過控課程設(shè)計(jì)說明書

1、唐 山 學(xué) 院過程控制系統(tǒng) 課 程 設(shè) 計(jì) 題 目 鍋爐汽包液位三沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 (部) 信息工程系 班 級(jí) 11自動(dòng)化 姓 名 劉峰 學(xué) 號(hào) 4110218143 指導(dǎo)教師 王墨琦 2014 年 12 月 15 日至 12 月 26 日 共 2 周課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績(jī)?cè)u(píng)定出勤情況及設(shè)計(jì)過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）設(shè)計(jì)成果（60分）總成績(jī)（100分）提問（答辯）問題情況綜合評(píng)定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目錄1 工程背景42鍋爐汽包水位52.1 鍋爐系統(tǒng)概述52.2 鍋爐汽包水位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)63 鍋爐水位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)73.1 PID 控制原理

2、73.2 PID 對(duì)控制的影響83.2.1比例 P調(diào)節(jié)83.2.2 積分I調(diào)節(jié)83.2.3微分D調(diào)節(jié)83.2.4 PID控制器的參數(shù)整定94 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)94.1三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析10附錄121 工程背景 鍋爐是發(fā)電和供熱生產(chǎn)過程中的主要?jiǎng)恿υO(shè)備,汽包水位則是確保安全生產(chǎn)、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性以及提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的一個(gè)重要監(jiān)控參數(shù),必須保持在某一期望值附近。它反映了鍋爐蒸發(fā)量和給水量之間的一種動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。水位高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)垢,使傳熱效率和蒸汽品質(zhì)下降,影響供氣的質(zhì)量;過低時(shí)會(huì)破壞部分水冷壁的水循環(huán),影響省煤器運(yùn)行效率,甚至造成干鍋和鍋爐爆炸的危險(xiǎn)。因此汽包水位

3、必須控制在一定范圍內(nèi),而影響鍋爐水位的因素很多,最主要的是蒸發(fā)量和給水量的波動(dòng)。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給水量自動(dòng)適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量,維持汽包水位在一定范圍內(nèi)波動(dòng),這對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要的影響。由于控制對(duì)象在給水量擾動(dòng)時(shí)有一定的慣性,而且在負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)又存在“虛假水位”,采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)能有效地消除這些擾動(dòng)。該系統(tǒng)以汽包水位為主信號(hào),任何導(dǎo)致水位變化的擾動(dòng)都會(huì)使調(diào)節(jié)器動(dòng)作;蒸汽流量是前饋信號(hào),它的作用是防止“虛假水位”引起的調(diào)節(jié)器的誤動(dòng)作,改善蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)質(zhì)量;給水流量是介質(zhì)反饋信號(hào),因給水流量信號(hào)對(duì)給水流量變化的響應(yīng)很快,使調(diào)節(jié)器能夠在水位還沒變化時(shí)

4、就對(duì)前饋信號(hào)的變化作出反應(yīng),消除內(nèi)擾,使調(diào)節(jié)過程比較穩(wěn)定,充分保證了調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。汽包水位系統(tǒng)，由于它存在非線性、不確定性、時(shí)滯非最小相位特征，使得它的精確數(shù)學(xué)模型往往是很難獲得的。而且，常規(guī)的PID控制方式，建立于汽包水位系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型之上，同時(shí)PID控制參數(shù)是固定不變的，因此難以適應(yīng)各種擾動(dòng)和對(duì)象變化，其控制效果欠佳，但是PID控制能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)差控制。因此出現(xiàn)了模糊控制方法。模糊控制，建立于人工經(jīng)驗(yàn)，它能夠?qū)⑹炀毑僮鲉T的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語(yǔ)言表達(dá)出來(lái)，得到定性的、不精確的制規(guī)則，不需要對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。本設(shè)計(jì)主要以傳統(tǒng)PID控制方案作為手段，結(jié)合過程控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的穩(wěn)定控

5、制。在過程控制系統(tǒng)中，前饋控制，能夠快速的消除干擾；串級(jí)控制，如果副回路包含大部分干擾，則能夠?qū)Ω蓴_起到很好的抑制效果。影響汽包水位的主要因素是蒸汽流量（負(fù)載變化），給水流量，燃燒量。結(jié)合影響因素，重點(diǎn)對(duì)蒸汽流量、給水流量和汽包水位三個(gè)變量的關(guān)系進(jìn)行研究，并充分利用前饋控制盒串級(jí)控制的特點(diǎn)，得到汽包水位三沖量前饋-串級(jí)控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠有效地對(duì)負(fù)載干擾作出正確、快速動(dòng)作；對(duì)給水干擾，抑制效果明顯。能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)差控制。2鍋爐汽包水位2.1 鍋爐系統(tǒng)概述鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備.其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式,長(zhǎng)

6、期以來(lái)在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。根據(jù)鍋爐的作用不同，可分為電站鍋爐，工業(yè)鍋爐，生活鍋爐等。其中電站鍋爐主要用于發(fā)電，工業(yè)鍋爐主要用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而生活鍋爐主要用于供熱取暖。隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)過程不斷強(qiáng)化，生活設(shè)備不斷革新，鍋爐向大容量、高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。為確保生產(chǎn)生活安全，對(duì)鍋爐設(shè)備的自動(dòng)控制就顯得十分重要。鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖1所示。圖1 鍋爐主要工藝流程圖2.2 鍋爐汽包水位的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量并維持汽包的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證

7、鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。汽包及蒸發(fā)管中貯藏的蒸汽和水，貯藏量的多少是以被調(diào)量水位表征

8、的，汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時(shí),汽包水位就恒定不變。圖2 鍋爐汽水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3 鍋爐水位 PID 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 PID 控制原理在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對(duì)象組成。圖3 PID 控制系統(tǒng)原理圖PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e (t )= r(t) -y(t)。將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。其控制規(guī)律為：3.2 PID 對(duì)控制的影響3.2.1比

9、例 P調(diào)節(jié)在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例。比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大，人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定，穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。3.2.2 積分I調(diào)節(jié)在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號(hào)的變化速度與偏差信號(hào)e成正比，增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。I調(diào)節(jié)是無(wú)差調(diào)節(jié)，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，I調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定

10、作用比 P 調(diào)節(jié)差,如果只采用I調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng),且振蕩頻率較低。3.2.3微分D調(diào)節(jié)D調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，微分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單純的微分調(diào)節(jié)器是不能工作的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，與P結(jié)合PD或與PI構(gòu)成PID調(diào)節(jié)?？傊琍ID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度；微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。3.2.4 PID控制器的參數(shù)整定控制器的參數(shù)整定對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用。確定控制器最佳過渡過程中的比例帶，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值稱為控制器參數(shù)整定?？刂破鲄?shù)整定的

11、方法，在工程上常用的有以下幾種工程整定法。1、經(jīng)驗(yàn)法：其整定參數(shù)的順序是，先整定比例帶，待過渡過程穩(wěn)定后再加入積分作用以消除余差，最后加入微分以加快過渡過程，進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。PID控制器的經(jīng)驗(yàn)法整定：先將TD置為0，置TI為，先整定比例帶使之達(dá)到4:1衰減過程，然后將比例帶放大（10%-20%），而積分時(shí)間TI由大到小逐步加入，直至達(dá)到 4:1 的衰減過程，然后將比例帶減小到比原值?。?0%-20%）的位置，而積分時(shí)間也適當(dāng)減小，再把 TD由小到大加入，觀察曲線，直到滿意的過程為止。2、穩(wěn)定邊界法：這是一種閉環(huán)的整定方法。具體步驟如下：置控制器積分時(shí)間到最大值，微分時(shí)間為0,比例帶最大，使

12、系統(tǒng)投試運(yùn)行。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，記錄此時(shí)的臨界比例帶K及兩個(gè)波峰的時(shí)間TK利用K和TK值，按穩(wěn)定邊界法計(jì)算表給出的相應(yīng)公式求出控制器的穩(wěn)定參數(shù)、TI、TD。3、衰減曲線法：它是在經(jīng)驗(yàn)法和穩(wěn)定邊界潛藏顧慮，針對(duì)它們的不足，反復(fù)實(shí)驗(yàn)而得出的一種參數(shù)整方法。具體步驟如下：將控制器積分時(shí)間 TI為最大值，微分時(shí)間為 0，在純比例作用下，系統(tǒng)試運(yùn)行。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶，反之，則增大比例帶。直到系統(tǒng)出現(xiàn)4:1的衰減振蕩過程，記下此時(shí)的比例帶和 TS的數(shù)值。利用 4:1衰減整定參數(shù)表求得控制器的 PID 數(shù)值。

13、將比例帶放到比計(jì)算值大一些的數(shù)值上，然后把積分時(shí)間按計(jì)算值加入，再把微分時(shí)間加入，最后把比例帶減小到計(jì)算值，觀察過渡過程曲線，調(diào)整到滿意的結(jié)果。4 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)近代鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對(duì)就越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在 10-30 秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)水位，如僅是給水量與蒸發(fā)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(duì)水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí),還可能發(fā)生幾臺(tái)鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺(tái)鍋爐負(fù)荷和給水量改變時(shí)，引起給水母管壓力波動(dòng)，而使其它鍋

14、爐的給水量受到擾動(dòng)。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中,對(duì)于給水量這種自發(fā)變化不能及時(shí)反映出來(lái)，要經(jīng)過一定的遲延時(shí)間之后，給水量的擾動(dòng)才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動(dòng)時(shí)，幾臺(tái)鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。針對(duì)上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，鍋爐水位調(diào)節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，由水位 H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖4所示。在這個(gè)系統(tǒng)里，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號(hào)，蒸汽流量D、給水流量W是兩個(gè)輔助沖量信號(hào)。D、W引系統(tǒng)的符號(hào)，根據(jù)各自信號(hào)的增減對(duì)水位H的影響來(lái)定。如蒸汽流量D，當(dāng)DW 時(shí)，水位H降低，要使水位 H 不變就必須在原有給定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D 引入系統(tǒng)的符號(hào)為“ +”。H、W 引入系統(tǒng)的符號(hào)可用同樣的方法來(lái)確定。由于三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)都比單沖量、雙沖量調(diào)節(jié)要好，因此應(yīng)用也最多。圖4 三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)4.1三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析圖5是三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖。從方塊圖上可以看出，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路；(1)是由給水流量 W、給水分流器w、調(diào)節(jié)器 GC、調(diào)節(jié)閥 Kv 組成的內(nèi)回路由水位調(diào)節(jié)對(duì)象 Go1 和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D、分流器