料出口温度为主被控参数、炉膛温度为副被控参数，燃料流量为控制参 数的串级控制系统，假定燃料流量和气热值变化是主要扰动，系统把该扰动设计在副回 路内是合理的。3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配 设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动，同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。副回路中如果包括的扰动越多，其通道就越长，时间常数就越大，副 回路控制作用就不明显了，其快速控制的效果就会降低。如果所有的扰动都包括在副回 路中，主调节器也就

41、失去了控制作用。原则上，在设计中要保证主、副回路扰动数量、 时间常数之比值在 310 之间。比值过高，即副回路的时间常数较主回路的时间常数小 得太多，副回路反应灵敏，控制作用快，但副回路中包含的扰动数量过少，对于改善系 统的控制性能不利；比值过低，副回路的时间常数接近主回路的时间常数，甚至大于主 回路的时间常数，副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益，但是副回路的控制作用 缺乏快速性，不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。严重时会出现主、副回路“共 振”现象，系统不能正常工作。2) 主、副调节器的控制规律的匹配、选择在串级控制系统中，主、副调节器的作 用是不同的。主调节器是定值控制，副调节器是

42、随动控制。系统对二个回路的要求有所 不同。主回路一般要求无差，主调节器的控制规律应选取 PI 或 PID 控制规律；副回路 要求起控制的快速性，可以有余差，一般情况选取 P 控制规律而不引入 I 或 D 控制。 如果引入 I 控制，会延长控制过程，减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引入 D 控制，因为副回路采用 P 控制已经起到了快速控制作用，引入 D 控制会使调节阀的动 作过大，不利于整个系统的控制。3) 主、副调节器正反作用方式的确定：一个过程控制系统正常工作必须保证采用 的反馈是负反馈。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保 证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判

43、定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确 定主调节器（LC）的作用方式。以图 2.1-1 所示物料出口温度与锅炉温度串级控制系统 为例，说明主、副调节器正反作用方式的确定。副调节器（FC）作用方式的确定：首先 确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统出现 故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0 。然后确定副被控过程的 Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，锅炉温度上升， 所以 Ko2 0 。最后确定副调节器（FC），为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 20 ，

44、副调节器作用方式为反作用方式。主调节 器作用方式的确定：锅炉温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 0。为保 证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器（FC）的放大系数 K 1 0，主调节器作用方式为反作用方式。从加热炉安全角度考虑，调节阀应选气开阀， 即如果调节阀的控制信号中断，阀门应处于关闭状态，控制信号上升，阀门开度增大， 流量增加，是正作用方式。反之，为负作用方式。副对象的输入信号是给定水流量，输 出信号是给定水压力，流量上升，压力亦增加是正作用方式。测量变送单元作用方式均 为正。由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送 环节为

45、正。根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原 则，即闭环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器（LC）均选用反作用调节器，副调 节器（FC）均选用反作用调节器。第第第第 3 章章章章 控控控控制制制制系系系系统统统统各各各各元元元元器器器器件件件件选选选选择择择择3.1 控制器的选择控制器是控制系统的核心部件，它将测量变送信号与给定值比较产生偏差信号，并按一定的控制规律对该偏差进行运算，输出的信号送往执行器。 控制器的选择主要包括控制规律的选择和正，反作用方式的选择。3.1.1 控制规律选择1.比例控制器（P）比例控制是最基本的控制规律，其特点是控制规律简单，调整方便；缺

46、点是会使系 统产生余差。虽然通过增加比例放大系数可减小余差，但是系统稳定程度降低。所以比 例控制系统适应于控制通道滞后及时间常数均较小，干扰幅度较小，负荷变化不大，控 制质量要求不高，允许有余差的场合。2.比例积分控制器（PI）比例积分控制是使用最多，应用最广的控制规律，在反馈控制系统中，约有 75%是 采用 PI 控制规律的。积分作用的引入，使系统具有消除余差的能力。另外，积分作用 的滞后特性还有利于减小高频噪音的影响。但是加入积分作用后，会是系统稳定性降低， 必须减小比例放大系数以保持系统原有的稳定。对于容量滞后较小，负荷变化不太大， 工艺参数不允许有余差的场合，PI 控制规律可以有效地改

47、善控制品质。3.比例为分控制器（PD）比例为分控制器，由于微分作用的引入，是系统具有超前控制功能，因而控制更加 及时，可有效减小动态偏差。因此，对于控制对象容量滞后较大的场合，可采用比例微 分控制器。4.比例积分微分控制器(PID)PID 控制规律综合了各种控制规律的优点，所以适当调整 Kc，Ti，Td，三参数，可 以使控制系统获得较高的控制质量。一般来说 PID 控制器适用于过程容量滞后较大，负 荷变化大，控制质量要求高的场合。PID 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即 产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系 统

48、的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。1.积分调节是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至 无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数 Ti,Ti 越 小,积分作用就越强。反之 Ti 大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成 PI 调节器或 PID 调节器。2.微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能 产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系 统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。

49、微分作用对 噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变 化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种 调节规律相结合,组成 PD 或 PID 控制器。在调节系统中，其过程控制方式就是将被测量，如温度、压力、流量、成分、水位 等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然 后把比较出的差值进行 PID 运算。所谓 PID 运算就是比例、积分、微分运算。P 调节就 是调节器的输出和输入成比例。调比例带，也就是调比例系数，比例带就是输出与输入 之比（放大倍数）的倒数。I 调节就是输出是输入量（即偏

50、差）的积分，只要有偏差， 调节器就会不断积分，使输送到执行器的信号变化，校正被控量，直到达到无偏差为止， 所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。但要注意单独的积分调节往往是不能工作的。 所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。D 调节就是微分调节， 也就是输出对输入的微分。微分调节的优点在于它的超前性，当输入发生变化时，马上 就有微分信号产生，使被控量得以提前校正，然后再由 P、I 进行校正，这样可以使整 个调节的过渡过程时间缩短，有利于调节质量的提高。目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制 理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制

51、理论三个阶段。智能控制 的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系 统。一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的 输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变 送器，通过输入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不 一样的。比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感器。 目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中 得到了广泛的应用，有各种各样的 PID 控制器产品，各大公司均开发了具有 PID 参数自 整定功能

52、的智能调节器，其中 PID 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、 自适应算法来实现。有利用 PID 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现 PID 控制功能。3.1.2 控制器正反作用选择对于一个闭环控制系统来说，若要使系统稳定，系统应采用负反馈。在实际系统分析中，为了保证能构成负反馈控制系统，主要考虑控制器，控制阀，被控对象，测量变 送器各个环节放大系数 Kc，Kv，Ko，Km 的符号联成为负。只要事先知道了对象，控 制阀，测量变送器放大系数的正负，再根据系统各个环节的放大系数符号乘积必须为负 的要求，就可以很容易地确定出控制器的正反作用的方式。环节正负的确定：输入增加，输

53、出也增加，则该环节放大系数符号为正：输入增加， 输出减小，则该环节放大系数符号为负，根据以上述的规定可知：1.对象放大系数 Ko 的正负号。被控对象放大系数 Ko 的正负号规定为：当操纵变量 增加，被控变量也增加时，Ko 为正，如果操纵变量增加，被控变量减少，则 Ko 为负。2.控制阀放大系数的正负号。控制阀放大系数 Kv 的正负号规定为：气开阀 Kv 为正； 气关阀 Kv 为负。3.测量变送器放大系数 Km 的正负号。被控变量增加，测量变送器的输出增加，所 以测量变送器放大系数 Km 的正负号为正。4.控制器放大系数 Kc 的正负号。控制器的正反作用方式，测量值 z 增加，输出也 增加时，则

54、成控制器为正作用方式；反之，z 增加，输出减小，控制器为反作用方式。 当系统中选择正作用控制器时，对应放大系数 Kc 为正；选择反作用控制器时 Kc 为负。保证系统为负反馈的条件是：Kc，Kv，Ko，Km 为负，因 Km 为正，则 Kc，Kv， Ko，K 为负。例如，锅炉汽包水位控制系统，如图 3.2.2-1 所示。锅炉给水控制阀常采用气关阀， 以保证发生事故时，阀全开，继续供水，防止锅炉烧干爆炸，所以 Kv 为负。当锅炉进 水量(操纵变量)增加时，汽包水位(被控变量)上升，所以 Ko 为正，根据系统为负反馈的 条件，控制器放大系数 Kc 应为正，即选正作用方式。该系统的控制过程是：当汽包水

55、位升高时，测量值增大，由于控制器是正作用方式，故输出信号增大，从而使气关阀开 度减小，进水量减小，导致汽包水位下降，系统得到控制。3.2 控制阀选择3.2.2-1控制阀是控制系统非常重要的一个环节，它接受控制器的输出信号，改变操纵变量，执行最终控制任务。气动控制阀可分为气开和气关两种形式。 控制阀开关形式的选择应根据以下三个方面考虑。 1)从工艺生产的安全角度考虑。主要考虑当失气(气源供气中断)或控制阀出现故障时，应避免损坏设备和伤害人员。事故情况下，控制阀处于关闭位置危害性小，则应选 气开阀；反之，应选气开阀。例如，加热炉燃料控制阀一般选气开阀，以保证在控制阀 失气时能处于全关状态切断进炉燃

56、料，从而避免加热炉温度过高造成事故。2)从介质特性上考虑。如果介质是易凝，易结晶，易聚合的物料，控制阀开关形式 选择应考虑介质的这些特性。例如，精馏塔塔釜加热蒸汽控制阀一般选气开阀，但是如 果釜液是易凝，易结晶，易聚合的物料，控制阀则应选择气开阀，以防控制阀失气时阀 门关闭，停止蒸汽进入而导致再沸器和塔内液体的结晶和凝聚，造成堵塞。如果介质易 结焦，则一般选气开阀。3)保证产品质量，经济损失最小的角度考虑。当事故发生时，尽量减少原料及动力 消耗，但要保证产品质量。例如，精馏塔进料阀常为气开阀，如果没有气压，阀就全关， 停止进料，以免浪费；塔顶采出阀常为气开阀，如果没有气压，阀就全关，保证塔顶产