锅炉汽包水位双冲量控制系统的设计课程设计说明
目录
摘要 (2)
1 锅炉系统简介 (3)
1.1 锅炉工作过程简介 (3)
1.2 产品设计的意义 (4)
2 方案论证 (5)
2.1 系统实现功能 (5)
2.2 系统方案论证 (5)
2.2.1 串级控制方案 (5)
2.2.2 串级控制方案论证 (6)
2.3 气包水位串级双冲量调节系统图 (7)
2.4 锅炉汽包水位的PID控制方案 (8)
2.4.1 前馈调节系统 (8)
2.4.2 串级前馈调节系统 (9)
3 硬件设计 (11)
3.1 调节阀的选择 (11)
3.2 控制仪表的选择 (11)
3.3 控制器设计 (13)
3.3.1 控制器控制规律选择 (13)
3.3.2 控制器正反作用选择 (13)
3.3.3 控制器的电路实现 (14)
3.4 系统总体设计 (14)
3.5 传感器选择 (15)
3.6 变送器选择 (15)
4 软件设计 (16)
4.1 程序流程图 (16)
4.2 PID控制系统算法 (16)
5 系统分析及参数整定 (19)
5.1 给水控制系统分析及整定 (19)
5.1.1 副回路的分析和整定 (19)
5.1.2 主回路的分析和整定 (19)
5.2 锅炉水位PID控制的总体结构及仿真 (19)
6 课程设计总结 (21)
参考文献 (22)
摘要
锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有两个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了如何消除水位偏差的方法，即辅助信号自消方法。根据双冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了双冲量PID串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状，提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊PID控制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB 对传统PID控制系统和双冲量自适应模糊PID控制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。
关键词：汽包水位；双冲量；串级系统； PID控制；模糊控制
1 锅炉系统简介
1.1 锅炉工作过程简介
锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的
化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形
式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，
输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、
化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的
动力源。
锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1.1所示。
由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及
蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的
热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经
下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽
包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸
发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再
进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、
升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。
图1.1锅炉的汽水系统
“炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅
燃 烧
燃
空1
2
3 4 5 6 7
8
炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。
经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。
1.2 产品设计的意义
锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。由于锅炉的水位受到负荷变化的影响，因此当锅炉用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉安全运行的重要条件。水位过高或过低，都是不允许的。水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁结垢，造成工业事故，同时锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。使锅筒水位维持在设计值80±0.3㎝范围内。
通过以上分析，锅炉水位的控制是十分必要的，随着自动化水平的不断提高，设计一款简单、方便的过程控制系统来对水位进行自动控制及处理也显得十分必要。
2 方案论证
2.1 系统实现功能
通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并
保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。
2.2 系统方案论证
2.2.1 串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。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，由副调节器调节器和减
温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号—出口蒸汽温度，形成的
闭环称为主环，可见副环是串在正正环之中的。
过热器
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。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。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，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
2.2.2 串级控制方案论证
串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品
图2.2 串级控制系统方框图
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，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”。因此控制质量优于简单控制系统。
串级控制有以下优点
1、由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作
用更加及时；
2、提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性
增强了；
3、对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高；
4、对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的1/10—1/100，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的1/3—1/5。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。
2.3 气包水位串级双冲量调节系统图
图2.3中所示的双冲量调节系统,汽包水位是被控变量,是主冲量信号,蒸汽流量和给水流量是辅助冲量信号。系统将蒸汽流量和给水流量前馈到汽包水位调节系统中去,一旦蒸汽流量或给水流量发生波动, 不是等到影响到水位才进行调节,而是在这两个流量改变之时就能通过加法器立即去改变调节阀开度进行校正,故大大提高了水位这个被调参数的调节精度。
图2.3中所示的串级控制系统有一个明显的特点:在结构上有两个闭环。一个环在里面，称之为副环或副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用;一个环在外面，称之为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。在串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，主调节器的任务是校正水位偏差。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平衡。主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则送到执行机构去控制生产过程。这样，当负荷变化时，水位稳定值是靠主调节器来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定.恰恰相反，在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，从而改变负荷扰动下的水位控制品质。
图 2.3 串级
控制系统
2.4 锅炉汽包水位的PID 控制方案
控制汽包水位的手段是操纵给水，依此构成的单回路控制系统对锅炉的假水位现象回发出相反的补偿动作，严重时甚至会使汽包水位降到足以发生危险事故的程度，如果根据蒸汽流量来给出校正动作，就可以纠正虚假水位引起的误动作，从而减少水位的波动，改善控制的精确度。
2.4.1 前馈调节系统
比较前馈系统，反馈系统的最大缺点是在干扰作用下，必须形成偏差，才能进行调节（或偏差即将形成）那么能否在干扰作用发生后，在未影响被控变量时，就开始调节，使被控变量保持不变。而前馈系统是按干扰进行调节的开环调节系统，在干扰发生后，被控变量未发生变化时，前馈控制器根据干扰幅值，变化趋势，对操纵变量进行调节，来补偿干扰对被控变量的影响，使被控变量保持不变的方法。
图 2.4 前馈系统方框图
其中PD G 表示干扰通道对象特性，
PC G 表示控制通道对象特性，ff G 表示前馈控
制器传函。 根据不变性原理，即被控变量与干扰量绝对无关，或被控变量对干扰完全独立，
则
()()s
F
s
T=0，即()s T=0
()()s
F
s
T=PC
ff
PD
G
G
G?
+
=0
(2-1)
所以
()=
s
G
ff-
()()s
G
s
G
PC
PD
即
()s
G
ff=- 干扰通道对象特性/控制通道对象特性
上式的负号表示控制通道与干扰通道作用相反。
所以前馈控制器传函由控制通道对象特性和干扰通道对象特性决定。
2.4.2 串级前馈调节系统
为克服调节阀的变差（滞环），阀前后压差变化，引起阀和流量变化（如蒸汽压力变化）增加一个流量付环，其目的在于通过设置副变量来提高对主变量的控制质量，由于副回路的存在，对进入副回路的干扰有超前控制的作用，因而减少了干扰对主变量的影响，同时系统对负荷改变时有一定的自适应能力。
图2.5 串级前馈系统模型
图2.6 串级前馈控制系统方框图
串级前馈模型传递函数：
()s F ()s G ff ? ()()s G s G PD PC +1=0 (2-2)
综上两种调节系统的比较，我们可以看出，采用串级前馈调节具有更大的优势，故在在此设计方案中，采用串级前馈的控制方式来对其进行控制。
()()()()()()()s G s G s G s H s G s G s G PC c m pc C 222221???+??νν
3 硬件设计
3.1 调节阀的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
1、生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
2、保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
3、尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
4、从介质的特点考虑。
综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。
阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。
3.2 控制仪表的选择
控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动III 型和电动II 型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II 型典型信号为mADC 10~0，而电动III 型仪表的典型信号为mADC 20~4，此外。III 型仪表较II 型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III 型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III 型仪表。
由电动III 型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种：
图3.1 用电动III 型仪表组成的串级控制系统方
块图
该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。由于副控制器输出的是，而控制阀只能接受MPa 1.0~02.0气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。
图3.2 用电动III 型仪表组成的主控-串级控制系
统方块图
该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下。
在本设计中采用第二种方式将可以控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。
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，一旦主控制器航五输出稍有变化，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”，所以负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。
3.4 系统总体设计
系统总体设计电路图如图3.3所示。
图3.3 系统电路图
本系统以80C51 单片机为核心, 它有4KEPROM, 所以不需外扩EPROM, 这样可利用P1 口作为按键输入口,输入口接有中断式独立式按键电路, 向单片机输入命令、功能切换, 可以对单片机进行人工干预; 另对串行输入口P3.0 扩展接口, 使用移位寄存器作为锁存或输入信号的接口, 可以方便地扩展并行输入口, 这种方法不占用片外地址, 简单易行, 便于操作适合于速度较慢、适时性要求不高的场合, 它是利用一片74LS165 与80C51 的3 根端口线相连, 可扩展8 根并行输入口线, 在电位器式传感器采集信号,A/D 转换器转换信号后, 将信号输入到此接口, 如图4-3 所示。由于输出接口比较多, 可扩展一片8255 可编程接口芯片, 利用指令设置各口的工作方式, 8255 内部有3 个并行的8 位I/O 接口,分别为A 口、B 口、C 口, 8255 是8 位芯片, 有8 位数据线, 数据线接于80C51 的P0 接口, 可以用于实现8255
与80C51 之间的数据传输。需要注意一点, 使用8255 芯片时, 首先要对它初始化, 也就是对8255 的3 个端口的工作方式预先设置。扩展口接有4 位74LS164 驱动显示器,并有1 个报警器( 用于极低水位、极高水位报警) , 和3 个发光二极管指示灯( 用于电源显示、水泵上水显示、水位显示) ; 并行输出口接有双向可控硅驱动器电路, 来控制电机启停。
3.5 传感器选择
由于锅炉内的温度较高，所以，对于传感器的选择必须适合于高温环境，本设计采用溶解氧传感器，该传感器不但适合高温环境，且操作维护十分简便，价格经济。
3.6 变送器选择
本设计需要采用变送器来记录蒸汽流量和给水量，符合性能的有,XGS868、WRN-230。对于本设计来说，他们均符合要求，且性能差别不是很大，因此从经济的角度考虑，WRN-230更为合适，该型号不但符合设计要求，且价格合理，易于维护。
4 软件设计
4.1 程序流程图
该系统的工作过程是由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规定范围。如此循环工作，使汽包水位得以准确控制，保证锅炉的安全、可靠运行。程序流程图如图4.1所示。
图4.1程序流程图
4.2 PID控制系统算法
PID控制的本质是一个二阶线性控制器，通过调整比例、积分和微分三项参数，使得大多数的工业控制系统获得良好的闭环控制性能。对于水位系统的建模，可近似地认为“纯滞后+一阶惯性”环节，进行实验对于一阶惯性环节对象，往往采用PID 控制算法， PID调节器如图4.2所示。
图4.2 PID 调节器
调节器输入输出之间的比例-微分-积分关系如下：
u(t)=Kp[e(t)+1/Ti ∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]
其中Kp 为比例系数,Ti 为积分时间常数,Td 为微分时间常数。 式中T 是采样周期，周期T 必须足够短,才能保证有足够的精度，因此数字PID 调节器，表达式如下：
u(kT)=Kp{e(kT)+T/Ti ∑e(jT)+Td/T[e(Kd)―e(Kt ―T)]}
在反馈控制部分，如果过早地引入积分作用容易产生饱和，产生过大的超调量，预期的调节规律将遭到破坏。为了克服这一缺点，可以采用积分分离的PID 控制算法，这样既保持了积分的作用，又减少了超调量，使控制性能有较大的改善。 积分分离法思想：
1—一般PID 调节曲线 2—积分分离PID 调节曲线 Q —从此点开始引入积分作用
KP Ki Kd*
???>≤=控制，保证消除静差
当控制，保证快速性当PID kT e PD kT e K L ,)(0,)(1εε})])1(()([)()({)(0∑=--++=k j d L i p T k e kT e T
T jT e K T T kT e K kT u
图4.3 PID调节曲线
5 系统分析及参数整定
5.1 给水控制系统分析及整定
根据串级双冲量给水控制系统的工作原理, 对主回路和副回路进行分析整定。
5.1.1 副回路的分析和整定
根据串级控制系统的分析整定方法, 应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统, 以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。用试探的方法选择副调节器的比例带,以保证内回路不振荡为原则。在试探时,给水流量反馈装置的传递函数可设置为任意数值,以得到满意的比例带值。如果传递函数以后需要改变,则应相应地改变比例带值,使传递函数与比例带的比值保持为试探时的值,以保证内回路的稳定性。因为调节通道放大系数较大,副调节回路可等效为反馈回路的倒数。
5.1.2 主回路的分析和整定
在主回路中, 如果把副回路近似看作为比例环节, 则主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量W 作为被控对象的输入信号, 水位变送单元的输出为输出信号, 可以把主调节器与副回路两者看作为等效主调节器。主回路仍按单回路系统的整定方法整定, 如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线,并由曲线求得参数, 再按响应曲线法中给定的公式计算等效调节器的整定参数。
5.2 锅炉水位PID控制的总体结构及仿真
通过前述各方面的分析，我们可以作出锅炉水位PID控制的结构图如图5.1所示。