1、本科生课程设计（论文）目录第 1 章 绪论 11.1 锅炉汽包水位自动控制的意义 .11.2 锅炉液位控制的难点 .1第 2 章 方案论证 22.1 单冲量控制系统 .22.2 双冲量控制系统 .22.3 三冲量控制系统 .2第 3 章 硬件设计 53.1 液位变送器的选择 .53.2 压力传感器/变送器 63.3 控制器的选择 .63.4 执行器的选择 .73.5 控制器的作用方式 .83.6 阀的开闭选择形式 .8第 4 章 软件设计 94.1 PID 对控制的影响 94.2 PID 控制器的参数整定 94.3 锅炉汽包水位的三冲量串级 PID 控制系统仿真 11第 5 章 总结 .14参
2、考文献 .15本科生课程设计（论文）1第 1 章 绪论1.1 锅炉汽包水位自动控制的意义锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果
3、都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。1.2 锅炉液位控制的难点液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整 PID 控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的
4、 PID 不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。本科生课程设计（论文）2第 2 章 方案论证锅炉汽包水位的控制方案：根据锅炉汽包水位特性，选取锅炉汽包水位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量和给水流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包水位维持在满足负荷需求的高度。同时，为保证锅炉安全生产，调节
5、节水量的执行机构选取气关式。2.1 单冲量控制系统所谓单冲量就是指锅炉汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统，如图 2-1 所示。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。对于负荷变动较大的大，中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。因此，该控制方案不适用于负荷
6、变动较大的情况。2.2 双冲量控制系统蒸汽流量是影响汽包水位最主要的扰动，也是造成假水位的主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成如图 2.2所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。2.3 三冲量控制系统为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图2.3 所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸
7、本科生课程设计（论文）3汽流量。三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回路使给水流量能适应负荷和水位要求。在稳定状态下,液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输出电流减少，从而会开大给水调节阀，与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。待虚假液位过去,水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信
8、号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。图 2.4 为三冲量液位调节方框图。三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场
9、合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。本科生课程设计（论文）4LT图 2.1 单冲量控制系统 图 2.2 双冲量控制系统LC蒸汽LTLCCC蒸汽FCCFTTTTTTT图 2.3 三冲量控制系统LTLC蒸汽给水省煤器F1CF1TF2CC0+C1OL+OF1图 2.4 三冲量控制系统连接关系LC水位 蒸汽 给水F2C给水省煤器省煤器给水 给水本科生课程设计（论文）5蒸汽流量 D给水 水位给定值 流量 + + 图 2.5 三冲量液位控制系统框图第 3 章 硬件设计3.1 液位变送器的选择选 择 TK3051L 液 位 变 送 器 ， 如 图 3.1(1)工 作 原 理 ：工 作 时 高 低 压 侧
10、 的 隔 离 膜 片 和 灌 充 液 将 过 程 压 力 传 给 灌 充 液 ， 接 着 灌 充液 将 压 力 传 递 到 传 感 器 中 心 的 传 感 膜 片 上 。 传 感 膜 片 是 一 个 张 紧 的 弹 性 元 件 ，其 位 移 随 所 受 压 而 变 化 （ 对 于 GP 表 压 变 送 器 ， 大 气 压 如 同 施 加 在 传 感 膜 片上 的 低 压 侧 一 样 ） 。 AP 绝 压 变 送 器 ， 低 压 侧 始 终 保 持 一 个 参 考 压 力 。 传 感膜 片 的 最 大 位 移 量 为 0.004 英 寸 （ 0.1 毫 米 ） ， 且 位 移 量 与 压 力 成
11、 正 比 。 两侧 的 电 容 板 极 检 测 传 感 膜 片 的 位 置 。 传 感 膜 片 和 电 容 极 板 之 间 电 容 的 差 值 被转 换 为 相 应 的 电 流 ， 电 压 或 数 字 HART（ 高 速 可 寻 址 远 程 发 送 器 数 据 公 路 ）输 出 信 号 。(2)特 点 ：液位调节器（主）流量调节器（副）调节阀 气泡水位流量变送器液位变送器蒸汽流量变送器本科生课程设计（论文）6完 整 的 变 送 系 列 ； 测 量 范 围 ： 0-0.5inH20 至 6000psig； 结 构 小 巧 、 坚固 、 抗 震 ； 模 块 化 结 构 ； 阻 尼 可 调 ； 多
12、种 选 项 ， 量 应 用 灵 活 ； 智 能 ， 模 拟或 低 耗 电 路 ； 电 气 连 接 及 安 装 ： 配 有 多 种 过 程 连 接 器 和 安 装 法 兰a 液 位 测 量 精 度 达 0.075%b 校 验 量 程 从 2.5inH20 至 8310inH20c 平 面 式 ， 2-， 4-， 与 6 英 寸 伸 出 式 膜 片d 多 种 可 选 灌 充 液 ， 可 满 足 不 同 场 合 要 求e 小 巧 而 质 轻 ， 易 于 安 装 与 维 护f 接 液 件 材 料 ： 不 锈 钢 ， 哈 氏 合 金 钽图 3.1 TK3051L 液 位 变 送 器3.2 压力传感器/变
13、送器PTH501/502/503/504 压力传感器/变送器采用全不锈钢封焊结构，具有良的防潮能力及优异的介质兼容性。广泛用于工业设备、水利、化工、医疗、电力、空调、金刚石压机、冶金、车辆制动、楼宇供水等压力测量与控制量 程: -0.101150(MPa)综合精度: 0.1%FS、0.2%FS、0.5%FS、1.0%FS输出信号: 420mA(二线制)、05V、15V、0 10V(三线制)供电电压: 24DCV(936DCV)介质温度: -2085150环境温度: 常温(-20 85 )本科生课程设计（论文）7负载电阻: 电流输出型：最大 800；电压输出型：大于 50K绝缘电阻: 大于 20
14、00M (100VDC密封等级: IP65长期稳定性能: 0.1%FS/年振动影响: 在机械振动频率 20Hz1000Hz 内，输出变化小于 0.1%FS电气接口(信号接口): 四芯屏蔽线、四芯航空接插件、紧线螺母机械连接(螺纹接口): 1/2-20UNF、M141.5、M201.5、M221.5 等，其它螺纹可依据客户要求设计图 3.2 压力传感器/变送器3.3 控制器的选择采用上海万讯仪表有限公司生产的 AI 系列全通用人工智能调节仪表，其中SA-12 智能调节仪控制挂件为 AI-818，SA-13 智能位式调节仪为 AI-708 型。AI-818 型仪表为 PID 控制型，输出为 420
15、mADC 信号。AI-708 型仪表为位式控制型，输出为继电器触点型开关信号。AI 系列仪表通过 RS485 串口通信协议与上位计算机通讯，从而实现系统的实时监控。AI 仪表常用参数设置：CtrL： 控制方式。 CtrL=0，采用位式控制；CtrL=1，采用 AI 人工智能调节/PID调节；CtrL=2，启动自整定参数功能；CtrL=3；自整定结束。Sn：输入规格。 Sn=21， Pt100 热电阻输入；Sn=32,0.21VDC 电压输入；Sn=33,15VDC 电压输入。DIL：输入下显示值，一般 DIL=0.DIH：输入上限显示值。输入为液位信号时，DIH=50；输入为热电阻信号时，DI
16、H=100；输入为流量信号时， DIH=100.本科生课程设计（论文）8OPI：输出方式，一般为 420mA 线性电流输出。CF：系统功能选择。CF=0 为内部给定，反作用调节；CF=1 为内部给定，正作用调节；CF=8 为外部给定，反作用调节；CF=9 为外部给定，正作用调节。Addr：通讯地址。单回路实验 Addr=1；串级实验主控 Addr=1；副控为Addr=2；三闭环实验主控为 Addr=1，副控为 Addr=2，内环为 Addr=3。实验中各仪表通讯地址不允许相同。P、I、D 参数可根据实验需要调整。图 3.3 智能调节仪表3.4 执行器的选择RZXP 型新系列气动调节阀采用顶导向
17、结构，配用多弹簧执行机构。具有结构紧凑、重量轻、动作灵敏、充体通道呈 S 流线型、压降损失小、阀容量大、流量特性精确、拆装方便等优点。广泛应用于精确控制气体、液体等介质，气动调节阀的工艺参数如压力、流量、温度、液位保持在给定值。特别适用于允许泄漏量小阀前后压差不大的工作场合。本系列产品的标准型、调节切断型、波纹管密封型、夹套保温型等多种品种。产品公称压力等级有 PN10、16、40、64；阀体口径范围 DN20200。适用流体温由-200560 范围内多种档次。泄漏量标准有 IV 级或 VI 级。流量特性为线 性或等百分比。多种多样的品种规格可供选择。本科生课程设计（论文）9图 3.4 RZX
18、P 型新系列气动调节阀3.5 控制器的作用方式当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；当测量值不变时，设定值减小时，调节器输出也增加，称为“正作用”方式；如果测量值增加或设定值减小时，调节器输出减小，则称为“反作用”方式。经分析此系统为正作用方式。3.6 阀的开闭选择形式关于给水调节阀的气开气关的选择，一般都是从安全角度考虑的，人员安全、生产安全、系统设备安全的需要为首要依据。由于工业生产过程的调节阀绝大部分为气动调节阀，所以要选择调节阀的气开气关方式。锅炉给水调节阀一般采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处于全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避
19、免爆炸等事故的发生。本科生课程设计（论文）10第 4 章 软件设计4.1 PID 对控制的影响（1）比例 P 调节在 P 调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即 。 。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大 称为比例带，其中 KP 为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分 I 调节在 I 调节中，调节的输出信号的变化速度 与偏
20、差信号 e 成正比，即称为积分速度，其中 TI 为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I 调节的输出才保持不变。I 调节的稳定作用比 P 调节差,如果只采用 I 调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。（3）微分 D 调节D 调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 。TD 为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与 P 结合 PD 或与 PI 构成PID 调节。总之，PID 控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除
21、静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。4.2 PID 控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带 ，积分时间 TI 和微分时间 TD 的数值称为控制器参数puKe=1pddut0duSet= DdeuTt=本科生课程设计（论文）11整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。（1）经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带 ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID 控制器的经验法整定：先将 TD 置为 0，置 TI 为，先整定比例
22、带使之达到 4：1 衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%） ，而积分时间 TI 由大到小逐步加入，直至达到 4：1 的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把 TD 由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。（2）稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图4.1。录此时的临界比例带 K 及两个波峰的时间 TK 利用 K 和 TK 值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数、TI、TD。（3）衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不
23、足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间 TI 为最大值，微分时间为 0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图 4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现 4：1 的衰减振荡过程，记下此时的比例带和 TS 的数值。利用 4：1 衰减整定参数表求得控制器的PID 数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。tttTkTsr rr0r00 0ty y0 0t0 4 1本科生课程设计（论文）123
24、.60.37()15DGss=-+图 4.1 4.3 锅炉汽包水位的三冲量串级 PID 控制系统仿真1、试验得到下列近似传递函数及系数（1）给水流量的传递函数： (3-14) （2）蒸汽流量的传递函数： (3-15)（3）变送器的比例系数：水位变化范围为50mm，水位变送器的电流变化为 0-10mA，所以水位变送器的比例系数为： 给水流量和蒸汽流量变送器的比例系数为： 。2、通过估算及仿真实验得到：根据 ，给水流量信号和蒸汽流量信号的分流系数为：0.21。PID 控制器的参数采用逐步逼近法，通过仿真实验得到：（1）主控制器的 PID 参数为： （2）副控制器的 PID 参数为： 3、汽包水位三
25、冲量串级 PID 控制系统控制系统如图 4.1 所示，在水位传递函数为 仿真结果如图 4.2 所示。在水位传递函数为 的仿真结果如图 4.3 所4、汽包水位双冲量 PID 控制系统若汽包水位采用双冲量单级 PID 控制系统，控制系统如图 3-18 所示。对其0.37()(1)pss0.15DWK=Dn0.35,.02,.1PIDKK=1.37()01)pGs+0.()8)ps=10.25HK=*本科生课程设计（论文）13在无、有干扰情况下进行仿真。仿真结果与三冲量 PID 进行比较如图 3-19、3-20 所示。从控制系统仿真曲线图可以看出（1）采用 PID 控制器，系统的静态特性较好（2）三
26、冲量控制与双冲量，采用三冲量系统对干扰有很好有控制能力（3）串级系统对系统内的干扰有较强的控制能力。 （4）当对象参数发生改变时，系统发生巨大响应，超调量明显变大，上升时间变长，系统振荡加剧，可以看出当控制对象不明确时，PID 控制效果不好。图 3-15 汽包水位三冲量串级 PID 控制系统图图 4.1 控制系统本科生课程设计（论文）14（a ）水位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果(b)在 500 秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果 (c)在 500 秒加入给水流量扰动时的仿真结果图 3-16 仿真结果(a)水位给定值阶跃跟踪响应时的仿真结果 (b)在 1700 秒加入蒸汽流量扰动时的仿真结果本科生
27、课程设计（论文）15(c)在 1700 秒加入给水流量扰动时的仿真结果图 4.2 仿真结果本科生课程设计（论文）16第 5 章 总结本设计是锅炉汽包水位控制系统的设计，锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈- 串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要求。接着分析了 PID 对系统的影响，及 PID 的参数整定，然后 MATLAB 中进行了仿真，能够更好分析锅炉汽包水位的情况。通过分析证明了汽包水
28、位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。本科生课程设计（论文）17参考文献1 孙优贤，孙红编著 .锅炉设备的自动调节M.化工工业出版社，19822 金以慧，过程控制 M.清华大学出版社，19933 陶永华，新型 PID 控制及其应用M.机械工业出版社，20024 王永初，任秀珍 .工业过程控制系统设计范例M科学出版社，19865 居滋培，过程控制系统及其应用M.机械工业出版社，20056 侯志林，过程控制与自动化仪表M西安理工大学，19997 胡伟，工业锅炉汽包水位模糊 PID 控制策略的研究J.焦作工学院
