锅炉液位控制方案

华北水利水电大学课程设计1绪论0.1、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。0.2、锅炉液位控制的难点液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水量的变化，所以很难通过调整PID控制器参数来满足所有的运行条件，获得理想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的PID不能及时抑制大扰动，这就可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。华北水利水电大学课程设计2摘要本文是针对锅炉水位控制系统进行的分析和设计。控制系统采用模糊控制与常规PID控制相结合的控制方式以提高系统的控制性能，在系统中采用了主控-串级控制的切换装置，使系统可以适用于不同的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉液位在允许的范围内变化，并保护锅炉液位满足安全要求。关键字：模糊控制PID控制锅炉液位控制第一章：生产过程1.1、锅炉锅炉是火电厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽；为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的被控对象，主要输入变量是负荷，锅炉给水，燃料量，减温水，送风和引风等；主要输出变量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气等：这些输入变量与输出变量之间的相互关联非常复杂。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位，蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位，过热蒸汽温度，过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力，过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度，蒸汽压力，汽包水位等的变化等。所以锅炉设备是一个多输入，多输出且相互关联的被控对象。1.2、锅炉水位控制在工业控制系统中的重要性锅炉是一种受压又受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺华北水利水电大学课程设计3水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。锅炉汽包水位控制的任务是，使跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产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。水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷管壁被烧坏，严重时造成爆炸事故。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。第二章：锅炉汽包水位的控制方案根据锅炉汽包水位特性，选取锅炉汽包水位为被控量，给水流量为控制量，蒸汽流量为干扰量，通过控制给水量来使锅炉汽包水位维持在满足负荷需求的高度。同时，为保证锅炉安全生产，调节节水量的执行机构选取气关式。2.1单冲量控制系统所谓单冲量就是指锅炉汽包水位为被控参数，给水量作为控制变量可构成的单回路控制系统，如图2-1所示。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。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。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。2.2双冲量控制系统蒸汽流量是影响汽包水位最主要的扰动，也是造成假水位的主要因素。如果华北水利水电大学课程设计4将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成如图2.2所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。蒸汽流量反映在汽包内压力的瞬时变化，当压力突然增大或突然减小时，发生虚假水位现象：此时就可以用压力差来表示压力的变化。该控制方案能有效适应负荷需求变化，有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动；但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。LT图2.1单冲量控制系统图2.2双冲量控制系统LC蒸汽LTLC蒸汽ΣFCFT第3章模糊控制介绍本次采用在线推理法模糊控制；该方法采用的是常规PID与模糊控制器相结合的混合结构；模糊逻辑控制（FuzzyLogicControl）简称模糊控制（FuzzyControl），是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法。它的诞生是以美国的L.A.Zadeh1965年提出的模糊集合论为标记的；1973年他给华北水利水电大学课程设计5出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的E.H.Mamdani首先利用模糊数学理论进行蒸汽机和锅炉控制方面的研究，并且获得成功，从此模糊控制的研究和应用一直十分活跃。与传统控制器依赖于系统行为参数的控制器设计方法不同的是模糊控制器的设计是依赖于操作者的经验，因此模糊控制器实现了人的某些智能，是智能控制的一个重要分支，对于非线性控制应用广泛。模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验多是用语言表达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制主要具有以下几个显著的特点：（1）模糊控制是一种基于规则的控制；（2）适应性强；（3）系统的鲁棒性较强，对参数变化不灵敏；（4）系统的规则和参数整定方便；（5）结构简单。串级控制设计结构参数：仿真模型采用蒸发量为670t/h的锅炉汽包对象，给水流量W与水位L的传递函数为；G(s)=0.06/(4.5s^2+s)；蒸汽流量D与水位L的传递函数为G(s)=(-3.35s^2+1.61s+0.075)/（0.35s^3+2+3+1）；给定水位蒸汽流量-调节器1调节器2执行器锅炉给水流量变送器汽包水位变送器动态前馈补偿器变送器-水位华北水利水电大学课程设计6执行器传递函数为G(s)=0.06/[s(4.5s+1)]；给水流量变送器传递函数为G(s)=0.05/(0.3s+1);汽包水位变送器传递函数为G(s)=0.05/(0.36s+1)；动态前馈补偿器传递函数为D(s)=(0.05/(0.36+1);给定水位为0.21米。模糊控制器主要包含三个功能环节：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节，模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。模糊控制具有良好控制效果的关键是要有一个完善的控制规则。但由于模糊规则是人们对过程或对象模糊信息的归纳，对高阶、非线性、大时滞、时变参数以及随机干扰严重的复杂控制过程，人们的认识往往比较贫乏或难以总结完整的经验，这就使得单纯的模糊控制在某些情况下很粗糙，难以适应不同的运行状态，影响了控制效果。第4章设计分析4.1PID对控制的影响（1）比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即。。比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。（2）积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度与偏差信号e成正比，即称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较puKe1pKdudt0duSedt华北水利水电大学课程设计7低。（3）微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即。TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。4.2PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带δ，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。1、经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带δ，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为∞，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。2、稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡。此时的临界比例带δK及两个波峰的时间TK利用δK和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数δ、TI、TD。3、衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图4.1。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则DdeuTdt华北水利水电大学课程设计8增大比例带。直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4：1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。第五章系统的仿真1、整个系统在Simulink环境下所搭建的结构图如下：图5.1Simulink仿真模块经过优化的仿真曲线图如下：图5.2液位波形通过对本系统的结构图的分析：调节器1和调节