工业锅炉汽包水位三冲量控制系统.docx

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工业锅炉汽包水位三冲量控制系统

一、设计要求

1、系统内各环节给定参数

（1）、锅炉

工作压力：

2Mpa；

蒸发量：

20T/h；

正常负荷：

10T/h；

最大负荷波动：

240㎏/min；

最大水位波动±30mm；

水位允许稳态偏差±10mm。

动态特性考虑为一阶，时间常数5s，

静态放大倍数8。

（2）、给水泵

形式：

多级离心泵

给水压力3Mpa；

排量25T/h；

恒速运转、由调节阀调节流量。

（3）、仪表

各环节为电动Ⅲ型仪表，输入、输出量程4～20mA，变送器输入量程自选（要求全部仪表输入工作点在50﹪左右，以保证其线性），若调节器选数字式则必须配相应的转换环节。

水位检测变送器可采用差压式；流量变送器可采用孔板或涡介式；调节阀为电动式（流量特性自选）。

各变送器、执行器均为放大环节，放大倍数由所选量程而定。

2、根据工业锅炉生产过程对水位的要求，设计相应的控制系统方案，选择合适量程的仪表，最终提供系统工艺流程图、结构方框图、系统方块图，根据给定参数及要求选定合适的调节规律，给出调节器参数（比例带δ，积分时间Ti，微分时间Td）的整定范围，最终得到一个10﹕1～4﹕1的衰减过程。

控制器可由微处理器组成，硬件自己搭建，若有可能在计算机上进行模拟仿真！

绘出相应的过程曲线。

二、控制系统设计

1.给水调节对象的动态特性

锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况却要复杂的多。

其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。

如果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化，汽包水位也会随之发生改变。

汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。

影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。

根据所给任务书中的要求，水位H与给水W之间的传递函数为一个一阶对象，时间常数为5s，静态放大倍数为8。

2.系统控制框图

单级三冲量控制系统如下图所示：

图表1

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，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。

综上所述，本系统应选用水位串级控制。

主回路用于直接控制水位，主调节器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。

副回路是流量系统，副调节器可以用比例或比例积分动作。

结合题意设计系统框图如下：

其中，Hr——水位设定值

W——给水量

H——水位值

Gc1（s）——主控制器

Gc2（s）——副控制器

Gp（s）——被控对象传递函数

Kd——蒸汽流量检测变送器放大倍数

Kw——给水流量检测变送器放大倍数

Kh——水位检测仪表放大倍数

3.仪表的选择及静态增益的计算

本系统共需要选择三个仪表以及一个电动调节阀。

（1）给水流量计的选择及KW的计算

根据所给离心泵的参数，给水压力3MPa，水流量为25T/h。

正常的蒸汽量为10T/h，因此在稳定的情况下，需要的给水量应等于蒸发量，即正常的给水量为10T/h。

选择输入量程所对应的给水流量为20T/h。

输出量程为4~20mA

KW=（20-4）/（20-0）=0.8mAh/T

（2）蒸汽流量计的选择及KD的计算

根据所给的蒸汽流量稳定值为10T/h，选择输入量程所对应的蒸汽流量为20T/h.输出量程为4~20mA。

KD=（20-4）/（20-0）=0.8mA/T

（3）调节阀的选择及Ku的计算

选择电动调节阀，输入量程为4~20mA，输出量程为0~25T/h。

Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA

（4）差压式水位测量仪表及KH的计算

根据题目所给的最大允许波动为±30mm，因此仪表输入选择为±60mm，输出为4~20mA。

KH=（20-4）/（60-（-60））=0.133mA/mm

4.PID控制器的参数整定

首先，对副环进行整定，由上面选择的调节器可以得到，副环是一个比例环节，因此在整定副环时，只要保证系统的稳定性就可以了。

其次，对主环进行整定，先将PI调节器的积分常数置成无穷大，然后给比例系数，若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例带。

通过不断调节是系统稳定，然后调节积分常数Ti，最终得到的是一个衰减比在4：

1~10：

1的衰减震荡过程。

各个调节器的参数如下：

副调节器：

K2=5

主调节器：

K1=8，Ti=0.38s，

=0.135，衰减比为10：

1

其衰减振荡的曲线如下：

5.锅炉汽包水位总体设计的仿真

串级三冲量控制系统SIMULINK仿真模型

得到的响应曲线如下图所示。

串级三冲量控制系统响应曲线

仿真结果分析：

串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上优越，响应曲线平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也很强。

6.硬件设计实现

控制过程为:

利用由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器把液位的状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机的I/O接口，单片机经过运算控制，输出地数字信号再通过DAC0832转化成为模拟信号。

6.1.1控制器的选择

选择51单片机作为系统控制器。

首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于水不断蒸发使水位下降，8051单片机发出控制信号，控制执行机构，使给水阀门开打，注水量增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时，8051单片机再次发出控制信号，使给水阀门变小，注水量降低，水位又恢复到规定范围。

51单片机与AD和DA的接口连接如下图所示：

6.1.2控制的程序框图

系统控制的程序流程图

6.2AD转换器

AD转换器选择ADC0809,ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，8路数字输出的A/D转换器。

AD转换器的电路设计：

AD转换结束后，EOC脚输出高电平，此时单片机接收EOC信号，读取AD转换的结果，将EOC脚经反相器与单片机的INT0脚相连。

AD转换结果由P0口读入，故将AD转换器的输出与单片机P0口相连，高低位依次相连。

经以上分析，设计AD转换器的接口电路如图所示

6.3DA转换器

DA转换器选择DAC0832,DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它能直接与51单片机相连。

DA转换器的电路设计：

选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直通状态，由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：

CS：

片选端，低电平有效，直接接低电平

ILE：

数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。

WR2：

DAC寄存器写选通控制端，低电平有效，由于其处于直通状态，故直接接低。

XFER：

数据传送控制，低电平有效，故直接接地。

WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。

其输入为上升沿时，将输入数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.2口相连，由程序控制。

经以上分析，设计DA转换器的接口电路如图所示

三、设计心得体会

通过这次过程控制课程设计，我们感触颇深，不仅对书上学习的知识进行了复习与巩固，而且还培养了我独立思考与解决问题的能力。

通过将近一周的努力，我终于在规定的时间内完成了任务。

是我更加深刻地理解了锅炉液位的三冲量控制，而且将我在众多专业课程上所学到的知识相结合，更进一步提高了我们综合运用知识的能力。

通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理论知识的重要性和应用范围的宽广，加深了对专业、对工程设计的理解。

让我更加明白了在生产实际中，不能对书面的知识生搬硬套，要具体问题具体分析，才能正确快速的解决问题。

另外，还让我懂得了在设计制造的道路上，需要不断地探索与创造，坚持不懈，持之以恒。

这次的设计经历让我受益匪浅。

四、参考文献

1、金以慧主编过程控制清华大学出版社，1993.4

2、张晋格主编控制系统CAD—基于MATLAB语言2009.6