小型余热锅炉温度串级控制系统设计..(19页).doc

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1、-小型余热锅炉温度串级控制系统设计.-第 0 页课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化0804 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 小型余热锅炉蒸汽温度串级控制系统的设计 初始条件在冶金等生产行业中依靠高温烟气作为热源的余热锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主要作用是对烟气进行降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。特点是：由于烟气流量和温度由前一个工序决定,直接导致锅炉热源不稳定。针对小型余热锅炉的特点,设计一控制系统（主被控变量为温度，副被控变量为锅炉内的水温，控制变量为流入锅炉的水流量，干扰变量为前一个工序产生的烟气流量和温度），使出口蒸汽温度为360，稳态误差为6。要求完成的主

2、要任务: 1、了解小型余热锅炉设备组成及其生产工艺2、基于对象特点分析并结合控制策略，绘制温度控制系统方案图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、总结课程设计的经验及收获。时间安排12月19日 选题、理解课题任务、要求 12月20日 方案设计12月21-28日 参数计算、撰写说明书12月29日 答辩指导教师签名： 2011年 12月 29 日系主任（或责任教师）签名： 2011年 12月 29 日摘 要节约能源,提高生产工艺过程中的能量利用率和开发研究新的节能技术已成为各国研究能源利用技术的主要课题。冶金等生产行业依靠高温烟气作为热源的余热

3、锅炉使用普遍,这种小型锅炉的主要作用是对烟气进行降温,同时产生蒸汽供其他生产工序使用。本文先介绍了余热锅炉的结构和原理，控制系统采用串级控制以提高系统的控制性能，关键字 余热锅炉 串级温度控制 PID整定 Matlab仿真目 录1小型余热锅炉设备组成及生产工艺11.1余热锅炉定义11.2余热锅炉设备组成11.3工作原理21.4余热锅炉的分类与特点21.5余热锅炉现状及发展32小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计52.1控制方案选择52.1.1 单回路控制方案52.1.2 串级控制方案62.1.3最终选择方案62.2串级控制系统方框图72.3余热锅炉蒸汽温度控制系统原理图73元件选择及控制器参数设计

4、83.1温度传感器及变送器83.1.1温度传感器83.1.2温度变送器83.2 调节阀103.2.1调节阀气开、气关作用方式选择103.2.2 调节阀流量特性选择103.3 控制器设计103.3.1 控制器控制规律的选择103.3.2 控制器正、反作用选择113.3.3 控制器的电路实现113.3.4调节器选型113.5 控制器参数整定133.5.1 主变量的选择133.5.2副变量的选择133.5.3控制变量的选择133.5.4调节器参数的整定144 调节过程分析155 Matlab 仿真156 小结与体会176参考文献18小型余热锅炉蒸汽温度控制系统的设计1小型余热锅炉设备组成及生产工艺1

5、.1余热锅炉定义余热锅炉是利用各种工业过程中的废气、废料或废液中的显热或(和)其可燃物质燃烧后产生的热量的锅炉。或者在燃油(或燃气)的联合循环机组中，利用从燃气轮机排出的高温烟气热量的锅炉。1.2余热锅炉设备组成余热锅炉由锅筒、活动烟罩、炉口段烟道、斜1段烟道、斜2段烟道、末1段烟道、末2段烟道、加料管（下料溜）槽、氧枪口、氮封装置及氮封塞、人孔、烟道的支座和吊架等组成。其原理图如图1所示。 余热锅炉共分为六个循环回路，每个循环回路由下降管和上升管组成，各段烟道给水从锅筒通过下降管引入到各个烟道的下集箱后进入各受热面，水通过受热面后产生蒸汽进入进口集箱，再由上升管引入锅筒。各个烟道之间均用法兰

6、连接。其实物图如图2所示。图1 余热锅炉原理图图2 余热锅炉实物图1.3工作原理燃烧设备出来的高温烟气经烟道输送至余热锅炉入口，再流经过热器、蒸发器和省煤器，最后经烟囱排入大气，排烟温度一般为 150180，烟气温度从高温降到排烟温度所释放出的热量用来使水变成蒸汽。锅炉给水首先进入省煤器，水在省煤器内吸收热量升温到略低于汽包压力下的饱和温度进入锅筒。进入锅筒的水与锅筒内的饱和水混合后，沿锅筒下方的下降管进入蒸发器吸收热量开始产汽，通常是只用一部分水变成汽，所以在蒸发器内流动的是汽水混合物。汽水混合物离开蒸发器进入上部锅筒通过汽水分离设备分离，水落到锅筒内水空间进入下降管继续吸热产汽，而蒸汽从锅

7、筒上部进入过热器，吸收热量使饱和蒸汽变成过热蒸汽。根据产汽过程的三个阶段对应三个受热面，即省煤器、蒸发器和过热器，如果不需要过热蒸汽，只需要饱和蒸汽，可以不装过热器。当有再热蒸汽时，则可加设再热器。1.4余热锅炉的分类与特点按余热的性质可分为以下几大类: 1.高温烟气余热:它是常见的一种形式,其特点是产量大,产点集中, 连续性强, 便于回收和利用, 其带走热量占总热量4050%,该余热锅炉回收热量,可用于生产或生活用热及发电。 2. 高温炉渣余热:如高炉炉渣,转炉炉渣,电炉炉渣等,该炉渣 温度在1000以上,它带走的热量占总热量的20%。3.高温产品余热:如焦炉焦碳,钢锭钢坯,高温锻件等,它一

8、般 温度.很高,含有大量余热.。4.可燃废气、废液的余热:如高炉煤气,炼油厂的催化裂化再生废气,造纸厂的黑液等,它们都可以被利用。5.化学反应余热:如冶金,硫酸,磷酸,化肥,化纤,油漆等工 业部门,都产生大量的化学反应余热。 6.冷却介质余热:如工业炉窑的水套等冷却装置排出的大量冷却 水,各种汽化冷却装置产出的蒸汽都含有大量的余热,它们都可 以被合理利用。7.冷凝水余热:各工业部门生产过程用汽在工业过程后冷凝减 时所具有的物理显热。由于余热是与其它生产设备及工艺密切相关,故余热利用又具有以下特点: 1. 热负荷不稳定,主要有工艺生产过程所决定。2.烟尘的成分,浓度,粒度差别比较大，从而使锅炉的

9、受热面布置受影响,必须考虑防磨、堵灰及除尘。 3.烟气成分的多样性,使有的烟气具有腐蚀性。如烟气中的二氧化硫,烟尘或炉渣中的各种金属和非金属元素等都可能对余热设备产生低温或高温腐蚀和积灰。 4.受安装物所固有条件的限制。如有的对锅炉进,出烟口标高 的限制;有的对锅炉排烟温度的限制,使其满足生产工艺的要求。1.5余热锅炉现状及发展目前，国外利用余热发电的新趋势，是单机功率小，载热体温度低(即利用中低温余热发电)。国内也有一些利用余热发电，如炭黑工业中的低热值尾气余热和硫酸工业中的硫酸余热发电等，所发的电能主要供工厂自用。目前，已把如何利用中低温的低品位余热发电，作为开发节能新技术的重要课题。余热

10、锅炉是一种理想的节能设备， 它不但能节约能源，而且对提高主流程的质量，减轻公害和满足某些工艺流程要求，都起着十分重要的作用。现有的余热锅炉按进锅炉的介质特性，有以下几种主要型式：(1)废烟气不需要进一步处理的余热锅妒；(2)废烟气需要进一步处理的余热锅炉；(3)废烟气要进一步处理， 且其冷却应在给定的间时内完成的余热锅炉；(4)固体显热的余热锅炉近十几年，余热锅炉技术发展十分迅猛。七十年代初我国着手并开始实施发展余热锅炉的规划。从1974年到1980年，先后投资扩建余热锅炉研究和制造基地， 现已形成具有一定的余热锅炉研制能力以及科研基础。至今已开发并制造了涉及15个类剐、74个品种、101个规

11、格的余热锅炉2000余台。我国余热锅炉产品技术水平， 除少数接近或达到国际上同类产品的先进水平外， 大多数相当于国外五， 六十年代的水平，其主要差距反映在以下几个方面；(1)热利用率低；(2)自控水平落后；(3)积灰率高和清除效果差(特别是有色冶炼工艺中的余热锅炉)。实践证明，余热锅炉在各企业的节能中发挥了相当有效的作用， 获得了较好的经济效益， 其投资一般可在3 4年内回收。余热锅炉的作用现已超越了单纯的余热利用，事实上它的作用与工艺流程现代化和防止环境污染方面已无法截然分开， 所以各种类型的余热锅炉相继问世。我国近几年产量每年约在400500蒸吨之间，尚不能满足市场的需要。据预测，1990

12、年，全国余热锅炉需要量在1000蒸吨年以上。随着技术的进步，今后工业部门将普遍采用高能效的先进工艺流程，这样能源的有效利用率提高，高温余热资源总量相应减少，而中、低温余热资源相应增长。因此，余热利用技术将由高温余热回收技术转向中，低温和固体显热的余热回收利用技术，但在近期仍以发展高温余热回收的锅炉产品为主。如干法熄焦余热锅炉，化铁炉余热锅炉， 转炉余热锅炉等。当然也必须为今后开发中、低温和固体显热回收的余热利用技术以及城市垃圾焚烧余热锅炉开展一些科研工作， 以加快设计，制造各种类型、容量和参数的余热锅炉，满足来来市场的需求。余热锅炉是机械产品及余热发电设备的一个重要组成部分，因此发展余热锅炉，

13、振兴余热锅炉行业，也是振兴机械工业和电力工业，促进产品上质量、上品种和上水平不可缺少的环节。为实现上述目的，建议采取以下措施：1改进老式产品，开发新产品，赶上世界先进水平；2在产品开发中，科研设计要与推广应用相结合；3加强与国外的技术交流，借鉴国外的先进经验；4制定必要的技术和经济政策，发挥科研人员的工作积极性。2小型余热锅炉蒸汽温度控制系统设计2.1控制方案选择随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。通常，烟气温度

14、过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。蒸汽温度系统则是余热锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是余热锅炉蒸汽温度系统的控制。蒸汽温度系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高或过低，对余热锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽

15、湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。余热锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成， 在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行。过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、锅炉给水温度、流经过热器的烟气温度及流速的变化等。而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：(1

16、) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格：(2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对蒸汽温度的自动调节。2.1.1 单回路控制方案单回路控制系统是最基本的控制系统。由于其结构简单，投资少，易于调整，操作维护比较方便，又能满足多数工业生产的控制要求，应用十分广泛。在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热度，亦改变进口蒸汽温度。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的。减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动

17、态特性。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。2.1.2 串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的

18、闭环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最后校正作用。串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。串级控制由于副环的存在，改善了对象的特

19、性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强。2.1.3最终选择方案经过比较，只有串级控制方案才能满足课程设计题目要求。2.2串级控制系统方框图烟气温度 烟气温度给定 烟气流量 烟气流量锅炉内水温出口蒸汽温度调节阀门副调节器主变送器副变送器主调节器 副参数 主参数图3 串级控制系统方框图主被控变量为温度，副被控变量为锅炉内的水温，控制变量为流入锅炉的水流量，干扰变量为前一个工序产生的烟气流量和温度由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的

20、，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。2.3余热锅炉蒸汽温度控制系统原理图T1TTcccT1Cccc蒸汽出口烟气出口T2CcccT2Tccc排水给水烟气入口 过热器图4 余热锅炉蒸汽温度控制系统原理图注：T1T为主变送器 T1C为主控制器 T2T为副变送器 T2C为副控制器3元件选择及控制器参数设计3.1温度传感

21、器及变送器3.1.1温度传感器工业装置中使用量最大的是热电偶温度计和热电阻温度计。热电偶能将温度信号转换为电动势信号，具有性能稳定、复现性好、体积小、响应时间小等优点，一般用于测量500以上的高温，可以在1600高温下长期使用。热电阻是中低温区常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200400）最常用的一种温度检测器，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。本系统的被控温度在600以下，并要求维持在360恒定，对精度有一定要求（要求精度等级为1.6），而热电偶主要用于中高范围的温度测量，并且精度也

22、不如热电阻高，故本系统选择铂热电阻（Pt100）作为蒸汽温度传感器（精度等级0.2）。三线制PT100要求引出的三根导线截面积和长度均相同，测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥，铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差，所以本系统采用三线制接法。3.1.2温度变送器 一体化温度变送器具有结构简单、节省引线、输出信号大、抗干扰能力强、线性好、显示仪表简单、固体模块抗震防潮、有反接保护和限流保护、工作可靠等优点，可直接替换普通装配式热电偶、热电

23、阻。其输出为统一的420mA信号，可与微机系统或其它常规仪表匹配使用。综上所述，本系统采用一体化温度变送器。一体化温度变送器一般由测温探头（热电偶或热电阻传感器）和两线制固体电子单元组成。采用固体模块形式将测温探头直接安装在接线盒内，从而形成一体化的变送器。一体化温度变送器一般分为热电阻和热电偶型两种类型。SBWZ热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送单元。它采用二线传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。将热电偶、热电阻信号变换成输入电信号或被测温度或成线性的420mA的输出信号，变送器可以安装于热电偶、热电阻的接线盒内与之形成一体化结构。它作为新一代测温仪表

24、可广泛应用于冶金、石油化工、电力、轻工、纺织、食品、国防以及科研等工业部门。SBWZ一体化温度变送器主要技术指标：1、输入：热电阻Pt100、Cu50、Cu100 热电偶K、E、S、B、T、J、N2、输出：在量程范围内输出420mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；可与热电偶输入的毫伏信号成线性，也可与热电偶温度计的输入温度信号成线性。3、基本误差：0.2% ( 小于1.6%)4、传送方式：二线制5、变送器工作电源电压最低12V，最高35V，额定工作电压24V。6、负载：极限负二载电阻按下式计算即24V时负载电阻可在0600范围内选用，额定负载

25、250。7、环境温度影响0.05%/8、正常工作环境： a、环境温度 -25+80 b、相对湿度5%95% c、机械振动f55Hz振幅0.15mm2.3 调节阀查询SBWZ系列温度变送器的型号，SBWZ-2460测温范围为0600，传感器分度号为Pt100，适用于本系统，故选择SBWZ-2460温度变送器作为系统的检测环节。热电阻三线制变送器安装接线图如图4所示图5 温度变送器接线图3.2 调节阀在自动控制系统中，调节阀是常用的执行器。控制过程是否平稳取决于调节阀能否准确动作，使过程控制体现为物料能量和流量的精确变化。所以，要根据不同的需要选择不同的调节阀。选择恰当的调节阀是管路设计的主要问题

26、，也是保证调节系统安全和平稳运行的关键。3.2.1调节阀气开、气关作用方式选择根据工艺要求及安全生产的因素考虑，一旦发生事故，系统失控时，供水调节阀应该处于全开的位置，使过热器不致因给水中断而烧坏，避免事故，所以调节阀采用气关式阀门。3.2.2 调节阀流量特性选择关于调节阀流量特性的确定，应满足在整个调节过程中，对象特性的变化能通过调节阀的特性变化得到补偿，使调节系统中广义对象的特性尽可能稳定，保证调节质量。系统中控制对象的工作点比较稳定、调节阀两端的压差也比较稳定，阀门的开度基本上保持在一个固定的位置上，阀门的放大系数Kv变化不大，对象的放大系数Kv也变化不大，此种情况下，不论是线性特性还是

27、对数特性都可以。本系统选择线性流量特性的调节阀。3.3 控制器设计由上文论述可知，系统的控制结构选择串级控制。3.3.1 控制器控制规律的选择在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余差。从串级控制的结构上看，主环是一个定制系统，主控制器起着定值控制作用，为使其稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由于控制通道容量之后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。若副控制器有微分作用

28、，一旦主控制器输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副控制器只选用比例控制器。3.3.2 控制器正、反作用选择对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。为了使副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负”。在本设计中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负”；而调节阀为气开阀，即其控制作用为“正”，所以副调节器的控制作用应为负作用。主控制器的正、反作用要根据主环所包括

29、的各个环节的情况来确定，同时可将副回路视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是以随动系统。这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。在本系统中，主对象的放大倍数为的符号为“正”，所以主控制器应选“负”作用。3.3.3 控制器的电路实现主控制器采用PID调节器，副控制器采用P调节器，可以使用单片机编程实现P、I、D的调节作用，也可以直接使用模拟电路搭建PID调节模块，在实际生产中，大多采用制作成型的PID模块以保证系统的正常运行。3.3.4调节器选型本系统采用KSC5 智能PID控制仪，KSC5PID控制仪可以与

30、各类传感器、变送器配合，实现对温度、压力、液位、成份等过程量的定值控制。产品特点：0.2%FS高精度，自校准和人工校准功能。克服长时间使用和环境温度变化引起的误差对传感器的修正功能，帮助减小传感器误差，有效提高系统的测量、控制精度多重保护、隔离设计，抗干扰能力强、可靠性高丰富的软件功能及方便的操作界面完善的网络通讯功能。与计算机进行高速、高效的双向数据交换。具备远程调试、诊断、数据采集能力良好的软件平台，具备二次开发能力，以满足特殊的功能要求详细技术参数如下:输入信号:热电阻：Pt100、Cu100、Cu50、BA1、BA2、G可通过设置选择。热电偶：K、S、R、B、N、E、J、T可通过设置选

31、择直流电流信号：420mA、010mA、020mA可通过设置选择直流电压信号：15V、05V可通过设置选择精度：测量周期：0.3s控制周期：0.3s75.0s可设置测量精度：0.2%FS1个字，自动对温漂、时漂进行补偿测量分辨率：1/16000、14位A/D转换器显示范围：-19999999热电阻输入导线电阻：小于20热电偶输入冷端补偿范围：060，精度1设定精度：与显示值一致无相对误差调节方式：自整定PID连续控制或ON/OFF控制比例带：0.2%999.9%积分时间：0s9999s微分时间：0s3999s操作输出限幅范围：-6.3106.3%报警:报警方式，报警灵敏度可设置报警输出接点容量

32、：220VAC，3A（阻性负载）传感器故障继电器输出（扩展功能）控制输出：420mA、010mA、020mA可通过设置选择精度：0.3%FS位式控制输出：继电器接点输出或控固态输出外供电源：大于30mA电源电压：V0：187242VAC耗电量5VA以下V1：2028VDC 耗电量4VA以下工作环境：温度：050湿度：低于90RH 温度变送器与KSC5的接线图如图5所示。图6 温度变送器KSC5接线图3.5 控制器参数整定3.5.1 主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接

33、单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。该参数可直接反应控制目的。3.5.2副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原则，选择锅炉内的水温作为副变量。3.5.3控制变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为： 选择对

34、所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制变量； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；综合以上原则，选择流入锅炉的水流量为控制变量。3.5.4调节器参数的整定调节器参数整定方法可以简单归结为理论计算法和工程整定法两大类。理论计算法要求知道被控过程的数学模型，由于难以获得被控过程精确的数学模型，因而理论计算法在工程上较少采用。工程整定法不需要对象特性的数学模型，可直接在现场进行参数整定，方法简单、操作方便、容易掌握，在工程实际中得到广泛应用。常用的工程整定方法有稳定边界法、衰减曲线法

35、、响应曲线法和经验法。首先进行副调节器参数整定：通过衰减曲线法整定出结果Kp=1然后再进行主调节器参数整定，根据系统特性，采用衰减曲线法进行参数整定如下：1 首先取，比例度P置于较大数值，将系统投入自动运行状态。 2 等系统运行稳定后，对设定值做阶跃扰动，然后观察其过渡过程。若过渡过程振荡衰减太快，则减小比例度。反之亦然。如此反复，直到衰减比为4：1，并记录对应的比例度3 按照表1所给的经验公式计算主调节器的整定参数值、和，并按计算结果设置调节器的参数。表1 衰减比为4:1时，衰减曲线法整定参数计算表整定参数调节规律(%)PPI1.20.5PID0.20.30.1控制对象为出口蒸汽温度，器传递

36、函数为：得出主调节器的整定参数值为：P=8.4, Ti=12.8/8.4, Td= 04 调节过程分析假设出口蒸汽温度过高，由于调节器是反作用，所以主调节器输出信号会变小，即副调节器设定值变小，另外从蒸汽温度过高可以分析出锅炉内水温也过高，这就造成副调节器输出信号变小。最终造成气关式阀门的开度变大，给水量增大，使锅炉内水温降低，出口蒸汽温度降低直至稳定为止。反之亦然。5 Matlab 仿真仿真图如图6图6 仿真框图给定阶跃信号源r: value=360 step time=0 干扰源q1阶跃信号为:value=100 step time=15 final time=18干扰源q2阶跃信号为:v

37、alue=100 step time=35 final time=38仿真结果分析图7 无干扰情况下仿真结果图8 有干扰情况下仿真结果经过对图形的分析，发现不管在有无干扰下，在这个控制系统的作用下，都能满足使出口蒸汽温度为360，稳态误差小于6的要求。所以该控制系统设置满足了工艺要求。6 小结与体会通过两周的过程控制系统与仪表课程设计，我收获很多。不但了解余热锅炉蒸汽温度控制基本知识，掌握了串级控制系统的组成，还了解了PID调节器的作用和PID调节器的稳态特征。了解了调节器的设计问题，最终掌握了PID调节器的参数整定方法。这次课程设计，让我们有机会将课本知识运用到实践当中。并通过对知识的综合利

38、用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时这次课程设计，我也充分锻炼了自己的查阅资料能力、设计能力、与同学相互合作的能力，认识到课本的局限性。 要想真正提高自己的能力，就不能只局限于课本，要学习各方面的知识，要多从实践中总结经验，从而达到理论与实践的相互融合。课程设计中遇到很多难题和突破不了的障碍，在老师的细心指导下，最终彻底的搞懂了。总之这次课程设计收到了所期待的目标。6参考文献1金以惠;方崇智;过程控制;清华大学出版社;1993年4月第1版2王桂增;王诗宓;徐博文;李春文;叶昊;高等过程控制;清华大学出版;2002 3孙优贤;褚健;工业过程控制技术;方法篇;化学工业出版

39、社;20064王永初;任秀珍;工业过程控制系统设计范例;科学出版社;19865徐用懋;王诗宓;工业过程模型化及控制;清华大学出版社;19916严伯钧;过程控制系统分析与设计;中国纺织出版社;1994.57黄正慧;刘朝英;齐树兴;过程控制系统工程设计;科学出版社;1995本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别 男专业、班级课程设计题目： 小型余热锅炉蒸汽温度串级控制系统的设计课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：序号评定项目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）3设计结果（例如：硬件成果、软件程序）（25分）4态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）5设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）6答辩（20分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日