目录
一、概述-----------------------------------------------------------------------2 1．1工业锅炉概述----------------------------------------------------------------2 1．2国内工业锅炉发展状况--------------------------------------------------------2 1．3国外工业锅炉发展状况--------------------------------------------------------2 1．4工业锅炉的调节任务----------------------------------------------------------2 二、工业锅炉控制系统的基本任务和要求--------------------------------------------3 2．1给水控制系统----------------------------------------------------------------3 2．2过热蒸汽温度的调节系统------------------------------------------------------3 2．3燃烧调节系统----------------------------------------------------------------3 2．4锅炉的主要设计参数----------------------------------------------------------4 三、工业锅炉自动控制系统方案的设计----------------------------------------------4 3．1给水控制系统----------------------------------------------------------------4 3．1．1 锅炉汽包给水控制对象的特点
3．1．2锅炉汽包给水控制对象的动态特性
3．1．3测量给水控制系统仪表的选择
3．1．4给水控制系统的设计
3．1．5给水控制系统的工作原理及SAMA图
3．2过热蒸汽温度的调节系统-----------------------------------------------------10 3．2．1过热蒸汽温度的调节系统对象的动态特性
3．2．2测量过热蒸汽温度仪表的选择
3．2．3过热蒸汽温度的调节系统的设计
3．2．4过热蒸汽温度串级控制系统的工作原理
3．3燃烧调节系统---------------------------------------------------------------12 3．3．1燃烧调节系统的对象动态特性
3．3．2测量燃烧调节系统仪表的选择
3．3．3燃烧调节系统的设计
3．3．4燃烧控制系统的工作原理及炉膛负压子系统的SAMA图
四、锅炉的报警系统-------------------------------------------------------------17
五、工业锅炉热工控制系统流程图-------------------------------------------------17
六、设计小结-------------------------------------------------------------------18
七、参考文献-------------------------------------------------------------------18
八、附页-----------------------------------------------------------------------19
一、概述
1．1工业锅炉概述
锅炉由汽锅和炉子组成。炉子是指燃烧设备，为化石燃料的化学能转换成热能提供必要的燃烧空间。汽锅是指加热设备，为汽水循环和汽水吸热以及汽水分离提供必要的吸热和分离空间。
锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学转换为水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着重要的角色。它已经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅速发展却是近几十年的事情。国外的锅炉制造工业50至60年代发展最快，70年代前后达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来，1953年在上海首创了上海锅炉厂[1]。
锅炉种类很多，按所用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉；有利用残渣、残油、池放气等为燃料的锅炉。所有这些锅炉，虽然料种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。
1．2国内工业锅炉发展状况
我国现有锅炉25万台，每年消耗原煤产量的三分之一[1]。随着生产的发展，在相当长的一段时间里，还会有越来越多的工业锅炉投入使用。这些工业锅炉的管理水平，运行水平以及自动化水平大多很低，热效率还远远没有达到制造厂家的设计指标。其中比较突出的原因是管理不完善，设备落后，既没有必要的自动化检测和控制仪表，也缺乏应有的技术力量，其运行水平主要决定于司炉人员的技术水平、生产经验和工作的责任心。
1．3国外工业锅炉发展状况
为了使锅炉设备既能安全可靠地运行、又能最大限度地提高效率，就必须使锅炉设备实现较高水平的自动化。目前国外较大型的锅炉设备[2]，其自动控制系统主要有：自动燃烧控制（ACC）、给水控制（FWC）、过热蒸汽温度控制（STC）、再热蒸汽温度控制（RTC）、炉内压力控制（BSC）等。此外，还有送风机的转速控制、排水的PH控制、燃烧混合控制、空气预热器温度控制等。
1．4工业锅炉的调节任务
工业锅炉的生产任务是根据用户的要求，产生具有一定参数（温度和压力）的蒸汽或热水。为了满足用户的要求以及保证锅炉本身运行的安全性和经济性，工业锅炉主要有以下五项调节任务[2]：
（1）保持汽包中的水位在规定范围内；
（2）保持燃烧的经济性和保证锅炉运行的安全性；
（3）保持炉膛负压在规定范围内；
（4）使锅炉蒸发量迅速适应用户的需要；
（5）稳定蒸汽或热水的温度和压力。
工业锅炉自动控制主要包括以下4个方面：
（1）自动检测自动地检查和测量反映锅炉运行情况的参数和设备状态，如给水流量、蒸汽流量、炉膛负压、蒸汽压力、排烟温度、锅炉水位等。
（2）程序控制使锅炉的起动、停止以及正常运行等一系列操作自动化，程序是根据操作顺序和条件编制的，如燃油锅炉是按先起动鼓风机、再起动油泵、点火和主油阀的顺序进行的。
（3）自动保护可以分为以下几种保护：
（a）联锁保护
（b）限值保护
（c）紧急保护
（d）指示和报警
（4）自动调节锅炉的一些被调参数应自动地适应运行条件的变化，使锅炉保持在所要求的工况下运行。
二、工业锅炉控制系统的基本任务和要求
2．1给水控制系统
给水控制系统的任务是保证汽包水位在容许的范围内，并兼顾锅炉的平稳运行。被调量是汽包水位，调节量是给水流量，它主要考虑汽包内部物平平衡，使水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。锅炉在低负荷（30%额定负荷）运行时，使用单冲量给水控制系统；当锅炉负荷大于30%额定负荷时，自动切换为串级三冲量控制系统。为使水位信
进行修正。
号测量更为准确，对水位信号要求通过汽包压力P
b
2．2过热蒸汽温度的调节系统
汽温控制主要是过热汽温控制。其基本任务是维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管理温度不超过允许工作温度，要求采用串级控制。由于大型锅炉的过热器是在接近过热器金属的极限温度的条件下运行的，金属管强度的安全系数不大，过热蒸汽温度过高会降低金属管的强度，影响设备的安全；而温度过低又会使热效率下降。同时过热蒸汽温度也是影响安全生产的重要因素，维持过热蒸汽温度相对稳定显得极为重要。
2．3燃烧调节系统
锅炉燃烧过程自动控制的基本任务是既要提供适当的热量以适应蒸汽负荷的需要，又要保证燃烧的经济性和运行的安全性，即使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要；使燃
料量与空气量之间保持一定比例，以保证经济燃烧，使引风量与送风量相适应，以保证炉膛负压稳定。
为此设置了如下三个相互关联控制系统。
，副被调量为燃（1）主蒸汽压力与流量的串级调节系统以主被调量为出口蒸汽压力P
M
料流量所组成的串级调节系统。这系统带有燃料阀后压力选择性调节。为保证燃烧器的正常
低于某数值时，压力调节器PC发出大信号，通过运行，当燃烧器前（调节阀后）的压力P
BM
高值选择器的切换动作，取代正常工况的蒸汽压力调节器去控制燃料调节阀，从而使P
保持
BM
在一定数值，不致过低而产生熄火。当锅炉带固定负荷时，锅炉负荷由定值器给定。此时，燃料流量决定于定值器的输出信号，而与汽压调节器的输出无关。
（2）以烟气含氧量作为燃烧经济性指标，送风调节是以烟气含氧量为主被调量，而以风量F（风量信号经风温度校正）为副被调量的串级调节系统。烟气含量的定值随锅炉负荷改变。
为被调节量，引风量为调节量的（3）带有送风调节器的输出为前馈信号，以炉膛负压P
f
前馈-反馈复合调节系统。
为了保证燃料在动态过程中完全燃烧，在系统中应用高值选择器1和低值选择器2以实现加负荷时先加风，后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。为了消除蒸汽流量、空气流量、锅炉汽包水位和炉膛负压等被测信号的脉动，可采用阻尼器f(t)以平滑高频脉动干扰，使整个控制系统工作平稳。
2．4锅炉的主要设计参数
最大连续蒸发量： 35t/h
主蒸汽压力： 3900kPa
主蒸汽温度： 450℃
省煤器进口给水温度 150℃热风温度160℃冷风温度30℃
排烟温度：140℃
锅炉设计效率：85.7%
三、工业锅炉自动控制系统方案的设计
3．1给水控制系统
3．1．1 锅炉汽包给水控制对象的特点
影响锅炉汽包水位的因素很多，不仅受到给水量（锅炉的输入量）和蒸汽量（流出量）之间平衡关系的影响，同时还要受到汽水循环管路中汽水混合物内汽水容积变化的影响。因为锅炉汽包中的液位H值不仅反映了汽包（包括水循环的管路）中的蓄水容积，也反映了水面下汽泡的容积。水面下汽泡的容积又和锅炉的负荷和蒸汽的压力有关。所以影响锅炉汽包水位变化的因素是很多的，概括起来有四个方面[2]：
一是给水方面的扰动，包括给水母管压力的变化和给水调节阀开度的变化；
二是蒸汽负荷的变化；
三是燃料量的变化，还包括影响燃料发热量变化的种种因素；
四是汽包压力变化，压力变化对汽包水位的影响是通过汽包内部汽水系统的“自凝力”和自“蒸发力”过程起作用的。
工业锅炉汽水系统结构图如图1-1所示。汽包及蒸发管系中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的，汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么汽包水位调节对象的动态特性可表示为：
（3-1）
式中 h——汽包水位的高度；
T
W
——给水流量项的时间常数，s；
T
D
——蒸汽流量项的时间常数，s；
K
W
——给水流量项的放大系数；
K
D
——蒸汽流量项的放大系数；
D——锅炉蒸汽流量，kg/s；
W——锅炉给水流量，kg/s；
T
1、T
2
——时间常数，s.；
3．1．2锅炉汽包给水控制对象的动态特性3．1．2．1汽包水位在给水流量作用下的动态特性
如果蒸汽负荷不变，给水流量产生变化时，汽包水位调节对象运动方程式可以表示为：
（3-2）
将上列微分方程式两边进行拉氏变换后可得到下式：
（3-3）
从上式中，可以得到汽包水位调节对象在给水流量作用下的传递函数：
（3-4）
在工程上，对于中压以下的锅炉，给水流量项的时间常数一般较小，常常可以忽略不计，因此上式可以简化为：
（3-5）
式中称为反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度。
从式（3-5）可以看出，汽包水位在给水流量作用下的动态特性，是由一个积分环节和一个一阶惯性环节组成。这样，在给水流量发生阶跃变化时，汽包水位的动态特性如图2-1所示的反应曲线。
由曲线可知：当突然加大给水流量后（假定蒸发量不变），给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不增加，而呈现出一段起始惯性段，而在后阶段近等于速度变化。如果做h线的渐进线并延长使之交于汽包在手扰动作用前的水位线h0，所截得的时间r，称为滞后时间。
反应曲线h可以认为由曲线h1和h2相加而成。h1仅仅反映蓄水量的变化所引起的水位的变化，当给水W作阶跃变化时，h1的变化反映了汽包水位对象的积分特性。h2是反映水面下的汽泡容量变化时水位的变化，因为当给水量增加的初级阶段，温度较低的给水进入了水循环系统，使其中原来的水温度降低。所以当给水量变化时，h2的变化反映了起爆1水位对
象的惯性特性，总的曲线h可以看作反应曲线h1和h2相加而得。
3．1．2．2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性
在给水量不变化的情况下，当负荷蒸汽量发生阶跃变化时，汽包水位调节对象的动态特性微分方程式，可以从（3-1）式导出：
（3-6）
对微分方程式进行拉氏变换得：
（3-7）
所以，在蒸汽流量扰动下汽包水位调节对象的传递函数为：
（3-8）
上式化简可看作两个动态环节的并联组成，即：
（3-9）
式中
因此，在蒸汽流量扰动下，汽包水位调节的动态特性曲线如图2-2所示。
汽包水位的特征曲线h可以分为h1和h2两部分，图中h1仅仅考虑由于蒸汽流量和给水流量不平衡，引起的水位变化；h2是由于蒸汽流量的扰动，改变了蒸汽压力而引起“虚假”
[4]水位的变化。
当锅炉的蒸汽负荷增加时，蒸发量大于给水量，从汽包蓄水量来看，汽包水位应该下降，如图中h1直线所示，但在蒸发量和蓄水量产生不平衡的初级阶段，因水位下降存在滞后时间r，所以实际的变化应为h1曲线。但实际上，当蒸汽负荷增加时，虽然锅炉繁荣给水量小于蒸发量，可水位不但不下降，反而迅速上升，这种特殊现象称为“虚假水位”现象。
“虚假水位”产生的原因[4]是，蒸汽流量增加，汽包内的气压下降，炉水的沸点降低，使炉管和汽包内的汽水混合物的汽容积增加，体积膨胀，引起汽包水位上升。
所以，由于虚假水位现象，使汽包水位特性曲线h开始上升，当汽水混合物中汽的容量与负荷相适应而达到平衡时，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应当指出，当蒸汽负荷作阶跃变化时，一开始h2的变化速度比h1的变化速度快得多。
另外，当锅炉的负荷突然减小时，则汽包水位变化的情况是相反的汽包水位先下降后上升。
3．1．2．3汽包水位在燃料量扰动下的动态特性
汽包水位在燃料量B扰动下的响应曲线如图2-3所示。
当燃料量增加时，锅炉的吸热量增加，蒸发量增大，如果用汽量不增大，则随着汽包压力的增大，汽包输出蒸汽量也增大，于是蒸发量大于给水量，暂时产生了汽包进出口工质流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容积增大，此时也会出现虚假水位现象，但由于燃烧率的增加也将同时导致汽包压力的上升，它会使汽包体积减小，另外由于热惯性，燃料量的增加只使蒸汽量D缓慢增加，故虚假水位现象要比D扰动下缓和得多。
3．1．3测量给水控制系统仪表的选择
3．1．3．1测量给水流量仪表的确定
在给水控制系统中，调节量是给水流量，流量的测量和控制是一个重要热工参数。流体的流量直接反映设备效率、负荷高低等运行情况。因此连续测量和监测流体的流量对于热力设备的安全、经济运行有着重要意义。流量测量的方法很多，在工业锅炉中所用的流量仪表[3]可归纳为三大类：
（1）容积式流量计其共同特点是：都有一个精密的、已知体积大小的测量腔室。按运动部件的形状不同，有椭圆齿轮流量计，腰轮流量计和刮板流量计等。
（2）速度式流量计包括了除容积式流量计以外的其他各种工作原理的流量测量仪表。其共同特点是：它们都是利用某一物理参数与流体的速度或体积流量之间的对应关系来实现流量测量的。
（3）质量式流量计其输出信号不受由于流体压力、温度等参数改变引起的流体密度变化
的影响，其测量准确度有很大的提高。
从被测流体的温度高低选择流量计。一般玻璃转子流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、水表、涡轮流量计和电磁流量计适用于被测介质温度在0—100度以内；金属转子流量计、耙式流量计、涡轮流量计适用于被测介质温度在0—200度以内；差压式流量计适用于被测介质在0—250度以内。
根据设计参数要求进口给水温度为150度，结合又可以测量水流量的流量仪表，因此，选择差压式流量计。
3．1．3．2测量汽包水位仪表的确定
工业锅炉生产过程中，汽包水位准确的测量和控制，对于锅炉的安全运行极为重要。汽包水位过高或过低，都将引起蒸汽品质变坏或水循环恶化，甚至造成严重事故。在给水控制系统中，被调量是汽包水位。
常用的水位测量仪表及变送器有差压式水位计、电接点水位计和电极式水位控制器等。3．1．4给水控制系统的设计
根据汽包锅炉给水控制对象的动态特性的特点，我们可以提出确定给水控制系统结构的一些基本思想：
（1）由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路控制系统，则控制过程中水位将出现教大的动态偏差，
给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采
用串级或其他控制方案。
（2）由于对象在蒸汽负荷扰动（外扰）时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流
量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。
所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量D为前馈信号[5]的前馈系统，以改善给水控制系统的控制品质。
根据本次课程设计的锅炉控制系统和设计参数的要求，应采用串级三冲量给水控制系统，增加一个主控制器作水位控制器，两个控制器串联工作，各司其职，分工明确，整定方便。
串级三冲量控制系统流程图 2-4
串级三冲量控制系统原理方框图 2-5
从结构上看:是一个前馈－串级控制系统；
从完成的任务上看：是一个串级－比值（变比值）控制系统，维持W=D 的最终目的是保证汽包水位等于给定值。
3．1．5给水控制系统的工作原理及SAMA 图（见附页图2-6）
串级三冲量给水控制系统[5]
的串级调节系统是在前馈-反馈调节系统的基础上增加了一个调节器构成的。其主调节器采用比例积分作用，副调节器采用比例调节作用。
串级系统主、副调节器的任务不同，副调节器的任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量的平衡；主调节器的任务是校正水位偏差。
3．2过热蒸汽温度的调节系统
3．2．1过热蒸汽温度的调节系统对象的动态特性
由图可见，减温水流量扰动下对象动态特性最 差，
都大，但工艺过程确定[6]只能以减温水作为操纵量，单回路控制系统显然无法满足控制质量要求，为了克服对象大的惯性和延迟，采用串级控制最为相宜。
过热汽温对象动态特性图3-1
影响过热器出口汽温θs 的因素很多，主要有三个方面：即蒸汽流量（负荷）D 变化，减
T ττ、、T 蒸汽流量
θ
烟气流量 减温水流量
D
O
-W j
温水量W j 变化和烟气热量Q 变化。对于不同的扰动，过热汽温对象的动态特性如图3.2所示。比较三种扰动的阶跃响应曲线可知，在各种扰动下，过热汽温对象都是有迟延、有惯性和有自平衡能力的，只是τ、T 值互不相同。当蒸汽量或烟气传热量变化时，沿过热器管道长度方向上的各点温度几乎同时变化。在D 、Q 扰动下，对象的迟延时间τ和时间常数T 都较小，而当减温水量变化时，过热器内的蒸汽及管壁形成具有分布参数的多容对象，因而τ值、T 值最大。减温器离过热器出口越远，迟延和惯性就越大。 3．2．2测量过热蒸汽温度仪表的选择
温度是表示物体冷热程度的一个物理量。温度测量仪表种类很多，按其测量方式可分为接触式和非接触式两大类。工业锅炉生产中常用的测温元件[3]，一般有玻璃液体温度计、双金属温度计、热电阻和热电偶等四大类：
（1）双金属温度计适宜于测量温度小于300度的介质；
（2）有机液体玻璃温度计的指示液呈红色，易于读数，但不能带电接点，适宜于测量低于100度的介质温度又不要求发信号；
（3）热电偶一般用于测量500度以上的高温介质；
（4）热电阻温度计适于测量-200—500度的温度介质，主要用于液体、气体蒸汽中、低温测量。
在本过热蒸汽温度的串级控制系统中，根据参数设计要求主蒸汽温度450度，因此，在主副回路中的检测仪表都选用热电阻温度计。 3．2．3过热蒸汽温度的调节系统的设计
根据已知该系统的基本任务是维持过热器出口温度在允许范围之内，并保证管理温度不超过允许工作温度，所以要求采用串级控制。
过热蒸汽温度串级控制系统原理方框图3-2
对象在喷水量Wj 扰动下，过热器出口汽温θs 有较大的容积迟延，但减温器出口蒸汽温度θｄ则有明显的导前作用，若以θd 为副参数、θs 为主参数组成如图3-2所示的串级控制系统，可使控制质量得到改善。该系统中副回路及副控制器的任务是快速消除作用于内回路的干扰的影响，主回路及主控制器则保证过热器出口汽温恒定。目前大多数机组过热器都分段布置采用两级喷水减温常规串级控制方式，Ⅰ、Ⅱ级汽温控制系统是各自独立的串级系统，如下图所示。如仅从过热器出口主蒸汽温度的控制效果来考虑，则Ⅰ级汽温控制系统相当于
θr
蒸汽流量
蒸汽流量及温
粗调，Ⅱ级汽温控制系统相当于细调；Ⅰ级汽温控制的任务是消除来自燃烧工况变化等扰动的影响，稳态时维持屏式过热器出口汽温为给定值，该给定值随负荷而改变。同时Ⅰ级喷水减温还具有防止屏式过热器超温确保机组安全运行的作用；Ⅱ级汽温控制的任务则是保证过热器出口主蒸汽温度等于给定值。为了改善控制质量在系统设计上还考虑了机组负荷等作为前馈信号。
过热蒸汽温度控制系统图3-3
3．2．4过热蒸汽温度串级控制系统的工作原理
对象在喷水量扰动下，过热器出口汽温有较大的容积迟延[6]，但减温器出口蒸汽温度则有明显的导前作用， 若以为θd 副参数、θs 为主参数组成如图所示的串级控制系统，可使控制质量得到改善，该系统中副回路及副控制器的任务是快速消除作用于内回路的干扰的影响，主回路及主控制器则保证过热器出口汽温恒定。
3．3燃烧调节系统
3．3．1燃烧调节系统的对象动态特性
锅炉汽包蒸汽压力是燃烧系统控制对象的主要被调量，分析燃烧系统控制对象的动态特性，是确定燃烧系统自动控制方案的主要依据。为此，下面分析一下在主要扰动作用下，汽包蒸汽压力变化的动态特性。以蒸汽压力作为被控制量的燃烧控制对象的生产过程如图4-1所示。
燃烧控制对象的生产过程图 4-1
Ⅰ级减温器
Ⅱ级减温器
(a )
引起蒸汽压力变化的因素是很多的，如燃料量、送风量、给水量、蒸汽流量以及各种使燃烧工况变化的原因。它的主要扰动是燃料量的改变（称为内扰动）和蒸汽流量的改变（称为外扰动）。
3．3．1．1燃料量改变时蒸汽压力变化的动态特性（内扰特性）
锅炉正在正常运行时，若进入炉膛的燃料量发生变化，则炉膛发热量立即改变，几乎没有延迟和惯性，即为比例环节。而蒸发部分可以看作是一个储热量的容积，反映储热量多少的主要参数是汽包压力P。当炉膛发热量Q和蒸汽流量D所带走的热量不相等时，汽包压力P 就要发生变化，其关系式为：
Q-D=C(dp/dt)
Q—单位时间内锅炉炉膛发热量；
D—蒸汽流量（用热量表示）；
C—锅炉蒸发部分的容量系数，即汽包压力变化一个单位时，锅炉蒸发部分储热量的改变；Dp/dt—锅炉汽包压力对时间的变化率。
蒸汽压力变化的动态特性与锅炉的供汽条件有关，如果用汽量D不变，而燃料量改变产生内扰时，蒸汽压力成积分规律变化，蒸汽压力变化的阶跃反应曲线如图4-2所示。
4-2（a） 4-2(b)
（a）图为蒸汽流量不变时，在燃料阶跃ΔB作用下蒸汽压力变化的反应曲线；
（b）图为蒸汽调节阀开度Ma不变时，在燃料量阶跃ΔB用下，蒸汽压力的反应曲线。3．3．1．2蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性（外扰特性）
蒸汽流量改变时对蒸汽压力扰动称为外扰。外扰有两种情况，一种是负荷设备的蒸汽阀门开度改变，另一种是负荷设备用汽量的突然增加（或减少）所产生的。下面就两种情况的扰动下分别分析蒸汽压力变化的动态特性。
如果负荷设备的蒸汽调节阀开度突然改变，锅炉的汽压也随即改变，其反应曲线如4-3，当蒸汽调节阀开度突然开大，则从汽包中流向负荷设备的蒸汽流量立即增加。但是，由于燃料量没有增加，因此蒸汽压力逐渐下降，从汽包中流出的蒸汽量也逐渐减少，最后蒸汽流量只能恢复原来值。
外扰的另一种情况，当负荷设备蒸汽用量突然增加时，汽包正气压力的反应曲线如图4-4，从图中可以看出，汽包蒸汽压力随蒸汽流量的增加反而下降。如果蒸汽流量继续保持增大后
的数值，由于燃料量没有增加，热量不能平衡，所以蒸汽压力一直下降，直到改变燃料量使其产生的热料量与蒸汽流量相平衡时，才能恢复保持锅炉的蒸汽压力。
忽略一些次要因素的影响，我们可以把蒸汽流量改变时蒸汽压力变化的动态特性近似为一个积分环节和迟后环节系统。
图4-3 图4-4
时，锅炉汽压的反应曲线；
图4-3是负荷设备蒸汽阀门开度阶跃变化ΔM
D
图4-4是蒸汽流量阶跃变化ΔD时锅炉蒸汽压力的反应曲线。
3．3．2测量燃烧调节系统仪表的选择
3．3．2．1测量蒸汽压力仪表的确定
工业锅炉生产中，压力测量仪表的种类很多，目前工业上使用最多的是机械式弹簧压力计和压力、差压变送器，以进行压力指示、信号远传和控制。测量压力参数的系统由被控对象、取压口、连接导管和仪表组成。压力表的选型原则有：
（1）对无腐蚀的介质如蒸汽、水的压力的测量可选弹簧管压力表；
（2）对有腐蚀性介质或粘性介质的压力测量应选用膜片式压力表；
（3）对需要发出压力上限、下限极值信号范围的测量，可选带电接点的压力表；
（4）测量锅炉烟风道中烟、风的微压时可选用下列两种风压表：多管玻璃管式
风压表，适用于作成组合测量时的风压，如一次风压、二次风压等；膜盒式微压
计，适用于测量炉膛、烟风道的风压。
根据主蒸汽压力与流量的串级调节系统中，主被调量为出口蒸汽压力P
M
要求为3900kPa，所以结合以上分析选择弹簧管压力表。
3．3．2．2测量烟气含氧量的仪表确定
锅炉生产过程燃烧工况的好坏，直接关系到锅炉生产燃料消耗率的高低和生产的安全。烟气中CO2和O2的含量是判定过剩空气系数大小的依据，它们之间的关系还与燃料品种、燃料方式和设备结构有关。通过O2的含量来确定过剩空气系数的误差较小，因此目前锅炉生产中的烟气分析一般采用氧量计：
（1）氧化钴氧量计适宜于工作温度在800度以上，以保证准确性高。
（2）热磁式氧量计利用气体的热磁效应形成磁风，即把被测烟气中氧气的含量转换成介
质流量信号，从而再转换为电阻值进行测量，是工业锅炉生产过程中分析烟气中氧含量的常用仪表。
在烟气含氧量与风量的串级调节系统中，烟气含氧量为主被调量，结合设计参数中的排烟温度要求在140度，因此，选择热磁式氧量计为测量烟气含氧量的仪表。 3．3．2．3测量炉膛负压的仪表确定
根据前面所述，测量炉膛负压的仪表应选膜盒式微压计。 3．3．3燃烧调节系统的设计
根据系统要求可知，为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若负荷减小时，则应先减少燃料量，再减少送风量。因此必须在燃料量和送风量两个单回路之间进行协调，以满足上述要求。图4-5所示控制系统方框图就是在这两个单回路基础上建立的交叉限制协调控制系统。其中和是燃料量检测变送器和送风量检测变送器传递函数。
带交叉限制的最佳空燃比控制系统原理方框图 4-5
进一步分析单元机组燃烧过程控制的要求及对象特性可知，燃料量控制子系统任务在于使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主汽压为给定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。单元机组协调控制系统中锅炉主控制器就是燃料量控制系统中的主汽压控制器，即串级系统主控制器。
送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。如图4-6所示，它首先在内环快速保证最佳空燃比(燃烧经济性粗调)，至于给煤量测量不准，则可由烟气中氧量作串级校正(燃烧经济性细调)。
带氧量串级校正的送风控制系统原理方框图 4-6
B
V
炉膛负压控制系统的任务在于调节烟道引风机导叶开度以改变引风量，保持炉膛负压为给定值以稳定燃烧减少污染，保证安全
综上可以得到单元机组锅炉燃烧过程自动控制系统组成方案如下图4-7所示。图中五个控制器均采用PI 控制规律[4]，稳态下含氧量（O 2%)和炉膛负压分别等于各自的给定值而
单元机组燃烧过程控制系统组成方案图4-7
3．3．4燃烧控制系统的工作原理及炉膛负压子系统的SAMA 图（见附页图4-8）
锅炉燃烧控制系统有三个被控量，即蒸汽压力、过剩空气系数(含氧量O 2%)和炉膛负压；有三个控制量[2]，即燃料量B 、送风量V 和引风量G ；与此相应可组成三个控制回路分别调节燃料量B 、送风量V 和引风量G 来维持三个被控制量分别等于其给定值。从对象特性看，每一个控制量对任意一个被控量都有影响，如图所示，锅炉燃烧对象是一个多输入、多输出的多变量相关对象。因而三个回路：燃料控制回路、送风控制回路和炉膛负压(引风)控制回路动作也必须是协调相关，不可分割的，从而构成一个包含三个彼此关联的子系统的多参数燃烧过程控制系统。燃烧过程控制划分为三个子系统，即燃料控制系统、送风控制系统和引风控制系统。三个子系统的动作是协调相关、不可分割的。
锅炉各控制量对各被控量的影响图
如上所述，主蒸汽压力PT 被选作为反映锅炉燃烧率是否满足外界负荷要求的被控量，即根据汽压的变化改变燃烧率，以适应负荷的需要。
锅炉燃烧过程调节对象是复杂的多变量相关调节对象，为了减少系统之间的互相影响，保证系统的稳定性，必须快速而严格地保持B 、V 、G 这三个控制量的比例关系。为此，当负荷要求改变时，在控制系统中应考虑采用前馈控制技术，以实现B 、V 、G 调整时的快速比例动作；在负荷不变时，在各控制系统中应采用控制量B 、V 、G 的负反馈技术，以实现B 、V 、
G 维持稳定。
燃烧过程三个调节对象的控制通道动态特性的惯迟延都不大，因此燃烧过程的自动控制从原理上看，是不难实现的。重要的是它的实现，需要涉及到较多的信号，如P T 、O 2、P f 、B 、V 等。因此正确而又快速地测量出这些信号，特别是燃料量信号B 、风量信号V 以及氧量信号O 2测量问题的解决是实现燃烧自动控制的基本前提。
燃烧自动控制系统包括三个相对独立而又紧密联系的子系统。
首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足：锅炉燃烧过程中燃料量与空气(送风)量之间应保持一定比例，总应有空气(送风)量大于燃料量，它们之间存在一个最佳空燃比 （最佳过剩空气系数） 一般情况下，
四、锅炉的报警系统
[2]
4．1高低水位报警
锅炉汽包水位的高度，关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要参数。随着科学技术的飞速发展，现代的锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小方向发展。这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负荷设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧干锅。在现代锅炉操作中，即使缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故。因此，必须对锅炉汽包水位进行检测指示，并且装有上、下限报警装置。
4．2蒸汽超压报警
蒸汽超压报警是通过压力控制器来实现的，在压力超过压力控制器上的设定点时，触点开关动作，带动中间继电器并驱动声光报警来达到报警目的。
4．3过热器温度声光报警
温度是热水锅炉运行过程中的重要参数，对它的测量和控制是保证热水锅炉安全运行的重要手段。一般采用温度控制器和声光信号组成超温报警装置。
五、工业锅炉热工控制系统流程图（见附页图5-1）
K α
=)
()(燃料量空气量B V K ==α1K
α=>
六、设计小结
针对工业锅炉热工控制系统复杂、难于控制的特点，设计了相应的控制系统，分为三个系统：给水控制系统、过热蒸汽温度的调节系统和燃烧调节系统。燃烧调节系统又分三个子系统，即蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛负压控制。
在对各系统方案设计的过程中主要从各对象的动态特性去分析，结合锅炉的参数设计要求，进行测量仪表的选择，作出系统的原理方框图，对给水控制系统和炉膛负压子系统还作出了相应的SAMA图。此外，还从系统的安全出发，分别设置了高低水位报警、蒸汽超压报警和过热器温度声光报警，最后作出了锅炉系统的整个控制流程图。
通过这次过程控制课程设计，尤其是对工业锅炉热工控制系统的设计后，我对《过程控制系统》这门学科了解更加深入，对锅炉系统的各组成部分了解的更透彻。同时，我在查阅文献以及从图书馆查阅图书方面的能力有了很大的提高。
最后，感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会，让我们学到了书本以外的知识锻炼了我们的能力为我们以后的发展打下良好的基础。
七、参考文献
[1]吴德荣，杨泽来，周家哗编著，工业锅炉及其节能，机械工业出版社，1990
[2]张亮明，夏桂娟编著，工业锅炉热工检测与过程控制，天津大学出版社，1992
[3]冯俊凯编著，锅炉原理及计算，北京科学出版社， 1992
[4]何识生，胡茗显，谢积宝编著，热工测量，电力工业出版社，1980
[5]何离庆，张涛明，朱文嘉编著，过程控制系统与装置，重庆大学出版社，2003
[6]孙秀权，唐建，于秀银，杨汝华编著，锅炉和工业炉窑实用计算机控制技术，国防工业出
版社，1993
河海大学常州校区毕业设计（论文） 自动双层停车位PLC课程设计 年级专业________ 12级电气自动化___________ 学生姓名___________ 韩发亮________________ 指导教师___________ 朱丹清________________ 评阅人____________________________________ 教学地点常州冶金技师学院__________
内容摘要 可编程序控制器(Programmable controlle)简称PLC，是近年来一种极为迅速，应用极为广泛的工业控制装置。它是一种专为工业环境应用而设计的数字运行的电子系统，它采用可编程程序的存储器，用来存储用户指令，通过数字或模拟的输入/输出完成确定的逻辑顺序、定时、记数、运算和一些确定的功能来控制各种类型的机械或生产过程。 随着汽车工业的发展，以及国家的经济型社会、节约型经济的政策、可持 续发展战略等，决定了立体停车设备的发展和立体停车设施问题。近年来由于汽车数量的快速增加，对停车场的需求必将日益提高，停车难的问题越来越突出，人们对停车的要求也越来越迫切。而对于快速发展的中国各个城市，停车难也随着城市经济的快速发展和汽车数量的激增接踵而来。 关键词：pic;自动化；方便
前言 (1) 第1章课程内容及设计方案 (2) 1.1组成原理 (2) 第2章方案设计 (3) 2.1取车过程 (3) 2.2存车过程 (4) 2.3结构特点 (5) 2.4系统硬件设计 (5) 2.5外部硬件连接图 (6) 2.6操作面板设计 (7) 2.7控制线路图 (7) 2.8主电路图 (8) 第3章软件设计 (10) 3.1系统软件设计过程 (10) 3.1.1X10车盘的调试 (10) 3.1.2X11车盘的调试 (10) 3.1.3X12车盘的调试 (11) 3.1.4X13, X14车盘的调试 (11) 3.2梯形图 (11) 3.3语句表 (14) 第4章结束语 (17) 第5章谢辞 (18) 参考文献 (19)
过程控制工程 课程设计任务书 设计名称：扬子烯烃厂丁二烯装置控制模拟设计设计时间：2006.2.20~2006.3.10 姓名：毛磊 班级：自动化0201 学号：05号 南京工业大学自动化学院 2006年3月
1.课程设计内容： 学习《过程控制工程》课程和下厂毕业实习2周后，在对扬子烯烃厂丁二烯装置的实际过程控制策略、实习环节的控制系统以及相应的组态软件有一定的认识和了解的基础上，针对扬子烯烃厂丁二烯装置，设计一个复杂控制系统（至少包含一个复杂回路和3-5个简单回路），并利用组态软件进行动态仿真设计，调节系统控制参数，使控制系统达到要求的控制效果。 1)独立完成设计任务，每个人根据下厂具体实习装置，确定自己的课程设 计题目，每1-3人/组； 2)选用一种组态软件（例如：采用力控组态软件）绘制系统工艺流程图； 3)绘制控制系统原有的控制回路； 4)利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利用组态软 件，对控制系统进行组态； 5)改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 6)调节控制参数，使性能指标达到要求； 7)写出设计工作小结。对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：如设计 思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出 说明，并对所完成的设计做出评价，对自己整个设计工作中经验教训， 总结收获。 2. 进度安排（时间3周） 1)第1周选用一种组态软件绘制系统工艺流程图；绘制控制系统原有的 控制回路； 2)第2周利用下厂收集的实际数据和工艺要求，选择被控对象模型，利 用组态软件，对控制系统进行组态； 3)第3周(1-3) 改进原有的控制回路，增加1-2个复杂回路，并进行组态； 调节控制参数，使性能指标达到要求； 4)第3周(4) 书写课程设计说明书 5)第3周(5) 演示、答辩
一．设计任务分析 1.1设计任务的描述 在了解、熟悉和掌握双闭环流量比值控制系统的工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础之上，根据生产过程对控制系统所提出的安全性、经济性和稳定性要求，应用控制理论对控制系统进行分析和综合，最后采用计算机控制技术予以实现。 1.2设计的目的 通过对一个完整的生产过程控制系统的课程设计，使我们进一步加深对《过程控制系统》课程中所学内容的理解和掌握，提高我们将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识综合应用的能力。锻炼学生的综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。从而培养学生分析问题和解决问题的能力。 1.3设计的要求 1.从组成、工作原理上对工业型流量传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。 2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。 3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。 4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。 5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。 6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。 1.4本次设计的具体要求
1.控制电磁阀的开度实现流量的单闭环的PI调节。 2.通过变频器控制电磁阀运行实现流量的单闭环的PI调节 3.用比例控制系统使副回路的流量跟踪主回路的流量，满足一定的工艺生产要求 二．总体设计方案 2.1方案论证 根据实际生产情况，比值控制系统可以选择不同的控制方案，比值控制系统的控制方案主要有开环比值控制系统，单闭环比值控制系统，双闭环比值控制系统几种。 方案一： 单闭环控制系统原理设计的系统框图如图2.1所示。 图2.1 单闭环流量比值控制系统原理图 单闭环流量比值控制系统与串级控制系统相似，但功能不同。可见，系统中没有主对象和主调节器，这是单闭环比值控制系统在结构上与串级控制不同的地方，串级控制中的副变量是调节变量到被控变量之间总对象的一个中间变量，而在比值控制中，副流量不会影响主流量，这是两者本质上的区别。方案二： 在单闭环控制系统基础上，增加一个主流量闭环控制系统，单闭环比值控制系统就成为双闭环比值控制系统，其方框图如图2.2所示。
成都理工大学工程技术学院《过程控制系统课程设计实验报告》 名称：单容水箱液位过程控制 班级：2011级自动化过程控制方向 姓名： 学号：
目录 前言 一．过程控制概述 (2) 二．THJ-2型高级过程控制实验装置 (3) 三．系统组成与工作原理 (5) （一）外部组成 (5) （二）输入模块ICP-7033和ICP-7024模块 (5) （三）其它模块和功能 (8) 四．调试过程 (9) （一）P调节 (9) （二）PI调节 (10) （三）PID调节 (11) 五．心得体会 (13)
前言 现代高等教育对高校大学生的实际动手能力、创新能力以及专业技能等方面提出了很高的要求，工程实训中心的建设应紧紧围绕这一思想进行。 首先工程实训首先应面向学生主体群，建设一个有较宽适应面的基础训练基地。通过对基础训练设施的 集中投入，面向全校相关专业，形成一定的规模优势，建立科学规范的训练和管理方法，使训练对象获得机械、 电子基本生产过程和生产工艺的认识，并具备一定的实践动手能力。 其次，工程实训的内容应一定程度地体现技术发展的时代特征。为了适应现代化工业技术综合性和多学科交叉的特点，工程实训的内容应充分体现机与电结合、技术与非技术因素结合，贯穿计算机技术应用，以适应科学技术高速发展的要求。应以一定的专项投入，建设多层次的综合训练基地，使不同的训练对象在获得对现代工业生产方式认识的同时，熟悉综合技术内容，初步建立起“大工程”的意识，受到工业工程和环境保护方面的训练，并具备一定的实用技能。 第三，以创新训练计划为主线，依靠必要的软硬件环境，建设创新教育基地。以产品的设计、制造、控制乃至管理为载体，把对学生的创新意识和创新能力的培养，贯穿于问题的观测和判断、创造和评价、建模和设计、仿真和建造的整个过程中。
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 图1-1 锅炉汽水系统图
在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1)K H S G S W S s T s ==+ （1.1） （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ （1.2） 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
控制装置与仪表课程设计 课程设计报告 ( 2012-- 2013年度第二学期) 名称：控制装置与仪表课程设计 题目：炉膛压力系统死区控制系统设计院系： 班级： 学号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数：一周 成绩： 日期：2013年7 月5日
一、课程设计(综合实验)的目的与要求 1.1 目的与要求 （1）认知控制系统的设计和控制仪表的应用过程。 （2）了解过程控制方案的原理图表示方法（SAMA图）。 （3）掌握数字调节器KMM的组态方法，熟悉KMM的面板操作、数据设定器和KMM数据写入器的使用方法。 （4）初步了解控制系统参数整定、系统调试的过程。 1.2设计实验设备 KMM数字调节器、KMM程序写入器、PROM擦除器、控制系统模拟试验台1 1.3 主要内容 1. 按选题的控制要求，进行控制策略的原理设计、仪表选型并将控制方案以SAMA 图表示出来。 2 . 组态设计 2．1 KMM组态设计 以KMM单回路调节器为实现仪表并画出KMM仪表的组态图，由组态图填写 KMM的各组态数据表。 2．2 组态实现 在程序写入器输入数据，将输入程序写入EPROM芯片中。 3. 控制对象模拟及过程信号的采集 根据控制对象特性，以线性集成运算放大器为主构成反馈运算回路，模拟控制对 象的特性。将定值和过程变量送入工业信号转换装置中，以便进行观察和记录。 4. 系统调试 设计要求进行动态调试。动态调试是指系统与生产现场相连时的调试。由于生产 过程已经处于运行或试运行阶段，此时应以观察为主，当涉及到必需的系统修改 时，应做好充分的准备及安全措施，以免影响正常生产，更不允许造成系统或设 备故障。动态调试一般包括以下内容： 1)观察过程参数显示是否正常、执行机构操作是否正常； 2)检查控制系统逻辑是否正确，并在适当时候投入自动运行； 3）对控制回路进行在线整定； 4）当系统存在较大问题时，如需进行控制结构修改、增加测点等，要重新组态下装。 二、设计（实验）正文 1设计题目：炉膛压力系统死区控制系统设计（如附图1） 附图1： 引风机 炉膛压力系统死区单回路控制系统
内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题目：双容水箱液位控制系统 仿真 学生姓名：任志江 学号：1067112104 专业：测控技术与仪器 班级：测控 10-1班 指导教师：梁丽
摘要 随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。 关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真
目录 第一章控制系统仿真概述 (2) 1.1 控制系统计算机仿真 (2) 1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2) 第二章 PID控制简介及其整定方法 (6) 2.1 PID控制简介 (6) 2.1.1 PID控制原理 (6) 2.1.2 PID控制算法 (7) 2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8) 2.2.1 比例控制与其调节过程 (8) 2.2.2 比例积分调节 (9) 2.2.3 比例积分微分调节 (10) 2.3 PID控制的特点 (10) 2.4 PID参数整定方法 (11) 第三章双容水箱液位控制系统设计 (12) 3.1双容水箱结构 (12) 3.2系统分析 (12) 3.3双容水箱液位控制系统设计 (15) 3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (15) 3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (16) 第四章课程设计总结 (17)
… 过程控制系统 课程设计 { 班级： 本组成员： 、 2012年01月12日 设计报告目录
【1】内容一：过程控制课程设计的相关资料 (1) , 【2】内容二：过程控制课程设计 (6) （1）过程控制系统设计及其主要内容 (6) （2）被控对象特性分析 (6) （3）控制系统控制结构原理图 (7) （4）控制系统工艺流程图 (8) （5）一次仪表选型表 (10) （6）课程设计总结 (11) （7）参考文献 (12) . . 内容一：过程控制课程设计的相关资料
一．液位控制系统中PID控制 数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在水箱控制系统中有着极其重要的控制作用。 常用的PID控制系统原理框图如下所示： # PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差 PID控制规律为： 写成传递函数形式为： -
PID是比例,积分,微分的缩写形式： 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率,具有预见性,能预见偏差变化的趋势,因此能产生超前的控制作用,在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。因此,可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下,可以减少超调,减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用,因此过强的加微分调节,对系统抗干扰不利。此外,微分反应的是变化率,而当输入没有变化时,微分作用输出为零。微分作用不能单独使用,需要与另外两种调节规律相结合,组成PD或PID控制器 * 二．自适应控制
~ 过程控制系统课程设计报告 · 题目：温度控制系统设计 姓名： 学号： 班级： 指导教师： ` )
温度控制系统设计 一、设计任务 设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85度至95度热饮需要。 二、预期实现目标 通过按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。( 三、设计方案 （一）系统数学模型的建立 要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。 在本系统中，被控量是温度。被控对象是由不锈钢水壶、2Kw电加热丝组成的电热壶。在实验室，给水壶注入一定量的水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s采样一次系统温度，记录温度值。在整个实验过程中，水量是不变的。 经过试验，得到下表所示的时间-温度表： 表1 采样时间和对应的温度值
采样时间 t 8 》 9 10 11 12 13 温度值℃ 64 · 72 79 86 93 98 以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图1所示的曲线： < 图1 时间-温度曲线 采用实验法——阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。 从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。因此我们选用 ()1s ke G s Ts τ-= + （式中：k 为放大系数；T 为过程时间常数；τ为纯滞后时间）作为内
《过程控制》 课程设计报告 题目：双闭环比值控制系统的分析与设计姓名：王飞 学号：20106206 专业：自动化 年级：2010级 指导教师：李天华
目录 1 任务书-------------------------------------------------------- 1 1.1设计题目 --------------------------------------------------- 1 1.2设计任务 --------------------------------------------------- 1 1.3原始数据 --------------------------------------------------- 2 1.4设计内容 --------------------------------------------------- 2 2 研究背景 ------------------------------------------------------- 3 3 研究意义 ------------------------------------------------------- 4 4 研究内容 ------------------------------------------------------- 4 5 论文组织 -------------------------------------------------------- 5 5.1衰减曲线法整定主动量回路控制器参数 -------------------------- 5 5.2反应曲线法整定从动量回路控制器参数 -------------------------- 8 5.3双闭环比值控制系统仿真及性能测试 --------------------------- 11 5.4双闭环比值控制系统的抗干扰能力检验 ------------------------- 13 6 双闭环比值控制与串级控制的区别，以及各自的优缺点 --------------- 16 6.1双闭环比值控制与串级控制的区别 ----------------------------- 16 6.2双闭环比值控制的优、缺点 ----------------------------------- 17 6.3串级控制的优、缺点 ----------------------------------------- 17 7 总结 ---------------------------------------------------------- 17 8 参考文献 ------------------------------------------------------ 17 附录：双闭环比值控制最终整定结果(Simulink图) -------------------- 18
第1章过程控制 1-1 过程控制有哪些主要特点？为什么说过程控制多属慢过程参数控制？ 解：1．控制对象复杂、控制要求多样 2. 控制方案丰富3．控制多属慢过程参数控制4．定值控制是过程控制的一种主要控制形式5．过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成 1-2 什么是过程控制系统？典型过程控制系统由哪几部分组成？ 解：过程控制系统：一般是指工业生产过程中自动控制系统的变量是温度、压力、流量、液位、成份等这样一些变量的系统。 组成：由被控过程和过程检测控制仪表（包括测量元件，变送器，调节器和执行器）两部分组成。 1-4 说明过程控制系统的分类方法，通常过程控制系统可分为哪几类？ 解：分类方法说明：按所控制的参数来分，有温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统等；按控制系统所处理的信号方式来分，有模拟控制系统与数字控制系统；按控制器类型来分，有常规仪表控制系统与计算机控制系统；按控制系统的结构和所完成的功能来分，有串级控制系统、均匀控制系统、自适应控制系统等；按其动作规律来分，有比例（P）控制、比例积分（PI）控制，比例、积分、微分（PID）控制系统等；按控制系统组成回路的情况来分，有单回路与多回路控制系统、开环与闭环控制系统；按被控参数的数量可分为单变量和多变量控制系统等。 通常分类：1．按设定值的形式不同划分：（1）定值控制系统（2）随动控制系统（3）程序控制系统 2．按系统的结构特点分类：（1）反馈控制系统（2）前馈控制系统（3）前馈—反馈复合控制系统 1-5 什么是定值控制系统? 解：在定值控制系统中设定值是恒定不变的，引起系统被控参数变化的就是扰动信号。
1-6 什么是被控对象的静态特性？什么是被控对象的动态特性？二者之间有什么关系？ 解：被控对象的静态特性：稳态时控制过程被控参数与控制变量之间的关系称为静态特性。 被控对象的动态特性：。系统在动态过程中，被控参数与控制变量之间的关系即为控制过程的动态特性。 1-7 试说明定值控制系统稳态与动态的含义。为什么在分析过程控制系统得性能时更关注其动 态特性？ 解： 稳态：对于定值控制，当控制系统输入（设定值和扰动）不变时，整个系统若能达到 一种平衡状态，系统中各个组成环节暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态称为稳态（或静态）。 动态：从外部扰动出现、平衡状态遭到破坏、自动控制装置开始动作，到整个系统又建立新的稳态（达到新的平衡）、调节过程结束的这一段时间，整个系统各个环节的状态和参数都处于变化的过程之中，这种状态称为动态。 在实际的生产过程中，被控过程常常受到各种振动的影响，不可能一直工作在稳态。只有将控制系统研究与分析的重点放在 各个环节的动态特性，才能设计出良好的控制系统。 1-8 评价控制系统动态性能的常用单项指标有哪些？各自的定义是什么？ 解：单项性能指标主要有：衰减比、超调量与最大动态偏差、静差、调节时间、振荡频率、上升时间和峰值时间等。 衰减比：等于两个相邻的同向波峰值之比n ； 过渡过程的最大动态偏差：对于定值控制系统，是指被控参数偏离设定值的最大值A ； 超调量：第一个波峰值1y 与最终稳态值y （∞）之比的百分数σ；1 100%() y y σ= ?∞ 残余偏差C ： 过渡过程结束后，被控参数所达到的新稳态值y （∞）与设定值之间的偏差C 称为残余偏差，简称残差；
中南大学 《过程控制仪表》 课程设计报告 设计题目液位控制系统 指导老师 设计者 专业班级 设计日期 2011年6月 目录 第一章过程控制课程设计的目的和意义 (2) 1.1课程设计的目的 (2) 1.2课程设计的意义 (3) 1.3课程设计在教学计划中的地位和作用 (3) 第二章液位控制系统的设计任务 (3)
2.1设计内容及要求 (3) 2.2课程设计的要求 (4) 第三章实验内容及调试中遇到的具体问题和解决的办法 (4) 3.1实验目的 (4) 3.2实验内容 (5) 3.2.1流量单闭环控制系统 (5) 3.2.2流量比值控制系统 (6) 3.3实验调试中遇到的具体问题和解决办法 (7) 第四章液位控制系统总体设计方案 (9) 4.1液位控制系统在工业上的应用 (9) 4.2液位控制系统变送器以及开关阀的选择 (10) 4.3控制算法 (11) 4.4系统控制主机的选择 (11) 4.5系统的硬件设计（单纯的逻辑控制） (13) 4.5.1 水塔液位控制系统的主电路图 (13) 4.5.2 I/O接口的分配 (13) 4.5.3 水塔液位控制系统的I/O设备 (14) 4.5.2 控制系统硬件介绍 (14) 第五章系统软件设计 (16) 5.1系统软件设计1（单纯的逻辑控制） (16) 5.1.1水塔液位控制系统的程序流程图 (16) 5.1.2 水塔液位控制系统的工作过程 (17) 5.1.3 水塔液位控制系统的梯形图 (19) 5.2系统控制的程序 (20) 5.3 加入PID控制的指令的软件程序 (20) 5.3.1PID控制系统梯形图 (21) 5.3.2PID控制系统的指令： (24) 第六章收获、体会和建议 (25) 参考文献 (26) 第一章过程控制课程设计的目的和意义 1.1课程设计的目的 本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实
北华航天工业学院 课程设计报告（论文） 设计课题：前馈反馈控制系统的 设计与整定 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 设计时间：2013年12月06日
北华航天工业学院电子工程系 过程控制课程设计任务书 指导教师：教研室主任： 2013年12月06日 注：本表下发学生一份，指导教师一份，栏目不够时请另附页。 课程设计任务书装订于设计计算说明书（或论文）封面之后，目录页之前。
内容摘要 液位控制是工业中常见的过程控制，例如在饮料食品加工、化工生产、锅炉汽泡液位等多种行业的生产加工过程中都需要对液位进行适当的控制，它对生产的影响不容忽视。对于液位控制系统的方法，目前有常规的PID控制，但是PID 控制采用固定的参数，难以保证控制适应系统的参数变化和工作条件变化，得不到理想效果。而且，对于一些控制精度要求较高的场合，例如核电厂的蒸汽生成器中的液位控制，某些化工原料厂的化学溶液液位等问题，不允许在有扰动的情况下出现太大的超调量和过程的调节时间。 目前为了达到精度较高要求的先进控制策略的发展有：预测控制、自适应控制、智能控制、模糊控制等。具体采用的方法如将模糊控制和传统的PID控制两者结合，用模糊控制理论来整定PID控制器的比例，积分，微分系统；以负荷为前馈扰动量构成一个串级加前馈的三冲量闭环控制系统等。目前各种锅炉汽包水位控制绝大多数采用三冲量水位控制策略。 本文针对液位控制系统中较为基础的单容水箱作为控制对象，单容液位控制系统具有非线性，滞后，耦合等特征，能够很好的模拟工业过程特征。而对于控制系统的选择为前馈——反馈系统。一般的控制系统都属于反馈控制, 这种控制作用总是落后于扰动作用。对于时滞较大、扰动幅度大而频繁的过程控制往往不能满足生产要求。引入前馈控制可以获得显著的控制效果。前馈控制是按照扰动作用的大小进行控制, 所以控制是及时的。如果补偿作用完善可以使被控变量不产生偏差。 索引关键词：前馈—反馈控制PID 自动控制液位控制
过程控制系统课程设计报告 题目：温度控制系统设计 姓名： 学号： 班级： 指导教师：
温度控制系统设计 一、设计任务 设计电热水壶度控制系统方案，使系统满足85度至95度热饮需要。 二、预期实现目标 通过按键设定温度，使系统水温最终稳定在设定温度，达到控制目标。 三、设计方案 （一）系统数学模型的建立 要分析一个系统的动态特性，首要的工作就是建立合理、适用的数学模型，这也是控制系统分析过程中最为重要的内容。数学模型时所研究系统的动态特性的数学表达式，或者更具体的说，是系统输入作用与输出作用之间的数学关系。 在本系统中，被控量是温度。被控对象是由不锈钢水壶、2Kw电加热丝组成的电热壶。在实验室，给水壶注入一定量的水，将温度传感器放入水中，以最大功率加热水壶，每隔30s采样一次系统温度，记录温度值。在整个实验过程中，水量是不变的。 经过试验，得到下表所示的时间-温度表： 表1 采样时间和对应的温度值
以采样时间和对应的温度值在坐标轴上绘制时间-温度曲线，得到图1所示的曲线： 图1 时间-温度曲线 采用实验法——阶跃响应曲线法对温箱系统进行建模。将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，称为阶跃响应曲线。 从上图可以看出输出温度值的变化规律与带延迟的一阶惯性环节的阶跃曲线相似。因此我们选用 ()1s ke G s Ts τ-= + （式中：k 为放大系数；T 为过程时间常数；τ为纯滞后时间）作为内胆温度系统的数学模型结构。 （1）k 的求法：k 可以用下式求得： ()(0) y y k x ∞-= （x ：输入的阶跃信号幅值）
目录 有害气体的检测、报警、抽排.................. . (2) 1 意义与要求 (2) 1.1 意义 (2) 1.2 设计要求 (2) 2 设计总体方案 (2) 2.1 设计思路 (2) 2.2 总体设计方框图 2.3 完整原理图 (4) 2.4 PCB制图 (5) 3设计原理分析 (6) 3.1 气敏传感器工作原理 (7) 3.2 声光报警控制电路 (7) 3.3 排气电路工作原理 (8) 3.4 整体工作原理说明 (9) 4 所用芯片及其他器件说明 (10) 4.1 IC555定时器构成多谐振荡电路图 (11) 5 附表一：有害气体的检测、报警、抽排电路所用元件 (12) 6.设计体会和小结 (13)
有害气体的检测、报警、抽排 1 意义与要求 1.1.1 意义 日常生活中经常发生煤气或者其他有毒气体泄漏的事故，给人们的生命财产安全带来了极大的危害。因此，及时检测出人们生活环境中存在的有害气体并将其排除是保障人们正常生活的关键。本人运用所学的电子技术知识，联系实际，设计出一套有毒气体的检测电路，可以在有毒气体超标时及时抽排出有害气体，使人们的生命健康有一个保障。 1.2 设计要求 当检测到有毒气体意外排时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示。当有毒气体浓度超标时能自行启动抽排系统，排出有毒气体，更换空气以保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。 2 设计总体方案 2.1 设计思路 利用QM—N5气敏传感器检测有毒气体，根据其工作原理构成一种气敏控制自动排气电路。电路由气体检测电路、电子开关电路、报警电路、和气体排放电路构成。当有害气体达到一定浓度时，QM—N5检测到有毒气体，元件两极电阻变的很小，继电器开关闭合，使得555芯片组成的多谐电路产生方波信号，驱动发光二极管间歇发光；同时LC179工作，驱使蜂鸣器间断发出声音；此时排气系统会开始抽排有毒气体。当气体被排出，浓度低于气敏传感器所能感应的范围时，电路回复到自动检测状态。
目录 检测技术与过程控制设计任务书 (2) 系统概况： (2) 系统参数 (2) 要求： (3) 检测技术与过程控制设计报告 (4) SIMULINK简介 (4) 设计原理图 (5) 系统参数 (5) 仿真 (5) 调节器参数整定 (11)
检测技术与过程控制设计任务书 题目C：某温度控制系统的MATLAB仿真 系统概况： 设某温度控制系统方块图如图： 图中G c(s)、G v(s)、G o(s)、G m(s)、分别为调节器、执行器、过程对象及温度变送器的传递函数；电动温度变送器测量范围（量程）为50～100O C，调节器输出信号为4～20mA。G f(s)为干扰通道的传递函数。 系统参数
要求： 1、验证性仿真 （1）分别建立仿真结构图，进行以下仿真，并求出主要性能指标： ①控制器为比例控制，其比例度分别为δ＝10％、20％、50％、100％、200％时，系统广义对象输出z(t)的过渡过程； ②控制器为比例积分控制，其比例度δ＝20％，积分时间分别为TI＝1min、 3min、5min、10min时，z(t)的过渡过程； ③控制器为比例积分微分控制，其比例度δ＝10％，积分时间TI＝5min，微分时间TD = 0.2min时，z(t)的过渡过程。 （2）对以上仿真结果进行分析比对，得出结论。 2、调节器参数整定 分别针对PI、PID控制规律，采用稳定边界法，基于MATLAB仿真整定调节器 3、撰写设计报告。 【注】：调节器比例带δ的说明 比例控制规律的输出p(t)与输入偏差信号e(t)之间的关系为 式中，K c叫作控制器的比例系数。 在过程控制仪表中，一般用比例度δ来表示比例控制作用的强弱。比例度δ定义为
步进式加热炉控制系统设计 一、步进式加热炉工艺流程 1. 步进式加热炉简介 ⑴步进式加热炉步进式加热炉是一种靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作 把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。 炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。 （2）步进式炉的几种类型 步进式炉从炉子构造上分目前有：单面供热步进式炉、两面供热步进式炉、钢料可以翻转的步进式炉、交替步进式炉、炉底分段的步进式炉等等。 单面供热步进式炉也称步进底式炉，钢料放置在耐火材料炉底或铺设在炉底上的钢枕上。钢坯吸热主要来自上部炉膛，由于一面受热，这种炉子的炉底强度较低。它适用于加热薄板坯、小断面方坯或有特殊要求的场合。 两面供热步进式炉也称步进梁式炉，活动梁和固定梁上都安设有能将钢坏架空的炉底水管。在钢坯的上部炉膛和下部炉膛都设置烧嘴，因此炉底强度较高，适用于产量很高的板坯或带钢轧前加热。 钢坯可以翻转的步进式炉是每走一步炉内钢料可以翻转某一角度，步进梁和固定梁都带有锯齿形耐热钢钢枕，这是加热钢管的步进式炉，每走一步钢管可以在锯齿形钢枕上滚动一小段距离，使受热条件较差的底面逐步翻转到上面，以求加热均匀。 交替步进式炉则有两套步进机构交替动作。运送过程中，钢坯不必上升和下降，振动较小，底面不会被划伤，表面质量较好 炉底分段的步进式炉的加热段和预热段可以分开动作。例如预热段每走一步，加热段可以
走两步或两步以上。这种构造是专门为易脱碳钢的加热而设计的。钢坯在预热段放置较密，可以得到正常的预热作用，在加热段钢坯前进较快，达到快速加热，以减少脱碳。 （3）步进式炉的优缺点 步进式炉是借机械将炉内钢坯托着一步一步前进，因此钢坯与钢坯还不必紧挨着，其间距可根据需要加以改变。 原始的步进式炉只用于加热推钢机无法推进的落板坯或异形坯，随着轧机的大型化和连续化，推钢式炉已不能满足轧机产量和质量的要求。在这种情况下，近十年来造价较高的步进式炉得到了快速发展，其结构也日趋完善。 步进式炉具有以下特点：（1）炉子长度不受钢坯厚度的限制，不会拱钢，炉子可以建得很长，目前有些炉子已接近60 米长，一个步进式炉可以代替1.5—2 个推钢式炉。（2）操作上灵活性较大，可以通过改变装料间隙调节钢坯加热时间，且更换品种方便。（3）炉内钢料易于清空，减少停炉时清除炉内钢料的时间。（4）钢坯在炉内不与水管摩擦，不会造成通过轧制还不能消除的伤痕。（5）水管黑印小，即能得到尺寸准确的轧材。（6）两面加热步进式炉可以不要实底均热段，因此加热能力比推钢式炉稍大。（7）没有出料滑坡，减少了由于滑坡高差作用而吸入炉内的冷空气。（8）钢坯有侧面加热，这样可实现三面或四面加热，因此加热时间短，钢坯氧化少。（ 9）生产能耗大幅度降低,从炼钢连铸后开始全连续的直接生产。（ 10）产量大幅度提高,在100* 104t/a 以上。（ 11）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大都是单回路仪表和继电器逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式供电装置，现在的加热炉的控制系统大多数都具有二级过程控制系统和三级生产管理系统，传动系统都是全数字化的直流或交流供电装置。 步进式炉的缺点是炉底机械设备庞大，维护和检修都较复杂，炉子造价太高。两面供热的步进式炉炉底水管较多，热损失大。单面供热的步进式炉虽然无水冷热损失，但产量较低。因此，尽管步进式炉有很多优点，仅由于它造价太高，目前在中小型厂全面推广还不适宜。
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水，在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 1 图1 双容水箱液位控制系统示意图 3. 设计要求 1） 已知上下水箱的传递函数分别为： 111()2()()51p H s G s U s s ?==?+，22221()()1()()()201 p H s H s G s Q s H s s ??===??+。 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运10s 后施加的均值为0、方差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制，要求画出控制系统方框图，并分别对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中PID 参数的整定要求写出整定的依据（选择何种整定方法，P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4.设计任务分析
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单，特别是在一些高阶的工业生产对象。对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知，故采用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： 111() 2()()51 p H s G s U s s ?==?+（上水箱传递函数）； 22221()()1()()()201p H s H s G s Q s H s s ??= ==??+（下水箱传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定，设计中采用闭环系统，将下水箱液位信号经水位检测器送至控制器（PID ），控制器将实际水位与设定值相比较，产生输出信号作用于执行器（控制阀），从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整PID 参数，单闭环控制系统理论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统，整个对象控制通道相对较长，如果采用单闭环控制系统，当上水箱有干扰时，此干扰经过控制通路传递到下水箱，会有很大的延迟，进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位，将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行单回路闭环系统的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的PID 参数，整定好参数后，分别改变P 、I 、D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声），比较有无干扰两