鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)名稱：自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：姓名：學(xué)號(hào)：課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)1.設(shè)計(jì)一鍋爐水位控制系統(tǒng)鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性分析對(duì)控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行分析作出最終設(shè)計(jì)方案三、設(shè)計(jì)計(jì)劃：第一天選擇課程設(shè)計(jì)題目，確定課程設(shè)計(jì)任務(wù)第二天根據(jù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行查閱資料第三天進(jìn)行整理資料及進(jìn)行控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)第四天進(jìn)行可行性分析并進(jìn)行校正分析第五天設(shè)計(jì)說明書編輯輸出四、設(shè)計(jì)要求：通過鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)所學(xué)知識(shí)有更好的理解和掌握，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，得出設(shè)計(jì)結(jié)論指導(dǎo)教師：教研室主任:時(shí)間:遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表學(xué)期2006-2007年度第一學(xué)期姓名專業(yè)班級(jí)課程名稱自動(dòng)控制原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目評(píng)定評(píng)定指標(biāo)分值得分知識(shí)創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實(shí)際性10知識(shí)掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績(jī)100

標(biāo)準(zhǔn)評(píng)語：任課教師時(shí)間 年月日備注摘要：鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中不可缺少的重要設(shè)備，鍋爐的汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。水位過低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成十鍋，損壞汽包，所以其值過高過低都可能造成重大事故。故在設(shè)計(jì)中內(nèi)、外賄賂中采用PID控制快速消除通道的給水?dāng)_動(dòng)和蒸汽擾動(dòng)，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。關(guān)鍵詞：汽包水位串級(jí)前饋調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)特性PID控制目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1綜述 1\o"CurrentDocument"2鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性描述 2\o"CurrentDocument"2.1汽包在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 2\o"CurrentDocument"2.2汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 2\o"CurrentDocument"3鍋爐汽包水位的PID控制方案 4\o"CurrentDocument"3.1前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 4串級(jí)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng) 4PID控制系統(tǒng)算法 5\o"CurrentDocument"4鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu) 7\o"CurrentDocument"5結(jié)論 9設(shè)計(jì)體會(huì) .10\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 111綜述鍋爐控制裝置，其主要的任務(wù)是保證鍋爐的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，確保人員的人身安全。鍋爐的汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，水位過高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。水位過低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成十鍋，損壞汽包。所以其值過高過低都可能造成重大事故。它的被調(diào)量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對(duì)給水流量的調(diào)節(jié)，使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，變化在允許范圍之內(nèi)，由于鍋爐汽包水位對(duì)蒸氣流量和給水流量變化的響應(yīng)呈積極特性。但是在負(fù)荷（蒸氣流量）急劇增加時(shí)，表現(xiàn)卻為"逆響應(yīng)特性"，即所謂的"虛假水位"，造成這一原因是由于負(fù)荷增加時(shí)，導(dǎo)致汽包壓力下降，使汽包內(nèi)水的沸點(diǎn)溫度下降，水的沸騰突然加劇，形成大量汽泡，而使水位抬高。汽包水位控制系統(tǒng)，實(shí)質(zhì)上是維持鍋爐進(jìn)出水量平衡的系統(tǒng)。它是以水位作為水量平衡與否的控制指標(biāo)，通過調(diào)整進(jìn)水量的多少來達(dá)到進(jìn)出平衡，將汽包水位維持在汽水分離界面最大的汽包中位線附近，以提高鍋爐的蒸發(fā)效率，保證生產(chǎn)安全。由于鍋爐水位系統(tǒng)是一個(gè)設(shè)有自平衡能力的被控對(duì)象，運(yùn)行中存在虛假水位現(xiàn)象，使得傳統(tǒng)的控制參數(shù)測(cè)定比較困難，在此設(shè)計(jì)中的控制系統(tǒng)采用PID串級(jí)控制方法來對(duì)其進(jìn)行控制。2鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性描述W—鍋爐給水 D一產(chǎn)生的蒸汽W1一爐膛下降水冷管W2一爐膛上升水冷管圖2-1鍋爐汽包簡(jiǎn)單示意圖影響汽包水位的因素有給水流量作用下的控制通道特性和蒸汽負(fù)荷變化作用下的擾動(dòng)作用。2.1汽包在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性這是控制通道的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)給水流量增加后，由于給水溫度比汽包內(nèi)水的溫度低，就從原有的水中吸收部分熱量，這使得水位下面汽包容積有所減少，當(dāng)水位下面的汽包的容積的這是控制通道的動(dòng)態(tài)特性，當(dāng)給水流量增加后，由于給水溫度比汽包內(nèi)水的溫度低，變化過程逐漸平衡時(shí)，水位的變化就完全反映了汽包中水量的上升。當(dāng)給水量作介躍變化變化時(shí)，汽包的水位在起始狀態(tài)不會(huì)立即增加，而是呈現(xiàn)出慣性特性，水位和給水流量之間的關(guān)系用傳感器G（s）表示，它近似表示一個(gè)積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的串連，系統(tǒng)特性可以表示為：G°=i^T^1匕為給水量作用下，汽包水位變化的上升速度，T1為滯后時(shí)間，與給水溫度有關(guān)，給水溫度越低，滯后時(shí)間越大。2.2汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性由于實(shí)際工作環(huán)境的變化，當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，蒸汽流量大于給水的量，從鍋爐的物料平衡關(guān)系看，水位應(yīng)下降，但在實(shí)際的情況中并不是如此，由于蒸汽用量增加導(dǎo)致汽包壓力瞬間降低，汽包內(nèi)水的沸騰加劇，水中汽包容積迅速增加，結(jié)果水位不但不下降反而先上升，然后在下降；反過來，蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降，然后在上升，這種汽包水位沿著相反方向變化的現(xiàn)象稱之為“虛假水位”，水位與蒸汽流量之間的關(guān)系用傳遞函數(shù)G2（J表示，系統(tǒng)特性可以表示為：GQ-匕+匕2ss\Ts+1）2在此式中，kf為蒸汽流量單位改變時(shí)汽包水位的變化速度，k2為放大系數(shù)，T2為時(shí)間常數(shù)。3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。3.1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。前饋系統(tǒng)的方框圖圖3-1 前饋系統(tǒng)方框圖GD:干擾通道對(duì)象特性。Gpc:控制通道對(duì)象特性。Gf:前饋控制器傳函。根據(jù)不變性原理，即被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T(s)F(s)=0，即T(s)=0T(s)F(s)=GD+GfxGpc=0所以Gf0=-GpDQ/Gpc(s)即G(s)=-干擾通道對(duì)象特性/控制通道對(duì)象特性ff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。前饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)開環(huán)控制系統(tǒng)：F1一(Gff)1—Gv1-G蒸1一AT1-T按干擾進(jìn)行控制，控制及時(shí)，精度高。僅僅對(duì)前饋量有控制作用(對(duì)T不起作用)前饋控制器為多用控制器(根據(jù)對(duì)象特性獲得)不能隨時(shí)了解被控變量變化情況3.2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。褫液圖3-3串級(jí)前饋控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)前饋模型傳遞函數(shù)G(y)?G(y)?G(y)F(y)-Gf偵)1——~(2)g―(,)gG)g—()G偵)+G偵)=0m2 c2 V PC2綜上兩種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的比較，我們可以看出，采用串級(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，采用串聯(lián)前饋的控制方式來對(duì)其進(jìn)行控制。3.3PID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)器如下圖所示：圖3-4PID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)=Kp[e(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)=Kp{e(kT)+T/TiEe(jT)+Td/T[e(Kd)-e(Kt-T)]}在反饋控制部分，如果過早地引入積分作用容易產(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：

一 一一T件 T 一、u(kT)=K{e(kT)+YKe(jT)+d[e(kT)-e((k-1)T)]}ij=0[1當(dāng)|e(kT)|<8,戶口控制，保證快速性K=dL10當(dāng)e(kT)>8,PID控制，保證消除靜差1—一般PID1—一般PID調(diào)節(jié)曲線2—積分分離PID調(diào)節(jié)曲線Q—從此點(diǎn)開始引入積分作用圖3-5PID調(diào)節(jié)曲線4鍋爐水位PID控制的總體結(jié)構(gòu)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)圖如下所示:圖4-1圖4-1鍋爐水位P-PID串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖其中前述G1(s)和氣(s)分別為控制回路的擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)，yD、yw、別為蒸汽流量、給水流量和汽包水位測(cè)量器件的傳遞系數(shù)，aD、a^分別為蒸汽流量和給水流量的分壓系數(shù)，Kz、Kp分別為執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥們的特性系數(shù)，回路CCQ采用PID控制以快速消除給水?dāng)_動(dòng)，外回路采用預(yù)測(cè)PID來抑制蒸汽擾動(dòng)，其算法為：

( 1A=K1+ITisJe(t)—-1U(t)-u(( 1A=K1+ITisJi當(dāng)忽略蒸汽擾動(dòng)和給水?dāng)_動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以表示為如下:八()C(s) G(s)?KK-U(s)?G(s)=Rs)_1+a.yG(s)KK+G(s)KK1U(s).G(s)ww ZPCZP 1T=30，T=30，k2=3.6，匕=10,Kp=2.T=15，a=a=0.083，y=y=0.21，y=0.033匕=10,Kp=2.預(yù)測(cè)PI控制器的比例系數(shù)K=2.5，內(nèi)回路控制器取純比例控制Q<s)=1,為了便于比較圖4-2采用廣義參數(shù)的系統(tǒng)仿真圖控制效果，在考慮了擾動(dòng)抑制性能后，取Kp=1.5，氣=0.005圖4-2采用廣義參數(shù)的系統(tǒng)仿真圖由圖可以看出，經(jīng)過P—PID控制系統(tǒng)控制的鍋爐水位輸出的超調(diào)量有所減小，在蒸汽擾動(dòng)作用下，水位波動(dòng)范圍也減小了，達(dá)到了控制的目的。5結(jié)論本設(shè)計(jì)是采用一種預(yù)測(cè)PID控制方法對(duì)鍋爐水位進(jìn)行的控制，通過比較前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級(jí)前饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用了串級(jí)前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)參與整個(gè)控制，內(nèi)循環(huán)采用PID控制快速消除了控制通道的給水?dāng)_動(dòng)，外回路采用的PID方法克服了蒸汽擾動(dòng)的影響，并通