工业锅炉实时液位过程控制系统.docx
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工业锅炉实时液位过程控制系统
工业锅炉实时液位过程控制系统
第I页
工业锅炉实时液位过程控制系统
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。
由于锅炉的水位调节过程难以
建立数学模型,具有非线性、不稳定性、时滞等特点。
传统的锅炉水位三冲量控制系统
大都采用PID控制。
本文研究了工业锅炉的计算机控制问题。
首先分析了工业锅炉的工
艺流程和特点、阐述了调节系统的任务,提出了整体控制方案。
在分析了汽包水位回路
的动态特性,特别是“虚假水位”产生的原因的基础上,设计了常规PID控制器实现锅炉汽包三冲量控制系统。
微分作用对高频干扰十分敏感,容易导致调节品质下降。
锅炉
本身具有一定的滞后,若不加微分作用,则控制作用的及时性无法发挥。
虽然工业锅炉
内扰严重,但适当的加一点微分作用对于锅炉水位的控制有一定好处。
本文对采用不完
全微分型PID的控制情况进行仿真研究,结果表明,控制效果较为理想。
关键词:
汽包水位;三冲量;PID控制
第II页
IndustrialBoiler-levelprocesscontrolsystem
ABSTRACTBoilerisanecessarypowerplantintheprocessofindustry.Inordertoensurethe
productionandsecurity,theauto-controlofitisveryimportant.Thedrumwaterlevelisan
importantvariabletobecontrolled,itishardtogetthemathematicmodelofthewaterlevel
withadjustiveprocess,itischaracteristicofnonlinearity,instabilityandtimelag.The
traditionalcontrolmodeofthree-variableinthedrumwaterlevelmostlyusePID.The
problemofautomaticcontrolinindustrycoal-firedboilerisdiscussedinthisthesis.Firstof
all,thetechnologicalprocessandcharacteristicsofindustryboilerisanalyzed.Thetaskof
boilerregulatorisexpounded.Andthenthesystemschemeofcontrolispresented.The
dynamiccharacteristicofloopsforwaterlevelisanalyzedespeciallythereasonofostensible
waterlevel.OnthebasisofthesearoutinePIDcontrollerisdesignedtocontrolthewater
level.Thepartofdifferentialissensitivetohighfrequencynoise,andeasilymakethequality
ofadjustdeclining.Boilerhasthecharacteristicoflag,the
controllerisnotrapidenoughif
thereisnotdifferentialitem.Althoughtindustrialboilershavemanyinner-noises,itisgoodto
waterlevelcontrolthatproperlyaddsalittleofdifferentialiteminboiler.Thispaperstudies
thesimulationofPIDcontrolwithincompletedifferentialtype,theresultofsimulationshow
thattheeffectisgood.
Keywords:
Drumwaterlevel;Three-variable;PIDcontroller
第III页
摘要.................................................................................................................................................IABSTRACT....................................................................................................................................II1绪论...........................................................................................................................................11.1课题设计的背景及目的.....................................................................................................1
1.1.1课题设计的背景.........................................................................................................1
1.1.2课题设计开发的目的.................................................................................................21.2国内外研究现状及成果.....................................................................................................3
1.2.1国内外研究现状.........................................................................................................3
1.2.2国内外研究成果.........................................................................................................41.3研究方法及内容.................................................................................................................41.4本章小结..............................................................................................................................52工业锅炉概述..............................................................................................................................6
2.1锅炉控制系统的一般结构与工作原理.........................................................................6
2.1.1控制方案及控制要求..................................................................................................62.2锅炉给水控制回路..............................................................................................................8
2.2.1锅炉汽包水位的特性..................................................................................................8
2.2.2汽包水位控制方式....................................................................................................11
2.2.3汽包给水控制系统的比较.......................................................................................153实时控制系统的设计...............................................................................................................183.1控制算法............................................................................................................................18
3.1.1PID控制算式...........................................................................................................183.2PID参数的整定...............................................................................................................23
3.2.1凑试法确定PID调节参数......................................................................................23
3.2.2实验经验法确定PID调节参数..............................................................................243.3锅炉汽包水位PID控制器...............................................................................................25致谢....................................................................................................27参考文献.......................................................................................................................................27
第1页
1绪论
1.1课题设计的背景及目的1.1.1课题设计的背景
在钢铁、机械、石油化工、工业炉窑等工业生产中,温度和液位是极为普遍又极为
重要的被控参数,液位控制一般指对某一液位进行控制调节,使其达到所要求的控制精
度。
如在玻璃制品生产过程中,保证熔化状态下的液位稳定具有重要的意义。
而温度控
制一般指对某一特定设备或设备中的物料的温度进行控制调节,使其达到并满足工艺过
程的要求。
锅炉是人类供热,取暖的主要来源,它的出现迄今已有两百余年的历史,期间,从
低级到高级,从简单到复杂,随着生产力的发展和对锅炉容量,参数要求的不断提高,
锅炉形势和锅炉技术得到不断迅速发展。
蒸汽机的发明,18世纪末期,出现了公用的圆
筒型蒸汽机。
由于当时生产力的迅猛发展,蒸汽机在工业上的用途日益广泛,不久就对
锅炉提出了扩大容量和提高阐述的要求。
于是在圆筒型锅炉的基础上,从增加受热面积
入手,对锅炉惊醒了一系列的研究和技术改造,从而使锅炉得到迅速的发展。
在现代化的建设中,能源的需气使非常大的,然而我国的能延龄用率极低,所以提
高锅炉的热效率,有这极为重要的实际意义。
此外,是锅炉能以地制宜地有效地燃用地
方燃料,并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题,以提高操作管理水平,减
轻劳动强度,保证锅炉额定运行及运行效率,安全可靠地供热等课题。
许多工业锅炉仍靠人工加常规仪表进行操作和监控,工人劳动强度大,生产条件差,
很难保证安全生产,而且运行热效率低,耗煤量大。
随着计算机控制技术的日益成熟,
工业锅炉的计算机自动控制系统也得到不断发展和完善。
锅炉生产采用自动控制,不仅
可以大大减轻操作人员的劳动强度,改善工作环境和条件,而且可以在更大程度上提高
锅炉燃烧效率,达到节能降耗的目的。
对工业生产过程的自动化水平的要求越来越高,也要求其监控系统逐步完善。
开发
监控软件平台的目的是为了使操作人员不用具备较高的特殊专业知识技能就能够快速
而全面地掌握系统运行状况,并能够对系统运行过程中出现的故障进行相应的操作。
利
用一些有效的算法,可以实时动态地显示实时过程控制系统中工艺设备的工作状态,改
善监控系统的人机界面,提高监控效率。
目前,中小型工业企业大部分都采用工业控制机(工业PC)对锅炉进行现场监控,应
第2页
用比较成功的过程控制系统是各种类型的组态软件,其中如组态王软件。
组态软件是指
一类关于数据采集和过程控制的专业软件,它是自动化控制系统监控层一级的软件平台
和开发环境。
然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题:
一是工控软件缺乏通用性,许多工控公司只提供特定设备的驱动程序,一旦设备更新或变动,系统就必须重新设计;
二是国外工控软件价格昂贵,使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受,以至
于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件。
1.1.2课题设计开发的目的
从高等教育培养应用型人才的教育目标出发,要求培养具有一定的理论知识,同时
具有一定实践能力的应用型人才。
因此需要培养学生将所学理论知识用于实际的能力。
通过实验室条件下提供一定的实验,让学生在模拟仿真实验系统或类似真实的模型实验
系统上进行必要的实践,促进其理论联系实际能力的成长,加深对所学理论的认识和理
解,缩短理论和实践之间距离,为今后的实际科研、设计和开发工作打下一个良好的基
础,以适应当今社会对应用型人才的需要。
科学技术的发展,尤其是计算机技术的发展及其在控制领域的发展,使得现代控制
理论、大系统理论、智能控制理论、模糊控制、精神网络控制等控制理论的应用成为可
能。
针对控制理论的这种发展,有必要开发和建立一个实验平台为这些理论在实际中应
用提供一个类似真实系统的实验环境。
过程控制是工业自动化专业的一门专业课,讲述流程型工业的控制问题,它是在学
生己学习基本控制理论的基础上开设的,目的是让学生将已学到的理论知识和工程应用
结合起来,使学生能够将理论联系实际。
然而现实的高校实验教学环节很难让学生进入
工厂实际生产现场。
基于上述的分析,有必要设计开发这样一个能提供过程控制课程实验、进行各种控
制理论方法与系统模型设计、试验的实验系统,以指导学生理论联系实际,在实验中加
深对自动控制理论、计算机控制理论和方法的理解和掌握。
通过实验进一步理解和掌握
过程控制理论的基本概念,控制系统的分析和设计方法:
系统数学模型的建立,了解和掌握计算机在控制系统中的作用和工作原理。
综合以上种种优点可以预见这个课题有现实意义且市场前景良好。
第3页1.2国内外研究现状及成果
1.2.1国内外研究现状
过程控制的发展是与控制理论、仪表、计算机、计算机通讯与网络以及有关学科的
发展紧密有关的。
过程控制发展大致经历了70年代以前的简单控制系统、70年代至80年代的先进控制系统和90年代以来的综合自动化,这样3个发展阶段。
在70年代至80年代,由于计算机技术的大力发展,分布式工业控制计算机系统的出现与成熟,为在生
产过程中实施先进控制创造了技术基础。
70年代末以Richalet等人提出的模型预测启发式控制、动态矩阵控制、然后进一步发展的多变量预测控制系统的应用,使得过程控
制达到了一个新水平。
这一时期的控制理论在深度和广度上有了许多进展,象鲁棒控制、
非线性控制、预测控制在理论上都有重大突破。
80年代后期,过程控制中出现了多学科
的渗透与交叉,人工智能与智能控制受到人们的普遍关注。
90年代以来,过程控制正以前所未有的速度和规模迅速发展,过程控制发展的主要
特点有:
(1)生产装置实施先进控制成为发展的主流。
以多变量预测控制为代表的先进控制策
略提出并且成功应用以后,先进过程控制受到了过程工业界的普遍关注。
先进控制策略
主要有多变量预测控制、自适应控制、推理控制、专家控制、模糊推理和神经元网络等。
(2)过程优化受到普遍关注。
在连续过程工业中,往往上游装置的部分产品是下游装
置的原料,整个生产过程存在着装置间的物流分配和能量平衡等一系列的问题。
借助优
化可使得整个生产过程获得很大的经济效益和社会效益。
(3)传统的DCS正在走向国际统一标准的开放式系统。
(4)综合自动化系统是发展方向。
过程工业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。
进入90年代,集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策
等功能于一体的综合自动化成了当前过程控制发展的趋势。
综合自动化就是在计算机通
讯网络和分布式数据库支持下,实现信息与功能的集成,进而充分调动以人为主要因素
的经营系统、技术系统及组织系统的集成,最终形成一个能适应生产环境不确定性和市
场需求多变性的全局优化的高质量、高效益、高柔性的智能生产系统。
目前,国内外较大型的锅炉设备,其自动控制系统主要有:
自动燃烧控制(ACC)、给水控制(FWC)、过热蒸汽温度控制(STC)、再热蒸汽温度控制(RTC)、炉内压力控制(BSC)等。
随着微计算机技术的发展,它的应用已经越来越广泛的涉及到生产生活的各个
第4页
领域。
在工业生产过程中,工业锅炉自动化和节能方面应用微计算机技术,是一项具有
明显经济效益和技术效益的工作。
一些发达国家在新型测控装置与系统研究、制造、应用上,已积累了经验,奠定了
基础,进入了国际市场。
我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,有一
定的基础,与其他发达国家相比还存在距离,但是,我国的科研人员能够克服很多困难,
有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。
1.2.2国内外研究成果
当今我国高等教育事业不断扩大发展,极大地促进了高教产业的发展,而与其密切
相关的教学仪器产业也随之迅速发展。
计算机在各学科领域的发展与应用极大地推动了
教学仪器产品的发展与改进,成为评价教学仪器产品的重要指标特征。
许多的科教公司
和教学仪器生产厂家纷纷开发了相应的过程控制类的实验教学设备。
如杭州华控科技有
限公司生产的YC-GK-1型、基于Web的过程控制实验系统是过程控制技术与计算机网络
通信技术相结合的一种远程控制系统;QXLPC-III过程控制实验装置是上海齐鑫科教实业公司是一套由被控过程,过程检测与变送,过程控制以及执行机构四部分内容组成的,
并以温度、液位、压力、流量为其主要受控变量或操纵变量的教学、科研实验设备。
浙
江大学求是公司开发了PCT-IlII型过程控制实验装置;浙江天煌科技实业有限公司开发的天煌TFIJ-2型高级过程控制系统实验装置。
在国外,许多著名大学和公司也开发和研
制了不同对象的过程控制实验系统。
三容水箱是德国Amria公司的著名智慧型实验设备,国外很多学校和实验室都有广泛的应用,国内清华大学、浙江大学、吉林大学等高校也
引进了三容水箱过程控制实验装置。
然而这些实验系统仅仅着眼于本科过程控制教学的
需求,加上商业竞争因素,许多内部的资源和重要信息用户无法获知,这使得这些实验
系统的应用范围不够广泛。
因此许多高校为了满足自身高层次的需求,自己研制和开发
了不少过程控制的实验系统。
其中有东北大学信息科学与工程学院三水箱过程控制实验
系统,陕西工学院多液位过程控制综合实验系统,昆明理工大学则对原有的模拟过程控
制实验系统进行了计算机改造,也取得了很好的教学效果。
厦门大学化工系仿真实验室
则建立了以实验系统为对象的过程控制仿真系统。
上海交通大学、上海大学、上海理工
大学,浙江大学等都研制出了自己过程控制实验系统,此处不一一列举。
1.3研究方法及内容
当今,过程控制已成为工业领域中非常普遍和重要的生产模式。
过程控制是指对连续
第5页性工业生产过程四个物理量(液位、流量、压力、温度)进行自动调节控制。
其中PID控制作为一种经典的控制理论,在控制领域占有十分重要的地位。
本文在TDGK-1过程控制综合实验台的基础上利用工控组态软件MCGS研究开发了一套液位控制软件,包括普通PID控制、抗积分饱和控制、不完全微分控制和增量式算法控制四个控制原理不同的试
验。
试验以化工生产中常见的液位为被控变量,以水为循环介质,构成液位控制系统。
该
系统可以形象地展示控制过程的全貌,学生可以自己动手进行调试,有助于培养学生的独创精神和动手能力。
容器液位控制系统的开发与设计是为了适应过程装备与控制专业的
教学实验改革,使教学水平不断提高。
工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡,维
持汽包水位在工艺允许的范围内,是保证锅炉安全生产运行的必要条件,也是锅炉正常
生产运行的主要指标之一。
若水位过高,影响汽水分离的效果,使用气设备发生故障;而水位过低则会破坏汽水循环,严重时导致锅炉爆炸,所以锅炉汽包水位必须严加控制。
为了确保锅炉生产的
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