鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告專業(yè)*班級*學(xué)生姓名*學(xué)號*.鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、控制要求設(shè)計(jì)一個汽包水位控制系統(tǒng)，使汽包水位維持在120cm ，穩(wěn)態(tài)誤差 ±0.4cm，滿足生產(chǎn)要求。G(s)=1/(s3+10s2+29s+20),%<20%,Ts<10s,Ess=0.二、完成的主要任務(wù)1. 掌控鍋爐生產(chǎn)蒸汽工及其工作流程2. 對被控對象進(jìn)行特性分析 ，畫出汽包水位控制系統(tǒng)方框圖和流程圖3. 選擇被控參數(shù)和被控變量 ，說明其選擇依據(jù).專業(yè)學(xué)習(xí)資料.4. 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案 ，如何選擇檢測儀表 ，說明其選擇原則和儀表性能指標(biāo)5. 說明單回路控制系統(tǒng) 4 個環(huán)節(jié)的工作形式對控制過程

2、6. 對控制進(jìn)行 PID 控制說明其參數(shù)整定理論7. 對鍋爐汽包水位進(jìn)行 simulink 仿真，對參數(shù)進(jìn)行整定 ，其仿真圖要滿足動態(tài)性能指標(biāo)8. 總結(jié)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和收獲.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.目 錄第一章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的組成原理1了解鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝及其工作流程-31.1鍋爐汽包水位自動控制的意義-31.2了解鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝及其工作流程-3第二章鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)2.1 液位控制系統(tǒng)的方框圖-52.2 液位控制系統(tǒng)的方案圖-52.3 檢測變送器的選擇-62.4 調(diào)節(jié)閥的選擇-62.5 儀器性能指標(biāo)的計(jì)算-62.6 調(diào)節(jié)器的選擇-82.7 調(diào)節(jié)器作用方向的選擇.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.

3、-8第三章PID 控制3.1控制規(guī)律的比較-93.2PID參數(shù)的整定-10第四章 仿真4.1simulink仿真-114.2系統(tǒng)參數(shù)整定-13第五章 心得體會-15.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.第一章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的組成原理1. 了解鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝及其工作流程1.1 鍋爐汽包水位自動控制的意義鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中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 ，蒸汽帶水會使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損 、葉

4、片斷裂等事故 。 同時(shí)會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 ，水位變化速度愈來愈快 ，人工操作愈來愈繁重 ，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。1.2 了解鍋爐生產(chǎn)蒸汽工藝及其工作流程.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.圖 1 鍋爐汽包水位系統(tǒng)流程水位控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量與鍋爐蒸發(fā)量相適應(yīng)，維持汽包水位在工藝規(guī)定的范圍內(nèi) 。 整個鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)可分成多個階段：（ 1)水注入鍋爐的過程 ：這個過程中

5、，水經(jīng)變頻器控制的水泵以及調(diào)節(jié)器注入鍋爐中；（ 2)水經(jīng)加熱變成蒸汽的過程： 水在鍋爐內(nèi)加熱變成蒸汽，同時(shí)在水中產(chǎn)生汽包 ，水位同時(shí)變化 ；（ 3)蒸汽供負(fù)載使用的過程 ：蒸汽經(jīng)過管道調(diào)節(jié)閥供負(fù)載使用。汽包水位反映了鍋爐蒸汽流量與給水量之間的平衡關(guān)系，是鍋爐運(yùn)行中一個非常重要的監(jiān)控參數(shù) 。汽包水位過高 ，會影響汽水分離的效果 ，使蒸汽帶液 ，過熱器結(jié)垢 ，影響過熱器的效率 ；如果帶液蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，會損壞汽輪機(jī)葉片。如果水位過低 ，會破壞水循環(huán)而損壞鍋爐，尤其是大型鍋爐 ，一旦停止給水，汽包存水會在很短時(shí)間內(nèi)完全汽化而造成重大事故 ，甚至引起爆炸 。因此 ，.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.在鍋爐運(yùn)行中必須將汽

6、包水位嚴(yán)格控制在工藝允許的范圍。.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.第二章 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)2.1液位控制系統(tǒng)的方框圖單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量 。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)汽包水位測量值H 與 H 0 的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)方框圖如下所示 。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥汽包檢測變送器圖 2.1液位控制系統(tǒng)原理框圖2.2 液位控制系統(tǒng)的方案圖以汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構(gòu)成如圖所示的單回路水位控制系統(tǒng) ，工程上也稱為單沖量控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是所用設(shè)備少，結(jié)構(gòu)簡單 ，參數(shù)整定和使用維護(hù)方便

7、。在如圖所示的單沖量控制系統(tǒng)中，當(dāng)鍋爐蒸汽負(fù)荷 （流量）突然大幅度增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象 ，調(diào)節(jié)器不但不及時(shí)開大給水閥來增加給水量，反而去關(guān)小調(diào)節(jié)閥的開度 ，減小給水量 。 這樣由于蒸汽量增加、給水量減少使汽包存.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.水量減少 。等到假水位消失后，汽包水位會嚴(yán)重下降，甚至?xí)蛊唤档轿ｋU(xiǎn)的程度 ，以至發(fā)生事故 。 對于負(fù)荷變動較大的大、中型鍋爐 ，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位控制要求和生產(chǎn)安全。而對小型鍋爐 ，由于蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假水位的現(xiàn)象并不明顯，如果在配上相應(yīng)的一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)也能滿足生產(chǎn)的要求，并保證安全生產(chǎn) 。加熱器蒸汽流量汽包給水量圖

8、 2.2液位控制系統(tǒng)方案圖2.3 檢測變送器的選擇過程控制系統(tǒng)中用于參數(shù)檢測的變送器是系統(tǒng)中獲取信息的裝置，其完成對被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測 ，并將信號傳送至控制器。測量信號是調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制的基本依據(jù)，被控參數(shù)迅速 、準(zhǔn)確地測量是實(shí)現(xiàn)高性能的重要條件 。足以說明變送器的選擇是控制系統(tǒng)中重要的一環(huán)。變送設(shè)備的選擇與使用，主要根據(jù)被檢測參數(shù)的性質(zhì)以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體功能要求來決定。被測參數(shù)的性質(zhì) 、測量精度 、響應(yīng)速度要求以及對控制性能要求等都影響變送器的選擇與使用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí) ，要從工藝的合理性 、.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.經(jīng)濟(jì)性、可替換性等方面加以綜合考慮。此時(shí)選取的是液位變送器。2.4

9、 調(diào)節(jié)閥的選擇執(zhí)行器是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。在過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，確定控制閥的口徑尺寸是選擇控制閥的重要內(nèi)容之一，在正常工況下要求調(diào)節(jié)閥的開度在15%-85% 之間 。調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇一般分倆步進(jìn)行：首先確定工作流量特性，然后根據(jù)工作流量特性相對于理想流量特性的畸變關(guān)系，求出對應(yīng)的理想流量特性 ，確定閥門的選型 。調(diào)節(jié)閥的氣開 、氣關(guān)作用方式的選擇：氣開式調(diào)節(jié)閥隨著控制信號的增加而開度加大 ，當(dāng)無壓力信號時(shí) ，閥門處于全關(guān)閉狀態(tài)；與之相反 ，氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥隨著信號壓力的增大 ，閥門逐漸關(guān)小 ，當(dāng)無信號時(shí) ，閥門處于全開狀態(tài) 。選擇遵循的原則 ：（ 1）人身安全 、系統(tǒng)與設(shè)備安全原則（2）保

10、證產(chǎn)品質(zhì)量原則（ 3）減少原料和動力浪費(fèi)的經(jīng)濟(jì)原則（ 4）基于介質(zhì)特點(diǎn)的工藝設(shè)備安全原則；綜上所述此時(shí)選取的是氣關(guān)式，為“反”作用。2.5 儀器性能指標(biāo)的計(jì)算精度檢測儀表的精度反映測量值接近真實(shí)值的準(zhǔn)確程度，一般用絕對誤差 、基本誤差和精確度來衡量 。1、絕對誤差在測量過程中 ，由于所使用的檢測儀表存在誤差及周圍環(huán)境存在干擾，測量結(jié)果必然存在誤差 。這種檢測儀表的指示值X 與被測量真值 X t 之間存在的差值成為絕對誤差，可表示為X X t（ 1）.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.儀器在標(biāo)尺范圍內(nèi)各點(diǎn)讀數(shù)的絕對誤差中最大的絕對誤差稱為最大絕對誤差max 。2、 基本誤差基本誤差又稱引用誤差或相對百分誤差，是一種

11、簡化的相對誤差。相對誤差等于某一點(diǎn)的絕對誤差與標(biāo)準(zhǔn)表在這一點(diǎn)的指示值X 0 之比 。 儀器的基本誤差定義為基本誤差最大絕對誤差 max100%（ 2）儀表量程而儀表量程測量上限 - 測量下限（ 3）儀表的基本誤差表明了儀表在規(guī)定的工作條件下測量時(shí)，允許出現(xiàn)的最大誤差限。3、 精確度（簡稱精度 ）為了便于量值傳遞 ，國家統(tǒng)一規(guī)定了儀表的精確度（精度）等級系列 。目前，我國生產(chǎn)的儀表常用的精度等級有0.005 、0.02、 0.5、 0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0 等 。2.5.2 靈敏度與分辨率靈敏度表征模擬儀表指針指示的靈敏程度。定義為 ：單位被測參數(shù)變化所引起

12、的儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角），用公式表示為SY（ 4）X式中 S 為儀表靈敏度 ；Y 為儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角 ）；X 為引起Y 的被測參數(shù)變化量 。.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.變差變差是儀表在外界條件不變的情況下，被測參數(shù)從量程起點(diǎn)逐漸增大到終點(diǎn)，再逐漸由大到小降到起點(diǎn)的校驗(yàn)過程中，儀表正反行程示值校驗(yàn)曲線間的最大絕對差值與量程之比。計(jì)算公式為 ：變差最大絕對差值（ 5）100%量程2.6 調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)器正 、反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)方式確定之后進(jìn)行的，其確定原則是使整個單回路構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)。2.7 調(diào)節(jié)器作用方向的選擇調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關(guān)重要

13、的影響 ，也是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。調(diào)節(jié)器的輸出決定于被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測量值與設(shè)定值變化，對輸出的作用方向是相反的。過程控制中 ，對于調(diào)節(jié)器的正反作用的定義為：當(dāng)設(shè)定值不變時(shí) ，隨著測量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也增加 ，則稱為 “正作用 ”方式 ；同樣，當(dāng)測量值不變 ，設(shè)定值減小時(shí) ，調(diào)節(jié)器輸出增加 ，稱為 “正作用 ”方式。.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.加熱器蒸汽流量正作用“”正作用“”汽包LT正作用“ ”LC給水量負(fù)作用“ -”圖 2.2液位控制系統(tǒng)流程圖第三章PID 控制3.1 控制規(guī)律的比較選擇調(diào)節(jié)規(guī)律是為了使調(diào)節(jié)器與被控過程很好的配合，組成滿足工藝要求的控制系統(tǒng) 。

14、選擇什么樣的調(diào)節(jié)規(guī)律與具體的被控過程匹配是一個比較復(fù)雜的問題 ，需要綜合考慮多種因素才能得到合理的解決。在具體控制工程的實(shí)施過程中，調(diào)節(jié)規(guī)律的最終確定還要根據(jù)被控過程特性 、負(fù)荷變化情況 、主要擾動特點(diǎn)以及生產(chǎn)工藝要求等實(shí)際情況進(jìn)行分析。 同時(shí)還應(yīng)考慮生產(chǎn)過程經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投運(yùn)、維護(hù)等因素 。 當(dāng)然，最終的結(jié)果還要通過工程實(shí)踐最后驗(yàn)證。下面簡述選擇調(diào)節(jié)規(guī)律的基本準(zhǔn)則。1. 比例調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)是最簡單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很迅速。比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，整定簡便 。 比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在靜差。對.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.象調(diào)節(jié)通道0 T0 小、負(fù)荷變化與外部擾動小、工藝要求不高 、

15、允許有靜差的調(diào)節(jié)系統(tǒng) ，可以選擇比例調(diào)節(jié) 。2. 積分調(diào)節(jié)積分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是沒有靜差。但是，積分調(diào)節(jié)的動態(tài)偏差較大、調(diào)節(jié)時(shí)間長，只能用于有自衡特性的簡單系統(tǒng)。3. 比例積分調(diào)節(jié)比例積分調(diào)節(jié)既能消除靜差，又能產(chǎn)生較積分調(diào)節(jié)快得很的動態(tài)響應(yīng)。對于一些調(diào)節(jié)通道容量滯后較小、負(fù)荷變化不大的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例積分調(diào)節(jié)可以起到很好的效果 。4.比例微分調(diào)節(jié)微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)比例系數(shù)增大，加快調(diào)節(jié)過程 ，減小動態(tài)偏差和靜差 。 在有高頻干擾的場合，由于系統(tǒng)對高頻干擾特別敏感，不能太大 ，否則會影響系統(tǒng)正常工作。在高頻干擾頻繁或存在周期性干擾的場合，不能使用微分調(diào)節(jié) 。5.比例積分微分調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器是常

16、規(guī)調(diào)節(jié)中性能最好的一種調(diào)節(jié)器，它綜合了各種調(diào)節(jié)規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，既能改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由能消除靜差 。對于負(fù)荷變化大 、容量滯后大 、控制品質(zhì)要求高的控制對象（如溫度控制 、控制等 ）均能適應(yīng) 。 但對于對象滯后很大 ，負(fù)荷變化劇烈 、頻繁的被控過程 ，采用調(diào)節(jié)還達(dá)不到工藝要求的控制品質(zhì)時(shí)，則應(yīng)選用串級控制 、前饋控制等復(fù)雜控制系統(tǒng)。3.2 PID 參數(shù)的整定調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定方法.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后，被控對象 、測量變送器和執(zhí)行器這三部分的特性就完全確定了，不能任意改變 。 只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制質(zhì)量?？刂破鲄?shù)的整定 ，就是按照已定的控

17、制方案，求取使控制質(zhì)量最好的控制器參數(shù)值 。具體來說 ，就是確定最合適的控制器比例度P、積分時(shí)間TI，和微分時(shí)間 TD。1）穩(wěn)定邊界法 （臨界比例度法 ）屬于閉環(huán)整定方法 ，根據(jù)純比例控制系統(tǒng)臨界振蕩試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)（臨界比例度 Pm 和振蕩周期 Tm ），按經(jīng)驗(yàn)公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。（1） 若置調(diào)節(jié)器 Ti， Td=0 ，比例度 P較大值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行 。（2） 逐漸減小P ，加干擾觀察 ，直到出現(xiàn)等幅減振蕩為止。記錄此時(shí)的臨界值 Pm 和 Tm 。yT圖 3.2 液位系控制系統(tǒng)圖臨 界 振蕩根據(jù) P 和 T ，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值mm.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.第四章仿真4.1simu

18、link仿真穩(wěn)定邊界法 ：圖 4.1 比例控制圖.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.圖 4.4 比例控制 simulink 仿真結(jié)果Kp=270,Ts=1.16s. 由 Kp=1/Pm 得：Pm=0.0037 ， Tm=Ts=1.16s.PI 校正：.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.P=2.2Pm, 且 Kp=1/P=123.457,Ti=0.85*Tm=0.986,此時(shí)由于圖像可知：僅僅用 PI 調(diào)節(jié)不能滿足系統(tǒng)的工藝要求，故需用 PID 校正。PID 校正：圖 4.3 系統(tǒng) PID 仿真圖.專業(yè)學(xué)習(xí)資料.P=1.7Pm, 且 Kp=1/P=158.730,Ti=0.85*Tm=0.58，Td=0.145, 此時(shí)的系統(tǒng)基本滿足了要求 ，還需進(jìn)行微調(diào) ，如下是經(jīng)過微調(diào)的圖像 ：此時(shí)的 Kp=70.圖 4.4 PID 控制 simulink 仿真結(jié)果4.2 對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定（1） 置調(diào)節(jié)器 Ti， Td=0 ，比例度 P較大值，將系