1、xx大学 毕业 设计 （论 文）1前 言自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用， 其中，汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预 的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效 率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机 组安全经济运行。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素， 所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。从传统的控制方式来看， 它 们要么系统结构简单成本低， 却 不能有效的 控制锅炉汽包 “ 虚假
2、水位 ” 现象， 要 么能够在一定程度上控制 “ 虚假现象 ” ， 系 统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“ 虚假水位 ” ， 具 有高性价比的控制系统。 汽包锅炉的给水调节系统有三种基 本结构： 单 冲量调节系统结构、 双 冲量调节系统结构、 串 级三冲量调节系统结构 。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量 调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污 阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量
3、调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流 量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及 变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因 此单级三冲量事实上一般也难以采用。 串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易 于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。 在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参
4、数整定有理论计算 方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各 环节的动态特征， 通 过理论计算求得调节器的动态参数设定值； 而 工程整定法 ，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计2法将在本设计中体现。 本设计的目的是采用串级三 冲量给水控 制系统控制 汽包水位， 使其平稳运行，并通过 MATLAB仿真，证明所设计的系统可 以很好的克 服系统的内 外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。xx大学 毕业 设计 （论 文）31概 述1 1工业锅炉系统 概述锅炉 是 化 工 、 炼 油 、 发 电 等 工
5、 业 生 产 过 程 中 必 不 可 少 的 重 要 的 动 力 设 备。它通过煤、石油、天然气的 燃烧所释放 出的化学能 ，通过传热 过程把能量 传递 给它 水 ， 使 水 变 成 水 蒸 气 。 这 所 产 生 的 高 压 蒸 汽 ， 既 可 以 作 为 风 机 、 压 缩 机、大型泵类的驱动的动力源， 又可作为蒸 馏、化学反 应、干燥和 蒸发等过程 的热 源。随着石油化学工业生产 规模的不断 扩大，生产 设备的不断 创新，生产 过程 的不断强化，作为全厂动力 和热源的锅 炉，亦向着 大容量、高 参数、高效 率发展。为了确保安全，稳定生 产，锅炉设 备的控制系 统就显得愈 加重要。工 业锅
6、 炉的管理水平、运行水平和 自动化水平 大都 很低，就其设备来说，数量 大、耗煤高、设备陈旧、热效率远 远没有达到 锅炉制造厂 家的设计指 标，但也不 能否认，以上现象与工业锅炉缺 少必要的检 测、控制手 段等有关。 可见，加速 工业 锅炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。 锅炉系统主要包括燃烧系统 、送引风系 统、汽水系 统及辅助系 统等。其主要工艺流程如图 1-1。图 1-1锅炉设备 主要工艺 流程图Fig.1-1Them ainprocesflowdiagram oftheboilerequipment三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计41 2锅炉工艺流程 简
7、介一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：1） 汽 包： 由 上下锅筒和三组沸水管组成。 水 在管内受外部烟气加热， 发 生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。 2）炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。3）过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。4）省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。5） 空 气预热器： 是 继续利用离开省煤器后的烟气余热， 加 热燃料燃烧时 所需的空气的热器件。 图 1-1给出了常见的蒸汽锅炉的主要工艺流程图。给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸汽
8、发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质 量指标的过热蒸汽输出，经负载设备控制供给负荷设备用。同时燃烧过程中产 生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气。锅炉设备给 水 量减 温 水送 风 量燃 料 量引 风 量汽 包 水 位蒸 汽 温 度过 剩 空 气炉 膛 负 压负 荷蒸 汽 压 力图 1-2锅炉控 制对象Fig.1-2Boilercontrolobjectxx大学 毕业 设计 （论 文）5锅炉设备是一个复杂的控制 对象，是多 输入，多输 出多回路， 非线性的输入输出变量间相互关联的对 象。主
9、要输 入变量是负 荷，锅炉给 水、燃料量 、送 风和 引 风 等 。 主 要 输 出 量 是 汽 包 水 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。这些入变量与输出变量之间相互关联。 锅炉是全厂重要的动力设备 ，其要求是 供给合格的 蒸汽，使锅 炉的发热量适负荷的需要。所以，生产 过程中的各 个主要工艺 参数必须严 格控制。锅 炉的主要调节任务是： 1） 汽包中水位保持在一定范围内；2） 锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；3） 锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；4） 过热器的蒸汽温度保持在一定范围内；5） 保
10、持锅炉燃烧的经济性和安全性；6） 炉膛负压保持在一定范围内。锅炉控制中的调节任务之一 是锅炉汽包 水位的控制 ，也是难点 之一。如果水位过低，则由于汽包内的 水量较少， 而负荷却很 大，水的汽 化速度又快 ，因而汽 包 内 的 水 量 变 化 速 度 很 快 ， 如 不 及 时 控 制 ， 就 会 使 汽 包 内 的 水 全 部 汽 化，导致 锅 炉 烧 坏 或 爆 炸 ； 水 位 过 高 会 影 响 汽 包 的 汽 水 分 离 ， 产 生 蒸 汽 带 水 现 象，会使过热器管壁结构导致破 坏。在锅炉 控制系统中 ，汽包水位 的控制是最 基本的也 是 及 其 重 要 的 。 汽 包 水 位 控
11、 制 的 任 务 是 ， 使 锅 炉 给 水 量 始 终 跟 着 蒸 发 量，维持汽包水位在锅炉生产允 许的范围内 。汽包及蒸 发管储存着 蒸汽和水， 储存 量的多少，是以被控制量水 位表征的， 通常 情况下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 。引起水位 变化 的主要扰动式蒸汽流量和给 水量的变化 。当蒸汽流 量突然增大 ，汽包压力 将急 剧下降，饱和水将快速蒸发 ，使得饱和 水中产生大 量的汽包致 使水位上升 ，而此时给水量并没有增加。这 就是锅炉的 “ 虚假水位 ” 现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。 因此，必须 对汽包水位
12、进行控制， 将其严格控 制在 规定的范围内。锅炉汽包水位控制常采用的 方式有：单 冲量、双冲 量、三冲量 控制等。它们常采 用 PID控制算 法 。 通 过分 析 发 现 ，单 、 双 冲 量控 制 系 统 结构 简 单 廉 价，系统的可靠性不高，控制效 果差，不能 避免 “ 虚假水位 ” 现象；三冲量控制系统控制效果好， 可 靠性高， 能 有效的避免 “ 虚假水位 ” 现 象 。 可 见 ， “ 虚假水 位 ”给水位控制带来了困难和挑战。本文采用的是串级三冲量汽包水位控制系统。三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计62汽 包 水 位动态 特性2 1锅炉汽水系统 结构工业锅炉的汽包水位是
13、正常 运行的重要 指标之一， 水位过高， 产生蒸汽带水现象，影响用汽单位的正 常生产。汽 包水位过低 ，会影响锅 炉的汽水自 然循 环，如不及时调节，就会使 汽包里的水 全部汽化掉 ，可能导致 锅炉烧塌和 爆炸事故。因此，锅炉运行中， 保持汽包水 位在一定范 围是十分重 要的自动控 制问 题。 影响汽包水位变化的因素很 多，主要有 燃煤量、给 水量和蒸汽 流量。燃煤量对水位变化的影响是非常 缓慢的，比 较容易克服 。因此，我 们主要考虑 给水 量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图 2-1所示。图 2-1锅炉汽 水系统结构 图Fig.2-1Boilersteam ing-wa
14、ter system structure给水 调 节 对 象 的 动 态 特 性 是 指 各 种 扰 动 下 的 汽 包 水 位 随 时 间 变 化 的 特 性。当扰动为阶跃扰动时，对象 的动态特性 称为阶跃响 应曲线。影 响水位变化 的原 因是很多的，其中锅炉的蒸 发量和给水 流量的变化 是主要的， 其它还有炉 膛热 负荷、汽包压力的变化等原因。影响汽包 水 位 H的主要因 素 有给 水 量 W， 蒸汽流 量 D和燃料 量 B三个主xx大学 毕业 设计 （论 文）7要因素。 2 2给水量对汽包 水位 的影响如果把汽包及 其水 循环系 统看 作 一个 单容水槽 ， 那么水位的给 水阶 跃扰动响
15、应曲线 应该 为图 2-2所示 的曲线 H1所示。 但 考虑到给水的温度低于汽包内 饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使 得 锅炉内部的蒸汽产量下降， 水 面以下的汽泡 的 总体积 V也就 会 相应 的 减小， 从 而导 致水位下降如图 2-2所示的 曲线 H2所示。 水 位的实际响应曲线应是曲线 H1和 H2之和 ， 如图 2-2所示的 曲线 H所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就 会越长。其传递函数可以近似表示为：(2-1）() 11s (1 )G S S= +式 2-1中 表示汽包水位的变
16、化速度， 表示延迟时间。1 tH H1 HH2图 2-2给水扰 动响应曲线Fig.2-2Watersupplydisturbanceresponsecurve图 2-3 给水扰 动传递函数 方框图Fig.2-3Watersupplydisturbancetransferfunctionblockdiagram其扰动传 递 函数 方框 图 如 图 2-3所示，可 近 似认 为是 一 个积 分环 节 和一个三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计8惯性环节的串联的形式。 2 3蒸汽流量对汽 包水 位 的影响当 锅炉负载 耗汽量 D突然 做 阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态 ， 使
17、汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降 ， 如图 2-4所示的 曲线 H1所 示 ，另一方面由于 锅炉负载 耗汽量 D的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积 V增大， 从而导致汽包水位上升， 如图 2-4所示 曲线 H2所示。水位的实际响应曲 线应该是曲 线 H1和 H2之和 ， 如图 2-4所示 曲线 H所示。对 于 大中 型锅 炉 来说 ，后者的影响要大于前者，因 此负荷 做 阶跃增加后的一段时间内会 出现水位不但没有下降反而明显升高的现 象，这种反 常现象通常 被称为 “ 假水位现象 ” 。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传
18、递函数可以近似的表示为： (2-2）2 02 1() KS TSGs = +式 2-2中 表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度， 表示 “ 假水位现象 ” 的2 0T延迟时间。tHH1HH2图 2-4蒸汽流 量扰动 响应曲线Fig.2-4Steam flowdisturbanceresponsecurve2 4燃料量扰动的 影响xx大学 毕业 设计 （论 文）9燃料量的扰动 必然 也会 引起蒸汽流 量 D的变化，因此 也同 样会有 “ 假水位现象 ” 发生 。 但 由于汽包水循环系统中有大量的水， 汽 包和水冷壁管道也 会存储大量的热量，因 此 具 有一定的热惯性。燃 料量的增大只能使蒸汽量缓慢
19、 增大， 而 且 同时 汽压也会缓慢上升， 它 将使汽泡体积减小， 因 此燃料量扰动下 的“ 假水位现象 ” 比负荷扰动下要缓和的多。由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有 “ 假水位现象 ” 。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。 此外，通 过汽包内部汽水系统在压力升 高时的 “ 自凝结 ” 和压力降低时的 “ 自蒸发 ” 影响水位。 由 于汽包压力对汽包 水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计103三 冲 量 锅炉汽 包水 位控制 系统 设计3 1单冲量水位控
20、 制系 统单冲量水位控制系统是以汽 包水位测量 信号为唯一 的控制信号 ，即水位测量信号经变送器送到水位调 节器，调节 器根据汽包 水位测量值 与给定值的 偏差 去控制给水调节阀，改变给 水量以保持 汽包水位在 允许范围内 。单冲量水 位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式 。图 3-1单冲量 水位控制系 统Fig.3-1Singleim pulsewaterlevelcontrolsystemR GC GV GPGfGMFH-图 3-2单冲量 水位控制系 统方框图Fig.3-2Singleim pulsewaterlevelcontrolsystem blockdiagram
21、xx大学 毕业 设计 （论 文）11如图 3-1所示是单冲量 变量 水位控 制系 统，单 冲量 即只有 一个 变量 汽包水位。单冲量水位控制系 统是最简单 、最基本的 控制系统。 这种控制结 构的 特点主要有： 结构简单， 投 资少。 适用于汽包容量较大， 虚 假水位不严重 ，负荷较平稳的场合。 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。然而，在停留时间较短，负 荷变化较大 时，采用单 冲量水位控 制系统就不能适用。这是由于： 负荷变化时产生的 “ 虚假水位 “ 将使调节器反向错误动作，即负荷增大时调节器不 但不能开大 给水给水阀 的开度增加 给水量，反 而会 关小给水调节阀，一到闪急 汽化平
22、息下 来，将使水 位严重下降 ，波动厉害 ，动 态品质很差，严重时甚至会 使汽包水位 降到危险程 度，以致发 生事故。 负荷变化时，控制作用缓慢。即 使 ” 虚假水位 “ 现象不严重，从负荷变化到 水位下降要有一个过程，再有水位 变化到阀动 作已滞后一 段时间。如 果水位过程 时间 常数很小，偏差必然相当显著。因此，对于停留时间短、负 荷变动较大 的情况，这 样的系统不 适合，水位不能保证。然而对于小型锅 炉，由于汽 包停留时间 较长，在蒸 汽负荷变化 时假 水位的现象并不显著，配上 一些连锁报 警装置，也 可以保证安 全操作，故 采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。 3 2双冲量水位控
23、 制系 统双冲量水位控制系统是在单 冲量水位控 制系统的基 础上加入了 以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图 3-3，由 于引入了蒸汽流量前 馈信号，当蒸汽量变化时，就 有一个与蒸 汽量同方向 变化的给水 流量信号， 可以减少或抵消由于 “ 虚假液位 ” 现象而使给水量与蒸汽量相 反方向变化 的错误动作。使调节阀一开始就向正 确的方向动 作。因而能 极大的减小 给水量和水 位的 波动，缩短过度过程时 间。图 3-3与图 3-4是典型的双冲量控制系统原理及方框图。这 是一个前馈加 单回路反馈控制的复合控制系 统。这里的 前馈系统仅 为静态反馈 ，若考虑两 条通 道在动态上的差异，
24、须加入动态补偿环节。如图 3-3所示，加法器的输出是：（ 3-1）CPCPCP FC += 210式中： PC为水位控制器输出； PF为蒸汽流量变送器输出； C为初始偏置值 ；C1、 C2为加法器的系数。三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计12图 3-3双冲量 控制系统Fig.3-3DoubleIm pulsecontrolsystemGC C1 C2GmGv GPCGm 1GfR HF图 3-4双冲量 控制系统系 统框图Fig.3-4Doubleimpulsecontrolsystemdiagramofthesystem上图给出了典型的双冲量水位控制系统方框图。 这 是一个前馈 （
25、蒸汽流量 ）加单回路反馈控制的复合控 制系统。双 冲量控制由 于有以上特 点，所以能 在负 荷频繁变化的工程下较好的 完成水位控 制任务。在 给水流量比 较平稳时， 采用 双冲量控制是能够达到控制 要求的。双 冲量水位控 制系统存在 的问题是： 控制作用不能及时的反映给水方 面的扰动， 当给水量发 生扰动时， 要等到汽包 水位 变化时才通过调节器作用执行器进行调节， 滞 后时间长， 水 位波动较大。 因 此 ，xx大学 毕业 设计 （论 文）13如果给水母管压力经常有波 动，给水调 节阀前后压 差不能保持 正常时，不 宜采 用双冲量控制。3 3三冲量水位控 制系 统双冲 量 控 制 系 统 还
26、 有 两 个 主 要 弱 点 ： 控 制 阀 的 工 作 特 性 不 一 定 是 线 性 的，要做到静态补偿比较困难； 对于给定系 统的干扰仍 不能克服。 所以，可再 引入 给水流量信号，构成三冲量控制系统。图 3-5三冲量 水位控制系 统Fig.3-5Threim pulsewaterlevelcontrolsystemGC1GmGv GP2Gm 1GfRFGffGC2 Gm 2 GP1 H图 3-6三冲量 水位控制系 统方框图Fig.3-6Threim pulsewaterlevelcontrolsystem blockdiagram三冲 量 水 位 控 制 方 案 需 要 两 个 控 制
27、 器 ， 早 期 因 控 制 器 的 价 格 昂 贵 ， 因 此，三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计14提出 了 两 种 简 化 控 制 方 案 。 图 3-7所示 为 其 中 一 个 简 化 方 案 的 控 制 系 统 框 图。从控制系统框图可知，该简 化方案中， 将蒸汽流量 信号、给水 流量信号和 汽包 水位信号一起送加法器，加 法器输出作 为水位控制 器的测量信 号。主控制 器是比例度为 100%的控制器， 副 控制器是水位控制器。 加 法器可设置比例系数， 因此，图 3-7中， 给水流量和蒸汽流量检测回路设置了比例系数。 该 简化方案中 ，汽包水位控制器的测量值是 蒸汽流量信
28、 号、给水流 量信号和汽 包水位信号 的代数和 ， 当 给 水 流 量 和 蒸 汽 流 量 达 到 物 料 平 衡 ， 及 控 制 器 具 有 积 分 控 制 作 用 时，水位可无余差。但通常情况 下，实施该控制方案的水位存在余差。GmGv GP2Gm 1GfRFKD Gm 2GP1 HKw1 GC2图 3-7三冲量 水位控制系 统简化方案 之一Fig.3-6Oneofthethreim pulselevelcontrolsystem tosim plifytheprogramGC1GmGv GP2Gm 1GfRFKD1 Gm 2 GP1 HKw图 3-8三冲量 水位控制系 统简化方案 之二F
29、ig.3-6Threim pulselevelcontrolsystem tosim plifytheprogram s fortwo为使水位无余 差， 将水位 控制 器移到 加法 器前， 组成 如 图 3-8所示的简化方案 。 图 中 ， 水 位 控 制 器 输 出 信 号 、 蒸 汽 流 量 信 号 、 给 水 流 量 信 号 送 加 法 器，加法器输出送给水控制阀。 因 此， 该 控制方案中， 主 控制器是给水水位控制器 ，xx大学 毕业 设计 （论 文）15副控制器是比例度为 100%的比例控制器。由于水位控制器测量值是汽包水位信号，因此，当水位控制器具 有积分控制 作用时，该 控制方
30、案可 实现汽包水 位无 余差。现代工业锅炉都向着大容量 高参数的方 向发展，一 般锅炉容量 越大，汽包的容水量就相对越小，允许 波动的蓄水 量就更少。 如果给水中 断，可能在 很短 的时间内就会发生危险水位 ；如果仅是 给水量和蒸 汽量不相适 应，也可能 在几分钟内出现缺水和满水事故， 这 样对汽包水位要求就更高了。 三 冲量控制系统 ，采用蒸汽流量信号对给水流 量进行前馈 控制，当蒸 汽负荷忽然 变化时，蒸 汽流 量信号使给水调节阀一开始 就向正确方 向移动，即 蒸汽流量增 加，给水调 节阀开大，抵消了 “ 虚假水位 ” 引起的反向动作，因而减小 了水位和给 水流量的波动幅度。当由于水压干扰
31、使 给水流量改 变 时，调节器能迅速消除干扰 。如给水流量减少，调节器立即根据 给水流量减 小的信号， 开大给水阀 门，使给水 流量保持不变。这样，就能够有 效地维持汽 包水位在工 艺允许的范 围内，也有 效地 克服了系统中存在的虚假水位现象。三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计164三 冲 量 控制系统 PID设 计4 1PID控制算法研究PID控制是最 早 发展 起来 的 应用 经典 控 制理 论的 控 制策 略之 一 。许 多年以来， 在 生产过程的自动控制领域中， PID控制按照偏差的比例 (P）、 积 分 (I）、 和微分 (D） 进 行控制的是历史最久， 生 命力最强的基本
32、控制方式。 由 于算法简单 、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程并取得了良好的控制效果。 PID控制有以下几个优点：1）原理简单，使用方便，易于实现；2） 适 应性强， 广 泛应用于化工、 热 工、 冶 金、 炼 油以及造纸建材等各种 生产部门； 3）鲁棒性强，稳态无静差，控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。4 1 1模拟 PID算法在模拟控制系 统中 ，常 规 PID控制系统原理 框图 如 图 4-1所示，系统由模拟 PID控制器和被控对象组成。图 4-1PID控制系 统图Fig.4-1PIDcontrolsystem diagramPID控制器是一种线性控制器，它 是根据给定值 r
33、(t)与被控量输出值 c(t） 构成的控制 偏 差 e(t） =r(t） -c(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，对被控对象进行控制，故称 PID控制器，其控制规律为：xx大学 毕业 设计 （论 文）17（ 4-1）01 ()() () () tp di detut Ket etdtTT dt= + +式中： Kp为比例系数； Ti为积分时间常数； Td为微分时间常数。或写成传递函数的形式：（ 4-2）() 1() (1 )() p diUsGs K TsEs Ts= = + +简单的说， PID控制器各校正环节的作用如下：l）比例环节： 比例
34、系数玛增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差， 提高控制精度。但过大会产生 较大超调， 导致系统不 稳定；取得 过小，可减 少系 统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度。2） 积 分环节： 积 分作用的强弱取决于积分时间常数 Ti， Ti越大积分作用 越弱，反之则越强。积分环节 用于消除系 统的静态误 差。加大积 分系数，有 利于 减小系统静差，但过强的积 分作用会使 系统的超调 量加剧，甚 至引起振荡 ；减小积 分 系 数 虽 然 有 利 于 系 统 的 稳 定 ， 避 免 系 统 产 生 振 荡 ， 减 小 系 统 的 超 调 量，但对消除系统的静差是不利的。 3） 微
35、分环节： 能 反映偏差信号的变化趋势， 微 分环节的作用在于改善系 统的动态特性，其主要是在响 应过程中抑 制偏差向任 何地方的变 化，并能在 偏差 信号变得太大之前，在系统 中引入一个 有效的早期 修正信号， 从而加快系 统的 调节速度，减少调节时间。 但风过大， 则会使响应 过程提早制 动，从而延 长调节时间。 4 1 2数字 PID算法在计算机控制系统中采用的 是数 字 PID算法，这就需要将模拟连续 系统进行离散化。通常的计算机 PID控制算法有两种：位置式 PID控制算法和增量式PID控制算法。（ 1）位置式 PID控制算法按模拟 PID控制算法，以一系列的采样时刻点 kT代表连续时
36、间 t，以矩 阵法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计18（ 4-3） )= =Tkekedttde jeTte kj )1()()( )()( 2,1,0(k,kTt t0 0 L式中 T为采样周 期 ， k为采样序 号 ， e（ k）和 e（ k一 l）分别为 第 k和第（ k一 1）时刻所得的偏差信号。可得位置式离散 PID表达式为：（ 4-4）= += kj dip kekekkekkekku 0 )1()()()()(（ 2）增量式 PID控制算法当执行机构需要的是控制量 的增量时， 应采用增量 式 PID控制。根据递推原
37、理可得：（ 4-5）0( 1) ( 1) () ( 1) ( 2)kp i djuk kek k ej kek ek= + + 写成增量的形式为：（ 4-6）() () ( 1) () () 2( 1) ( 2)p i duk Kek ek Kek Kek ek ek = + + + 4 2常用 PID参数整定方法PID控制器中， kp， ki， kd三个参数的不同组合， 直接决定控制器的控制 效果。为了得到更好的控制效 果，使被控 对象工作在 较好的状态 ，必须对其 参数 进行有效的整定。下面归纳介绍了两类较为经典的、常用的参数整定方法。(1） Z-N经验公式法从对象的开环响应曲线来看 ，大
38、多数工 业过程都能 用一阶惯性 环节加纯滞后模型来近似描述。其传递函数为（ 4-7）() 1skGs eTs =+其中 k， ， T分别为对象模型的开环增益、 纯 滞后时间常数和惯性时间 常数。 对于典型 PID控制器的传递函数如（ 4-8）式，得到 Ziegier-Nichols经验 公xx大学 毕业 设计 （论 文）19式（简记 Z-N经验公式）为：（ 4-8） =5.022.1dipTTkTk（ 2） Z-N临界比例度法1942年， Ziegler和 Nichols提出了临界比 例度 法，这 是一 种非常 著名 的控制器参数整定方法， 曾在工程上得到广泛的应用。同 Z一 N经验法不同，
39、该 法不依赖于对象的数学模型参 数，而是总 结了前人理 论和实践的 经验，通过 实验 由经验公式得到控制器的最 优整定参数 。它用来确 定被控对象 的动态特性 的参 数有两个，临界增益 Ku和临界振荡周期 Tu。临界比例度法是在闭环的情况下，将 PID控制器的积分和微分作用先去掉 ，仅留下比例作用，然后在系 统中加入一 个扰动，如 果系统响应 是衰减的， 则需 要增大控 制 器的 比例 增 益 Kp，重做实 验 ，如 果系 统 响应 的振 荡 幅度 不断 增 大，则需要减小 Kp。 实验的最终目的， 是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此 时的比例增益玛， 就被称为临界增益， 记为 Ku； 而此
40、时系统的振荡周期被称为 临界振荡周期， 一 记为 Tu。 临 界比例度法就是利用 Ku和 Tu， 由 经验公式求出 P、PI和 PID这三种控制器的参数整定值。表 4-1就是 Z-N临界比例度法参数整定经验公式。 表 4-1Z-N临界比 例度法参数 整定公式Tab.4-1TheZ-Ncriticalproportionalmethodparametertuningformula4 3串级 PID控制4 3 1串级 PID控制原理随着生产过程向着大型、 连 续和强化的方向发展， 对 操作的要求更加严格 ，PID控制器 参数 Kp Ti TdP型控制 器 0.5KuPI型控制 器 0.45Ku 0
41、.83TuPID型控制 器 0.6Ku 0.5Tu 0.125Tu三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计20参数间相互关系更加复杂， 对控制的精 度和功能提 出新的要求 ，对能源消 耗和 环境污染也有明确的限制。 为此，需要 在单回路的 基础上，采 取其它措施 ，组 成复杂控制系统，也称多回 路系统。串 级控制就是 其中之一。 串级控制是 改善控制系统品质的有效方法之 一，在工业 过程控制中 应用很广泛 。串级控制 系统 如图 3-2所示。串 级 系统 在结 构 上形 成两 个 闭环 。串 级 系统 的计 算 顺序 是先主环后副环。副环在控制过程 中起着 “ 粗调 ” 作用，主环用来完成
42、 “ 细调 ” 的任务，以最终保证被调量满足 工艺要求。 串级控制系 统具有较好 的控制性能 ，原 因主要是：对二次干扰有很 强的克服 能力；改善了对象的动态特 性，提高了系统的工作频率；对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。4 3 2串级控制系统的参数整定串级控制系统从主回路来看 是一个定值 控制系统， 对主变量有 较高的质量要求，其控制质量指标与单 回路定值控 制系统是一 样的。从副 回路看，是 一个随动控制系统，对副变量的 控制质量一 般要求不高 ，只要能快 速准确地跟 随主 控制器的输出变化就行。因 此串级控制 系统两个回 路参数的整 定根据各自 的作 用和对主、副变量的要求确 定主
43、、副控 制器的参数 。在工程实 践中，串级 控制系统的主要整定方法有：逐步逼近法、两步整定法。 逐步逼近法的具体步骤：首 先整定副回 路，此时断 开主回路， 按单回路控制系统整定方法确定副回路参数， 记 第一次整定值 WC21； 然 后整定主回路， 此时，主副回路都闭合，把刚 整定好的副 回路作为主 回路中的一 个环节，仍 按单 回路控制整定方法，确定主控制器的整定参数，记为 WC11； 再 次 整 定 副 回 路 ，此时， 主 回路闭合， 主 副控制器整定参数为 WC11及 WC22。 至 此， 完 成一个 逼近循环。若控制质量达到要 求，主副控 制器的整定 参数分别取 WC11和 WC22
44、。若控制质量仍不能达要求，继续整定求取 WC12，循环进行直至达到要求。两步整定法具体步骤：先整 定副回路， 此时，主、 副回路均闭 合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下， 先 将主控制器的比例带放在 100%处 ， 按 单回路控制系统整定副回路， 逐 渐降低副控制器的比例带， 得 到副变量在 4： 1递减比 下 的 副 控 制 器 的 比 例 带 d2s和副 变 量 振 荡 周 期 T2s；然 后 整 定 主 回 路 ， 主、副回路仍闭合， 将 副控制器的比例带置于 d2s值上， 将 副回路看作是主回路的 一个环节，用同样的方法整定 主控制器， 即逐渐降低 主控制器的 比例带，得 到主变
45、量 4： 1递减比下的主控制器比例带 d1s和主变量振荡周期 T1s； 按 上面得到 的值，结 合控制器的选型，利用 Z一 N临界比例度法参数整定计算公式（表 4-1） ，分别 计 算 主 、 副 控 制 器 的 整 定 参 数 值 ： 比 例 带 d、积 分 时 间 Ti、微 分 时 间 Td；xx大学 毕业 设计 （论 文）21先副后主，先比例次积分后 微分的顺序 ，将计算出 的参数值设 置到相应的 控制 器上。图 4-2串级 PID控制系 统框图Fig.4-2CascadePIDcontrolsystem blockdiagram三冲 量锅 炉汽 包水 位控 制系 统设 计225锅 炉
46、汽 包水位 控制 算法的 MATLAB仿 真5.1仿真的目的和 意义“ 仿真 ” 一词译自英文 Sim ulation，另一个曾经用过的译名是 “ 模拟 ” 。从字面上解释 “ 仿真 ” 和 “ 模拟 ” 都是表示 “ 模拟仿真世界 ” 的意思。虽然人们很早就采用了模型来分析与 研究真实世 界的方法亦 即 “ 仿真 ” 或 “ 模拟 ” 的方法， 但 严 格 讲 ， 只 有 在 20世纪 40年代 末 计 算 机 （ 模 拟 计 算 机 及 数 字 计 算 机）的问世，才为建立模型及对 模型进行试 验提供了强 有力的支持 ，仿真技术 也才 获得了迅速的发展并逐步成为一门独立的学科。仿真 是 以
47、 相 对 性 原 理 、 控 制 论 、 信 息 技 术 及 相 关 领 域 的 有 关 知 识 为 基 础，以计算机和各种专用物理设 备为工具， 借助系统模 型对真实系 统进行试验 研究 的一门综合技术。它利用物 理或数学方 法来建立模 型，类比模 拟现实过程 或者建立假象系统，以寻求过成 都到规律， 研究系统的 动态特性， 从而达到认 识和 改造实际系统的目的。 在实际中，控制系统及设备 在投运使用 之前其控制 器的最佳参 数是不知道的，若直接在线调整控制器 参数，效率 太低，更主 要的是会影 响产品质量 。为 此，要用仿真的方法整定出 它们的最佳 参数，然后 再应用到实 际设备及控 制器
48、 上， 再 经过对参数进行微调， 从 而得到实际控制的最佳参数。 这 样既方便快捷 ，又能保证产品质量。 5.2仿真软件功能 概述目 前 正 被 广 泛 使 用 的 仿 真 软 件 是 美 国 CleveMole博 士 等 人 组 建 的 MathWorks软件 公 司 开 发 的 MATLAB编程 语 言 。 最 初 的 正 式 版 本 在 1984年 推 出 ，后 经 不 断 扩 展 ，增 添 了 实 用 工 具 箱 、图 形 图 像 处 理 、多 媒 体 功 能 ，以 及 为 MATLAB带来 崭 新 局 面 的 控 制 系 统 模 型 图 形 输 入 与 仿 真 工 具 (Sim ul
49、ink)。由 于 MATLAB提供矩阵运算、数据处理、 图形绘制、 图像处理等 强大功能， 它己成为国 际上 最为流行的软件之一，广泛 地应用于自 动控制、信 号分析、时 序分析与建 模优化设计等领域。 Sim ulink是一个用来对 动态 系统进 行建 模、仿 真和 分析的 仿真 软件包 ，它支持连续、 离 散或两者混合的线性、 非 线性系统， 也 支持具有多采样速率系统 。xx大学 毕业 设计 （论 文）23Sim ulink中主要包含 有 Continuous(连续模块 )， Discrete(离散模块 )， Function&Tables(函数 和 平 台 模 块 )， Math(数学 模 块 )， Nonlinear(非线 性 模 块 )， Signals&System s(信号和系统模块 )， Sinks(接收器模块 )， Sources(输入源模块 )和 Extra(其它环节 )等子模型库。 每 个子模型库中都相应包含了丰富的功能模块， 此 外还 可以根据需要，用户可以定制和封装自己的模块。 Sim ulink用于动态系统
