鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設計

課程設計名稱：自動控制原理課程設計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：姓名：學號：課程設計任務書一、設計題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計二、設計任務1.設計一鍋爐水位控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位的動態(tài)特性分析對控制調節(jié)系統(tǒng)進行分析作出最終設計方案三、設計計劃：第一天選擇課程設計題目，確定課程設計任務第二天根據課程設計任務進行查閱資料第三天進行整理資料及進行控制結構圖設計第四天進行可行性分析并進行校正分析第五天設計說明書編輯輸出四、設計要求：通過鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設計，查閱相關文獻資料，對所學知識有更好的理解和掌握，并對設計進行分析，得出設計結論指導教師：教研室主任:時間:遼寧工程技術大學課程設計成績評定表學期2006-2007年度第一學期姓名專業(yè)班級課程名稱自動控制原理課程設計設計題目評定評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內容難易性15結合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100

標準評語：任課教師時間 年月日備注摘要：鍋爐是工業(yè)生產過程中不可缺少的重要設備，鍋爐的汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成十鍋，損壞汽包，所以其值過高過低都可能造成重大事故。故在設計中內、外賄賂中采用PID控制快速消除通道的給水擾動和蒸汽擾動，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定的狀態(tài)。關鍵詞：汽包水位串級前饋調節(jié)動態(tài)特性PID控制目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1綜述 1\o"CurrentDocument"2鍋爐汽包水位的動態(tài)特性描述 2\o"CurrentDocument"2.1汽包在給水流量作用下的動態(tài)特性 2\o"CurrentDocument"2.2汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性 2\o"CurrentDocument"3鍋爐汽包水位的PID控制方案 4\o"CurrentDocument"3.1前饋調節(jié)系統(tǒng) 4串級前饋調節(jié)系統(tǒng) 4PID控制系統(tǒng)算法 5\o"CurrentDocument"4鍋爐水位PID控制的總體結構 7\o"CurrentDocument"5結論 9設計體會 .10\o"CurrentDocument"參考文獻 111綜述鍋爐控制裝置，其主要的任務是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運行，同時減輕工作人員的勞動強度，確保人員的人身安全。鍋爐的汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數，水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結垢和影響蒸汽質量。水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成十鍋，損壞汽包。所以其值過高過低都可能造成重大事故。它的被調量是汽包水位，而調節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調節(jié)，使汽包內部的物料達到動態(tài)平衡，變化在允許范圍之內，由于鍋爐汽包水位對蒸氣流量和給水流量變化的響應呈積極特性。但是在負荷（蒸氣流量）急劇增加時，表現卻為"逆響應特性"，即所謂的"虛假水位"，造成這一原因是由于負荷增加時，導致汽包壓力下降，使汽包內水的沸點溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實質上是維持鍋爐進出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標，通過調整進水量的多少來達到進出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個設有自平衡能力的被控對象，運行中存在虛假水位現象，使得傳統(tǒng)的控制參數測定比較困難，在此設計中的控制系統(tǒng)采用PID串級控制方法來對其進行控制。2鍋爐汽包水位的動態(tài)特性描述W—鍋爐給水 D一產生的蒸汽W1一爐膛下降水冷管W2一爐膛上升水冷管圖2-1鍋爐汽包簡單示意圖影響汽包水位的因素有給水流量作用下的控制通道特性和蒸汽負荷變化作用下的擾動作用。2.1汽包在給水流量作用下的動態(tài)特性這是控制通道的動態(tài)特性，當給水流量增加后，由于給水溫度比汽包內水的溫度低，就從原有的水中吸收部分熱量，這使得水位下面汽包容積有所減少，當水位下面的汽包的容積的這是控制通道的動態(tài)特性，當給水流量增加后，由于給水溫度比汽包內水的溫度低，變化過程逐漸平衡時，水位的變化就完全反映了汽包中水量的上升。當給水量作介躍變化變化時，汽包的水位在起始狀態(tài)不會立即增加，而是呈現出慣性特性，水位和給水流量之間的關系用傳感器G（s）表示，它近似表示一個積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的串連，系統(tǒng)特性可以表示為：G°=i^T^1匕為給水量作用下，汽包水位變化的上升速度，T1為滯后時間，與給水溫度有關，給水溫度越低，滯后時間越大。2.2汽包水位在蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性由于實際工作環(huán)境的變化，當蒸汽流量突然增加時，蒸汽流量大于給水的量，從鍋爐的物料平衡關系看，水位應下降，但在實際的情況中并不是如此，由于蒸汽用量增加導致汽包壓力瞬間降低，汽包內水的沸騰加劇，水中汽包容積迅速增加，結果水位不但不下降反而先上升，然后在下降；反過來，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后在上升，這種汽包水位沿著相反方向變化的現象稱之為“虛假水位”，水位與蒸汽流量之間的關系用傳遞函數G2（J表示，系統(tǒng)特性可以表示為：GQ-匕+匕2ss\Ts+1）2在此式中，kf為蒸汽流量單位改變時汽包水位的變化速度，k2為放大系數，T2為時間常數。3鍋爐汽包水位的PID控制方案控制汽包水位的手段是操縱給水，依此構成的單回路控制系統(tǒng)對鍋爐的假水位現象回發(fā)出相反的補償動作，嚴重時甚至會使汽包水位降到足以發(fā)生危險事故的程度，如果根據蒸汽流量來給出校正動作，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，從而減少水位的波動，改善控制的精確度。3.1前饋調節(jié)系統(tǒng)比較前饋系統(tǒng)，反饋系統(tǒng)的最大缺點是在干擾作用下，必須形成偏差，才能進行調節(jié)（或偏差即將形成）那么能否在干擾作用發(fā)生后，在未影響被控變量時，就開始調節(jié)，使被控變量保持不變。而前饋系統(tǒng)是按干擾進行調節(jié)的開環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，在干擾發(fā)生后，被控變量未發(fā)生變化時，前饋控制器根據干擾幅值，變化趨勢，對操縱變量進行調節(jié)，來補償干擾對被控變量的影響，使被控變量保持不變的方法。前饋系統(tǒng)的方框圖圖3-1 前饋系統(tǒng)方框圖GD:干擾通道對象特性。Gpc:控制通道對象特性。Gf:前饋控制器傳函。根據不變性原理，即被控變量與干擾量絕對無關，或被控變量對干擾完全獨立，則T(s)F(s)=0，即T(s)=0T(s)F(s)=GD+GfxGpc=0所以Gf0=-GpDQ/Gpc(s)即G(s)=-干擾通道對象特性/控制通道對象特性ff負號；表示控制通道與干擾通道作用相反。所以前饋控制器傳函由控制通道對象特性和干擾通道對象特性決定。前饋控制系統(tǒng)特點開環(huán)控制系統(tǒng)：F1一(Gff)1—Gv1-G蒸1一AT1-T按干擾進行控制，控制及時，精度高。僅僅對前饋量有控制作用(對T不起作用)前饋控制器為多用控制器(根據對象特性獲得)不能隨時了解被控變量變化情況3.2串級前饋調節(jié)系統(tǒng)為克服調節(jié)閥的變差(滯環(huán))，閥前后壓差變化，引起閥和流量變化(如蒸汽壓力變化)增加一個流量付環(huán)，其目的在于通過設置副變量來提高對主變量的控制質量，由于副回路的存在，對進入副回路的干擾有超前控制的作用，因而減少了干擾對主變量的影響，同時系統(tǒng)對負荷改變時有一定的自適應能力。褫液圖3-3串級前饋控制系統(tǒng)方框圖串級前饋模型傳遞函數G(y)?G(y)?G(y)F(y)-Gf偵)1——~(2)g―(,)gG)g—()G偵)+G偵)=0m2 c2 V PC2綜上兩種調節(jié)系統(tǒng)的比較，我們可以看出，采用串級前饋調節(jié)具有更大的優(yōu)勢，故在在此設計方案中，采用串聯前饋的控制方式來對其進行控制。3.3PID控制系統(tǒng)算法PID控制的本質是一個二階線性控制器，通過調整比例、積分和微分三項參數，使得大多數的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。對于水位系統(tǒng)的建模，可近似地認為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié)，進行實驗對于一階慣性環(huán)節(jié)對象，往往采用PID控制算法，PID調節(jié)器如下圖所示：圖3-4PID調節(jié)器調節(jié)器輸入輸出之間的比例-微分-積分關系如下：u(t)=Kp[e(t)+1/Ti/e(t)dt+Td*de(t)/dt]其中Kp為比例系數,Ti為積分時間常數,Td為微分時間常數。式中T是采樣周期，周期T必須足夠短，才能保證有足夠的精度，因此數字PID調節(jié)器，表達式如下：u(kT)=Kp{e(kT)+T/TiEe(jT)+Td/T[e(Kd)-e(Kt-T)]}在反饋控制部分，如果過早地引入積分作用容易產生飽和，產生過大的超調量，預期的調節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點，可以采用積分分離的PID控制算法，這樣既保持了積分的作用，又減少了超調量，使控制性能有較大的改善。積分分離法思想：

一 一一T件 T 一、u(kT)=K{e(kT)+YKe(jT)+d[e(kT)-e((k-1)T)]}ij=0[1當|e(kT)|<8,戶口控制，保證快速性K=dL10當e(kT)>8,PID控制，保證消除靜差1—一般PID1—一般PID調節(jié)曲線2—積分分離PID調節(jié)曲線Q—從此點開始引入積分作用圖3-5PID調節(jié)曲線4鍋爐水位PID控制的總體結構通過前述各方面的分析，我們可以作出鍋爐水位PID控制的結構圖如下所示:圖4-1圖4-1鍋爐水位P-PID串級控制結構圖其中前述G1(s)和氣(s)分別為控制回路的擾動通道的傳遞函數，yD、yw、別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測量器件的傳遞系數，aD、a^分別為蒸汽流量和給水流量的分壓系數，Kz、Kp分別為執(zhí)行機構和閥們的特性系數，回路CCQ采用PID控制以快速消除給水擾動，外回路采用預測PID來抑制蒸汽擾動，其算法為：

( 1A=K1+ITisJe(t)—-1U(t)-u(( 1A=K1+ITisJi當忽略蒸汽擾動和給水擾動時，系統(tǒng)的傳遞函數可以表示為如下:八()C(s) G(s)?KK-U(s)?G(s)=Rs)_1+a.yG(s)KK+G(s)KK1U(s).G(s)ww ZPCZP 1T=30，T=30，k2=3.6，匕=10,Kp=2.T=15，a=a=0.083，y=y=0.21，y=0.033匕=10,Kp=2.預測PI控制器的比例系數K=2.5，內回路控制器取純比例控制Q<s)=1,為了便于比較圖4-2采用廣義參數的系統(tǒng)仿真圖控制效果，在考慮了擾動抑制性能后，取Kp=1.5，氣=0.005圖4-2采用廣義參數的系統(tǒng)仿真圖由圖可以看出，經過P—PID控制系統(tǒng)控制的鍋爐水位輸出的超調量有所減小，在蒸汽擾動作用下，水位波動范圍也減小了，達到了控制的目的。5結論本設計是采用一種預測PID控制方法對鍋爐水位進行的控制，通過比較前饋調節(jié)系統(tǒng)和串級前饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點，最終選用了串級前饋調節(jié)系統(tǒng)參與整個控制，內循環(huán)采用PID控制快速消除了控制通道的給水擾動，外回路采用的PID方法克服了蒸汽擾動的影響，并通