锅炉出口水温计算机控制系统.doc

华北水利水电大学 North China University of Water Resources and Electric Power 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 完毕时间 2023年7月 目录摘要.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锋利，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，我国目前运营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毕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，不仅节省能源并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PIDBoiler outlet water temperature computer control systemAbstractwith the development of our country economy, resources and the environment has become increasingly acute contradictions is the modernization of our country is facing severe challenges. As the temperature control system is an important energy conversion device of the boiler energy consumption is huge, accounts for about one third of the coal production in our country. However, in our country a lot of boiler control system automation level is not high, low safety, efficiency and environmental pollution generally lower than the national standard, thus realizing the boiler computer automatic control has important significance. The boiler water temperature at the outlet of the computer control system is the advanced control algorithm for temperature control in the process of the control system, the realization of the water temperature at the outlet of the boiler The rapid and accurate control not only save energy but also improve the safety of the boiler.Key words: boiler outlet water temperature MATLAB digital integral separation PID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。它己经有二百数年的历史了，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5060年代发展最快，70年代达成高峰。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，重要用于发电厂；工业锅炉，重要用于直接供应工农业生产或驱动机械能源；生产锅炉，重要用于为居民提供热水和供居民取暖。应当说锅炉控制问题随着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。随着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重要角色。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也许，这样，先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制己经有了也许性。目前，国外锅炉的控制技术已日趋成熟，特别在计算机控制和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尚有一定的差距。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长的趋势。假如锅炉的控制设备简陋，控制技术落后，效率低，就会导致了燃料的大量浪费，并且严重污染空气，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，精确度规定也没工业规定高，但热水锅炉的应用也十分广泛，假如要人工控制就不仅需要很大的工作量，并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，并且准确，既经济又实惠。温度检测系统在现代工业设计、工程建设及平常生活中的应用越来越广泛，初期的温度检测重要应用于工厂中，在人们的平常生活中，温度检测系统的应用和作用也体现到了各个方面。PID控制技术可以很好的解决这个问题。1.2控制原理介绍1.2.1 PID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。现在有运用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)，尚有可实现PID控制的计算机系统等。 y(t)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，它以其结构简朴、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的重要技术之一。图1 PID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） 函数形式表达： （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朴的控制方式。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提成正比关系。对一个自动控制系统，假如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，随着时间的增长，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长而加大，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减少系统的稳定限度，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也许会出现振荡甚至失稳。其因素是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有克制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使克制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，克制误差的作用就应当是零。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，而目前需要增长的是“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，就可以提前使克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拟定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。1.2.2 PID控制器参数整定的方法一是理论计算整定法。它重要是依据系统的数学模型，通过理论计算拟定控制器参数。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，它重要依赖工程经验，直接在控制系统实验中进行控制器参数整定，且方法简朴、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，重要有临界比例法、反映曲线法和衰减曲线法。三种方法都是通过实验，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，都需要在实际运营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，比例度置于较大数值，把系统投入闭环运营，将调节器的比例度由大到小逐渐减小，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衰减比例度和衰减周期。 反映曲线法：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，通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，使其满足设计规定。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规定，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，进行特殊解决。1.2.4积分分离PID控制算法实际运营的经验和理论的分析都表白，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，但是用计算机实现PID控制，不是简朴的把模拟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规定。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；相应的模拟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解决，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）值得拟定应根据实际系统及具体对象及控制规定，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-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，可以满足工业过程温度测量的需要。结构简朴，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。热电偶的规定：（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，制造工艺简朴，价格便宜。 目前市面上流行的重要8种常用热电偶以及测高温的钨铼热电偶（02300），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-2701300之间，合用于氧气气氛中，稳定性属于中档限度。表1 K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-型温度变送器的种类涉及热电偶温度变送器、热电阻温度变送器和直流毫伏温度变送器。DDZ-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规定，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，导致生产停顿，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；但温度过低时就会减少生产的工作热效率并影响汽轮机的安全经济运营，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，在此情况下要分清重要矛盾和次要矛盾，权衡利弊，重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。调节阀的尺寸重要指调节阀的开度和口径，它们的选择对系统的正常运营影响很大。若调节阀口径过小，当系统受到较大扰动时，调节阀即使运营在全开状态，也会使系统出现暂时失控现象；若口径选择过大，则在运营中阀门会经常处在小开度状态，容易导致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当给予充足重视。在正常工况下一般规定调节阀开度应处在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规定。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，可采用等比例特性的调节阀。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，采用改善后的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：KSREJ等响应时间：0.5s热电阻输入：Cu50Pt100调节方式：位式调节方式/AI人工智能调节线性电压输入：05V输出规格：420mA线性电流输入：420mA报警功能：上限下限正负偏差测量范围：-19999999电源：100240VAC/50Hz测量精度：0.2级环境温度：050。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=1den1=100 180 97 18 1sys1=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）通过观测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=1den=100 180 97 18 1f0=tf(num,den)k=1,T=12.2,t=6.8;f1=tf(k,T 1);m,n=pade(t,2);f2=tf(m,n);f=f1*f2;figure(2),hold on;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）：科恩（Cohen）-库恩（Coon）整定公式（式19）把K=1，T=12.2,=6.8带入，得：（式20）根据下面公式（式21）得：（式22）Z-N调节器参数整定公式法（式23）把K=1，T=12.2,=6.8带入，得：（式24）根据下面公式（式25）得：（式26）两种方法得到的仿真曲线图如下图7 柯恩-库恩整定公式法图8 Z-N调节器参数整定公式法图9 蓝色为柯恩-库恩整定公式法，红色为Z-N调节器参数整定公式法可以看出来柯恩-库恩整定公式法得到的曲线调节时间更小，稳定的更快，故采用此方法。3.3 仿真程序柯恩-库恩整定公式法%积分分离式PIDts=1; %采样时间，香农采样定律sys=tf(1,100 180 97 18 1); %被控对象离散化dsys=c2d(sys,ts,zoh); %零阶保持器num,den=tfdata(dsys,v); %离散化之后，变成数值u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0; %赋初值y_1=0;y_2=0;y_3=0;y_4=0;error_1=0;error_2=0;ei=0; %误差累加for k=1:1:200 %采样时间 time(k)=k*ts; %离散化对象 yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2-den(4)*y_3-den(5)*y_4+num(2)*u_1+num(3)*u_2+num(4)*u_3+num(5)*u_4; %Z域：输出Y(Z)=G(Z)*U(Z);G(Z)=num(z)/den(z);因此： den(z)Y(z)=num(z)*u(z) %Z逆变换：deni*yk=numj*uk %积分分离 rin(k)=40; %给定 error(k)=rin(k)-yout(k); %偏差 ei=ei+error(k)*ts; %误差累加 M=1;%通过在此处改变M取值来选择是用普通PID或积分分离PID if M=1 %采用分段积分分离方式 if abs(error(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110 u(k)=110; end if u(k)=30&abs(error(k)=20&abs(error(k)=10&abs(error(k)=110 u(k)=110; end if u(k)=-110 u(k)=-110; end u_4=u_3;u_3=u_2;u_2=u_1;u_1=u(k); %实时采集下一个 y_4=y_3;y_3=y_2;y_2=y_1;y_1=yout(k); error_2=error_1; error_1=error(k);endplot(time,rin,b,time,yout,r);xlabel(time(s);ylabel(rin,yout);图11 Z-N调节器参数整定公式法3.4 仿真结果没有调节参数得下图图12 调节参数前调节参数得下图（kp=2.692;ki=0.116;kd=6.094;）（，%=9.425%符合规定）图13 调节参数后对比图（蓝色为调节参数前，红色为调节参数之后）图14 对比图第四章 总结与展望在这次课程设计中我选的题目是“锅炉出口水温计算机控制系统”根据任务规定完毕以下任务：1) 需先求出广义对象的传递函数，求出等效的一阶惯性纯滞后系统，并用两点法求出参数K,T,，并根据图像的拟合度判断等效的合理性。2) 运用动态特性参数整定法，运用柯恩-库恩整定公式是整定出，进一步整定出控制器的PID参数;3) 将被控对象进行带零阶保持器的数字化解决后，设计数字积分分离PID控制程序;4) 根据阶跃响应曲线，调整PID参数，达成控制指标规定。最终调节PID参数达成超调量小于12%，调节时间约为小于40s的控制规定。最终的结果虽然满足规定，但还是没有达成最佳的控制效果，日后尚有调节的空间，我会努力不断完善我的控制系统。第五章 心得体会这次的过程控制系统的课程设计的设计目的是在设计的过程中，通过一个工程实际课题的设计练习，我们可以初步实践过程控制系统的实际过程，明确应完毕的工作内容和采用的具体设计方法，达成巩固、充实和综合所学知识并解决实际问题的目的。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，通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，一一对其介绍并且计算，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，根据得出的图像，判断当输出信号为r(k)=40，控制器输出限制在【-110，100】内时，是否能使%=12%,=40s。通过这次设计使我学会如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新，是要我们学会将理论很好地联系实际，并不断地去开动自己的大脑，从为人类造福的意愿出发，做自己力所能及的，别人却没想到的事。使之不断地战胜别人，超越前人。同时，更重要的是，我在这一设计过程中，学会了坚持不懈，不轻言放弃，设计过程，也好比是我们人类成长的历程，常有一些不如意，也许这就是在对我们提出了挑战，勇敢过，也战胜了，胜利的钟声也就一定会为