三冲量汽包液位控制系统设计

1、第一章 工程实例1、三冲量汽包液位控制系统应用1.1 三冲量控制系统的构成在三冲量控制系统中， 汽包液位、蒸汽流量及给水流量等 3 个被控变量会安 装相应的调节器， 在锅炉运行的过程中， 这三个信号作用于调节器， 会适时调整， 做相应的改变。在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量、给水流量都是串联关系，其中 汽包液位是三者中的主冲量， 能够反映整个汽包的工作状态和运行状况； 而蒸汽 流量和给水流量分别担任辅助冲量， 蒸汽流量就是一个前馈系统， 通过这个系统， 能够消除“假液位”现象，保证整个系统的准确性；给水流量是一个反馈系统， 它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响。主冲量和辅助冲量之间相

2、互配 合、相互影响，共同保证前馈 - 串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行。1.2 三冲量控制系统的工作原理三冲量控制系统的工作原理是： 将三个信号中的汽包液位当做主信号， 当锅 炉中的水位改变时， 与之相对应的调节器输出也会发生相应的变化， 在此基础上 的给水流量也会发生改变， 这样就能够使锅炉的水位达到给定值。 在这个过程中， 蒸汽流量充当着前馈作用， 其作用是防止“假液位”干扰调节器的工作。 而给水 流量充当着反馈的作用， 当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时， 给水流量会在锅炉 水位未改变之前，消除这种干扰，使调节器正常工作，使给水流量更加稳定。1.3 三冲量控制系统在锅炉汽包液位中的应用

3、在锅炉生产中，三冲量控制系统作为前馈 - 串级反馈系统，其运行遵循着主 控制器的正作用和副控制器的反作用原则。在三冲量控制系统中，流量控制器 FC作为主控制器，起着正作用功能；水位控制器 LC作为副控制器，起着反作用 的功能；而调节器则起着调节阀的作用。通常当锅炉的水位升高时， LC 就会产生反作用，其输出就会相应减少，通 过加法器， FC 的给定值减少，而调节器的输出却增加，故而要减小调节器的阀 门开度，缩小FA2101 （给水流量），使水位下降至给定值。在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情况下，FC的给定值会相应的减少，而调节 器的输出增加，故而要扩大调节器的阀门开度，增加给水流量，平衡蒸

4、汽流量， 使水位保持在给定值上。当FA2102（给水流量）增加时，FC调节器的输出也会相应增加，这时要减 小调节阀开度，减少给水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不变。另外，在选择给 水流量的调节阀时， 要保证锅炉的安全。 比如当生产的热源是蒸汽时， 就应该选 择气关阀来保护锅炉； 而当蒸汽的供给超过蒸汽压缩机时， 就应该选择气开阀来 保护锅炉设备。通过三冲量控制系统，能够利用调节器的开关阀对锅炉生产中的汽包液位、蒸汽流量和给水流量进行有效调节，消除了 “虚假液位”现象，保证水位的稳定， 很好地控制了锅炉汽包液位，保证整个锅炉系统和整个生产工艺的安全可靠，同 时也促进了锅炉生产技术的改进和完善。2.

5、 系统控制流程图图1-1系统控制的程序流程图第2章标准节流装置设计及计算程序设计1.给水调节对象的动态特性锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样， 但是实际情况 却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气 泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化， 汽包水位也会随之发生改变。汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽 化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量 的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低

6、时，水就会被急剧汽化，出现大量 气泡，形成“虚假液位”。根据所给任务书中的要求，水位H与给水W之间的传递函数为一个一阶对象，时 间常数为5s，静态放大倍数为 &2.系统控制框图单级三冲量控制系统如下图所示:图2-1三冲量控制系统从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路： 一个是由给水 流量W给水变送器、调节器和调节阀组成的回路；另一个是由汽包水位对象和 回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之。 但 它的引入可以改善控制质量，且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反馈的控制系统综上所述，本系统应选用水位串级控制。 主回路用于直

7、接控制水位，主调节 器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以 用比例或比例积分动作。结合题意设计系统框图如下：其中，Hr水位设定值W -给水量H -水位值Gc1(s)主控制器Gc2(s)副控制器Gp(s)被控对象传递函数Kd蒸汽流量检测变送器放大倍数Kw给水流量检测变送器放大倍数Kh水位检测仪表放大倍数第 3 章 调节阀选型及计算1. 给水流量计的选择及KW的计算根据所给离心泵的参数，给水压力3MPa水流量为25T/h。正常的蒸汽量为10T/h ，因此在稳定的情况下，需要的给水量应等于蒸发量，即正常的给水量为10T/h 。选择输入量程所对应的给水流量为 20T/h

8、。输出量程为420mAKW =（20-4）/ （20-0 ）=0.8mAh/T1.1蒸汽流量计的选择及KD的计算根据所给的蒸汽流量稳定值为 10T/h ，选择输入量程所对应的蒸汽流量为20T/h. 输出量程为 420mA。KD=（20-4 ）/ （20-0 ）=0.8mA/T1.2调节阀的选择及Ku的计算选择电动调节阀，输入量程为 420mA输出量程为025T/h。Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA1.3差压式水位测量仪表及KH的计算根据题目所给的最大允许波动为土 30mm因此仪表输入选择为土 60mm输出 为 420mA。KH=（20-4）/（60-（-60）=0.133m

9、A/mm2. PID 控制器的参数整定首先，对副环进行整定， 由上面选择的调节器可以得到， 副环是一个比例环 节，因此在整定副环时，只要保证系统的稳定性就可以了。 其次，对主环进行整定，先将 PI 调节器的积分常数置成无穷大，然后给比例系 数，若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例带。通过不断调节是系统稳定，然后调节积分常数Ti，最终得到的是一个衰减比在4: 110: 1的衰减震荡过程。各个调节器的参数如下：副调节器：K2=5主调节器：0=8，Ti=0.38s，=0.，衰减比为10： 1其衰减振荡的曲线如下：图3-1衰减振荡曲线3. 锅炉汽包水位总体设计的仿真图3

10、-2串级三冲量控制系统 SIMULINK仿真模型得到的响应曲线如下图所示12 !IIIII1111i 10 - . . 8 _-6 -4 -2 _-0 |01002003004005006007008009001000图3-3串级三冲量控制系统响应曲线仿真结果分析：串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上优越，响应 曲线平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也很强。4. 硬件设计实现控制过程为：利用由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器把液 位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到 单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出地数字信号再通过DAC0832转化成为模拟信号

11、。4.1控制器的选择选择51单片机作为系统控制器。首先给出锅炉水位的正常工作围，由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定围；当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规 定围。51单片机与AD和DA的接口连接如下图所示：图3-4 51单片机与AD和DA的接口4.2控制的程序框图图3-5系统控制的程序流程图4.3 AD转换器AD转换器选择ADC0809,ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，8 路数字输出的A/D转换器。AD转换器的电路设计：AD转换结束后，EOC脚输出

12、高电平，此时单片机接收EOC言号，读取AD 转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。AD转换结果由P0 口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0 口相连，高低位依次相连。 经 以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示P2110P2.0e22P2223“125NT0 2177kD-PD.7IP.LD-PD.614kD-P0.5IEA.D-P0.4eA.D-P0.3IBA.D-P0.2ibA.D-P0.120A.D-PO.O2ALEEOCADC0S03ADDCADD'DADD-ACLOCK JTARTEMABLEbb2-82-72-62-5 鮎2-32-2TH5fe2-

13、1IN-7IN-6IN-5ININ-3IN-2IN-1IN-01228-5V< ADIM >< ADIW >图3-6 AD转换器的接口电路4.4DA转换器DA转换器选择DAC0832QAC083是具有两个输入数据寄存器的8位DAC, 它能直接与51单片机相连。DA转换器的电路设计：选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832勺引脚特性，将DAC0832勺引脚接发如下：CS片选端，低电平有效，直接接低电平ILE :数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，

14、故直接 接低。XFER数据传送控制，低电平有效，故直接接地。WR1第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时，将 输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.2 口相连，由程序控制。经以上分析，设计DA转换器的接口电路如图所示图3-7 DA转换器的接口电路第四章 课程设计心得通过这次过程控制课程设计，我们感触颇深，不仅对书上学习的知识 进行了复习与巩固，而且还培养了我独立思考与解决问题的能力。 通过将近 一周的努力，我终于在规定的时间完成了任务。是我更加深刻地理解了锅炉 液位的三冲量控制， 而且将我在众多专业课程上所学到的知识相结合， 更进 一步提高了我们综合运用知识的能力

15、。 通过课程设计将所学到的专业知识联 系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用围的宽广，加深了对专业、 对工程设计的理解。 让我更加明白了在生产实际中， 不能对书面的知识生搬 硬套，要具体问题具体分析，才能正确快速的解决问题。另外，还让我懂得 了在设计制造的道路上，需要不断地探索与创造，坚持不懈，持之以恒。这 次的设计经历让我受益匪浅。完成了这次设计以后，对我以后的生活和工作都有很大的帮助，锻炼 了自己的动手能力， 让自己对所学的知识进行了一个升华， 更深入的了解了 这门课程的真谛，我以后也应该多多动手，不能只学习课本上的理论知识， 应该更多地把理论和实际结合到一起， 这样才能学有所用。 为了让自己以后 更