锅炉课程设计

目录
一、设计任务分析 (2)
二、总体方案设计
2.1 设计目的 (2)
2.2 实验装置 (3)
2.3 设计要求 (3)
三、被控对象与控制设备 (4)
3.1 被控对象 (4)
3.2 检测装置 (5)
3.3 执行机构 (6)
3.4控制器 (6)
3.5 系统特点 (9)
3.6 被控对象的调节 (10)
四、控制系统结构
4.1 串级控制系统结构 (11)
4.2 副回路的设计 (15)
4.3 主副回路工作频率的选 (15)
5.4控制系统连线示意图 (16)
五、MATLAB仿真与实验结果
5.1夹套介质温度曲线的测定与结果分析 (17)
5.2 锅炉的夹套温度曲线测量与结果分析 (20)
5.3Matalab仿真，记录调节器参数 (21)
5.5记录最佳调节器参数以及结果曲线 (22)
六、课程设计体会 (23)
一、设计任务分析
熟悉THJ-2型高级过程控制系统实验装置，获取锅炉夹套与夹套的动态特性曲线，利用实验建模法求出它们的数学模型。

根据串级控制，选择合适的主调节器、副调节器控制规律，并在Matlab上进行仿真。

最终在过控实验装置平台上完成实际系统的调试，并说明两种方法的所得结果的差别。

二、总体方案设计
2.1设计目的
通过对过程控制系统的学习，让我对用过程控制系统在工业生产中的重要作用得到了很深的了解。

课堂上老师讲解的知识在我们与课程同步的实验中得到了巩固和提高。

通过这次的课程设计更是升华了我们平时学习中所获得的知识。

我发现这项技术在我们以后的工作与学习中将起到很大的作用，会让我们为社会做出更大的贡献。

课程设计要求我们立足实际，观点新颖，多谢创新，尽量满足现实情况的前提下开工脑筋，大胆别致的做出更好的作品。

经过两个星期的研究与学习终于做出了自己的设计，在完成设计的过程中查阅了很多资料，把课程的知识综合的系统的应用在我的设计之中。

在本课程设计中，通过一个完整的生产过程控制系统的设计，使学生在进一步加深理解和掌握《过程控制系统》课程中所学内容的基础之上，着重训练学生将《过程检测与控制仪表》、《自动控制原理》、《微机控制技术》和《过程工程基础》等课程中所学到知识进行综合应用。

锻炼学生的
综合知识应用能力，让学生了解一般工程系统的设计方法、步骤，系统的集成和投运。

2.2实验装置
2-1 实验装置总貌图
2.3设计要求
1.从组成、工作原理上对工业型传感器、执行机构有一深刻的了解和认识。

2.分析控制系统各个环节的动态特性，从实验中获得各环节的特性曲线，建立被控对象的数学模型。

3.根据其数学模型，选择被控规律和整定调节器参数。

4.在Matlab上进行仿真，调节控制器参数，获得最佳控制效果。

5.了解和掌握自动控制系统设计与实现方法，并在THJ-2型高级过程控制系统平台上完成本控制系统线路连接和参数调试，得到最佳控制效果。

6.分析仿真结果与实际系统调试结果的差异，巩固所学的知识。

三、被控对象与控制设备
本实验装置由被控对象和控制仪表两部分组成。

系统动力支路分两路：一路由三（380V交流）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由日本三菱变频器、三相磁力驱动泵（220V变频）、涡轮流量计及手动调节阀组成。

3.1 被控对象
由不锈钢储水箱、上、中、下三个串接有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉夹套加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成)、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。

水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和储水箱。

上、中、下水箱采用优质淡蓝色圆筒型有机玻璃。

上、中水箱尺寸均为：
d=25cm,h=20 cm；下水箱尺寸为：d=35cm,h=20 cm。

水箱结构非常独特，有三个槽，分别是缓冲槽，工作槽，出水槽。

上、中、下水箱可以组合成一阶、二阶、三阶液位单回路控制实验和双闭环、三闭环液位串级控制等实验。

储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：长×宽×高=68cm×52㎝×43㎝完全能满足上、中、下水箱的实验需要。

模拟锅炉：本装置采用模拟锅炉进行温度实验，此锅炉采用不锈钢精制而成，由二层组成：加热层（夹套）和冷却层（夹套）。

做温度单回路实验时，冷却层的循环水可以使加热层的热量快速散发，使加热层的温度快速下降。

冷却层和加热层都有温度传感器检测其温度。

盘管：长37米（43圈），可做温度纯滞后实验，在盘管上有三个不同的温度检测点，它们的滞后时间常数不同，在实验过程中根据不同的实验需要选择不同的滞后时间常数。

盘管出来的水既可以回流到锅炉夹套，也可以经过涡轮流量计完成流量滞后实验。

3.2 检测装置
压力传感器、变送器：采用工业用的扩散硅压力变送器，含不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

压力传感器用来对上、中、下水箱的液位进行检测，其精度为0.5级，因为为二线制，故工作时需串接24V直流电源。

温度传感器：本装置采用六个Pt100传感器，分别用来检测上水箱出口、锅炉夹套、锅炉夹套以及盘管的水温。

经过调节器的温度变送器，可将温度信号转换成4～ 20mADC电流信号。

Pt100传感器精度高，热补偿性较好。

流量传感器、转换器：流量传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。

涡轮流量计型号：
LWGY-10，流量范围：0～1.2m3/h，精度：1.0%。

输出：4～20mA标准信号。

本装置用了三套涡轮流量传感器、变送器。

3.3 执行机构
电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。

电动调节阀型号为：QSVP-16K。

具有精度高、控制单元与电动
执行机构一体化、操作方便等优点，控制信号为4～20mA DC或1～5V DC，输出4～20mA DC的阀位信号，使用和校正非常方便。

变频器：本装置采用日本三菱变频器，控制信号输入为4～20mADC 或0～5VDC，～220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

水泵：本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。

本装置采用两只磁力驱动泵。

一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

可移相SCR调压装置：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号为4～20mA标准电流信号。

输出电压用来控制加热器加热，从而控制锅炉的温度。

电磁阀：在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。

电磁阀型号为：2W-160-25 ；工作压力：最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2 ；工作温度：－5～80℃。

3.4 控制器
本实验装置基本配置的控制器有调节仪表、比值器/前馈-反馈补偿器、解耦装置。

调节仪表：
本系统实验装置采用上海万迅仪表有限公司的AI系列仪表，其主要特点有：
1.全球通用的85～246VAC范围开关电源或者24VDC电源供电，
并具备多种外形尺寸。

2.输入采用数字校正系统，内置常用热电偶和热电阻非线性校
正表格，测量精确稳定。

3.采用先进的AI人工智能调节算法，无超调，具备自整定（AT）
功能。

本装置有4台调节器。

其中三台型号是AI-818，另一台型号是AI-708。

1.技术规格
a)热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N
b)热电阻：Cu50、Pt100
c)线性电压：0－5V、1－5V、0－1V、0－100mV、0－20mV等
d)线性电流（需外接分流电阻）：0－10mA、0－20mA、4－20mA等
2.测量范围
e)K（-50＋1300℃）、S（-50－1700℃）、R（-50－＋1650℃）、T
（-200－＋550℃）、E（0－800℃）、J（0－1000℃）、B（0－1800℃）、N（0－1300℃）、
f)Cu50（-50－＋150℃）、Pt100（-200－＋600℃）
3.测量精度
g)0.2级（热电阻、线性电压、线性电流及热电偶输入且采用铜电阻
补偿或冰点补偿冷端时）
h)0.2%FS±2.0℃（热电偶输入且采用仪表内部元件测温补偿冷端
时）
4.响应时间
i)≤0.5秒（设置数字滤波参数dL=0时）
j)注：仪表对B分度号热电偶在0—600℃范围时可以进行测量，但测量精度无法达到0.2级，在600-1800℃范围可保证0.2级测量精度。

5.AI人工智能调节，包含模糊逻辑PID调节及参数自整定功能
的先进控制算法。

6.输出规格（模块化）
k)继电器触点开关输出（常开+常闭）：250VAC/1A或30VDC/1A
l)可控硅无触点开关输出（常开或常闭）：100-240VAC/0.2A（持续），2A（20mS瞬时，重复周期大于5S）
m)SSR电压输出：12VDC/30mA（用于驱动SSR固态继电器）
n)可控硅触发输出：可触发5-500A的双向可控硅、2个单向可控硅反并联连接或可控硅功率模块
o)线性电流输出：0-10 mA可4-20 mA可定义（安装X模块时输出电压≥10.5V；X4模块输出电压≥7V）
7.报警功能
上限、下限、正偏差、负偏差等4种方式，最多可输出3路，有上电免除报警选择功能。

8.手动功能
自动/手动双向无扰动切换（仅A1-808/808P系列具备此功能）9.电源：100-240VAC，-15%，+10%50-60H
；
Z
电源消耗：≤5W
10.环境温度：0-50℃
比值器、前馈-反馈装置：
此控制器与调节器一起使用既可以实现流量的单闭环比值、双闭环比值控制系统实验，又可以实现液位与流量、温度与流量的前馈-反馈控制系统实验。

解耦控制装置：
此控制器与调节器一起使用可以实现锅炉夹套与锅炉夹套的温度、上水箱液位与出口温度的解耦控制系统实验。

仪表综合控制台：
仪表控制台面板由三部分组成：
1.电源控制屏面板：充分考虑人身安全保护，带有漏电保护空
气开关、电压型漏电保护器、电流型漏电保护器。

2.仪表面板：1块变频调速器面板、3块AI/818A智能调节仪面
板、1块AI/708A智能位式调节仪、解耦装置面板，比值器/前
馈-反馈装置面板，各装置外接线端子通过面板上自锁紧插孔引出。

3.I/O信号接口面板：该面板的作用主要是将各传感器检测及
执行器控制信号同面板上自锁紧插孔相连，再通过航空插头同对象系统连接，便于学生自行连线组成不同的控制系统，进行几十种过程控制系统的实验。

3.5 系统特点
1.被控参数全面，涵盖了连续性工业生产过程中的液位、压力、
流量及温度等典型参数。

2.本装置由控制对象、智能仪表综合控制台、计算机三部分组
成，系统结构布局合理，造型美观大方。

3.直实性、直观性、综合性强，控制对象组件全部来源于工业
现场。

4.具有广泛的扩展性和后续开发功能，所有I/O信号全部采用
国际标准IEC信号，可通过信号接口电缆与任何后续智能化控制平台连接。

5.执行器中既有电动调节阀仪表类执行机构，又有变频器、可
控硅移相调压装置、接触器位式控制装置等。

6.调节系统除了有调节器的设定值阶跃扰动外，还可以通过对
象中电磁阀和手动操作阀制造各种扰动。

7.一个被调参数可在不同动力源、不同执行器、不同的工艺管
路下演变成多种调节回路，以利于讨论、比较各种调节方案的优劣。

8.系统设计时使2个信号在本对象中存在着相互耦合，二者同
时需要对原独立调节系统的被调参数进行整定，或进行解耦实
验，以符合工业实际的性能要求。

9.能进行单变量到多变量控制系统及复杂过程控制系统实验。

10.各种控制算法和调节规律在开放的实验软件平台上都可以实
现。

11.实验数据及图表在MCGS软件系统中很容易存储及调用，以实
验者进行实验后的比较和分析。

3.6 被控对象的调节
储水箱储存着一定体积的水，通过磁力驱动泵把水达到锅炉内，水经过F2-6与F1-12进入夹套，而通过F2-6与F1-13到达夹套，让磁力驱动泵工作一段时间，使得锅炉夹套的水位达到规定值，若夹套的水位没有达到规定值时启动装置，会有报警，所以调节锅炉水位时要小心，必须要夹套的水位达到一个规定值以上。

夹套的水是通过F2-11回流到储水箱内，回流过程中带走夹套介质的部分热量，从而控制夹套介质温度，回流量通过F2-11和F2-11以及磁力驱动泵来控制，根据回流量的大少，可以对夹套介质温度的调节。

加满锅炉夹套的水，手动操作调节器的输出，使可控整流电源的输出电压为80～100V。

此电压加在加热管两端，夹套中的水温因之而逐渐上升。

根据热平衡的原理，当夹套中的水温上升到某一值时，水的吸热和放热作用完全相等，从而使夹套中的水温达到平衡状态。

在锅炉上装上了温度传感器，用于对锅炉夹套温度与夹套温度的测量，把测量值送入控制器进行PID计算，根据计算结果对加热棒两端电压进行控制，从而对夹套介质温度的控制。

四、控制系统结构
控制系统结构的选择是控制方案中最重要的一个步骤。

在过程控制系统的学习中我们学习到控制系统结构有单回路控制、串级控制（双回路控制）、比值控制（特殊多变量控制）、前馈控制与大滞后控制（补偿控制）、分程与选择控制（非线性切换控制）、多变量解耦控制（多输入多输出解耦）等等。

4.1串级控制系统结构
选择合适的控制系统结构，首先要综合被控对象的特征以及各个控制结构性能分析，然后从众多的控制结构中选择一种，以期运行后能满足系统的性能指标。

以下以选择了串级控制为控制系统结构为例进行阐述。

I)串级控制系统的结构
串级控制系统的结构图如下：
图4-1 串级控制系统结构图
从图中可以看出，串级系统和简单系统有一个显著的区别，即其在结构上形成了两个闭环。

一个闭环在里面，被称为副环或者副回路，在控制过程中起着“粗调”的作用；一个在外面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被调量满足工艺要求。

无论主环或副环都有各自的调节对象，测量变送元件和调节器。

在主环内的调节对象，被测参数和调节器被称为主调节对象，主参数和主调节器。

在副环内则相应地被称为副调节对象，副参数和副调节器。

应该指出，系统中尽管有两个调节器，它们的作用各不相同。

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是送到调节阀去控制生产过程。

比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送元件和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却又可以显著的提高。

II) 串级控制系统的特点与分析
在分析串级控制系统之前，先把扰动以其作用位置的不同分为两类，一般把包括在副回路内的扰动称为二次扰动，而把作用于副环之外的扰动称为一次扰动。

这两类扰动对串级控制效果有本质的差别。

分析串级控制系统可知串级控制系统具有较好的控制性能的原因归纳为：
主参
首先是副环具有快速作用，它能够有效地克服二次扰动的影响。

可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。

与单回路控制系统相比，被调量受二次干扰的影响往往可以减小10～100倍，这要视主环与副环中容积分布情况而定。

其次，由于副环起了改善对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率。

最后，由于副环的存在，使串级系统有一定的自适应能力。

众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。

因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下，按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的一个小范围。

如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制质量就会下降，在单回路控制中若不采取其它措施是难以解决的。

但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少或不影响系统的控制质量。

III) 采用串级控制前后比较实例
图4-2 串级系统数学模型 设串级系统的方框图如上图所示，其中主、副对象的传递函数分别为：
11()(301)(31)p G s s s =
++ ............(1) 221()(101)(1)p G s s s =++ (2)
1(R
主、副调节器的传递函数分别为：111(1)c c I G K T s =+
22c c G K =
估算结果如下表1：
从表1中可以看到，由于采用了串级控制，系统工作频率由单回路的0.087增加到0.23，加快了2.6倍；二次扰动下的短期最大偏差由单回路控制时的0.24减小到0.011，大约减小了22倍多；即使一次扰动下，短期最大偏差也由单回路控制时的0.3减小到0.11，减小了近三倍。

可见串级系统对控制效果的改善是十分明显的，但是必须指出，上述的估算结果没有考虑非线性因素的影响。

实际上，由于串级系统的副调节器增益往往很大，调节阀的动作幅度也相应增大，有时可能处于饱和状态，因此串级控制系统的实际效果要比表中估算的结果略为差一些。

IV) 串级系统设计中的几个问题
4.2副回路的设计：
串级系统的种种优点都是因为增加了副回路的缘故。

可以说，副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。

从结构上看，副回路也是一个单回路，问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象，然后组成一个副控制回路，这也是可以归纳为如何选取副参数。

下面是有关副回路设计的两个原则：
副参数的选择应使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏；副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。

串级系统对二次干扰有较强的克服能力。

为了发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副环尽可能多的包括一些扰动。

当然也不能走极端，试图把所有扰动都包括进去，这样将使得主调节器失去作用，也就不成其为串级控制了。

因此，在要求副回路调节通道短、反应快与尽可能多的纳入干扰这两者之间存在着矛盾，应在设计时加以协调。

4.3 主副回路工作频率的选择：
为了保持串级控制系统的控制性能，应避免闭合副环进入高增益
取，即主回路周期T
d1为（1～3）T
d2
的区域。

还句话说，应该使主回
路周期小于T
d2，因此上述调节可以用下列不等式来描述，即：T
d1
>3T
d2。

这个结论是从发挥串级系统特点的角度得到的。

此外还应根据主、副回路之间的动态关系来分析。

由于主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路，在一定条件下，如果受到某种干扰的作用，主参数的变化进入副环时会引起副环中副参数波动振幅的增加，而副参数的变化传送到主环后，又迫使主参数的变化幅度增加，如此往复，就会使主副参数长时间地大幅度地波动，这就是所谓的串级系统的共振现象。

一旦发生了共振，系统就会失去控制，不仅控制品质恶化，如不及时处理，甚至可以导致生产事故，引起严重的后果。

4.4控制系统连线示意图
五、MATLAB仿真与实验结果
5.1 夹套介质温度曲线的测定与结果分析
按照结构图在智能仪表控制台接好线路。

TT1是夹套温度测量变送器，TT1的测量输出接到AI/818A智能调节仪的输入端，调节好
AI/818A智能调节仪的参数，参数调节如下：
CTRL=0 DIL=0 SN=21 CTL=0 DIH=0 CF=8
调节好以上的参数后，在调节加热棒的两端端电压。

还要连接好磁力泵调速器，调节控制磁力泵的速度，从而调节会流水的流量。

把AI/818A智能调节仪的输出接到的输入。

以上的步骤准备好就可以启动电源，启动变频器，经验让磁力泵的速度调节到16转每秒，调节好后让系统工作一段时间，使得仪表上的温度不变时，把加热棒的端电压增加15%，相当于产生一个阶跃输入，此时此刻记录下当时的时间与温度值以及阶跃值，然后就等系统慢慢的变化，慢慢的跟随输入的变化而变化，当输出变化稳定后从电脑的MCGS中得到温度的曲线。

根据得到的曲线，MATLAB进行仿真，得到相应的仿真曲线以及调节器与副对象的传递函数。

实际的温度曲线如图5-1
图5-1 锅炉夹套温度曲线
锅炉夹套温度曲线温度值与时间段如表2：
表2 锅炉夹套温度曲线温度值与时间段
MATLAB锅炉夹套温度仿真曲线如下图5-2
图5-2 MATLAB锅炉夹套温度仿真曲线
从MATLAB上仿真的曲线与实际的曲线比较接近的相似，所以可以从仿真中得到的传递函数比较适合。

以下是锅炉夹套的结构图与调节器、副对象的传递函数，其结构图如图5-3：
图5-3 锅炉夹套的结构图
从图中我们可以知道调节器的传递函数是：
9.5/（13s+1） (3)
副对象的传递函数是
9.5/（s+1） (4)
5.2 锅炉的夹套温度曲线测量与结果分析
方法与步骤与锅炉夹套温度曲线的测量一样，只是测量的传感器是TT2，把AI/818A智能调节仪的输入接到TT2的输出口，其他的工作步骤跟测量夹套的温度曲线的一样，最终也是要得到一条温度曲线。

如下是实际的锅炉夹套温度曲线图5-4：
图5-4 锅炉夹套实际温度曲线
表3 锅炉夹套温度曲线温度值与时间段
以下是通过MATLAB仿真得到的锅炉夹套温度曲线如图5-5
图5-5 锅炉夹套仿真温度曲线
从MATLAB上仿真的曲线与实际的曲线比较接近的相似，所以可以从中得到的传递函数比较适合。

以下是锅炉夹套的结构图如图5-6所示
图5-6 锅炉夹套结构图
由图可知道主对象的传递函数是
[12/（2s^2+s+1）]*e^(-0.2s) (5)
5.3Matalab仿真，记录调节器参数
图5-3 Matlab仿真系统结构图
调节器参数如下：
调节仪1：P=30;I=60;D=0;Sn=21;CF=0;ADDR=1;SV=35；
diH=100;dil=0;
调节仪2：P=65;I=0;D=0;Sn=21;CF=8;ADDR=2; diH=100;dil=0;
5.4记录最佳调节器参数以及结果曲线
图5-4锅炉夹套与内胆水温度串级控制
解析：由于设备和我们操作等各种原因造成的误差导致了上图曲线有些偏差，结果还是符合理论的。

六、总结与体会
在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着越来越重要的作用。

近几十年来，随着电子计算机的发展与应用，在宇宙航行、机器人控制、导弹制导以及核动力等高新技术产业中，自动控制技术更具有特别重要的作用。

不仅如此，自动控制技术的作用现在已经扩展到生物、医学、环境、经济等各个领域中，自动控制已成为现代社会活动不可缺少的重要组成部分。

通过本次课程设计，让我学到的理论知识得到了实践，尤其是PID 控制算法在实践控制中的应用得到了过度。

在书本和课程中，我们主要学到的是理论知识，通过实验学习，我掌握了MATALAB在过程控制中的应用，经过了课程设计，在老师的指导下顺利完成了课程设计，我深刻体会到理论结合实践的重要意义，也对过程控制的学习掌握更深入了一层。

参考文献
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[2]孙炳达自动控制原理[M]. 机械工业出版社 2009
[3] 潘永湘，杨延西，赵跃编著.过程控制与自动化仪表[M].机械工业出版社，2007
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