过程控制课程设计完整版

目录摘要1、温度控制系统结构及锅炉控制要求...........................................11.1温度控制系统结构.....................................................11.2锅炉的控制要求.......................................................12、锅炉炉膛温度控制的理论数学模型...........................................23、方案设计.................................................................33.1炉膛温度控制方法的选择...............................................33.2系统单元元件的选择..................................................43.2.1温度检测变送器的选择...........................................43.2.2流量检测变送器的选择...........................................53.2.3主、副控制器正反作用的选择.....................................73.2.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器..........................83.2.5控制器仪表的选择...............................................83.2.6控制阀的选择..................................................114、控制系统的工作原理......................................................135、设计心得................................................................146、参考文献................................................................151、摘要温度控制是控制系统中最为常见的控制类型,主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成。锅炉是工业生产中不可缺少的动力设备，它多产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥、蒸发等过程提供热源，而且，还可以作为风机，压缩机、泵类驱动透平的动力源。随着石油化学工业规模的不断扩大，生产过程不断强化，生产设备不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率的方向发展。为确保安全，稳定生产，对过路设备的自动控制就显得尤为重要。2、温度控制系统结构及控制要求2.1温度控制系统结构温控系统主要由温度传感器、温度调节仪、执行装置、被控对象四个部分组成，其系统结构图如图2.1所示。图2.12.2锅炉的控制要求根据生产负荷的不同需要，锅炉需要提供不同规格（压力和温度）的蒸汽，同时，根据安全性和经济性的要求，是锅炉安全运行和完全燃烧，锅炉设备的主要控制要求如下。1、供给蒸汽量适应负荷变化需要或者保持给定负荷；2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力应当保持在一定的范围内；3、过热蒸汽温度保持在一定范围；4、汽包水位保持在一定范围；5、保持锅炉燃烧的经济性和安全性；6、炉膛负压保持在一定的范围内。3、锅炉炉膛温度控制的理论数学模型由于锅炉炉膛采用的燃料为煤粉，在燃烧过程中，炉膛和汽包之间的传热过程是一个相当复杂的过程，炉膛的温度的动态特性具有一般的大滞后、时变、非线性和不对称性等特点。在过程控制中，为了方便设计，同时又在一定的要求范围内，我们通常把锅炉炉膛的温度的动态特性看作是一个线性的系统。可以用以下传递函数描述。具有时滞的一阶环节seTsKsG1)(错误!未找到引用源。具有时滞的二阶环节sesTsTKsG)1)(1()(21错误!未找到引用源。可以认为锅炉炉膛温度是一种具有大容积滞后和大纯滞后的对象。在整个炉膛的温区内，其动态参数随锅炉的工作温度变化，在工作点附近的小温度范围内，炉膛的动态特性近似线性的。炉膛温度问题是比较复杂的。对炉膛温度动态特性进行分段线性化，则在每个较小的温度区间，锅炉炉膛的燃料流量—炉膛温度系统的动态特性可近似地用一个惯性环节和一个纯滞后环节串联的简化模型来表征，即:00()1sKeGsTs其中K。为过程的增益，为过程的纯滞后时间，To为过程的等效容积滞后时间。在锅炉炉膛的整个温度范围内，对象的增益、容积滞后时间和纯滞后时间都是炉膛温度和负载的非线性函数。K。随锅炉炉膛内温度升高而减小，To随锅炉炉膛内的温度升高而增大。机理建模和计算机仿真分析以及实验辨识等也证明了这一模型的可行性。4、方案设计4.1燃烧控制原理使用双交叉燃烧控制，使燃烧更加完善，燃烧质量大幅度提高，大大减低了生产成本，减少了废气污染，为生产高效奠定可靠的基础。在煤粉流量调节回路中，炉温PID的输出A1与根据实测空气流量折算成需要的煤粉流量之后，分别乘以一个偏置系数K3，得到信号A2，乘以一个偏置系数K4得到信号A3，A1、A2、A3三者经过高低选择器比较，选中者作为煤粉流量PID的设定值。空气流量调节回路中，炉温PID的输出B1，与根据实测煤粉流量折算成所须空气流量之后，分别乘上一个偏置系数K1得到信号B2，乘上偏置系数K2得到信号B3，B1、B2、B3三者经高低选择器比较，选中者乘上流量补偿系数，送到空气PID作为设定值。其系统组成原理图如图4.1所示。K1K2K3K4流量变送器流量变送器空气PID煤粉PID温度PID调节器设定炉温设定空燃比煤粉热值限制器KB1B2B3B4B5A1A2A3A6图4.1双交叉限幅燃烧控制原理4.2系统单元元件的选择4.2.1温度检测变送器的选择热电偶温度变送器与各种测温热电偶配合使用，可将温度信号线性地转换成为4～20mADC电流信号或1～5VDC电压信号输出，它是由量程单元和放大单元两部分组成的。热电偶温度变送器的主要特点是采用非线性负反馈回路来实现线性变化。这个特殊的性质反馈回路能按照热电偶温度－毫伏信号间的非线性关系调整反馈电压，以保证输入温度t与整机输出OI或OV间的线性关系。图4.2热电偶温度变送器零点调整、量程调整电路的工作原理与直流毫伏变送器大致相仿。所不同的是：在热电偶温度变送器的输入回路中增加了由铜电阻CuR等元件组成的热电偶冷端温度补偿电路；同时把调零电位器iW移动到了反馈回路的支路上；在反馈回路中增加了运算放大器1IC等组成的线性化电路起线性化作用。由于锅炉炉膛内的温度值较高，所以选用的热电偶变送器的温度测量值必须达到要求，这里，我选用的是DBW-1150型热电偶温度变送器。DBW-1150型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统。技术参数：●输入：标准热电偶●输出：输出电流：4～20mADC输出电压：1～5VDC输出电阻：250Ω允许负载变化范围：100Ω●量程：0～1600℃●冷端补偿误差：≤1℃●温度漂移：≤0.1×基本误差/1℃●绝缘电阻：电源、输入与输出端子间≤100MΩ●绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟●工作条件：环境温度：0～50℃相对湿度：≤90%（RH）●电源电压：24VDC±5%●功耗：＜2W●防爆等级：(ib)IICT6●重量：＜2Kg4.2.2流量检测变送器的选择由于流量变送的对象是煤粉和热空气，所以在选择流量变送装置的时候，必须是能够检测气体流量和和粉末混合气体的流量的。另外，由于空气是热空气，所以还要求变送装置能够在一定的高温下工作，所以这里选用的流量变送器为LUGB型涡街流量计。LUGB型涡街流量计根据卡门（karman）涡街原理测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。广泛用于各种行业气体、液体、蒸汽流量的计量，也可测量含有微小颗料、杂质的混浊液体，并可作为流量变送器用于自动化控制系统中。LUGB型涡街流量传感器防爆型，符合GB3836-2000《爆炸性环境用防爆电气设备》有关规定，防爆标志为“ExiaIICT6”，该仪表适用于工厂C级T6组及其以下的爆炸场所。在本次设计中，选用LUGB型涡街流量传感器其精度等级完全可以满足火电厂锅炉温度控制系统的精度要求。技术参数：●公称口径：DN10～DN500●测量介质：气体、液体、蒸气●可测介质温度：-40℃～150℃；-40℃～280℃；-40℃～350℃；-40℃～450℃●公称压力：2.5MPa（2.5MPa协商供货）●精度等级：1级，0.5级（注：0.5级量程范围≥1：7）●输出信号：①电压脉冲：低电平≤1V，高电平≥6V，脉冲宽0.4ms，负载电阻150Ω②4—20mA转换精度±0.5%满度值，负载电阻19V—350Ω，24V—500Ω，30V—750Ω③现场液晶显示：瞬时流量6位显示，（m3/h或kg/h，t/h），转换精度±0.1%；累计流量8位显示，（m3，kg，t），转换精度±0.1%●供电电源：①电压脉冲输出：+12VDC或+24VDC②4—20mA输出：+19VDC—+30VDC③现场液晶显示：电池供电3.6V，1节1号锂电池，使用寿命大于3年；外部供电+12VDC或+24VDC可实现带背光的液晶显示（订货注明）●环境温度：①电压脉冲输出：-30℃—+65℃②4—20mA输出：-10℃—+55℃③现场液晶显示-25℃—+55℃●防爆标志：ExiaIIBT6●表体材料：1Cr18Ni9Ti(其它材料协议供货)；45号钢（法兰连接型）●全智能型仪表：①输出信号：标态的体积流量或质量流量②现场液晶显示：循环显示6位瞬时流量、压力、温度；8位显示累积量4.2.3主、副控制器正反作用的选择副控制器的正、反作用要根据副回路的具体情况决定，而与主回路无关。副环可以按照单回路控制系统确定正、反作用的方法来确定副控制器的正，反作用。主控制器的正、反作用根据主回路所包括的各环节来确定。副回路的放大倍数可视为“正”，因变送器一般为“正”，这样主控制器的正负特性与主对象的正负特性一致。本设计中,主控制器和副控制器都要反作用。4.2.4主回路的PID调节器和副回路的PI调节器因为主回路是一个定制系统，主控制器起着定制控制作用。保持主变量的稳定是首要任务，主控制器必须有积分作用。在这里采用的是PID调节器，它综合了比例控制、积分控制和微分控制三种规律的优点，又克服了各自的缺点。比例部分能够迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差，微分部分可以稳定调节精度。因为副回路是一个随动系统，其给定值随主控制器输出的变化而变化，同时两个并列的副环具有逻辑比值关系，其变化是双交叉的，为了能快速跟踪，同时比例调节，应该采用PI调节。4.2.5控制器仪表的选择采用模拟控制器:DDZ－III型调节器，DDZ―Ⅲ基型控制器框图如图4.3。控制器的输入信号为1～5V的测量信号。设定信号有内设定和外设定两种。内设定信号为1～5V，外设定信号为4～20mA。测量信号和设定信号通过输入电路进行减法运算，输出偏差到比例积分微分电路进行比例积分微分运算后，由输出电路转换为4～20mA信号输出。手动电路和保持电路附于比例积分微分电路之中，手动电路可实现软手动和硬手动两种操作，当处于软手动状态时，用手指按下软手动操作键，使控制器输出积分式上升或下降，当手指离开操作键时，控制器的输出值保持在手指离开前瞬间的数值上，当控制器处于硬手动状态时，移动硬手动操作杆，能使控制器的输出快速改变到需要的