鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、過程控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)報(bào)告*學(xué)生姓名*鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制要求設(shè)計(jì)一個(gè)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/(sA3+10sA2+29s+20),o%20%,Ts10s,Ess=0.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(duì)被控對(duì)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)4. 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，如何選擇檢測(cè)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(gè)環(huán)節(jié)的工作形式對(duì)控制過程6. 對(duì)控制進(jìn)行 PID 控制說明其參數(shù)整定理論7. 對(duì)鍋爐汽包水

2、位進(jìn)行 simulink 仿真，對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，其仿真圖要滿足動(dòng)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)蒸八、汽工藝及其工作流程31.1鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的意義-31.2了解鍋爐生產(chǎn)蒸八、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(cè)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2.7調(diào)節(jié)器作用方向的選擇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4.1simuli

3、nk仿真/、-114.2系統(tǒng)參數(shù)整定-13第五章心得體會(huì)- 15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(dòng)控制的意義鍋爐汽包水位自動(dòng)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(huì)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(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)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，

4、 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(huì)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(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)可分成多個(gè)階段：（1）水注入鍋爐的 過程：這個(gè)過 程中，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)

5、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(gè)非常重 要的監(jiān)控參數(shù)。汽包水位過高，會(huì)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(huì)損壞汽輪機(jī)葉片。 如果水位過低，會(huì)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(huì)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，在鍋 爐運(yùn)行中必須將汽包水位嚴(yán)格控制在工藝允許的范圍。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(hào)，沖量即變量。水位測(cè)量

6、信號(hào)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(cè)量值H與H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(jiǎn)單，參數(shù)整定和使用維護(hù)方便。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水量減 少。

7、等到假水位消失后，汽包水位會(huì)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(duì)于負(fù)荷變動(dòng)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(duì)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)。圖2.2液位控制系統(tǒng)方案圖2.3檢測(cè)變送器的選擇過程控制系統(tǒng)中用于參數(shù)檢測(cè)的變送器是系統(tǒng)中獲取信息的裝置，其完成對(duì)被控參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測(cè)，并將信號(hào)傳送至控制器。測(cè)量信號(hào)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(cè)量是實(shí)現(xiàn)高性能的重要條 件。足以說

8、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(cè)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(cè)參數(shù)的性質(zhì)、測(cè)量精度、響應(yīng)速度要求以及對(duì)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、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(duì)于理想流量特性的畸變關(guān)系，求出對(duì)應(yīng)的理想流

9、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(hào)的增加而 開度加大，當(dāng)無壓力信號(hào)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(hào)壓力的增大，閥門逐漸關(guān)小，當(dāng)無信號(hào)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）保證產(chǎn)品質(zhì)量 原則（3）減少原料和動(dòng)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(cè)儀表的精度反映測(cè)量值接近真實(shí)值的準(zhǔn)確程度，一般用絕對(duì)誤差、基本 誤差和精確度來衡量。1、絕對(duì)誤差在測(cè)量過程中，由于所使用的檢測(cè)儀表存在誤差及周圍環(huán)境存

10、在干擾， 測(cè)量 結(jié)果必然存在誤差。這種檢測(cè)儀表的指示值 X與被測(cè)量真值Xt之間存在的差值 成為絕對(duì)誤差丄，可表示為二 X - Xt（ 1）儀器在標(biāo)尺范圍內(nèi)各點(diǎn)讀數(shù)的絕對(duì)誤差中最大的絕對(duì)誤差稱為最大絕對(duì)誤 差 max 2、基本誤差基本誤差又稱引用誤差或相對(duì)百分誤差，是一種簡(jiǎn)化的相對(duì)誤差。相對(duì)誤差等于某一點(diǎn)的絕對(duì)誤差 厶與標(biāo)準(zhǔn)表在這一點(diǎn)的指示值 X。之比。儀器的基本誤差定義為基本誤差.最大絕對(duì)誤差O =儀表量程二 max100%(2)儀表量程 二測(cè)量上限-測(cè)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(cè)量時(shí)，允許出現(xiàn)的最大誤差限。3、精確度（簡(jiǎn)稱精度）為了便于量值傳遞，國(guó)家統(tǒng)一規(guī)定了儀表

11、的精確度（精度）等級(jí)系列。目前，我國(guó)生產(chǎn)的儀表常用的精度等級(jí)有 0.005、0.02、0.5、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、 1.5、2.5、4.0 等。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：?jiǎn)挝槐粶y(cè)參數(shù)變化所引 起的儀表指針位移的距離（或轉(zhuǎn)角），用公式表示為e也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）；咲為引起上丫 的被測(cè)參數(shù)變化量變差變差是儀表在外界條件不變的情況下，被測(cè)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(duì)差值與量程之比。計(jì)算公式為：變差二最大絕對(duì)差值100%(5)2.6調(diào)節(jié)

12、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(gè)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(duì)過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關(guān)重要的影響，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(cè)量值與設(shè)定值之差，被控參數(shù)的測(cè)量值與設(shè)定值變化，對(duì)輸出的作用方向是相反的。過程控制中，對(duì)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(cè)量值的增加，調(diào)節(jié)器的輸出也 增加，貝U稱為“正作用”方式；同樣，當(dāng)測(cè)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。加熱器蒸汽流量正作用“正作用”a正作用“ ”L給水量

13、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)。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(gè)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(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)單的調(diào)節(jié)規(guī)律，它對(duì)控制作用和擾動(dòng)作用的響應(yīng)都很迅速。比例

14、調(diào)節(jié)只有一個(gè)參數(shù)，整定簡(jiǎn)便。比例調(diào)節(jié)的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)存在靜差。對(duì)象 調(diào)節(jié)通道 o.To小、負(fù)荷變化與外部擾動(dòng)小、工藝要求不高、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(dòng)態(tài)偏差較大、 調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)， 只能用于有自衡特性的簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)。 對(duì)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(dòng)態(tài)偏差和靜差。 在有高頻干擾的場(chǎng)合， 由于系

15、統(tǒng)對(duì)高頻干擾特別敏感， 不能太 大，否則會(huì)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(chǎng)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(duì)于負(fù)荷變化大、容量滯后大、控制品 質(zhì)要求高的控制對(duì)象（如溫度控制、控制等）均能適應(yīng)。但對(duì)于對(duì)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(jí)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)的工程整定方法被控對(duì)象、測(cè)量變送器和執(zhí)行器這三部分的只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)

16、整控在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后, 特性就完全確定了，不能任意改變 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TiTd=O，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 。yfc.T圖3.2 液位系制統(tǒng)圖臨界振蕩根據(jù)P和T，

17、按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值m m第四章仿真4.1simuli nk 仿真 穩(wěn)定邊界法:圖4.1比例控制圖Q Scope-X434b0123456789 IDime offset 0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:Seep*尋首掘IS謁 0P=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P=1.7Pm,且 Kp=1/P

18、=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(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行整定（1） 置調(diào)節(jié)器TH :, 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。（3）根據(jù)Pm和Tm，按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出控制器的參數(shù)整定值。被控對(duì)象、測(cè)量變送器和執(zhí)行器這三部分的只能通過控制器參數(shù)的工程整定，來調(diào)整控在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)或安裝完畢后, 特性就完全確定了，不能任意改變 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