鍋爐汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、個(gè)人資料整理僅限學(xué)習(xí)使用目錄摘要221鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)介 331.1 鍋爐工作過程簡(jiǎn)介 331.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義442方案論證552.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能552.2 系統(tǒng)方案論證552.2.1 審級(jí)控制方案552.2.2 審級(jí)控制方案論證 662.3 氣包水位用級(jí)雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖 772.4 鍋爐汽包水位的 PID控制方案882.4.1 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 882.4.2 申級(jí)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 993硬件設(shè)計(jì)11113.1調(diào)節(jié)閥的選擇11113.2控制儀表的選擇11113.3控制器設(shè)計(jì)13133.3.1 控制器控制規(guī)律選擇 13133.3.2 控制器正反作用選擇 13133.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn)14143.

2、4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 14143.5傳感器選擇15153.6變送器選擇15154軟件設(shè)計(jì)16164.1 程序流程圖16164.2 PID控制系統(tǒng)算法 16165系統(tǒng)分析及參數(shù)整定 18185.1 給水控制系統(tǒng)分析及整定 18185.1.1 副回路的分析和整定 18185.1.2 主回路的分析和整定 18185.2 鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu)及仿真 18186課程設(shè)計(jì)總結(jié)2020參考文獻(xiàn)2121摘要鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、 穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo),保證水位控制在給定范圍內(nèi),對(duì)于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備 損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有重要意義。模糊控制是

3、建立在人工經(jīng) 驗(yàn)基礎(chǔ)之上的,它能將熟練操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述,并用語言表達(dá)出來, 得到定性的、不精確的控制規(guī)則,不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制易于被人 們接受,構(gòu)造容易,魯棒性和適應(yīng)性好。本文分析了汽包水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性,介 紹傳統(tǒng)的控制方式。由于鍋爐水位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸入端常加有兩個(gè)輸入量,極 易引起水位控制偏差,本文提出了如何消除水位偏差的方法,即輔助信號(hào)自消方法。 根據(jù)雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位誤差,設(shè)計(jì)采用了雙沖量PID用級(jí)控制方式采用輔 助信號(hào)蒸汽流量和給水流量對(duì)消方法消除水位偏差。根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀,提出了參 數(shù)自整定模糊控制規(guī)則,設(shè)計(jì)了二輸入三輸出自適應(yīng)模糊PID控制

4、器對(duì)汽包水位進(jìn)行控制,克服了傳統(tǒng)控制方式的控制效果不精確和參數(shù)難以調(diào)整等缺點(diǎn)。利用 MATLAB對(duì)傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和雙沖量自適應(yīng)模糊 PID控制系統(tǒng)仿真,結(jié)果表明后者 的自適應(yīng)能力更強(qiáng),抗干擾能力和魯棒性更好,保證水位的穩(wěn)定。關(guān)鍵詞:汽包水位;雙沖量;用級(jí)系統(tǒng);PID控制;模糊控制1鍋爐系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1 鍋爐工作過程簡(jiǎn)介鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 .其作用就是有效地把燃料中的化 學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式,長(zhǎng)期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備,鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化, 輸送一定質(zhì)量(汽

5、壓、汽溫 和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎魞?chǔ)、 化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源,而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的 動(dòng)力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?!板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng),如圖 1.1所 示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管 1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器,在省煤器中,水吸收煙 氣的熱量,使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn),成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱,又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱,隨即又回 入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱,在溫度不變的情況下,一部 分蒸發(fā)成

6、蒸汽,成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽,水和給水一 起再進(jìn)入下降管參加循環(huán),汽則由汽包頂部的管子引往過熱器,蒸汽在過熱器中吸“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng),由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋 爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入,通過空氣預(yù)熱器,在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣 熱量,成為熱空氣后,與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒,生成的熱量傳遞給蒸汽 發(fā)生系統(tǒng),產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器,形成一定的過熱蒸汽,匯集到蒸汽母 管。具有一定壓力的過熱蒸汽,經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí), 燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣,其中含有大量余熱,除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外,還 預(yù)熱鍋爐給水和空氣,最

7、后經(jīng)煙囪排入大氣。經(jīng)上介紹,鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng) 等。1.2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的意義鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi),使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐 的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位受到負(fù)荷變化的影響,因此當(dāng)鍋爐用汽量變化時(shí),通過 給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。水位過高或過 低,都是不允許的。水位過高會(huì)影響汽水分離器的正常工作,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶 水增加,使過熱器管壁結(jié)垢,造成工業(yè)事故,同時(shí)鍋爐出口蒸汽帶水過多還會(huì)使過 熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低,則會(huì)破壞正常水循環(huán),危及水冷壁受熱面的 安全。使鍋筒水位維持在設(shè)計(jì)值 80±

8、0.3 cm范圍內(nèi)。通過以上分析,鍋爐水位的控制是十分必要的,隨著自動(dòng)化水平的不斷提高,設(shè)計(jì)一款簡(jiǎn)單、方便的過程控制系統(tǒng)來對(duì)水位進(jìn)行自動(dòng)控制及處理也顯得十分必要1的控制,而調(diào)節(jié)器由副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào)2方案論證2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能通過使用該系統(tǒng),可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化,并 保護(hù)過熱器營(yíng)壁溫度不超過允許的工作溫度。2.2 系統(tǒng)方案論證2.2.1 串級(jí)控制方案過熱器出口蒸汽溫度用級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖如下圖所示。采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器,這 兩級(jí)調(diào)節(jié)器用在一起,各有其特殊任務(wù),調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器1的給定值受到調(diào)節(jié)器2的控制,形成了特有的雙

9、閉環(huán)系統(tǒng),出口蒸汽溫度,形成調(diào)節(jié)器2稱主調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器1稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器 的輸出信號(hào),不是用來控制調(diào)節(jié)閥而是用來改變調(diào)節(jié)器 2的給定值,起著最后校正 作用。審級(jí)系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng),實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器申接起來,通過它們的協(xié) 調(diào)工作,使一個(gè)被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常審級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小,工 作頻率高,而主環(huán)慣性大,工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能,希望主副環(huán)的 工作頻率相差三倍以上,以免頻率相近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象面破壞正常工作。用級(jí)控制 系統(tǒng)可以看作一個(gè)閉合的副回路代替了原來的一部分對(duì)象,起了改善對(duì)象特征的作 用。除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外,還提高了系統(tǒng)的工作頻率

10、,加快過渡過程。審級(jí)控制由于副環(huán)的存在,改善了對(duì)象的特性,使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小, 系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí),由于用級(jí)系統(tǒng)具有主、副兩只控制器,使控制器的總 放大倍數(shù)增大,系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng),因此,一般來說審級(jí)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量 要比單回路控制系統(tǒng)高。在爐溫過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中,為了獲得更好的控制精度,所以采用審級(jí)控 制系統(tǒng)以得到良好的控制特性。2.2.2 串級(jí)控制方案論證審級(jí)控制是隨著工業(yè)的發(fā)展,新工藝不斷出現(xiàn),生產(chǎn)過程日趨強(qiáng)化,對(duì)產(chǎn)品質(zhì) 量要求越來越高,簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)已不能滿足工藝要求的情況下產(chǎn)生的。圖2.2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖由上圖可知,主控制器的輸出即副控制器的給定,而副控制器的輸

11、出直接送往 控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的,是一個(gè)定制,因此,主環(huán)是一個(gè)定值 控制系統(tǒng);而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的,它隨主控制器輸出變 化而變化,因此,副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。審級(jí)控制系統(tǒng)中,兩個(gè)控制器串聯(lián)工作,以主控制器為主導(dǎo),保證主變量穩(wěn)定 為目的,兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致,互相配合。若干擾來自副環(huán),副控制器首先進(jìn)行粗調(diào)”,主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行 細(xì)調(diào)”。因此控制質(zhì)量?jī)?yōu)于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)。審級(jí)控制有以下優(yōu)點(diǎn)1、由于副回路的存在,減小了對(duì)象的時(shí)間常數(shù),縮短了控制通道,使控制作用 更加及時(shí);2、提高了系統(tǒng)的工作頻率,使振蕩周期減小,調(diào)節(jié)時(shí)間縮短,系統(tǒng)的快速性增 強(qiáng)了;3、對(duì)二次干擾

12、具有很強(qiáng)的克服能力,對(duì)客服一次干擾的能力也有一定的提高;4、對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。一般來說,一個(gè)設(shè)計(jì)合理的審級(jí)控制系統(tǒng),當(dāng)干擾從副回路進(jìn)入時(shí),其最大偏 差將會(huì)較小到控制系統(tǒng)的1/10 1/100,即便是干擾從主回路進(jìn)入,最大偏差也會(huì)縮 小到單回路控制系統(tǒng)的 1/31/5。但是,如果審級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)得不合理,其優(yōu)越 性就不能夠充分體現(xiàn)。因此,用級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性十分重要。2.3 氣包水位串級(jí)雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖圖2.3中所示的雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng),汽包水位是被控變量,是主沖量信號(hào),蒸汽流量和 給水流量是輔助沖量信號(hào)。系統(tǒng)將蒸汽流量和給水流量前饋到汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)中 去,一旦蒸汽流量

13、或給水流量發(fā)生波動(dòng),不是等到影響到水位才進(jìn)行調(diào)節(jié),而是在這兩 個(gè)流量改變之時(shí)就能通過加法器立即去改變調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行校正,故大大提高了水位這個(gè)被調(diào)參數(shù)的調(diào)節(jié)精度。圖2.3中所示的審級(jí)控制系統(tǒng)有一個(gè)明顯的特點(diǎn):在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)環(huán) 在里面,稱之為副環(huán)或副回路,在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用。一個(gè)環(huán)在外面, 稱之為主環(huán)或主回路,用來完成“細(xì)調(diào)”任務(wù),以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求。 在審級(jí)控制系統(tǒng)中,主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同,主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位 偏差。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是用以消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量的自發(fā)性擾 動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量,以保證給水流量和蒸汽流量平衡

14、。主 調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值,它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值,而副調(diào)節(jié)器的輸 出信號(hào)則送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。這樣,當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),水位穩(wěn)定值是靠主 調(diào)節(jié)器來維持的,并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度按所謂“靜態(tài) 配比”來進(jìn)行整定.恰恰相反,在這里可以根據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來 適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度,從而改變負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品質(zhì)。變送器圖2.3串級(jí)控制系統(tǒng)2.4 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(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)對(duì)鍋爐的假水位 現(xiàn)象回發(fā)出相反的補(bǔ)償動(dòng)作,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊唤档阶阋园l(fā)生危險(xiǎn)事故的程 度,如果根據(jù)蒸汽流量來給

15、出校正動(dòng)作,就可以糾正虛假水位引起的誤動(dòng)作,從而 減少水位的波動(dòng),改善控制的精確度。2.4.1 前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)比較前饋系統(tǒng),反饋系統(tǒng)的最大缺點(diǎn)是在干擾作用下,必須形成偏差,才能進(jìn) 行調(diào)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(shí),就開 始調(diào)節(jié),使被控變量保持不變。而前饋系統(tǒng)是按干擾進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng),在 干擾發(fā)生后,被控變量未發(fā)生變化時(shí),前饋控制器根據(jù)干擾幅值,變化趨勢(shì),對(duì)操 縱變量進(jìn)行調(diào)節(jié),來補(bǔ)償干擾對(duì)被控變量的影響,使被控變量保持不變的方法。圖2.4前饋系統(tǒng)方框圖其中Gpd表示干擾通道對(duì)象特性,Gpc表示控制通道對(duì)象特性,Gff表示前饋控制器傳函。根據(jù)不變性原理,即被

16、控變量與干擾量絕對(duì)無關(guān),或被控變量對(duì)干擾完全獨(dú)立,則 Ts.Fs =0,即Ts=0TsFs_Gpd Gff Gpc _n一=0(2-1>所以 G ff (s)=- GPD s yGpc (s)即Gff(s)=-干擾通道對(duì)象特性/控制通道對(duì)象特性上式的負(fù)號(hào)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(duì)象特性和干擾通道對(duì)象特性決定。2.4.2 串級(jí)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)為克服調(diào)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(gè)流量付環(huán),其目的在于通過設(shè)置副變量來提高對(duì)主變量的控制質(zhì) 量,由于副回路的存在,對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有超前控制的作用,因而減少了干擾

17、對(duì)主變量的影響,同時(shí)系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷改變時(shí)有一定的自適應(yīng)能力。,哈盧圖2.6串級(jí)前饋控制系統(tǒng)方框圖用級(jí)前饋模型傳遞函數(shù):F s Gff s Gpci s Gc2 ss =G(2-2>Gpc2 s1 Hm2 s Gc2 s G. s GpC2 s綜上兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比較,我們可以看出,采用審級(jí)前饋調(diào)節(jié)具有更大的優(yōu)勢(shì), 故在在此設(shè)計(jì)方案中,采用審級(jí)前饋的控制方式來對(duì)其進(jìn)行控制。3硬件設(shè)計(jì)3.1 調(diào)節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),是按照控制器所給定的信號(hào)大小和方 向,改變閥的開度,以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑的大小,直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較 好的流通能力

18、,需要使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線的總壓降中占有較大的比例。 調(diào)節(jié)閥的開、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素:1、生產(chǎn)安全角度:當(dāng)氣源供氣中斷,或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下,應(yīng)該 確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全,不至發(fā)生事故;2、保證產(chǎn)品質(zhì)量:當(dāng)發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而恢復(fù)到初始位置時(shí),產(chǎn)品的質(zhì) 量不應(yīng)降低;3、盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗;4、從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。綜合以上各種因素,在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。調(diào)節(jié)閥的流量特性的選擇,在實(shí)際生產(chǎn)中常用的調(diào)節(jié)閥有線性特性、對(duì)數(shù)特性 和快開特性三種,在本系統(tǒng)中調(diào)節(jié)閥的流量特性選擇線性特性。閥門定位器的選用,閥門定位器是調(diào)節(jié)閥的一種輔助裝置,與

19、調(diào)節(jié)閥配套使用, 它接受控制器來的信號(hào)作為輸入信號(hào),并以其輸出信號(hào)去控制調(diào)節(jié)閥,同時(shí)將調(diào)節(jié) 閥的閥桿位移反饋到閥門定位器的輸入端而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)隨動(dòng)系統(tǒng),閥門定位器可 以消除閥膜頭和彈簧的不穩(wěn)定以及各運(yùn)動(dòng)部件的干摩擦,從而提高調(diào)節(jié)閥的精度和 可靠性,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位;閥門定位器增大了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出功率,減少了系統(tǒng)的傳 遞滯后,加快閥桿的移動(dòng)速度;閥門定位器還可以改變調(diào)節(jié)閥的流量特性。3.2 控制儀表的選擇控制儀表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng),電動(dòng) I型、II型、III型,單元組合儀 表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng) II型、III型。在審級(jí)控制系統(tǒng)中,選 用的儀表不同,具體的實(shí)施方案也不同。

20、電動(dòng)III型和電動(dòng)II型儀表就其功能來說基本相同,但是其控制信號(hào)不相同,控制 II 型典型信號(hào)為010mADC ,而電動(dòng)III型儀表的典型信號(hào)為420mADC ,此外。III 型儀表較II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷,同時(shí) III型儀表還具有完善的跟蹤、 保持電路,使得手動(dòng)切換非常方便,隨時(shí)都可以進(jìn)行切換,且保證無擾動(dòng)。所以在 本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)III型儀表。由電動(dòng)III型儀表構(gòu)成的審級(jí)控制系統(tǒng)的基本方案有如下兩種:圖3.1用電動(dòng)III型儀表組成的串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖該方案中采用了兩臺(tái)控制器,主、副變量通過一臺(tái)雙筆記錄儀進(jìn)行記錄。由于 副控制器輸出的是,而控制閥只能接受 0.020.1Mpa氣壓

21、信號(hào),所以在副控制器與 控制閥之間設(shè)置了 一個(gè)電氣轉(zhuǎn)換器。圖3.2用電動(dòng)III型儀表組成的主控-串級(jí)控制系統(tǒng)方塊圖該方案較于上一方案多設(shè)置了一個(gè)主控-用級(jí)控制切換開關(guān),可以根據(jù)不同情況 使控制系統(tǒng)工作于主控方式和審級(jí)控制方式下。在本設(shè)計(jì)中采用第二種方式將可以控制系統(tǒng)更好的工作,得到更穩(wěn)定的控制輸出。3.3 控制器設(shè)計(jì)由上文論述可知,系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)選擇審級(jí)控制。3.3.1 控制器控制規(guī)律選擇在審級(jí)控制中,主變量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)的安全,所以主變量一般 要求不得有余差,而對(duì)副變量的要求一般都不很嚴(yán)格,允許有一定的波動(dòng)和余差。 從審級(jí)控制的結(jié)構(gòu)上看,主環(huán)是一個(gè)定制系統(tǒng),主控制器起著定值控制作

22、用,為使 其穩(wěn)定,主控制器通常選用比例積分控制器,對(duì)于本系統(tǒng)由于控制通道容量之后較 大,為克服容量滯后,選用比例積分微分控制器作為主控制器。副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化,為了加快跟 蹤,副控制器一般不帶積分作用。若副控制器有微分作用,一旦主控制器航五輸出 稍有變化,控制閥就將大幅度變化,這對(duì)控制系統(tǒng)很不利,故副控制器只選用比例 控制器。3.3.2 控制器正反作用選擇對(duì)于審級(jí)控制系統(tǒng),主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定,而與主環(huán)無關(guān)。為了使副 環(huán)回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng),副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號(hào)必須為負(fù)”,即副環(huán)

23、內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為 負(fù)”。在本設(shè)計(jì)中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加,減溫 水量增加,副對(duì)象即減溫器后端蒸汽溫度會(huì)降低,所以調(diào)節(jié)閥對(duì)副對(duì)象的作用為負(fù)”;而調(diào)節(jié)閥為氣開閥,即其控制作用為正”,所以負(fù)調(diào)節(jié)器的控制作用應(yīng)為負(fù)作用。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況來確定,同時(shí)可將 副回路視為一放大倍數(shù)為 正”的環(huán)節(jié)來看待,因?yàn)楦被芈肥且噪S動(dòng)系統(tǒng)。這樣只要 根據(jù)主對(duì)象與主變送器放大倍數(shù)的符號(hào)及整個(gè)主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號(hào)為負(fù)”的要求,就可以確定主控制器的正、反作用。在本系統(tǒng)中,主對(duì)象的放大倍數(shù)為的符號(hào) 為正”,所以主控制器應(yīng)選 負(fù)”作用。3.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn)主控制器采用PI

24、D調(diào)節(jié)器,副控制器采用 P調(diào)節(jié)器,可以使用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn) P、I、D的調(diào)節(jié)作用,也可以直接使用模擬電路搭建 PID調(diào)節(jié)模塊,在實(shí)際生產(chǎn)中, 大多采用制作成型的PID模塊以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。3.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖3.3系統(tǒng)電路圖INIUP3,()P3.1心ktIS E3 B 0本系統(tǒng)以80C51單片機(jī)為核心,它有4KEPROM,所以不需外擴(kuò)EPROM,這樣可利 用P1 口作為按鍵輸入口,輸入口接有中斷式獨(dú)立式按鍵電路,向單片機(jī)輸入命令、功 能切換,可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)。另對(duì)串行輸入口 P3.0擴(kuò)展接口,使用移位寄存器作為鎖存或輸入信號(hào)的接口 ,可以方便地?cái)U(kuò)展并行輸入口 ,這種方法不占用片外

25、地 址,簡(jiǎn)單易行,便于操作適合于速度較慢、適時(shí)性要求不高的場(chǎng)合 ,它是利用一片 74LS165與80C51的3根端口線相連,可擴(kuò)展8根并行輸入口線,在電位器式傳感器采 集信號(hào),A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換信號(hào)后,將信號(hào)輸入到此接口,如圖4-3所示。由于輸出接口 比較多,可擴(kuò)展一片8255可編程接口芯片,利用指令設(shè)置各口的工作方式,8255內(nèi)部 有3個(gè)并行的8位I/O接口,分別為A 口、B 口、C 口,8255是8位芯片,有8位數(shù)據(jù) 線,數(shù)據(jù)線接于80C51的P0接口,可以用于實(shí)現(xiàn)8255與80C51之間的數(shù)據(jù)傳輸。需 要注意一點(diǎn),使用8255芯片時(shí),首先要對(duì)它初始化,也就是對(duì)8255的3個(gè)端口的工作 方式

26、預(yù)先設(shè)置。擴(kuò)展口接有4位74LS164驅(qū)動(dòng)顯示器,并有1個(gè)報(bào)警器(用于極低水 位、極高水位報(bào)警 > ,和3個(gè)發(fā)光二極管指示燈(用于電源顯示、水泵上水顯示、水 位顯示 >。并行輸出口接有雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器電路,來控制電機(jī)啟停。3.5 傳感器選擇由于鍋爐內(nèi)的溫度較高,所以,對(duì)于傳感器的選擇必須適合于高溫環(huán)境,本設(shè) 計(jì)采用溶解氧傳感器,該傳感器不但適合高溫環(huán)境,且操作維護(hù)十分簡(jiǎn)便,價(jià)格經(jīng) 濟(jì)。3.6 變送器選擇本設(shè)計(jì)需要采用變送器來記錄蒸汽流量和給水量,符合性能的有,XGS868WRN-230。對(duì)于本設(shè)計(jì)來說,他們均符合要求,且性能差別不是很大,因此從經(jīng)濟(jì) 的角度考慮,WRN-230更為合

27、適,該型號(hào)不但符合設(shè)計(jì)要求,且價(jià)格合理,易于維 護(hù)。4軟件設(shè)計(jì)4.1 程序流程圖該系統(tǒng)的工作過程是由于水不斷蒸發(fā)使水位下降,8051單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),使給水閥門開打,注水量增加,水位恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi);當(dāng)水位高 于規(guī)定值時(shí),8051單片機(jī)再次發(fā)出控制信號(hào),使給水閥門變小,注水量降低,水位 又恢復(fù)到規(guī)定范圍。如此循環(huán)工作,使汽包水位得以準(zhǔn)確控制,保證鍋爐的安全、 可靠運(yùn)行。程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1程序流程圖4.2 PID控制系統(tǒng)算法PID控制的本質(zhì)是一個(gè)二階線性控制器,通過調(diào)整比例、積分和微分三項(xiàng)參數(shù), 使得大多數(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能。對(duì)于水位系統(tǒng)的建模,可

28、近 似地認(rèn)為“純滯后+一階慣性”環(huán)節(jié),進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)象,往往采用 PID控制算法,PID調(diào)節(jié)器如圖4.2所示。圖4.2 PID調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器輸入輸出之間的比例-微分-積分關(guān)系如下:u(t>=Kpe(t>+1/Ti / e(t>dt+Td*de(t>/dt其中Kp為比例系數(shù),Ti為積分時(shí)間常數(shù),Td為微分時(shí)間常數(shù)。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(shù)字 PID調(diào)節(jié) 器,表達(dá)式如下:u(kT>=Kpe(kT>+T/TE e(jT>+Td/Te(Kd>- e(Kt T>在反饋控制部分,如果過早地引入積分作用容

29、易產(chǎn)生飽和,產(chǎn)生過大的超調(diào)量,預(yù)期的調(diào)節(jié)規(guī)律將遭到破壞。為了克服這一缺點(diǎn),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(diào)量,使控制性能有較大的改善。積分分離法思想:e(kT)-e(k-1)T)- T kTu(kT)=Kpe(kT) 二 Le(jT)? Ti j =01當(dāng)e(kT) M巴PD控制,保證快速性K,=0當(dāng)e(kT) >名,PID控制,保證消除靜差1一般PID調(diào)節(jié)曲線 2 積分分離PID調(diào)節(jié)曲線QL從此點(diǎn)開始引入積分作用圖4.3 PID調(diào)節(jié)曲線5系統(tǒng)分析及參數(shù)整定5.1 給水控制系統(tǒng)分析及整定根據(jù)審級(jí)雙沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理,對(duì)主回路和副回路進(jìn)行分析整

30、定。5.1.1 副回路的分析和整定根據(jù)審級(jí)控制系統(tǒng)的分析整定方法,應(yīng)將副回路處理為具有近似比例特性的快速 隨動(dòng)系統(tǒng),以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。用試探的方法 選擇副調(diào)節(jié)器的比例帶,以保證內(nèi)回路不振蕩為原則。在試探時(shí),給水流量反饋裝置的 傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值,以得到滿意的比例帶值。如果傳遞函數(shù)以后需要改變,則 應(yīng)相應(yīng)地改變比例帶值,使傳遞函數(shù)與比例帶的比值保持為試探時(shí)的值,以保證內(nèi)回路 的穩(wěn)定性。因?yàn)檎{(diào)節(jié)通道放大系數(shù)較大,副調(diào)節(jié)回路可等效為反饋回路的倒數(shù)。5.1.2 主回路的分析和整定在主回路中,如果把副回路近似看作為比例環(huán)節(jié),則主回路等效為一個(gè)單回路控 制系統(tǒng)。如果以給水流量 W作為被控對(duì)象的輸入信號(hào),水位變送單元的輸出為輸出 信號(hào),可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器。主回路仍按單回路系統(tǒng)的 整定方法整定,如通過實(shí)驗(yàn)方法求取主回路被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線,并由曲線求得參數(shù),再按響應(yīng)曲線法中給定的公式計(jì)算等效調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。5.2 鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu)及仿真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(jié)構(gòu)圖如圖5.1所示。圖5.1鍋爐水位P-PID串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖其中前述G1(S姝DG2(S)分別為控制回路的擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù),兀

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