鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、學(xué)校代碼 學(xué)號 本科學(xué)年論文題 目 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 院 系 專業(yè)名稱 年 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2014年07月06日 學(xué)年論文指導(dǎo)教師評閱意見學(xué) 生姓 名專 業(yè)班 級學(xué)號（論文）題目 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師教師職稱 學(xué)年論文評語 評定成績： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 鍋爐內(nèi)膽水溫定值控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為對鍋爐內(nèi)膽水溫的定值控制，利用THSA-1型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)，在局域網(wǎng)中，通過上位機(jī)賦予下位機(jī)的權(quán)限，利用組態(tài)王軟件對鍋爐內(nèi)膽水溫進(jìn)行設(shè)定，使用PID控制能在一定的精度內(nèi)實(shí)現(xiàn)鍋爐夾套對水鍋爐內(nèi)膽水溫的自動(dòng)調(diào)節(jié)

2、，使之達(dá)到水溫設(shè)定值，并保持穩(wěn)定。通過實(shí)驗(yàn)要求，我們采用主調(diào)節(jié)器為PID控制的系統(tǒng)，并使用MATLAB進(jìn)行模型建立，使用試湊法得到PID參數(shù)。因?yàn)橛缅仩t夾套內(nèi)水的流動(dòng)降低鍋爐內(nèi)膽的溫度，所以鍋爐水溫具有非線性、時(shí)變性、大滯后和不對稱性等特點(diǎn),因此我們使用PID算法控制實(shí)現(xiàn)對鍋爐內(nèi)膽水溫的快速精確控制，滿足實(shí)驗(yàn)要求。關(guān)鍵詞：鍋爐,水溫，控制The boiler tank water temperature constant value control system design and implementation Abstract This experiment system is a con

3、stant value control of the boiler tank water temperature, using THSA - 1 type control integrated automation control system experimental platform to test and in the local area network (LAN), given by the upper machine under a machine permissions, using kingview software to set the boiler tank water t

4、emperature, using PID control can realize the jacketed boiler within a certain precision of the boiler water tank water temperature automatic adjustment, the water temperature will be set value, and keep the stability. Requirements through the experiment, we use the primary controller for the PID co

5、ntrol system, and use of MATLAB model is established in this paper, using the trial and error method of PID parameter. Because in jacketed boiler water flow to reduce the temperature of the boiler tank, so the boiler water temperature is nonlinear, time-varying, big lag and asymmetry and other chara

6、cteristics, so we use PID algorithm control realize the rapid and accurate control of the boiler tank water temperature, satisfies the requirement of experiment. Key words : boiler，water temperature，control 目錄1.緒論11.1鍋爐相關(guān)背景介紹112系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案21.2.1設(shè)計(jì)目的21.2.2設(shè)計(jì)要求21.2.3設(shè)計(jì)思路32.系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)方案42.1智能儀表42.2控制器42.3測量變

7、送器52.4設(shè)計(jì)方案63系統(tǒng)仿真與分析73.1 matlab仿真結(jié)構(gòu)圖73.2系統(tǒng)的參數(shù)整定84系統(tǒng)的硬件調(diào)試及分析94.1組態(tài)王參數(shù)設(shè)定與工作過程分析94.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析104.3試驗(yàn)中遇到的問題11總結(jié)12致 謝13參考文獻(xiàn)14第 14 頁 內(nèi)蒙古大學(xué)鄂爾多斯學(xué)院2011級自動(dòng)化專業(yè) 1.緒論1.1鍋爐相關(guān)背景介紹鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學(xué)能、電能，鍋爐輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供所需熱能，也可通過蒸汽動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，或再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。主要分為蒸汽鍋爐和熱水過濾。鍋爐的發(fā)展

8、可追溯到18世紀(jì)上半葉，蒸汽機(jī)的發(fā)明使得對蒸汽的需求量大大增加，這就要求鍋爐有一定的的產(chǎn)生蒸汽的能力。此時(shí)，所用的蒸汽壓力等于大氣壓力。19世紀(jì)，常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應(yīng)，最早的蒸汽鍋爐是一個(gè)盛水的大直徑圓筒形立式鍋殼，后來改用臥式鍋殼，在鍋殼下方磚砌爐體中燒火。隨著鍋爐越做越大，為了增加受熱面積，在鍋殼中加裝火筒，在火筒前端燒火，煙氣從火筒后面出來，通過磚砌的煙道排向煙囪并對鍋殼的外部加熱，稱為火筒鍋爐。1830年左右，在掌握了優(yōu)質(zhì)鋼管的生產(chǎn)技術(shù)之后出現(xiàn)了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中，構(gòu)成鍋爐的主要受熱面，火(煙氣)在管內(nèi)流過。在鍋殼的存水線以下裝上盡量多的火管，稱為臥

9、式外燃回火管鍋爐。它的金屬耗量較低，但需要很大的砌體。19世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了水管鍋爐。鍋爐受熱面是鍋殼外的水管，取代了鍋殼本身和鍋殼內(nèi)的火筒、火管。鍋爐的受熱面積和蒸汽壓力的增加不再受到鍋殼直徑的限制，有利于提高鍋爐蒸發(fā)量和蒸汽壓力。這種鍋爐中的圓筒形鍋殼遂改名為鍋筒，或稱為汽包。初期的水管鍋爐只用直水管，直水管鍋爐的壓力和容量都受到限制。20世紀(jì)初期，汽輪機(jī)開始發(fā)展，它要求配以容量和蒸汽參數(shù)較高的鍋爐。直水管鍋爐已不能滿足要求。隨著制造工藝和水處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了彎水管式鍋爐。開始是采用多鍋筒式。隨著水冷壁、過熱器和省煤器的應(yīng)用，以及鍋筒內(nèi)部汽、水分離元件的改進(jìn)，鍋筒數(shù)目逐漸減少，既節(jié)約了金

10、屬，又有利于提高鍋爐的壓力、溫度、容量和效率。第二次世界大戰(zhàn)以后，這兩種型式的鍋爐得到較快發(fā)展，因?yàn)楫?dāng)時(shí)發(fā)電機(jī)組要求高溫高壓和大容量。發(fā)展這兩種鍋爐的目的是縮小或不用鍋筒，可以采用小直徑管子作受熱面，可以比較自由地布置受熱面。隨著自動(dòng)控制和水處理技術(shù)的進(jìn)步，它們漸趨成熟。在超臨界壓力時(shí)，直流鍋爐是唯一可以采用的一種鍋爐，70年代最大的單臺容量是27兆帕壓力配1300兆瓦發(fā)電機(jī)組。后來又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復(fù)合而成的復(fù)合循環(huán)鍋爐。目前，我國制造和使用的鍋爐是量大面廣的供熱鍋爐，因此，對鍋爐內(nèi)膽的水溫控制顯得極其重要。當(dāng)其溫度過高時(shí)，產(chǎn)生的蒸汽壓力會(huì)過高，如果不對其進(jìn)行控制，很可能發(fā)生工

11、業(yè)事故。而溫度過低時(shí)，又不能滿足用戶或工業(yè)要求。根據(jù)目前國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)定的限定，供熱鍋爐一般指額定蒸發(fā)量D65t/h，額定壓力 P3.9MPa的鍋爐，這也是與建筑環(huán)境與設(shè)備專業(yè)密切相關(guān)的鍋爐，是本專業(yè)重點(diǎn)研究和使用的對象。要順利完成化學(xué)能與熱能之間的轉(zhuǎn)換， 或者說要順利地產(chǎn)生用戶所需的蒸汽或熱水，光有鍋爐本體設(shè)備還是不夠的，還必須配以其他輔助系統(tǒng)，如燃料輸送及出灰渣系統(tǒng)，引、送風(fēng)系統(tǒng)，汽水系統(tǒng)，儀表附件及控制系統(tǒng)。我國供熱鍋爐恒久以來不停存在所謂的“大馬拉小車”現(xiàn)象，大多數(shù)鍋爐處于低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，一方面是由于設(shè)計(jì)院和用戶在選用鍋爐時(shí)，考慮到今后的生長等因素，所選鍋爐的容量及臺數(shù)往往超過

12、現(xiàn)實(shí)需求量很多，另一方面，鍋爐現(xiàn)實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)中負(fù)荷常隨用汽、用熱負(fù)荷變革在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，形成很多鍋爐恒久在低負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)。我國供熱鍋爐一樣平常均勻負(fù)荷率在50%70%，鍋爐容量愈小，均勻負(fù)荷率愈低，反之則較高。12系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1.2.1設(shè)計(jì)目的本次設(shè)計(jì)的是鍋爐內(nèi)膽的水溫定值控制，本實(shí)驗(yàn)基本要求是能夠在一定精度內(nèi)進(jìn)行水溫控制。通過本次設(shè)計(jì)，增進(jìn)學(xué)生對DCS分布式操作系統(tǒng)及智能儀表的了解，加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。1.2.2設(shè)計(jì)要求要求系統(tǒng)的主控制量T1等于給定值，通過副回路的調(diào)節(jié)作用可快速消除擾動(dòng)的影響。1.2.3設(shè)計(jì)思路通過組態(tài)王軟件進(jìn)入DCS操作系統(tǒng)，設(shè)定給定值（鍋爐內(nèi)膽的設(shè)定水溫），通過動(dòng)態(tài)自動(dòng)控制

13、空鍋爐夾套的出水速度，使系統(tǒng)的水溫達(dá)到設(shè)定值，最終系統(tǒng)趨于穩(wěn)態(tài)。2.系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計(jì)方案2.1智能儀表在設(shè)計(jì)過程中，要盡量降低系統(tǒng)的成本，根據(jù)現(xiàn)有的資源，控制器可采用207實(shí)驗(yàn)室的“THSA-1型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺的AI智能儀表。AI儀表常用參數(shù)設(shè)置，儀表1主調(diào)節(jié)器。智能儀表1常用參數(shù)設(shè)置如下，其他參數(shù)按照默認(rèn)設(shè)置：HIAL=9999，LoAL=-1999,dHAL=9999, dLAL =9999, dF=0, CtrL=1,Sn=33, dIP =1, dIL =0, dIH =200, oP1=4, oPL=0, oPH=100,CF=0,Addr=1,bAud=9600。

14、變頻器常用參數(shù)設(shè)置：P1=50、P2=0、P792、P160=0、P161=1、P182=4。圖2-1 THSA-1型過控綜合自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺2.2控制器本實(shí)驗(yàn)采用THJ-1型過程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鍋爐內(nèi)膽的水溫加熱及鍋爐夾套的水循環(huán)。圖2-2 THJ-1型過程控制系統(tǒng)2.3測量變送器鍋爐內(nèi)膽的溫度測量變送器：用來檢測鍋爐內(nèi)膽的溫度，根據(jù)檢測到的溫度將模擬信號轉(zhuǎn)化為4-20mA的電流信號，經(jīng)V/I轉(zhuǎn)換后，將電流信號轉(zhuǎn)化為儀表可顯示的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。圖2-3 測量變送器2.4設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)平臺及組態(tài)王上得到系統(tǒng)不加PID控制的響應(yīng)曲線，通過對沒有加入PID控制的響應(yīng)曲線分析，得到系統(tǒng)的模型，確

15、定系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。圖2-4該曲線上升到穩(wěn)態(tài)值的63%所對應(yīng)的時(shí)間，就是水箱的時(shí)間常數(shù)T。對象具有滯后特性時(shí)，在此曲線的拐點(diǎn)處作一切線，它與時(shí)間軸交于一點(diǎn)，與響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的漸近線響交。因此得到系統(tǒng)的K=4.9，T=290，=10。得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：3系統(tǒng)仿真與分析3.1 matlab仿真結(jié)構(gòu)圖圖3-1仿真結(jié)構(gòu)圖3.2系統(tǒng)的參數(shù)整定通過MATLAB的仿真模型建立，將給定值設(shè)置為43，不斷的通過仿真運(yùn)行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，根據(jù)各調(diào)節(jié)參數(shù)T、K、Ti、Td對系統(tǒng)相應(yīng)的大致程度影響，反復(fù)試湊，以達(dá)到滿意的響應(yīng)從而確定PID的調(diào)節(jié)參數(shù)。最終通過實(shí)驗(yàn)得到P=1，Ti=0.01,Td=1，此時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，

16、超調(diào)量為15.3%，基本消除了穩(wěn)態(tài)誤差，調(diào)節(jié)時(shí)間約為280s，基本符合實(shí)驗(yàn)要求。圖3-2系統(tǒng)的響應(yīng)曲線4系統(tǒng)的硬件調(diào)試及分析4.1組態(tài)王參數(shù)設(shè)定與工作過程分析在實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)上確定了P、I、D參數(shù)的數(shù)值，通過組態(tài)王上設(shè)定鍋爐內(nèi)膽水溫給定值與P、I、D的參數(shù)再利用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn)。組態(tài)王與實(shí)驗(yàn)平臺的工作過程分析：首先在上位機(jī)的允許下我們通過下位機(jī)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面，并控制實(shí)驗(yàn)平臺，在下位機(jī)組態(tài)王的界面中設(shè)定鍋爐內(nèi)膽水溫的給定值與P、I、D參數(shù)，在本次試驗(yàn)中，我將鍋爐內(nèi)膽溫度給定值設(shè)為43°，P=5，Ti=0.1，Td=1。然后打開三相磁力開關(guān)與三相調(diào)壓開關(guān)等，實(shí)驗(yàn)平臺開始工作，在PID的控制

17、下移相調(diào)控為100%，鍋爐內(nèi)膽快速加熱，同時(shí)鍋爐夾套在水循環(huán)的作用下對鍋爐內(nèi)膽進(jìn)行降溫，但此時(shí)鍋爐內(nèi)膽的加熱電壓較大，鍋爐內(nèi)膽水溫上升。而測量變送器將鍋爐內(nèi)膽的溫度測量到，并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號，由于所選用的智能儀表只識別電壓信號，因此在測量變送器將電流信號送給智能儀表之前，要先經(jīng)過V/I轉(zhuǎn)換，將電流信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號，再送給智能儀表，智能儀表在上位機(jī)的允許下，將此信號，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)局域網(wǎng)的線路送給我們的下位機(jī)，下位機(jī)在不斷地信號接收后，將此信號通過曲線表示出來，得到加入PID算法后的響應(yīng)曲線。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析在加入PID法后，系統(tǒng)能夠更快的進(jìn)行調(diào)節(jié)，消除了響應(yīng)曲線的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)

18、減小了調(diào)節(jié)時(shí)間。得到系統(tǒng)的超調(diào)量為21%，調(diào)節(jié)時(shí)間約為180s，穩(wěn)態(tài)誤差被徹底消除。由于在此次試驗(yàn)中，測量變送器不能將信號實(shí)時(shí)的送給下位機(jī)，因此我們通過下位機(jī)沒有得到相應(yīng)的響應(yīng)曲線，所以我們通過對智能儀表示數(shù)的記錄，用MATLAB軟件采用最小二乘法進(jìn)行繪圖，得到了加入PID調(diào)節(jié)控制后的響應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如下：測量數(shù)據(jù)27.335.749.453.254.951.647.644.543.3時(shí)間30s90s150s210s270s330s390s450s510s測量數(shù)據(jù)43.142.94343434343時(shí)間570s630s690s750s810s870s930s圖4-2加入PID后的系統(tǒng)響應(yīng)

19、曲線4.3試驗(yàn)中遇到的問題1、 在對系統(tǒng)建立模型時(shí)，由于溫度無法從零度開始，因而造成了K、Ti、Td，的誤差。2、 在對響應(yīng)曲線進(jìn)行作圖時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定的誤差。3、 由于仿真針對的是理想模型，而現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中存在一定的干擾，因此仿真所得的傳遞函數(shù)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的真實(shí)情況間存在一定的誤差。4、 由于實(shí)驗(yàn)條件所限，設(shè)宴設(shè)備無法提供冷水循環(huán)，因此在鍋爐夾套對鍋爐內(nèi)丹進(jìn)行降溫時(shí)，會(huì)緩慢一些。總結(jié)本設(shè)計(jì)完成了題目要求的基本部分的全部要求。由于時(shí)間的短缺而沒有更好地完善，在今后條件允許的情況下再擴(kuò)展。通過這次設(shè)計(jì)使我學(xué)會(huì)如何去培養(yǎng)我們的創(chuàng)新精神，從而不斷地戰(zhàn)勝自己，超越自己。創(chuàng)新，是要我們學(xué)會(huì)將理論很好地聯(lián)系實(shí)際，并不斷地去開動(dòng)自己的大腦，從為人類造福的意愿出發(fā)，做自己力所能及的，別人卻沒想到的事。使之不斷地戰(zhàn)勝別人，超越前人。同時(shí)，更重要的是，我在這一設(shè)計(jì)過程中，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持不懈，不輕言放棄，設(shè)計(jì)過程，也好比是我們?nèi)祟惓砷L的歷程，常有一些不如意，也許這就是在對我們提出了挑戰(zhàn)，勇敢過，也戰(zhàn)勝了，勝利的鐘聲也就一定會(huì)為我們而敲響。通過合作，我們的合作意識得到加強(qiáng)。合作能力得到提高