锅炉水温的系统控制设计.docx
《锅炉水温的系统控制设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉水温的系统控制设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
锅炉水温的系统控制设计
过程控制系统课程设计报告书
锅炉水温的系统控制设计
学院：
自动化
班级：
10级自动化3班
指导老师：
李军
组员：
代明香
罗欢
朱铭峰
重庆大学自动化学院
2013年10月
任务分配
过程控制系统课程设计——锅炉水温的系统控制设计
专业班级
姓名
学号
任务分配
自动化3班
代明香
20105005
传统PID控制器设计
前馈控制器设计
论文撰写
自动化3班
罗欢
20105066
串级控制设计
三种控制方式仿真
论文撰写
自动化3班
朱铭峰
20105003
系统建模与设计
查阅资料
论文撰写
1摘要
本文通过将实际锅炉模型化，并根据实际中常见的控制问题，不断优化锅炉温度控制中的控制方法。
首先采用最简单的单回路PID控制方法在温度调节中的应用。
通过经验模型及参数整定，得到系统响应曲线。
然后通过发现单回路PID控制方式的不足，讨论了集中较为常见的过程控制方法（串级控制和前馈补偿控制）。
同样通过参数整定及系统响应曲线得到满足系统稳定及相关性能要求的控制器。
2序言
热水锅炉是利用燃料燃烧释放的热能或其它的热能对水进行加热，水在锅炉本体内不发生相变，即不产生蒸汽，回水被送入锅炉后通过受热面吸收了烟气的热量，未达到饱和温度便被输入热网中的一种热力设备。
热水锅炉可为为宾馆、学校、家庭、企事业单位提供热水的设备。
热水锅炉包含常压热水锅炉和承压热水锅炉两种，我们通常所说的“热水锅炉”指的是常压热水锅炉。
由于其运行安全，人们洗浴或采暖大都采用了这种常压热水锅炉。
由于工业锅炉结构形式很多，且参数各不相同，用途不一，故到目前为止，我国还没有一个统一的分类规则。
出于经济因素的考虑，大多数高校及企事业单位都采用锅炉供水。
由于PID控制是最早发展起来的控制方法之一，具有算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点，在工业生产过程中得到广泛的使用。
但由于锅炉控制系统对温度的控制是通过改变流量实现的，具有非线性、大惯性、大时滞等特点，难以建立精确的数学模型，故采用常规PID控制不能达到理想的控制效果。
现阶段，各种基于PID的改进算法被应用于锅炉水温控制中，如彭昕昀[1]等提出的一种通过改进常规PID控制器的结构和参数整定方法的单回路锅炉动态水温控制系统，还有何忠蛟[2]等提出的将模糊理论和PID控制算法相结合的应用于锅炉水温的模糊PID控制算法。
本文提出一种基于PID的串级控制方法，采用多回路改善系统动态性能。
同时，通过前馈补偿和比例法分别对系统过程流的干扰和空气/燃料比值进行控制。
3锅炉温控系统概述
实际模型
图1.烧水锅炉温度控制模型图
将一般实际应用中的锅炉简化为图1所示中的模型。
锅炉整体的结构[3]包括锅炉本体和辅助设备两大部分。
锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。
锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。
炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。
炉膛的横截面一般为正方形或矩形。
燃料在炉膛内燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。
在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。
锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。
锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。
锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。
锅炉是一种利用燃料燃烧后释放的热能或工业生产中的余热传递给容器内的水，使水达到所需要的温度（热水）或一定压力蒸汽的热力设备。
它是由“锅”（即锅炉本体水压部分）、“炉”（即燃烧设备部分）、附件仪表及附属设备构成的一个完整体。
锅炉在“锅”与“炉”两部分同时进行，水进入锅炉以后，在汽水系统中锅炉受热面将吸收的热量传递给水，使水加热成一定温度和压力的热水或生成蒸汽，被引出应用。
在燃烧设备部分，燃料燃烧不断放出热量，燃烧产生的高温烟气通过热的传播，将热量传递给锅炉受热面，而本身温度逐渐降低，最后由烟囱排出。
“锅”与“炉”一个吸热，一个放热，是密切联系的一个整体设备。
锅炉在运行中由于水的循环流动，不断地将受热面吸收的热量全部带走，不仅使水升温或汽化成蒸汽，而且使受热面得到良好的冷却，从而保证了锅炉受热面在高温条件下安全的工作。
4控制方法设计
4.1PID控制
单回路控制系统又称简单控制系统，它由被控对象、传感器、变送器、控制器和执行器组成一个闭合回路，也称反馈控制系统。
其结构图如图2所示。
单回路控制系统是最简单基本的一种控制系统，它适用于被控对象滞后时间比较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不很高的场合。
经验控制即根据以往总结出的一般控制经验，根据不同的需求，选择不同的参数计算方法，达到控制的目的。
一般的方法有Cohen-Coon、Ziegler-Nichols、ITAE、Ciancone-Marlin等多种控制方法，在此，我将选用C-C的典型的控制方法进行计算、控制。
4.1.1数学模型
实际情况下受控对象具有高度非线性，我们将其简化，把受控对象视为一阶的情况。
参照上图：
，
，
，外部干扰
。
对于控制器，通常情况下采用PI控制即可，但是在某些较复杂的带大滞后环节的系统，则可考虑PID控制，此处考虑到本系统的时滞性，最终采用PID控制。
PID控制的一般方程式选为：
。
根据实际对象特性，查找资料得到以下数据：
，
，得到：
；对于传感器，有
，
，得到
，
，
，进而得到：
；用pade近似公式将
进行线性化有：
。
从而得到：
4.1.2参数整定
根据以上分析，针对PID控制器，本次设计中选择采用Cohen-Coon方法整定PID参数，参见表1。
选择参数如下：
，
，求得
。
controller
Cohen-Coon
PID
表1.参数整定表
4.1.3仿真与分析
我们采用在MATLAB的simulink工具箱下，建立仿真图并观察结果：
C-C整定法：
Simulink仿真图：
图3.单回路PID控制法simulink模型（C-C法）图
观察其仿真结果：
图4.单回路PID控制法simulink模型仿真（C-C法）图
通过观察图4波形可知，采用C-C法参数整定的单回路PID控制的效果，振荡较大，且响应时间太长，对锅炉系统来说不稳定，因此需要改进控制器。
4.2串级控制
串级控制系统在结构上形成了两个闭环，一个闭环在里面，被称为副回路；一个闭环在外面，被称为主回路，以最终保证被调量满足工艺要求[3]。
这种由两个调节器串接在一起控制一个调节阀的系统叫做串级控制系统。
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。
由于副调节器能够快速及时地消除内回路扰动的影响，同时副回路的作用又相当于改善了调节对象的动态特性，所以尽管串级控制系统只比简单控制系统增加了一个测量变送元件和一个调节器，但是控制效果却有显著的提高，具有较好的控制性能能够改善对象的动态特性，提高系统的工作频率，对负荷或操作条件的变化也有一定的自适应能力。
图5即为加入串级控制后的锅炉简化模型。
图5.烧水锅炉温度串级控制模型图
4.2.1控制器分析与设计
1.主、副回路的设计
因为在串级控制系统中，副回路的作用把扰动减小到最小，降低扰动对主回路的影响，从而提高控制质量。
故，应把系统中变化最剧烈、幅值最大最频繁的扰动包含在副回路中。
结构图如图6。
此处，最主要的扰动即为上升流压力扰动。
2.主、副控制器的设计
对主控制器，通常情况下采用PI控制即可，但是在某些较复杂的带大滞后环节的系统，则可考虑PID控制。
考虑到本系统的时滞性，最终采用PID控制。
对副控制器，一般情况下采用比例控制即可，若引入积分控制可能反而会降低副回路的响应快速性。
有时，不必要的副控制积分作用会使副回路的谐振峰值加大、谐振频率降低，从而加大了主副回路之间共振的可能。
+
--
图6.串级控制结构框图
由
，其中
，
通过计算可得
，
。
4.2.2仿真与分析
Simulink仿真模型图如图7：
图7.串级控制simulink模型图
观察其仿真结果：
图8.串级控制simulink模型仿真图
通过观察可知，在串级控制的情况下，系统的响应得到明显的改善，虽然仍有振荡，但是响应时间缩短，且最后趋于稳定，在干扰的情况下，能够稳定，说明串级控制具有一定的抗干扰能力。
但是在响应的快速性方面，仍然较慢，且振荡过大。
因此，仍然需要继续改进控制器。
4.3前馈控制
基于不变性原理组成的自动控制系统称为前馈控制系统，它实现了系统对全部扰动或部分扰动的不变性，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统。
扰动LP对于被调量C的影响为零，这就是“不变性”原理。
前馈控制系统中的被调量没有像反馈控制那样用来进行控制，只是将负荷扰动测出送入前馈调节器。
前馈控制和反馈控制之间存在着一个根本的差别，即前馈控制是开环控制，它的控制效果将不通过反馈加以检验，而反馈控制是闭环控制，它的控制效果通过反馈加以检验。
前馈控制简化模型如图9，控制框图如图10。
图9.烧水锅炉温度前馈控制模型图
++
-
图10.前馈补偿控制框图
4.3.1控制器的设计
其扰动的传递函数为：
。
传感器传递函数：
。
前馈控制函数：
。
其中，动态补偿器：
，
，
前馈系数：
。
求得
4.3.2仿真与分析
Simulink仿真图：
图11.前馈补偿控制simulink模型图
观察仿真结果：
图12.前馈补偿控制simulink模型仿真图
通过观察仿真结果可知，当加上前馈环节后，系统的抗干扰性显著提高，能够较快的响应并且快速达到稳定。
故前馈系统设计成功。
5总结
通过这次课程设计我们深刻体会到传统的PID控制器的优劣，传统PID虽然简单易操作，但是控制效果却不理想，加入串级控制后，系统性能大大提升。
为了使系统更加完善，我们考虑了前馈控制，经一系列仿真发现前馈控制的效果优于串级控制，能够达到我们的预期品质。
但是真正的锅炉系统并不是一个单输入单输出系统，所以在以后的学习中，我们会更加注重学习多输入多输出复杂系统的学习和研究，争取能够达到完美的控制效果，尽快将我们所学的理论知识转换为实际应用。
6心得体会
6.1罗欢
这次我们课程设计的题目是关于锅炉温度控制系统的设计，一个假期之后进行课程设计，真正的考查了我们对所学知识的掌握程度。
在课设的过程中我们遇到了很多困难，但是通过我们查找资料，相互讨论之后最终还是解决了问题，这让我们对于过程控制的知识点有了更进一步的了解与掌握。
这次课程设计，让我们进一步认识了合作的重要性，也让我们重新认识到了自己所存在的不足之处，指明了以后改进的地方。
无论是在意识上还是能力上都给我们好好的上了一课，促进了我们自身水平的提升，为今后的学习生活积累了经验。
6.2代明香
本次课程设计虽然时间并不长，但我还是通过这次的过程控制设计，对课本知识的运用掌握的更加熟练了。
最初拿到题目后完全不知道怎么下手，在经过了和组员的讨论并参考网上资料后，才渐渐清晰了将锅炉水温控制加入PID控制器，并通过串级控制器和前馈控制器改善系统的功能。
对于参数的整定虽只采用了Cohen-Coon法，但通过对C-C法的运用，相信今后如要采用其他整定法也是不会存在问题的。
在设计的过程中，不断发现自己的错误，通过团队合作力，不断完善系统功能，很大程度上锻炼了我们的各方面能力，相信对我今后的工作生活都会有积极的影响的。
6.3朱铭峰
经过一周多小组成员的共同努力，这次课程设计任务总算做完了。
那天早上老师在台上给我们讲的时候觉得蛮简单的，而且又适逢中秋国庆两节，都没在在意。
等到9号的时候才想起这个事情，但是分组他们都分好了，最后剩下我们3个考研的分在了一个组。
在这个过程中，我们参考了许多资料，或多或少的复习了大三上期学到的过程控制的很多知识，系统模型搭建，稳定性判定，PID控制器的设计，以及MATLAB应用等，这些都是我们在今后的学习工作中很重要的知识。
这是除毕业设计以外我们本科阶段做过的最后一个课程设计了，不说我们做得最好，但我敢说这是我们在有限的时间做的最佳的了。
我们得到了许多同学的帮助，表示感谢。
7参考文献
[1]彭昕昀.一种基于PID控制的锅炉动态水温单回路控制系统.制造自动化.2010,01.32
（1）.87-91
[2]何忠蛟.锅炉水温的PID控制算法研究.锅炉制造.2005,08.3.6-8
[3]熊印国.过程控制实验装置控制方式选择.科技信息.2008.36.118
[4]PaoC.Chau.ProcessControl:
AFirstCoursewithMATLAB.CambridgeUniversityPress.2002.198-208
[5]刘文定,王东林.过程控制系统的MATLAB方针.机械工业出版社.2009,2.207-235
[6]郭阳宽,王正林.过程控制工程及方针.电子工业出版社.2009,4.137-165
[7]曾志伟.盘管出水口水温与热水流量的串级控制实验系统设计.计算技术与自动化.2008,09.27（3）.95-98
[8]周新辉.优化前馈－反馈氨合成塔触媒温度控制.技术纵横.2009,10.80-85
[9]段敏，向丽娟.锅炉水温的PID控制设计.2011
8附录
附录1.传递函数列表
控制对象传递函数
，
外环变送传感器传递函数
，
执行单元传递函数
，
外环干扰传递函数
内环干扰传递函数
过程流干扰的变送传感传递函数
。
过程流干扰的前馈传感器传递函数
附录2.图表列表
图表序号
图表名称
图1
烧水锅炉温度控制模型图
图2
PID控制系统结构图
图3
单回路PID控制法simulink模型（C-C法）
图4
单回路PID控制法simulink模型仿真（C-C法）
图5
烧水锅炉温度串级控制系统模型图
图6
串级控制结构框图
图7
串级控制simulink模型图
图8
串级控制simulink模型仿真图
图9
烧水锅炉温度前馈控制系统模型图
图10
前馈补偿控制框图
图11
前馈补偿控制simulink模型图
图12
前馈补偿控制simulink模型仿真图
表1
参数整定表
升级会员 