锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计.pdf

课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名：专业班级：专业班级：指导教师：指导教师：工作单位：工作单位：自动化学院自动化学院题题目目:锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计初始条件初始条件锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。汽包水位过高会影响汽水分离效果，水位过低则损坏锅炉。以锅炉给水量为控制量、汽包水位为被控量，该对象的只要蒸汽负荷为扰动量，试设计一控制系统，使汽包水位维持在120，稳态误差0.4，以满足生产要求。要求完成的主要任务要求完成的主要任务:1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程2、基于对象特点分析，绘制液位控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书5、锅炉汽包水位单冲量控制系统进行数值仿真6、总结课程设计的经验和收获时间安排时间安排12 月 23 日选题、理解课题任务、要求 12 月 26 日方案设计 12 月 27 日-1 月 9 日参数计算、撰写说明书1 月 10 日答辩指导教师签名：指导教师签名：年年月月日日系主任（或责任教师）签名：系主任（或责任教师）签名：年年月月日日摘要锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重要能源、热源动力设备。锅炉的种类很多，按所用的燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉，还有利用残渣、残油、释放气体等为燃料的锅炉。按所提供蒸汽压力不同，又可以分为常压锅炉、低压锅炉、中压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界锅炉、超临界锅炉等类型。虽然不同类型的锅炉的燃料种类不同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统的工作原理基本相同。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，如果再配上相应的一些联锁报警装置，单冲量控制系统也能满足生产的要求，并保证安全生产。过程控制系统分为多种，有简单控制系统和复杂控制系统，而复杂过程控制系统又可分为：串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。在本次控制系统的选择中，因为设计题目要求是：锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，所以本着简单、实用的原则把它设计成一个简单的单回路系统来满足题目要求。关键词：关键词：锅炉单冲量被控参数控制参数目录目录1 锅炉生产蒸汽工艺简述.12 系统工作原理简述.22.1 当汽包液位下降时.22.2 当汽包液位上升时.23 液位控制系统方案.33.1 系统方框图.33.2 系统方案图.34 控制系统的设计.54.1 系统控制过程分析.54.1.1 系统平衡阶段分析.54.1.2 系统抗扰动阶段分析.54.2 单回路反馈控制系统.74.3 检测变送器的选择.74.3.1 选取原则.74.3.2 压差变送器.84.4 调节阀的选择.94.5 仪表性能指标的计算.94.5.1 精度.94.5.2 灵敏度和灵敏性.104.5.3 回差.104.6 调节器的选择.104.7 调节器作用方向的选择.114.8 系统的投运和整定.114.8.1 系统的投运.124.8.2 简单控制系统的参数整定.125 simulink 仿真.136 总结.14参考文献.15调节仪表与过程控制系统课程设计说明书锅炉汽包水位单冲量控制系统设计1 锅炉生产蒸汽工艺简述锅炉汽包水位系统流程如图 1 所示。图 1 锅炉汽包水位系统流程水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。整个锅炉汽包水位控制系统可分成多个阶段：（1）水注入锅炉的过程：这个过程中，水经变频器控制的水泵以及调节器注入锅炉中；（2）水经加热变成蒸汽的过程：水在锅炉内加热变成蒸汽，同时在水中产生汽包，水位同时变化；（3）蒸汽供负载使用的过程：蒸汽经过管道调节阀供负载使用。汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。因此，在锅炉运行中必须将汽包水位严格控制在工艺允许的范围。1调节仪表与过程控制系统课程设计说明书2 系统工作原理简述2.1 当汽包液位下降时当控制对象汽包液位下降时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力减小，使变送出来的标准信号减小，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量大于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力减小，开度则会相应打开，使给水量增加，增加的给水量使锅炉内的汽包液位上升，回到平衡位置，实现自动控制。2.2 当汽包液位上升时当控制对象汽包液位上升时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力增大，使变送出来的标准信号增大，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量小于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力增大，开度则会相应减小，使给水量减少，减少的给水量使锅炉内的汽包液位下降，回到平衡位置，实现自动控制。2调节仪表与过程控制系统课程设计说明书3 液位控制系统方案3.1 系统方框图首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量，本系统按照设计要求可直接选择汽包水位作为被控参数。影响水位变化的因素有给水量变化、蒸汽流量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为汽包压力变化并不直接影响水位，汽包压力变化是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需要会各不相同，这是一个不可控因素；燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃烧系统变成热量后，才可被水吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。因此只能选择给水量作为汽包水位的控制变量。将系统的被控参数和控制变量选定之后可得到系统方框图如图 2 所示。图 2 系统方框图3.2 系统方案图由系统方框图可以设计出系统方案图如图 3 所示。3调节仪表与过程控制系统课程设计说明书图 3 系统方案图从系统方案图中可以看到，将给水量作为控制变量，汽包液位作为被控参数之后，检测变送器选择压差变送器，执行器选择 PI 控制器，执行器为调节阀。4调节仪表与过程控制系统课程设计说明书4 控制系统的设计过程控制系统设计和应用的两个重要内容：控制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好，但是调节器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。单回路控制系统包含一个检测变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析、设计、整定和投运。采用单回路控制方式来实现锅炉汽包水位单冲量控制系统的原理方框图如图2 所示。在图 2 中，调节器采用 PI 调节器，汽包水位是被控对象，检测变送器选用压差变送器，调节阀的具体选择将在下文详细给出。4.1 系统控制过程分析控制系统的控制阶段主要分为：平衡阶段和抗扰动调节阶段。下面将分别对这两个阶段进行分析。4.1.1 系统平衡阶段分析在锅炉中将会有水蒸气和水，在水中会有气泡，按照设计要求，当汽包水位维持在的液位的时候，系统都是合理的，不会出现任何危险。4.1.2 系统抗扰动阶段分析在本次设计中，由于是单冲量的，所以只考虑给水量的扰动。当给水量扰动时，汽包水位的动态特性图如图 4 所示。5调节仪表与过程控制系统课程设计说明书图 4 汽包水位动态特性由图 4 可知，当给水量增加时，水位阶跃响应曲线如图中H(t)所示。如果把汽包水位对给水的响应看做是无自衡单容过程，汽包水位的阶跃响应曲线应该如图中H1(t)所示。由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包的给水会从饱和水吸收一部分热量，所以当给水量上升时，汽包水面以下水中的气泡总体积减小，导致水位下降。水中气泡总体积下降，导致水位变化的阶跃响应曲线如图中H2(t)所示。当给水量上升时，实际汽包水位的曲线应该如H(t)所示，即突然加大给水量后，汽包水位一开始并不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。实际水位变化H(t)是H1(t)和H2(t)的叠加，即H(t)H1(t)H2(t)。用传递函数来表示即是：K1H(s)H1(s)H2(s)0G(s)G(s)G(s)sT1s 1用一阶模型近似时，可表示为：H(s)0seG(s)s6调节仪表与过程控制系统课程设计说明书0为给水流量作用下，阶跃响应的斜率；为纯滞后时间，给水温度越低，越大，一般约在 15100s 之间。如果采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会增到100200s。4.2 单回路反馈控制系统单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，因此在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。本设计的要求是锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，由于是单冲量，所以不必选择串级控制回路，简单控制系统就可以。4.3 检测变送器的选择一个简单的控制系统是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）、控制器和执行机构组成的。在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。4.3.1 选取原则检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。选择应该遵循以下原则:（1）可靠性原则可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定的功能的能力是可靠的，可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。7调节仪表与过程控制系统课程设计说明书（2）实用性原则实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。（3）先进性原则随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。4.3.2 压差变送器被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。设计的被控对象是汽包液位，所以采用压差变送器。压差变送器的测量范围大，精度等级高。压差变送器，又叫差压变送器，传感器中的一种。其工作原理是被测介质压力变化采集到信息传输信号主机分析发出执行命令执行器动作。其被广泛的应用到自动化控制领域，其涵盖所有气体及液体介质需要测量和监控压力变化的场所。压差变送器的原理图如图 5 所示。图 5 压差变送器原理图由图 5 可知p2 Hg p1，p1是容器上半部分中气体的压强，于是压差可以表示为p p2 p1 Hg。其中是液体密度，g 是重力加速度。当被测介质的密度已知时，压差变送器测得的压差与液位的高度成正比。8调节仪表与过程控制系统课程设计说明书根据p p2 p1 Hg计算变送器的测量范围，其中，所以，选取 0-15KPa 可满足。精度：，所以选取精度 0.1 级可满足要求。综上，选取量程 0-15KPa，精度 0.1 级的压差变送器可符合设计要求。4.4 调节阀的选择调节阀类型的选择：气动执行器。调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：在正常工况下要求调节阀开度在 15%到 85%之间。口径不可以太小，因为当系统收到较大扰动时，会使系统处于失控工况；同样口径不能太大，因为如果口径太大，调节阀将长时间处于小开度中，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，工作特性差。调节阀流量特性的选择：系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的(一阶以上特性)，而变送器、调节器(若比例作用时)和执行机构的放大系数是常数。因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。4.5 仪表性能指标的计算4.5.1 精度检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。（1）绝对误差绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，如式（41）。x x xt（41）（2）引用误差把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（42）。x x0 x（4 2）100%100%标尺上线值标尺下限值M9调节仪表与过程控制系统课程设计说明书（3）精度等级按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即 0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0 等。根据此次设计的汽包水位要求为，所以选用 0.1 精度的等级。4.5.2 灵敏度和灵敏性灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，如式（43）。S y（43）x灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。4.5.3 回差在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程之比的百分数称为回差，也称变差。其公式见式（4-4）。bmax100%（44）M回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。4.6 调节器的选择根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。10调节仪表与过程控制系统课程设计说明书本设计采用 PI 调节器。PI 控制规律可简单理解为引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。PI 调节器的传递函数见式（45）。Gc(s)1 Tis1PTis（45）4.7 调节器作用方向的选择从控制原理可知，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统收到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定，必须构成负反馈。本设计的控制变量是给水量，当给水量增加时，汽包液位当然是会上升，给水量的增加是通过调节阀的阀门开度增加，而本设计中采用的调节阀类型是气关式，所以调节阀的作用方向是负作用，所谓气关式则是当压力上升时，开度减小，这是出于对安全的考虑，而检测变送器是压差式的，它的正反作用同汽包水位相同，要使系统构成负反馈系统，则调节器应该选用正作用。综上所述可以得到本系统的最终的系统框图如图 6 所示。图 6 确定了正反作用的系统方框图4.8 系统的投运和整定一旦控制系统按设计的要求连接好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符号精度要求，并已运行正常，即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。11调节仪表与过程控制系统课程设计说明书4.8.1 系统的投运所谓控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换至自动工作状态。这一过程是通过控制器上的手动自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必须保证无扰动地进行。本设计采用设计比较先进的电动型控制器，因为它拥有比较完善的自动跟踪和保持电路，可以做到在手动时自动输出跟踪手动输出，在自动时手动输出跟踪自动输出，这样随时都可以进行手动与自动的切换而不引起扰动。4.8.2 简单控制系统的参数整定所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（、Ti、Td）的调整，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数（、Ti、Td），使过渡过程呈现 4:1 的衰减过程。调节器参数整定有两大类：理论计算和工程整定法。理论计算法需要较多的控制理论知识，由于实际情况，理论计算不可能考虑周到，因此用工程整定法。工程整定法有四种：经验法、稳定边界法和衰减曲线法反应曲线法。在本设计中将采用稳定边界法。稳定边界法是先将调节器设置为纯比例作用（即把积分时间Ti放在“”的位置，微分时间Td放在“0”的位置，就消除了积分和微分作用），且比例度放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度（即增大放大系数Kp）并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。这时的比例度就叫做临界比例度k，振荡周期叫临界振荡周期Tk。根据k和Tk从表 41 中查找调节器应采用的参数值。表 41 稳定边界法计算表应采用的控制规律PPIPID（%）2k2.2k1.7kTi（min）0.85Tk0.5TkTd（min）0.125Tk12调节仪表与过程控制系统课程设计说明书5 simulink 仿真参照汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计 得到锅炉汽包控制系统数学模型为：Simulink 仿真图如图 7 所示。图 7 simulink 仿真图仿真波形图如图 8 所示。图 8 仿真波形图由仿真波形图可知道，设定值为 120，且调节后的输出值也为 120，虽有很小的超调量，但最终稳定在 120 处，符合设计要求。13调节仪表与过程控制系统课程设计说明书6 总结经过这段时间的课程设计的学习与设计，让我更加体会到将理论知识应用于现实生活的重要性，生活中很多地方都能用到这些知识，对于锅炉而言，是发电厂、炼油厂、化工行业等工业部门的重要设备。以锅炉为研究对象产生的很多控制系统，对生活有着极其重要的地位。本次课程设计所做的题目锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，这个设计内容要求设计者要牢牢掌握单回路控制系统的设计步骤和原则，单回路控制系统算是基本的系统，在设计时比较简单。在设计锅炉汽包水位单冲量控制系统时，能正确选取检测元件、执行元件和调节仪表的技术参数极其重要，关系到设计的成败，所以在这上面花费的篇章比较多，也是为了保证系统能安全、高效的工作。经过精心的准备，在设计这个系统时，也还是出现一些问题，有的问题自己很容易就解决了，有的问题就花费了比较多的时间，还有的就只能向同学求教，好在同学们都很乐意帮忙，最终解决了问题，将课程设计圆满的完成。总之，在这次设计中让我对这门课有了更深入的了解，培养了自学和思考能力，分析问题的能力也有所提高，也认识到自己的不足之处。在以后的学习和工作中都会勤于学习和思考，努力做好每一件事情。14调节仪表与过程控制系统课程设计说明书参考文献1 王万良自动控制原理北京：高等教育出版社2011 年2 王再英.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006 年3 金以慧过程控制北京：清华大学出版社2011 年4 潘立登过程控制技术原理与应用北京：中国电力出版社2007 年5 侯志林过程控制与自动化仪表北京：机械工业出版社1999 年6 黄忠霖.控制系统 MATLAB 计算及仿真.北京.国防工业出版社.200115本科生课程设计成绩评定表姓姓名名专业、班级专业、班级性性别别课程设计题目：课程设计题目：锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计课程设计答辩或质疑记录：课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：成绩评定依据：序号序号评定项目评定项目1 1选题合理、目的明确（选题合理、目的明确（1010 分）分）2 2设计方案正确，具有可行性、创新性（设计方案正确，具有可行性、创新性（2020 分）分）3 3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（2525 分）分）4 4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（态度认真、学习刻苦、遵守纪律（1515 分）分）5 5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于设计报告的规范化、参考文献充分（不少于 5 5 篇）（篇）（1010 分）分）6 6答辩（答辩（2020 分）分）总分总分评分成绩评分成绩最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：指导教师签字：年年月月日日