2019年整理鍋爐液位控制系統(tǒng)原理概述

1、所示。一.鍋爐液位控制系統(tǒng)原理概述鍋爐是電廠和化工廠里常見的生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備。為了保證鍋爐的正常運(yùn)行， 需要維持鍋爐液位為正常標(biāo)準(zhǔn)值。 鍋爐液位過低，易燒干鍋而發(fā)生嚴(yán)重事故；鍋 爐液位過高，則易使蒸汽帶水并有溢出危險(xiǎn)。因此，必須通過調(diào)節(jié)器嚴(yán)格控制鍋 爐液位的高低，以保證鍋爐正常安全的運(yùn)行。常見的鍋爐液位控制系統(tǒng)示意圖如 圖1-1水量不變，而蒸汽負(fù)荷突然增加或減少時(shí)，引起鍋爐液位發(fā)生變化。不論出現(xiàn)哪 種情況，只要實(shí)際液位高度與正常給定液位之間出現(xiàn)了偏差， 調(diào)節(jié)器均應(yīng)立即進(jìn) 行控制，去開打或關(guān)小給水閥門，使液位恢復(fù)到給定值。圖1-2是鍋爐液位控制系統(tǒng)的方框圖。圖中，鍋爐為被控對(duì)象，其輸出為被 控參數(shù)

2、液位，作用于鍋爐上的擾動(dòng)是指給水壓力變化的產(chǎn)生的內(nèi)外擾動(dòng)；測(cè)量變送器為差壓變送器，用來測(cè)量鍋爐液位，并轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢ǖ男盘?hào)輸至調(diào)節(jié)器；調(diào)節(jié) 器是鍋爐液位控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器， 有電動(dòng)，氣動(dòng)等形式，在調(diào)節(jié)器內(nèi)將測(cè)量液 位與給定液位進(jìn)行比較，得出偏差值，然后根據(jù)偏差情況按一定的控制律如比例（P）,比例-積分（PI）,比例-積分-微分（PID）等發(fā)出相應(yīng)的輸出信號(hào)去推 動(dòng)調(diào)節(jié)閥動(dòng)作；調(diào)節(jié)閥在控制系統(tǒng)中執(zhí)行元件作用，根據(jù)控制信號(hào)對(duì)鍋爐的進(jìn)水 量進(jìn)行調(diào)節(jié)，閥門的運(yùn)動(dòng)取決于閥門的特性，有的閥門與輸入信號(hào)成正比關(guān)系， 有的閥門與輸入信號(hào)成某種曲線關(guān)系變化。大多數(shù)調(diào)節(jié)閥呈為氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥，若采用電動(dòng)調(diào)節(jié)器，則調(diào)節(jié)器

3、與氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥之間應(yīng)有電 -氣轉(zhuǎn)換器。氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥 的氣動(dòng)閥門分為氣開與氣關(guān)兩種。 氣開閥指當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出增加時(shí)，閥門開大；氣 關(guān)閥指當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出增加時(shí)，閥門保持打開位置，以保證汽鼓不致燒干損壞。圖1-2鍋爐液位控制系統(tǒng)方塊圖.應(yīng)用元件介紹2. 1氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥介紹氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥由氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩大部分組成，它與氣動(dòng)調(diào)節(jié)器、 減壓閥、定位器或其它儀表配合使用，達(dá)到控制管道內(nèi)的溫度、壓力、液位、流 量等工藝參數(shù)的目的。氣動(dòng)薄膜調(diào)節(jié)閥由氣動(dòng)薄膜執(zhí)行機(jī)構(gòu)與調(diào)節(jié)閥二大部分組成 （在配用電一一 氣轉(zhuǎn)換器和閥門定位器后，可與電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表及微型計(jì)算機(jī)配套使用）。它按照 調(diào)節(jié)儀表來的信號(hào)，改變閥門的開戶度，從而達(dá)

4、到對(duì)壓力、溫度、流量和液位等 參數(shù)的調(diào)節(jié)。2. 2電-氣轉(zhuǎn)換器介紹電-氣轉(zhuǎn)換器是電動(dòng)單元組合儀表轉(zhuǎn)換單元中一個(gè)品種，接受的電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表給出的直流信號(hào)，按比例地轉(zhuǎn)換輸出 20100K Pa氣動(dòng)信號(hào)，作 為氣動(dòng)薄 膜調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)閥門定位器的氣動(dòng)控制信號(hào)，也可作為氣動(dòng)儀表的氣源，實(shí)質(zhì)上 它起到電動(dòng)儀表與氣動(dòng)儀表之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換作用。電-氣轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全型（防爆型式ia n BT5，隔爆增安復(fù)合型（防 爆型式den BT4），因此被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、輕工、電站等工業(yè)部 門的自控系統(tǒng)中。電氣轉(zhuǎn)換器是工業(yè)自動(dòng)化儀表中電動(dòng)和氣動(dòng)儀表之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換元件。用以 將電動(dòng)調(diào)節(jié)儀表輸出的電流信號(hào) 4-2

5、0mA或0-10mA經(jīng)轉(zhuǎn)換器成比例的轉(zhuǎn)換成 20100Kpa氣動(dòng)模擬信號(hào)，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金等工業(yè)部門的自 控系統(tǒng)中。電氣轉(zhuǎn)換器的工作原理見圖2-1所示，它是按力平衡原理設(shè)計(jì)和工作 的。在其內(nèi)部有一線圈，當(dāng)調(diào)節(jié)器（變送器）的電流信號(hào)送入線圈后，由于內(nèi)部 永久磁鐵的作用，使線圈和杠桿產(chǎn)生位移，帶動(dòng)擋板接近（或遠(yuǎn)離）噴嘴，引起 噴嘴背壓增加（或減少），此背壓作用在內(nèi)部的氣動(dòng)功率放大器上，放大后的壓 力一路作為轉(zhuǎn)換器的輸出，另一路饋送到反饋波紋管。輸送到反饋波紋管的壓力，通過杠桿的力傳遞作用在鐵芯的另一端產(chǎn)生一個(gè)反向的位移， 此位移與輸入信號(hào) 產(chǎn)生電磁力矩平衡時(shí)，輸入信號(hào)與輸出壓力成一一

6、對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。 即輸入信號(hào) 從4mA.DC改變到20mA.DC時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出壓力從0.020.1MPa變化，實(shí)現(xiàn)了 將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣動(dòng)信號(hào)的過程。圖2-1中調(diào)零機(jī)構(gòu)，用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的零位，反饋波紋管起反饋?zhàn)饔?。波欽背杠桿S5鋼f測(cè)遠(yuǎn)第圏2. 3. 1比例（P）控制規(guī)律Kp稱為具有比例控制規(guī)律的控制器，稱為 P控制器，如圖2-2所示。其中 P控制器增益。P控制Kp,P控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在信號(hào)變換過程中， 器只改變信號(hào)的增益而不改變其他相位。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì) 降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能

7、造成閉環(huán)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 因此，在系統(tǒng)校正設(shè) 計(jì)中，很少單獨(dú)使用此比例控制規(guī)律。2. 3. 2比例-微分(PD控制規(guī)律具有比例-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PD控制器，其輸出m(t)與輸入e(t) 的關(guān)系如下式所示：m(t) =K pe(t) + Kp T-de(dt式中，Kp為比例系數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)。Kp與T都是可調(diào)的參數(shù)。PD控制器 如圖2-3所示MMMs)圖2-3PD控制器PD控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早 期的修正信號(hào)，一增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改變系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正時(shí)， 可使系統(tǒng)增加一個(gè)-1/ T的開環(huán)零點(diǎn)，使系統(tǒng)的相角裕度提高，因而有助于系統(tǒng)

8、動(dòng)態(tài)性能的改善。需要指出，因?yàn)槲⒎肿饔弥粚?duì)動(dòng)態(tài)過程起作用，而對(duì)穩(wěn)態(tài)過程沒有影響， 且對(duì)系統(tǒng)噪聲非常敏感，所以單一的D控制器在任何情況下都不宜與被控對(duì)象串 聯(lián)起來單獨(dú)使用。通常，微分控制規(guī)律總是與比例控制規(guī)律或比例-積分控制規(guī)律結(jié)合起來，構(gòu)成組合的PD或PID控制器，應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng)。2. 3. 3積分(I)控制規(guī)律具有積分控制規(guī)律的控制器，稱為I控制器。丨控制器的輸出信號(hào)m(t)與其 輸入信號(hào)e(t)的積分呈正比，即tm(t) = K4e(t)dt其中Ki為可調(diào)比例系數(shù)。由于I控制器的積分作用，當(dāng)其輸入e(t)消失后, 輸出信號(hào)m(t)有可能是一個(gè)不為零的常量。在串聯(lián)校正時(shí)，采用I控制器可

9、以提高系統(tǒng)的型別(無差度)，有利于系統(tǒng) 穩(wěn)定性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號(hào)產(chǎn)生90。的相角滯后，與系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。因此，在控制系統(tǒng)的校正設(shè)計(jì)中，通常不宜采用單一的I控制器。I控制器如圖2-4所示。碗)積分調(diào)節(jié)器電路如圖2-5所示。由虛地點(diǎn)A的假設(shè)可以推導(dǎo)出:乙=訓(xùn)詁他心陽(1)式中.仁 瓦C為積分時(shí)間常數(shù)。進(jìn)行積分運(yùn)算,當(dāng)7的初始值為零時(shí)，在階躍輸入作用下，對(duì)式(1)得積分調(diào)節(jié)器的輸出時(shí)間特性如圖 2-5 ( b)所示，貝U其輸出為：T對(duì)其進(jìn)行拉氏變換后，可得積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： 閥二二丄在初始值不為零的情況下，積分調(diào)節(jié)器的輸出值為：4冷陽+如式中 U妣

10、為初始狀態(tài)時(shí)探的值。f/m 局 IU)CZwn*B/T t(b)T定時(shí)，Un越大，Ex增長0圖2-5積分調(diào)節(jié)器Un，電由圖2-5 (b)可以看出：當(dāng)積分時(shí)間常數(shù)越快，0A線段愈陡；當(dāng)Un 定，T越小，0A也越陡；只要輸入端存在 容不斷充電，0值按積分規(guī)律上升。由于調(diào)節(jié)器的電源為定值(一般為±15V以下)，同時(shí)調(diào)節(jié)器輸出也設(shè)置限幅環(huán)節(jié)(圖中未標(biāo)出)，輸出一旦達(dá)到限幅值就 停止上升，并保持Sr限幅值不變，見圖2-5 (b) AB段。由此可見積分器有三個(gè) 重要特性：(1) 延緩性。積分調(diào)節(jié)器輸入階躍信號(hào)時(shí)，輸出按積分線性增長。(2) 積累性。只要積分調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)存在，不論信號(hào)大小如何變化

11、，積分的積累作用就持續(xù)下去，只不過其輸出上升速率不同而已，圖2-6表示輸入 信號(hào)幅值減小時(shí)的變化情況。圖2-6積分器的積累性(3)記憶性。在積分過程中，如果輸入信號(hào)變?yōu)榱?，輸出電壓能保?在輸入信號(hào)改變前的瞬時(shí)值，該電壓值就是充電電容C兩端的電壓值。若要使輸 出值下降，必須改變輸入信號(hào) Un的級(jí)性，其變化過程如圖2-7所示。234比例-積分(PI)控制規(guī)律具有比例-積分控制規(guī)律的控制器，稱為PI控制器，其輸出信號(hào)m(t)同時(shí)成比例的反應(yīng)輸入信號(hào)e(t)及其積分，即m(t) = K peQTpTitNt)dt式中，Kp為可調(diào)比例系數(shù)，T為可調(diào)積分時(shí)間常數(shù)。PI控制器如圖2-8所示。圖2-8 PI

12、控制器PI控制器主要用來改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。在串聯(lián)校正時(shí)，PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)， 同時(shí)也增加了一個(gè)位于S左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的 型別，以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn) 則用來減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和 PI控制器極點(diǎn)對(duì)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不 利影響。只要積分時(shí)間常數(shù) Ti足夠大，PI控制器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大 為減弱。在控制工程實(shí)踐中，采用運(yùn)算放大器的PI調(diào)節(jié)器線路如圖2-9所示。由A點(diǎn)“虛地”可以 寫出下列關(guān)系：又:其中Un的極性如圖2-9所示?？傻?4 = 4 + 丄 f W = KJJ.+

13、-f 皿熬 n !S n I 用/I JK%坨4初始條件為零時(shí)，則可得PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)：U（S）1 K腫+1昭二上乂二瓷+上二 (4)式中: 數(shù)。kApi n%為調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù):T =RC為調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常!>圖2-89PI調(diào)節(jié)器原理圖由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩個(gè)部分相加而成。在零初始狀態(tài)和階躍輸入下，PI調(diào)節(jié)器輸出電壓的時(shí)間特性如圖 2-10所示。由圖可以看出比例積分作用的物理意義如下：突加輸入電壓Un時(shí)，電容C1相當(dāng)于瞬時(shí)短接，反饋回路只有電阻 R，這時(shí)如同一個(gè)比例調(diào)節(jié)器，其放大系 數(shù)為3%，輸出端得到立即響應(yīng)的電壓 KpUn,加快了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，

14、發(fā)揮了比例調(diào)節(jié)器的長處；隨著電容 C的充電，輸出電壓 乞按積分規(guī)律逐漸上升又 具有積分調(diào)節(jié)器的性質(zhì)；當(dāng)輸入電壓 Un=O,達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C停止充電，相 當(dāng)于開路，C兩端的電壓即為PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓 7, R便不起作用，調(diào)節(jié)器 處開環(huán)狀態(tài)，具有很高的放大倍數(shù)，也就使得組成閉環(huán)系統(tǒng)后的開環(huán)放大系數(shù)K很大，滿足穩(wěn)態(tài)精度的要求。由此可見，PI調(diào)節(jié)器滿足了系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)時(shí)對(duì)放大系數(shù) K大小不 同的要求，它屬于串聯(lián)校正裝置，這樣不僅使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)做到無靜差， 而且又提 咼了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性。2. 3. 5比例-積分-微分(PID)控制規(guī)律具有比例-積分-微分控制規(guī)律的控制器，稱為PID控制器。這種組合

15、具有三 種基本規(guī)律各自的特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)方程為m(t) = K pe(t) + 字 jOe(t)dt + K pt 警Ti 0dt相應(yīng)的傳遞函數(shù)是Kp Tjs2+TiS+1TPID控制器如圖2-11所示圖2-11PID控制器當(dāng)利用PID控制器進(jìn)行串聯(lián)校正時(shí)，除可使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)外，還將提供兩 個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)。與PI控制器相比，PID控制器除了同樣具有提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能 的優(yōu)點(diǎn)外，還多提供一個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)，從而在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面，具有更大的 優(yōu)越性。因此，在工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，廣泛使用PID控制器。PID控制器各部分參數(shù)的選擇，在系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中最后確定。通常，應(yīng)使I部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率 特性的低頻段，

16、以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使D部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻 段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。三. 液位控制系統(tǒng)被控對(duì)象及參數(shù)分析3.1單容水槽水槽是常見的水位控制系統(tǒng)的被控對(duì)象。 設(shè)單容水槽的如圖3-1所示，水流 通過控制閥門不斷的流入水槽，同時(shí)也有水通過負(fù)載閥不斷的流出水槽。 水流入 量Q由調(diào)節(jié)閥開度u加以控制，流出量Q則由用戶根據(jù)需要通過負(fù)載閥來改變。 被調(diào)量為水位h,它反映水的流入與流出之間的平衡關(guān)系。h +ZJi圖3-1單容水槽令Q表示輸入水流量的穩(wěn)態(tài)值， Q表示輸入水流量的增量，Q表示輸出 水流量的穩(wěn)態(tài)植， Q表示輸出水流量的增量，h表示液位咼度，ho表示液位的 穩(wěn)態(tài)值， h表示液位的增量，

17、u表示調(diào)節(jié)閥的開度。設(shè)A為液槽橫截面面積，R為流出端負(fù)載閥門的阻力即液阻。根椐物料平衡關(guān)系，在正常工作狀態(tài)下，初始時(shí)刻處于平衡狀態(tài)：Q=Q,h=h0,當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度發(fā)生變化u時(shí)，液位隨之發(fā)生變化。在流出端負(fù)載閥開度不變的情況下，液位的 變化將使流出量改變。因?yàn)榱魅肓苛鞒隽恐顬锳 A dVMhAQj -g =Adt dt式中，V為液槽液體儲(chǔ)存量； Q由調(diào)節(jié)閥開度變化 Q引起，當(dāng)閥前后壓差不變時(shí)，有Q=KAu其中Ku為閥門流量系數(shù)。流出量與液位高度的關(guān)系為Q=AJ2gh這是一個(gè)非線性關(guān)系式，可在平衡點(diǎn)（h0,Q0）附近進(jìn)行線性化，得到液組表達(dá)式，也h，可得dt將上兩個(gè)關(guān)系式代入 g AQo = d

18、VdtT+Ah = KAudt式中，T=RA K=KR。在零初始條件下，對(duì)上式兩端進(jìn)行拉氏變換，得到單容水 槽的傳遞函數(shù)為G(s)=遜U亠iU(s) Ts + 13. 2雙容水槽圖3-2是兩個(gè)串聯(lián)單容水槽構(gòu)成的雙容水槽。其輸入量為調(diào)節(jié)閥1產(chǎn)生的閥門開度變化 u,而輸出量為第二個(gè)水槽的液位增量 小。圖3-2雙容水槽在水流量增量，水槽液位增量及液阻之間，經(jīng)平衡點(diǎn)線性化后，可以導(dǎo)出如下關(guān) 系式：iQiQC2dtAQi =他，也 Q2Ah2Ri也Qi 辺=Ci dmdtAQi = Ku 心u式中，C1和C2為兩液槽的容量系數(shù)；R1和R2為兩液槽的液阻。將式代入故有iQi =也，AQ?RiiQiiQ2

19、=C2R2dAh2dthiih2c 肌=C2RiR2dthi =i2 dt+詈dihid2Ah2貢二RiC2R1 d 也 h2+dt2R2 dt將 AQi =Kuu，卜Qi =如2Rim代入g AQi 9仙，得dtCidtRiR2Mhi » d%h2 亠 Ri dm 分別將KRC2寸焉百和也hr©代入上式，整理后可得雙容水槽的微分方程為TiT2呀+（心）曹2+地=如式中，Ti=RG為第一個(gè)水槽的時(shí)間常數(shù)；T2=R2C2為第二個(gè)水槽的時(shí)間常數(shù)；K 為雙容水槽的傳遞系數(shù)。dih2d 2也h在零初始狀態(tài)下，對(duì)式T1T2 一 +(TT2 )二工+ Ah2 = Kau進(jìn)行拉氏變換，得

20、dtdtAH2(s)雙容水槽的傳遞函數(shù)G(S)= AU(s)二 T1T2S2 +(Ti +T2)s + 1若雙容水槽調(diào)節(jié)閥1開度變化所引起的流入水量變化還存在純延遲，則其傳遞函數(shù)不難導(dǎo)出為G(Sfs2+(Tl+T2)s + F3. 3 一階單回路控制系統(tǒng)單回路系統(tǒng)是由四個(gè)基本環(huán)節(jié)組成，即被控對(duì)象(或被控過程)、測(cè)量變送 裝置、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(本系統(tǒng)為調(diào)節(jié)閥)。有時(shí)為了分析方便起見，往往把 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和測(cè)量變送裝置合在一起， 稱之為廣義對(duì)象。這樣系統(tǒng)就歸 結(jié)為調(diào)節(jié)器和廣義對(duì)象兩部分。 然而，一般來說，還是把系統(tǒng)看成上述四個(gè)基本 環(huán)節(jié)所組成。假定有如3-3圖所示的水槽，流入量和流出量分別為q1和q2，我們的任 務(wù)是維持水槽的液位不變。為了控制液位，就要選擇相應(yīng)的變送器、控制器、和 控制閥，并按圖3-4所示的原理圖構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)。圖3-4水槽液位控制系統(tǒng)上圖中 表示變送器，LC表示液位控制器，sp代表控制器的給定值。由圖3-4 我們可以得出單回路控制系統(tǒng)方塊圖（原理圖）如圖 3-5所示：圖3-5單回路控制系統(tǒng)方塊圖一階單回路控制系統(tǒng)的工藝流程圖如圖3-6*液位顯示轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)器圖3-6一階單回路控制系統(tǒng)工藝流程圖一階單回路控制系統(tǒng)的接線圖繪圖儀，阻液位顯示器ii i