锅炉汽包水位控制系统设计

课程设计名称：自动控制原理课程设计锅炉汽包水位控制系统的设计专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：课程设计任务书一、设计题目：锅炉汽包水位控制系统的设计二、设计任务1.设计一锅炉水位控制系统锅炉汽包水位的动态特性分析对控制调节系统进行分析作出最终设计方案三、设计计划：第一天选择课程设计题目，确定课程设计任务第二天根据课程设计任务进行查阅资料第三天进行整理资料及进行控制结构图设计第四天进行可行性分析并进行校正分析第五天设计说明书编辑输出四、设计要求：通过锅炉汽包水位控制系统的设计，查阅相关文献资料，对所学知识有更好的理解和掌握，并对设计进行分析，得出设计结论指导教师：教研室主任:时间:辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表学期2006-2007年度第一学期姓名专业班级课程名称自动控制原理课程设计设计题目评定评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100

标准评语：任课教师时间 年月日备注摘要：锅炉是工业生产过程中不可缺少的重要设备，锅炉的汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成十锅，损坏汽包，所以其值过高过低都可能造成重大事故。故在设计中内、外贿赂中采用PID控制快速消除通道的给水扰动和蒸汽扰动，使系统达到稳定的状态。关键词：汽包水位串级前馈调节动态特性PID控制目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1综述 1\o"CurrentDocument"2锅炉汽包水位的动态特性描述 2\o"CurrentDocument"2.1汽包在给水流量作用下的动态特性 2\o"CurrentDocument"2.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 2\o"CurrentDocument"3锅炉汽包水位的PID控制方案 4\o"CurrentDocument"3.1前馈调节系统 4串级前馈调节系统 4PID控制系统算法 5\o"CurrentDocument"4锅炉水位PID控制的总体结构 7\o"CurrentDocument"5结论 9设计体会 .10\o"CurrentDocument"参考文献 111综述锅炉控制装置，其主要的任务是保证锅炉的安全、稳定运行，同时减轻工作人员的劳动强度，确保人员的人身安全。锅炉的汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，增加在管壁上的结垢和影响蒸汽质量。水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成十锅，损坏汽包。所以其值过高过低都可能造成重大事故。它的被调量是汽包水位，而调节量则是给水流量，通过对给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，变化在允许范围之内，由于锅炉汽包水位对蒸气流量和给水流量变化的响应呈积极特性。但是在负荷（蒸气流量）急剧增加时，表现却为"逆响应特性"，即所谓的"虚假水位"，造成这一原因是由于负荷增加时，导致汽包压力下降，使汽包内水的沸点温度下降，水的沸腾突然加剧，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，使得传统的控制参数测定比较困难，在此设计中的控制系统采用PID串级控制方法来对其进行控制。2锅炉汽包水位的动态特性描述W—锅炉给水 D一产生的蒸汽W1一炉膛下降水冷管W2一炉膛上升水冷管图2-1锅炉汽包简单示意图影响汽包水位的因素有给水流量作用下的控制通道特性和蒸汽负荷变化作用下的扰动作用。2.1汽包在给水流量作用下的动态特性这是控制通道的动态特性，当给水流量增加后，由于给水温度比汽包内水的温度低，就从原有的水中吸收部分热量，这使得水位下面汽包容积有所减少，当水位下面的汽包的容积的这是控制通道的动态特性，当给水流量增加后，由于给水温度比汽包内水的温度低，变化过程逐渐平衡时，水位的变化就完全反映了汽包中水量的上升。当给水量作介跃变化变化时，汽包的水位在起始状态不会立即增加，而是呈现出惯性特性，水位和给水流量之间的关系用传感器G（s）表示，它近似表示一个积分环节和惯性环节的串连，系统特性可以表示为：G°=i^T^1匕为给水量作用下，汽包水位变化的上升速度，T1为滞后时间，与给水温度有关，给水温度越低，滞后时间越大。2.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性由于实际工作环境的变化，当蒸汽流量突然增加时，蒸汽流量大于给水的量，从锅炉的物料平衡关系看，水位应下降，但在实际的情况中并不是如此，由于蒸汽用量增加导致汽包压力瞬间降低，汽包内水的沸腾加剧，水中汽包容积迅速增加，结果水位不但不下降反而先上升，然后在下降；反过来，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后在上升，这种汽包水位沿着相反方向变化的现象称之为“虚假水位”，水位与蒸汽流量之间的关系用传递函数G2（J表示，系统特性可以表示为：GQ-匕+匕2ss\Ts+1）2在此式中，kf为蒸汽流量单位改变时汽包水位的变化速度，k2为放大系数，T2为时间常数。3锅炉汽包水位的PID控制方案控制汽包水位的手段是操纵给水，依此构成的单回路控制系统对锅炉的假水位现象回发出相反的补偿动作，严重时甚至会使汽包水位降到足以发生危险事故的程度，如果根据蒸汽流量来给出校正动作，就可以纠正虚假水位引起的误动作，从而减少水位的波动，改善控制的精确度。3.1前馈调节系统比较前馈系统，反馈系统的最大缺点是在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。而前馈系统是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。前馈系统的方框图图3-1 前馈系统方框图GD:干扰通道对象特性。Gpc:控制通道对象特性。Gf:前馈控制器传函。根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立，则T(s)F(s)=0，即T(s)=0T(s)F(s)=GD+GfxGpc=0所以Gf0=-GpDQ/Gpc(s)即G(s)=-干扰通道对象特性/控制通道对象特性ff负号；表示控制通道与干扰通道作用相反。所以前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性决定。前馈控制系统特点开环控制系统：F1一(Gff)1—Gv1-G蒸1一AT1-T按干扰进行控制，控制及时，精度高。仅仅对前馈量有控制作用(对T不起作用)前馈控制器为多用控制器(根据对象特性获得)不能随时了解被控变量变化情况3.2串级前馈调节系统为克服调节阀的变差(滞环)，阀前后压差变化，引起阀和流量变化(如蒸汽压力变化)增加一个流量付环，其目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量，由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响，同时系统对负荷改变时有一定的自适应能力。褫液图3-3串级前馈控制系统方框图串级前馈模型传递函数G(y)・G(y)・G(y)F(y)-Gf侦)1——~(2)g―(,)gG)g—()G侦)+G侦)=0m2 c2 V PC2综上两种调节系统的比较，我们可以看出，采用串级前馈调节具有更大的优势，故在在此设计方案中，采用串联前馈的控制方式来对其进行控制。3.3PID控制系统算法PID控制的本质是一个二阶线性控制器，通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。对于水位系统的建模，可近似地认为“纯滞后+一阶惯性”环节，进行实验对于一阶惯性环节对象，往往采用PID控制算法，PID调节器如下图所示：图3-4PID调节器调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下：u(t)=Kp[e(t)+1/Ti/e(t)dt+Td*de(t)/dt]其中Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。式中T是采样周期，周期T必须足够短，才能保证有足够的精度，因此数字PID调节器，表达式如下：u(kT)=Kp{e(kT)+T/TiEe(jT)+Td/T[e(Kd)-e(Kt-T)]}在反馈控制部分，如果过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分分离的PID控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。积分分离法思想：

一 一一T件 T 一、u(kT)=K{e(kT)+YKe(jT)+d[e(kT)-e((k-1)T)]}ij=0[1当|e(kT)|<8,户口控制，保证快速性K=dL10当e(kT)>8,PID控制，保证消除静差1—一般PID1—一般PID调节曲线2—积分分离PID调节曲线Q—从此点开始引入积分作用图3-5PID调节曲线4锅炉水位PID控制的总体结构通过前述各方面的分析，我们可以作出锅炉水位PID控制的结构图如下所示:图4-1图4-1锅炉水位P-PID串级控制结构图其中前述G1(s)和气(s)分别为控制回路的扰动通道的传递函数，yD、yw、别为蒸汽流量、给水流量和汽包水位测量器件的传递系数，aD、a^分别为蒸汽流量和给水流量的分压系数，Kz、Kp分别为执行机构和阀们的特性系数，回路CCQ采用PID控制以快速消除给水扰动，外回路采用预测PID来抑制蒸汽扰动，其算法为：

( 1A=K1+ITisJe(t)—-1U(t)-u(( 1A=K1+ITisJi当忽略蒸汽扰动和给水扰动时，系统的传递函数可以表示为如下:八()C(s) G(s)•KK-U(s)•G(s)=Rs)_1+a.yG(s)KK+G(s)KK1U(s).G(s)ww ZPCZP 1T=30，T=30，k2=3.6，匕=10,Kp=2.T=15，a=a=0.083，y=y=0.21，y=0.033匕=10,Kp=2.预测PI控制器的比例系数K=2.5，内回路控制器取纯比例控制Q<s)=1,为了便于比较图4-2采用广义参数的系统仿真图控制效果，在考虑了扰动抑制性能后，取Kp=1.5，气=0.005图4-2采用广义参数的系统仿真图由图可以看出，经过P—PID控制系统控制的锅炉水位输出的超调量有所减小，在蒸汽扰动作用下，水位波动范围也减小了，达到了控制的目的。5结论本设计是采用一种预测PID控制方法对锅炉水位进行的控制，通过比较前馈调节系统和串级前馈系统的优缺点，最终选用了串级前馈调节系统参与整个控制，内循环采用PID控制快速消除了控制通道的给水扰动，外回路采用的PID方法克服了蒸汽扰动的影响，并通