锅炉汽包液位控制

天津城建大学课程设计任务书2017-2018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姓名学号课程设计名称：过程控制设计题目：锅炉汽包液位控制完成期限：自2018年6月11日至2018年6月15日共1周设计依据、要求及主要内容：一、设计任务加热炉出口温度控制系统，测取温度对象的过程为：当系统稳定时，在温度调节阀上做3%变化，输出温度记录如下：t/min024681012/oC270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426/oC258.4257.8257.0256.5256.0255.7255.4t/min28303234363840/oC255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0试根据实验数据设计一个超调量25%p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）：系主任（签字）：批准日期：2018年6月1日目录1、绪论............................................................11.1锅炉的工作过程简介...........................................11.2锅炉汽包水位自动控制的意义...................................11.3锅炉液位控制的难点..........................................12、汽包锅炉水位控制系统的设计.......................................22.1概述.........................................................22.2单冲量控制系统...............................................22.3双冲量控制系统...............................................22.4三冲量控制系统...............................................32.4.1单级三冲量控制系统.....................................32.4.2串级三冲量控制系统.....................................43、锅炉汽包水位的动态特性的数学建模.................................53.1给水流量作用下的动态特性.....................................53.2蒸汽流量扰动下的动态特性...................................63.3根据所给数据进行曲线拟合....................................63.3.1相关MATLAB程序及结果..................................63.3.2控制变量的确定.........................................73.4串级三冲量的框图.............................................84、硬件选择.........................................................94.1流量传感器选择...............................................94.2水位传感器选择...............................................94.3电机的选择...................................................94.4接触器的选择.................................................94.5阀的开闭选择形式.............................................95、PID参数的整定和SIMULINK仿真....................................95.1串级三冲量仿真电路图的搭建..................................105.2串级三冲量PID参数的整定....................................105.3仿真分析....................................................12总结..............................................................13参考文献...........................................................13第1页共17页1、绪论1.1锅炉的工作过程简介锅炉是我国工业生产和日常生活中应用最广泛的热工设备。锅炉的任务是根据外部负荷的变化，输送一定质量的蒸汽(蒸汽压力、蒸汽温度)和相应的蒸汽量。它产生的蒸汽不仅可以为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且可以作为风扇、压缩机和泵驱动涡轮机的动力源。锅炉由“锅”和“炉”两部分组成。“锅”是锅炉的蒸汽水系统,如图所示。本实用新型由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水控制阀2、水母管1和蒸汽主管6组成。锅炉给水泵进入省煤器,省煤器内的水吸收烟气的热量,使温度在自身压力下升高到沸点,变成饱和水。然后引入汽包。滚筒中的水通过降液管进入锅炉底部的下部集管,并通过炉周围的水壁进入上部集箱。然后返回到滚筒。水从水冷壁管中吸收直接火焰辐射的热量.在恒温下,一部分水蒸发成蒸汽,蒸汽和水的混合物。蒸汽和蒸汽的混合物在滚筒中被分离成水和蒸汽。水和给水进入降液管参与循环。蒸汽通过汽缸顶部的油管被带到过热器。蒸汽在过热器中吸收热量,并将其加热到规定的温度。成为合格的蒸汽输送主管。图1.1锅炉的汽水系统炉膛是由炉膜、烟道、燃烧器和空气预热器组成的锅炉燃烧系统。锅炉燃料燃烧所需的空气通过空气预热器送至鼓风机,空气预热器吸收空气预热器中的烟气热量,形成热空气。与燃料按一定比例燃烧到炉膛中。所产生的热量被传送到蒸汽产生系统以产生饱和蒸汽。然后通过过热器形成一定量的过热蒸汽并收集到蒸汽集管中。负荷调节阀在一定压力下采用过热蒸汽。同时,烟气在燃烧过程中产生大量的余热。此外,饱和蒸汽转化为过热蒸汽,它还预热锅炉给水和空气,最后通过烟囱进入大气。1.2锅炉汽包水位自动控制的意义锅炉水位是保证锅炉安全运行的重要标志。当水位过低时,负荷越大,汽化速度越快。锅炉管中的水一旦完全蒸发,这会导致锅炉燃烧甚至爆炸,水位过高。它影响锅炉汽缸的蒸汽分离,并产生蒸汽和液体相结合的现象,这是由过热器的关闭和结垢引起的。同时过热的蒸汽温度也随之降低,易发生太阳涡轮叶片它影响机组运行的安全性和经济性。随着锅炉容量的增加,水位变化越来越快,手工操作越来越繁重。因此,迫切需要汽包水位的自动调节。1.3锅炉液位控制的难点液位控制技术是通过控制进、出口阀的开度和改变水的流量来实现的,而水温的控制则是通过调节加热功率来实现的。在锅炉控制系统中,锅炉液位控制尤为重要和困难。在锅炉运行过程中,由于进水量和输出量的变化,PID控制器的参数难以调节。以满足各种工况的要求,获得理想的控制效果。过多的调整将导致频繁的流动回路运动,这将对下游设备造成额外的干扰。这样,液位控制器通常处于欠调节状态,允许液位在一定范围内波动,从而减少输出水的变化。然而,PID不能及时抑制大扰动,导致锅炉运行的安全性。第2页共17页此外,液位波动也会影响锅炉运行的稳定性,使蒸汽输送难以控制。影响锅炉水位的主要因素有给水流量、蒸汽出口流量和混合燃料进给率。每个变量都有自己的干扰。相对冷的供水造成相应的纯滞后。蒸汽外流的突然增加引起了一种典型的“假水位”现象,它暂时改变了过程的方向,导致误操作和事故。2、汽包锅炉水位控制系统的设计2.1概述随着锅炉的出现,汽包水位的控制一直是控制领域中的一个典型问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展,锅炉自动化控制水平也在逐步提高。在此期间,经历了30、40年代的单参数仪表控制、40年代组合仪表的综合参数仪表控制和60年代的计算机控制等几个阶段,通常有几种方案：(1)单脉冲控制系统。即汽包水位单回路水位控制系统；(2)双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；(3)三冲量控制系统。是以双脉冲系统为基础,介绍了进水流量信号。2.2单冲量控制系统单脉冲水位控制系统将汽包水位作为唯一的控制信号,脉冲是可变的。水位测量信号通过发射机发送到水位调节器。根据汽包水位H的测量值与给定值H0之间的偏差,调节器通过执行器控制给水调节阀,以改变供水量。使滚筒的水位保持在允许的范围内。系统框图为图2.1所示。图2.1单冲量控制系统框图该控制系统结构简单,是典型的单回路定制控制系统。在长的停留时间、稳定的负荷和鼓内水的“假水位”的情况下,采用单脉冲控制系统,PID调节一般能满足生产要求。单脉冲汽包水位调节系统结构简单,汽包容量大,扰动后水位响应慢,“假水位”现象严重。单脉冲水位调节可满足生产要求。单脉冲鼓式液位调节存在一些不足。主要有：（1）单脉冲控制方案仅根据水位信号控制供水。当锅炉负荷变化很大时,也就是说,当阶跃扰动很大时,由于锅炉的“假水位”现象,例如当负荷蒸汽增加时,水位首先升高。调节器只使用水位作为控制信号来关闭小阀门以减少供水。这种行为对于锅炉的流量平衡是不正确的,从而增加了蒸汽流量和给水流量的波动范围。扩大了进出口贸易的不平衡。（2）)从供水扰动下水位变化的动态特征可以看出,当供水压力变化引起供水变化时,调整器直到水位变化后才开始运行。但调整器作用后,必须经过一段时间的滞后时间,才能影响汽包的水位,因此,汽包水位波动较大,加工时间较长。2.3双冲量控制系统在汽包水位控制中,主要的干扰是负荷的变化。双脉冲控制系统是以锅炉汽包水位测量信号为主控制信号,以蒸汽流量信号为前馈信号的前馈-反馈控制系统。系统框图为图2.2所示。第3页共17页图2.2双冲量控制系统框图双冲量控制系统的优点是：蒸汽流量前馈信号的引入，可以消除“假水位”带来的不利影响。当蒸汽量发生变化时，可以产生与蒸汽相同方向的信号,以减少或消除由“假水位”现象引起的虚假水位。通过引入蒸汽流量的前馈信号,可以提高控制系统的静态特性。提高控制质量。双脉冲控制系统的问题是给水系统的扰动不能直接补偿,当供水受到干扰时,只有当水位信号发生变化,滞后时间较长时,才能由调整器进行调节。水位波动很大。2.4三冲量控制系统2.4.1单级三冲量控制系统三水锅炉给水自动控制系统是以给水水位H为主要控制信号,蒸汽流量D为前馈控制信号,给水流量W为反馈控制信号的控制系统。三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当负荷(蒸汽流