锅炉液位控制系统原理概述

1、. 锅炉液位控制系统原理概述锅炉是电厂和化工厂里常见的生产蒸汽的设备。为了保证锅炉的正常运行， 需要维持锅炉液位为正常标准值。 锅炉液位过低， 易烧干锅而发生严重事故； 锅 炉液位过高， 则易使蒸汽带水并有溢出危险。 因此，必须通过调节器严格控制锅 炉液位的高低， 以保证锅炉正常安全的运行。 常见的锅炉液位控制系统示意图如 图 1-1 所示。水量不变， 而蒸汽负荷突然增加或减少时， 引起锅炉液位发生变化。 不论出现哪 种情况，只要实际液位高度与正常给定液位之间出现了偏差， 调节器均应立即进 行控制，去开打或关小给水阀门，使液位恢复到给定值。图 1-2 是锅炉液位控制系统的方框图。 图中，锅炉为

2、被控对象， 其输出为被 控参数液位， 作用于锅炉上的扰动是指给水压力变化的产生的内外扰动； 测量变 送器为差压变送器， 用来测量锅炉液位， 并转变为一定的信号输至调节器； 调节 器是锅炉液位控制系统中的调节器， 有电动，气动等形式， 在调节器内将测量液 位与给定液位进行比较，得出偏差值，然后根据偏差情况按一定的控制律 如比 例（P），比例- 积分（ PI ），比例- 积分-微分（ PID）等 发出相应的输出信号去推 动调节阀动作； 调节阀在控制系统中执行元件作用， 根据控制信号对锅炉的进水 量进行调节，阀门的运动取决于阀门的特性，有的阀门与输入信号成正比关系， 有的阀门与输入信号成某种曲线关系

3、变化。大多数调节阀呈为气动薄膜调节阀 ， 若采用电动调节器，则调节器与气动调节阀之间应有电 - 气转换器。气动调节阀 的气动阀门分为气开与气关两种。 气开阀指当调节器输出增加时， 阀门开大； 气 关阀指当调节器输出增加时，阀门保持打开位置，以保证汽鼓不致烧干损坏。图 1-2 锅炉液位控制系统方块图应用元件介绍21 气动调节阀介绍气动调节阀由气动薄膜执行机构和调节阀两大部分组成，它与气动调节器、 减压阀、定位器或其它仪表配合使用，达到控制管道内的温度、压力、液位、流 量等工艺参数的目的。气动薄膜调节阀由气动薄膜执行机构与调节阀二大部分组成 （在配用电 气转换器和阀门定位器后， 可与电动调节仪表及

4、微型计算机配套使用） 。它按照 调节仪表来的信号，改变阀门的开户度，从而达到对压力、温度、流量和液位等 参数的调节。22 电-气转换器介绍电- 气转换器是电动单元组合仪表转换单元中一个品种，接受的电动调节仪表给出的直流信号，按比例地转换输出 20100KPa气动信号，作 为气动薄 膜调节阀、 气动阀门定位器的气动控制信号， 也可作为气动仪表的气源， 实质上 它起到 电动仪表与气动仪表之间的信号转换作用。电-气转换器设计成本质安全型 （防爆型式 ia BT5），隔爆增安复合型（防 爆型式 de BT4），因此被广泛应用于石油、化工、冶金、轻工、电站等工业部 门的自控系统中。电气转换器是工业自动化

5、仪表中电动和气动仪表之间的信号转换元件。用以 将电动调节仪表输出的电流信号 4-20mA 或 0-10mA，经转换器成比例的转换成 20100Kpa 气动模拟信号，产品广泛应用于石化、电力、冶金等工业部门的自 控系统中。 电气转换器的工作原理见图 2-1 所示，它是按力平衡原理设计和工作 的。在其内部有一线圈，当调节器（变送器）的电流信号送入线圈后，由于内部 永久磁铁的作用，使线圈和杠杆产生位移，带动挡板接近（或远离）喷嘴，引起 喷嘴背压增加（或减少），此背压作用在内部的气动功率放大器上，放大后的压 力一路作为转换器的输出， 另一路馈送到反馈波纹管。 输送到反馈波纹管的压力，通过杠杆的力传递作

6、用在铁芯的另一端产生一个反向的位移， 此位移与输入信号 产生电磁力矩平衡时， 输入信号与输出压力成一一对应的比例关系。 即输入信号 从 4mA.DC改变到 20mA.DC时，转换器的输出压力从 0.02 0.1MPa变化，实现了 将电流信号转换成气动信号的过程。图 2-1 中调零机构，用来调节转换器的零位，反馈波纹管起反馈作用。2.3 各种基本控制规律介绍23 1比例（ P）控制规律具有比例控制规律的控制器，称为 P控制器，如图 2-2 所示。其中 Kp 称为 P控制器增益。P 控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中， P控制 器只改变信号的增益而不改变其他相位。在串联校正中

7、，加大控制器增益Kp，可以提高系统的开环增益， 减小系统稳态误差， 从而提高系统的控制精度， 但会 降低系统的相对稳定性， 甚至可能造成闭环系统的不稳定。 因此， 在系统校正设 计中，很少单独使用此比例控制规律。图 2-2 P 控制器23 2比例- 微分( PD)控制规律具有比例 -微分控制规律的控制器，称为 PD控制器，其输出 m(t)与输入 e(t) 的关系如下式所示：m(t) Kpe(t) K p de(t) p p dt 式中，Kp 为比例系数； 为微分时间常数。 Kp与 都是可调的参数。 PD控制器 如图 2-3 所示图 2-3PD 控制器PD控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的

8、变化趋势，产生有效的早 期的修正信号， 一增加系统的阻尼程度， 从而改变系统的稳定性。 在串联校正时， 可使系统增加一个 -1/ 的开环零点，使系统的相角裕度提高，因而有助于系统 动态性能的改善。需要指出，因为微分作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响， 且对系统噪声非常敏感， 所以单一的 D 控制器在任何情况下都不宜与被控对象串 联起来单独使用。通常，微分控制规律总是与比例控制规律或比例 - 积分控制规 律结合起来，构成组合的 PD或 PID 控制器，应用于实际的控制系统。23 3积分( I )控制规律具有积分控制规律的控制器，称为 I 控制器。I 控制器的输出信号 m(t) 与其输入

9、信号 e(t) 的积分呈正比，即tm(t) Ki 0 e(t)dt其中 Ki 为可调比例系数。由于 I 控制器的积分作用，当其输入 e(t )消失后，输出信号 m(t) 有可能是一个不为零的常量。在串联校正时，采用 I 控制器可以提高系统的型别(无差度) ，有利于系统 稳定性能的提高， 但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点， 使信号产生 90 的相角滞后，与系统的稳定性不利。因此，在控制系统的校正设计中，通常不宜采用单一的 I 控制器。I 控制器如图 2-4 所示积分调节器电路如图 2-5 所示。由虚地点 A 的假设可以推导出：1）式中： 为积分时间常数当 的初始值为零时，在阶跃输入作

10、用下，对式（ 1 ）进行积分运算， 得积分调节器的输出时间特性如图 2-5 （b）所示，则其输出为：2）对其进行拉氏变换后，可得积分调节器的传递函数为：3）在初始值不为零的情况下，积分调节器的输出值为：式中： 为初始状态时 的值。图 2-5 积分调节器由图 2-5（b）可以看出：当积分时间常数 一定时， Uin 越大， 增长 越快， 0A线段愈陡；当 Uin 一定， 越小， 0A也越陡；只要输入端存在 Uin，电 容不断充电， 值按积分规律上升。由于调节器的电源为定值（一般为± 15V以 下），同时调节器输出也设置限幅环节（图中未标出），输出一旦达到限幅值就 停止上升，并保持 限幅值

11、不变，见图 2-5 （b）AB段。由此可见积分器有三个 重要特性：（1）延缓性。积分调节器输入阶跃信号时，输出按积分线性增长。（2）积累性。只要积分调节器输入信号存在，不论信号大小如何变化， 积分的积累作用就持续下去， 只不过其输出上升速率不同而已， 图 2-6 表示输入 信号幅值减小时的变化情况。图 2-6 积分器的积累性（3）记忆性。在积分过程中，如果输入信号变为零，输出电压能保持 在输入信号改变前的瞬时值， 该电压值就是充电电容 C两端的电压值。 若要使输 出值下降，必须改变输入信号 Uin的级性，其变化过程如图 2-7 所示。图 2-7 积分器的记忆性比例-积分( PI)控制规律具有比

12、例-积分控制规律的控制器， 称为 PI控制器，其输出信号 m(t)同 时成比例的反应输入信号 e(t) 及其积分，即K p tm(t) K pe(t)p 0e(t)dtTi 0式中， Kp为可调比例系数， Ti为可调积分时间常数。 PI 控制器如图 2-8 所示。图 2-8 PI 控制器在串联校正时， PI 控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点， 同时也增加了一个位于 s 左半平面的开环零点。 位于原点的极点可以提高系统的 型别，以消除或减小系统的稳态误差， 改善系统的稳态性能； 而增加的负实零点 则用来减小系统的阻尼程度，缓和 PI 控制器极点对稳定性及动态过程产生的不 利影响。

13、只要积分时间常数 Ti 足够大， PI 控制器对系统稳定性的不利影响可大 为减弱。在控制工程实践中， PI 控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。采用运算放大器的 PI 调节器线路如图 2-9 所示。由 A 点“虚地”可以 写出下列关系：又： 其中 Uin 、 的极性如图 2-9 所示。可得：初始条件为零时，则可得 PI 调节器的传递函数：4)式中： 数。为调节器比例部分的放大系数：=R0C1 为调节器的积分时间常图 2-89PI 调节器原理图由此可见， PI 调节器的输出电压 由比例和积分两个部分相加而成。在零初始状态和阶跃输入下， PI 调节器输出电压的时间特性如图 2-10所示。由图可以

14、看出比例积分作用的物理意义如下：突加输入电压Uin 时，电容C1相当于瞬时短接，反馈回路只有电阻 R1，这时如同一个比例调节器，其放大系 数为 KP= ，输出端得到立即响应的电压 KPUin ，加快了系统的调节过程， 发挥了 比例调节器的长处；随着电容 C1 的充电，输出电压按积分规律逐渐上升，又具有积分调节器的性质；当输入电压 Uin =0，达到稳态时，电容 C1停止充电，相 当于开路， C1 两端的电压即为 PI 调节器的输出电压，R1 便不起作用，调节器处开环状态，具有很高的放大倍数，也就使得组成闭环系统后的开环放大系数 K 很大，满足稳态精度的要求。由此可见， PI 调节器满足了系统在

15、动态和静态时对放大系数 K 大小不 同的要求， 它属于串联校正装置， 这样不仅使系统在稳态做到无静差， 而且又提 高了系统动态的稳定性。23 5比例- 积分-微分( PID)控制规律具有比例 -积分-微分控制规律的控制器， 称为 PID控制器。这种组合具有三 种基本规律各自的特点，其运动方程为m(t) K pe(t) Kp 0e(t)dt Kp de(t)Ti 0 dt 相应的传递函数是1G(s) Kp (1s)TisK p Ti s2 Ti s 1TiPID控制器如图 2-11 所示图 2-11PID 控制器当利用 PID 控制器进行串联校正时， 除可使系统的型别提高一级外， 还将提供两 个

16、负实零点。与 PI 控制器相比， PID 控制器除了同样具有提高系统的稳态性能 的优点外， 还多提供一个负实零点， 从而在提高系统动态性能方面， 具有更大的 优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛使用 PID 控制器。 PID控制器各部 分参数的选择， 在系统现场调试中最后确定。 通常，应使 I 部分发生在系统频率 特性的低频段，以提高系统的稳态性能； 而使 D部分发生在系统频率特性的中频 段，以改善系统的动态性能。液位控制系统被控对象及参数分析3.1 单容水槽水槽是常见的水位控制系统的被控对象。 设单容水槽的如图 3-1 所示，水流 通过控制阀门不断的流入水槽， 同时也有水通过负载阀不断的

17、流出水槽。 水流入 量 Qi 由调节阀开度 u 加以控制， 流出量 Qo 则由用户根据需要通过负载阀来改变。 被调量为水位 h，它反映水的流入与流出之间的平衡关系。图 3-1 单容水槽令 Qi 表示输入水流量的稳态值， Qi 表示输入水流量的增量， Qo 表示输出 水流量的稳态植， Qo表示输出水流量的增量， h 表示液位高度， h0 表示液位的 稳态值， h 表示液位的增量， u 表示调节阀的开度。设 A 为液槽横截面面积， R 为流出端负载阀门的阻力即液阻。根椐物料平衡 关系，在正常工作状态下，初始时刻处于平衡状态： Qo=Qi ,h=h 0, 当调节阀开度发 生变化 u 时，液位随之发生

18、变化。在流出端负载阀开度不变的情况下，液位的 变化将使流出量改变。因为流入量流出量之差为QiQodV Ad hdt dt式中， V为液槽液体储存量； Qi 由调节阀开度变化 Qi 引起，当阀前后压差不变时，有Qi =Kuu其中 Ku 为阀门流量系数。 流出量与液位高度的关系为Qo=A0 2gh这是一个非线性关系式，可在平衡点（ h0,Q0）附近进行线性化，得到液组表达式RhQ0Addth，可得将上两个关系式代入 QiQo dVio dtT d h h K udt式中， T=RA，K=KuR。在零初始条件下，对上式两端进行拉氏变换，得到单容水 槽的传递函数为G(s)HU(ss)TsK 132 双

19、容水槽图 3-2 是两个串联单容水槽构成的双容水槽。其输入量为调节阀 1 产生的 阀门开度变化 u，而输出量为第二个水槽的液位增量 h2 。图 3-2 双容水槽在水流量增量， 水槽液位增量及液阻之间， 经平衡点线性化后， 可以导出如下关 系式：Q 1 Q2 C 2 d h2dtQ1 h1 , Q21 R1 2R2QiQ1 C1 d h1dtQiK u u式中， C1和 C2为两液槽的容量系数； R1和 R2为两液槽的液阻。将式代入Q1 R1 , Q2h2R2Q1 Q2 C 2 d h2dt得故有h1h2C2d h2dth1 R1C2d h1 1 2 dt2 h2 R2d h1dtR1C2 d2

20、 h2dt2R1 d h2R2 dt将 QiK uu ，Q1h1 ,Q2iu1R1 2h2d h1代入 QiQ1 C1，得dtR2分别将d h1dtC1d 2 h2R1C2 dt 2d h1 h1 Ku u dtR1 uR1R2d h2dt和 h1 R1C2 ddht2T1T2d 2 h2dt 2代入上式，整理后可得双容水槽的微分方程为(T1 T2) d h2h2 K u1 2 dt 2式中， T1=R1C1为第一个水槽的时间常数； T2=R2C2为第二个水槽的时间常数； K 为双容水槽的传递系数。d h2d 2 h在零初始状态下， 对式T1T2 d 2h2 （T1 T2 ） 2h2 K u

21、进行拉氏变换， 得dt 2 dt双容水槽的传递函数G(s)H2 (s)2U(s) T1T2s2 (T1 T2 )s 1则其传递函若双容水槽调节阀 1 开度变化所引起的流入水量变化还存在纯延迟，数不难导出为G(s) T1T2s2 (T1 T2 )s 1e33 一阶单回路控制系统单回路系统是由四个基本环节组成，即被控对象（或被控过程）、测量变送 装置、调节器和执行机构（本系统为调节阀）。有时为了分析方便起见，往往把 执行机构、 被控对象和测量变送装置合在一起， 称之为广义对象。 这样系统就归 结为调节器和广义对象两部分。 然而，一般来说， 还是把系统看成上述四个基本 环节所组成。假定有如 3-3 图所示的水槽， 流入量和流出量分别为 q1 和 q2 ，我们的任 务是维持水槽的液位不变。为了控制液位，就要选择相应的变送器、控制器、和 控制阀，并按图 3-4 所示的原理图构成单回路控制系统。图 3-4 水槽液位控制系统上图中 表示变送器， LC 表示液位控制器， sp 代表控制器的给定值。 由图 3-4 我们可以得出单回路控制系统方块图（原理图）如图 3-5 所示：图 3-5 单回路控制系统