第一章工程实例
1、三冲量汽包液位控制系统应用
1.1 三冲量控制系统的构成
在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量及给水流量等3个被控变量会安装相应的调节器，在锅炉运行的过程中，这三个信号作用于调节器，会适时调整，做相应的改变。
在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量、给水流量都是串联关系，其中汽包液位是三者中的主冲量，能够反映整个汽包的工作状态和运行状况；而蒸汽流量和给水流量分别担任辅助冲量，蒸汽流量就是一个前馈系统，通过这个系统，能够消除“假液位”现象，保证整个系统的准确性；给水流量是一个反馈系统，它能够副回路减少水压改变对汽包液位的影响。主冲量和辅助冲量之间相互配合、相互影响，共同保证前馈-串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行。1.2 三冲量控制系统的工作原理
三冲量控制系统的工作原理是：将三个信号中的汽包液位当做主信号，当锅炉中的水位改变时，与之相对应的调节器输出也会发生相应的变化，在此基础上的给水流量也会发生改变，这样就能够使锅炉的水位达到给定值。在这个过程中，蒸汽流量充当着前馈作用，其作用是防止“假液位”干扰调节器的工作。而给水流量充当着反馈的作用，当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时，给水流量会在锅炉水位未改变之前，消除这种干扰，使调节器正常工作，使给水流量更加稳定。1.3 三冲量控制系统在锅炉汽包液位中的应用
在锅炉生产中，三冲量控制系统作为前馈-串级反馈系统，其运行遵循着主控制器的正作用和副控制器的反作用原则。在三冲量控制系统中，流量控制器FC作为主控制器，起着正作用功能；水位控制器LC作为副控制器，起着反作用的功能；而调节器则起着调节阀的作用。
通常当锅炉的水位升高时，LC就会产生反作用，其输出就会相应减少，通过加法器，FC的给定值减少，而调节器的输出却增加，故而要减小调节器的阀门开度，缩小FA2101（给水流量），使水位下降至给定值。
在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情况下，FC的给定值会相应的减少，而调节器的输出增加，故而要扩大调节器的阀门开度，增加给水流量，平衡蒸汽流量，使水位保持在给定值上。
当FA2102（给水流量）增加时，FC调节器的输出也会相应增加，这时要减小调节阀开度，减少给水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不变。另外，在选择给水流量的调节阀时，要保证锅炉的安全。比如当生产的热源是蒸汽时，就应该选择气关阀来保护锅炉；而当蒸汽的供给超过蒸汽压缩机时，就应该选择气开阀来保护锅炉设备。
通过三冲量控制系统，能够利用调节器的开关阀对锅炉生产中的汽包液位、
蒸汽流量和给水流量进行有效调节，消除了“虚假液位”现象，保证水位的稳定，很好地控制了锅炉汽包液位，保证整个锅炉系统和整个生产工艺的安全可靠，同时也促进了锅炉生产技术的改进和完善。
2.系统控制流程图
图1-1系统控制的程序流程图
第2章标准节流装置设计及计算程序设计
1.给水调节对象的动态特性
锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。
汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。
根据所给任务书中的要求，水位H与给水W之间的传递函数为一个一阶对象，时间常数为5s，静态放大倍数为8。
2.系统控制框图
单级三冲量控制系统如下图所示：
图2-1三冲量控制系统
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的回路；另一个是由汽包水位对象和回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。所以三冲量控制
的实质是前馈加反馈的控制系统。
综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。结合题意设计系统框图如下：
其中，Hr——水位设定值
W——给水量
H——水位值
Gc1（s）——主控制器
Gc2（s）——副控制器
Gp（s）——被控对象传递函数
Kd——蒸汽流量检测变送器放大倍数
Kw——给水流量检测变送器放大倍数
Kh——水位检测仪表放大倍数
第3章调节阀选型及计算
1.给水流量计的选择及KW的计算
根据所给离心泵的参数，给水压力3MPa，水流量为25T/h。正常的蒸汽量为10T/h，因此在稳定的情况下，需要的给水量应等于蒸发量，即正常的给水量为10T/h。
选择输入量程所对应的给水流量为20T/h。输出量程为4~20mA
KW=（20-4）/（20-0）=0.8mAh/T
1.1蒸汽流量计的选择及KD的计算
根据所给的蒸汽流量稳定值为10T/h，选择输入量程所对应的蒸汽流量为20T/h.输出量程为4~20mA。
KD=（20-4）/（20-0）=0.8mA/T
1.2调节阀的选择及Ku的计算
选择电动调节阀，输入量程为4~20mA，输出量程为0~25T/h。
Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA
1.3差压式水位测量仪表及KH的计算
根据题目所给的最大允许波动为±30mm，因此仪表输入选择为±60mm，输出为4~20mA。
KH=（20-4）/（60-（-60））=0.133mA/mm
2.PID控制器的参数整定
首先，对副环进行整定，由上面选择的调节器可以得到，副环是一个比例环节，因此在整定副环时，只要保证系统的稳定性就可以了。
其次，对主环进行整定，先将PI调节器的积分常数置成无穷大，然后给比例系数，若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例带。通过不断调节是系统稳定，然后调节积分常数Ti，最终得到的是一个衰减比在4：1~10：1的衰减震荡过程。
各个调节器的参数如下：
副调节器：K2=5
主调节器：K1=8 ，Ti=0.38s， =0.135，衰减比为10：1
其衰减振荡的曲线如下：
图3-1衰减振荡曲线
3. 锅炉汽包水位总体设计的仿真
图3-2串级三冲量控制系统SIMULINK仿真模型得到的响应曲线如下图所示。
过程控制系统实验报告 专业 ****** 班级 ****** 学生 ****** 学号 ******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差±0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20),σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13 第五章心得体会-----------------------------------------------------------15
摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words:Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control
汽包水位三冲量给水调节系统 1、所谓冲量，是指调节器接受的被调量的信号； 2、汽包水位三冲量给水调节系统由汽包水位测量筒及变送器、蒸汽流量测量装置及变送器、给水流量测量装置及变送器、调节器、执行器等组成； 3、在汽包水位三冲量给水调节系统中，调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个信号，如图所示。其中，汽包水位H是主信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输信号发生变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值；蒸汽流量信号qm.S是前馈信号，其作用是防止由于“虚假水位”而使调节器产生错误的动作，改善蒸汽流量扰动时的调节质量；蒸汽流量和给水流量两个信号配合，可消除系统的静态偏差。当给水流量变化时，测量孔板前后的差压变化很快并及时反应给水流量的变化，所以给水流量信号qm.w作为介质反馈信号，使调节器在水位还未变化时就可根据前馈信号消除内扰，使调节过程稳定，起到稳定给水流量的作用。 4、在大、中型火力发电厂锅炉汽包水位的变化速度比较快，“虚假水位”现象较为严重，为了达到生产过程中对汽包水位调节的质量要求，因而广泛采用了三冲量汽包水位调节系统。
5、关于测量信号接入调节器的极性说明：当信号值增大时要求开大调节阀，该信号标以“”号；反之，当信号值减小时要求关小调节阀，该信号标以“－”号。在给水调节系统中，当蒸汽流量信号增大时，要求开大调节阀，该信号标以“”号；给水流量信号增大时，要求关小调节阀，该信号标以“－”号；当汽包水位升高时，差压减小，水位测量信号减小，要求关小调节阀，则该信号标以“”号。 直流炉没有三冲量啊，没有汽包，在直流状态下给多少水就产生多少汽的，是通过中间点温度来调整锅炉燃水比的！ 单冲量三冲量切换条件：一般用给水流量来划分，小于200t/h（30%,我们300MW机组就是这样）时为单冲量，大于则为三冲量 为啥要到30％负荷时，电泵由单冲量切到三冲量啊？要防止汽包的虚假水位。在低负荷的时候，单冲量主要是给系统上水，在高负荷时，给水的任务就是维持汽包水位。
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书 专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目 锅炉汽包液位控制 二、本次课程设计（论文）应达到的目的 本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控 制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业 选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术 相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技 能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论 联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要 求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等） 锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u ?=。试根据 实验数据设计一个超调量 25%p δ≤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；
对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。 四、应收集的资料及主要参考文献： 1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006 2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001 3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008 五、审核批准意见 教研室主任（签字） 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，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，必须严格
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生 xxxxxx 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 - 1.1概述............................................ - 3 - 1.2锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 1.3锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 - 2.1 对被控对象进行特性分析 ............................ - 5 - 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图..................... - 5 - 2.2.1液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 2.2.2液位控制系统的方案图.................................. - 6 - 2.3选择被控参数和被控变量............................. - 6 - 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 ......... - 7 - 2.4.1传感器、变送器选择 ..................................... - 7 - 2.4.2执行器的选择........................................... - 8 - 2.4.3关于给水调节阀的气开气关的选择。 ....................... - 8 - 2.4.4 关于给水调节阀型号的选择。............................. - 8 - 2.4.5 给水流量蒸汽流量..................................... - 8 - 2.5 四个环节的工作形式对控制过程............................... - 8 - ................................... - 10 - 3.1对控制进行PID控制.......................................... - 10 - ........................................... - 11 -
锅炉汽包水位控制系统的设计
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxx 学号 xxxxxxxx 锅炉汽包水位控制系统设计
一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性 能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要 满足动态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告................................................ 错误!未定义书签。第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 ........ 错误!未定义书签。 1.1 概述.............................................................. 错误!未定义书签。 1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................... 错误!未定义书签。 1.3 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................... 错误!未定义书签。第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计 ................. 错误!未定义书签。 2.1 对被控对象进行特性分析 ................................ 错误!未定义书签。 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图................. 错误!未定义书签。 2.2.1 液位控制系统的方框图.......................... 错误!未定义书签。 2.2.2 液位控制系统的方案图.......................... 错误!未定义书签。 2.3选择被控参数和被控变量................................ 错误!未定义书签。 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标错误!未定义书 签。 2.4.1传感器、变送器选择 .............................. 错误!未定义书签。 2.4.2执行器的选择.......................................... 错误!未定义书签。
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* 过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 -概述............................................ - 3 -！ 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 -对被控对象进行特性分析 ............................... - 5 -汽包水位控制系统方框图和流程图......................... - 5 -液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 液位控制系统的方案图.................................. - 6 -选择被控参数和被控变量 ................................ - 6 -; 选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标............. - 7 -传感器、变送器选择........................................... - 7 -执行器的选择................................................. - 8 -关于给水调节阀的气开气关的选择。............................. - 8 - 关于给水调节阀型号的选择。.................................. - 8 -
一、课程设计(综合实验）的目的与要求 锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标,水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，并在过热管内结垢,影响传热效率，严重的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时，数秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此,必须采取有效、精确的自动调节,严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多，如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的,容易克服。因此,主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽温度急剧下降,该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化,导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。 二、设计（实验）正文 1控制系统的整体分析： 1.1影响汽包水位的主要因素 1)给水流量W 2)主蒸汽流量D 3)燃料量B 1.2控制指标 保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡,维持汽包水位Ｈ在较小范围内波动。１.３汽包水位控制对象的动态特性分析 做各种主要影响因素的阶跃扰动,记录并分析汽包水位的响应曲线 1)给水扰动: Maｔlab仿真如图1:
图1：给水扰动Ｍatlab仿真 运行结果如图2： 图2:给水扰动下的水位响应曲线 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线，可以看出该被控对象无自平衡能力,且有较大的迟延，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。 2)蒸汽扰动： Mａtｌａb仿真如图３： 图3:蒸汽扰动Maｔlaｂ仿真 运行结果如图4:
1.汽包水位的动态特性描述 (1) 1.1.汽包在给水流量作用下的动态特性 (1) 1.2.汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 (2) 2.汽包水位控制方案的选择及其原理 (4) 2.1.三冲量控制原理及各部分的作用 (4) 2.1.1.控制原理 (4) 2.1.2.各部分的作用 (5) 3.前馈-串级控制系统的特点和调节器作用方式判断 (7) 3.1.控制系统的特点 (7) 3.1.1.前馈控制系统的特点 (7) 3.1.2.串级控制系统特点 (7) 3.2.调节器作用方式判断 (7) 3.2.1.判断副调节器的作用方式 (7) 3.2.2.判断主调节的作用方式 (7) 4.控制仪表及技术参数 (8) 4.1.控制仪表的选定 (8) 4.2.各元器件的型号及参数 (8) 5.总结与体会 (10) 参考文献 (11)
在锅炉运行中，水位是一个很重要的参数。若水位过高，则会影响汽水分离的效果，使用气设备发生故障；而水位过低，则会破坏汽水循环，严重时导致锅炉爆炸。同时高性能的锅炉发生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务，就是控制给水流量，使其与蒸发量保持平衡，维持汽包内水位在允许的范围内变化。 锅炉汽包水位是一种非线性、时变大、强耦合的多变量系统，讨论了目前通常采用的控制方法,分析了水位对象模型的动静特性。首先从锅炉汽包内水的热平衡、物质平衡原理出发,推导出了用来描述锅炉水位对象的通用机理控制模型,通过对几种控制方案的分析、研究与比较,选三冲量系统作为最佳控制方案,并着力研究三冲量系统的特点。 关键词：锅炉汽包水位控制三冲量控制系统
以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位三冲量控制PLC PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words: Steam drum water level Three impulses control PLC PID control
过程控制系统实验报告 专业****** 班级****** 学生姓名****** 学号******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差± 0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20), σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据
4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真 ---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13
一、课程设计(综合实验)的目的与要求锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，水位过高会导致蒸汽带水进入过热器，并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的将引起过热器爆管；水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时，数秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此，必须采取有效、精确的自动调节，严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多，如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的，容易克服。因此，主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽温度急剧下降，该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。 二、设计(实验)正文 1 控制系统的整体分析： 1.1 影响汽包水位的主要因素 1) 给水流量W 2) 主蒸汽流量D 3) 燃料量B 1.2 控制指标 保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡，维持汽包水位H在较小范围内波动。1.3 汽包水位控制对象的动态特性分析做各种主要影响因素的阶跃扰动，记录并分析汽包水位的响应曲线 1) 给水扰动： Matlab 仿真如图1：
图1 ：给水扰动Matlab 仿真运行结果如图2： 图2：给水扰动下的水位响应曲线 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线，可以看出该被控对象无自平衡能力，且有较大的迟延，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。 2) 蒸汽扰动： Matlab 仿真如图3： 图3 ：蒸汽扰动Matlab 仿真 运行结果如图4：
锅炉汽包水位控制系统设计 南华大学 过程控制仪表课程设计 设计题目锅炉汽包水位控制系统设计 学生姓名_________欧鹏___________ 专业班级_______自动化1201________ 学号________20124460140______ 指导老师__ ____刘冲______________ 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模及控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点
之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，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，必须严格控制水位在规定范围之内。 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。 汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式，传统的常规PID控制方式是根据控制对象的数学模型建立，由于锅炉水位系统存在非线性、不确定性时滞和负荷干扰、非最小相位特征等，其精确
课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能 在工业生产中经常要对锅炉汽包的液位进行控制，为了能够精确控制液位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统，能抑制流量波动，且系统无余差。本设计要求设计一个锅炉汽包液位闭环反馈控制系统，采用适合的控制算法，输入设定水位值，并实时显示当前水位。 设计任务及要求 1、确定控制方案并绘制P&ID图、系统框图； 2、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数； 3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式； 4、若设计由计算机实现的数字控制系统，应给出系统硬件电气连接图及程序流程图； 5、在实验室进行计算机软件仿真，并给出仿真结果； 6、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上 测量范围：20～100cm ；控制精度：±0.5cm ；控制液位：80cm； 最大偏差：1cm。 1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天，分散完成） 2、确定系统的控制方案，绘制P&ID图、系统框图。（1天，实验室完成） 3、选择传感器、变送器、控制器、执行器，给出具体型号和参数。（2天，分散完成） 4、确定控制器的控制规律、控制器正反作用方式以及保证系统无余差。（实验室1天） 5、仿真分析或实验测试、答辩。（3天，实验室完成） 6、撰写、打印设计说明书（1天，分散完成）
摘要关键词：
目录 第1章绪论 (1) 第2章课程设计的方案 (2) 2.1概述 (2) 2.2虚假水位的行程及对策 (2) 2.3汽泡水位的影响因素 (2) 2.4汽泡水位控制方案设计 (3) 第3章硬件设计 (7) 3.1液位传送器选型 (7) 3.2流量传送器选型 (7) 3.3执行器选型 (8) 3.4控制器器选型 (9) 第4章锅炉汽泡水位的模型及仿真 (11) 4.1仿真分析 (11) 4.2仿真分析 (12) 第5章课程设计总结 (15) 参考文献 (16)
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西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
锅炉汽包液位控制
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控
制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业
选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术
相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技
能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论
联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要
求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等）
锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化 u 5。试根据
实验数据设计一个超调量 p 25% 的无差控制系统。
时间/min 被控量 时间/min 被控量 时间/min 被控量
0 0.650 30 0.881 60 1.262
5 0.651 35 0.979 65 1.311
10 0.652 40 1.075 70 1.329
15 0.668 45 1.151 75 1.338
具体要求如下：
20 0.735 50 1.213 80 1.350
25 0.817 55 1.239 85 1.351
（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；
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目录 1题目背景与意义 (1) 2理论基础 (2) 2.1锅炉控制的流程 (2) 2.2锅炉汽包水位的控制 (4) 2.3锅炉水位控制系统的重要性 (4) 3设计题目介绍 (5) 3.1影响汽包水位的影响因素 (5) 3.2锅炉汽包水位特性 (6) 3.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 (7) 3.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 (8) 4汽包水位控制 (9) 4.1 单冲量控制系统 (10) 4.2 三冲量控制系统 (11) 5汽包水位控制系统的MATLAB仿真 (13)
5.1控制系统的分析和整定 (14) 5.2汽包水位控制系统Simulink 模型设计 (15) 5.3汽包水位控制系统仿真 (15) 6控制系统程序设计 (17) 6.1控制系统流程图 (17) 6.2梯形图程序 (18) 7设计总结 (19) 参考文献 (20)
1题目背景与意义 水位是锅炉运行中一个常重要的参数。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于水流量、燃烧状况及给负荷等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。过高的水位会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而过低水位,则会破坏汽水正常循环,严重时导致锅炉爆炸。炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量与蒸发量的动态平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。同时，汽包水位在正常范内波动是保证锅炉安全生产运行的必要条件。锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。 传统的控制方法是基于各种分立器件，利用多种检测器对被控参数进行实时检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统，DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系
引言 锅炉作为电厂中的一个重要设备，起着重要的作用。其中，锅炉汽包给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷及汽包压力，除此之外，还有给水压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包水位保持在一定的范围内。保证水位控制在给定的范围内，对提高蒸汽品质、减少设备损耗、运行损耗和确保整个网络安全运行都具有重要意义。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，需要有一整套较好的控制方案，来实现汽包锅炉水位的自动控制。 目前已经出现了很多种控制方案，有工业锅炉汽包水位智能控制器方式、基于模糊理论的PLC锅炉水位控制器控制方式、锅炉汽包水位BP神经网络预测控制方式等。尽管以上研究方法取得了一定成果，但多数方法还停留在理论层面，在实际系统中不能得到较好的应用。 综上所述，对传统PID控制方式的深入研究具有理论指导意义和参考价值。 1给水控制系统概况 锅炉的汽包水位能够间接反映锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系, 维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高, 会影响汽包内汽水分离装置的正常工作, 造成出口蒸汽水分含量过多, 导致过热器管壁结垢而被烧坏, 也使过热蒸汽温度急剧变化, 直接影响机组的稳定运行。汽包水位
过低, 可能破坏锅炉水循环, 导致水冷壁管被烧坏。 锅炉汽包给水控制系统的作用是使锅炉的给水量自动适应锅炉的蒸发量, 维持汽包水位在规定的范围内波动。 汽包水位H是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映，不仅受汽包储水量变化的影响，受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量W、锅炉蒸发量D、汽包压力、炉膛热负荷等，其对水位的影响各不相同，中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2种主要扰动,前者来自调节侧，称为内扰；后者来自负荷侧,称为外扰。汽包给水系统工艺流程如图1 所示。 图1 汽包给水系统工艺流程图 2汽水位的动态特性 2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 图2 所示是给水流量W用下,水位的阶跃响应曲线。如将给水看作单容量无自衡过程, 水位阶跃响应曲线如图中1曲线所示。