锅炉进水流量控制

学 号 1222010108

天津城建大学

过程控制课程设计

设计说明书

锅炉进水流量控制

起止日期： 2015 年 06 月22 日至 2015 年 06 月 26 日

学班成

生姓名 级 绩

曹东瑞 12电气1班

指导教师(签字)

控制与机械工程学院 2015年 06月26 日

天津城建大学

课程设计任务书

2014 -2015学年第 2学期

控制与机械工程 学院 电气工程及其自动化 专业 班级 12电气1班 姓名 曹东瑞 学号 1222010108 课程设计名称： 过程控制 设计题目： 锅炉进水流量控制

完成期限：自 2015 年 6 月 22 日至 2015 年 6 月 26 日共 1 周 设计依据、要求及主要内容：

一、设计任务

锅炉进水流量的矩形脉冲响应实验结果为： t/ min 0 y 0 t/ min 200 10 0 220 20 0.2 240 40 0.6 260 60 1.2 280 80 1.6 300 100 1.8 320 120 2.0 340 140 1.9 360 160 1.7 380 0.15 180 1.6 400 0.15 y 1 0.8 0.7 0.7 0.6 0.6 0.4 0.2 0.2 其中，矩形脉冲幅值为阶跃响应稳态值的10%，脉冲宽度t20min。 试根据实验数据设计一个超调量p25%的无差控制系统。具体要求如下：

（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；

（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；

（4） 对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 二、设计要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下结果： （1） 超调量 （2） 峰值时间 （3） 过渡过程时间 （4） 余差

（5） 第一个波峰值 （6） 第二个波峰值 （7） 衰减比 （8） 衰减率 （9） 振荡频率

（10） 全部P、I、D的参数 （11） PID的模型 （12） 设计思路

三、设计报告

课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报告写作要求”。

四、参考资料

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 过程控制教材

指导教师（签字）： 教研室主任（签字）： 批准日期： 年

月 日

目录

一、 绪论................................................................................................................................................... 1

1.1锅炉简介 ....................................................................................................................................... 1 1.2串级控制系统简介 ....................................................................................................................... 1 1.3 进水流量控制系统概况 .............................................................................................................. 2 二、系统分析 ............................................................................................................................................. 2 三、调节器的设计及整定 ......................................................................................................................... 4

3.1系统的设计 ................................................................................................................................... 4 3.2系统整定过程 ............................................................................................................................... 5 四、 仿真结果 ........................................................................................................................................... 6

4.1结果分析 ....................................................................................................................................... 7 五、总结..................................................................................................................................................... 7 六、 参考文献 ........................................................................................................................................... 7

一、绪论

1.1锅炉简介

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。锅的原义指在火上加热的盛水容器， 炉指燃烧燃料的场所，锅炉包括锅和炉两大部分。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为工业生产和人民生活提供所需热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再 通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，常简称为锅炉，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

锅炉是指利用各种燃料、电或者其他能源，将所盛装的液体加热到一定的参数，并对外输出热能的设备。其范围规定为容积大于或者等于30L的承压蒸汽锅炉；出口水压大于或者等于0.1MPa（表压)，且额定功率大于或者等于0.1Mw的承压热水锅炉；有机载体锅炉。

锅炉是一种能量转换设备，向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式，而经过锅炉转换，向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。

锅炉的主要工作原理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或一 定压力蒸汽的热力设备。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。

1.2串级控制系统简介

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

系统特点及分析

* 改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。 * 能迅速克服进入副回路的二次扰动。 * 提高了系统的工作频率。 * 对负荷变化的适应性较强

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1.3 进水流量控制系统概况

锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系, 维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。进水流量过快，汽包水位将会升高, 会影响汽包内汽水分离装置的正常工作造成出口蒸汽水分含量过多, 导致过热器管壁结垢而被烧坏, 也使过热蒸汽温度急剧变化, 直接影响机组的稳定运行。进水流量过慢，则汽包水位降低低, 可能破坏锅炉水循环, 导致水冷壁管被烧坏。汽包锅炉进水流量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, 维持汽包水位在规定的范围内波动。汽包水位H 是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映, 不仅受汽包储水量变化的影响, 还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水压强P、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等, 其对水位的影响各不相同。其中给水压强和蒸汽流量是影响汽包水位的2 种主要扰动。

二、系统分析

课题中只给出了锅炉进水流量的矩形脉冲响应实验结果，要想进一步研究系统就需要将脉冲响应转换成响应的阶跃响应，其对应关系值如下表

t/ min 0 y y1 y y1

根据表中的对应数据使用Matlab绘出相应的响应曲线

0 0 1 13.6 10 0 0 220 0.8 14.4 表一、脉冲响应与阶跃响应对应关系值 20 40 60 80 100 120 140 0.2 0.2 240 0.7 15.1 0.6 0.8 260 0.7 15.8 1.2 2.0 280 0.6 16.4 1.6 3.6 300 0.6 17.0 1.8 5.4 320 0.4 17.4 2.0 7.4 340 0.2 17.6 1.9 9.3 360 0.2 17.8 160 1.7 11.0 380 0.15 180 1.6 12.6 400 0.15 t/ min 200 17.95 18.1 图1、阶跃响应曲线

由图可知：

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y()18.1 得出 0.4y()7.24 t1118.6 0.8y()14.48 t2222.6

由于t1/t2=0.53 根据表二可以近似得出此系统为三阶系统

表二、惯性对象1/(Ts1)n中阶数n与t1/t2的关系

n 1 0.32 2 0.46 3 0.53 4 0.58 5 0.62 6 0.65 7 0.67 8 0.685 t1/t2

其模型形式为：W0K0 3(T1s1)y()y(0)10

其中放大系数：K0根据nTt1t2进行拟合可以得出：T=52.7 2.16所以其传递函数表达式为：W0

10 3(52.7s1)在simulink中，建模观察对象的阶跃响应曲线：

图2、阶跃响应建模

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图3、对象的阶跃响应曲线

由仿真结果可以看出，对象为自稳定系统，无超调，但调节时间较长。故所选择的控制器应具有快速性的特点，使系统尽快达到期望值。

三、调节器的设计及整定

3.1系统的设计

在该系统中给水压强P和蒸汽流量D为主要的扰动，锅炉中的液位L作为被控量。给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统, 控制过程中水位将出现较大的动态偏差, 给水流量波动较大。因此应考虑将给水流量作为副控对象，另外,控制对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时,存在“虚假水位”现象,因此在扰动的初始阶段,调节器将使给水流量向与负荷变化相反的方向变化,加剧了锅炉进、出流量的不平衡。因此应采用以蒸汽流量D为前馈信号的前馈控制,从而能够根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度,以改善蒸汽负荷扰动下的水位控制品质。这样将系统组成一个串级三冲量控制系统。其原理框图及其仿真图如下。

流量传感器PID调节器PID调节器调节阀进水管道水位流量传感器液位传感器

图4 、锅炉进水流量原理框图

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图5、进水流量控制器的仿真原理图

3.2系统整定过程

按4:1衰减曲线法整定运行参数。 两步整定法进行整定：

①整定主环。主副回路闭合，并将主调比例带δ设为100%，按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的比例带和副被调量的振荡周期。

②整定副环。主副回路闭合，副调参数设为上述值，按单回路整定得到衰减率ψ=0.75时的主调比例带和被调量的振荡周期。

③按上述计算按所选调节器类型，用衰减曲线法计算出调节器参数值。

由于对象为二阶，所以在整定副环时总是稳定，不起振。故断开主回路，单独整定副回路，保证副回路的输出速度快即可。然后再连接主回路按照②进行整定。

图6、主PID调节器参数设置

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图7、副PID调节器的参数设置

四、仿真结果

按照上述设计的进水流量仿真原理图进行仿真，其中在450秒处加入外部扰动，得到如下图所示结果。

图8、仿真结果图

由图中可以得出以下数据

11.810100%18% 10（2）峰值时间：tp10s （3）过渡过程时间：ts30s

（1）超调量：p

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4.1结果分析

主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用则是快速消除内扰，前馈通路用于补偿外扰，克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰，串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。

前馈控制是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响，它是按扰动进行的补偿控制，所以前馈控制又叫作“扰动补偿”。由自动控制原理知道，扰动补偿属于开环控制。前馈控制对系统的稳定性无影响，只要原系统是稳定的，施以前馈控制后，系统仍然稳定。

前馈控制只能对于可以测量的扰动作用进行扰动补偿。前馈控制器的结构、参数取决于被控制对象与扰动通道的特性。

从仿真效果可知，系统超调量p18%25%符合课题要求，且当有扰动时系统可以很好的克服扰动对系统的干扰，及时的自动调节到原来的平衡位置，实现了无差控制。

五、总结

通过这次过程控制技术课程设计使我对所学的计算机控制技术理论知识有了深层次的理解和掌握，增强了自己对所学计算机控制技术理论知识的灵活运用，增强了自己的思考和创新综合素质能力，尤其是运用理论知识解决实际问题的能力。通过本次课程设计把自己所学的计算机控制技术分散理论知识联系起来，使自己所学的计算机控制技术理论知识形成了一个体系。

这次课程设计，也让我更加清楚的认识到理论与实践的关系-----只有把理论与实践紧密结合起来，理论知识才能变成有应用价值的灵活知识。认识到理论知识只有运用于实践才能产生巨大的经济利润和社会价值，而实践只有在科学正确理论指导下才能取得成功和硕果。科学正确的理论知识是推动人类实践活动前进的强大精神武器，而实践活动是检验理论正确与否的唯一标准也是理论产生的源泉。理论与实践紧密联系，相互依存。

同时这次课程设计，更是增强了自己的实践动手能力，尤其遇到问题而深入实际生活加深了对理论的认识，对实际生活的体会有助于以后专业知识的学习和研究，明白了科学理论的重要性。

当然在这次课程设计，也发现了自己的很多不足之处，比如对所学计算机控制技术原理掌握的还不够牢固，知识应用不够灵活，不能触类旁通举一反三等。在以后的学习中一定要脚踏实地、一丝不苟的对待所学专业知识，认真学习、精益求精为将来的学习、研究和工作奠定坚实的理论基础，在以后的学习中多参与实际生活问题的思考，多参加实践活动！

六、参考文献

[1] 何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004 [2] 邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000 [3] 牛培峰等.过程控制系统.北京:电子工业出版社,2011.6

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