蒸汽锅炉PID温度控制系统设计

蒸汽锅炉PID温度控制系统设计目的：对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行分析和设计，而对锅炉过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。所以本设计采用串级控制系统，这样可以极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。在本设计用到串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度，通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。蒸汽锅炉工艺流程及控制要求蒸汽锅炉工艺流程及控制要求锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联的被控对象。过热蒸汽温度控制系统：主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；过热蒸汽温度控制对象的动态特性过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：①蒸汽流量变化(负荷变化)；②加热烟气的热量变化；③减温水流量变化(过热器入口汽温变化)。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。被控对象建模在单回路控制系统中，控制减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热能，也就控制了出口蒸汽温度调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量W，W的变化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度t，这样既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生很大的动态偏差，影响锅炉生产的安全和经济运行。控制器执行器过热器温度设定值控制信号喷水流量燃烧工况温度变送器被控对象建模根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以减温器出口蒸汽温度为副参数，过热蒸汽温度为主参数的串级控制系统温度主调节器副调节器温度设定值阀门减温器过热器减温水流量扰动蒸汽流量或者烟气热量扰动温度变送器温度变送器12过热蒸汽温度传递函数的模型建立汽温控制对象的数学模型建立，采用工程整定的方法，即给喷水阀一个阶跃扰动信号，然后多次记录减温器出口温度和过热蒸汽出口温度，得到两条阶跃响应曲线。仿真分析1()TWS为PID调节器，其传递函数为：111()TPdWSKSTSTi;2()TWS为P调节器，其传递函数为：22()TPWSK；调节阀以及温度测量变换单元的传递函数：fK=1；12()()1WmSWmS;()g()ftt、分别为减温水流量扰动以及蒸汽流量扰动；仿真分析Simulink仿真图控制系统参数的整定（1）先整定副调节器（p）当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间，主回路基本上不参加动作，可按单回路系统的整定方法整定副调节器采用逐次逼近法副回路属于二阶模型采用Ziegler-Nichols，主回路采用临界比例法整定首先对副回路：控制系统参数的整定按照S曲线大致可以求出延时时间L=0.65、放大系数K=0.53和时间常数T=51.114控制系统参数的整定采用Ziegler-Nichols法,根据下表得到：控制器类型比例度积分时间微分时间PT/(K*L)无穷0PI0.9T/(K*L)L/0.30PID1.2T/(K*L)2.2L0.5L求得：Kp=148.37，将副回路的p参数置为148.37，副回路就作为随动作用再接着调主回路，主回路采用临界比例法求PID参数。下图为副回路整定（Kp=148.37）阶跃响应图控制系统参数的整定此时副回路就作为随动作用再接着调主回路，主回路采用临界比例法求PID参数，副回路整定不变，先调P得到等幅震荡，测得Tk=205.882控制系统参数的整定根据临界比例法计算：（此时Kp=3.23、Tk=205.882）调节器参数调节器名称δ（%）sT1（S）TD（S）P2δsPI2.26δsTs/1.2PID1.7δs0.5Ts0.125Ts求出PID的Kp=1.9Ti=102.54Td=25.73在系统中将配置求得参数得到阶跃响应：控制系统参数的整定再次循环以上做法：副回路的p参数Kp=200，求出主回路PID的Kp=1.9Ti=100Td=60得到下图阶跃响应：性能分析可以得到性能指标：减温器处加入阶跃扰动后的系统响应超调量增加，但是调节时间减少过热器处加入阶跃扰动后的系统响应超调量减少，调节时间也比单扰动下减少为244