PID调节器在燃气锅炉中的应用

PID调节器在燃气锅炉中的应用 2009-12-23 06:50:43 技术 | 评论(0) | 浏览(153) 摘要：为使冬季采暖温度实现自动控制，保持室温恒定，且达到节能要求。针对燃气锅炉燃烧器阀门的PID控制，结合非线性开关控制，使温度快速、准确、平稳、高效的调节。本文介绍了系统的构成、PID调节及开关调节原理和PID调节器参数的整定方法，使系统达到最佳的动、静态性能。 关键词：燃气锅炉，燃烧器，PID调节器，开关控制 0．引言 在我国，随着新型能源的开发及对绿色环保的重视，以天然气为主要清洁能源的燃气供暖锅炉正大幅度增加。我课题组立足于对燃气锅炉的节能及智能化研究，通过对锅炉系统多参量信号采集并构成多闭环控制系统，实现温度等参数的自动控制，可使冬季室温保持恒定且随意调节，同时起到节能作用。其中，对燃烧器的PID控制及开关控制，可根据温度变化曲线及时、准确的调节燃气阀的开度，且成比例的调节风门，使燃气和空气有良好的混合比，并使燃气充分燃烧，达到节能、无污染的效果。 1．关于PID控制 PID控制是指比例、积分、微分控制，实现PID控制的装置称为PID调节器。其传递函数为 G（s）=KP(1+1/τis+τDs) 比例控制可快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度。但有静差，控制精度低。积分控制能消除偏差，提高控制精度、改善稳态性能，但易引起震荡，造成超调。微分控制是一种超前控制，能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性，但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大，过小则调节周期长、效果不显著。比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID调节器的参数，即比例系数KP、积分时间常数τi和微分时间常数τD，可迅速、准确、平稳的消除偏差，达到良好的控制效果。图1中各曲线反映不同参数对系统响应的影响。 2．温度PID及开关控制系统的组成 图2是温度控制系统的组成原理图。被控对象为燃烧器的燃气蝶阀和空气风门；其开度大小是 由电动执行器（伺服电动机又称伺服马达）通过减速器带动可调凸轮机构控制的。凸轮机构通过连杆带动燃气蝶阀改变开度，同时还通过另一连杆带动风门旋转，改变风门开度，实现同步、比例的改变空气和燃料的进给量。调整两连杆的位置，可获得最佳的风气比，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率和节能效果，实现无污染。调节器根据预置的温度设定值TW与检测的温度反馈值TX偏差的大小进行连续的PID调节或进行非线性开关调节。 3．温度的自动调节原理 为达到良好的控制效果，本系统对燃气阀既可连续调节同时具备开关控制。图3为调节示意图。开关控制时，燃烧器阀门和空气风门只有两个状态即最大开度和最小开度。即预先设定一个偏差带，TW与TX的偏差在偏差带外进行非线性开关控制，进入偏差带则进行连续的PID调节。 当温度TX低于设定值TW较多时，PID调节器不起作用，燃烧器阀门开至最大。当TX接近TW时，随温度升高阀门关小，形成PID调节。若温度升高超过偏差带上限，燃烧器关至最小。图4为温控调节曲线示意图。当锅炉负载较轻时温度变化快，震荡较剧烈，负载较重时变化较为平缓。 微分控制的作用是：室温较锅炉水温有一个滞后，当检测温度升高时再调整燃气阀，室温将继续升高。采用微分控制即对温度的变化率进行控制，可降低温度震荡幅值，保持温度恒定。 4．PID调节器参数的整定 锅炉温度控制系统较复杂，很难用解析法建立其数学模型。故PID调节器参数的确定，可按Z—N法则的第二法初步选取PID参数：先设τi= ∞，τD= 0即只有比例控制。KP由零逐步增大到使温控曲线振荡并超出偏差带，此时的KP为临界增益KC，记录并估算振荡周期TC。初选KP=0.6KC，τi= 0.5TC，τD=0.125TC。在其基础上，根据经验法及试验对PID参数作进一步的调整，一般要多次调整，每次调整幅度不大于10%，直到获得满意的温控曲线。这种方法准确、方便，具有普遍性。若根据试验测试的温度曲线应用计算机软件优化PID参数，效果更好。 由于负载大小对温度变化的动态过程有影响，若按轻载整定，重载时调节较慢，节能效果差。而按满载整定，轻载时温度变化快，稳定性较差。根据经验，按满负荷的85%整定PID调节器的参数，较为合适。 5．结束语 燃气锅炉系统是集温度、压力、流量、水位等参数控制、顺序控制及各种保护于一体的综合控制系统。本文只介绍了以燃烧器为控制对象的PID调节及开关调节，以达到较为稳定的温度、取得较好的节能效果。与大、小火二级负载控制相比，具有很好的动、静态性能，并可节能5%以上。结合烟气冷凝热能回收系统，以及燃气锅炉本身较高的热效率且对大气无污染，该系统将有良好的推广应用前景。 参考文献： http://blog.zol.com.cn/1489/article_1488203.html

燃气锅炉的PLC自动控制系统 发布日期:2005-10-30 作者: 牟岳泰 许东来 赵永军 陈平 来源:微计算机信息 摘要：本文简单介绍了燃气锅炉PLC自动控制系统。本系统根据实际供暖中负荷多变的特点，采用先进的变频技术和模糊控制技术，改变锅炉的燃气量，使锅炉节能运行。该系统对提高燃料利用率有明显效果。 关键词：PLC；变频技术；模糊控制

1 前言 目前，人们对环境保护的意识越来越高，改变供暖的燃料品种，燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化，陕北天然气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。 现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整燃气量，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费。在这样一种背景下，有必要对燃气锅炉的燃气供应进行实时调节，提高能源利用率。目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。

2 燃气量控制原理 当需要的热量发生变化时，我们通过改变进入燃烧系统的燃气量来改变进入整个系统的能量。图1是燃气量控制系统图。

图1 燃气控制原理图 其中的关键部件包括稳压阀、比例调节阀和变频器，它们的作用分别是：稳压阀的作用是使燃气进入比例调节阀之前保证压力温定，使其不受燃气供应管道压力变化的影响；比例调节阀采集燃气和空气的压力信号，当空气压力变化时，比例调节阀中的膜片位置将发生变化，从而带动阀门关小或开大，直到达到一定的比例，它的作用是保持空气量和燃气量的比例不受两者压力变化的影响， 从而调整空气燃气比，即过剩空气系数，使锅炉一直运行在最适燃烧区；变频器是调节燃气量的主要设备，由它带动风机，进入锅炉系统的空气量与风机的转速成正比，而风机的转速与变频器的输出频率成正比，因此只要改变变频器的输出频率就可以改变进入锅炉系统的空气量，从而使进入锅炉系统的能量发生变化。

3 燃气锅炉控制系统 3.1 燃气锅炉控制系统硬件部分 燃气锅炉控制系统由可编程控制器（PLC）、输入单元、输出单元和人机界面组成，组成框图如图2所示。

图2 现场工作站系统图 PLC负责接收现场数据采集单元传来的数据，控制现场的阀门、变频器、风机和水泵等执行机构。PLC是整个控制系统的核心部件，采用西门子S7-200系列可编程逻辑控制器，CPU226，带PC/PPI电缆，它的运算能力以及通讯能力比其它PLC优越，可方便地进行数据处理和通讯。 输入单元，负责采集现场的压力、温度等各项数据以及各种开关量。现场数据采集系统由温度传感器、压力传感器、煤气报警器、火焰监视器、水位传感器等组成。其中，模拟量输入/输出模块采用西门子的EM235模块，模拟量输入模块采集各种传感器送来的4~20mA信号，模拟量输出模块输出0~10V信号，控制变频器频率。压力传感器、煤气报警器、火焰监视器以及水位传感器是开关量。 执行单元由风机、水泵、变频器和电磁阀等组成。 人机界面采用西门子的TD200，使用十分方便，只要把它通过连接电缆，连接到S7-200上即可。它的用途有：显示信息；设定和修改参数；提供8个自定义功能键；提供密码保护等。 3.2 燃气锅炉控制系统程序设计 PLC程序用梯形图语言编制，这个程序按照模块化设计，包括初始化、点火、数据采集、数据处理、故障报警与故障处理、停机等程序模块，它们各自的功能是： 初始化模块用来设置初始状态参数。 点火模块用来执行锅炉点火这个特殊动作。 数据采集模块采集各个温度参数，以便作出判断。 故障报警与处理模块是比较重要的一部分，它判断系统是否正常工作，并在出现故障时发出声光报警信号并在人机界面TD200上显示。 数据处理程序模块是最主要的部分。它根据采集到的室外温度、回水温度、炉水温度和出水温度，依据一定的控制算法，控制变频器频率。在其控制算法上，我们选择模糊控制算法。

4 模糊控制算法 4.1 模糊控制算法原理 模糊控制是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，根据模糊推理和模糊判决，查询模糊控制表，解模糊，得到精确的控制量。模糊控制器设计为双输入单输出二维模糊控制器。输入量分别是温度的偏差e及偏差变化率ec,输出是变频器频率变化信号u。根据控制系统得输入输出特性，制定控制查询表，如表1：

表1 控制查询表

其简单过程为：对采集来的数据进行计算，求出e和ec，分别利用量化因子Ke和Kec量化为模糊量E和EC，由模糊判决得到模糊控制变化量U，经比例因子Ku反量化后输出精确输出变化量u。 4.2 多级模糊控制 由于偏差e、偏差变化率ec的论域E和EC只有9级，覆盖域有限，控制显得很粗糙，升温速度较慢，需长时间才能进入稳态，且稳态误差大，虽然增加论域中的元素可提高控制精度，但使计算复杂，且控制效果没有明显增强。为了进一步提高控制质量，减少稳态误差，采用了多级模糊控制器，即参数因子自修正的模糊控制。多级模糊控制器是将e和ec的变动范围分为嵌套的多个层次，各层具有不同论域。当系统轨迹进入某一层时，控制器就采用所在层的范围作为新的论域，并修改偏差e、偏差变化率ec和控制变化量u的量化因子Ke、Kec和比例因子Ku。简要控制过程参见图3。