锅炉水位控制系统的设计说明书

锅炉水位控制系统的设计说明书内容摘要：

提供优质蒸汽的保证。 本文的主要工作 本文以工业锅炉控制为背景，主要以其中的汽包水位控制系统为对象，研究了三种控制算法并用 MATLAB 工具作了仿真并且对三种控制算法的结果作了比第 1 章 绪论 7 较，主要作了以下工作： 采用机理建模法建立锅炉汽包水位的动态模型； 对锅炉汽包水位 控制系统做了详细的分析，并提出了单冲量、双冲量、三冲 量等三种控制方案，对三种方案作比较后得出了适合于本项目设计要求的控 制方案； 引入了三种汽包水位控制系统的控制算法，即： PID 控制、前馈控制和串级 控制； 建立汽包水位仿真数学模型，引进 MATLAB 仿真工具，建立仿真系统模型， 选定以上三种控制算法，进行仿真，最后对它们进行了对比分析。 8 第 2章 锅炉 汽包水位 PID 控制系统的设计 锅炉控制系统 [4][5][6] 应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。 伴随着控制理论和控制技术的发展锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。 锅炉的自动化控制，经历了三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机过程控制几个阶段。 随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。 计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。 锅炉控制系统结构总图 [7] 从系 统角度看，锅炉包括燃烧负荷控制系统，送引风控制系统，给水控制系统，辅助控制系统。 其结构如图。 图 控制系统结构图 锅 炉 控 制 燃烧 控制 系统 给水 控制 系统 汽温 控制 系统 辅助 控制 系统 燃 料 量 控 制 风 量 控 制 负 压 控 制 省 煤 器 控 制 空 气 预 热 控 制 水 位 控 制 过 热 温 度 控 制 除 氧 器 控 制 输 渣 除 尘 控 制 第 2 章 锅炉汽包水位 PID 控制系统的设计 9 锅炉燃烧控制系统 锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性。 为此，燃烧过程控制系统有三个控制任务： 维持主汽压以保证蒸汽的品质； 维持最佳的空燃比以保证燃烧的 经济性； 维持炉膛内有一定的负压以保证运行的安全性。 因此燃烧控制系统包括以下几个部分。 燃料量控制系统 根据锅炉所使用的主要燃料的不同，其控制系统有所不同。 当使用煤粉时，锅炉在启动和低负荷时还是使用燃油，另外，燃油还用于点火和煤粉的稳定燃烧，故对于煤粉炉，燃料量的控制又分为燃油控制和燃煤控制。 在燃油控制中，包括燃油压力的控制 (保证燃油压力不低于油枪安全运行所需要的最低油压 )、燃油量控制 (保证燃油量满足负荷的要求 )和雾化蒸汽压力控制 (保证雾化蒸汽压力总是大于燃油压力以使燃油能充分雾化 )。 在燃煤控制中， 主要是根据锅炉指令并与送风量相配合，产生各台给煤机的转速指令。 一方面，它与风量控制系统一起，保证送入锅炉热量满足负荷的要求和气压稳定，另一方面，它将需求的燃料量平均分配给各台给煤机。 风量控制系统 风量控制和燃料量控制一起，共同保证锅炉的出力能适应外界负荷的要求，同时使燃烧过程在经济、安全的状况下进行。 燃烧需要的空气由送风机提供，锅炉燃烧的总风量为送风机风量和一次风量之和。 此外，在风量控制系统中，还包括二次风的分配控制 (燃料风、辅助风和过燃风 )。 炉膛压力控制系统 炉膛压力控制系统的任务是调节锅炉的 引风量，使之与送风量相适应，以维持炉膛具有一定的负压力，保证锅炉运行的安全性和经济性。 锅炉气温控制系统 汽温控制主要是过热汽温控制。 由于大型锅炉的过热器是在接近过热器金属的极限温度的条件下运行的，金属管强度的安全系数不大，过热蒸汽温度过高会降低金属管的强度，影响设备的安全；而温度过低又会使热效率下降。 同时过热蒸汽温度也是影响安全生产的重要因素，维持过热蒸汽温度相对稳定显得极为重要。 10 锅炉给水控制系统 锅炉汽包水位是锅炉安全运行的一个主要参数，水位过高，会使蒸汽带水带盐，严重时将引起蒸汽 品质下降，严重影响生产和安全；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环，引起水冷壁局部过热而损坏。 尤其是大型锅炉，相对来说，汽包的容积很小，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。 故锅炉汽包给水控制系统的任务是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。 对蒸汽锅炉而言，汽包水位是其正常运行的主要指标之一，是一个重要的被调节参数。 由于汽包水位在蒸汽锅炉运行中占首要地位，所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。 辅助控制系统 辅助控制系统主要有：除氧器压力控制系统 ；空气预热器温度控制系统；清渣除尘控制系统等。 第 3 章 锅炉汽包水位特性及其控制 11 第 3章 PID 控制理论 PID 理论概述 这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID(比例 积分 微分 )控制器作为最早实用化的控制器已有 50 多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。 PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 PID控制器由比例单元 P 、积分单元 I 和微分单元 D 组成。 其输入 et与输出 ut的关系为         1 / * /u t Kp e t TI e t d t TD d e t d t   式中积分的上下限分别是 0和t 因此它的传递函数为：         / 1 1 / * *G s U s E s K p T I s T D s    其中 Kp 为比 例系数； TI 为积分时间常数； TD 为微分时间常数 PID 控制及其控制算法 控制概述 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。 反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。 测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和控制系统的响应。 反馈理论及其在自动控制中应用的关键是：做出正确测量与比较后，如何用于系统的纠正与调节。 在过去的几十年里， PID 控制，也就是比例积分微分控制在工业控制 中得到了广泛应用。 在控制理论和技术飞速发展的今天，在工业过程控制中 95%以上的控制回路都具有 PID 结构，而且许多高级控制都是以 PID 控制为基础的。 PID 控制器由比例单元 P 、积分单元 I 和微分单元 D 组成，它的基本原理比较简单，基本的 PID 控制规律可描述为： 12   SKSKKSG DP  1   PID 控制用途广泛，使用灵活，已有系列化控制器产品，使用中只需设定三个参数 ( PK 、 IK 和 DK )即可。 在很多情况下，并不一定需要三个单元，可以取其中的一到两个单元，不过比例控制单元是必不可少的。 PID 控制具有以下优点： (1) 原理 简单，使用方便， PID 参数 KP 、 KI 和 KD 可以根据过程动态特性变化， PID 参数就可以重新进行调整与设定。 (2) 适应性 强，按 PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍 然是 PID 控制。 PID 应用范围广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，也可以将其变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行 PID 控制了。 (3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。 但不可否认PID 也有其固有的缺点。 PID 在控制非线性、时变、偶合及参数和结构不缺点的复杂过程时，效果不是太好；最主要的是：如果 PID 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控制方法，但 PID 仍因其自身的优点而得到了最 广泛的应用， PID 控制规律仍是最普遍的控制规律。 PID 控制器是最简单且许多时候最好的控制器。 在过程控制中， PID 控制也是应用最广泛的，一个大型现代化控制系统的控制回路可能达二三百个甚至更多，其中绝大部分都采用 PID 控制。 由此可见，在过程控制中， PID 控制的重要性是显然的，下面将讲述 PID 控制。 PID 控制 比例（ P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。 比例控制器的传递函数为：   KSG PC    式中， pK 称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负），一些传统的控制第 3 章 锅炉汽包水位特性及其控制 13 器又常用比例带 (Proportional Band， PB)，来取代比例系数 PK ，比例带是比例系数的倒数，比例带也称为比例度。 对于单位反馈系统， 0 型系统响应实际阶跃信号 R0 1(t)的稳态误差与其开环增益 K 近视成反比，即：   KRtet  1lim0   对于单位反馈系统， I 型系统响应匀速信号 R1 (t)的稳态误差与其开环增益 Kv近视成反比，即：  KRteVt1lim    P 控制只改变系统的增益而不影响相位，它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上，增大比例系数可提高系统的开环增益，减小系统的稳态误差，从而提高系统的控制精度，但这会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统的不稳定，因此，在系统校正和设计中 P 控制一般不单独使用。 系统的特征方程式为：   01 GKSD P  0Hs   比例微分 (PD)控制环节 具有比例加微分控制规律的控制称为 PD 控制， PD 的传递函数为：   sKKSG PPC    其中， Kp 为比例系数，  为微分常数， Kp 与  两者都是可调的参数。 PD 控制器的输出信号为：      dt tdeKteKtuPP    在微分控制中，控制器的输入与输出误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用。 因此微分控制在任何情况下不能单独与被控制对象串联使用，而只能构成 PD 或 PID 控制。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至不稳定，其原 14 因是由于存在有较大惯性的组件 (环节 )或有滞后的组件，具有抑制误差的作用 ,其变化总是落后于误差的变化。 解决的方法是使抑制误差变化的作用 “超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。 这就是说，在控制中引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项” ,它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例 +微分”的控制器，就能提前使抑制误差的作用等于零甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。 因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态性。 另外，微分控制对纯时控制环节不能改善控制品质而具有放大高频噪声信号的缺点。 在实际应用中，当设定值有突变时，为了防止由于微分控制的突跳，常 将微分控制环节设置在反馈回路中，这种做法称为微分先行，即微分运算只对测量信号进行，而不对设定信号进行。 积分 (I)控制 具有积分控制规律的控制称为积分控制，即 I 控制， I 控制的传递函数为： sKsG iC )(。