鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)設計

1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學 過程控制系統(tǒng) 課程設計（論文） 題目：鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)設計院（系）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 自動化093 學 號： 090302083 學生姓名： 劉韋東 指導教師： （簽字）起止時間：2012.6.252012.7.6 課程設計（論文）任務及評語院（系）：電氣工程學院 教研室：自動化 學 號090302083學生姓名劉韋東專業(yè)班級自動化093課程設計（論文）題目鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)設計課程設計（論文）任務課題完成的設計任務及功能、要求、技術參數(shù)實現(xiàn)功能在工業(yè)生產(chǎn)中要對鍋爐內(nèi)膽水溫進行定值控制，為了能夠精確控制鍋爐內(nèi)膽水溫，保證正常生產(chǎn)，要求設計鍋爐內(nèi)膽水溫定

2、值控制系統(tǒng)，抑制流量波動，且系統(tǒng)無余差。本設計要求設計鍋爐內(nèi)膽水溫控制系統(tǒng)設計，采用適合的控制算法，輸入設定溫度值，并實時顯示當前溫度。設計任務及要求1、確定控制方案并繪制P&ID圖、系統(tǒng)框圖；2、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)；3、確定控制器的控制規(guī)律以及控制器正反作用方式；4、若設計由計算機實現(xiàn)的數(shù)字控制系統(tǒng)，應給出系統(tǒng)硬件電氣連接圖及程序流程圖；5、在實驗室進行計算機軟件仿真，并給出仿真結果；6、按規(guī)定的書寫格式，撰寫、打印設計說明書一份；設計說明書應在4000字以上。技術參數(shù)測量范圍：-40100；控制溫度：70±0.5； 最大偏差：2。進度計

3、劃1、布置任務，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的控制要求。（2天，分散完成）2、確定系統(tǒng)的控制方案，繪制P&ID圖、系統(tǒng)框圖。（1天，實驗室完成）3、選擇傳感器、變送器、控制器、執(zhí)行器，給出具體型號和參數(shù)。（2天，分散完成）4、確定控制器的控制規(guī)律、控制器正反作用方式以及保證系統(tǒng)無余差。（實驗室1天）5、仿真分析或實驗測試、答辯。（3天，實驗室完成）6、撰寫、打印設計說明書（1天，分散完成）指導教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算本科生課程設計（論文）摘要本文以鍋爐內(nèi)膽水溫作為被控變量，著重

4、討論關于鍋爐內(nèi)膽水溫的控制方案，使得系統(tǒng)在安全穩(wěn)定運行的前提下能夠更高效率的工作。系統(tǒng)在工作過程中，由于受到的擾動不同，所需采取的控制方案也不同，需根據(jù)擾動的的大小程度和類型來選擇控制方案。鍋爐水溫具有非線性、時變性、大滯后和不對稱性等特點,常規(guī)的方法難以達到理想的控制效果。因此，針對鍋爐內(nèi)膽水溫的控制，常用的控制方案有串級控制系統(tǒng)，前饋-反饋控制系統(tǒng)等。前者有迅速克服進入副回路擾動的能力，而后者能夠克服原料流量的波動，各有其特色。通過選擇對比，來達到一定的設計精度和要求。關鍵詞：鍋爐；水溫；控制；精度本科生課程設計（論文）目錄第1章 緒論.1第2章 設計方案.32.1 概述.32.2 設計方

5、案.3 2.3 分析.6第3章 系統(tǒng)設計.73.1 控制器.73.2 變送器.83.3 控制閥.9第4章 系統(tǒng)仿真.104.1 系統(tǒng)的參數(shù)整定. 10 4.2 整定方法.10第5章 總結.14參考文獻.15本科生課程設計（論文）第1章 緒論鍋爐是將燃料中的可燃元素碳、 氫等成分在高溫條件下與氧結合發(fā)生化學反應， 放出熱量，進而又將此熱量傳遞給水，使水升溫變成熱水或蒸汽，供用戶使用的一種設備，因此， 我們可以把鍋爐稱之為將燃料的化學能轉化為熱能的一種設備。鍋爐的發(fā)展可追溯到18世紀上半葉，蒸汽機的發(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，所用的蒸汽壓力等于大氣壓

6、力。19世紀，常用的蒸汽壓力提高到0.8兆帕左右。與此相適應，最早的蒸汽鍋爐是一個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)技術之后出現(xiàn)了火管鍋爐。一些火管裝在鍋殼中，構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)

7、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世紀初期，汽輪機開始發(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用，以及鍋筒內(nèi)部汽、水分離元件的改進，鍋筒數(shù)目逐漸減少，既節(jié)約了金屬，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，因為當時發(fā)電機組要求高溫高壓和大容量

8、。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。隨著自動控制和水處理技術的進步，它們漸趨成熟。在超臨界壓力時，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)電機組。后來又發(fā)展了由輔助循環(huán)鍋爐和直流鍋爐復合而成的復合循環(huán)鍋爐。 如今，鍋爐的發(fā)展無論是在安全方面還是工藝效率都達到了前所未有的高度。絕大多數(shù)鍋爐采用了單片機、PLC、智能儀表等進行控制。采用此類的控制方法使得系統(tǒng)運行穩(wěn)定、反應快、精度高、安全系數(shù)高，滿足工業(yè)的控制要求。鍋爐所產(chǎn)生的熱水或蒸汽可以供給用戶用以采暖、空調(diào)、通風、制冷，也可用以工業(yè)加熱、烘

9、干、蒸煮、消毒等。除此之外， 鍋爐所產(chǎn)生的蒸汽還可用于拖動、發(fā)1本科生課程設計（論文）電等。 鍋爐除了可將固體燃料、液體燃料、氣體燃料中的化學能轉變?yōu)闊崮芡猓部芍苯佑秒娔堋⒑四芑驈U熱能使水變成熱水或蒸汽以供用戶使用。 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。當其溫度過高時，產(chǎn)生的蒸汽壓力會過高，如果不對其進行控制，很可能發(fā)生工業(yè)事故。而溫度過低時，又不能滿足用戶或工業(yè)要求。根據(jù)目前國家有關標準、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)境與設備專業(yè)密切相關的鍋爐，是本專業(yè)重點研

10、究和使用的對象。 要順利完成化學能與熱能之間的轉換， 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)鍋爐處于低負荷運轉狀態(tài)，一方面是由于設計院和用戶在選用鍋爐時，考慮到今后的生長等因素，所選鍋爐的容量及臺數(shù)往往超過現(xiàn)實需求量很多，另一方面，鍋爐現(xiàn)實運轉中負荷常隨用汽、用熱負荷變革在較大范圍內(nèi)波動，形成很多鍋爐恒久在低負荷下運轉。我國供熱鍋爐一樣平常均勻負荷率在50%70%，鍋爐容量愈小，均勻負荷率愈低，反之則較高。盡管

11、供熱鍋爐在節(jié)能新技能、新產(chǎn)物應用方面獲得了一些成果，但由于缺乏須要的政策支持，總體推行力度不大。循環(huán)流化床鍋爐、新型水火管鍋爐、渣滓焚燒鍋爐、燃生物質(zhì)鍋爐、真空鍋爐等新產(chǎn)物都有不同程度的生長。螺紋煙管技能在鍋殼式鍋爐上險些得到片面采用，并在其他換熱設置裝備擺設中得到應用。燃煤分層安裝、鍋爐復合相變尾部換熱器、鍋爐計算機控制體系等產(chǎn)物在現(xiàn)有鍋爐改造中也有不同程度的應用，其中燃煤分層安裝應用相對廣一些。各地在供熱鍋爐改造中，還不同程度地采用了變頻調(diào)速技能對供熱鍋爐配套的水泵和鼓、引風機進行控制改造。2第2章 設計方案2.1 概述本實驗是以鍋爐的內(nèi)膽水溫為被控變量，合理的設計方案?？紤]到鍋爐的溫度是

12、整個鍋爐工業(yè)控制系統(tǒng)的重要量，所以很好的控制溫度意義重大?？刂棋仩t內(nèi)膽水溫有多種控制方案，對溫度的擾動量有進水流量蒸汽的出口流量蒸汽的壓力以及燃料的流量等。針對于進水的流量可測不可控擾動，可采用溫度流量的串級控制。此控制方案只能針對單一的流量擾動，對于其他的擾動沒有調(diào)節(jié)作用。對于燃料流量的控制可采用溫度流量的串級控制。對于蒸汽出口流量的調(diào)節(jié)，可采用前饋串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)是在工業(yè)中常用的系統(tǒng)，能夠迅速克服進入復回路的擾動，使得控制更加精確?？紤]到在工業(yè)控制過程中，進水流量燃料的流量及蒸汽的出口流量會對系統(tǒng)的影響較大，因此接下來著重對其進行設計。 2.2 設計方案閉環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器與被

13、控對象之間既有順向控制又有反向聯(lián)系的控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點-不管任何擾動引起被控變量偏離設定值，都會產(chǎn)生控制作用去克服被控變量與設定值的偏差.因此閉環(huán)控制系統(tǒng)有較高的控制精度和較好的適應能力,其應用范圍非常廣泛。 缺點-閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才產(chǎn)生，當系統(tǒng)的慣性滯后和純滯后較大時,控制作用對擾動的克服不及時,從而使其控制質(zhì)量大大降低。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中,根據(jù)設定值的不同形式,又可分為定值控制系統(tǒng),隨動控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)。主回路的設計: 串級控制系統(tǒng)的主回路是定值控制，其設計單回路控制系統(tǒng)的設計類似，設計過程可以按照簡單控制系統(tǒng)設計原則進行。這里主要解決串級控制系統(tǒng)中兩個回

14、路的協(xié)調(diào)工作問題。主要包括如何選取副被控參數(shù)、確定主、副回路的原則等問題。 副回路的設計: 由于副回路是隨動系統(tǒng)， 對包含在其中的二次擾動具有很強的抑制能力和自適應能力，二次擾動通過主、副回路的調(diào)節(jié)對主被控量的影響很小，因此在選擇副回路時應盡可能把被控過程中變化劇烈、頻繁、幅度大的主要擾動包括在副回路中，此外要盡可能包含較多的擾動。 歸納如下:3 (1) 在設計中要將主要擾動包括在副回路中。 (2) 將更多的擾動包括在副回路中。 (3) 副被控過程的滯后不能太大，以保持副回路的快速相應特性。 (4) 要將被控對象具有明顯非線性或時變特性的一部分歸于副對象中。 (5) 在需要以流量實現(xiàn)精確跟蹤時

15、，可選流量為副被控量。方案一: 此方案采取溫度流量的串級控制系統(tǒng)，其中主被控變量為鍋爐內(nèi)膽水溫,副被控變量為燃料的流量，操縱變量為燃料的流量，擾動量為蒸汽的出口流量、壓力等。此系統(tǒng)的儀表管道圖如圖2.1，系統(tǒng)結構框圖如圖2.2。 燃燒嘴爐膛燃料TTTCFTFC出口蒸汽圖2.1溫度流量的串級控制系統(tǒng)儀表管道圖 4Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)Gp2(s)Gp1(s)Gm1(s)Gm2(s)yr圖2.2溫度流量的串級控制系統(tǒng)結構框圖方案二：此方案采取前饋串級控制系統(tǒng)，其中主被控變量為鍋爐內(nèi)膽水溫,副被控變量為燃料的流量，操縱變量為燃料的流量，擾動量為蒸汽的出口流量、壓力等。此系統(tǒng)的儀表管道圖如

16、圖2.3，系統(tǒng)結構框圖如圖2.4。 燃燒嘴爐膛燃料TTTCFTFC出口蒸汽TYFTFY圖2.3前饋串級控制系統(tǒng)儀表管道圖5Gm1(s)Gp2(s)Gv(s)Gc2(s)Gc1(s)Gp1(s)yGFGMGFFrDGm2(s)圖2.4前饋串級控制系統(tǒng)結構框圖備注：TC：溫度控制器 TT：溫度變送器 FT：流量變送器 FC：流量控制器 FY：運算器 TY：加法器 Gc(s):控制器傳遞函數(shù) Gv(s)：執(zhí)行器傳遞函數(shù) Gp(s):控制對象傳遞函數(shù) Gm(s):檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù) GM：檢測變送環(huán)節(jié)傳遞函數(shù) GF：擾動傳遞函數(shù)2.3分析 結合以上兩種設計方案儀表管道圖和系統(tǒng)的結構框圖可知。方案一：

17、當擾動進入復回路后，首先，副被控變量檢測到擾動的影響，并通過復回路的定值控制作用，及時調(diào)節(jié)操縱變量，使副被控變量回復到副設定值，也使擾動對主被控變量的影響減少。即復回路對擾動進行粗調(diào)，主環(huán)回路對擾動進行細調(diào)。因此，此串級控制系統(tǒng)能夠迅速的克服進入副環(huán)的擾動，在擾動影響下，主控變量的最大動態(tài)偏差明顯減小，對燃料流量的波動有很好的調(diào)節(jié)作用。方案二：此系統(tǒng)在方案一的基礎上，又增加了以蒸汽流量作為前饋信號的前饋控制系統(tǒng)，前饋控制針對單一的蒸汽流量擾動，對其引起的動、靜態(tài)偏差有及時矯正的作用。除此之外，系統(tǒng)還具有串級控制系統(tǒng)的優(yōu)勢。雖然增加了控制和檢測變送器件，使得系統(tǒng)的成本相對于方案一增多，但在控制精

18、度和快速性以及穩(wěn)定性方面遠遠要比方案一好，綜合起來，最終應選則方案二。6第3章 系統(tǒng)設計3.1 控制器設計過程中，要盡量降低系統(tǒng)的成本，根據(jù)現(xiàn)有的資源，控制器可采用遼寧工業(yè)大學工業(yè)過程控制實驗室的“THSA-1型過控綜合自動化控制系統(tǒng)實驗平臺”中的AI智能儀表，如圖3.1所示。此儀表是上海萬訊儀表有限公司生產(chǎn)的AI系列全通用人工智能調(diào)節(jié)儀表，其中，SA-12智能調(diào)節(jié)儀控制掛件位AI-818型，SA-13智能位式調(diào)節(jié)儀為AI-708型。AI-818型儀表為PID控制型，輸出為420mA電流信號；而AI-708型儀表為位式控制型，輸出為繼電器觸點型開關量信號。AI儀表常用參數(shù)設置：CtrL:控制方

19、式。CtrL=0，采用位式控制；CtrL=1，采用AI人工智能調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)；CtrL=2，啟動自整定參數(shù)功能；CtrL=3，自整定結束。Sn：輸入規(guī)格。Sn=21，Pt100熱電阻輸入；Sn=32,0.21V電壓輸入；Sn=33,15V電壓輸入。DIL：輸入下限顯示值，一般DIL=0.DIH：輸入上限顯示值。輸入為液位信號是，DIH=50；輸入為熱電阻信號時，DIH=100；輸入為流量信號時，DIH=100.CF：系統(tǒng)功能選擇。CF=0為內(nèi)部給定，反作用調(diào)節(jié)；CF=1為內(nèi)部給定，正作用調(diào)節(jié)Addr：通訊地址。單回路實驗Addr=1；串級實驗主控為Addr=1，副控為Addr=2；P、I、D參

20、數(shù)可根據(jù)實驗要求調(diào)整 主副控制器的控制規(guī)律 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控 制作用，它的控制任務是使主參數(shù)等于給定值（無余差） ，故一般宜采用 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個隨動系統(tǒng)，它的輸出要求能快速、準確地復 現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號的變化規(guī)律，對副參數(shù)的動態(tài)性能和余差無特殊的要求，因 而副調(diào)節(jié)器可采用 P 或 PI 調(diào)節(jié)器7 圖3.1 AI智能儀表3.2 變送器進水流量變送器:用來檢測流入鍋爐的水的流量，可根據(jù)檢測到的流量輸出4至20毫安的電流信號。 圖3.2.1供應LDE-25 316L電極,內(nèi)襯PTFE,一體式智能電磁流量計圖片采用“供應LD

21、E-25 316L電極,內(nèi)襯PTFE,一體式智能電磁流量計”，首先最突出的一點是價格便宜，大約十幾元錢左右。其次，一體式電磁流量計結構簡單，無轉動部件，因而無摩擦，工作壽命長，計量精度高，性能可靠。并且無機械慣性、反應靈敏、可測量瞬時脈動流量，也可與單元組合儀表、計算機配套組成各種自動檢測、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和程控系統(tǒng)。輸出方式：420mA蒸汽流量變送器：用來檢測蒸汽的流量，可根據(jù)檢測的流量輸出4至20毫安的電流信號。8 圖3.2.2 LZB/ZS-15法蘭流量計 蒸汽流量計 管道流量計 內(nèi)牙流量計圖片采用“LZB/ZS-15法蘭流量計 蒸汽流量計 管道流量計 內(nèi)牙流量計”它無可動部件，準確度高測量快速

22、，重復性好0.030.06%； 壓損小僅孔板的1/2P左右；無零漂;精度等級：±0.5%、±1.0%、±1.5%測量范圍寬：1:30倍；1：10倍； 工況下：飽和蒸汽、過熱蒸汽都適用。輸出方式：420mA,如圖3.2.2所示。3.3 控制閥因為燃料均為易燃物品，考慮到系統(tǒng)的安全準則，進口燃料閥門選擇氣開閥。氣開閥沒外部信號輸入時關閉，當輸入到執(zhí)行機構的信號增加時，流過控制閥的流量增加。GEEVALVE閥門 VA7010電動二通閥圖片采用GEEVALVE閥門 VA7010電動二通閥，閥體黃銅鍛造,不銹鋼桿及彈簧,體積小,耐腐蝕。閥芯結構優(yōu)化，在不

23、減少Kv值的情況下，允許壓差大。流量特性：線性流量特性，滿足dq=Kv2dl,增益Kv2是常數(shù)，與可調(diào)比R和最大流量Qmax有關，與流過控制閥的流量Q無關。9第4章 系統(tǒng)仿真與分析4.1 系統(tǒng)的參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)中主副兩個回路是彼此互相影響的，副控制器的整定對主控制器的影響一目了然，因為副回路的特性本身就是主回路廣義對象的一個組成部分。由于主控制器的輸出本身就是副回路的設定值，所以對副回路的響應有影響。如果主回路的工作頻率相差很大，例如十倍以上，則對副回路而言在它的控制過程中可以近似認為主回路還沒有來的及反應，可以忽略主回路對副回路的影響，則控制器的參數(shù)整定可以按由內(nèi)而外的原則，分別獨立按單

24、回路系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定方法整定。4.2 整定方法 逐次逼近法 這是一種主副回路反復調(diào)試以逐步接近最優(yōu)的方法，其過程有以下4個步驟：主回路開環(huán)，按單回路方法，整定副控制器。主回路閉環(huán)，在已經(jīng)整定的副控制器下整定主控制器。在主回路閉環(huán)的條件下，重新整定副控制器的參數(shù)。在副控制器的基礎上，再重新整定主控制器。按照逐次逼近法，先主回路開環(huán)，按單回路方法整定副控制器，建立的Simulink 模型如圖4.1所示。 10圖4.1系統(tǒng)開環(huán)Simulink模型11不斷試驗，當kc2= 45時，副回路階躍響應如圖4.2所示。圖4.2副回路階躍響應曲線由圖可以看出，調(diào)節(jié)時間大約為1秒，超調(diào)量為10，基本符合要求，

25、因此可以進入主控制器的參數(shù)整定。即主回路閉環(huán)，此時的Simulink模型如圖4.3所示。12 圖4.3系統(tǒng)閉環(huán)Simulink模型不斷試驗，調(diào)節(jié)主控制器，當Kc1=18時，主回路的階躍響應如圖4.4所示，由圖可知，此時Ts1=5s,調(diào)節(jié)時間過長，因此在主回路閉環(huán)條件下重新整定副控制器的參數(shù)，根據(jù)衰減曲線法，取Kc1=15，Kc2=30，此時系統(tǒng)主回路階躍響應曲線如圖4.5所示。圖4.4主回路的階躍響應曲線13圖4.5系統(tǒng)的階躍響應由圖可知，系統(tǒng)的階躍響應效果不是很理想，超調(diào)量太大，需要精調(diào)。反復試驗，最終得到的階躍響應曲線如圖4.6。圖4.6系統(tǒng)最終的的階躍響應曲線由曲線可知，超調(diào)量變短，調(diào)節(jié)時間基本符合要求。此時主副控制器的PID參數(shù)如下：主控制器：P:13 I:5 D:6副控制器：P:40 I:6 D:514第5章 總結本設計完成了題目要求的基本部分的全部要求。由于時間