摘要
蒸汽锅炉液位控制系统是发电厂中的一个重要的热工控制系统，其任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中液位位保持在一定的范围内，实现机组安全经济运行。
蒸汽锅炉液位控制系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。
串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。
在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本文中体现。
本文主要是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行，并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。
但是，传统PID控制器参数的整定是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定规则来确定的，不能进行在线调整，难以适应锅炉汽包水位这样一个复杂多变的控制系统，其控制效果往往难以满足要求。
因此，本文最后应用模糊控制技术，设计了一种二输入三输出模糊自整定PID控制器，对锅炉汽包水位进行控制，实现了PID参数的自适应调节。利用MATLAB对控制系统进行仿真。结果表明，该控制器自整定能力及鲁棒性比传统 PID控制器更强，响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。
关键词：蒸汽锅炉液位；三冲量； PID 控制；模糊控制； MATLAB 仿真目录
摘要.............................................................................................................................................. I 目录.............................................................................................................................................. I 前言 (1)
第一章概述 (3)
1.1 工业锅炉系统概述 (3)
1.2 锅炉的工艺流程简介 (4)
1.3 锅炉设备的调节任务 (4)
第二章锅炉汽包水位控制对象与控制指标 (6)
2.1 锅炉汽包水位的特性 (6)
2.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 (6)
2.3 汽包水位在蒸汽流量D扰动下的动态特性 (7)
2.4 燃料量B扰动下汽包水位的动态特性 (8)
第三章汽包水位控制方案 (9)
3.1 单冲量控制方式 (9)
3.2 双冲量控制方式 (10)
3.3 三冲量控制方式 (11)
第四章三冲量控制系统PID设计 (13)
4.1 常规PID 控制的基本理论 (13)
4.1.1 PID控制器简述 (13)
4.1.2 PID控制器的结构 (13)
4.1.3 PID控制器的分类 (14)
4.2 常用PID参数整定方法 (16)
4.3 串级PID控制 (17)
4.3.1串级PID控制原理 (17)
4.3.2串级控制系统的参数整定 (18)
4.4 PID控制的特点及智能整定PID参数 (19)
4.4.1 PID控制的优缺点 (19)
4.4.2智能整定PID 参数 (20)
第五章三冲量串级PID控制的MATLAB 仿真 (21)
5.1 仿真的目的和意义 (21)
5.2 仿真软件功能概述 (21)
5.3 锅炉汽包水位的三冲量串级PID控制系统仿真 (22)
第六章模糊控制原理 (25)
6.1 模糊控制的基本概念 (25)
6.2 模糊控制器的工作原理 (28)
6.3 模糊控制器的优缺点 (31)
6.4 模糊PID控制器 (32)
6.4.1模糊PID 控制器的基本形式 (32)
6.4.2模糊PID 控制器的设计步骤 (33)
第七章汽包水位模糊控制器设计及仿真 (35)
7.1 输入输出变量 (35)
7.2 隶属度函数 (36)
7.3 模糊规则表 (38)
7.4 合成推理算法 (42)
7.5 参数的自整定算法 (44)
7.6 MATLAB 仿真研究 (45)
7.6.1模糊逻辑控制器模块的建立 (45)
7.6.2系统仿真模型的建立 (47)
7.7 模糊自整定PID控制与常规PID控制仿真比较 (48)
7.7.1 无扰动作用时 (48)
7.7.2 加入蒸汽流量扰动时 (49)
7.7.3 加入给水扰动时 (50)
7.7.4 时间常数改变时 (50)
第八章总结 (51)
参考文献 (52)
致谢 (54)
完成人员分工及签名 (55)
前言
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，使大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。同时，锅炉工作过程中各项指标的调节难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点，所以如何改善对锅炉的控制，保证其正常工作，提高效率一直是人们关注的焦点。而汽包液位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证液位在给定范围内，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。
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，这都对汽包液位控制系统提出了更高的要求。汽包液位过高，会影响汽包内汽液分离效果，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。
目前，对汽包液位位控制大多采用常规PID控制方式，从控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象”，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”，具有高性价比的控制系统。常用的蒸汽锅炉液位调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量太小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多。因此单级三冲量事实上一般也难以采用。
串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。
然而，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，其精确的数学模型往往无法获得而且常规PID控制的参数是固定不变的，难以适应各种扰动及对象变化，其控制效果往往难以满足要求，控制效果也不是最理想。
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。
模糊控制器一般采用二维结构形式，即以误差及误差变化作用模糊控制器的输入信号，根据二者模糊化的结果查询模糊控制表，得到控制量的模糊量，再经去模糊化处理转化为精确量去控制执行机构。
基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，本文将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中，作了以下一些试探性工作,对现有的模糊控制器的构成方式进行归纳总结。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。
第一章概述
1.1 工业锅炉系统概述
锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它通过煤、石油、天然气的燃烧所释放出的化学能，通过传热过程把能量传递给它水，使水变成水蒸气。这所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着石油化学工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，生产过程的不断强化，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。工业锅炉的管理水平、运行水平和自动化水平大都很低，就其设备来说，数量大、耗煤高、设备陈旧、热效率远远没有达到锅炉制造厂家的设计指标，但也不能否认，以上现象与工业锅炉缺少必要的检测、控制手段等有关[27]。可见，加速工业锅炉的技术改造，迅速提高其自动控制水平是刻不容缓的任务。
锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1.1。
图1.1 锅炉的工艺流程图
1.2 锅炉的工艺流程简介
一般工业蒸汽锅炉主要由以下五部分组成：
1）汽包：由上下锅筒和三组沸水管组成。水在管内受外部烟气加热，发生自然循环流动，并逐渐汽化，产生的饱和蒸汽集聚在上锅筒。
2）炉膛：是使燃料充分燃烧并释放热量的设备。
3）过热器：是将锅炉所产生的饱和蒸汽继续加热为合格蒸汽的换热器件。
4）省煤器：是利用烟气预热锅炉的给水，以降低烟气温度的换热器件。
5）空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧时所需的空气的热器件。
图1.1给出了蒸汽锅炉的主要工艺流程图。给水经过水泵、给水控制阀、省煤器进入锅炉的汽包，燃料和空气按一定比例送入炉膛燃烧，产生的热量传给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后再经过过热蒸汽，形成满足一定质量指标的过热蒸汽输出，经负载设备控制供给负荷设备用。同时燃烧过程中产生的烟气，经过过热器将饱和蒸汽加热成过热蒸汽后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱排入大气[8]。
1.3 锅炉设备的调节任务
锅炉设备是一个复杂的控制对象，是多输入，多输出多回路，非线性的输入输出变量间相互关联的对象[21]。如下图1.2所示，主要输入变量是负荷，锅炉给水、燃料量、送风和引风等。主要输出量是汽包水位，蒸汽压力，过热蒸汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含氧量）等。这些入变量与输出变量之间相互关联。
图1.2 锅炉设备控制对象
锅炉是重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉的发热量适负荷的需要。所以，生产过程中的各个主要工艺参数必须严格控制。
锅炉的主要调节任务是：
1）汽包中水位保持在一定范围内；
2）锅炉供应的蒸汽量适应负荷变化的需要或保持给定的负荷；
3）锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定的范围内；
4）过热器的蒸汽温度保持在一定范围内；
5）保持锅炉燃烧的经济性和安全性；
6）炉膛负压保持在一定范围内。
锅炉控制中的调节任务之一是锅炉汽包水位的控制，也是难点之一[27]。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。在锅炉控制系统中，汽包水位的控制是最基本的也是及其重要的。汽包水位控制的任务是，使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入是给水量，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式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况[27]。因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。
锅炉汽包水位控制常采用的方式有：单冲量、双冲量、三冲量控制等。它们常采用PID 控制算法。通过分析发现，单、双冲量控制系统结构简单廉价，系统的可靠性不高，控制效果差，不能避免“虚假水位”现象；三冲量控制系统控制效果好，可靠性高，能有效的避免“虚假水位”现象。可见，“虚假水位”给水位控制带来了困难和挑战。
本文采用的是串级三冲量汽包水位控制系统和模糊控制系统[27]。
第二章锅炉汽包水位控制对象与控制指标
2.1 锅炉汽包水位的特性
锅炉的安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产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；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。因此，研究汽包水位的控制方法有着重要的意义。
工业锅炉汽水系统结构如图2.1 所示：
图2.1 锅炉的汽水系统
锅炉汽包水位控制的任务是：跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，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。
影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量W、蒸汽流量D燃料量B三个主要因素对水位的影响。
2.2 汽包水位在给水流量W作用下的动态特性
如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线
应该为图2.2所示的曲线H 1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积V 也就会相应的减小，从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H 2所示。水位的实际响应曲线应是曲线H 1和H 2之和，如图2.2所示的曲线H 所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为：
11()()()(1)εH s G s W s s τs ==+
（2-1） 式2-1中1ε表示汽包水位的变化速度，τ表示延迟时间。
图2.2 给水流量扰动下水位阶跃响应
图2.3 给水扰动传递函数方框图
其扰动传递函数方框图如图2.3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的串联的形式。
2.3 汽包水位在蒸汽流量D 扰动下的动态特性
当锅炉负载耗汽量D 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图2.4所示的曲线H 1所示，另一方面由于锅炉负载耗汽量D 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积V 增大，从而导致汽包水位上升，如图
2.4所示曲线H 2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线H 1和H 2之和，如图2.4所示曲线H 所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象”。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：
1
)()()(022++-==
s T K s s D s H s G ε （2-2） 式2-2中2ε表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度，0T 表示“假水位现象”的延迟时间。
图2.4蒸汽流量扰动下水位阶跃响应 2.4 燃料量B 扰动下汽包水位的动态特性
燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量D 的变化，因此也同样会有“假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。
由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。此外，通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。由于汽包压力对汽包水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。
第三章汽包水位控制方案
给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，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。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。这里的冲量指的是变量[8]。
3.1 单冲量控制方式
单冲量水位控制系统原理图及方框图如图3.1和3.2所示。单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。
图3.1 单冲量水位控制系统原理图
图3.2 单冲量水位控制系统方框图
如图3.1和图3.2所示是单冲量水位控制系统，单冲量即只有一个变量——汽包
水位。单冲量水位控制系统是最简单、最基本的控制系统。这种控制结构的特点主
要有：①结构简单，投资少；②适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平
稳的场合；③为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。
但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于：
①负荷变化时产生的“虚假水位”，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差； ②负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著；
③给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。
总之，单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。
3.2 双冲量控制方式
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图3.3，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。
图3.3与图3.4是典型的双冲量控制系统原理及方框图。这是一个前馈加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统仅为静态反馈，若考虑两条通道在动态上的差异，须加入动态补偿环节。如图3.3所示，加法器的输出是：
012C F P
C P C P C =±+ （3-1） 式中：P C 为水位控制器输出；P F 为蒸汽流量变送器输出；C 为初始偏置值；C 1、C 2为加法器的系数。
图3.3 双冲量水位控制系统原理图
图3.4 双冲量水位控制系统方框图
从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是：
(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。
(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以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，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。
双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，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。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。
3.3 三冲量控制方式
目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在10~20秒内就会发生危险水位；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。
锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节
过程非常复杂。
针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位H、蒸汽流量D和给水流量W组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位H 是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量D、给水流量W是两个辅助冲量信号。三冲量的水位控制系统原理图和方框图如图3.5和图3.6所示。
图3.5 三冲量水位控制系统原理图
图3.6 三冲量水位控制系统方框图
三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。这样，就能够有效地维持汽包水位在工艺允许的范围内，也有效地克服了系统中存在的虚假水位现象。
第四章三冲量控制系统PID设计
4.1 常规PID 控制的基本理论
4.1.1 PID控制器简述
PID控制器产生并发展于1915-1940年期间，尽管自上世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速发展，推动了控制理论研究的深入开展，出现了许多先进的控制算法，然而，以PID为原理的各种控制器仍是过程控制中不可或缺的基本控制单元。至今，仍有90%以上的控制回路采用PID结构或其改进型。概括的说，PID 控制器应用如此广泛主要有以下几个原因：
●只要设计和参数整定合适，PID 控制器在许多应用场合都能获得较满意的效果。
●PID 控制器有一个相对固定的结构形式，一般仅有三个参数需要设置，不需要精确
的数学模型；并且，PID 控制器操作简单、维护方便，对设备和技术人员的要求不高，因而在现有控制系统中使用容易。
●现在，随着微处理器性价比的不断提高，一些优于传统PID 控制的复杂控制算法能
够得到实现，而且控制技术的迅速发展导致了控制系统的组合化。然而在这种情况下，为什么PID 控制器依然能在过程工业中得到广泛应用?其中一个原因，是许多高级控制策略都采用分层结构，而PID 控制被用于最底层;上层多变量控制器给底层的PID 控制器提供设定值；另一个原因，是负责实际操作的技术人员要掌握复杂控制系统的原理和结构比较难。
●借助于电子管、半导体和集成电路技术，PID 控制器发生了许多变化，从过去的气
动式向今天的微处理器方向发展。微处理器的出现对PID 控制器产生了重大影响，实际上今天几乎所有的PID 控制器都是建立在微处理器基础上。这样也就给传统PID 控制器提供了增加一些新功能的可能，这些新功能主要包括自整定、增益调度和自适应。自整定技术对于工程师设置控制器参数非常有用，尤其体现在一些复杂回路的控制器参数整定上。
PID 控制器在功能和作用上，可以提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除静态偏差，通过微分作用可以预测未来。它能解决许多控制问题，尤其在动态过程是良性
的和性能要求不太高的情况下[11]。
4.1.2 PID控制器的结构
PID 控制器的基本控制规律有比例、积分和微分等几种，工业上所用的控制规律是这些基本规律之间的不同组合。比例、积分、微分调节器，是前述调节器中功能最全的一种(如图 4.1)。
图4.1 PID 控制系统图
PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与被控量输出值c(t ）构成的控制偏差e(t ）=r(t)-c(t ），将偏差的比例(P ）、积分(I ）和微分(D ）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器，其控制规律为：
])()(1)([)(0?++=t d i P dt
t de T dt t e T dt t e K t u (4-1) 式中：K p 为比例系数；T i 为积分时间常数；T d 为微分时间常数。
或写成传递函数的形式：
)11()()()(s T s
T K s E s U s G d i p ++== (4-2) 简单的说，PID 控制器各校正环节的作用如下：
l ）比例环节：比例系数增大可以加快响应速度，减小系统稳态误差，提高控制精度。但过大会产生较大超调，导致系统不稳定；取得过小，可减少系统的超调量，使系统的稳定裕度增大，但会降低系统的调节精度。
2）积分环节：积分作用的强弱取决于积分时间常数T i ，T i 越大积分作用越弱，反之则越强。积分环节用于消除系统的静态误差。加大积分系数，有利于减小系统静差，但过强的积分作用会使系统的超调量加剧，甚至引起振荡；减小积分系数虽然有利于系统的稳定，避免系统产生振荡，减小系统的超调量，但对消除系统的静差是不利的。
3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势，微分环节的作用在于改善系统的动态特性，其主要是在响应过程中抑制偏差向任何地方的变化，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的调节速度，减少调节时间。但风过大，则会使响应过程提早制动，从而延长调节时间[12]。
4.1.3 PID 控制器的分类
随着计算机技术的发展，在实际应用中，大多采用数字 PID 控制器。数字 PID 控制算法通常分为位置式和增量式两种：
（1）位置式PID 控制算法
位置式PID 控制系统如下图所示：
图4.2 位置式PID 控制系统
由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因 此连续 PID 控制算法不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID 控制算法，以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ，以矩阵法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即：
∑?∑==?????????--≈=≈?==k 0j t 0k 0j e(j)T T 1)e(k e(k)dt
de(t)e(jT)T e(t))0,1,2kT(k t (4-3) 式中：T 为采样周期，k 为采样序号，e(k)和e(k-l)分别为第k 和第(k-1)时刻所得的偏差信号。
可得位置式PID 控制算法表达式为：
)]1()([)()()(0--++=∑=k e k e K k e K k e K k u d k
j i p (4-4)
由于控制器的输出u(k)直接去控制执行机构(如阀门)，u(k)的值和执行机构的位置（如阀门开度）是一一对应的 所以通常式(4.3)或(4.4)称为位置式 PID 控制算法。
这种算法的缺点是，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算的工作量大。而且，因为计算机的输出对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式PID 算法。
（2）增量式PID 控制算法
所谓增量式PID 是指数字控制器的输出是控制器的增量Δu( k)。当执行机构需要的是控制量的增量（例如驱动步进电机）时，应采用增量式PID 控制。
增量式PID 控制系统如下图所示：
图4.3 增量式 PID 控制系统
根据递推原理可得：
)]2()1([)()1()1(0---++-=-∑=k e k e K j e K k e K k u d k
j i p (4-5)
写成增量的形式为：
)]2()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=?k e k e k e K k e K k e k e K k u d i p (4-6)
采用增量式算法时，计算机输出的控制增量Δu( k)对应的是本次执行机构位置（例如闸板开度）的增量。对应闸板实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算法u (k) = u(k ?1)+Δu(k)通过软件来完成。
增量式PID 控制虽然只是算法上作了一点改进，却带来了不少优点：由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断方法去掉;手动或自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此时，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故能仍然保持原值;算式中不需要累加。控制增量Δu( k)却仅与最近k 次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式PID 也有其不足之处，如积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大[29]。
为了提高控制的稳定性，PID 控制器不一定在每个采样时刻都实施控制，采用的方法是当误差在某一个范围内时，PID 控制器不输出控制量，而保持上一次的控制量的方法，即当e >0且e 0 >e 时，u (t) = u(t ?1)。这样，既提高了控制的稳定性，又避免了系统可能发生的振荡。
4.2 常用PID 参数整定方法
PID 控制器中，K p ，K i ，K d 三个参数的不同组合，直接决定控制器的控制效果。为了得到更好的控制效果，使被控对象工作在较好的状态，必须对其参数进行有效的整定。下面归纳介绍了两类较为经典的、常用的参数整定方法。
(1）Z-N 经验公式法
从对象的开环响应曲线来看，大多数工业过程都能用一阶惯性环节加纯滞后模型来近似描述。其传递函数为:
s e Ts k s G τ-+=
1
)( (4-7) 其中k ，τ，T 分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。 对于典型PID 控制器的传递函数如（4-8）式，得到Ziegier-Nichols 经验公式（简记Z-N 经验公式）为：
???
????===τττ5.022.1d i p T T k T K (4-8)
（2）Z-N 临界比例度法
1942年，Ziegler 和Nichols 提出了临界比例度法，这是一种非常著名的控制器参数整定方法，曾在工程上得到广泛的应用。同Z 一N 经验法不同，该法不依赖于对象的数学模型参数，而是总结了前人理论和实践的经验，通过实验由经验公式得到控制器的最优整定参数。它用来确定被控对象的动态特性的参数有两个，临界增益K u 和临界振荡周期T u 。
临界比例度法是在闭环的情况下，将PID 控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后在系统中加入一个扰动，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益K p ，重做实验，如果系统响应的振荡幅度不断增大，则需要减小K p 。实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅周期振荡，此时的比例增益玛，就被称为临界增益，记为K u ；而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，一记为T u 。临界比例度法就是利用K u 和T u ，由经验公式求出P 、PI 和PID 这三种控制器的参数整定值。表4-1就是Z-N 临界比例度法参数整定经验公式。
表4-1 Z-N 临界比例度法参数整定公式 PID 控制器参数
K p T i T d P 型控制器
0.5K u PI 型控制器
0.45K u 0.83K u PID 型控制器 0.6K u 0.5K u 0.125K u
4.3 串级PID 控制
4.3.1串级PID 控制原理
随着生产过程向着大型、连续和强化的方向发展，对操作的要求更加严格，参数间相互关系更加复杂，对控制的精度和功能提出新的要求，对能源消耗和环境污染也有明
图5. 利用 SIMULINK仿
4. 建立如图11-54所示的仿真模型，其中PID控 制器采用Simulink子系统封装形式，其内部 结构如图11-31（a)所示。试设置正弦波信号 幅值为5、偏差为0、频率为10πHz\始终相位 为0，PID控制器的参数为Kp=10.75、 Ki=1.2、Kd=5，采用变步长的ode23t算法、 仿真时间为2s，对模型进行仿真。 （6)观察仿真结果。系统放着结束后，双击仿真模型中的示波器模块，得到仿真结果。单击示波器窗口工具栏上的Autoscale按钮，可以自动调整坐标来 使波形刚好完整显示，这时的波形如图所示。 图3 2. 题操作步骤如下： (1） 打开一个模型编辑窗口。 (2） 将所需模块添加到模型中。在模块库浏览器中单击Sources,将 Clock（时钟）拖到模型编辑窗口。同样，在User-Defined Functions（用户定义模块库）中把Fcn(函数模块）拖到模型编辑窗口，在Continuous（连续系统模块库）中把 Integrator（积分模块）拖到模型编辑窗口，在Sinks中把Display模块编辑窗口。 (3） 设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。双击Fcn模块，打开Function Block operations中把Add模块拖到模型编辑窗口，在Sinks中把Scope模块拖到模型编辑窗口。 （3） 设置模块参数并连接各个模块组成仿真模型。先双击各个正弦源，打开其Block Parameters对话框，分别设置Frequency（频率）为2*pi、 6*pi、10*pi、 14*pi、18*pi，设置Amplitude（幅值）为1、1/3、1/5、1/7和1/9，其余参数不改变。对于求和模块，將符号列表List of signs设置为 +++++。 （4） 设置系统仿真参数。单击模型
系统仿真 § 4.1控制系统的数学模型 1、传递函数模型（tranfer function） 2、零极点增益模型（zero-pole-gain） 3、状态空间模型（state-space） 4、动态结构图（Simulink结构图） 一、传递函数模型(transfer fcn-----tf) 1、传递函数模型的形式 传函定义：在零初始条件下，系统输出量的拉氏变换C（S）与输入量的拉氏变换R（S）之比。 C(S) b1S m+b2S m-1+…+b m G（S）=----------- =- -------------------------------- R(S) a1S n + a2S n-1 +…+ a n num(S) = ------------ den(S) 2、在MATLAB命令中的输入形式 在MATLAB环境中，可直接用分子分母多项式系数构成的两个向量num、den表示系统： num = [b1, b2, ..., b m]; den = [a1, a2, ..., a n]; 注：1）将系统的分子分母多项式的系数按降幂的方式以向量的形式输入两个变量，中间缺项的用0补齐，不能遗漏。 2）num、den是任意两个变量名，用户可以用其他任意的变量名来输入系数向量。 3）当系统种含有几个传函时，输入MATLAB命令状态下可用n1,d1;n2,d2…….。 4）给变量num，den赋值时用的是方括号；方括号内每个系数分隔开用空格或逗号；num,den方括号间用的是分号。 3、函数命令tf( ) 在MATLAB中，用函数命令tf( )来建立控制系统的传函模型，或者将零极点增益模型、状态空间模型转换为传函模型。 tf( )函数命令的调用格式为： 圆括号中的逗号不能用空格来代替 sys = tf ( num, den ) [G= tf ( num, den )]
过程控制综合训练 课程报告 16 —17 学年第二学期课题名称基于PLC和组态王的 系统 姓名 学号 班级 成绩
水箱液位控制系统 [摘要] 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽的液位需维持在给定值上下，或在某一小围变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。 关键词：过程控制液位控制PID控制 Abstract: In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced to guarantee the process of the production. So, the process requires that the liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production
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
； 济南铁道职业技术学院 电气工程系 毕业设计指导书 课题名称： 锅炉控制系统的组态设计《 专业电气自动化 班级电气0831 姓名 cmy ~ 设计日期至 指导教师 ly ? 2010、11
济南铁道职业技术学院电气工程系 毕业设计指导书 2010、11 一、设计课题: ！ 锅炉控制系统的组态设计 锅炉设备是工业生产中典型的控制对象，而组态控制技术是当今自动化系统应用广泛的技术之一。本课题采用组态王组态软件设计上位机监控画面，实时监控液位参数，并采用实时趋势曲线显示液位的实时变化。由此组成一个简单的液位控制系统。 二、设计目的： 通过本课题的设计，培养学生利用组态软件、PLC设计控制系统的能力，理解、掌握工业中最常用的PID控制算法，有利于进一步加深《自动控制原理》、《组态软件》和《过程控制》等课程的理解，为今后工作打好基础。 三、设计内容： 掌握锅炉生产工艺，实现锅炉自动控制的手段，利用“组态王”软件做出上位机监控程序，具体有主监控画面、实时曲线、历史曲线；掌握PID参数调整方法。 — 四、设计要求及方法步骤： 1．设计要求： （1）监控系统要有主监控画面和各分系统的控制画面，包括实时曲线、历史曲线和报表等。 （2）各控制画面要有手/自动切换。
（3）掌握PID控制算法。 2．运用的相关知识 （1）组态控制技术。 （2）过程控制技术。 ~ 3．设计步骤： （1）熟悉、掌握锅炉的生产工艺。 （2）设计各分系统的控制方案。 （3）构思系统主监控画面和分画面，包括实时曲线、历史曲线和报表等。 （4）编写设计论文。 五、设计时间的安排： 熟悉题目、准备资料 1周 @ 锅炉控制系统的工艺了解 1周 监控画面的设计 2周 控制算法的编制和系统调试 3周 论文的编写 2周 准备毕业设计答辩 1周 六、成绩的考核 在规定时间内，学生完成全部的设计工作，包括相关资料的整理，然后提交给指导教师，指导教师审阅学生设计的全部资料并初步通过后，学生方可进入毕业答辩环节，若不符合设计要求，指导教师有权要求学生重做。 … 答辩时，设计者首先对自己的设计进行10分钟左右的讲解，然后进行答辩，时间一般为30分钟。 成绩根据学生平时的理论基础、设计水平、论文质量和答辩的情况综合考虑而定。 成绩按优秀、良好、中、及格、不及格五个等级进行评定。
控制系统的MATLAB仿真与设计课后答案
>>z=-4*sqrt(2)*sin(t); >>plot3(x,y,z,'p'); >>title('Line in 3-D Space'); >>text(0,0,0,'origin'); >>xlabel('X'),ylable('Y'),zlable('Z');grid; 4>>theta=0:0.01:2*pi; >>rho=sin(2*theta).*cos(2*theta); >>polar(theta,rho,'k'); 5>>[x,y,z]=sphere(20); >>z1=z; >>z1(:,1:4)=NaN; >>c1=ones(size(z1)); >>surf(3*x,3*y,3*z1,c1); >>hold on >>z2=z; >>c2=2*ones(size(z2)); >>c2(:,1:4)=3*ones(size(c2(:,1:4))); >>surf(1.5*x,1.5*y,1.5*z2,c2); >>colormap([0,1,0;0.5,0,0;1,0,0]); >>grid on >>hold off 第四章 1>>for m=100:999 m1=fix(m/100); m2=rem(fix(m/10),10); m3=rem(m,10); if m==m1*m1*m1+m2*m2*m2+m3*m3*m3 disp(m) end end 2M文件：function[s,p]=fcircle(r) s=pi*r*r; p=2*pi*r; 主程序： [s,p]=fcircle(10) 3>>y=0;n=100; for i=1:n y=y+1/i/i; end >>y
毕业论文（设计）题目：基于PLC控制的高精度液位控制系统的设计 姓名：濮孝金 学号： 专业：机械电子工程 年月
摘要 在工农业生产过程中，经常需要对水位进行测量与控制，而日常生活中应用 到的水位控制也相当广泛。在以往水塔液位控制系统中，常规继电器的频繁操作容易导致机械磨损，不方便更新和维护，不能满足人们的实际需求；另外，随着人口的递增和生活条件的提高，人们用水的需求量也日益增加。 为了提高液位控制系统的质量和效率，节约能源，本次模拟水塔液位控制系统的装置考虑结合可编程逻辑控制器，继电器和传感器等技术，实现液位控制系统的自动控制。本设计使用西门子S7-300 PLC可编程控制器作为液位控制系统的核心，配合硬件与软件实现液位控制池液位动态平衡，过高、过低水位报警等功能。主要 的实验方法是在水箱上安装一个自动水位测量装置，通过水位变送器检测水箱实际液位并将该液位反馈到PLC控制器，经A/D转换后，所得数据与PLC内部设定数据进行比较，控制器处理数据并发送相应指令改变电机的转速从而控制抽 水速率，改变进水量，使水位稳定地保持在设定值附近。此外，通过液位标定计算出控制器输出PIW数值与实际水位的关系，就可以在触摸屏上直观显示实时水位情况。实验结果表明本设计能较好地完成自动液位控制的功能。 关键词：水塔液位控制，水位控制，继电器，PLC Abstract In the course of routine industrial and agricultural production we the need to measure the water level and
control it. Furthermore everyday level control applications are quite extensive , such as hydropower , water towers and other water control . According to the water supply system in the past, frequent operation towers will produce mechanical wear of conventional relay convenient maintenance and updates, that means it can not meet the actual needs of the people, and with Gradual growth of population and living conditions, the demand for water is also increasing .In order to improve the quality of the water supply system, energy conservation, so I considered use a programmable logic controller, relay and sensor technology, with hardware and software to achieve low water level alarm, warning switch between work and procedures manual / automatic to design practical level control tower scheme. I completed the set up of this simulation using the tank water tower , based on Siemens S7-300 PLC programmable controller tank water level control system as the core .I completed a water tank to
锅炉水位的自动控制 摘要:本文介绍了锅炉汽包水位的动态特性,单冲量、双冲量、三冲量控制方案的特点及工程中需注意的问 题,着重介绍了汽包三冲量控制方案。 关键词:汽包水位;动态特性;控制方案;单冲量;双冲量;三冲量 引言 汽包水位是锅炉运行的主要指标,是一个非常重要的被控变量,维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件,这是因为: (1) 水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽带水过多,同时过热蒸汽温度急剧下降。该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会 损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性与经济性。(2) 水位过低,说明汽包内的水量较少,而当负荷很大时,水的汽化速度加快,则汽包内的水位变化速度亦随之加快,如不及时调节,就会使汽包内的水全部汽化,导致炉管烧坏,甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。 1 汽包水位的动态特性 锅炉汽水系统结构如图1 所示。汽包水位不仅受汽包(包括循环水管) 中储水量的影响,亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与蒸汽负荷蒸汽压力炉膛热负荷等有关。因此,影响水位变化的因素很多,其中主要的因素是锅炉蒸发量(蒸汽流量S) 和给水流量W。 1. 1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性,见图2 : 图1 锅炉的汽水系统
图2 给水流量作用下水位阶跃响应曲线 上图所示是给水流量W 作用下,水位L 的阶跃响应曲线。如果把汽包的给水看作单容量无自衡过程,水位阶跃响应曲线如上图L1 曲线。但由于给水温度比汽包内饱和水的温度低,所以给水流量W增加后,从原有饱和水中吸收部分热量,这使得水位下汽泡容积有所减少。当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时,水位就由于汽包中储水量的增加而逐渐上升,最后当水位下汽泡容积不再变化时,水位变化就完全反映了由于储水量的增加而逐渐上升。因此,实际水位曲线如图中L 线。即当给水量作阶跃变化后,汽包水位一开始不立即增加,而要呈现出一段起始惯性段。给水温度越低,时滞τ亦越大。 1. 2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性,见图3 :
课程设计报告 题目PID控制器应用 课程名称控制系统仿真院部名称龙蟠学院 专业自动化 班级M10自动化 学生姓名 学号 课程设计地点 C208 课程设计学时一周 指导教师应明峰 金陵科技学院教务处制成绩
一、课程设计应达到的目的 应用所学的自动控制基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确定系统的性能指标与实现方案，进行控制系统的初步设计。 应用计算机仿真技术，通过在MATLAB软件上建立控制系统的数学模型，对控制系统进行性能仿真研究，掌握系统参数对系统性能的影响。 二、课程设计题目及要求 1．单回路控制系统的设计及仿真。 2．串级控制系统的设计及仿真。 3．反馈前馈控制系统的设计及仿真。 4．采用Smith 补偿器克服纯滞后的控制系统的设计及仿真。 三、课程设计的内容与步骤 (1)．单回路控制系统的设计及仿真。 （a）已知被控对象传函W(s) = 1 / (s2 +20s + 1)。 （b）画出单回路控制系统的方框图。 （c）用MatLab的Simulink画出该系统。
（d）选PID调节器的参数使系统的控制性能较好，并画出相应的单位阶约响应曲线。注明所用PID调节器公式。PID调节器公式Wc（s）=50(5s+1)/(3s+1) 给定值为单位阶跃响应幅值为3。 有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 2 5 有积分作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 0 5
大比例作用单回路控制系统PID控制器取参数分别为：50 0 0 （e）修改调节器的参数，观察系统的稳定性或单位阶约响应曲线，理解控制器参数对系统的稳定性及控制性能的影响？ 答：由上图分别可以看出无积分作用和大比例积分作用下的系数响应曲线，这两个PID调节的响应曲线均不如前面的理想。增大比例系数将加快系统的响应，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏；
目录 第１章绪论............................................................................................... - 1 - 第2章设计方案........................................................................................ - 2 - 2.1 方案举例......................................................................................... - 2 - 2.2 方案比较......................................................................................... - 3 - 2.3 方案确定......................................................................................... - 3 - 第3章硬件设计........................................................................................ - 4 - 3.1 控制系统......................................................................................... - 4 - 3.1.1 AT89C51单片机 ..................................................................... - 4 - 3.1.2 AT89C51的信号引脚............................................................... - 6 - 3.1.3 单片机最小系统 ....................................................................... - 7 - 3.2 感应系统......................................................................................... - 8 - 3.3 指示系统......................................................................................... - 9 - 3.4 液位控制系统................................................................................. - 10 - 3.5 电机与报警系统.............................................................................. - 11 - 第4章软件设计...................................................................................... - 14 - 4.1 延时子程序.................................................................................... - 14 - 4.2 感应系统程序................................................................................. - 14 - 4.3 指示系统程序................................................................................. - 15 - 4.4 电机和警报系统程序 ....................................................................... - 16 - 4.5 液位预选系统程序 .......................................................................... - 16 - 4.6 系统主流程图................................................................................. - 19 - 第5章系统测试...................................................................................... - 21 - 5.1 仿真测试过程................................................................................. - 22 - 5.2 仿真结果....................................................................................... - 24 -总结...................................................................................................... - 25 - 致谢...................................................................................................... - 26 - 参考文献................................................................................................... - 25 -附录1 系统仿真电路 ................................................................................ - 28 - 附录2 源程序.......................................................................................... - 29 -
锅炉温度控制系统上位机设计 1. 设计背景 锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要的动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可以作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，生产设备的不断创新，作为全厂动力和热源的锅炉，办向着大容量、高参数、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。随着经济的迅猛发展，自动化控制水平越来越高，用户对锅炉控制系统的工作效率要求也越来越高，为了提高锅炉的工作效率，较少对环境的污染问题，所以利用计算机与组态软件技术对锅炉生产过程进行自动控制有着重要的意义。 2.任务要求 (1) 按照题目设计监控画面及动态模拟； (2) 在数据字典中定义需要的内存变量和I/O变量； (3) 实现监控系统的实时、历史曲线及报警界面显示； (4) 实现保存数据和参数报表打印功能； (5) 实现登陆界面和帮助界面。 3. 界面功能 3.1 系统说明 本系统的目的是实现锅炉的温度控制，所以在监控界面设置了加热部分和降温部分，同时通过观察相应仪表，操作者手动的实现对锅炉温度的控制，而且在加热过程和降温过程中有信号灯可以清楚地显示系统工作在什么阶段。此外，在监控界面加入了液位控制部分，通过对进水量和出水量的控制实现液位平衡。实时曲线和历史曲线可以让操作者清楚地观察到锅炉内液体的液位高度和温度，从而更加准确的操作系统，达到控制要求。实时报警界面可以随时进行提醒，防止发生意外情况。帮助界面可以让初次登陆该系统的用户快速学会如何操作系统。登陆界面中加入用户登陆部分，只有有相应权限的操作者也可以控制系统。该系统还加入历史曲线打印功能和对系统相关变量的保存功能，用户可以随时查看历史记录。 3.2主监控界面 主控界面实现的是操作者观察仪表，得到锅炉内液体温度和液位的实时信息，通过调节电磁阀1、2，使得锅炉内液体液位保持在要求范围内，通过加热按钮和降温按钮对温度进行控制，使得温度在要求范围内。这样，就实现了锅炉温度的控制。在该界面加入菜单项，可以查看历史系统报警。加入实时曲线、历史曲线和帮助界面按钮，可以使操作者更加快捷、准确的实现对系统的控制。如图1所示：
液位控制系统设计 学院： 专业班级： 学生姓名： 指导老师：
液位控制系统设计 本文主要讲了压力传感器实现的液位控制器的设计方法，以单片机为核心。通过外围硬件电路来达到实现控制的目的，根据需要设定液位控制高度，同时具备报警、高度显示等功能，具有与液面不接触的特点，可用于有毒、腐蚀性液体液位的控制，具有较高的研究价值。该控制器不仅可用于学校进行教学研究，还可用于生产实际，是目前比较缺少的一种产品。随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。 。关键词：单片机；水位检测；控制系统；仿真 0 引言 随着微电子工业的迅速发展，单片机控制的智能型控制器广泛应用于电子产品中，为了使学生对单片机控制的智能型控制器有较深的了解。经过综合分析选择了由单片机控制的智能型液位控制器作为研究项目，通过训练充分激发学生分析问题、解决问题和综合应用所学知识的潜能。另外，液位控制在高层小区水塔水位控制，污水处理设备和有毒，腐蚀性液体液位控制中也被广泛应用。通过对模型的设计可很好的延伸到具体应用案例中。中国使用单片机的历史只有短短的30年，在初始的短短五年时间里发展极为迅速。1986 年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，很多地区还成立了单片微型计算机应用协会，那是全国形成的第一次高潮。单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索，将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的。电子界，在2003年7月，https://www.doczj.com/doc/ed8331505.html, （91 猎头网）在上海、广州、北京等大城市所做的一次专业人才需求报告中，单片机人才的需求量位居第一。大家都有些奇怪一块小小的片子，为何有这样的魔力？我们首先从它的构成说起：单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。正因为如此他才改变了我的生活它为我们改变了什么？纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计，我国的单片机年容量已达3 亿片，且每年以大约20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单片机，并不断地
锅炉液位控制系统的设计 摘要：设计了一种数字式锅炉液位控制系统，并给出了硬件原理图和软件流程图。该控制系统主要由8051单片机、传感器、L E D显示、声光报警、电机驱动、键盘输入等相关硬件来实现,利用传感器(干簧管阵列)监测锅炉液位、ＣＰＵ循环检测传感器的输出状态,并用光柱和数码管L E D指示液位高度。当液位达到设定值时，系统自动关闭水泵停止上水。当水位处于危险高水位和危险低水位时，单片机发出信号，触发蜂鸣器报警装置，蜂鸣器发出响声。同时，和它并联的发光二极管发光，提醒工作人员采取相应措施，进而避免危险事故发生。该系统结构简单，性能可靠、具有很好的容错能力,简化了系统安装和维护，具有较高的性价比,能很好地完成锅炉液位控制的要求。 关键词;锅炉液位；单片机；传感器；干簧管；报警 0引言 锅炉的液位监控是锅炉运行过程中的一个重要环节。在锅炉运行中，要同时控制锅炉的液位、流量按一定规律变化，才能保证锅炉的正常运行。 目前常用的液位传感器有：旋转编码浮子式传感器(机械式和光电式)、非接触式超声波传感器、压力式传感器、磁浮子接点式传感器(连续式和液位开关式)等。其分辨率从毫米级到厘米级不等，测量范围从几十厘米到几十米。除磁浮子接点式传感器外，其余传感器均比较适合测量范较宽的应用场合。一般压力式和超声波传感器均带有变送部分，即将液位信号转换成标准电流信号(4~20mA)。旋转编码浮子式传感器分为机械式和光电式两种，光电式又分为绝对型和增量型。除智能型一体化传感器外(压力式或超声波)，其他传感器一般没有就地显示和数字通信功能，控制和使用都很不方便。 为此，设计了一种数字式锅炉液位控制系统,该系统采用干簧管阵列作为传感器，利用单片机循环检测其输出状态，从而控制锅炉液位达到用户预先设定的高度。当水位超过最高水位或低于最低水位时,系统报警，同时控制停炉。
过程控制仪表课程设计 题目锅炉汽包水位控制系统 指导教师高飞燕 班级自动化071 学号 20074460107 学生姓名丁滔滔 2011年1月5号
附录：仪表配接图 (20) 锅炉汽包水位控制系统 1.系统简介： 控制系统一般由以下几部分组成 图1 自动控制系统简易图 锅炉水位系统如下图：
其单位阶跃响应图如下：
图3 蒸汽流量干扰下水位阶跃曲线 通过电容式液位计将检测来的液位信号变送给成标准信号，再输送给控制器，调节器再通过执行机构和阀来控制进水量，从而达到自动控制锅炉水位。 2．锅炉控制系统： 2.1锅炉： 锅炉是火力发电厂中主要设备之一。它的作用是使燃料在炉膛中燃烧放热，井将热量传给工质，以产生一定压力和温度的蒸汽，供汽轮发电机组发电。电厂锅炉与其他行业所用锅炉相比，具有容量大、参数高、结构复杂、自动化程度高等特点。 2.2过热器和再热器： 蒸汽过热器是锅炉的重要组成部分，它的作用是将饱和蒸汽加热成为具有一定温度的过热蒸汽，并要求在锅炉负荷或其他工况变动时，保证过
热气温的波动处在允许范围内。 提高蒸汽初压和初温可提高电厂循环热效率，但蒸汽初温的进一步提高受到金属材料耐热性能的限制。蒸汽初压的提高随可提高循环热效率，但过热蒸汽压力的进一步提高受到汽轮机排气湿度的限制，因此为了提高循环热效率及降低排气湿度，可采用再热器。通常，再热蒸汽压力为过热蒸汽压力的20%左右，再热蒸汽温度与过热蒸汽温度相近。 过热器和再热器内流动的为高温蒸汽，其传热性能差，而且过热器和再热器又位于高烟温区，所以管壁温度较高。如何使过热器和再热器管能长期安全工作是过热器和再热器设计和运行中的重要问题。 在过热器和再热器的设计及运行中，应注意下列问题: ⑴运行中应保持汽温的稳定，汽温波动不应超过±（5～10）℃。 ⑵过热器和再热器要有可靠的调温手段，使运行工况在一定范围内变化时能维持额定的汽温。 ⑶尽量防止和减少平行管子之间的偏差。 2.3省煤器和空气预热器： 省煤器和空气预热器通常布置在锅炉对流烟道的尾部，进入这些受热面的烟气温度已较低，因此常把这两个受热面称为尾部受热面或低温受热面。 省煤器是利用锅炉尾部烟气的热量来加热给水的一种热交换装置。它可以降低排烟温度，提高锅炉效率，节省燃料。在现代大型锅炉中，一般都利用汽轮机抽汽来加热给水，而且随着工质参数的提高，常采用多级给水加热器。 空气预热器不仅能吸收排烟中的热量，降低排烟温度，从而提高锅炉效率；而且由于空气中的预热，改善了燃料的着火条件，强化了燃烧过程，减少了不完全燃烧热损失，这对于燃用难着火的无烟煤及劣质煤尤为重要。使用预热空气，可使炉膛温度提高，强化炉膛辐射热交换，使吸收同样辐射热的水冷壁受热面可以减少。较高温度的预热空气送到制粉系统作为干燥剂，在磨制高水分的劣质煤时更为重要。因此空气预热器也成为现
课题名称：水箱水位控制系统设计专业：电气工程及其自动化学号： 姓名：
水箱水位控制系统设计 摘要 本设计主要基于单片机的硬件电路设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述。在设计中对水塔水位控制原理进行分析,选用AT89C51单片机作为控制水塔水位的处理芯片,由AT89C51的P1口直接来控制.设计方案采用模块化程序设计方法,结合程序流程图,编写程序代码,最后利用KEIL公司的u Vision3软件及伟福仿真软件进行仿真实验,达到单片机自动控制水塔水位变化的目的. 关键词：单片机，水塔水位控制原理，AT89C51，伟福仿真软件
目录 前言 (1) 第1章设计内容 (2) 1.1 设计要求 (2) 1.2 方案设计 (2) 第2章硬件电路设计 (3) 2.1 系统框图设计 (3) 2.2 系统原理 (4) 第3章水塔水位控制系统的硬件电路设计 (5) 3.1 水位检测电路 (5) 3.2 水位显示电路 (5) 3.3电机控制电路 (6) 3.4振荡电路和复位电路 (7) 3.5声光报警电路 (7) 第4章软件程序设计 (8) 4.1 系统主程序流程图 (8) 4.2编写C程序 (9) 第5章硬件制作与调试 (10) 结论 (11) 附录 (12) 仿真总图 (12) 源代码 (13)
前言 水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，在我们的生活中起到了重要的作用，而水基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置，通过对其水位的控制对外供水，以满足需要。塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理，通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比，并编写程序加以控制，从而实现电机的调速。最后，使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水塔水位的自动控制。 液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。
MATLAB控制系统与仿真 课 程 设 计 报 告 院（系）：电气与控制工程学院 专业班级：测控技术与仪器1301班 姓名：吴凯 学号：1306070127
指导教师：杨洁昝宏洋 基于MATLAB的PID恒温控制器 本论文以温度控制系统为研究对象设计一个PID控制器。PID控制是迄今为止最通用的控制方法，大多数反馈回路用该方法或其较小的变形来控制。PID控制器（亦称调节器）及其改进型因此成为工业过程控制中最常见的控制器(至今在全世界过程控制中用的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%)。在PID控制器的设计中，参数整定是最为重要的,随着计算机技术的迅速发展，对PID参数的整定大多借助于一些先进的软件，例如目前得到广泛应用的MATLAB仿真系统。本设计就是借助此软件主要运用Relay-feedback法，线上综合法和系统辨识法来研究PID控制器的设计方法，设计一个温控系统的PID控制器，并通过MATLAB中的虚拟示波器观察系统完善后在阶跃信号下的输出波形。 关键词：PID参数整定；PID控制器；MATLAB仿真。 Design of PID Controller based on MATLAB Abstract This paper regards temperature control system as the research object to design a pid controller. Pid control is the most common control method up until now; the great majority feedback loop is controlled by this method or its small deformation. Pid controller (claim regulator also) and its second generation so become the most common controllers in the industry process control (so far, about 84% of the controller being used is the pure pid controller, it’ll exceed 90% if the second generation included). Pid parameter setting is most important in pid controller designing, and with the rapid development of the computer technology, it mostly recurs to some advanced software, for example, mat lab simulation software widely used now. this design is to apply that soft mainly use Relay feedback law and synthetic method on the line to study pid