锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统

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过程控制仪表课程设计题目：锅炉温度串级控制系统学生姓名：安春雨薛龙朝常玉龙班级：生产过程0901指导老师：张娓娓2011年06月08日•电阻炉是现代工业生产的主要装备，在国民经济建设中具有举足轻重的作用。

本次设计是根据电阻炉温度控制技术的发展要求而设计的一种温度实时串级控制系统。

其控制原理、思想非常适用于自动化程度比较高的企业以及现场环境比较复杂的控制场所。

本系统利用温度传感器、变送器、PLC及其配套的A/D转换器件MAD02、上位计算机等，完成了电阻炉温度可编程控制器串级控制系统的设计，以CX-Programmer、Windows为平台，通过上位机和下位机软件的设计，实现电阻炉温度的实时串级控制。

变送器选择的几个基本原则如下①尽可能选择测量误差小的测量元件。

②尽可能选择快速响应的测量元件与变送设备。

③正确采用微分超前补偿。

④合理选择测量点位置并正确安装。

⑤对测量信号作必要的处理。

锅炉温度串级控制系统框图锅炉温度串级控制系统工作原理•选取炉出口温度为主被控参数（简称主参数），选取炉膛温度为副被控参数（简称副参数），把炉出口温度调节器的输出作为炉膛温度调节器的给定值。

这样，扰动对出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（称为副调节器）构成的控制回路（称副回路）来克服，扰动对炉出口温度的影响则由出口温度调节器（称为主调节器）构成的控制回路（称为主回路）来消除。

•用高精度的铂电阻传感器对电热锅炉的水温进行实时精确测量,用JCJ100G温度变送器把传感器的输出信号转换成0～5V标准电压信号,再送入8位的MAD02进行A/D转换,从而实现自动检测。

控制部分采用PID算法,经过PID运算产生的控制信号u(k)是数字信号，将其送入012通道实现D/A 转换，此时在MAD02的输出端就形成了模拟信号，将此模拟信号送入执行机构（温度控制器）。

实时更新PWM控制输出参数,控制可控硅,最终实现对炉温的高精度控制。

热电阻的温度特性系统检测部分采用铂电阻传感器测量输入信号，铂是目前最好的热电阻材料，它在国际使用温标中13.81K～630.74℃范围内作为基准器的复现温标。

第三章控制系统的控制方案及原理3.1 控制方案的确定温度流量串级控制实验是以串级控制系统来控制换热器热水出口温度，以换热器冷水流量为副对象，流量变动的时间常数小，时延小，控制通路短，从而可加快提高响应速度，缩短过渡过程时间，符合副回路选择的超前，快速，反应灵敏等要求。

换热器热水出口温度为主对象，冷水流量的改变需要经过一定时间后通过换热器的热交换才能反映到换热器热水出口温度，时间常数比较大，时延大。

将主调节器的输出作为副调节器的给定，而副调节器的输出控制执行器。

反复调试，使第二支路的流量快速稳定在给定值上，这时给定值应与负反馈值相同。

若参数比较理想，且主回路扰动较小，经过副回路的及时控制校正，不影响换热器热水出口温度。

如果扰动比较大或参数并不理想，则经过副回路的校正，还将影响主回路的温度，此时再由主回路进一步调节，从而完成克服上述扰动，使换热器热水出口温度调节到给定值上。

例如当通过调节变频器改变左边水泵的频率时，即改动了热水的流量，将立即影响到换热器热水出口温度，如果没有副回路，主回路将产生校正作用，克服扰动对温度的影响。

但是由于副回路的存在，加快了校正作用，使扰动对主回路的温度影响较小。

串级控制系统方框图如图 3-1 所示，各个回路独立调整结束，使得主调节器输出与副调节器给定值相差不是太远。

副回路对FT102进行控制，这个反应比较快，副回路控制目的是很快把流量控制回给定值。

主回路对换热器热水出口温度TE103进行控制。

可以在换热器热水出口加入主回路干扰，要平衡这个干扰，则需要经过流量调整，通过 FT102来平衡这图3-1 换热器热水出口温度和冷水流量串级控制框图电磁流量计FT102AI0换热器热水出口温度TE103AI1调节阀FV101AO03.2 主、副调节器控制规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用是不同的。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择控制规律的基本出发点。

图1.1 单回路控制系统方框图图1.2 双容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图图1.3 三容液位定值控制系统(a)结构图 (b)方框图图1.4 锅炉夹套水温定值控制系统(a)结构图 (b)方框图图1.5 单闭环流量定值控制系统图1.6 锅炉内胆温度位式控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.1 串级控制系统方框图R-主参数的给定值； C1-被控的主参数； C2-副参数；f1(t)-作用在主对象上的扰动； f2(t)-作用在副对象上的扰动。

图2.2 水箱液位串级控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.3 三闭环液位控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.4 锅炉夹套与内胆温度串级控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.5 锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.6 盘管出口水温与锅炉内胆水温串级控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.7 盘管出口水温与热水流量串级控制系统(a)结构图 (b)方框图图2.8 下水箱液位与进水流量串级控制系统(a)结构图 (b)方框图(a)(b)图3.1 （1）管式加热炉温度流量串级控制系统（燃油流量Q为副参数）(a)方框图 (b) 结构图D1:原料油流量,初始温度表，D2:燃油压力(流量)，D3:喷油蒸汽压力,配风,炉膛漏风,环境温度.燃油成分等（2）管式加热炉温度压力串级控制系统（燃料压力为副参数）（3）管式加热炉温度串级控制系统（炉膛温度T1为副参数）图3.2 加热炉三变量控制系统图3.3 脱硫加热器流量比值控制系统图3.4 换热器温度串级控制系统(a)出口温度-加热蒸汽流量串级控制(b) 出口温度-加热蒸汽压力串级控制图3.5 换热器温度前馈-比值控制系统图3.6 反应器温度串级控制系统。

水温——循环水流量串级控制系统的研究与设计论述了模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统的研究过程。

本次设计以THSA-1型过程综合自动化控制系统实验台及其实验装置为平台，采用AI808P智能仪表对温度——流量串级控制系统进行控制，并通过MCGS组态软件进行上位机监控，说明了主副调节器参数改变对系统性能的影响、阶跃扰动作用于副对象和主对象时对系统的影响。

标签：水温；循环水流量；串级控制；智能仪表控制；MCGS在一些工业过程控制如冶炼、钢铁、化工等工业生产中，水温与水流量是非常重要的控制因素，而温度因滞后性比较强，所以控制起来比较困难。

本文是以实验室的THSA-1型高级过程控制系统实验装置为平台，以模拟锅炉内胆水温与循环水流量构成的串级控制系统为研究对象。

建立一个基本的计算机控制软硬件平台，采用智能仪表对锅炉水温与循环水流量构成的串级系统进行控制，并用MCGS组态软件建立组态界面在计算机上运行实现组态监控。

1 系统组成采用PLC为控制器，在进行A/D、D/A转换和LED显示时存在较多难题，内部编程较为复杂，价格昂贵等；采用智能仪表控制则不同，AI808P智能仪表作为控制器它包括报警，显示及控制功能，使用较方便，价格适中，可根据现场情况实时改变内部参数对系统进行控制。

采用智能仪表对锅炉内胆水温与循环水流量串级控制系统进行控制。

2 系统硬件设计2.1 智能仪表机AI808P智能调节器对系统所需的硬件进行选择要根据系统控制框图结合THSA综合自动化过程控制平台提供的硬件模块来进行。

智能仪表选择THSA-1型实验平台提供的AI808P智能仪表。

AI808P智能调节器具有模糊逻辑PID调节及参数自整定功能的先进控制算法。

在误差大时，运用模糊法进行调节，以消除PID饱和积分现象；当误差减小时，采用改进后的PID算法进行调节，并能在调节中自动学习和记忆被控对象的部分特征以使效果最优化。

其具有无超调、高精度、参数确定简单，对复杂对象也能获得较好控制效果等特点。

过程控制仪表课程设计题目：锅炉温度串级控制系统学生姓名：班级：学号：指导老师：2011年06月08日目录摘要 (2)1系统简介 (2)1.1 控制方式的确定 (3)1.2 检测元件和执行机构的选择 (4)1.2.1 检测元件的选择 (4)1.2.2 执行机构的选择 (4)1.2.3 微型计算机的选择 (4)1.2.4 输入输出通道及外围设备的选择 (6)2设计方案及仪表选型2.1系统控制硬件的设计2.1.1系统的原理框图.2.1.2 温度检测电路单元 (7)2.1.3 执行器的选择 (14)2.1.4 控制系统仪表配接图及说明2.1.5 仪表型号清单2.2 系统控制的软件设计3系统仿真的实现4设计总结参考文献 (20)摘要电阻炉是现代工业生产的主要装备，在国民经济建设中具有举足轻重的作用。

本次设计是根据电阻炉温度控制技术的发展要求而设计的一种温度实时串级控制系统。

其控制原理、思想非常适用于自动化程度比较高的企业以及现场环境比较复杂的控制场所。

本系统利用温度传感器、变送器、PLC及其配套的A/D转换器件MAD02、上位计算机等，完成了电阻炉温度可编程控制器串级控制系统的设计，以CX-Programmer、Windows为平台，通过上位机和下位机软件的设计，实现电阻炉温度的实时串级控制。

1、系统简述随着我国国民经济的快速发展，锅炉的使用范围越来越广泛。

而锅炉温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制,有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量和产量。

现代锅炉的生产过程可以实现高度的机械化，这就为锅炉的自动化提供了有利条件。

锅炉自动化是提高锅炉安全性和经济性的重要措施。

目前，锅炉的自动化主要包括自动检测、自动调节、程序控制、自动保护和控制计算五个方面。

实现锅炉自动化能够提高锅炉运行的安全性、经济性和劳动生产率，改善劳动条件，减少运行人员。

锅炉是工业企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽或热水，以满足负荷的需要。

基于MATLAB的锅炉水温与流量串级控制系统的设计目录摘要 (2)Abstract (3)1 概述 (4)1.1过程控制 (4)1.2串级控制系统 (6)1.3 MA TLAB软件 (7)1.4 MCGS组态软件 (8)2 PID控制器原理 (10)2.1 PID控制器简介 (10)2.2 PID控制系统 (11)2.3 PID控制参数的整定及方法 (12)2.3.1 PID控制参数的整定简介 (12)2.3.2 PID控制参数整定方法 (12)3 建立被控对象模型 (15)3.1 被控对象建模 (15)3.2 测量被控对象阶跃响应曲线 (16)3.3求取被控对象传递函数 (17)4 控制方案的设计及仿真 (22)4.1 设计控制系统框图 (22)4.2 Simulink控制系统仿真 (23)4.3仿真结果分析 (24)4.4 串级控制与单回路控制系统抗干扰性能仿真 (26)5 结论 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录：英语资料及译文 (32)摘要本设计针对锅炉温度控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度流量串级控制系统。

首先，通过实验法建立锅炉的数学模型，得到锅炉温度与进水流量之间的传递函数，通过对理论设计的控制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。

其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪表过程控制系统，通过参数整定，得到较好现场控制效果。

再次，实现积分分离的PID控制算法。

关键词：水温流量串级控制系统 PID控制仪表过程控制系统计算机过程控制系统AbstractThe purpose of this thesis is to design the liquid level's concatenation control system of the double capacity water tank. This design makes full use of the automatic indicator technique ﹑the computer technique﹑the communication technique and the automatic control technique in order to realize concatenation control of water tank's liquid. First, I carry out the analysis of the controlled objects' model, and use the experimental method to calculate the transfer function of the model .Next, I Design the concatenation control system and use the dynamic simulation technique to analyze the capability of control system. Afterwards, I design and set up the indicator process control system, realize PID control of the liquid level with intelligence indicator. Finally, I design and set up the long distance computer control system in virtue of the data collection module ﹑MCGS soft and digital PID controller，accomplish control system experiment and analyze the outcome.1 概述1.1过程控制1．工业过程控制的发展概况自本世纪30年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。