锅炉出口水温计算机控制系统.docx
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锅炉出口水温计算机控制系统
华北水利水电大学
NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower
课程设计
题目锅炉出口水温计算机控制系统
学院电力学院
专业自动化
姓名朱青
学号*********
指导教师张红涛
完成时间2016年7月
摘要................................................................
第一章双容液位计算机控制系统设计...................................
1.1生产工艺.......................................................
1.1.1国内外锅炉的发展现状.......................................
1.1.2热水锅炉温度检测的背景及意义...............................
1.2控制原理介绍..................................................
1.2.1PID控制方案................................................
1.2.2PID控制器参数整定的方法....................................
1.2.3积分分离判断...............................................
1.2.4积分分离PID控制算法.......................................
1.3控制参数和被控参数及控制仪表及技术参数的选择...................
1.3.1由测量仪器和传感器的选型原则...............................
1.3.2检测﹑变送装置.............................................
1.3.3执行机构...................................................
1.3.4控制器.....................................................
第二章控制系统方框图及控制流程图....................................
2.1控制系统方框图.................................................
2.2控制流程图.....................................................
第三章仿真模型，仿真程序和仿真结果..................................
3.1被控参数整定...................................................
3.2控制参数整定...................................................
3.3仿真程序.......................................................
3.4仿真结果.......................................................
第四章总结与展望...................................................
第五章心得体会.....................................................
参考文献............................................................
致谢................................................................
锅炉出口水温计算机控制系统
摘要
随着我国经济的发展，资源和环境矛盾日趋尖锐，是我国现代化建设面临严峻挑战。
作为温度控制系统重要能源转换设备的锅炉能耗巨大，占我国原煤产量的三分之一左右。
然而，我国目前运行的很多锅炉控制系统自动化水平不高，安全性低，工作效率和环境污染普遍低于国家标准，因此实现锅炉的计算机自动控制具有重要的意义。
本文锅炉出口水温计算机控制系统是采用先进的控制算法完成对过程温度控制的控制系统，实现了对锅炉出口水温的快速精确地控制，不仅节省能源而且还提高了锅炉的安全性。
关键词：
锅炉出口水温MATLAB数字积分分离PID
Boileroutletwatertemperaturecomputercontrolsystem
Abstract
withthedevelopmentofourcountryeconomy,resourcesandtheenvironmenthasbecomeincreasinglyacutecontradictionsisthemodernizationofourcountryisfacingseverechallenges.Asthetemperaturecontrolsystemisanimportantenergyconversiondeviceoftheboilerenergyconsumptionishuge,accountsforaboutonethirdofthecoalproductioninourcountry.However,inourcountryalotofboilercontrolsystemautomationlevelisnothigh,lowsafety,efficiencyandenvironmentalpollutiongenerallylowerthanthenationalstandard,thusrealizingtheboilercomputerautomaticcontrolhasimportantsignificance.Theboilerwatertemperatureattheoutletofthecomputercontrolsystemistheadvancedcontrolalgorithmfortemperaturecontrolintheprocessofthecontrolsystem,therealizationofthewatertemperatureattheoutletoftheboilerTherapidandaccuratecontrolnot
onlysaveenergybutalsoimprovethesafetyoftheboiler.
Keywords:
boileroutletwatertemperatureMATLABdigitalintegralseparationPID
正文
第一章锅炉出口水温计算机控制系统
1.1生产工艺
1.1.1国内外锅炉的发展现状
锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备，长期以来在工业生产和居民生活中都能扮演着极其重要的角色。
它己经有二百多年的历史了，但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。
国外的锅炉控制工业50～60年代发展最快，70年代达到高峰。
我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的，1953年在上海首创了上海锅炉厂。
从其在生产和生活中所起的作用不同，锅炉可分为电站锅炉，主要用于发电厂；工业锅炉，主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，主要用于为居民提供热水和供居民取暖。
应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了，它长期以来就是控制领域的一个典型问题。
伴随着控制理论和控制技术的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。
锅炉的自动化控制，经历了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，以及六十年代星期的计算机过程控制几个阶段。
随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展，计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。
计算机很强的记忆功能，逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制己经有了可能性。
目前，国外锅炉的控制技术已日趋成熟，尤其在计算机控制和PLC控制领域得到很好的发展。
我国虽然在锅炉自动控制领域发展较快，但整体技术水平和发达国家还有一定的差距。
1.1.2热水锅炉温度检测的背景及意义
随着我国的国民经济快速发展与人民生活水平的迅速提高，对锅炉的需求量有日益增加的趋势。
如果锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，就会造成了燃料的大量浪费，而且严重污染空气，也不利于安全生产。
而热水锅炉的控制虽然没有工业锅炉复杂，精确度要求也没工业要求高，但热水锅炉的应用也十分广泛，如果要人工控制就不仅需要很大的工作量，而且不能保证控制的准确性和及时性，因此用采用自动检测和控制，不仅大大减少工作量，而且准确，既经济又实惠。
温度检测系统在现代工业设计、工程建设及日常生活中的应用越来越广泛，早期的温度检测主要应用于工厂中，在人们的日常生活中，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。
PID控制技术能够很好的解决这个问题。
1.2控制原理介绍
1.2.1PID控制方案
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。
先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。
现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器（PLC），还有可实现PID控制的计算机系统等。
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例积分微分控制，简称PID控制，又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
图1PID控制基本原理图
PID控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r（t）与实际值y（t）构成控制偏差：
（式1）
控制规律为：
（式2）
函数形式表示：
（式3）
:
比例系数
:
积分时间常数:
微分时间常数。
PID控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P）：
比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。
但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差
（2）积分控制（I）：
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。
为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。
比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分控制（D）：
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。
特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中动态特性。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的重要内容，应根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
1.2.2PID控制器参数整定的方法
一是理论计算整定法。
它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。
由于实验测定的过程数学模型只能近似反映过程动态特，理论计算的参数整定值可靠性不高，还必须通过工程实际进行调整和修改。
二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统试验中进行控制器参数整定，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。
PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减曲线法。
三种方法都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。
临界比例法：
在闭合控制系统中，把调节器的积分时间
置于最大，微分时间
置零，比例度δ置于较大数值，把系统投入闭环运行，将调节器的比例度δ由大到小逐渐减小，得到临界振荡过程，记录下此时的临界比例度
和临界振荡周期
。
阻尼振荡法：
在闭合控制系统中，把调节器的积分时间
置于最大，微分时间
置零，比例度δ置于较大数值反复做给定值扰动实验，并逐渐减少比例度，直至记录曲线出现4：
1的衰减为止。
记录下此时的4：
1衰减比例度δ和衰减周期
。
反应曲线法：
若被控对象为一阶惯性环节或具有很小的纯滞后，则可根据系统开环广义过程测量变送器阶跃响应特性进行近似计算。
在调节阀的输入端加一阶跃信号，记录测量变送器的输出响应曲线，并根据该曲线求出代表广义过程的动态特性参数。
在本设计中，我采用的是PID参数的工程整定方法中的动态特性参数法。
先通过两点法求出等效的带纯延迟的一阶环节特性方程，经过与广义对象的曲线进行对比，可以看出来两条曲线基本吻合，故可以用动态特性参数法。
接下来有两种方法可以得到PID参数，一种是Z-N调节器参数整定公式法，一种是柯恩-库恩整定公式法，下面会一一介绍并且计算，并把两种方法得到的结果进行比较，之后就是进行自行的调整，使其满足设计要求。
1.2.3积分分离判断
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调和长时间的波动。
特别对于温度等变化缓慢的过程，这一现象更为严重，为此，可采用积分分离措施。
即偏差e（t）较大时，取消积分作用，当偏差较小时才将积分作用投入。
积分分离阈值应根据具体对象及控制要求，若阈值（
）过大，则达不到积分分离的目的，若阈值过小，则一旦被控量y（t）无法跳出积分分离区，只进性PD控制，将会出现残差。
为了实现积分分离，编写程序时必须从数字PID差分方程式中分离出积分项，进行特殊处理。
1.2.4积分分离PID控制算法
实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多过程控制时，都能得到满意的效果，不过用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID规律数字化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更灵活，更能满足生产过程提出的要求。
PID算法推到如下：
U：
调节器的输出信号；
e:
偏差信号
K：
调节器的比例系数；
Ti：
调节器的积分时间；
Td：
调节器的微分时间；
对应的模拟PID的传递函数
（式4）
在计算机控制中，为实现数字控制，必须对上式进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，设系统的采样周期为T，在
时刻进行采样，
（式5）
（式6）
（式7）
式中e（k）:
根据本次采样值所得到的偏差
e（k-1）：
由上次采样值得到的偏差
T为采样周期
K为采样序号
由以上可得
（式8）
式中T为采样周期，
项为积分项的开关系数
（式9）
值得确定应根据实际系统及具体对象及控制要求，若
值过大时，则达不到积分分离的目的，若
值过小，则一旦被控量y（t）无法跳出积分分离区，只进性PD控制，将会出现残差。
1.3控制参数和被控参数及控制仪表及技术参数的选择
1.3.1由测量仪器和传感器的选型原则
（1）可靠性原则；
（2）实用性原则；
（3）先进性原则。
1.3.2检测﹑变送装置
在此温度控制系统中，使用的测温元件是K型热电偶，并且使用K型补偿导线来进行温度补偿。
在此系统中采用温度变送器，采用的是DDZ-Ш型温度变送器。
热电偶是温度测量中应用最普遍的测温器件，它的特点是测温范围宽，性能稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要。
结构简单，动态响应好；输出为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。
热电偶的测温原理基于热电效应。
将两种不同的导体或半导体连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，这种现象即是热电效应。
热电偶的要求：
（1）在测温范围内热电偶性能稳定，不随时间和被控对象而变化；
（2）在测量范围内物理化学性能稳定，不易氧化和腐蚀，耐辐射；
（3）所组成的热电偶要有足够的灵敏度，热电偶随温度的变化率要足够大；
（4）热电特性接近单值线性或近似线性；
（5）电导率高，电阻温度系数少；
（6）机械特性好，机械强度高，材质均匀；工艺性好，易加工，复制性好，制造工艺简单，价格便宜。
目前市面上流行的主要8种常用热电偶以及测高温的钨铼热电偶（0~2300℃），综合考虑上述热电偶，只有K型热电偶比较适合大规模的工业现场应用。
K型热电偶是由镍铬-镍硅双金属组成的，其中镍铬为正极，镍硅为负极。
K型热电偶的测温范围为-270~1300℃之间，适用于氧气气氛中，稳定性属于中等程度。
表1K型热电偶分度表
变送器:
把被测信号检测出来,并转换成标准电信号进行输出的仪器。
标准信号:
指物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号,如4-20mADC,1-5VDC,空气压力0.02-0.1MPa。
DDZ-Ⅲ型温度变送器的种类包括热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏温度变送器。
DDZ-Ⅲ型温度变送器的基本误差为0.5%,输出信号:
4-20mA及1-5VDC。
图2热电偶温度变送器的工作原理图
1.3.3执行机构
在此控制系统中，由于在现场的煤气锅炉环境下，高温、高压，易燃易爆，电动执行器难以满足生产要求，所以选用气动执行器。
在此温度调节系统中，温度过高时，会烧坏过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，造成生产停顿，还会引起高温锅炉爆炸等严重的后果，所以调节阀应选择气闭形式；但温度过低时就会降低生产的工作热效率并影响汽轮机的安全经济运行，所以调节阀应选择气开形式。
在此情况下，出现了矛盾的情况，在此情况下要分清主要矛盾和次要矛盾，权衡利弊，主要矛盾是温度过高出现的严重后果，所以调节阀选用气闭形式。
调节阀的尺寸主要指调节阀的开度和口径，它们的选择对系统的正常运行影响很大。
若调节阀口径过小，当系统受到较大扰动时，调节阀即使运行在全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运行中阀门会经常处于小开度状态，容易造成流体对阀芯和阀座的频繁冲蚀，甚至使调节阀失灵。
因此，调节阀的口径和开度选择应该给予充分重视。
在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%~85%之间，具体应根据实际需求的流通能力的大小进行选择。
调节阀的流量特性应满足调节对象的动态特性的要求。
若调节对象特性是线性的，可采用直线型工作特性的调节阀。
对于放大系数随负荷增大而变小的调节对象，则选用的调节阀的调节特性是放大系数随负荷增大而增大，可采用等百分比特性的调节阀。
这样，调节对象特性和调节阀特性互相补偿，使总的特性近似直线特性。
所以，在此系统中应采用对数特性的调节阀。
1.3.4控制器
在仪表过程控制系统中，使用智能调节仪表作为控制器。
采用上海万讯仪表有限公司的AI-808型仪表，采用AI人工智能调节方式，内含PID调节算法。
其可以在误差较大时运用模糊算法进行调节，以消除PID积分饱和现象；当误差趋小时，采用改进后的PID算法调节，调节优化效果。
选用的AI-808P型仪表技术指标如下：
热电偶输入：
K﹑S﹑R﹑E﹑J等
响应时间：
≤0.5s
热电阻输入：
Cu50﹑Pt100
调节方式：
位式调节方式/AI人工智能调节
线性电压输入：
0～5V
输出规格：
4～20mA
线性电流输入：
420mA
报警功能：
上限﹑下限﹑正负偏差
测量范围：
-1999～9999
电源：
100～240VAC/50Hz
测量精度：
0.2级
环境温度：
0～50。
C
表2智能仪表技术指标
第二章控制系统方框图及控制流程图
2.1控制系统方框图
图3锅炉出口水温计算机控制系统方框图
2.2控制流程图
图4数字式PID增量式控制算法程序框图
第三章仿真模型，仿真程序和仿真结果
3.1被控参数整定
假定被控对象为二阶惯性环节，其传递函数为：
（式10）
测量装置的特性为：
（式11）
调节阀的特性为：
（式12）
广义对象的传递函数为
Gp（s）=Gv（s）G（s）Gm（s）
（式13）
需用matlab求出Gp（S）的单位阶跃响应，仿真程序如下：
num1=[1]
den1=[10018097181]
sys1=tf（num1,den1）
step（sys1）
其阶跃响应曲线如图
图5广义对象的传递函数阶跃响应曲线
将其等效为一阶惯性纯滞后
（式14）
运用两点法，为了方便计算，可取
；
（式15）
从上图可以得到两点（12.9，0.39），（19，0.63）带入下边公式。
（式16）
可得：
T=12.2；
=6.8
（式17）
则该一阶惯性纯滞后为
（式18）
通过观察对比广义对象阶跃响应曲线和近似的带纯延迟的一阶环节的阶跃响应曲线，可以验证等效的合理性。
程序：
num=[1]
den=[10018097181]
f0=tf（num,den）
k=1,T=12.2,t=6.8;
f1=tf（k,[T1]）;
[m,n]=pade（t,2）;f2=tf（m,n）;
f=f1*f2;
figure
（2）,holdon;
step（f0）;
step（f）;
grid;
对比图如下
图6其中蓝色为广义对象阶跃响应曲线，绿色为近似的带纯延迟的一阶环节的阶跃响应曲线
3.2控制参数整定
运用动态特性参数法整定（比例积分微分调节器）：
①科恩（Cohen）-库恩（Coon）整定公式
（式19）
把K=1，T=12.2,
=6.8带入，得：
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