过程控制系统课程设计.docx
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过程控制系统课程设计
课程设计任务书
学生姓名：
专业班级：
自动化0905班
指导教师：
傅剑工作单位：
自动化学院
题目:
锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计
初始条件
锅炉汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。
汽包水位过高会影响汽水分离效果，水位过低则损坏锅炉。
以汽包水位为控制量，以给水量为被控量。
该对象的只要蒸汽负荷为扰动量，试设计一控制系统，使汽包水位维持在120㎝，稳态误差±0.4㎝，以满足生产要求。
要求完成的主要任务:
1、了解锅炉生产蒸汽工艺设备及其工作流程
2、基于对象特点分析，绘制液位控制系统方案图
3、确定系统所需检测元件、执行元件、控制器技术参数
4、撰写系统调节原理及调节过程说明书
5、锅炉汽包水位单冲量控制系统进行数值仿真
6、总结课程设计的经验和收获
时间安排
1月14日选题、理解课题任务、要求
1月15日方案设计
1月16日-17日参数计算、撰写说明书
1月18日答辩
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，为确保安全，稳定生产，对锅炉的自动控制十分重要，其中汽包水位是一个非常重要的被控变量。
锅炉是一个较为复杂的调节对象，为保证提供合格的蒸汽以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。
汽包水位是锅炉运行的主要指标。
保持的水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件。
因为水位过高，会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸气带水过多，使过热器管壁结垢并损坏，同时使过热蒸汽的温度急剧下降。
如果该带液蒸汽被用户用来带汽轮机，将会损坏汽轮机的叶片。
水位过低，由于汽包内的水量较少，而负荷很大时，水的汽化速度加快，来不及时加以控制，将使汽包内的水全部汽化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。
因此必须对锅炉汽包水位进行严格控制.
汽包水位自动调节的任务是给水量与锅炉蒸发量相平衡，并维持汽包水位在工艺规定的范围内。
保持锅炉汽包水位在一定范围是锅炉稳定安全运行的主要指标。
而本系统设计一种单冲量水位控制系统，能够很好补偿扰动产生的“假水位”现象，能很好的完成设计要求。
关键字：
汽包水位、单冲量、过程控制系统
锅炉汽包水位单冲量控制系统设计
1.概述
在过程自动化技术出现之前，工厂操作员必须人工监测设备性能指标和产品质量，以确定生产设备处于最佳运行状态，而且必须在停机时才能实施各种维护，这降低了工厂运营效率，且无法保障操作安全。
过程自动化技术可以简化这一过程。
通过在工厂各个区域安装数千个传感器，过程自动化系统可以收集温度、压力和流速等数据，然后利用计算机对这些信息进行储存和分析，再用简洁明了的形式把处理后的数据显示到控制室的大屏幕上。
操作人员只要观察大屏幕就可以监控整个工厂的每项设备。
过程自动化系统除了能够采集和处理信息，还能自动调节各种设备，优化生产。
在必要时，工厂操作员可以中止过程自动化系统，进行手动操作。
工厂所有者希望他们的设备能以最低的成本生产最多的产品，而在石油、天然气和石化等多个行业，能源成本占总生产成本的30—50%。
因此，通过过程自动化技术增效节能是降低生产成本的有效途径。
对于过程自动化技术而言，计算机程序不仅能够监测和显示工厂的运行状况，还能模拟不同的运行模式，找到最佳策略以提高能效。
这些程序的独特优势是能够“学习”和预测趋势，提高了对外界条件变化的响应速度。
过程自动化系统中的软件和控制装置能够对设备进行调节，使其在最佳速度下运行，从而大大降低能耗。
它们还能够确保质量的一致性，降低次品率，减少浪费。
过程自动化系统还能预测何时需要对生产设备进行维护，从而减少了对设备进行常规检查的次数。
常规检查次数的降低可以减少停止和重新启动机器所花费的时间和能源。
过程控制系统分为多种，有简单控制系统和复杂控制系统，而复杂过程控制系统又可分为：
串级控制系统、前馈控制系统、比值控制系统和均值控制系统等几种。
在本次控制系统的选择中，因为设计题目要求是：
锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，所以本着简单、实用的原则我把它设计成一个简单的单回路系统来满足题目要求。
2.
锅炉生产蒸汽工艺简述
锅炉汽包水位系统流程如图2-1所示。
图2-1锅炉汽包水位系统流程
水位控制系统的任务是使给水量与锅炉蒸发量相适应，维持汽包水位在工艺规定的范围内。
汽包水位反映了锅炉蒸汽流量与给水量之间的平衡关系，是锅炉运行中一个非常重要的监控参数。
汽包水位过高，会影响汽水分离的效果，使蒸汽带液，过热器结垢，影响过热器的效率；如果带液蒸汽进入汽轮机，会损坏汽轮机叶片。
如果水位过低，会破坏水循环而损坏锅炉，尤其是大型锅炉，一旦停止给水，汽包存水会在很短时间内完全汽化而造成重大事故，甚至引起爆炸。
因此汽包水位需要严格控制。
3.
液位控制系统方案
3.1系统方框图
首先要选取汽包水位控制系统的被控参数和控制变量，本系统按照设计要求可直接选择汽包水位作为被控参数。
影响水位变化的因素有给水量变化、蒸汽流量变化、燃料量变化和汽包压力变化等等。
而汽包压力和蒸汽流量都不能作为控制变量，因为汽包压力变化并不直接影响水位，汽包压力变化是由蒸汽流量引起的，蒸汽流量按用户的需要会各不相同，这是一个不可控因素；燃料量的变化也不能作为控制变量，因为这种变化要经过燃烧系统变成热量后，才可被水吸收，这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大，所以燃料量的变化不能作为控制变量。
因此只能选择给水量作为汽包水位的控制变量。
将系统的被控参数和控制变量选定之后可得到系统方框图如图3-1所示。
图3-1系统方框图
3.2系统方案图
由系统方框图可以设计出系统方案图如图3-2所示。
图3-2系统方案图
从系统方案图中可以看到，将给水量作为控制变量，汽包液位作为被控参数之后，检测变送器选择压差变送器，执行器选择PI控制器，执行器为调节阀。
4.
控制系统的设计
过程控制系统设计和应用的两个重要内容：
控制方案的设计、选择检测变送器、选择执行机构调节阀、选择调节器和调节器整定参数值的确定等几个部分。
设计和应用好一个过程控制系统，首先应全面了解被控制过程，其次根据工艺要求对系统进行研究，确定最佳的控制方案，最后，对过程控制系统进行设计，整定和投运。
对于过程控制系统而言，控制方案的选择和调节器参数整定是其两个重要的内容，如果控制方案设计不合理，仅凭调节器参数的整定无法获得良好的控制质量；相反控制方案很好，但是调节器参数整定的不合适，也不能使系统运行在最佳状态。
过程控制系统从结构形式可分为单回路系统和多回路系统。
单回路控制系统包含一个检测变送器，一个调节器，一个执行器和对象，对对象的某一个被控制参数进行闭环负反馈控制。
在系统分析设计和整定中，单回路系统设计方法是最基本的方法，适用于其他各类复杂控制系统的分析，设计，整定和投运。
采用单回路控制方式来实现锅炉汽包水位单冲量控制系统的原理方框图如图3-1所示。
在图3-1中，调节器采用PI调节器，汽包水位是被控对象，检测变送器选用压差变送器，调节阀的具体选择将在下文详细给出。
4.1系统控制过程分析
控制系统的控制阶段主要分为：
平衡阶段和抗扰动调节阶段。
下面将分别对这两个阶段进行分析。
4.1.1系统平衡阶段分析
在锅炉中将会有水蒸气和水，在水中会有气泡，按照设计要求，当汽包水位维持在
的液位的时候，系统都是合理的，不会出现任何危险。
4.1.2系统抗扰动阶段分析
在本次设计中，由于是单冲量的，所以只考虑给水量的扰动。
当给水量扰动时，汽包水位的动态特性图如图4-1所示。
由图4-1可知，当给水量增加时，水位阶跃响应曲线如图中
所示。
如果把汽包水位对给水的响应看做是无自衡单容过程，汽包水位的阶跃响应曲线应该如图中
所示。
由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，进入汽包的给水会从饱和水吸收一部分热量，所以当给水量上升时，汽包水面以下水中的气泡总体积减小，导致水位下降。
水中气泡总体积下降，导致水位变化的阶跃响应曲线如图中
所示。
当给水量上升时，实际汽包水位的曲线应该如
所示，即突然加大给水量后，汽包水位一开始并不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。
实际水位变化
是
和
的叠加，即
。
用传递函数来表示即是：
用一阶模型近似时，可表示为：
为给水流量作用下，阶跃响应的斜率；
为纯滞后时间，给水温度越低，
越大，一般
约在15~100s之间。
如果采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，
会增到100~200s。
图4-1汽包水位动态特性
4.2单回路反馈控制系统
单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。
当一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。
合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。
反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。
因此，当一个单回路系统组成好以后，如何整定好控制器参数是一个很重要的实际问题。
简单控制系统是实现生产过程自动化的基本单元、其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求、因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。
本设计的要求是锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，由于是单冲量，所以不必选择串级控制回路，简单控制系统就可以。
4.3检测变送器的选择
一个简单的控制系统是由被控对象、检测部件（测量仪表和传感器）、控制器和执行机构组成的。
在自动控制系统中，检测部件的作用相当于人的感觉器官，它直接感受被测参数的变化，提取被测信息，转换成标准信号供显示和作为控制的依据。
4.3.1选取原则
检测部件一般宜采用定型产品，设计过程控制系统时，根据控制方案选择测量仪表和传感器。
选择应该遵循以下原则:
（1）可靠性原则
可靠性是指产品在一定的条件下，能长期而稳定地完成规定的功能的能力是可靠性是测量仪表和传感器的最重要的选型原则。
（2）实用性原则
实用性是指完成具体功能要求的能力和水平。
根据工艺要求考虑实用性，既要保证功能的实现，又应考虑经济性，并非功能越强越好。
（3）先进性原则
随着自动化技术的飞速发展，测量仪表和传感器的技术更新周期越来越短，而价格却越来越低。
在可能的条件下，应该尽量采用先进的设备。
4.3.2压差变送器
被控参数的测量和变送必须迅速正确地反映其实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。
前面已经说到本设计的被控对象是汽包液位，所以采用压差变送器。
压差变送器，又叫差压变送器，传感器中的一种。
其工作原理是被测介质压力变化—采集到信息—传输信号—主机分析—发出执行命令—执行器动作。
其被广泛的应用到自动化控制领域，其涵盖所有气体及液体介质需要测量和监控压力变化的场所。
压差变送器的原理图如图4-2所示。
图4-2压差变送器原理图
由图4-2可知
，
是容器上半部分中气体的压强，于是压差可以表示为
。
其中
是液体密度，g是重力加速度。
当被测介质的密度已知时，压差变送器测得的压差与液位的高度成正比。
测量和变送环节的描述见式（4—1）。
（4—1）
即：
参数选择原则：
减小Tm和τm均对提高系统的控制质量有利。
若Tm较大，则会使记录曲线与实际参数之间产生较大的动态误差。
从减小测量变送环节误差角度考虑，应减少仪表的量程，即增大Km。
4.4调节阀的选择
调节阀类型的选择：
气动执行器。
调节阀口径（Dg、dg）大小的选择：
在正常工况下要求调节阀开度在15%到85%之间。
口径不可以太小，因为当系统收到较大扰动时，会使系统处于失控工况；同样口径不能太大，因为如果口径太大，调节阀将长时间处于小开度中，阀门的不平衡力较大，阀门调节灵敏度低，工作特性差。
调节阀流量特性的选择：
系统总的放大倍数尽可能保持不变，通常被控过程的特性是非线性的（一阶以上特性），而变送器、调节器（若比例作用时）和执行机构的放大系数是常数。
因此往往通过选择调节阀的流量特性来补偿被控过程特性的非线性，从而达到系统总放大倍数不变的目的。
4.5仪表性能指标的计算
4.5.1精度
检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。
（1）绝对误差
绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，如式（4—2）。
（4—2）
（2）引用误差
把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（4—3）。
（4—3）
（3）精度等级
按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。
只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。
根据此次设计的汽包水位要求为
，所以选用0.4精度的等级。
4.5.2灵敏度和灵敏性
灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，如式（4—4）。
（4—4）
灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。
一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。
4.6调节器的选择
根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。
选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。
本设计采用PI调节器。
PI控制规律可简单理解为引入积分作用能消除余差。
适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。
PI调节器的传递函数见式（4—5）。
（4—5）
4.7调节器作用方向的选择
从控制原理可知，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统收到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。
系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定，必须构成负反馈。
本设计的控制变量是给水量，当给水量增加时，汽包液位当然是会上升，给水量的增加是通过调节阀的阀门开度增加，而本设计中采用的调节阀类型是气关式，所以调节阀的作用方向是负作用，所谓气关式则是当压力上升时，开度减小，这是出于对安全的考虑，而检测变送器是压差式的，它的正反作用同汽包水位相同，要使系统构成负反馈系统，则调节器应该选用正作用。
综上所述可以得到本系统的最终的系统框图如图4-3所示。
图4-3确定了正反作用的系统方框图
4.8系统的投运和整定
一旦控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符号精度要求，并已运行正常，即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。
4.8.1系统的投运
所谓控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换至自动工作状态。
这一过程是通过控制器上的手动—自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必须保证无扰动地进行。
本设计采用设计比较先进的电动Ⅲ型控制器，因为它拥有比较完善的自动跟踪和保持电路，可以做到在手动时自动输出跟踪手动输出，在自动时手动输出跟踪自动输出，这样随时都可以进行手动与自动的切换而不引起扰动。
4.8.2简单控制系统的参数整定
所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（
、
）的调整，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。
对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数（
、
），使过渡过程呈现4:
1的衰减过程。
调节器参数整定有两大类：
理论计算和工程整定法。
理论计算法需要较多的控制理论知识，由于实际情况，理论计算不可能考虑周到，因此用工程整定法。
工程整定法有三种：
经验法、临界比例度法和衰减曲线法。
在本设计中我将采用衰减曲线法。
利用δs和Ts值，按表1给出的经验公式，求控制器整定参数δ、T1数值。
表1衰减比为4:
1时，衰减曲线法整定参数计算表
δ
I
D
P
δ
—
—
PI
1.2δ
0.5T
—
PID
0.8δ
0.3T
0.1T
5.
系统工作原理及调节过程简述
5.1当汽包液位下降时
当控制对象汽包液位下降时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力减小，使变送出来的标准信号减小，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量大于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力减小，开度则会相应打开，使给水量增加，增加的给水量使锅炉内的汽包液位上升，回到平衡位置，实现自动控制。
5.2当汽包液位上升时
当控制对象汽包液位上升时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力增大，使变送出来的标准信号增大，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量小于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力增大，开度则会相应减小，使给水量减少，减少的给水量使锅炉内的汽包液位下降，回到平衡位置，实现自动控制。
6.
基于Matlab/Simulink的系统仿真
单冲量控制系统的基于Matlab/Simulink的系统建模如图6-1所示：
图6-1单冲量控制系统的Matlab/Simulink系统建模
在本次课程设计中，我采用衰减曲线法进行PID参数整定，按衰减比n=4:
1,其整定步骤如下：
首先取Ti=
比例度P置于较大数值，将系统投入自动运行状态。
待系统工作平稳后，对设定值做阶跃扰动，然后观察其过渡过程。
如果过渡过程振荡衰减太快，就减小比例度P，反之增大比例度P，直到系统出现震荡过程n=4:
1,从此过渡曲线上测出此时的震荡周期Ts,峰值时间Tr,并记录此时的比例度Ps。
图6-2调节衰减比为4：
1时的仿真效果图
按给出的经验公式计算调节器的整定参数P、Ti,并按计算结果设置调节器参数，再做设定值扰动实验，观察过渡过程曲线。
若系统过渡过程曲线不理想，再对P，Ti计算值进行调整，知道出现满意的结果为止。
可以计算出整定后Kp=37.5,Ki=2.4,代入进行仿真，然后再对参数进行微调，当Kp=39,Ki=3时得到较为满意仿真效果如下图6-3所示。
图6-3加入积分环节后的仿真效果图
可以由图计算出超调量
=51/120=42.5%，上升时间小，系统响应快，衰减性好，稳定误差极小为
，满足设计要求。
当施加较大蒸汽干扰时，能在很短时间后快速恢复，恢复后稳态误差在
内，说明该系统的稳定性能很好，能满足设计要求.
7.
心得体会
此次课程设计让我受益匪浅。
与平常做题不同，课程设计对知识的应用和理解有很大的要求，能够使平常学习的知识得到系统的应用，这一点在本次课程设计中更是显现得淋漓尽致。
本次课程设计我所做的题目锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，这个设计内容要求设计者要牢牢掌握单回路控制系统的设计步骤和原则，在设计中如何选取检测元件、执行元件和调节仪表的技术参数成了成败的关键。
在这次的设计过程中，我碰到了很多问题，还请教了本次课程设计的指导老师，在老师的引导下成功克服了很多问题，最终将课程设计完满的做成。
经过此次课程设计，我学到了很多，对我分析问题的能力有了很大的提高，还有就是查阅资料自行学习的能力也得到了很大的提高。
参考文献
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