过控课程设计说明书

1、唐 山 学 院过程控制系统 课 程 设 计 题 目 锅炉汽包液位三冲量控制系统的设计 系 (部) 信息工程系 班 级 11自动化 姓 名 刘峰 学 号 4110218143 指导教师 王墨琦 2014 年 12 月 15 日至 12 月 26 日 共 2 周课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定 指导教师签名： 年 月 日目录1 工程背景42锅炉汽包水位52.1 锅炉系统概述52.2 锅炉汽包水位的系统结构63 锅炉水位 PID 控制系统设计73.1 PID 控制原理

2、73.2 PID 对控制的影响83.2.1比例 P调节83.2.2 积分I调节83.2.3微分D调节83.2.4 PID控制器的参数整定94 汽包水位调节系统的设计94.1三冲量水位调节系统的分析10附录121 工程背景 锅炉是发电和供热生产过程中的主要动力设备,汽包水位则是确保安全生产、稳定性、经济性以及提供优质蒸汽的一个重要监控参数,必须保持在某一期望值附近。它反映了锅炉蒸发量和给水量之间的一种动态平衡关系。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,使传热效率和蒸汽品质下降,影响供气的质量;过低时会破坏部分水冷壁的水循环,影响省煤器运行效率,甚至造成干锅和锅炉爆炸的危险。因此汽包水位

3、必须控制在一定范围内,而影响锅炉水位的因素很多,最主要的是蒸发量和给水量的波动。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在一定范围内波动,这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响。由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性,而且在负荷扰动时又存在“虚假水位”,采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。该系统以汽包水位为主信号,任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作;蒸汽流量是前馈信号,它的作用是防止“虚假水位”引起的调节器的误动作,改善蒸汽流量扰动时的调节质量;给水流量是介质反馈信号,因给水流量信号对给水流量变化的响应很快,使调节器能够在水位还没变化时

4、就对前馈信号的变化作出反应,消除内扰,使调节过程比较稳定,充分保证了调节系统的稳定运行。汽包水位系统，由于它存在非线性、不确定性、时滞非最小相位特征，使得它的精确数学模型往往是很难获得的。而且，常规的PID控制方式，建立于汽包水位系统的数学模型之上，同时PID控制参数是固定不变的，因此难以适应各种扰动和对象变化，其控制效果欠佳，但是PID控制能够实现无差控制。因此出现了模糊控制方法。模糊控制，建立于人工经验，它能够将熟练操作员的经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的制规则，不需要对象的数学模型。本设计主要以传统PID控制方案作为手段，结合过程控制方法，实现对汽包水位的稳定控

5、制。在过程控制系统中，前馈控制，能够快速的消除干扰；串级控制，如果副回路包含大部分干扰，则能够对干扰起到很好的抑制效果。影响汽包水位的主要因素是蒸汽流量（负载变化），给水流量，燃烧量。结合影响因素，重点对蒸汽流量、给水流量和汽包水位三个变量的关系进行研究，并充分利用前馈控制盒串级控制的特点，得到汽包水位三冲量前馈-串级控制系统。此系统能够有效地对负载干扰作出正确、快速动作；对给水干扰，抑制效果明显。能够实现无差控制。2锅炉汽包水位2.1 锅炉系统概述锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长

6、期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供热取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1所示。图1 锅炉主要工艺流程图2.2 锅炉汽包水位的系统结构 锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证

7、锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。锅炉汽水系统结构如图2所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征

8、的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时,汽包水位就恒定不变。图2 锅炉汽水系统结构图3 锅炉水位 PID 控制系统设计3.1 PID 控制原理在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图3 PID 控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e (t )= r(t) -y(t)。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称 PID 控制器。其控制规律为：3.2 PID 对控制的影响3.2.1比

9、例 P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大，人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定，稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。3.2.2 积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定

10、作用比 P 调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统,且振荡频率较低。3.2.3微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。3.2.4 PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的

11、方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。1、经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为，先整定比例带使之达到4:1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到 4:1 的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把 TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。2、稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间到最大值，微分时间为0,比例带最大，使

12、系统投试运行。待系统运行稳定后逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，记录此时的临界比例带K及两个波峰的时间TK利用K和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数、TI、TD。3、衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间 TI为最大值，微分时间为 0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4:1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和 TS的数值。利用 4:1衰减整定参数表求得控制器的 PID 数值。

13、将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。4 汽包水位调节系统的设计近代锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在 10-30 秒内就会发生危险水位，如仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时,还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。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，而使其它锅

14、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变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，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，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，由水位 H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，如图4所示。在这个系统里，汽包水位H是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。D、W引系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量D，当DW 时，水位H降低，要使水位 H 不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D 引入系统的符号为“ +”。H、W 引入系统的符号可用同样的方法来确定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。图4 三冲量汽包水位调节系统4.1三冲量水位调节系统的分析图5是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(1)是由给水流量 W、给水分流器w、调节器 GC、调节阀 Kv 组成的内回路由水位调节对象 Go1 和内回路构成的主回路。蒸汽流量D、分流器