过程控制系统课程设计（论文）题目：液位闭环反馈控制系统设计
院（系）：电气工程学院
专业班级：自动化093
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指导教师：（签字）
起止时间： 12.6.25--12.7.6
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院教研室：自动化
摘要
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，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞。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。
汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。对汽包水位控制大多采用常规PID控制方式,常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。单冲量单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求；双冲量采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。本文将引入锅炉汽包水位双冲量控制。
关键词：汽包水位；三冲量；PID控制
目录
第1章绪论 (4)
第2章课程设计的方案及论证 (4)
2.1提出方案 (4)
2.2总体方案论述 (8)
第3章系统设计及器件组成 (9)
3.1 三冲量控制系统原理 (9)
3.2硬件设计 (9)
3.2.1 液位变送器的选择 (9)
3.2.2 压力传感器与变送器选择 (11)
3.2.3 执行器的选择 (11)
3.2.4 控制器的选择 (11)
3.2.5 控制器的作用方式 (12)
3.2.6阀的开闭选择形式 (12)
3.3 软件设计 (12)
3.3.1 PID对控制的影响 (12)
3.3.2 PID控制器的参数调整 (13)
3.4给水调节对象的动态特性 (14)
第4章系统仿真及设计 (14)
第5章课程设计总结 (19)
参考文献 (19)
第1章绪论
“控制”是一种很常见的概念，人们生活中也随处可见。事实上，自然界中的万事万物都相互支配，相互制约，彼此之间都受到不同程度的控制。
在自动控制中，“控制”是为了克服各种扰动的操作，达到预期目标，对生产过程（或系统）中的某一个或一些物理量进行的操作。如：生活中对空调、电视；工业上对电机、水箱等的控制。
所谓自动控制系统就是在无人直接参与情况下，通过外加的设备或装置（控制器），使机器、设备或过程（被控量）自动按照规定的要求进行。与其他自动控制系统比较，工业生产过程有许多特点，过程控制系统由过程检测，变送和控制仪表，执行装置等组成。过程控制是通过各种类型的仪表完成对过程变量的检测，变送和控制，并经执行装置作用于生产过程。它也具有非线性、时变、时滞及不确定性等特点。工业生产过程的控制方案有多样性。由于工业过程多样性，为适应被控过程的特点，控制方案也具有多样性。除去控制方案多样性，实施过程控制的手段也具有多样性，尤其在开放系统互操作性和互连性等问题得到解决后，实现过程控制目标的手段丰富。
工业生产过程控制的发展有两个明显的特点：一、同步性。控制理论的开拓、技术工具手段的进展、工程应用的实现三者相互推动，相互促进，现实了一幅交错复杂，但又轮廓分明的画卷，三者间明显明晰的同步性；二、综合性。自动化技术是一门综合性的技术，控制论更是一门广义的学科，在自动化的各个领域，移植借鉴，交流汇合，表现强烈的交流性。
典型的工业过程可分为三种：连续控制（continuous process）、离散过程（discrete process）和批量过程（batch process）。然而，锅炉汽包水位控制系统设计采集的是实时的液位和流量值，所以属于连续控制。
锅炉是工业生产中重要的供暖设备，而汽包水位又是锅炉安全运行的重要参数。同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此，锅炉汽包水位一直受到重视。保持锅炉汽包水位在一定的范围内是锅炉稳定安全运行的主要指标。水位过高造成饱和蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器关闭结垢，传热效率下降，过热温度下降，而汽包内水的全部汽化导致水冷壁的损坏，严重时会发生锅炉爆炸。
液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的，而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系统较为重要和比较难于控制的一项。
第2章课程设计的方案及论证
2.1提出方案
方案一：单冲量水位控制系统额直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，这种系统称为单冲量水位控制系统。直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，在蒸汽流量忽然增加时，给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动，所以在负荷变化频繁情况下，不能采用单冲量水位控制系统。单冲量水位控制系统原理图如图2.1所示：
图2.1 单冲量水位控制系统原理图
方案二：双冲量水位控制系统将蒸汽负荷的作为前馈信号，与汽包水位组成前馈-反馈控制系统。在水位上升与蒸汽流量增加时，控制阀门动作反向，因此可节省仪表。但由于水位控制器的测量信号是水位信号与蒸汽流量信号之差，因此采用前馈时，不能保证水位无余差。双冲量水位控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位存在影响，但对给水量扰动为加考虑，因此，适用与给水流量波动较小的场合。
双冲量水位控制系统的优点：能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务，在给水压力比较平稳时采用双冲量水位控制系统是能够达到调节要求的。
双冲量水位控制系统的缺点：调节作用不能及时的反应给水侧的扰动，当给水侧扰动时，调节系统等于单冲量调节，因为，如果给水管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。
双冲量水位控制系统原理图如图2.2所示：
图2.2 双冲量水位控制系统原理图
方案三：三冲量水位控制系统，考虑到给水流量的扰动影响及由于被空对象的非线性等因素，将给水流量引入到双冲连不过控制系统中，组成三冲量水位控制系统。三冲量水位控制系统中，除了汽包水位和蒸汽流量外，引入的第三个冲量是给水流量。三冲量水位控制系统是将汽包水位作为主被空变量，给水量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈串级反馈控制系统。三冲量水位控制系统以锅炉水位为主控信号，蒸汽流量为前馈信号，给水流量为控制器的反馈信号来控制给水流量，它以物料平衡关系为依据，能适应负荷的快速变化，它不仅能克服“虚假水位”的影响，也能克服由于给水压力变化等因素引起给水流量变化的影响，从而使系统有更好的动态响应和静态特征。单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。
三冲量水位控制系统原理图如图2.3所示：
图2.3 三冲量水位控制系统原理图
2.2总体方案论述
通过比较看到三种控制方案中，第一个方案由于单纯采用流量控制的负反馈回路对于汽包液位波动较大的情况液位会产生很大的波动不符合控制参数要求。第二种方案采用前馈反馈的控制模式，在对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。第三种方案控制效果最好，三冲量控制系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。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。
第3章系统设计及器件组成
3.1 三冲量控制系统原理
三冲量控制系统从结构上来说，是一个带有前馈信号的串级控制系统。液位控制器LC与流量控制器FC构成串级控制系统。汽包液位是主变量、给水量是副变量。副变量的引入使系统对给水压力的波动有较强的克服能力。蒸汽流量的波动时引起汽包液位变化因素，是干扰作用，蒸汽波动时，通过引入FC，使给水流量做相应的变化，所以这是按干扰进行的控制，是把蒸汽流量信号作为前馈信号引入控制的。
控制过程：根据串级控制系统选择主、副控制器的正反作用的原则，水位控制器LC反作用选反作用，流量控制器FC为正作用，控制器为气关阀。当水位由于扰动而升高时，因LC反作用，它的输出下降，进入加法器后，使FC给定值减小而输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，水位下降，保持在设定值上；当蒸汽流量增加时，FC给定值增加而输出减小，调节阀的开度增加，给水量增加，保持水蒸气平衡，使水位不变；副回路克服给水自身的扰动，要进一步稳定了水位的自动控制；给水量增加，FC输出增加，调节阀的开度减小，给水量减小，从而保持水蒸气平衡。
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图3.1 三冲量水位控制结构框图
我们知道，水位控制的主要干扰是蒸汽流量的波动，而单冲量调节系统出现这一干扰时，给水量的变化与负荷变化的方向相反，加剧了进出物料的不平衡，使水位偏差变大。双冲量调节能消除蒸汽流量变化对水位的影响，但是系统对水位时一个开环
系统，当负荷与给水量之间有一个偏差时，水位的偏差会越来越大。
三冲量汽包水位控制系统能及时克服给水系统的干扰，改善了控制品质。但是调节过程中还需要解决一个输入信号系统的静态匹配问题，且动态整定过程也比较复杂，因此采用前馈串级控制方案。利用前馈使给水量及时跟踪输出量，利用内环实现对给水量的调节，利用外环实现对水位的调节。
串级控制系统由两个回路构成；主回路和副回路。副回路起粗调作用，主回路起细调作用。把副回路之外的扰动叫做一次扰动。副回路的频率比主回路的频率高的多，副调节器能很快的克服二次扰动。
带前馈的串级水位控制系统框图如图3.1所示。由Gc2、Gv2、Gp2、Gm2组成副回路，其中Gc2为副控制器，Kv就是副回路的控制对象。由Gc1、Gp1、Gm1及副回路一起构成副回路，Gc1为主控制器。因为所有变动器的时间常数都较小，因此忽略不计。主回路用于直接控制水位，主控制器一般都采用比例积分控制，维持水位不变。副回路是流量系统，副回路调节器可以采用比例或者比例积分控制。与一般串级系统不同的这里引入了蒸汽流量作为静态前馈信号，所以这是一个静态前馈的串级控制系统。
由于水位变化对负荷（蒸汽量）扰动D的响应速度要比对基本扰动的影响速度快得多，因此，在外部扰动下被调量的变化速度加以限制。由图3.1可知，带静态前馈的水位初级控制系统中蒸汽流量到给水量之间是一个随动系统，使给水量跟随蒸汽流量的变化而变化。水位串级控制系统中的水位扰动属于内部扰动，内环能很快控制稳定，而蒸汽流量扰动属于外部扰动，必须依赖于回路的控制器进行控制。
3.2硬件设计
3.2.1 液位变送器的选择
选择TK3051L液位变送器：
(1)工作原理：
工作时高低压侧的隔离膜片和灌充液将过程压力传给灌充液，接着灌充液将压力传递到传感器中心的传感膜片上。传感膜片是一个张紧的弹性元件，其位移随所受压而变化（对于GP表压变送器，大气压如同施加在传感膜片上的低压侧一样）。AP绝压变送器，低压侧始终保持一个参考压力。传感膜片的最大位移量为0.004英寸（0.1毫米），且位移量与压力成正比。两侧的电容板极检测传感膜片的位置。传感膜片和电容极板之间电容的差值被转换为相应的电流，电压或数字HART（高速可寻址远程发送器数据公路）输出信号。