工業(yè)鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)

1、一、 設(shè)計(jì)要求1、系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)給定參數(shù)（1）、鍋爐 工作壓力：2 mpa； 蒸發(fā)量：20 t / h； 正常負(fù)荷：10 t / h； 最大負(fù)荷波動(dòng)：240 / min； 最大水位波動(dòng) 30mm； 水位允許穩(wěn)態(tài)偏差 10mm。 動(dòng)態(tài)特性考慮為一階，時(shí)間常數(shù) 5 s ， 靜態(tài)放大倍數(shù) 8 。（2）、給水泵 形式：多級(jí)離心泵 給水壓力 3 mpa； 排量 25 t / h； 恒速運(yùn)轉(zhuǎn)、由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量。（3）、儀表 各環(huán)節(jié)為電動(dòng)型儀表，輸入、輸出量程420ma，變送器輸入量程自選（要求全部?jī)x表輸入工作點(diǎn)在50左右，以保證其線性），若調(diào)節(jié)器選數(shù)字式則必須配相應(yīng)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。水位檢測(cè)變送器可采用差壓式；流

2、量變送器可采用孔板或渦介式；調(diào)節(jié)閥為電動(dòng)式（流量特性自選）。 各變送器、執(zhí)行器均為放大環(huán)節(jié)，放大倍數(shù)由所選量程而定。2、根據(jù)工業(yè)鍋爐生產(chǎn)過程對(duì)水位的要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)方案，選擇合適量程的儀表，最終提供系統(tǒng)工藝流程圖、結(jié)構(gòu)方框圖、系統(tǒng)方塊圖，根據(jù)給定參數(shù)及要求選定合適的調(diào)節(jié)規(guī)律，給出調(diào)節(jié)器參數(shù)（比例帶，積分時(shí)間 ti ，微分時(shí)間 td ）的整定范圍，最終得到一個(gè)10141的衰減過程。 控制器可由微處理器組成，硬件自己搭建，若有可能在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬仿真！繪出相應(yīng)的過程曲線。二、 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性鍋爐的給水系統(tǒng)，汽包液位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實(shí)際情況卻要復(fù)雜

3、的多。其中最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽氣泡的水，而蒸汽氣泡的總體積是隨著氣泡壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒有變化，汽包水位也會(huì)隨之發(fā)生改變。汽包液位過高會(huì)造成蒸汽帶水，影響汽水分離效果；水位過低容易使水全部被汽化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負(fù)荷和給水流量的波動(dòng)，當(dāng)負(fù)荷突然增大、汽包壓力突然降低時(shí)，水就會(huì)被急劇汽化，出現(xiàn)大量氣泡，形成“虛假液位”。根據(jù)所給任務(wù)書中的要求，水位h與給水w之間的傳遞函數(shù)為一個(gè)一階對(duì)象，時(shí)間常數(shù)為5s，靜態(tài)放大倍數(shù)為8。2.系統(tǒng)控制框圖單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)如

4、下圖所示：圖表 1從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量w、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量d及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。綜上所述，本系統(tǒng)應(yīng)選用水位串級(jí)控制。主回路用于直接控制水位，主調(diào)節(jié)器一般都采用比例積分動(dòng)作，維持水位不變。副回路是流

5、量系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器可以用比例或比例積分動(dòng)作。結(jié)合題意設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如下：hr +gc1(s)gc2(s)kukwkhgp(s)kdhw其中，hr水位設(shè)定值 w給水量 h水位值 gc1（s）主控制器 gc2（s）副控制器 gp（s）被控對(duì)象傳遞函數(shù) kd蒸汽流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù) kw給水流量檢測(cè)變送器放大倍數(shù) kh水位檢測(cè)儀表放大倍數(shù)3.儀表的選擇及靜態(tài)增益的計(jì)算本系統(tǒng)共需要選擇三個(gè)儀表以及一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。（1） 給水流量計(jì)的選擇及kw的計(jì)算 根據(jù)所給離心泵的參數(shù)，給水壓力3mpa，水流量為25t/h。正常的蒸汽量為10t/h，因此在穩(wěn)定的情況下，需要的給水量應(yīng)等于蒸發(fā)量，即正常的給水量為10t/

6、h。選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的給水流量為20t/h。輸出量程為420makw=（20-4）/（20-0）=0.8mah/t （2） 蒸汽流量計(jì)的選擇及kd的計(jì)算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為10t/h，選擇輸入量程所對(duì)應(yīng)的蒸汽流量為20t/h.輸出量程為420ma。kd=（20-4）/（20-0）=0.8ma/t（3） 調(diào)節(jié)閥的選擇及ku的計(jì)算選擇電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，輸入量程為420ma，輸出量程為025t/h。ku=（25-0）/（20-4）=1.56t/hma（4） 差壓式水位測(cè)量?jī)x表及kh的計(jì)算根據(jù)題目所給的最大允許波動(dòng)為30mm，因此儀表輸入選擇為60mm，輸出為420ma。kh=（20-4）/（60-

7、（-60）=0.133ma/mm4.pid控制器的參數(shù)整定首先，對(duì)副環(huán)進(jìn)行整定，由上面選擇的調(diào)節(jié)器可以得到，副環(huán)是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，因此在整定副環(huán)時(shí)，只要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。其次，對(duì)主環(huán)進(jìn)行整定，先將pi調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)置成無窮大，然后給比例系數(shù)，若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，應(yīng)增大比例帶。通過不斷調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)積分常數(shù)ti，最終得到的是一個(gè)衰減比在4：110：1的衰減震蕩過程。各個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下：副調(diào)節(jié)器：k2=5主調(diào)節(jié)器：k1=8 ，ti=0.38s，=0.135， 衰減比為10：1其衰減振蕩的曲線如下：5. 鍋爐汽包水位總體設(shè)計(jì)的仿真串級(jí)三沖量控

8、制系統(tǒng)simulink仿真模型得到的響應(yīng)曲線如下圖所示。串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線仿真結(jié)果分析：串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應(yīng)曲線平穩(wěn)，對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)的抑制也很強(qiáng)。6. 硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制過程為:利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器adc0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機(jī)的i/o接口，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算控制，輸出地?cái)?shù)字信號(hào)再通過dac0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號(hào)。6.1.1控制器的選擇選擇51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作范圍，由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使給水閥門開打，注水量

9、增加，水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)；當(dāng)水位高于規(guī)定值時(shí)，8051單片機(jī)再次發(fā)出控制信號(hào)，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復(fù)到規(guī)定范圍。51單片機(jī)與ad和da的接口連接如下圖所示：6.1.2控制的程序框圖系統(tǒng)控制的程序流程圖6.2 ad轉(zhuǎn)換器ad轉(zhuǎn)換器選擇adc0809, adc0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的a/d轉(zhuǎn)換器。 ad轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì) ：ad轉(zhuǎn)換結(jié)束后，eoc腳輸出高電平，此時(shí)單片機(jī)接收eoc信號(hào)，讀取ad轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將eoc腳經(jīng)反相器與單片機(jī)的int0腳相連。ad轉(zhuǎn)換結(jié)果由p0口讀入，故將ad轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機(jī)p0口相連，高低位依次相連。 經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)ad轉(zhuǎn)

10、換器的接口電路如圖所示6.3 da轉(zhuǎn)換器 da轉(zhuǎn)換器選擇dac0832,dac0832是具有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位dac,它能直接與51單片機(jī)相連。da轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計(jì)：選擇dac為單緩沖方式，即輸入寄存器工作于受控狀態(tài)，dac寄存器處于直通狀態(tài)，由dac0832的引腳特性，將dac0832的引腳接發(fā)如下：cs：片選端，低電平有效，直接接低電平ile：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。wr2：dac寄存器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，故直接接低。xfer：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。wr1；第一級(jí)輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時(shí)，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到dac寄存器，故將該腳與單片機(jī)p2.2口相連，由程序控制。經(jīng)以上分析，設(shè)計(jì)da轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示三、 設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過這次過程控制課程設(shè)計(jì)，我們感觸頗深，不僅對(duì)書上學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)與鞏固，而且還培養(yǎng)了我獨(dú)立思考與解決問題的能力。通過將近一周的努力，我終于在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了任務(wù)。是我更加深刻地理解了鍋爐液位的三沖量控制，而且將我在眾多專業(yè)課程上所學(xué)到的知識(shí)相結(jié)合，更進(jìn)一步提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。通過課程設(shè)計(jì)將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識(shí)的重要性和應(yīng)用范圍的寬廣，加深了對(duì)專業(yè)、對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解