锅炉汽包水位控制系统设计

-过程控制系统实验专业******班级******学生姓名******学号******锅炉汽包水位控制系统设计1、控制要求设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差±0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20),σ%<20%,Ts<10s,Ess=0.1、完成的主要任务1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程1.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图1.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据1.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标1.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程1.对控制进行PID控制说明其参数整定理论1.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能指标1.实验课程设计的经验和收获目录第1章锅炉汽包水位控制系统的组成原理1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------31.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------31.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3第2章锅炉汽包水位控制系统方案的设计2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------52.1液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------52.1检测变送器的选择------------------------------------------------------------------62.1调节阀的选择------------------------------------------------------------------------62.1仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------62.1调节器的选择------------------------------------------------------------------------82.1调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8第3章PID控制3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------93.2PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10第4章仿真4.1simulink仿真---------------------------------------------------------------------114.2系统参数整定--------------------------------------------------------------------13第5章-----------------------------------------------------------15第1章锅炉汽包水位控制系统的组成原理1.了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程1.1锅炉汽包水位自动控制的意义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，并维持汽包中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。1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程图1锅炉汽包水位系统流程水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。整个锅炉汽包水位控制系统可分成多个阶段：（1)水注入锅炉的过程：这个过程中，水经变频器控制的水泵以及调节器注入锅炉中；（2)水经加热变成蒸汽的过程：水在锅炉内加热变成蒸汽，同时在水中产生汽包，水位同时变化；（3)蒸汽供负载使用的过程：蒸汽经过管道调节阀供负载使用。汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此，在锅炉运行中必须将汽包水位严格控制在工艺允许的范围。第2章锅炉汽包水位控制系统方案的设计2.1液位控制系统的方框图单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。系统方框图如下所示。图2.1液位控制系统原理框图2.1液位控制系统的方案图以汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成如图所示的单回路水位控制系统，工程上也称为单冲量控制系统。这种系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。在如图所示的单冲量控制系统中，当锅炉蒸汽负荷（流量）突然大幅度增加时，由于假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量，反而去关小调节阀的开度，减小给水量。这样由于蒸汽量增加、给水量减少使汽包存水量减少。等到假水位消失后，汽包水位会严重下降，甚至会使汽包水位降到危险的程度，以至发生事故。对于负荷变动较大的大、中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。而对小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象并不明显，如果在配上相应的一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统也能满足生产的要求，并保证安全生产。图2.2液位控制系统方案图2.3检测变送器的选择过程控制系统中用于参数检测的变送器是系统中获取信息的装置，其完成对被控参数以及其他一些参数、变量的检测，并将信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确地测量是实现高性能的重要条件。足以说明变送器的选择是控制系统中重要的一环。变送设备的选择与使用，主要根据被检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求来决定。被测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求等都影响变送器的选择与使用，在系统设计时，要从工艺的合理性、经济性、可替换性等方面加以综合考虑。此时选取的是液位变送器。2.4调节阀的选择执行器是由执行机构和调节阀组成。在过程控制系统设计中，确定控制阀的口径尺寸是选择控制阀的重要内容之一，在正常工况下要求调节阀的开度在15%-85%之间。调节阀的流量特性选择一般分俩步进行：首先确定工作流量特性，然后根据工作流量特性相对于理想流量特性的畸变关系，求出对应的理想流量特性，确定阀门的选型。调节阀的气开、气关作用方式的选择：气开式调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当无压力信号时，阀门处于全关闭状态；与之相反，气关式调节阀随着信号压力的增大，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。选择遵循的原则：（1）人身安全、系统与设备安全原则（2）保证产品质量原则（3）减少原料和动力浪费的经济原则（4）基于介质特点的工艺设备安全原则；综上所述此时选取的是气关式，为“反”作用。2.5仪器性能指标的计算2.5.1精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用绝对误差、基本误差和精确度来衡量。1、绝对误差在测量过程中，由于所使用的检测仪表存在误差及周围环境存在干扰，测量结果必然存在误差。这种检测仪表的指示值与被测量真值之间存在的差值成为绝对误差，可表示为（1）仪器在标尺范围内各点读数的绝对误差中最大的绝对误差称为最大绝对误差。1、基本误差基本误差又称引用误差或相对百分误差，是一种简化的相对误差。相对误差等于某一点的绝对误差与标准表在这一点的指示值之比。仪器的基本误差定义为（2）而（3）仪表的基本误差表明了仪表在规定的工作条件下测量时，允许出现的最大误差限。1、精确度（简称精度）为了便于量值传递，国家统一规定了仪表的精确度（精度）等级系列。目前，我国生产的仪表常用的精度等级有0.005、0.02、0.5、0.1、0.2、0.4、0.5、1.0、1.5、2.5、4.0等。2.5.2灵敏度与分辨率灵敏度表征模拟仪表指针指示的灵敏程度。定义为：单位被测参数变化所引起的仪表指针位移的距离（或转角），用公式表示为（4）式中为仪表灵敏度；为仪表指针位移的距离（或转角）；为引起的被测参数变化量。2.5.3变差变差是仪表在外界条件不变的情况下，被测参数从量程起点逐渐增大到终点，再逐渐由大到小降到起点的校验过程中，仪表正反行程示值校验曲线间的最大绝对差值与量程之比。计算公式为：（5）2.6调节器的选择调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。2.7调节器作用方向的选择调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有至关重要的影响，也是过程控制系统设计的核心内容之一。调节器的输出决定于被控参数的测量值与设定值之差，被控参数的测量值与设定值变化，对输出的作用方向是相反的。过程控制中，对于调节器的正反作用的定义为：当设定值不变时，随着测量值的增加，调节器的输出也增加，则称为“正作用”方式；同样，当测量值不变，设定值减小时，调节器输出增加，称为“正作用”方式。图2.2液位控制系统流程图第三章PID控制3.1控制规律的比较选择调节规律是为了使调节器与被控过程很好的配合，组成满足工艺要求的控制系统。选择什么样的调节规律与具体的被控过程匹配是一个比较复杂的问，需要综合考虑多种因素才能得到合理的解决。在具体控制工程的实施过程中，调节规律的最终确定还要根据被控过程特性、负荷变化情况、主要扰动特点以及生产工艺要求等实际情况进行分析。同时还应考虑生产过程经济性以及系统投运、维护等因素。当然，最终的结果还要通过工程实践最后验证。下面简述选择调节规律的基本准则。1.比例调节比例调节是最简单的调节规律，它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速。比例调节只有一个参数，整定简便。比例调节的主要缺点是系统存在静差。对象调节通道小、负荷变化与外部扰动小、工艺要求不高、允许有静差的调节系统，可以选择比例调节。1.积分调节积分调节的特点是没有静差。但是，积分调节的动态偏差较大、调节时间长，只能用于有自衡特性的简单系统。1.比例积分调节比例积分调节既能消除静差，又能产生较积分调节快得很的动态响应。对于一些调节通道容量滞后较小、负荷变化不大的调节系统，比例积分调节可以起到很好的效果。1.比例微分调节微分作用提高了系统的稳定性，使系统比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差。在有高频干扰的场合，由于系统对高频干扰特别敏感，不能太大，否则会影响系统正常工作。在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合，不能使用微分调节。1.比例积分微分调节调节器是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的稳定性，由能消除静差。对于负荷变化大、容量滞后大、控制品质要求高的控制对象（如温度控制、控制等）均能适应。但对于对象滞后很大，负荷变化剧烈、频繁的被控过程，采用调节还达不到工艺要求的控制品质时，则应选用串级控制、前馈控制等复杂控制系统。3.2PID参数的整定调节器参数的工程整定方法在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。1）稳定边界法（临界比例度法）属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1）若置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。图3.2液位控制系统图根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值第四章仿真4.1simulink仿真稳定边界法：图4.1比例控制图图4.4比例控制simulink仿真结果Kp’=270,Ts=1.16s.由Kp’=1/Pm得：Pm=0.0037，Tm=Ts=1.16s.PI校正：P=2.2Pm,且Kp=1/P=123.457,Ti=0.85*Tm=0.986,此时由于图像可知：仅仅用PI调节不能满足系统的工艺要求，故需用PID校正。PID校正：图4.3系统PID仿真图P=1.7Pm,且Kp=1/P=158.730,Ti=0.85*Tm=0.58，Td=0.145,此时的系统基本满足了要求，还需进行微调，如下是经过微调的图像：此时的Kp=70.图4.4PID控制simulink仿真结果4.2对系统参数进行整定（1）置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。（3）根据Pm和Tm，按经验公式计算出控制器的参数整定值。在控制系统设计或安装完毕后，被控对象、测量变送器和执行器这三部分的特性就完全确定了，不能任意改变。只能通过控制器参数的工程整定，来调整控制系统的稳定性和控制质量。控制器参数的整定，就是按照已定的控制方案，求取使控制质量最好的控制器参数值。具体来说，就是确定最合适的控制器比例度P、积分时间TI，和微分时间TD。1）稳定边界法（临界比例度法）属于闭环整定方法，根据纯比例控制系统临界振荡试验所得数据（临界比例度Pm和振荡周期Tm），按经验公式求出调节器的整定参数。（1）若置调节器Ti，Td=0，比例度P较大值，将系统投入运行。（2）逐渐减小P，加干扰观察，直到出现等幅减振荡为止。记录此时的临界值Pm和Tm。第五章结束语通过这次的锅炉汽包水位控制系统设计，使我把许多的理论知识得到了实践应用，使我真实的感受到的过程控制系统在实际生活的应用，虽然这次设计实验课程时间较短，实验过程中也遇到不同的困难，但我还是在我自己的努力和同学、老师的帮助下完成了，我非常感谢他们，同时，此次实验设计更使我对结课考试更加有了信心，所以此次实验使我受益匪浅。调节器调节阀汽包检测变送器送器y(t)Tm系统临界振荡曲线t--s-1