锅炉汽包水位控制系统设计

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西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书
专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）：
一、课程设计（论文）题目
锅炉汽包液位控制
二、本次课程设计（论文）应达到的目的
本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控
制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业
选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术
相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技
能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论
联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要
求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。
三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等）
锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化 u 5。试根据
实验数据设计一个超调量 p 25% 的无差控制系统。
时间/min 被控量 时间/min 被控量 时间/min 被控量
0 0.650 30 0.881 60 1.262
5 0.651 35 0.979 65 1.311
10 0.652 40 1.075 70 1.329
15 0.668 45 1.151 75 1.338
具体要求如下：
20 0.735 50 1.213 80 1.350
25 0.817 55 1.239 85 1.351
（1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型；
（2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）；
（3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
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对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数 3000～5000 字。
四、应收集的资料及主要参考文献：
1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006
2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001
3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008
五、审核批准意见
教研室主任（签字）
摘要
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。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。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生 产来说尤其是这样。因为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。在现 代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影 响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞， 致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格
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控制水位在规定范围之内。 维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉 正常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。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。这些后果 都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来 愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。 汽包水位的控制是锅炉控制的一个难点，目前，对汽包水位控制大多采用常规 PID 控制方式，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，控制效果不理想。
关键词：冲量，汽包水位控制，PID 控制，仿真
目录
1． 绪论............................................................ 1 1.1 锅炉的工作过程简介........................................... 1 1.2 锅炉汽包水位自动控制的意义...................................2 1.3 锅炉液位控制的难点........................................... 2
2. 汽包锅炉水位控制系统的设计.......................................3 2.1 概述......................................................... 3 2.2 单冲量控制系统............................................... 3 2.3 双冲量控制系统............................................... 4 2.4 三冲量控制系统 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
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-2.4.1 单级三冲量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.4.2 串级三冲量控制系统．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 3. 锅炉汽包水位的动态特性的数学建模.................................7 3.1 给水流量作用下的动态特性.....................................7 3.2 蒸汽流量扰动下的动态特性 ................................... 8 3.3 根据所给数据进行曲线拟合 .................................... 9
3.3.1 相关 MATLAB 程序及结果．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 3.3.2 控制变量的确定........................................... 10 3.4 串级三冲量的框图............................................ 10 4. 硬件选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 4.1 流量传感器选择.............................................. 12 4.2 水位传感器选择.............................................. 12 4.3 电机的选择.................................................. 12 4.4 接触器的选择................................................ 13 4.5 阀的开闭选择形式............................................ 13 5. PID 参数的整定和 SIMULINK 仿真 ...................................13 5.1 串级三冲量仿真电路图的搭建..................................13 5.2 串级三冲量 PID 参数的整定....................................14 5.3 仿真分析.................................................... 15 总结............................................................... 16 参考文献........................................................... 17
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1． 绪论 1.1 锅炉的工作过程简介
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 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，
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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。
1.2 锅炉汽包水位自动控制的意义
锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包 中的水位在工艺允许的范围内。 维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅 炉正常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。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。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快， 人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。
1.3 锅炉液位控制的难点
液位的控制技术是通过控制进水或出水阀门的开度，改变水流量来实现的， 而水温的控制是通过调节加热的功率来实现的。锅炉液位的控制是锅炉控制系 统较为重要和比较难于控制的一项。由于在锅炉运行过程中存在进水量和出水 量的变化，所以很难通过调整 PID 控制器参数来满足所有的运行条件，获得理 想的控制效果。调整过量会导致流量回路动作频繁，从而给下游设备带来了额 外的干扰。这样就导致液位控制器通常处于欠调正状态允许液位在一定范围内 波动，以减小出水量的变化。然而，欠调正的 PID 不能及时抑制大扰动，这就 可能引起锅炉运行的安全问题。另外，液位的波动也会破坏锅炉运行过程的稳 定，使得蒸汽输送等不易控制。影响锅炉液位的关键变量有给水流量，蒸汽出 口流量和混合燃料的进料量。各变量都有各自不同的扰动。较冷的给水造成相 应的纯滞后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”现象，使得过程 暂时改变了方向，容易产生误操作而导致发生事故。
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2 汽包锅炉水位控制系统的设计 2.1 概述
汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域 的一个典型的难问题。随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅炉 自动化控制的水平也在逐渐提高。其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪 表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计 算机控制等几个阶段。通常有如下几种方案：
(1) 单冲量控制系统。即汽包水位的单回路水位控制系统； (2) 双冲量控制系统。即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号； (3) 三冲量控制系统。是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构
成。
2.2 单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。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 H 与给定值 H0 的偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的 范围内。系统框图为图 2.1 所示。
图 2.1 单冲量控制系统框图 这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。对于水在汽包内 的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用 单冲量控制系统，进行 PID 调节一般就能满足生产要求。 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、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲 量水位调节时能够满足生产要求。
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-单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有： （1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即 阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位 一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量， 这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水 流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。 （2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原 因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作 后又要经过一段滞后时间 才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波 动幅度大，过程时间长。
2.3 双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。双冲量控制系统是以 锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前 馈-反馈”控制系统。系统框图为图 2.2 所示。
图 2.2 双冲量控制系统框图 双冲量控制系统的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位” 所引起的不良影响。当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的 信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前 馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。双冲量控制系统存在 的问题是：对于给水系统的扰动不能直接补偿，当给水量发生扰动时，要等到 汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。
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2.4 三冲量控制系统
2.4.1 单级三冲量控制系统 三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位 H 为主控制信号，蒸汽
流量 D 为前馈控制信号，给水流量 W 为反馈控制信号组成的控制系统。 三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。当负荷（蒸汽流量）突然发生
变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增 加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。如给水 流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量 保持不变。另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及 早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以 避免调解过量，减少 水 位 波 动 ， 防 止 失 控 。 系 统 框 图 为 图 2.3 所 示 。
图 2.3 单级三冲量控制系统框图 从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给 水流量 W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位 对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量 D 及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合 回路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。 所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。 单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控
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