汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢畢畢畢業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)計計計計（論論論論文文文文）說說說說明明明明書書書書畢畢畢畢業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)計計計計（論論論論文文文文）題題題題目目目目鍋 爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計系 部：自動化與信息工程系 年級專業(yè)： 08 電氣自動化二班 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)教師： 2011 年 5 月 18 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書姓名 專業(yè) 電氣自動化技術(shù)任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 2011年 2月 21日 設(shè)計（論文）開始日期 2011年 2月 28日 設(shè)計（論文）完成日期 2011年 5月 18日 設(shè)計（論文）題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計A編制設(shè)計 B設(shè)計專題（畢業(yè)論文） 指導(dǎo)教師系（部）主任2011 年

2、6 月 2 日畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會記錄自動化與信息工程系電氣自動化技術(shù)專業(yè)，學(xué)生 于 2011 年 6 月 12 日進(jìn) 行了畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。設(shè)計題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計專題（論文）題目： 指導(dǎo)老師： 答辯委員會根據(jù)學(xué)生提交的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料，根據(jù)學(xué)生答辯情況， 經(jīng)答辯委員會討論評定，給予學(xué)生 畢業(yè)設(shè)計（論文）成績 為 。答辯委員會 人，出席 人 答辯委員會主任（簽字）： 答辯委員會副主任（簽字）： 答辯委員會委員： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語學(xué)生姓名： 專業(yè) 電氣自動化技術(shù)年級 2008畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)

3、計評 閱 人： 指導(dǎo)教師： （簽字）年月日成績： 系（科）主任： （簽字）年月日第 頁 共 頁畢業(yè)設(shè)計（論文）及答辯評語： 摘摘摘摘 要要要要鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸 發(fā)量。由于鍋爐的水位同時受到鍋爐側(cè)和氣輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或氣 輪機(jī)用汽量變化時，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和氣輪機(jī)安全運(yùn) 行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會影響汽水分離器的正常工 作，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；鍋爐出 口蒸汽帶水過多還會使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會破壞正常水循

4、環(huán)， 危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持。本設(shè)計是通過了解了鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并在具體分析其動、靜特性的基礎(chǔ)上 從單沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設(shè)計方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制。關(guān)鍵詞：鍋爐汽包三沖量水位控制設(shè)計目目目目錄錄錄錄引言70.1 設(shè)計的目的和意義70.2 應(yīng)解決的主要問題70.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀70.4 指導(dǎo)思想8第 1 章 設(shè)計方案101.1 單沖量水位控制系統(tǒng)101.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)111.3 三沖量水位控制系統(tǒng)131.4 設(shè)計方案的確定17第 2 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計192.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求及內(nèi)容192.2 控制系統(tǒng)方框圖192.3

5、 鍋爐三沖量控制系統(tǒng)工作原理及調(diào)節(jié)過程192.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計20第 3 章 控制系統(tǒng)各元器件選擇243.1 控制器的選擇243.2 控制閥選擇273.3 AI-808 型人工智能調(diào)節(jié)器27第 4 章 PID 控制器參數(shù)整定294.1PID 控制的原理和特點(diǎn)294.2PID 控制器的參數(shù)整定29結(jié)束語32參考文獻(xiàn)33引引引引言言言言0.1 設(shè)計的目的和意義鍋爐燒水產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，蒸汽溫度可以達(dá)到 1000 多度，用這樣的蒸汽可以 用來消毒，煮飯，燒開水等。現(xiàn)在學(xué)校，工廠的食堂燒水做飯就是用鍋爐燒水產(chǎn)生的蒸 汽做的。鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的

6、蒸 發(fā)量。由于鍋爐的水位同時受到鍋爐側(cè)和氣輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或氣 輪機(jī)用汽量變化時，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和氣輪機(jī)安全運(yùn) 行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會影響汽水分離器的正常工 作，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；鍋爐出 口蒸汽帶水過多還會使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會破壞正常水循環(huán)， 危及水冷壁受熱面的安全。一般要求鍋筒水位維持。在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重 中之重。本設(shè)計是通過了解了鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并在具體分析其動、靜特性的基礎(chǔ)上 從單

7、沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設(shè)計方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制， 具體的方案設(shè)計存在的優(yōu)缺點(diǎn)詳見下文解析。0.2 應(yīng)解決的主要問題本設(shè)計主要解決傳感器的選擇（溫度，壓力，水位），輸出道的設(shè)計和軟件程序的 設(shè)計。其所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為：（1）可以對鍋爐水位，蒸汽量和給水量分別采集（2）通過單片機(jī)控制，使鍋爐汽包水位維持在正常的范圍內(nèi)（3）具有鍵盤顯示功能（4）具有報警功能當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警，0.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前在國內(nèi)外隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，都采用三沖量水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該控制引進(jìn)蒸 汽流量和給水流量信號作為控制信號，系統(tǒng)動作及時，有較強(qiáng)的抗干擾能力，因此得到 廣泛的應(yīng)

8、用。主要用微型計算機(jī)控制系統(tǒng)來控制鍋爐。微型計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是，其控制功 能要通過內(nèi)部的控制程序來實(shí)現(xiàn)，人們只需要改變這些程序，就可以更改鍋爐設(shè)備的控 制功能，以適應(yīng)新的控制要求而不需要改動硬件系統(tǒng)。這種靈活性在硬聯(lián)邏輯系統(tǒng)中是沒有的。因此，掌握微型計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和研制技術(shù)，是開發(fā)微型計算機(jī)應(yīng)用的 一個重要課題。在國內(nèi)主要有單，雙，三沖；量控制系統(tǒng)來控制鍋爐汽包水位。 單沖量控制系統(tǒng)以鍋爐鍋筒水位為唯一信號的鍋爐給水連續(xù)調(diào)解。該系統(tǒng)由水位變送器，伺服放大器，執(zhí)行器和給水調(diào)節(jié)閥組成。水位變送器將水位信號送到調(diào)節(jié)器，調(diào) 節(jié)器根據(jù)實(shí)測水位和給定值的偏差，經(jīng)過運(yùn)算放大后輸出調(diào)解信號，驅(qū)動執(zhí)行

9、器改變調(diào) 節(jié)閥的開度，改變鍋爐上水量，使水位控制在容許范圍呢。在單沖量水位自動調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，加上蒸汽流量作為前饋信號，使構(gòu)成所謂的雙沖 量水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。前饋控制的主要特點(diǎn)是根據(jù)擾動的大小直接調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)作用在 擾動發(fā)生的同時起作用，從而減少擾動造成的被控參數(shù)的變化。引入蒸汽流量前饋信號 可以消除虛假水位對水位控制的不良影響，減少或抵消由于虛假水位現(xiàn)象而造成的調(diào)節(jié) 誤動作。在雙沖量水位自動調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，為解決給水壓力不穩(wěn)而造成調(diào)節(jié)性下降的問題， 引入給水流量作為調(diào)節(jié)器的反饋信號。它采用蒸汽流量作為前饋信號，克服負(fù)荷變化引 起的外擾動，減少假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動作，用給水量作為反饋信號，克服內(nèi)

10、擾影響， 穩(wěn)定給水量，可以進(jìn)一步改善給水調(diào)節(jié)質(zhì)量。由常規(guī)儀表和調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的模擬控制系 統(tǒng)，雖然具有可靠性高，成本低，易于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，并在大中小企業(yè)中得到了廣 泛的應(yīng)用，解決了不少自動化方面的問題。但是隨著生產(chǎn)向大型化連續(xù)化發(fā)展，對自動 化技術(shù)的要求越來越高，模擬自動化控制系統(tǒng)越來越表現(xiàn)出它的局限性。例如它難以實(shí) 現(xiàn)多變量控制，復(fù)雜控制規(guī)律的控制，最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制，以及時變控制等，模擬 控制屏越來越長，難以實(shí)現(xiàn)集中控制，各系統(tǒng)之間不便進(jìn)行通訊聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)多級控 制，控制方案的修改比較麻煩。如果采用計算機(jī)作為自動化工具的過程控制系統(tǒng)，就能 很好地解決模擬控制系統(tǒng)存在的上述問題。隨著生

11、產(chǎn)的發(fā)展，鍋爐日益廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，成為發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)的 重要熱力設(shè)備之一。在現(xiàn)在化建設(shè)中，能源的需求量非常大的，然而我國能源利用率極 低，所以提高鍋爐的熱效率，有這極為重要的實(shí)際意義。此外，是鍋爐能以地制宜地有 效地染用地方燃料，并為滿足環(huán)境保護(hù)的需求而努力解決煙塵污染問題，以提高才做管 理水平，減輕勞動強(qiáng)度，保證鍋爐額定運(yùn)行及運(yùn)行效率，安全可靠地供熱等問題。0.4 指導(dǎo)思想采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號，給水量 為控制器的反饋信號來控制給水量。其目的是通過單片機(jī)的控制，使鍋爐汽包水位維持 在正常的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相

12、應(yīng)措施。充分體現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，系統(tǒng)功能完善，結(jié)構(gòu)先進(jìn)合理，能耗小，擴(kuò)展靈活，便于維護(hù)， 并且可靠性高，而且還極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)系動畫程度較 高，大大降低了操作者勞動強(qiáng)度，綜性性強(qiáng)，適用性好，保障鍋爐正常運(yùn)行。第第第第 1 章章章章 設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)計計計計方方方方案案案案工業(yè)鍋爐汽包水位的自動控制，根據(jù)鍋爐容量大小，供給蒸汽（或熱水）的使用要 求不同，通常有單沖量自動控制系統(tǒng)，雙沖量自動控制系統(tǒng)和三沖量自動控制系統(tǒng)三種 形式。1.1 單沖量水位控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號即水位測量信號經(jīng) 變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量

13、值與給定值的偏差去控制調(diào)節(jié)閥，改 變給水量來保持汽包水水位在容許的范圍內(nèi)。單沖量水位自動控制系統(tǒng)，是汽包水位自 動控制中最簡單最基本的一種形式。對于中小型鍋爐在蒸汽負(fù)荷變化不大的情況下，水 位受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢，“虛假水位”現(xiàn)象也不嚴(yán)重，采用單沖量控制系統(tǒng)， 一般采用比例調(diào)節(jié)就能滿足生產(chǎn)上的要求，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，將得到更滿意的效果。 其原理框圖見圖 1.1-1，方框圖見 1.1-2.1.1-1Xepqy1.1-2單沖量水位存在的問題是：當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷變化很大時，由于“虛假水位”現(xiàn)象的 影響，在調(diào)節(jié)過程一開始，調(diào)節(jié)器根據(jù)水位先上升趨關(guān)下調(diào)節(jié)閥，減少給水量，這個錯 誤動作擴(kuò)大了汽包

14、進(jìn)出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。從給水?dāng)_動下的情況下看。由于給水總管壓力改變等原因造成的給水量變動時， 調(diào)節(jié)器要等到水位改變后才能動作，而調(diào)節(jié)器動作后又要經(jīng)過一段延時時間才能影響到 水位，因此將導(dǎo)致汽包水位發(fā)生較大的變化，調(diào)節(jié)時間長。1.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)1.2.1 雙沖量水位控制方案及工作原理1. 控制方案 在單沖量汽包水位控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前饋信號構(gòu)成雙沖量水位自動控制系統(tǒng)。這種水位控制的優(yōu)點(diǎn)是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對控 制的不良影響，當(dāng)負(fù)荷蒸汽變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可 以減少或抵消由于“虛

15、假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽流量向相反方向變化的誤動作， 使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減少了給水和水位的波動，能夠改善控 制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。其原理圖和方框圖見 1.2-1,1.2-2由于過程控制系統(tǒng)總具有滯后的特性，當(dāng)從干擾產(chǎn)生到被控制量起變化，需要一定 長的時間；而被控制量變化后通過調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用又要經(jīng)歷一段時間。因此，被 控參數(shù)要達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)就要經(jīng)歷相當(dāng)長的時間。顯然，控制系統(tǒng)的滯后越大，則被 控參數(shù)變化的幅度也越大，偏差持續(xù)的時間也越長。為了解決上述問題，采用一種與反 饋控制原理完全不同的控制方法，這種方法是按照干擾作用進(jìn)行控制的。只要干擾一出 現(xiàn)，

16、在被控制量未受到影響前，補(bǔ)償器立即根據(jù)干擾的性質(zhì)和大小，改變執(zhí)行器的輸入 信號，從而使被控制量基本不受擾動的影響。蒸汽給水省煤 器1.2-1 2. 工作原理1.2-21）前饋控制系統(tǒng)工作原理 利用輸入或擾動信號的直接控制作用構(gòu)成的開環(huán)控制系統(tǒng)。這類按輸入或擾動的開環(huán)控制通常與包含按偏差的閉環(huán)控制共同組成反饋-前饋控制系統(tǒng)，稱為復(fù)合控制系統(tǒng)。 由于按偏差確定控制作用以使輸出量保持其在期望值的反饋控制系統(tǒng)，對于滯后較大的 控制對象，其反饋控制作用不能及時影響系統(tǒng)的輸出，以致引起輸出量的過大波動，直 接影響控制品質(zhì)。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則 可在反饋控制的同時，利

17、用外擾信號直接控制輸出（實(shí)施前饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能 迅速有效地補(bǔ)償外擾對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。這種按外擾信號實(shí)施前 饋控制的方式稱為擾動控制，按不變性原理，理論上可做到完全消除主擾動對系統(tǒng)輸出 的影響。前饋控制系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）前饋控制是基于不變性原理工作的，比反饋控制及時、有效；（2）前饋控制是屬于“開環(huán)”控制系統(tǒng)；（3）前饋控制使用的是視對象特性而定的“專用”控制器，又稱前饋補(bǔ)償裝置；（4）一種前饋?zhàn)饔弥荒芸朔环N干擾。 前饋控制主要用于下列場合（1）干擾幅值大而頻繁，對被控變量影響劇烈，單純反饋控制達(dá)不到要求時；（2）主要干擾是可測不可控的變量；（3）對象的控制通道滯后大

18、，反饋控制不及時，控制質(zhì)量差時，可采用前饋一反 饋控制系統(tǒng)，以提高控制質(zhì)量。2）反饋控制系統(tǒng)的工作原理 反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對象和反饋通路組成。 帶叉號的圓圈為比較環(huán)節(jié)，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱 為調(diào)節(jié)器。以鍋爐溫度控制為例，受控對象為汽包；輸出變量為實(shí)際的鍋爐汽包水位; 輸入變量為給定常值水位。鍋爐溫度用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相 比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制 量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因

19、此，它具有抑制干擾的能力， 對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng) 輸出變化的信息來進(jìn)行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并 消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向 通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反 饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。在工程上常把在運(yùn) 行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟 隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。同開環(huán)控

20、制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什 么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制 作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系 統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當(dāng)時會引起系 統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即 前饋控制）作為反饋控制的補(bǔ)充而構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)。1.2.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)的特點(diǎn)從本質(zhì)上看，雙沖量控制系統(tǒng)是一個前饋（蒸汽流量）與單回路反饋控制系統(tǒng)的復(fù) 合控制系統(tǒng)。雙沖量汽包水位控制，能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好

21、的完成水位控制 任務(wù)。在給水壓力比較平衡時，采用雙沖量控制是能夠達(dá)到控制要求的。雙沖量汽包水位控制存在的問題是：控制作用不能及時反應(yīng)給水方面的擾動，當(dāng)給 水量擾動時，控制系統(tǒng)等于單沖量的控制。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常波動，給水調(diào) 節(jié)閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量控制。1.3 三沖量水位控制系統(tǒng)1.3.1 結(jié)構(gòu)原理雙沖量系統(tǒng)還有兩個弱點(diǎn)，即調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性，這樣要做到靜態(tài)補(bǔ) 償不是很難；同時給與給水系統(tǒng)的擾動不能直接補(bǔ)償。為此，將給水量流量信號引入， 構(gòu)成三沖量控制。在雙沖量水位自動調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，為解決給水壓力不穩(wěn)而造成調(diào)節(jié)性 下降的問題，引入給水流量作為調(diào)節(jié)器的反饋信號

22、。它采用蒸汽流量作為前饋信號，克 服負(fù)荷變化引起的外擾動，減少假水位引起的調(diào)節(jié)器誤動作；用給水流量作為反饋信號， 克服內(nèi)擾影響，穩(wěn)定給水量，可以進(jìn)一步改善給水調(diào)節(jié)質(zhì)量。針對上述情況，為了把水位控制平衡，在雙沖量水位控制的基礎(chǔ)上引入了給水流量信號，這時調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號：汽包水位是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量是 前饋信號，給水流量是反饋信號，這就是汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)。 工業(yè)鍋爐采用三沖量控制系統(tǒng)時，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié) 閥一開始就向正確方向移動，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水 位”引起的反向動作，因而減小了水位和給水流量的波動幅度。當(dāng)由于

23、水壓干擾使給水 流量改變時，控制器能迅速消除干擾。如給水流量減少，控制器立即根據(jù)給水流量減少 的信號，開大給水閥門，使水流量保持不變。另外，給水流量信號也是控制器動作后的 反饋信號，能使控制器及早知道調(diào)節(jié)的效果，所以三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制器動作快， 還可以避免調(diào)節(jié)過頭，減少波動和失調(diào)，這樣汽包水位就很少受到影響。:1.3.1-1從三沖量水位控制系統(tǒng)的原理框圖可以看出，它由兩個閉合回路組成：1.是由給水量，調(diào)節(jié)閥，控制器組成的內(nèi)回路；2.由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路，蒸汽流量和分流器均在閉合回路之外， 它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但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

24、串級的控制系統(tǒng)。三沖量控制對單、雙沖量控制方案取長補(bǔ)短，極大地提高了水位控制質(zhì)量。例如， 當(dāng)耗氣量 D 突然階躍增大時，一方面由于假水位現(xiàn)象水位會暫時升高，它使調(diào)節(jié)閥錯誤 地指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增加給水量。另一方面。D 的增大又通過雙沖量控制作用指揮調(diào)節(jié)閥機(jī) 構(gòu)增加給水量。實(shí)際給水量是增大還是減少，取決于系統(tǒng)系數(shù)的整定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消 失后，水位個蒸汽信號都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作，只要參數(shù)整定合適，當(dāng)系數(shù)恢復(fù) 平衡后，給水量必然等于蒸汽流量。水位 H 也會維持在設(shè)定值?？傊龥_量汽包水位控制系統(tǒng)，由于引進(jìn)蒸汽流量和給水流量信號作為控制信號， 系統(tǒng)動作及時，有較強(qiáng)的抗干擾能力，在較大的階躍擾動時都能

25、有效地控制水位的變化，因而得到了廣泛的引用。1.3.2 三沖量控制方案1.方案之一圖 1.3.2-1 所示是三沖量控制方案之一。該方案實(shí)質(zhì)上是前饋（蒸汽流量）加反饋 控制系統(tǒng)。這種三沖量控制方案結(jié)構(gòu)簡單，只需要一臺多通道調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)亦可看 作三沖量的綜合信號被控變量的單回路控制系統(tǒng)，所以投運(yùn)和整定與單回路一樣，但是 如果系統(tǒng)設(shè)置不能確保物料平衡，當(dāng)負(fù)荷變化時，水位將有余差。如圖 1.3.2-1,為方案 一的原理圖2.方案之二1.3.2-1該方案與方案一相類似，僅是加法器位置從調(diào)節(jié)器前移至調(diào)節(jié)閥后。該方案相當(dāng)于 前饋串級控制系統(tǒng)，而副回路的調(diào)節(jié)閥比例度為 100%，該方案不管系數(shù)如何設(shè)置，

26、當(dāng)負(fù)荷變化時，液位可以保持無差。如圖 1.3.2-2 為原理圖：3.方案之三1.3.2-2如圖 1.3.2-3 所示為三沖量控制方案之三，這是一種前饋（蒸汽流量）與串級控制 組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。在汽包停留時間較短，“虛假水位”嚴(yán)重時，需引入蒸汽流量信 號的微分作用，如圖中虛線所示。這種微分作用應(yīng)是負(fù)微分作用，起一個動態(tài)前饋?zhàn)饔茫?以避免由于負(fù)荷突然增加或減少時，水位偏離設(shè)定值過高或低而造成鍋爐停車。1.3.2-31.3.3 幾種控制方案的比較單沖量水位控制是汽包水位自動化控制中最簡單最基本的一種形式，是典型的單回路定值控制系統(tǒng)，但它不能克服“虛假水位”的影響，而且沒有給水量信號的反饋，所 以水

27、位波動較大。雙沖量水位控制系統(tǒng)是在單沖量控制的基礎(chǔ)上，引進(jìn)蒸汽流量作為前 饋信號。該控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是：引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié) 品質(zhì)的不良影響。當(dāng)蒸汽流量變化時，就有一個給水量與蒸汽量向同方向變化的信號， 可以減小或抵消由于“虛假水位”引起的給水量與蒸汽量反方向變化的誤動作，使調(diào)節(jié) 閥從一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量與水位的波動，縮短調(diào)節(jié)的時 間，而且引入的蒸汽流量的前饋信號，能該少調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。雙沖 量水位控制系統(tǒng)適用于小型低壓而且給水壓力較穩(wěn)定的鍋爐。當(dāng)給水壓力經(jīng)常有波動 時，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不宜保持正常時，不宜采用雙沖量控制：另

28、外在大型鍋爐的控 制中，鍋爐容量越大，壓力越來越高，汽包的相對容量就越小，允許波動的出水量就更 少。為了把水位控制平穩(wěn)，在雙沖量水位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上引入了給水量信號，由水位蒸汽 流量和給水流量就構(gòu)成了三沖量水位控制系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)里，汽包水位是被控變量， 是主沖量信號，蒸汽流量給水流量是兩個輔助沖量信號，三沖量水位控制系統(tǒng)抗干擾能 力強(qiáng)，適于大中型中壓鍋爐。三沖量控制方案一：方案一宜作為一般鍋爐水位的控制方案，其特點(diǎn)是使用的設(shè)備少，整定方發(fā)比較簡單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動作比較平穩(wěn)。 三沖量控制方案二：與方案一比較，其加法器從調(diào)節(jié)閥前移至調(diào)節(jié)閥后，即使出現(xiàn)物料不平衡的的現(xiàn)象，只要水位有偏差，調(diào)節(jié)器的積分作用就

29、能消除偏差。 三沖量控制方案三：采用這種控制方案，在負(fù)荷變化時給水量會及時作出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)時間也比較短，對于克服“虛假水位“的動態(tài)偏差有進(jìn)一步的好處，方案三適 于大容量高壓鍋爐，而且要求水位控制嚴(yán)格的場合。1.4 設(shè)計方案的確定鍋爐的給水量在運(yùn)行生產(chǎn)中經(jīng)常有自發(fā)性變化，當(dāng)幾臺鍋爐并列運(yùn)行時，還可能發(fā) 生幾臺鍋爐的汽包水位控制互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺鍋爐負(fù)荷和給水量改變時，引起 給水母管壓力波動而使其他鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中，對于給水量 這種自發(fā)性變化不能及時反映出來，要經(jīng)過一定的延遲時間之后，給水量的擾動才能通 過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位控制

30、又互相影響，使 得控制過程非常復(fù)雜。另外，近代工業(yè)鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般鍋爐容 量越大，汽包的容水量就越小，容許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在 1030s 就會發(fā)生危險水位；如僅是給水量與蒸汽量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺 水或滿水事故。這樣對汽包水位控制要求就更高了。由常規(guī)儀表和調(diào)節(jié)儀表構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)，雖然具有可靠性高，成本低，易于維護(hù)和操作等優(yōu)點(diǎn)，并在大中小企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，解決了不少自動化方面的問題。 但是隨著生產(chǎn)向大型化連續(xù)化發(fā)展，對自動化技術(shù)的要求越來越高，模擬自動控制系統(tǒng) 越來越表現(xiàn)出它的局限性。例如它難以實(shí)現(xiàn)多變量控制，復(fù)雜控制規(guī)律的控

31、制，最優(yōu)控 制，自適應(yīng)控制，以及時變控制等；模擬控制屏越來越長，難以實(shí)現(xiàn)集中控制；各條系 統(tǒng)之間不便進(jìn)行通訊聯(lián)系，難以實(shí)現(xiàn)多級控制；控制方案的修改比較麻煩。如果采用計 算機(jī)作為自動化工具的過程控制系統(tǒng)，就能很好地解決模擬控制系統(tǒng)存在的上述問題。采用三沖量水位控制系統(tǒng)，以鍋爐水位為主控信號，蒸汽流量為前饋信號，給水量 為控制器的反饋信號來控制給水量。通過智能儀表的控制，使鍋爐汽包水位維持在正常 的范圍內(nèi)，當(dāng)水位超過上限或下限時，能及時報警并采取相應(yīng)的措施，并且可靠性高， 充分體現(xiàn)三沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng) 自動化程度較高，大大降低了操作者勞動強(qiáng)度，降低了

32、成本，綜合性強(qiáng)，實(shí)用性好，保 障鍋爐正常運(yùn)行。經(jīng)分析可知采用三沖量的控制方案三為最優(yōu)方案。第第第第 2 章章章章 控控控控制制制制系系系系統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)的的的的設(shè)設(shè)設(shè)設(shè)計計計計2.1 過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求及內(nèi)容1.過程控制系統(tǒng)設(shè)計的一般要求：1)過程控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，且具有適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定裕度。2)系統(tǒng)應(yīng)是一個衰減振蕩過程，但過渡時間要短，余差要小。2.過程控制系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容：1)控制方案的設(shè)計，是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心。2)工程設(shè)計。3)工程安裝和儀表調(diào)校。4)控制參數(shù)工程整定。2.2 控制系統(tǒng)方框圖鍋爐汽包液位控制系統(tǒng)圖和調(diào)節(jié)器正反作用的確定。 在確定調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)的前提下，按單回路控制系統(tǒng)，可以

33、確定流量控制器 FC 為正作用。汽包液位和給水流量增加都需要關(guān)小調(diào)節(jié)閥，即對閥位的動作方向要求是一致的， 故液位控制器 LC 是反作用。:2.2-12.3 鍋爐三沖量控制系統(tǒng)工作原理及調(diào)節(jié)過程2.3.1 工作原理沖量控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來說，是一個帶有前饋信號的串級控制系統(tǒng)。液位控制器 LC 與流量控制器 FC 構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。汽包液位是主變量、給水流量是副變量。副變 量的引入使系統(tǒng)對給水壓力的波動有較強(qiáng)的克服能力。蒸汽流量的波動是引起汽包液位變化的因素，是干擾作用，蒸汽波動時，通過引入 FC，使給水流量作相應(yīng)的變化，所 以這是按干擾進(jìn)行控制的，是把蒸汽流量信號作為前饋信號引入控制的。2.3.2

34、 調(diào)節(jié)過程根據(jù)串級控制系統(tǒng)選擇主、副控制器的正、反作用的原則，水位控制器 LC 反作用 選反作用，流量控制器 FC 為正作用，調(diào)節(jié)器為氣關(guān)閥。當(dāng)水位由于擾動而升高時，因 LC 反作用，它的輸出下降，進(jìn)入加法器后，使 FC 給定值減小而輸出增加，調(diào)節(jié)閥的開 度減小，給水流量減小，水位下降，保持在設(shè)定值上；當(dāng)蒸汽流量增加時，F(xiàn)C 給定值 增加而輸出減小，調(diào)節(jié)閥的開度增加，給水流量增加，保持水蒸汽平衡，使水位不；副 回路克服給水自身的擾動，要進(jìn)一步地穩(wěn)定了水位的自動控制；給水流量增加，F(xiàn)C 輸 出增加，調(diào)節(jié)閥的開度減小，給水量減小，從而保持水蒸汽平衡。1. 常見故障和處理措施常見故障是出現(xiàn)“假液位”

35、 現(xiàn)象時，容易燒干鍋爐。此時，儀表維護(hù)人員應(yīng)該檢 查、測量汽包液位的真實(shí)性，做相應(yīng)的處理；調(diào)節(jié)閥線性不好，出現(xiàn) DCS 控制室調(diào)節(jié) 閥的輸出信號和現(xiàn)場閥位的開度對不上，儀表維護(hù)人員應(yīng)聯(lián)系好工藝，辦好檢修票的同 時，在現(xiàn)場進(jìn)行多次校驗(yàn)，至到合格為止；蒸汽流量突然波動，F(xiàn)C 來不及進(jìn)行作相應(yīng) 的變化，及時的按干擾量進(jìn)行控制，應(yīng)該檢查 FC 的 PID 參數(shù)是否設(shè)的合適。此外，應(yīng) 該經(jīng)常檢查 LC、FC 調(diào)節(jié)器的正、反作用是否設(shè)的合適，有無更改過等，如有，根據(jù)工 藝和安全要求，進(jìn)行合理修改；在進(jìn)行停車檢修后，現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的作用方式是氣關(guān)或氣 關(guān)，設(shè)定是否更改過？是否滿足工藝安全生產(chǎn)的要求等。2. 注意

36、事項(xiàng)和改進(jìn)方法在實(shí)際維護(hù)當(dāng)中，由于蒸汽流量的波動，對汽包液位的影響，調(diào)節(jié)不及時，常常出 現(xiàn)“假液位” 現(xiàn)象，造成操作人員誤判斷，容易燒干鍋爐，嚴(yán)重時導(dǎo)致鍋爐爆炸等事 故。根據(jù)工藝操作法，嚴(yán)格按照工藝流程進(jìn)行精心操作，串級回路一定要投自動，不允 許按照個人習(xí)慣進(jìn)行手動操作。否則，應(yīng)該給予經(jīng)濟(jì)制裁。除了儀表維護(hù)人員加強(qiáng)巡檢外，對汽包液位可再增加一臺實(shí)現(xiàn)雙冗余，防止汽包液 位表壞，工藝操作人員僅靠汽包壓力調(diào)節(jié)控制閥，容易做出誤判斷，容易燒干鍋爐，嚴(yán) 重時導(dǎo)致鍋爐爆炸等事故。2.4 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計2.4.1 串級控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的選擇如圖 2.2-1 所示，主變量 y1 是工藝控制指標(biāo)或與工藝控制指

37、標(biāo)有直接關(guān)系，在串級 控制系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量，其主變量為鍋爐汽包水位。副變量 y2 在串級控制系統(tǒng)中為了更好的穩(wěn)定主變量或因其他某些要求而引入的輔 助變量，其副變量為給定水流量。主對象是由主變量表征其主要特征的生產(chǎn)設(shè)備，如加熱爐串級控制例子中從爐膛溫 度監(jiān)測點(diǎn)到加熱爐出口溫度監(jiān)測點(diǎn)這段局部設(shè)備，其主對象為鍋爐汽包。副對象是由副變量表征其特征的生產(chǎn)設(shè)備如加熱爐串級控制例子中，從執(zhí)行器到爐 膛溫度監(jiān)測點(diǎn)的這段局部設(shè)備，其副對象為蒸汽管道。主控制器是按主變量的測量值，與給定值的偏差進(jìn)行工作的控制器，其輸出作為副 控制器的給定值，其主控制器為 LC。副控制器是按副變量的測量值與主控制器的輸出值

38、的偏差進(jìn)行工作的控制器，其輸 出直接改變控制閥閥門開度，其副控制器為 FC。主變送器是測量并轉(zhuǎn)換主變量的變送器。副變送器是測量并轉(zhuǎn)換副變量的變送器。副回路是由副測量變送器 FT，副控制器 FC，執(zhí)行器 FV 和副對象構(gòu)成的閉合回路，也稱副環(huán)或內(nèi)環(huán)。主回路是由主測量變送器 LT，主控制器 LC，副回路和主對象構(gòu)成的閉合回路，也 稱主環(huán)或外環(huán)。2.4.2 回路設(shè)計1.主回路的設(shè)計：串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設(shè)計單回路控制系統(tǒng)的設(shè) 計類似，設(shè)計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設(shè)計原則進(jìn)行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中 兩個回路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問 題。2

39、.副回路的設(shè)計：由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強(qiáng)的抑 制能力和自適應(yīng)能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在 選擇副回路時應(yīng)盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路 中，此外要盡可能包含較多的擾動。歸納如下：1) 在設(shè)計中要將主要擾動包括在副回路中。2) 將更多的擾動包括在副回路中。3) 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應(yīng)特性。4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。5) 在需要以流量實(shí)現(xiàn)精確跟蹤時，可選流量為副被控量。在這里要注意 2)和 3)存在明顯的矛盾，將更多的擾動包括在副回路中有可

40、能導(dǎo)致副 回路的滯后過大，這就會影響到副回路的快速控制作用的發(fā)揮，因此，在實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計中要兼 2)和 3)的綜合。例如，以物料出口溫度為主被控參數(shù)、爐膛溫度為副被控參數(shù)，燃料流量為控制參 數(shù)的串級控制系統(tǒng)，假定燃料流量和氣熱值變化是主要擾動，系統(tǒng)把該擾動設(shè)計在副回 路內(nèi)是合理的。3. 主、副回路的匹配1) 主、副回路中包含的擾動數(shù)量、時間常數(shù)的匹配 設(shè)計中考慮使二次回路中應(yīng)盡可能包含較多的擾動，同時也要注意主、副回路擾動數(shù)量的匹配問題。副回路中如果包括的擾動越多，其通道就越長，時間常數(shù)就越大，副 回路控制作用就不明顯了，其快速控制的效果就會降低。如果所有的擾動都包括在副回 路中，主調(diào)節(jié)器也就

41、失去了控制作用。原則上，在設(shè)計中要保證主、副回路擾動數(shù)量、 時間常數(shù)之比值在 310 之間。比值過高，即副回路的時間常數(shù)較主回路的時間常數(shù)小 得太多，副回路反應(yīng)靈敏，控制作用快，但副回路中包含的擾動數(shù)量過少，對于改善系 統(tǒng)的控制性能不利；比值過低，副回路的時間常數(shù)接近主回路的時間常數(shù)，甚至大于主 回路的時間常數(shù)，副回路雖然對改善被控過程的動態(tài)特性有益，但是副回路的控制作用 缺乏快速性，不能及時有效地克服擾動對被控量的影響。嚴(yán)重時會出現(xiàn)主、副回路“共 振”現(xiàn)象，系統(tǒng)不能正常工作。2) 主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律的匹配、選擇在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器的作 用是不同的。主調(diào)節(jié)器是定值控制，副調(diào)節(jié)器是

42、隨動控制。系統(tǒng)對二個回路的要求有所 不同。主回路一般要求無差，主調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律應(yīng)選取 PI 或 PID 控制規(guī)律；副回路 要求起控制的快速性，可以有余差，一般情況選取 P 控制規(guī)律而不引入 I 或 D 控制。 如果引入 I 控制，會延長控制過程，減弱副回路的快速控制作用；也沒有必要引入 D 控制，因?yàn)楦被芈凡捎?P 控制已經(jīng)起到了快速控制作用，引入 D 控制會使調(diào)節(jié)閥的動 作過大，不利于整個系統(tǒng)的控制。3) 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定：一個過程控制系統(tǒng)正常工作必須保證采用 的反饋是負(fù)反饋。串級控制系統(tǒng)有兩個回路，主、副調(diào)節(jié)器作用方式的確定原則是要保 證兩個回路均為負(fù)反饋。確定過程是首先判

43、定為保證內(nèi)環(huán)是負(fù)反饋副調(diào)節(jié)器應(yīng)選用那種作用方式，然后再確 定主調(diào)節(jié)器（LC）的作用方式。以圖 2.1-1 所示物料出口溫度與鍋爐溫度串級控制系統(tǒng) 為例，說明主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式的確定。副調(diào)節(jié)器（FC）作用方式的確定：首先 確定調(diào)節(jié)閥，出于生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用氣開式，這樣保證當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn) 故障使調(diào)節(jié)閥損壞而處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的 Kv 0 。然后確定副被控過程的 Ko2，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增大，燃料量增大，鍋爐溫度上升， 所以 Ko2 0 。最后確定副調(diào)節(jié)器（FC），為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)(即增益)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器 K 20 ，

44、副調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。主調(diào)節(jié) 器作用方式的確定：鍋爐溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 0。為保 證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以副調(diào)節(jié)器（FC）的放大系數(shù) K 1 0，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。從加熱爐安全角度考慮，調(diào)節(jié)閥應(yīng)選氣開閥， 即如果調(diào)節(jié)閥的控制信號中斷，閥門應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，控制信號上升，閥門開度增大， 流量增加，是正作用方式。反之，為負(fù)作用方式。副對象的輸入信號是給定水流量，輸 出信號是給定水壓力，流量上升，壓力亦增加是正作用方式。測量變送單元作用方式均 為正。由于副回路可以簡化成一個正作用方式環(huán)節(jié)，主對象作用方式為正，主測量變送 環(huán)節(jié)為

45、正。根據(jù)單回路控制系統(tǒng)設(shè)計中介紹的閉合系統(tǒng)必須為負(fù)反饋控制系統(tǒng)設(shè)計原 則，即閉環(huán)各環(huán)節(jié)比例度乘積必須為正，故主調(diào)節(jié)器（LC）均選用反作用調(diào)節(jié)器，副調(diào) 節(jié)器（FC）均選用反作用調(diào)節(jié)器。第第第第 3 章章章章 控控控控制制制制系系系系統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)統(tǒng)各各各各元元元元器器器器件件件件選選選選擇擇擇擇3.1 控制器的選擇控制器是控制系統(tǒng)的核心部件，它將測量變送信號與給定值比較產(chǎn)生偏差信號，并按一定的控制規(guī)律對該偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出的信號送往執(zhí)行器。 控制器的選擇主要包括控制規(guī)律的選擇和正，反作用方式的選擇。3.1.1 控制規(guī)律選擇1.比例控制器（P）比例控制是最基本的控制規(guī)律，其特點(diǎn)是控制規(guī)律簡單，調(diào)整方便；缺

46、點(diǎn)是會使系 統(tǒng)產(chǎn)生余差。雖然通過增加比例放大系數(shù)可減小余差，但是系統(tǒng)穩(wěn)定程度降低。所以比 例控制系統(tǒng)適應(yīng)于控制通道滯后及時間常數(shù)均較小，干擾幅度較小，負(fù)荷變化不大，控 制質(zhì)量要求不高，允許有余差的場合。2.比例積分控制器（PI）比例積分控制是使用最多，應(yīng)用最廣的控制規(guī)律，在反饋控制系統(tǒng)中，約有 75%是 采用 PI 控制規(guī)律的。積分作用的引入，使系統(tǒng)具有消除余差的能力。另外，積分作用 的滯后特性還有利于減小高頻噪音的影響。但是加入積分作用后，會是系統(tǒng)穩(wěn)定性降低， 必須減小比例放大系數(shù)以保持系統(tǒng)原有的穩(wěn)定。對于容量滯后較小，負(fù)荷變化不太大， 工藝參數(shù)不允許有余差的場合，PI 控制規(guī)律可以有效地改

47、善控制品質(zhì)。3.比例為分控制器（PD）比例為分控制器，由于微分作用的引入，是系統(tǒng)具有超前控制功能，因而控制更加 及時，可有效減小動態(tài)偏差。因此，對于控制對象容量滯后較大的場合，可采用比例微 分控制器。4.比例積分微分控制器(PID)PID 控制規(guī)律綜合了各種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，所以適當(dāng)調(diào)整 Kc，Ti，Td，三參數(shù)，可 以使控制系統(tǒng)獲得較高的控制質(zhì)量。一般來說 PID 控制器適用于過程容量滯后較大，負(fù) 荷變化大，控制質(zhì)量要求高的場合。PID 比例調(diào)節(jié)作用：是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差,系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差,比例調(diào)節(jié)立即 產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用用以減少偏差。比例作用大,可以加快調(diào)節(jié),減少誤差,但是過大的比例,使系 統(tǒng)

48、的穩(wěn)定性下降,甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。1.積分調(diào)節(jié)是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差,提高無差度。因?yàn)橛姓`差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至 無差,積分調(diào)節(jié)停止,積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決與積分時間常數(shù) Ti,Ti 越 小,積分作用就越強(qiáng)。反之 Ti 大則積分作用弱,加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降,動態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合,組成 PI 調(diào)節(jié)器或 PID 調(diào)節(jié)器。2.微分作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢,因此能 產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此,可以改善系 統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下,可以減少超調(diào),減少調(diào)節(jié)時間。

49、微分作用對 噪聲干擾有放大作用,因此過強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié),對系統(tǒng)抗干擾不利。此外,微分反應(yīng)的是變 化率,而當(dāng)輸入沒有變化時,微分作用輸出為零。微分作用不能單獨(dú)使用,需要與另外兩種 調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合,組成 PD 或 PID 控制器。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，其過程控制方式就是將被測量，如溫度、壓力、流量、成分、水位 等，由傳感器變換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號送入調(diào)節(jié)器，在調(diào)節(jié)器中，與給定值進(jìn)行比較，然 后把比較出的差值進(jìn)行 PID 運(yùn)算。所謂 PID 運(yùn)算就是比例、積分、微分運(yùn)算。P 調(diào)節(jié)就 是調(diào)節(jié)器的輸出和輸入成比例。調(diào)比例帶，也就是調(diào)比例系數(shù)，比例帶就是輸出與輸入 之比（放大倍數(shù)）的倒數(shù)。I 調(diào)節(jié)就是輸出是輸入量（即偏

50、差）的積分，只要有偏差， 調(diào)節(jié)器就會不斷積分，使輸送到執(zhí)行器的信號變化，校正被控量，直到達(dá)到無偏差為止， 所以有了積分調(diào)節(jié)器就會消除穩(wěn)態(tài)偏差。但要注意單獨(dú)的積分調(diào)節(jié)往往是不能工作的。 所謂整定積分時間就是調(diào)積分的快慢，這要取決于對象的特性。D 調(diào)節(jié)就是微分調(diào)節(jié)， 也就是輸出對輸入的微分。微分調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于它的超前性，當(dāng)輸入發(fā)生變化時，馬上 就有微分信號產(chǎn)生，使被控量得以提前校正，然后再由 P、I 進(jìn)行校正，這樣可以使整 個調(diào)節(jié)的過渡過程時間縮短，有利于調(diào)節(jié)質(zhì)量的提高。目前工業(yè)自動化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個重要標(biāo)志。同時，控制 理論的發(fā)展也經(jīng)歷了古典控制理論、現(xiàn)代控制理論和智能控制

51、理論三個階段。智能控制 的典型實(shí)例是模糊全自動洗衣機(jī)等。自動控制系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系 統(tǒng)。一個控制系統(tǒng)包括控制器、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、輸入輸出接口。控制器的 輸出經(jīng)過輸出接口、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，加到被控系統(tǒng)上；控制系統(tǒng)的被控量，經(jīng)過傳感器，變 送器，通過輸入接口送到控制器。不同的控制系統(tǒng)，其傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)是不 一樣的。比如壓力控制系統(tǒng)要采用壓力傳感器。電加熱控制系統(tǒng)的傳感器是溫度傳感器。 目前，PID 控制及其控制器或智能 PID 控制器（儀表）已經(jīng)很多，產(chǎn)品已在工程實(shí)際中 得到了廣泛的應(yīng)用，有各種各樣的 PID 控制器產(chǎn)品，各大公司均開發(fā)了具有 PID 參數(shù)自 整定功能

52、的智能調(diào)節(jié)器，其中 PID 控制器參數(shù)的自動調(diào)整是通過智能化調(diào)整或自校正、 自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。有利用 PID 控制實(shí)現(xiàn)的壓力、溫度、流量、液位控制器，能實(shí)現(xiàn) PID 控制功能。3.1.2 控制器正反作用選擇對于一個閉環(huán)控制系統(tǒng)來說，若要使系統(tǒng)穩(wěn)定，系統(tǒng)應(yīng)采用負(fù)反饋。在實(shí)際系統(tǒng)分析中，為了保證能構(gòu)成負(fù)反饋控制系統(tǒng)，主要考慮控制器，控制閥，被控對象，測量變 送器各個環(huán)節(jié)放大系數(shù) Kc，Kv，Ko，Km 的符號聯(lián)成為負(fù)。只要事先知道了對象，控 制閥，測量變送器放大系數(shù)的正負(fù)，再根據(jù)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)符號乘積必須為負(fù) 的要求，就可以很容易地確定出控制器的正反作用的方式。環(huán)節(jié)正負(fù)的確定：輸入增加，輸

53、出也增加，則該環(huán)節(jié)放大系數(shù)符號為正：輸入增加， 輸出減小，則該環(huán)節(jié)放大系數(shù)符號為負(fù)，根據(jù)以上述的規(guī)定可知：1.對象放大系數(shù) Ko 的正負(fù)號。被控對象放大系數(shù) Ko 的正負(fù)號規(guī)定為：當(dāng)操縱變量 增加，被控變量也增加時，Ko 為正，如果操縱變量增加，被控變量減少，則 Ko 為負(fù)。2.控制閥放大系數(shù)的正負(fù)號?？刂崎y放大系數(shù) Kv 的正負(fù)號規(guī)定為：氣開閥 Kv 為正； 氣關(guān)閥 Kv 為負(fù)。3.測量變送器放大系數(shù) Km 的正負(fù)號。被控變量增加，測量變送器的輸出增加，所 以測量變送器放大系數(shù) Km 的正負(fù)號為正。4.控制器放大系數(shù) Kc 的正負(fù)號。控制器的正反作用方式，測量值 z 增加，輸出也 增加時，則

54、成控制器為正作用方式；反之，z 增加，輸出減小，控制器為反作用方式。 當(dāng)系統(tǒng)中選擇正作用控制器時，對應(yīng)放大系數(shù) Kc 為正；選擇反作用控制器時 Kc 為負(fù)。保證系統(tǒng)為負(fù)反饋的條件是：Kc，Kv，Ko，Km 為負(fù)，因 Km 為正，則 Kc，Kv， Ko，K 為負(fù)。例如，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，如圖 3.2.2-1 所示。鍋爐給水控制閥常采用氣關(guān)閥， 以保證發(fā)生事故時，閥全開，繼續(xù)供水，防止鍋爐燒干爆炸，所以 Kv 為負(fù)。當(dāng)鍋爐進(jìn) 水量(操縱變量)增加時，汽包水位(被控變量)上升，所以 Ko 為正，根據(jù)系統(tǒng)為負(fù)反饋的 條件，控制器放大系數(shù) Kc 應(yīng)為正，即選正作用方式。該系統(tǒng)的控制過程是：當(dāng)汽包水

55、位升高時，測量值增大，由于控制器是正作用方式，故輸出信號增大，從而使氣關(guān)閥開 度減小，進(jìn)水量減小，導(dǎo)致汽包水位下降，系統(tǒng)得到控制。3.2 控制閥選擇3.2.2-1控制閥是控制系統(tǒng)非常重要的一個環(huán)節(jié)，它接受控制器的輸出信號，改變操縱變量，執(zhí)行最終控制任務(wù)。氣動控制閥可分為氣開和氣關(guān)兩種形式。 控制閥開關(guān)形式的選擇應(yīng)根據(jù)以下三個方面考慮。 1)從工藝生產(chǎn)的安全角度考慮。主要考慮當(dāng)失氣(氣源供氣中斷)或控制閥出現(xiàn)故障時，應(yīng)避免損壞設(shè)備和傷害人員。事故情況下，控制閥處于關(guān)閉位置危害性小，則應(yīng)選 氣開閥；反之，應(yīng)選氣開閥。例如，加熱爐燃料控制閥一般選氣開閥，以保證在控制閥 失氣時能處于全關(guān)狀態(tài)切斷進(jìn)爐燃

56、料，從而避免加熱爐溫度過高造成事故。2)從介質(zhì)特性上考慮。如果介質(zhì)是易凝，易結(jié)晶，易聚合的物料，控制閥開關(guān)形式 選擇應(yīng)考慮介質(zhì)的這些特性。例如，精餾塔塔釜加熱蒸汽控制閥一般選氣開閥，但是如 果釜液是易凝，易結(jié)晶，易聚合的物料，控制閥則應(yīng)選擇氣開閥，以防控制閥失氣時閥 門關(guān)閉，停止蒸汽進(jìn)入而導(dǎo)致再沸器和塔內(nèi)液體的結(jié)晶和凝聚，造成堵塞。如果介質(zhì)易 結(jié)焦，則一般選氣開閥。3)保證產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)損失最小的角度考慮。當(dāng)事故發(fā)生時，盡量減少原料及動力 消耗，但要保證產(chǎn)品質(zhì)量。例如，精餾塔進(jìn)料閥常為氣開閥，如果沒有氣壓，閥就全關(guān)， 停止進(jìn)料，以免浪費(fèi)；塔頂采出閥常為氣開閥，如果沒有氣壓，閥就全關(guān)，保證塔頂產(chǎn)