鍋爐液位控制系統(tǒng)原理概述

1、一.鍋爐液位控制系統(tǒng)原理概述鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備。為了保證鍋爐的正常運行，需要維持鍋爐液位為正常標(biāo)準(zhǔn)值。鍋爐液位過低，易燒干鍋而發(fā)生嚴(yán)重事故；鍋爐液位過高，則易使蒸汽帶水并有溢出危險。因此，必須通過調(diào)節(jié)器嚴(yán)格控制鍋爐液位的高低，以保證鍋爐正常安全的運行。常見的鍋爐液位控制系統(tǒng)示意圖如圖1-1所示。圖1-1鍋爐液位控制系統(tǒng)示意圖當(dāng)蒸汽的耗氣量與鍋爐進(jìn)水量相等時，液位保持為正常標(biāo)準(zhǔn)值。當(dāng)鍋爐的給水量不變，而蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時，引起鍋爐液位發(fā)生變化。不論出現(xiàn)哪種情況，只要實際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)了偏差，調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn)行控制，去開打或關(guān)小給水閥門，使液位恢復(fù)到給定

2、值。圖1-2是鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖。圖中，鍋爐為被控對象，其輸出為被控參數(shù)液位，作用于鍋爐上的擾動是指給水壓力變化的產(chǎn)生的內(nèi)外擾動；測量變送器為差壓變送器，用來測量鍋爐液位，并轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ男盘栞斨琳{(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié)器是鍋爐液位控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器，有電動，氣動等形式，在調(diào)節(jié)器內(nèi)將測量液位與給定液位進(jìn)行比較，得出偏差值，然后根據(jù)偏差情況按一定的控制律如比例（P），比例-積分（PI），比例-積分-微分（PID）等發(fā)出相應(yīng)的輸出信號去推動調(diào)節(jié)閥動作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件作用，根據(jù)控制信號對鍋爐的進(jìn)水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥門的運動取決于閥門的特性，有的閥門與輸入信號成正比關(guān)系，有的閥門與輸入信號成某種曲線關(guān)

3、系變化。大多數(shù)調(diào)節(jié)閥呈為氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，若采用電動調(diào)節(jié)器，則調(diào)節(jié)器與氣動調(diào)節(jié)閥之間應(yīng)有電-氣轉(zhuǎn)換器。氣動調(diào)節(jié)閥的氣動閥門分為氣開與氣關(guān)兩種。氣開閥指當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出增加時，閥門開大；氣關(guān)閥指當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出增加時，閥門保持打開位置，以保證汽鼓不致燒干損壞。圖1-2鍋爐液位控制系統(tǒng)方塊圖二應(yīng)用元件介紹21氣動調(diào)節(jié)閥介紹氣動調(diào)節(jié)閥由氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩大部分組成，它與氣動調(diào)節(jié)器、減壓閥、定位器或其它儀表配合使用，達(dá)到控制管道內(nèi)的溫度、壓力、液位、流量等工藝參數(shù)的目的。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥由氣動薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)閥二大部分組成（在配用電氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器后，可與電動調(diào)節(jié)儀表及微型計算機(jī)配套使用）。它按照調(diào)

4、節(jié)儀表來的信號，改變閥門的開戶度，從而達(dá)到對壓力、溫度、流量和液位等參數(shù)的調(diào)節(jié)。22電-氣轉(zhuǎn)換器介紹 電-氣轉(zhuǎn)換器是電動單元組合儀表轉(zhuǎn)換單元 中一個品種，接受的電動調(diào)節(jié)儀表給出的直流信號，按比例地轉(zhuǎn)換輸出20100KPa氣動信號，作 為氣動薄膜調(diào)節(jié)閥、氣動閥門定位器的氣動控制信號，也可作為氣動儀表的氣源，實質(zhì)上它起到 電動儀表與氣動儀表之間的信號轉(zhuǎn)換作用。  電-氣轉(zhuǎn)換器設(shè)計成本質(zhì)安全型（防爆型式 iaBT5），隔爆增安復(fù)合型（防爆型式deBT4），因此被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、電站等工業(yè)部門的自控系統(tǒng)中。電氣轉(zhuǎn)換器是工業(yè)自動化儀表中

5、電動和氣動儀表之間的信號轉(zhuǎn)換元件。用以將電動調(diào)節(jié)儀表輸出的電流信號4-20mA或0-10mA，經(jīng)轉(zhuǎn)換器成比例的轉(zhuǎn)換成20100Kpa氣動模擬信號，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)部門的自控系統(tǒng)中。電氣轉(zhuǎn)換器的工作原理見圖2-1所示，它是按力平衡原理設(shè)計和工作的。在其內(nèi)部有一線圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變送器）的電流信號送入線圈后，由于內(nèi)部永久磁鐵的作用，使線圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動擋板接近（或遠(yuǎn)離）噴嘴，引起噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動功率放大器上，放大后的壓力一路作為轉(zhuǎn)換器的輸出，另一路饋送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管的壓力，通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個反向的位移，此

6、位移與輸入信號產(chǎn)生電磁力矩平衡時，輸入信號與輸出壓力成一一對應(yīng)的比例關(guān)系。即輸入信號從4mA.DC改變到20mA.DC時，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.020.1MPa變化，實現(xiàn)了將電流信號轉(zhuǎn)換成氣動信號的過程。     圖2-1中調(diào)零機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋作用。圖2-1電氣轉(zhuǎn)換器原理圖2.3各種基本控制規(guī)律介紹231比例（P）控制規(guī)律具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為P控制器，如圖2-2所示。其中Kp稱為P控制器增益。P控制器實質(zhì)上是一個具有可調(diào)增益的放大器。在信號變換過程中，P控制器只改變信號的增益而不改變其他相位。在串聯(lián)校正中，加大控制器

7、增益Kp，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會降低系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，在系統(tǒng)校正設(shè)計中，很少單獨使用此比例控制規(guī)律。KpKpKpKpKp圖2-2 P控制器 232比例-微分（PD）控制規(guī)律具有比例-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，其輸出m(t)與輸入e(t)的關(guān)系如下式所示：式中，Kp為比例系數(shù)；為微分時間常數(shù)。Kp與都是可調(diào)的參數(shù)。PD控制器如圖2-3所示圖2-3PD控制器PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號的變化趨勢，產(chǎn)生有效的早期的修正信號，一增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時，可使系統(tǒng)增

8、加一個-1/的開環(huán)零點，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因而有助于系統(tǒng)動態(tài)性能的改善。需要指出，因為微分作用只對動態(tài)過程起作用，而對穩(wěn)態(tài)過程沒有影響，且對系統(tǒng)噪聲非常敏感，所以單一的D控制器在任何情況下都不宜與被控對象串聯(lián)起來單獨使用。通常，微分控制規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例-積分控制規(guī)律結(jié)合起來，構(gòu)成組合的PD或PID控制器，應(yīng)用于實際的控制系統(tǒng)。233積分（I）控制規(guī)律具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為I控制器。I控制器的輸出信號與其輸入信號的積分呈正比，即其中Ki為可調(diào)比例系數(shù)。由于I控制器的積分作用，當(dāng)其輸入消失后，輸出信號有可能是一個不為零的常量。在串聯(lián)校正時，采用I控制器可以提高系統(tǒng)的型別（無

9、差度），有利于系統(tǒng)穩(wěn)定性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)增加了一個位于原點的開環(huán)極點，使信號產(chǎn)生90的相角滯后，與系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計中，通常不宜采用單一的I控制器。I控制器如圖2-4所示。圖2-4 I控制器積分調(diào)節(jié)器電路如圖2-5所示。由虛地點A的假設(shè)可以推導(dǎo)出：      （1）式中：為積分時間常數(shù)。    當(dāng)?shù)某跏贾禐榱銜r，在階躍輸入作用下，對式（1）進(jìn)行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出時間特性如圖2-5（b）所示，則其輸出為：     

10、;                            （2）    對其進(jìn)行拉氏變換后，可得積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：              &

11、#160;          （3）    在初始值不為零的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出值為：    式中：為初始狀態(tài)時的值。 圖2-5積分調(diào)節(jié)器    由圖2-5（b）可以看出：當(dāng)積分時間常數(shù)一定時，Uin越大，增長越快，0A線段愈陡；當(dāng)Uin一定，越小，0A也越陡；只要輸入端存在Uin，電容不斷充電，值按積分規(guī)律上升。由于調(diào)節(jié)器的電源為定值（一般為±15V以下），同時調(diào)節(jié)器輸出

12、也設(shè)置限幅環(huán)節(jié)（圖中未標(biāo)出），輸出一旦達(dá)到限幅值就停止上升，并保持限幅值不變，見圖2-5（b）AB段。由此可見積分器有三個重要特性：    （1）延緩性。積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號時，輸出按積分線性增長。    （2）積累性。只要積分調(diào)節(jié)器輸入信號存在，不論信號大小如何變化，積分的積累作用就持續(xù)下去，只不過其輸出上升速率不同而已，圖2-6表示輸入信號幅值減小時的變化情況。 圖2-6 積分器的積累性    （3）記憶性。在積分過程中，如果輸入信號變?yōu)榱?，輸出電壓能保持在?/p>

13、入信號改變前的瞬時值，該電壓值就是充電電容C兩端的電壓值。若要使輸出值下降，必須改變輸入信號Uin的級性，其變化過程如圖2-7所示。 圖2-7 積分器的記憶性2.3.4比例-積分（PI）控制規(guī)律 具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱為PI控制器，其輸出信號同時成比例的反應(yīng)輸入信號及其積分，即式中，Kp為可調(diào)比例系數(shù)，Ti為可調(diào)積分時間常數(shù)。PI控制器如圖2-8所示。圖2-8 PI控制器在串聯(lián)校正時，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，同時也增加了一個位于s左半平面的開環(huán)零點。位于原點的極點可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實

14、零點則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和PI控制器極點對穩(wěn)定性及動態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。只要積分時間常數(shù)Ti足夠大，PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制工程實踐中，PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。    采用運算放大器的PI調(diào)節(jié)器線路如圖2-9所示。由A點“虛地”可以寫出下列關(guān)系：         又：             &

15、#160;               其中Uin、的極性如圖2-9所示?？傻茫?#160;   初始條件為零時，則可得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：      （4）式中：為調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)：=R0C1為調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。圖2-89PI調(diào)節(jié)器原理圖由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩個部分相加而成。    在零初始狀態(tài)和階躍

16、輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時間特性如圖2-10所示。圖2-10階躍輸入時PI調(diào)節(jié)器的輸出特性   由圖可以看出比例積分作用的物理意義如下：突加輸入電壓Uin時，電容C1相當(dāng)于瞬時短接，反饋回路只有電阻R1，這時如同一個比例調(diào)節(jié)器，其放大系數(shù)為KP=，輸出端得到立即響應(yīng)的電壓KPUin，加快了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，發(fā)揮了比例調(diào)節(jié)器的長處；隨著電容C1的充電，輸出電壓按積分規(guī)律逐漸上升，又具有積分調(diào)節(jié)器的性質(zhì)；當(dāng)輸入電壓Uin=0，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，電容C1停止充電，相當(dāng)于開路，C1兩端的電壓即為PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓，R1便不起作用，調(diào)節(jié)器處開環(huán)狀態(tài)，具有很高的放大倍數(shù)，也就使

17、得組成閉環(huán)系統(tǒng)后的開環(huán)放大系數(shù)K很大，滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求。    由此可見，PI調(diào)節(jié)器滿足了系統(tǒng)在動態(tài)和靜態(tài)時對放大系數(shù)K大小不同的要求，它屬于串聯(lián)校正裝置，這樣不僅使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)做到無靜差，而且又提高了系統(tǒng)動態(tài)的穩(wěn)定性。235比例-積分-微分（PID）控制規(guī)律具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PID控制器。這種組合具有三種基本規(guī)律各自的特點，其運動方程為相應(yīng)的傳遞函數(shù)是 PID控制器如圖2-11所示圖2-11PID控制器當(dāng)利用PID控制器進(jìn)行串聯(lián)校正時，除可使系統(tǒng)的型別提高一級外，還將提供兩個負(fù)實零點。與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提

18、高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)點外，還多提供一個負(fù)實零點，從而在提高系統(tǒng)動態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性。因此，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試中最后確定。通常，應(yīng)使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。三液位控制系統(tǒng)被控對象及參數(shù)分析3.1單容水槽水槽是常見的水位控制系統(tǒng)的被控對象。設(shè)單容水槽的如圖3-1所示，水流通過控制閥門不斷的流入水槽，同時也有水通過負(fù)載閥不斷的流出水槽。水流入量Qi由調(diào)節(jié)閥開度u加以控制，流出量Qo則由用戶根據(jù)需要通過負(fù)載閥來改變。被調(diào)量為水位h，

19、它反映水的流入與流出之間的平衡關(guān)系。圖3-1單容水槽令Qi 表示輸入水流量的穩(wěn)態(tài)值，Qi 表示輸入水流量的增量，Qo表示輸出水流量的穩(wěn)態(tài)植，Qo表示輸出水流量的增量，h表示液位高度，h0表示液位的穩(wěn)態(tài)值， h 表示液位的增量，u表示調(diào)節(jié)閥的開度。設(shè)A為液槽橫截面面積，R為流出端負(fù)載閥門的阻力即液阻。根椐物料平衡關(guān)系，在正常工作狀態(tài)下，初始時刻處于平衡狀態(tài)：Qo=Qi,h=h0,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化u時，液位隨之發(fā)生變化。在流出端負(fù)載閥開度不變的情況下，液位的變化將使流出量改變。因為流入量流出量之差為式中，V為液槽液體儲存量；Qi由調(diào)節(jié)閥開度變化Qi引起，當(dāng)閥前后壓差不變時，有Qi=Kuu其中K

20、u為閥門流量系數(shù)。流出量與液位高度的關(guān)系為Qo=A0這是一個非線性關(guān)系式，可在平衡點（h0,Q0）附近進(jìn)行線性化，得到液組表達(dá)式 將上兩個關(guān)系式代入，可得式中，T=RA，K=KuR。在零初始條件下，對上式兩端進(jìn)行拉氏變換，得到單容水槽的傳遞函數(shù)為 32雙容水槽圖3-2是兩個串聯(lián)單容水槽構(gòu)成的雙容水槽。其輸入量為調(diào)節(jié)閥1產(chǎn)生的閥門開度變化u，而輸出量為第二個水槽的液位增量。圖3-2雙容水槽在水流量增量，水槽液位增量及液阻之間，經(jīng)平衡點線性化后，可以導(dǎo)出如下關(guān)系式：式中，C1和C2為兩液槽的容量系數(shù)；R1和R2為兩液槽的液阻。將式 代入得 故有 將，代入，得分別將和代入上式，整理后可得雙容水槽的微

21、分方程為式中，T1=R1C1為第一個水槽的時間常數(shù)；T2=R2C2為第二個水槽的時間常數(shù)；K為雙容水槽的傳遞系數(shù)。在零初始狀態(tài)下，對式進(jìn)行拉氏變換，得雙容水槽的傳遞函數(shù)若雙容水槽調(diào)節(jié)閥1開度變化所引起的流入水量變化還存在純延遲，則其傳遞函數(shù)不難導(dǎo)出為 33一階單回路控制系統(tǒng)單回路系統(tǒng)是由四個基本環(huán)節(jié)組成，即被控對象（或被控過程）、測量變送裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（本系統(tǒng)為調(diào)節(jié)閥）。有時為了分析方便起見，往往把執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對象和測量變送裝置合在一起，稱之為廣義對象。這樣系統(tǒng)就歸結(jié)為調(diào)節(jié)器和廣義對象兩部分。然而，一般來說，還是把系統(tǒng)看成上述四個基本環(huán)節(jié)所組成。 假定有如 3-3 圖所示的水槽，流入量和流出量分別為 q1 和 q2 ，我們的任務(wù)是維持水槽的液位不變。為了控制液位，就要選擇相應(yīng)的變送器、控制器、和控制閥，并按圖 3-4 所示的原理圖構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)。 圖 3-3水槽示意圖圖3-4水槽液位控制系統(tǒng)上圖中 表示變送器， LC 表示液位控制器， sp 代表控制器的給定值。 由圖 3-4 我們可以得出單回路控制系統(tǒng)方塊圖（原理圖）