基于PID锅炉温度控制系统设计

1、基于PID的蒸汽锅炉控制系统设计摘要：本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。所以本设计采用串级控制系统，这样可以极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。在本设计用到串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度，通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。关键词：蒸汽锅炉 温度 PID 串级控制Boiler Control System Design Ba

2、sed on PIDAbstract: This article is for the boiler overheated steam temperature control system analysis and design, and good control of superheated steam boiler steam temperature to ensure that the system output stable premise. This design uses a cascade control system, can greatly eliminate various

3、 interference factors in the control system work, so that the system can work in a relatively good state while the boiler superheater outlet steam temperature is within the allowed range, and protect the superheater tube wall temperature does not exceed the permissible operating temperature. &#

4、160;  In the design used cascade control system, the main object is sent to the load equipment outlet temperature.Vice object between the desuperheater and superheater steam temperature by controlling the flow of warm water reductions to achieve control of superheated steam temperature purposes

5、.Keywords: Steam generator Temperature PID Cascade Control一、设计目的和意义锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的锅炉，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。在我国，工业锅炉是能源转换和耗能的主要设备之一，锅炉由于设计、制造不合理，尤其是使用管理不当，导致事故的频率很高。解决普遍存在的控制系统落后、运行效率低、环境环境污染严重等问题已是刻不容缓。锅炉微机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型

6、计算机软件、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，降低耗电量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作。二、蒸汽锅炉工艺流程及控制要求2.1 蒸汽锅炉工艺流程介绍锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成，常见锅炉设备工艺流程如图1。图1 常见锅炉主要设备工艺流程图燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸

7、汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一定气温的过热蒸汽，再汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。2.2 蒸汽锅炉控制要求锅炉是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括符合的蒸汽需求量、给水量、燃料量、减温水量、送风量和引风量等；主要输出变量有锅筒液位、蒸汽压力、过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等，下图为输入变量与输出变量之间的相互关系。如果蒸汽流量变化或给水量发生变化，会引起锅筒液位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化；而燃料量的变化不仅影响蒸

8、汽压力，还会影响锅筒液位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压、可见，锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。图2 蒸汽锅炉原理图锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统： 锅炉汽包水位控制系统：主要是保持汽包内部的平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内； 锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

9、过热蒸汽温度控制系统：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围； 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。 本次设计重点控制过热蒸汽的温度。三、过热蒸汽温度控制方案及论证 3.1 过热蒸汽温度控制对象的静态特性1、锅炉负荷与过热汽温的关系锅炉负荷增加时，炉膛燃烧的燃料增加，但是，炉膛中的最高的温度没有多大的变化，炉膛辐射放热量相对变化不大，因此炉膛温度增高不大。这就是说负荷增加时每千克燃料的辐射放热百分率减少，而在炉膛后的对流热区中，由于烟温和烟速的提高，每千克燃料的对流放热百分率将增大。因此，对于对流式过热器来说，当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温

10、的稳态值升高；辐射式过热器则具有相反的汽温特性，即当锅炉的负荷增加时，会使出口汽温的稳态值降低。如果两种过热器串联配合，可以取得较平坦的汽温特性，但一般在采用这两种过热器串联的锅炉中，过热器出口蒸汽温度在某个负荷范围内，仍随锅炉负荷的增加有所升高。2、过剩空气系数与过热汽温的静态关系过剩空气量改变时，燃烧生成的烟气量改变，因而所有对流受热面吸热随之改变，而且对离炉膛出口较远的受热面影响显著。因此，当增大过剩空气量时将使过热汽温上升。3、给水温度与汽温关系提高给水的温度，将使过热汽温下降，这是因为产生每千克蒸汽所需的燃料量减少了，流过过热器烟气也就减少了。也可以认为：提高给水温度后，在相同燃料下

11、，锅炉的蒸发量增加了，因此过热汽温将下降。则是否投入高压给水加热器将使给水温度相差很大，这对过热汽温有显著的影响。4、燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。3.2 过热蒸汽温度控制对象的动态特性过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素

12、还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化(负荷变化)；加热烟气的热量变化；减温水流量变化(过热器入口汽温变化)。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。 1、蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化，二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其

13、传递函数可以用一阶惯性延迟来表示：式中：负荷扰动时被控对象的放大系数；负荷扰动后对象的滞后时间；对象的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，延迟时间约为15s左右。动态特性曲线如图3（a）。 2、 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性当烟气热量扰动(烟气温度和流速产生变化)时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和

14、惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，延迟一般在15-25s之间。烟气热量扰动的汽温响应曲线与蒸汽流量扰动下的情况类似，如图3（a）所示。b 减温水流量W扰动a 蒸汽流量D或烟气传热量Q扰动图3扰动下过热汽温的阶跃响应曲线3、减温水流量扰动下过热汽温对象的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。动态曲线图如图3（b）所示当扰动发生后，要隔较长时间才

15、能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。综上所述，可归纳出以下三点：（1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。（2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。（3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。3.3 控制方案选择 单回路控制方案 在单回路控制系统中，控制减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热能，

16、也就控制了出口蒸汽温度，如图4所示。 图4 单回路蒸汽锅炉温度控制系统简单蒸汽温度控制系统原理方框图如图5所示图5 单回路蒸汽锅炉温度控制系统原理方框图过热蒸汽控制系统的控制策略的设计当蒸汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，则系统处在动态平衡状态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化使蒸汽温度上升，造成给定值和测量值产生偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门开大，则减温水流量增大。测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。但作为被控对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用上图所示的控制系统，调节器接受过

17、热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量W ，W的变化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度t，这样既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生很大的动态偏差，影响锅炉生产的安全和经济运行。从动态特性上看，这种调节方法不是很理想，但由于设备简单，因此，应用得很多。在温度控制精度要求较高的场合，常采用串级控制系统。 串级控制方案根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以减温器出口蒸汽温度为副参数，过热蒸汽温度为主参数的串级控制系统，系统结构如图6所示。系统中以减温器的喷水为控制手段，在单回路控制主

18、汽温 (即将作为主信号反馈到调节器，由调节器直接去控制阀门开度)的基础上增加一个对减温水流量变化反应快的中间温度信号作为导前信号，增加一个副调节器，如图8所示的串级控制信号系统。副调节器根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动，蒸汽温度比提早反映，使扰动引起的波动很快消除，从而使过热蒸汽温度基本不受影响。图6 蒸汽锅炉温度串级调节系统串级控制系统具有以下特点：(1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点越显著。(2)串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率，当主、副对

19、象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比例作用时，串级控制系统由于改善了对象的特性，从而使整个系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，而且当主、副对象特性一定时，副调节器放大倍数越大，则工频率越高。当主调节器采用其它调节规律时，上述特点也是适用的。这一特点说明即使在外扰作用下，由于副回路减小了对象的时间常数，使整个系统的工频得以提高，因此仍能改善整个系统过渡过程的品质。(3)串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出，是一个随机变化的量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值，副调

20、节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性，也就是一种自适应能力。而采用单回路控制统就没有这种随动控制系统的作用。这种自适应能力可以从系统的稳态偏差上出来，串级控制系统的稳态偏差比单回路控制系统的稳态误差要小得多，就在于前者具有一定的自适应力。四、蒸汽锅炉温度串级控制的设计4.1 主、副回路的设计以及调节器的选择为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。1主、副回路的设计原则（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。但这将与要求副回路控制通道短，反应快

21、相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生

22、产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取 式子中：为主回路的振荡周期；为副回路振荡周期，要满足上式，除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。根据以上原则，本次设计选择减温器温度作为副参数，过热蒸汽温度作为主参数。2主、副调节器的选择串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。（1）副调节器的选型副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也

23、可以考虑采用PI调节器。（2）主调节器的选型 主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。 本次设计主调节器选择PID调节，副调节器选择P调节。系统框图如下：图7 蒸汽锅炉温度串级控制系统框图4.2 蒸汽锅炉汽温控制对象传递函数模型的建立 汽温控制对象的数学模型建立，采用工程整定的方法，即给喷水阀一个阶跃扰动信号，然后多次记录减温器出口温度和过热蒸汽出口温度，得到两条阶跃

24、响应曲线。图8 工程建立被控对象传递函数示意图根据实验获得的曲线，采用两点法求出静态放大系数K,时间常数T，阶数n。由于大型蒸汽锅炉的特殊性，并没有相关设备，因此我通过查阅相关资料来得到阶跃响应曲线，近似计算出汽温对象的传递函数。式中 ：过热汽温信号 ：导前汽温信号 ：阀门喷水扰动信号图9 汽温对象阶跃响应曲线（引用）导前区传递函数:惰性区传递函数：4.3 蒸汽锅炉温度串级控制系统参数的整定在如图10所示的串级系统传递函数方框图中： 图10 串级控制系统传递函数方框图 为PID调节器，其传递函数为：; 为P调节器，其传递函数为：； 调节阀以及温度测量变换单元的传递函数：=1；; 分别为减温水流

25、量扰动以及蒸汽流量扰动；因为两个调节器串在一起，在一个系统中工作，相互之间或多或少的有些影响，因此在串级系统的整定要比简单系统复杂些。本设计采用两步整定法。（1）先整定副调节器当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间，主回路基本上不参加动作，可按单回路系统的整定方法整定副调节器。图11 主副调节器分别独立整定时的方框图（2）整定主调节器当主回路进行控制时，副回路几乎起理想随动作用，由图11（a）可得从而求得副回路的闭和传递函数即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图11（b）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器的参数。按上述步骤

26、整定系统后，通常应满足（、分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率）。要达到此要求整定时应考虑以下几个问题： 对象的动态特性。控制对象前区动态特性与整个控制对象的动态特性相比，应有较小的迟延和惯性。 调节器类型的选择。副调节器可选用P（或PD）调节器，主调节器选用PID调节器，以使副回路有较高的衰减振荡频率。 整定指标的选择。副回路可取较低的稳定性裕量（例如）而主回路则取较高的稳定性裕度（例如）。五、设计结果及分析在SIMULINK下进行控制系统仿真，如图12所示。图12 Simulink仿真图（1）副调节器P的整定。图13 副回路框图经过多次测定，最终选定=200，副回路能较好的跟随阶跃信号，但是前期震荡有些大，但调节时间很快。图14 副回路整定阶跃响应图形（2）主调节器参数的整定。采取先比例后积分再微分的方法进行整定，经过多次测定，最终选定=1.9，=0.01，=42图15 主回路整定阶跃响应图形从图中可以看出系统超调量并不大，但是前期震荡有些厉害，调节时间较长。（3）减温器处加入阶跃扰动后系统的响应图形。图16 减温器处阶跃扰动响应图形阶跃值为30，从图中可以看出加入阶跃后，系统会一段自我调节时间，超调量较大，但是调节时