锅炉内胆温度控制系统设计

1锅炉内胆温度控制系统设计一．引言过程控制是自动化的重要分支，其应用范围覆盖石油、化工、制药、生物、医疗、水利、电力、冶金、轻工、建材、核能、环境等许多领域，在国民经济中占有极其重要的地位。无论是在现代复杂工业生产过程中还是在传统生产过程的技术改造中，过程控制技术对于提高劳动生产率、保证产品质量、改善劳动条件以及保护生态环境、优化技术经济指标等方面都起着非常重要的作用。过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数(温度、压力、流量、物位、成分、湿度、PH值和物性等)进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，是连续型生产过程自动的进行下去。实际的生产过程千变万化，要解决生产过程的各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。这就是过程控制要研究和解决的问题。二．任务和要求任务：设计锅炉内胆温度控制系统，选择合适的传感器、控制器和执行器，使其满足一定的控制要求。要求：本系统的控制对象为锅炉内胆的水温，要求锅炉内胆的温度的稳定值等于给定值，误差保持在5%的误差带以内。三．总体方案系统组成：本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。系统动力支路分两路:一路由三相(380V交流)磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成;另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵(220V变频)、涡轮流量计及手动调节阀组成。1．原理框图图1锅炉内胆水温设定值PID调节器三相可控硅调压装置锅炉内胆扰动温度变送器+-22．简要原理单闭环锅炉水温定值控制系统的结构示意如课程设计指导书所示，图1为其结构框图。其中锅炉内胆为动态循环水，磁力泵、电动调节阀、锅炉内胆组成循环供水系统。而控制参数为锅炉内胆的水温，即要求锅炉内胆的水温等于设定值。先通过变频器-磁力泵动力支路给锅炉内胆打满水，然后关闭锅炉内胆的进水阀。待系统投入运行后，再打开锅炉内胆的进水阀，允许变频器-磁力泵以固定的小流量使锅炉内胆的水处于循环状态。在锅炉内胆水温的控制过程中，由于锅炉内胆由循环水，因此锅炉内胆循环水水温控制相比于内胆静态水温控制时更充分，因而控制速度有较大的改善。在结构原理框图中可以清楚的看出，我们给定温度的设定值，将温度传感器的值与设定值相比较，把偏差值送入PID调节器，PID调节器的输出信号送入可控硅调压装置，经调压装置输出的电压信号来控制加热装置的阻值，从而控制锅炉内胆的水温。此控制系统为单闭环反馈系统，只要PID参数设置的合理，就能够使系统达到稳定。3．优缺点分析优点：单闭环系统结构简单，稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。缺点：对动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度很大，控制质量要求高的生产过程，简单控制系统难以满足要求四．元器件的选择与参数整定1．元器件的选择：(1)被控对象由不诱钢储水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒构成)、冷热水交换盘管和敷朔不锈钢管道组成。模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，设计巧妙。管道：整个系统管道采用不诱钢管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了管道系统生锈的可能性。有效提高了实验装置的使用年限。其中储水箱底有一个出水阀，当水箱需要更换水时，将球阀步打开直接将水排出。(2)检测装置变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不诱钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉内胆、锅炉夹套以及盘管的水温。经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4~20mADC电流信3号。Pt100传感器精度高，热补偿性较好。(3)执行机构电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。电动调节阀型号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4~20mADC或1~5VDC,输出4~20mADC的阀位信号，使用和非常校正方便。技术指标：电源：220VAC50HZ输入控制信号：4~20mADC或1~5VDC公称压力：1.6Mpa公称直径：20mm重复精度：±1%介质温度：-4~+200°C行程：10mm功耗：5VA变频器：本装置采用日本三菱(FR-S520S-0.4K-CH(R))变频器，控制信号输入为(4~20mADC)或0~5VDC，0~220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。泵体完全采用不诱钢材料，以防止生锈，使用寿命长。本装置采用两只磁力驱动泵。一只为下相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4~20mA标准电流信号。输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀型号为2W-160-25，工作压力：最小压力为0Kg/3cm，最大压力为7Kg/3cm，工作温度：-5~8°C。(4)控制器本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器、前馈一反馈补偿器、解耦装置。(还可根据需要扩展远程数据采集和PLC可编程控制系统)调节仪表：本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的AI系列仪表，其主要特点有：a)AI系列仪表操作方便、通俗易学，且不同功能档次相互兼容。b)具有国际上同类仪表的几乎所有功能，通用性强、技术成熟可靠。4c)全球通用的85~246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，并且具备多种外形尺寸。d)输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校止表格，测量精确稳定。e)采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定(AT)功能。f)采用先进的模块化结构，提供丰富的输出规格，能满足各种应用场合的需要。g)通过IS09002质量认证，品质可靠。具备符合要求的抗干扰性能。比值器、前馈-反馈装置：此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。解耦控制装置：此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉内胆与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。2．参数整定PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。本设计主要采用响应曲线法，具体过程如下：（1）先用P，再加I，最后再加D.。（2）调试时，将PID参数置于影响最小的位置，即P最大，I最大，D最小。（3）按纯比例系统整定比例度，使起得到比较理想的调节过程曲线，然后再把比例度放大1.2倍左右，将积分时间从大到小改变，使其得到较好的调节过程曲线。（4）最后在这个积分时间下重新改变比例度，再看调节过程曲线有无改善。（5）如有改善，可将原整定的比例度减少，改变积分时间，这样多次的反复，就可得到合适的比例度和积分时间。（6）如果在外界干扰下，系统稳定性不够好，可把比例度和积分时间适当增加一些，使系统足够稳定。将整定好的比例度和积分时间适当减小，加入微分作用，以得到超调量最小、调节作用时间最短的调节过程。（7）整定好的比例度和积分时间适当减小，加入微分作用，以得到超调量最小、调节作用时间最短的调节过程。5五．仿真程序及结果1.被控对象为温度，其传递函数可用一阶惯性环节加滞后的形式近似，其传递函数为：我们用Matlab软件对此传递函数进行仿真，其结构框图如图2所示，调整传递函数中的相应参数并且给此温度系统加阶跃扰动，通过虚拟示波器可以观察到如图3所示的波形。图2图32.我们采用PID调节，PID调节器结构图如下图所示，PID调节器的参数如下：K=1.7，=0.024，=15，在图4中，其中的subsystem为被控对象传递函数的结构框图，如图5所示。6图4图53.PID控制系统响应曲线如图6所示，其超调量、误差和响应时间都能够基本满足要求。图6六．系统特点及改进意见PID控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应用。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整7方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依*经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。单回路控制系统所需的自动化装置少，投运、整定、维护比较简单，实践证明它能够满足生产过程的基本控制要求，能解决大量的生产控制问题，因此在生产过程自动控制中得到了广泛应用，但是对动态特性复杂、存在多种扰动或扰动幅度很大，控制质量要求高的生产过程，简单控制系统难以满足要求，因此可以使用复杂控制系统。可以采用串级控制、前馈控制等。串级控制系统有两个闭合回路，控制品质相对于单回路控制系统显著提高；前馈控制通过前馈控制器，根据扰动量的大小改变控制量，以抵消对被控对象的影响。以上两种复杂控制系统都能够较好的改善控制质量。七．参考文献[1]李友善.自动控制原理.北京：机械工业出版社，1981[2]潘永湘，杨延西，赵跃编著.过程控制与自动化仪表.机械工业出版社，2007[3]翁维勤.过程控制系统及工程.北京：化学工业出版社，2005[4]孙虎章主编.自动控制系统.北京：中央广播电视大学出版社，1984[5]黄柯棣主编.系统仿真技术.长沙：国防科技大学出版社，1998[6]钟禕勍,李克鹏,钟录生,李兆生编著.基于MATLAB的内模控制器的简单设计实现[J].可编程控制器与工厂自动化（PLCFA），2004