过控课程设计说明书

1111唐山学院过程控制系统课程设计题目锅炉汽包液位三冲量控制系统的设计系(部)信息工程系班级11自动化姓名刘峰学号4110218143指导教师王墨琦2014年12月15日至12月26日共2周1222课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日目录13331工程背景............................................................................................................................................42锅炉汽包水位.....................................................................................................................................52.1锅炉系统概述.........................................................................................................................52.2锅炉汽包水位的系统结构.....................................................................................................63锅炉水位PID控制系统设计..........................................................................................................73.1PID控制原理..........................................................................................................................73.2PID对控制的影响..................................................................................................................73.2.1比例P调节..................................................................................................................73.2.2积分I调节...................................................................................................................83.2.3微分D调节..................................................................................................................83.2.4PID控制器的参数整定................................................................................................84汽包水位调节系统的设计................................................................................................................94.1三冲量水位调节系统的分析................................................................................................10附录......................................................................................................................................................1214441工程背景锅炉是发电和供热生产过程中的主要动力设备,汽包水位则是确保安全生产、稳定性、经济性以及提供优质蒸汽的一个重要监控参数,必须保持在某一期望值附近。它反映了锅炉蒸发量和给水量之间的一种动态平衡关系。水位高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢,使传热效率和蒸汽品质下降,影响供气的质量;过低时会破坏部分水冷壁的水循环,影响省煤器运行效率,甚至造成干锅和锅炉爆炸的危险。因此汽包水位必须控制在一定范围内,而影响锅炉水位的因素很多,最主要的是蒸发量和给水量的波动。汽包锅炉给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量,维持汽包水位在一定范围内波动,这对机组的安全、稳定、经济运行有着重要的影响。由于控制对象在给水量扰动时有一定的惯性,而且在负荷扰动时又存在“虚假水位”,采用串级三冲量给水控制系统能有效地消除这些扰动。该系统以汽包水位为主信号,任何导致水位变化的扰动都会使调节器动作;蒸汽流量是前馈信号,它的作用是防止“虚假水位”引起的调节器的误动作,改善蒸汽流量扰动时的调节质量;给水流量是介质反馈信号,因给水流量信号对给水流量变化的响应很快,使调节器能够在水位还没变化时就对前馈信号的变化作出反应,消除内扰,使调节过程比较稳定,充分保证了调节系统的稳定运行。汽包水位系统，由于它存在非线性、不确定性、时滞非最小相位特征，使得它的精确数学模型往往是很难获得的。而且，常规的PID控制方式，建立于汽包水位系统的数学模型之上，同时PID控制参数是固定不变的，因此难以适应各种扰动和对象变化，其控制效果欠佳，但是PID控制能够实现无差控制。因此出现了模糊控制方法。模糊控制，建立于人工经验，它能够将熟练操作员的经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的制规则，不需要对象的数学模型。本设计主要以传统PID控制方案作为手段，结合过程控制方法，实现对汽包水位的稳定控制。在过程控制系统中，前馈控制，能够快速的消除干扰；串级控制，如果副回路包含大部分干扰，则能够对干扰起到很好的抑制效果。影响汽包水位的主要因素是蒸汽流量（负载变化），给水流量，燃烧量。结合影响因素，重点对蒸汽流量、给水流量和汽包水位三个变量的关系进行研究，并充分利用前馈控制盒串级控制的特点，得到汽包水位三冲量前馈-串级控制系统。此系统能够有效地对负载干扰作出正确、快速动作；对给水干扰，抑制效果明显。能够实现无差控制。15552锅炉汽包水位2.1锅炉系统概述锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供热取暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动控制就显得十分重要。锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1所示。图1锅炉主要工艺流程图16662.2锅炉汽包水位的系统结构锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。锅炉汽水系统结构如图2所示。汽包及蒸发管中贮藏的蒸汽和水，贮藏量的多少是以被调量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时,汽包水位就恒定不变。图2锅炉汽水系统结构图17773锅炉水位PID控制系统设计3.1PID控制原理在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图3PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)。将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为：3.2PID对控制的影响3.2.1比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大，人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定，稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系1888统就不稳定了。3.2.2积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统,且振荡频率较低。3.2.3微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。3.2.4PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带δ，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。1、经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为∞，先整定比例带使之达到4:1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4:1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。2、稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间到最大值，微分时间为0,比例带最大，使系统投试运行。待系统运行稳定后逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，记录此时的临界比例带δK及两个波峰的时间TK利用δK和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数δ、TI、TD。3、衰减曲线法：它是在经验法和稳定边