锅炉水温的系统控制设计

过程控制系统课程设计报告书锅炉水温的系统控制设计学院：自动化班级：10级自动化3班指导老师：李军组员：代明香罗欢朱铭峰重庆大学自动化学院2013年10月任务分配过程控制系统课程设计——锅炉水温的系统控制设计专业班级姓名学号任务分配自动化3班代明香20105005传统PID控制器设计前馈控制器设计论文撰写自动化3班罗欢20105066串级控制设计三种控制方式仿真论文撰写自动化3班朱铭峰20105003系统建模与设计查阅资料论文撰写目录任务分配........................................................................................................................2过程控制系统课程设计——锅炉水温的系统控制设计.....................................21摘要............................................................................................................................12序言............................................................................................................................13锅炉温控系统概述....................................................................................................2实际模型..................................................................................................................24控制方法设计............................................................................................................34.1PID控制............................................................................................................34.1.1数学模型.................................................................................................34.1.2参数整定.................................................................................................44.1.3仿真与分析.............................................................................................44.2串级控制..........................................................................................................54.2.1控制器分析与设计.................................................................................64.2.2仿真与分析.............................................................................................64.3前馈控制..........................................................................................................74.3.1控制器的设计.........................................................................................84.3.2仿真与分析.............................................................................................95总结..........................................................................................................................106心得体会..................................................................................................................106.1罗欢................................................................................................................106.2代明香............................................................................................................106.3朱铭峰............................................................................................................107参考文献..................................................................................................................118附录..........................................................................................................................12附录1.传递函数列表..........................................................................................12附录2.图表列表..................................................................................................13罗欢代明香朱铭峰：锅炉水温控制系统设计11摘要本文通过将实际锅炉模型化，并根据实际中常见的控制问题，不断优化锅炉温度控制中的控制方法。首先采用最简单的单回路PID控制方法在温度调节中的应用。通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。然后通过发现单回路PID控制方式的不足，讨论了集中较为常见的过程控制方法（串级控制和前馈补偿控制）。同样通过参数整定及系统响应曲线得到满足系统稳定及相关性能要求的控制器。2序言热水锅炉是利用燃料燃烧释放的热能或其它的热能对水进行加热，水在锅炉本体内不发生相变，即不产生蒸汽，回水被送入锅炉后通过受热面吸收了烟气的热量，未达到饱和温度便被输入热网中的一种热力设备。热水锅炉可为为宾馆、学校、家庭、企事业单位提供热水的设备。热水锅炉包含常压热水锅炉和承压热水锅炉两种，我们通常所说的“热水锅炉”指的是常压热水锅炉。由于其运行安全，人们洗浴或采暖大都采用了这种常压热水锅炉。由于工业锅炉结构形式很多，且参数各不相同，用途不一，故到目前为止，我国还没有一个统一的分类规则。出于经济因素的考虑，大多数高校及企事业单位都采用锅炉供水。由于PID控制是最早发展起来的控制方法之一，具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业生产过程中得到广泛的使用。但由于锅炉控制系统对温度的控制是通过改变流量实现的，具有非线性、大惯性、大时滞等特点，难以建立精确的数学模型，故采用常规PID控制不能达到理想的控制效果。现阶段，各种基于PID的改进算法被应用于锅炉水温控制中，如彭昕昀[1]等提出的一种通过改进常规PID控制器的结构和参数整定方法的单回路锅炉动态水温控制系统，还有何忠蛟[2]等提出的将模糊理论和PID控制算法相结合的应用于锅炉水温的模糊PID控制算法。本文提出一种基于PID的串级控制方法，采用多回路改善系统动态性能。同时，通过前馈补偿和比例法分别对系统过程流的干扰和空气/燃料比值进行控制。罗欢代明香朱铭峰：锅炉水温控制系统设计23锅炉温控系统概述实际模型TFurnaceHotprocessstreamFuelgasAirflowColdProcessstream图1.烧水锅炉温度控制模型图将一般实际应用中的锅炉简化为图1所示中的模型。锅炉整体的结构[3]包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅炉是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的水，使水达到所需要的温度（热水）或一定压力蒸汽的热力设备。它是由“锅”（即锅炉本体水压部分）、“炉”（即燃烧设备部分）、附件仪表及附属设备构成的一个完整体。锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行，水进入锅炉以后，在汽水系统中锅炉受热面将吸收的热量传递给水，使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽，被引出应用。在燃烧设备部分，燃料燃烧不断放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉受热面，而本身温度逐渐降低，最后由烟囱排出。“锅”与“炉”一个吸热，一个放热，是密切联系的一个整体设备。锅炉在运行中由于水的循环流动，不断地将受热面吸收的热量全部带走，不仅使水升温或汽化成蒸汽，而且使受热面得到良好的冷却，从而保证了锅炉受热面在高温条件下安全的工作。罗欢代明香朱铭峰：锅炉水温控制系统设计34控制方法设计4.1PID控制单回路控制系统又称简单控制系统，它由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路，也称反馈控制系统。其结构图如图2所示。单回路控制系统是最简单基本的一种控制系统，它适用于被控对象滞后时间比较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。经验控制即根据以往总结出的一般控制经验，根据不同的需求，选择不同的参数计算方法，达到控制的目的。一般