锅炉主蒸汽压力控制系统讲解
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锅炉蒸汽压力控制系统
工程背景：
锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机 软硬件，自动控制和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为 锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全，稳定，经济的运 行减轻工作人员的劳动强度。采用为计算机控制，能对锅炉进行 自动检测，自动控制等多项功能。由于我国工业锅炉生产操作水 平落后造成很多大量的热能丢失，实践证明，工业锅炉实现微型 计算机控制是锅炉安全生产，提高热效率，节约能源的一大创举， 因为锅炉生产开辟了广阔的前景。 采用过程控制对工业锅炉进行控制，采用先进的控制算法， 以达到优化技术指标，提高劳动效益和设计效益提高劳动生产率
节约能源，改善劳动条件，保护环境卫生提高市场竞争能力的作 用。
锅炉的工作原理：
锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或燃气等燃 料的燃烧释放的能量，并通过传热过程将能量传递给水，使 水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通 过蒸汽动力机转变为机械能，或通过汽轮发电机转变为电能。 所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸 汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。 锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃 料的燃烧过程、水的气化过程、烟气向水转化的过程。
P(K ) P(K 1) K p {E(K ) E(K 1) k I E(K ) k D [E(K ) 2E(K 1) E(K 2)]}
P(K 1) PP PI PD
压力控制系统的选型：
1.蒸汽压力控制器
蒸汽压力控制器PT1为反作用，阀1为气开阀，安全阀为气开阀 当蒸汽压力突然增大，蒸汽压力检测变送器PT1的输出变大，由于蒸 汽压力控制器PC1为反作用，其输入减小，输出增大，使阀1开度变大 ，从而减小压力；当系统正常工作，即蒸汽压力低于选择器的设定值 阀1工作时，一旦压力超高，阀1处于打开状态；当系统失常时，即蒸 汽压力超过选择器设定值时，安全阀打开，从而使压力减小。
Td 为微分时间函数； u(t )为调节器的输出控制电 压信号。
但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换。若压力的采样周期为T
de(t ) e n e n 1 dt T
第n次采样得到的输入偏差为 e n ，调节器输出为 u n ，则有： （微分用差分代替） （微分用求和代替）
• PID算法
控制理论告诉我们，PID控制的理想微分方程为： 1 t de(t ) u(t ) k p[e(t ) e ( t ) dt t ] d
Ti
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
dt
式中，e(t ) r(t ) y(t )称为偏差值，可作为压 力调节器的信号， 其中r(t )为给定值，y(t )为被测变量； k p 为比例系数；Ti 为积分时间函数；
dt e(t )
0
t
ek . T k
0
n
u n k p[en
1
Ti
k 0
ek T td
n
en en 1 ] T
写成递推形式：
u n 1 k p [e n e n 1
改写成：
T T e n d (e n 2e n 1 e n 2 )] Ti T
式中，e(k)为k时刻测量的偏差值，这里取
e(k ) w(k ) y(k N ), N int( ) TP
模糊控制算法：
S:系统的设定值。 x1, x2: 模糊控制的输入（精确量）。
x1,x2:模糊量化处理后的模糊量。
U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。 u:经模糊判决后得到的控制量（精确量）。 y:对象的输出。
算法拓展：
（一）动态矩阵预测控制算法（DMC）是在常规PID控制的基础 上，增加了一个系统输出预测器。 该算法适用于被控对象具有纯滞后的情况。
uk u(k ) u(k 1) K p{e(k ) e(k 1)
~
T TP e(k ) d [e(k ) 2e(k 1) e(k 2)]} Tl Tp
蒸汽压力控制系统
• 如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量，反之，如果锅炉内压力 过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生，所以必须保证锅炉的压 力处于一个适中的范围内，即必须对锅炉压力进行控制。上述蒸汽 压力控制系统在将控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力。 • 压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控 制系统是锅炉压力在安全压力范围内的控制系统，其主要完成的功 能是在安全基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内， 以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力 超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是压力超出某一 压力上限时，迅速打开安全阀，使压力降低，直到降到安全范围内 后又迅速关闭安全阀。所以安全压力控制系统采用选择控制，结构 框图如下
安全压力控制系统结构框图
压力控制系统
图示为锅炉主蒸汽压力控制系统的方框图 本系统采用普通检测元件与电动单元组合的微机控制方案。系统的 主蒸汽压力采用压力传感器来测量，并经压力变送器、A/D转换后将 测量信号送至单片机的输入端，与主蒸汽压力设定值进行比较得到 偏差，将偏差输入到单片机中的控制算法程序中，该程序按此输入 偏差以PID控制规律进行运算后输出脉冲控制信号，以控制步进电机 的转速，然后进一步控制燃料与进风量到锅炉炉膛的速度。这样， 锅炉炉膛中单位时间内所产生的热量不同，从而改变锅炉汽水系统 的蒸汽发生量，最终改变主蒸汽压力的大小，达到控制主蒸汽压力 的目的。当然在系统中汽水系统所产生的蒸汽是完全跟踪主蒸汽压 力的，所以在调节器中对干扰量加以考虑后不会对系统产生误差动 作的影响。
u(n ) u(n 1) k p {E(n ) E(n 1) kI E(n ) k D [E(n ) 2E(n 1) E(n 2)]}
u(n 1) PP PI PD
上面我们已经对偏差控制算法以及相关计算公式做了简单介绍，所以上式 又可改写为：
工程背景：
锅炉计算机控制是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机 软硬件，自动控制和锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，作为 锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全，稳定，经济的运 行减轻工作人员的劳动强度。采用为计算机控制，能对锅炉进行 自动检测，自动控制等多项功能。由于我国工业锅炉生产操作水 平落后造成很多大量的热能丢失，实践证明，工业锅炉实现微型 计算机控制是锅炉安全生产，提高热效率，节约能源的一大创举， 因为锅炉生产开辟了广阔的前景。 采用过程控制对工业锅炉进行控制，采用先进的控制算法， 以达到优化技术指标，提高劳动效益和设计效益提高劳动生产率
节约能源，改善劳动条件，保护环境卫生提高市场竞争能力的作 用。
锅炉的工作原理：
锅炉是一种生产蒸汽的换热设备。它通过煤、油或燃气等燃 料的燃烧释放的能量，并通过传热过程将能量传递给水，使 水转变为蒸汽，蒸汽直接供给工业生产中所需的热能，或通 过蒸汽动力机转变为机械能，或通过汽轮发电机转变为电能。 所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能最有效地转变为蒸 汽的热能。因此，近代锅炉亦称为蒸汽发生器。 锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃 料的燃烧过程、水的气化过程、烟气向水转化的过程。
P(K ) P(K 1) K p {E(K ) E(K 1) k I E(K ) k D [E(K ) 2E(K 1) E(K 2)]}
P(K 1) PP PI PD
压力控制系统的选型：
1.蒸汽压力控制器
蒸汽压力控制器PT1为反作用，阀1为气开阀，安全阀为气开阀 当蒸汽压力突然增大，蒸汽压力检测变送器PT1的输出变大，由于蒸 汽压力控制器PC1为反作用，其输入减小，输出增大，使阀1开度变大 ，从而减小压力；当系统正常工作，即蒸汽压力低于选择器的设定值 阀1工作时，一旦压力超高，阀1处于打开状态；当系统失常时，即蒸 汽压力超过选择器设定值时，安全阀打开，从而使压力减小。
Td 为微分时间函数； u(t )为调节器的输出控制电 压信号。
但计算机只能处理数字信号，故上述数学方程必须加以变换。若压力的采样周期为T
de(t ) e n e n 1 dt T
第n次采样得到的输入偏差为 e n ，调节器输出为 u n ，则有： （微分用差分代替） （微分用求和代替）
• PID算法
控制理论告诉我们，PID控制的理想微分方程为： 1 t de(t ) u(t ) k p[e(t ) e ( t ) dt t ] d
Ti
ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
dt
式中，e(t ) r(t ) y(t )称为偏差值，可作为压 力调节器的信号， 其中r(t )为给定值，y(t )为被测变量； k p 为比例系数；Ti 为积分时间函数；
dt e(t )
0
t
ek . T k
0
n
u n k p[en
1
Ti
k 0
ek T td
n
en en 1 ] T
写成递推形式：
u n 1 k p [e n e n 1
改写成：
T T e n d (e n 2e n 1 e n 2 )] Ti T
式中，e(k)为k时刻测量的偏差值，这里取
e(k ) w(k ) y(k N ), N int( ) TP
模糊控制算法：
S:系统的设定值。 x1, x2: 模糊控制的输入（精确量）。
x1,x2:模糊量化处理后的模糊量。
U:经过模糊控制规则和近似推理后得出的模糊控制量。 u:经模糊判决后得到的控制量（精确量）。 y:对象的输出。
算法拓展：
（一）动态矩阵预测控制算法（DMC）是在常规PID控制的基础 上，增加了一个系统输出预测器。 该算法适用于被控对象具有纯滞后的情况。
uk u(k ) u(k 1) K p{e(k ) e(k 1)
~
T TP e(k ) d [e(k ) 2e(k 1) e(k 2)]} Tl Tp
蒸汽压力控制系统
• 如果锅炉内压力过低，将会降低蒸汽质量，反之，如果锅炉内压力 过高，有可能导致爆炸等安全事故的发生，所以必须保证锅炉的压 力处于一个适中的范围内，即必须对锅炉压力进行控制。上述蒸汽 压力控制系统在将控制蒸汽温度的同时就直接影响了蒸汽压力。 • 压力控制系统分为安全压力控制系统和超压控制系统。安全压力控 制系统是锅炉压力在安全压力范围内的控制系统，其主要完成的功 能是在安全基础上对压力进行调节，使压力维持在一定的范围内， 以得到需要的蒸汽压力，保证蒸汽质量；超压控制系统是锅炉压力 超压时所采用的压力控制系统，其主要完成的功能是压力超出某一 压力上限时，迅速打开安全阀，使压力降低，直到降到安全范围内 后又迅速关闭安全阀。所以安全压力控制系统采用选择控制，结构 框图如下
安全压力控制系统结构框图
压力控制系统
图示为锅炉主蒸汽压力控制系统的方框图 本系统采用普通检测元件与电动单元组合的微机控制方案。系统的 主蒸汽压力采用压力传感器来测量，并经压力变送器、A/D转换后将 测量信号送至单片机的输入端，与主蒸汽压力设定值进行比较得到 偏差，将偏差输入到单片机中的控制算法程序中，该程序按此输入 偏差以PID控制规律进行运算后输出脉冲控制信号，以控制步进电机 的转速，然后进一步控制燃料与进风量到锅炉炉膛的速度。这样， 锅炉炉膛中单位时间内所产生的热量不同，从而改变锅炉汽水系统 的蒸汽发生量，最终改变主蒸汽压力的大小，达到控制主蒸汽压力 的目的。当然在系统中汽水系统所产生的蒸汽是完全跟踪主蒸汽压 力的，所以在调节器中对干扰量加以考虑后不会对系统产生误差动 作的影响。
u(n ) u(n 1) k p {E(n ) E(n 1) kI E(n ) k D [E(n ) 2E(n 1) E(n 2)]}
u(n 1) PP PI PD
上面我们已经对偏差控制算法以及相关计算公式做了简单介绍，所以上式 又可改写为：