自控工程課程設計-三沖量汽包液位控制系統(tǒng)設計

1、精品文檔第一章 工程實例1、三沖量汽包液位控制系統(tǒng)應用1.1 三沖量控制系統(tǒng)的構成 在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量及給水流量等3個被控變量會安裝相應的調節(jié)器，在鍋爐運行的過程中，這三個信號作用于調節(jié)器，會適時調整，做相應的改變。 在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量、給水流量都是串聯(lián)關系，其中汽包液位是三者中的主沖量，能夠反映整個汽包的工作狀態(tài)和運行狀況；而蒸汽流量和給水流量分別擔任輔助沖量，蒸汽流量就是一個前饋系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)，能夠消除“假液位現(xiàn)象，保證整個系統(tǒng)的準確性；給水流量是一個反應系統(tǒng)，它能夠副回路減少水壓改變對汽包液位的影響。主沖量和輔助沖量之間相互配合、相互影響，共同

2、保證前饋-串級反應的三沖量控制系統(tǒng)的正常有效運行。 1.2 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理是：將三個信號中的汽包液位當做主信號，當鍋爐中的水位改變時，與之相對應的調節(jié)器輸出也會發(fā)生相應的變化，在此根底上的給水流量也會發(fā)生改變，這樣就能夠使鍋爐的水位到達給定值。在這個過程中，蒸汽流量充當著前饋作用，其作用是防止“假液位干擾調節(jié)器的工作。而給水流量充當著反應的作用，當前饋的蒸汽流量發(fā)出干擾信號時，給水流量會在鍋爐水位未改變之前，消除這種干擾，使調節(jié)器正常工作，使給水流量更加穩(wěn)定。 1.3 三沖量控制系統(tǒng)在鍋爐汽包液位中的應用 在鍋爐生產(chǎn)中，三沖量控制系統(tǒng)作為前饋-串級反應系統(tǒng)，

3、其運行遵循著主控制器的正作用和副控制器的反作用原那么。在三沖量控制系統(tǒng)中，流量控制器FC作為主控制器，起著正作用功能；水位控制器LC作為副控制器，起著反作用的功能；而調節(jié)器那么起著調節(jié)閥的作用。 通常當鍋爐的水位升高時，LC就會產(chǎn)生反作用，其輸出就會相應減少，通過加法器，F(xiàn)C的給定值減少，而調節(jié)器的輸出卻增加，故而要減小調節(jié)器的閥門開度，縮小FA2101給水流量，使水位下降至給定值。 在FAQ2102蒸汽流量增加的情況下，F(xiàn)C的給定值會相應的減少，而調節(jié)器的輸出增加，故而要擴大調節(jié)器的閥門開度，增加給水流量，平衡蒸汽流量，使水位保持在給定值上。 當FA2102給水流量增加時，F(xiàn)C調節(jié)器的輸出也

4、會相應增加，這時要減小調節(jié)閥開度，減少給水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不變。另外，在選擇給水流量的調節(jié)閥時，要保證鍋爐的平安。比方當生產(chǎn)的熱源是蒸汽時，就應該選擇氣關閥來保護鍋爐；而當蒸汽的供應超過蒸汽壓縮機時，就應該選擇氣開閥來保護鍋爐設備。 通過三沖量控制系統(tǒng)，能夠利用調節(jié)器的開關閥對鍋爐生產(chǎn)中的汽包液位、蒸汽流量和給水流量進行有效調節(jié)，消除了“虛假液位現(xiàn)象，保證水位的穩(wěn)定，很好地控制了鍋爐汽包液位，保證整個鍋爐系統(tǒng)和整個生產(chǎn)工藝的平安可靠，同時也促進了鍋爐生產(chǎn)技術的改良和完善。2.系統(tǒng)控制流程圖圖1-1系統(tǒng)控制的程序流程圖第2章 標準節(jié)流裝置設計及計算程序設計1.給水調節(jié)對象的動態(tài)特性鍋

5、爐的給水系統(tǒng)，汽包液位的動態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實際情況卻要復雜的多。其中最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽氣泡的水，而蒸汽氣泡的總體積是隨著氣泡壓力和爐膛熱負荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒有變化，汽包水位也會隨之發(fā)生改變。汽包液位過高會造成蒸汽帶水，影響汽水別離效果；水位過低容易使水全部被汽化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負荷和給水流量的波動，當負荷突然增大、汽包壓力突然降低時，水就會被急劇汽化，出現(xiàn)大量氣泡，形成“虛假液位。根據(jù)所給任務書中的要求，水位H與給水W之間的傳遞函數(shù)為一個一階對象，

6、時間常數(shù)為5s，靜態(tài)放大倍數(shù)為8。2.系統(tǒng)控制框圖單級三沖量控制系統(tǒng)如下列圖所示：圖2-1三沖量控制系統(tǒng)從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給水流量W、給水變送器、調節(jié)器和調節(jié)閥組成的內回路；另一個是由汽包水位對象和內回路構成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之內。但它的引入可以改善控制質量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質是前饋加反應的控制系統(tǒng)。綜上所述，本系統(tǒng)應選用水位串級控制。主回路用于直接控制水位，主調節(jié)器一般都采用比例積分動作，維持水位不變。副回路是流量系統(tǒng)，副調節(jié)器可以用比例或比例積分動作。結合題意設計系統(tǒng)框圖如下：

7、Hr +Gc1(s)Gc2(s)KuKwKhGp(s)KdHW其中，Hr水位設定值 W給水量 H水位值 Gc1s主控制器 Gc2s副控制器 Gps被控對象傳遞函數(shù) Kd蒸汽流量檢測變送器放大倍數(shù) Kw給水流量檢測變送器放大倍數(shù) Kh水位檢測儀表放大倍數(shù)第3章 調節(jié)閥選型及計算1.給水流量計的選擇及KW的計算 根據(jù)所給離心泵的參數(shù)，給水壓力3MPa，水流量為25T/h。正常的蒸汽量為10T/h，因此在穩(wěn)定的情況下，需要的給水量應等于蒸發(fā)量，即正常的給水量為10T/h。選擇輸入量程所對應的給水流量為20T/h。輸出量程為420mAKW=20-4/20-0=0.8mAh/T 1.1蒸汽流量計的選擇及

8、KD的計算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為10T/h，選擇輸入量程所對應的蒸汽流量為20T/h.輸出量程為420mA。KD=20-4/20-0=0.8mA/T1.2調節(jié)閥的選擇及Ku的計算選擇電動調節(jié)閥，輸入量程為420mA，輸出量程為025T/h。Ku=25-0/20-4=1.56T/hmA1.3差壓式水位測量儀表及KH的計算根據(jù)題目所給的最大允許波動為±30mm，因此儀表輸入選擇為±60mm，輸出為420mA。KH=20-4/60-60=0.133mA/mm2.PID控制器的參數(shù)整定首先，對副環(huán)進行整定，由上面選擇的調節(jié)器可以得到，副環(huán)是一個比例環(huán)節(jié)，因此在整定副環(huán)時，只要保

9、證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。其次，對主環(huán)進行整定，先將PI調節(jié)器的積分常數(shù)置成無窮大，然后給比例系數(shù)，假設系統(tǒng)響應衰減太快，那么減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應衰減過慢，應增大比例帶。通過不斷調節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定，然后調節(jié)積分常數(shù)Ti，最終得到的是一個衰減比在4：110：1的衰減震蕩過程。各個調節(jié)器的參數(shù)如下：副調節(jié)器：K2=5主調節(jié)器：K1=8 ，Ti=0.38s，=0.135， 衰減比為10：1其衰減振蕩的曲線如下： 圖3-1衰減振蕩曲線3. 鍋爐汽包水位總體設計的仿真圖3-2串級三沖量控制系統(tǒng)SIMULINK仿真模型得到的響應曲線如下列圖所示。圖3-3串級三沖量控制系統(tǒng)響應曲線仿真結果分析：串級三沖量控

10、制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應曲線平穩(wěn)，對蒸汽流量擾動的抑制也很強。4. 硬件設計實現(xiàn)控制過程為:利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液位的狀態(tài)轉換成模擬信號，再通過模數(shù)轉換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出地數(shù)字信號再通過DAC0832轉化成為模擬信號。4.1控制器的選擇選擇51單片機作為系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作范圍，由于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行機構，使給水閥門開打，注水量增加，水位恢復到規(guī)定范圍內；當水位高于規(guī)定值時，8051單片機再次發(fā)出控制信號，使給水閥門變小，注水量降低，水位

11、又恢復到規(guī)定范圍。51單片機與AD和DA的接口連接如下列圖所示：圖3-4 51單片機與AD和DA的接口4.2控制的程序框圖圖3-5系統(tǒng)控制的程序流程圖4.3 AD轉換器AD轉換器選擇ADC0809, ADC0809是一種逐次比擬式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的A/D轉換器。AD轉換器的電路設計 ：AD轉換結束后，EOC腳輸出高電平，此時單片機接收EOC信號，讀取AD轉換的結果，將EOC腳經(jīng)反相器與單片機的INT0腳相連。AD轉換結果由P0口讀入，故將AD轉換器的輸出與單片機P0口相連，上下位依次相連。 經(jīng)以上分析，設計AD轉換器的接口電路如下圖圖3-6 AD轉換器的接口電路4.4DA轉換器 D

12、A轉換器選擇DAC0832,DAC0832是具有兩個輸入數(shù)據(jù)存放器的8位DAC,它能直接與51單片機相連。DA轉換器的電路設計：選擇DAC為單緩沖方式，即輸入存放器工作于受控狀態(tài)，DAC存放器處于直通狀態(tài)，由DAC0832的引腳特性，將DAC0832的引腳接發(fā)如下：CS：片選端，低電平有效，直接接低電平ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。WR2：DAC存放器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，故直接接低。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地。WR1；第一級輸入存放器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC存放器，故將該腳與單片機P2

13、.2口相連，由程序控制。經(jīng)以上分析，設計DA轉換器的接口電路如下圖圖3-7 DA轉換器的接口電路第四章 課程設計心得通過這次過程控制課程設計，我們感觸頗深，不僅對書上學習的知識進行了復習與穩(wěn)固，而且還培養(yǎng)了我獨立思考與解決問題的能力。通過將近一周的努力，我終于在規(guī)定的時間內完成了任務。是我更加深刻地理解了鍋爐液位的三沖量控制，而且將我在眾多專業(yè)課程上所學到的知識相結合，更進一步提高了我們綜合運用知識的能力。通過課程設計將所學到的專業(yè)知識聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識的重要性和應用范圍的寬廣，加深了對專業(yè)、對工程設計的理解。讓我更加明白了在生產(chǎn)實際中，不能對書面的知識生搬硬套，要具體問題具體分析，才能正確快速的解決問題。另外，還讓我懂得了在設計制造的道路上，需要不斷地探索與創(chuàng)造，堅持不懈，持之以恒。這次的設計經(jīng)歷讓我受益匪淺。完成了這次設計以后，對我以后的生活和工作都有很大的幫助，鍛煉了自己的動手能力，讓自己對所學的知識進行了一個升華，更深入的了解了這門課程的真諦，我以后也應該多多動手，不能只學習課本上的理論知識，應該更多地把理論和實際結合到一起，這樣才能學有所用。為了讓自己以后更好的適應到這個行業(yè)，我應該更