鍋爐水溫的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

1、過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)鍋爐水溫的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)學(xué) 院：自 動(dòng) 化 班 級(jí)：10級(jí)自動(dòng)化3班指導(dǎo)老師：李 軍組 員：代 明 香 羅 歡 朱 銘 峰重慶大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2013年10月任務(wù)分配過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)鍋爐水溫的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)任務(wù)分配自動(dòng)化3班代明香20105005傳統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)前饋控制器設(shè)計(jì)論文撰寫(xiě)自動(dòng)化3班羅歡20105066串級(jí)控制設(shè)計(jì)三種控制方式仿真論文撰寫(xiě)自動(dòng)化3班朱銘峰20105003系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)查閱資料論文撰寫(xiě)目錄任務(wù)分配2過(guò)程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)鍋爐水溫的系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)21摘要12序言13鍋爐溫控系統(tǒng)概述2實(shí)際模型24控制方法設(shè)計(jì)34.1 PID控制3數(shù)學(xué)

2、模型3參數(shù)整定4仿真與分析44.2串級(jí)控制5控制器分析與設(shè)計(jì)6仿真與分析64.3前饋控制7控制器的設(shè)計(jì)8仿真與分析95總結(jié)106心得體會(huì)106.1羅歡106.2代明香106.3朱銘峰107參考文獻(xiàn)118附錄12附錄1.傳遞函數(shù)列表12附錄2.圖表列表131摘要 本文通過(guò)將實(shí)際鍋爐模型化，并根據(jù)實(shí)際中常見(jiàn)的控制問(wèn)題，不斷優(yōu)化鍋爐溫度控制中的控制方法。首先采用最簡(jiǎn)單的單回路PID控制方法在溫度調(diào)節(jié)中的應(yīng)用。通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)整定，得到系統(tǒng)響應(yīng)曲線。然后通過(guò)發(fā)現(xiàn)單回路PID控制方式的不足，討論了集中較為常見(jiàn)的過(guò)程控制方法（串級(jí)控制和前饋補(bǔ)償控制）。同樣通過(guò)參數(shù)整定及系統(tǒng)響應(yīng)曲線得到滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及相關(guān)

3、性能要求的控制器。2序言 熱水鍋爐是利用燃料燃燒釋放的熱能或其它的熱能對(duì)水進(jìn)行加熱，水在鍋爐本體內(nèi)不發(fā)生相變，即不產(chǎn)生蒸汽，回水被送入鍋爐后通過(guò)受熱面吸收了煙氣的熱量，未達(dá)到飽和溫度便被輸入熱網(wǎng)中的一種熱力設(shè)備。熱水鍋爐可為為賓館、學(xué)校、家庭、企事業(yè)單位提供熱水的設(shè)備。熱水鍋爐包含常壓熱水鍋爐和承壓熱水鍋爐兩種，我們通常所說(shuō)的“熱水鍋爐”指的是常壓熱水鍋爐。由于其運(yùn)行安全，人們洗浴或采暖大都采用了這種常壓熱水鍋爐。由于工業(yè)鍋爐結(jié)構(gòu)形式很多，且參數(shù)各不相同，用途不一，故到目前為止，我國(guó)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的分類規(guī)則。出于經(jīng)濟(jì)因素的考慮，大多數(shù)高校及企事業(yè)單位都采用鍋爐供水。由于PID控制是最早發(fā)展起來(lái)

4、的控制方法之一，具有算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛的使用。但由于鍋爐控制系統(tǒng)對(duì)溫度的控制是通過(guò)改變流量實(shí)現(xiàn)的，具有非線性、大慣性、大時(shí)滯等特點(diǎn)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，故采用常規(guī)PID控制不能達(dá)到理想的控制效果。現(xiàn)階段，各種基于PID的改進(jìn)算法被應(yīng)用于鍋爐水溫控制中，如彭昕昀1等提出的一種通過(guò)改進(jìn)常規(guī)PID控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)整定方法的單回路鍋爐動(dòng)態(tài)水溫控制系統(tǒng)，還有何忠蛟2等提出的將模糊理論和PID控制算法相結(jié)合的應(yīng)用于鍋爐水溫的模糊PID控制算法。本文提出一種基于PID的串級(jí)控制方法，采用多回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。同時(shí)，通過(guò)前饋補(bǔ)償和比例法分別對(duì)系統(tǒng)過(guò)程流的干擾和

5、空氣/燃料比值進(jìn)行控制。3鍋爐溫控系統(tǒng)概述實(shí)際模型圖1.燒水鍋爐溫度控制模型圖 將一般實(shí)際應(yīng)用中的鍋爐簡(jiǎn)化為圖1所示中的模型。鍋爐整體的結(jié)構(gòu)3包括鍋爐本體和輔助設(shè)備兩大部分。鍋爐中的爐膛、鍋筒、燃燒器、水冷壁過(guò)熱器、省煤器、空氣預(yù)熱器、構(gòu)架和爐墻等主要部件構(gòu)成生產(chǎn)蒸汽的核心部分，稱為鍋爐本體。鍋爐本體中兩個(gè)最主要的部件是爐膛和鍋筒。爐膛又稱燃燒室，是供燃料燃燒的空間。爐膛的橫截面一般為正方形或矩形。燃料在爐膛內(nèi)燃燒形成火焰和高溫?zé)煔?，所以爐膛四周的爐墻由耐高溫材料和保溫材料構(gòu)成。在爐墻的內(nèi)表面上常敷設(shè)水冷壁管，它既保護(hù)爐墻不致燒壞，又吸收火焰和高溫?zé)煔獾拇罅枯椛錈?。鍋筒是自然循環(huán)和多次強(qiáng)制循環(huán)

6、鍋爐中，接受省煤器來(lái)的給水、聯(lián)接循環(huán)回路，并向過(guò)熱器輸送飽和蒸汽的圓筒形容器。鍋筒簡(jiǎn)體由優(yōu)質(zhì)厚鋼板制成，是鍋爐中最重的部件之一。鍋筒的主要功能是儲(chǔ)水，進(jìn)行汽水分離，在運(yùn)行中排除鍋水中的鹽水和泥渣，避免含有高濃度鹽分和雜質(zhì)的鍋水隨蒸汽進(jìn)入過(guò)熱器和汽輪機(jī)中。鍋爐是一種利用燃料燃燒后釋放的熱能或工業(yè)生產(chǎn)中的余熱傳遞給容器內(nèi)的水，使水達(dá)到所需要的溫度（熱水）或一定壓力蒸汽的熱力設(shè)備。它是由“鍋”（即鍋爐本體水壓部分）、“爐”（即燃燒設(shè)備部分）、附件儀表及附屬設(shè)備構(gòu)成的一個(gè)完整體。鍋爐在“鍋”與“爐”兩部分同時(shí)進(jìn)行，水進(jìn)入鍋爐以后，在汽水系統(tǒng)中鍋爐受熱面將吸收的熱量傳遞給水，使水加熱成一定溫度和壓力的熱

7、水或生成蒸汽，被引出應(yīng)用。在燃燒設(shè)備部分，燃料燃燒不斷放出熱量，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)熱的傳播，將熱量傳遞給鍋爐受熱面，而本身溫度逐漸降低，最后由煙囪排出?！板仭迸c“爐”一個(gè)吸熱，一個(gè)放熱，是密切聯(lián)系的一個(gè)整體設(shè)備。 鍋爐在運(yùn)行中由于水的循環(huán)流動(dòng)，不斷地將受熱面吸收的熱量全部帶走，不僅使水升溫或汽化成蒸汽，而且使受熱面得到良好的冷卻，從而保證了鍋爐受熱面在高溫條件下安全的工作。4控制方法設(shè)計(jì)4.1 PID控制 單回路控制系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它由被控對(duì)象、傳感器、變送器、控制器和執(zhí)行器組成一個(gè)閉合回路，也稱反饋控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。單回路控制系統(tǒng)是最簡(jiǎn)單基本的一種控制系統(tǒng)，它適用于被控

8、對(duì)象滯后時(shí)間比較小、負(fù)荷和干擾變化不大、控制質(zhì)量要求不很高的場(chǎng)合。經(jīng)驗(yàn)控制即根據(jù)以往總結(jié)出的一般控制經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同的需求，選擇不同的參數(shù)計(jì)算方法，達(dá)到控制的目的。一般的方法有Cohen-Coon、Ziegler-Nichols、ITAE、Ciancone-Marlin等多種控制方法，在此，我將選用C-C的典型的控制方法進(jìn)行計(jì)算、控制。GcGvGpGLLRCGm圖2.PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖4.1.1數(shù)學(xué)模型 實(shí)際情況下受控對(duì)象具有高度非線性，我們將其簡(jiǎn)化，把受控對(duì)象視為一階的情況。參照上圖：，外部干擾。 對(duì)于控制器，通常情況下采用PI控制即可，但是在某些較復(fù)雜的帶大滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，則可考慮PID控

9、制，此處考慮到本系統(tǒng)的時(shí)滯性，最終采用PID控制。PID控制的一般方程式選為：。 根據(jù)實(shí)際對(duì)象特性，查找資料得到以下數(shù)據(jù)：，得到：；對(duì)于傳感器，有，得到，進(jìn)而得到：；用pade近似公式將進(jìn)行線性化有：。 從而得到：4.1.2參數(shù)整定根據(jù)以上分析，針對(duì)PID控制器，本次設(shè)計(jì)中選擇采用Cohen-Coon方法整定PID參數(shù)，參見(jiàn)表1。選擇參數(shù)如下：，求得。controllerCohen-CoonPID表1.參數(shù)整定表4.1.3仿真與分析我們采用在MATLAB的simulink工具箱下，建立仿真圖并觀察結(jié)果：C-C整定法：Simulink仿真圖：圖3.單回路PID控制法simulink模型（C-C法

10、）圖 觀察其仿真結(jié)果：圖4.單回路PID控制法simulink模型仿真（C-C法）圖 通過(guò)觀察圖4波形可知，采用C-C法參數(shù)整定的單回路PID控制的效果，振蕩較大，且響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)，對(duì)鍋爐系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不穩(wěn)定，因此需要改進(jìn)控制器。4.2串級(jí)控制串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副回路；一個(gè)閉環(huán)在外面，被稱為主回路，以最終保證被調(diào)量滿足工藝要求3。這種由兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接在一起控制一個(gè)調(diào)節(jié)閥的系統(tǒng)叫做串級(jí)控制系統(tǒng)。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則是送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過(guò)程。由于副調(diào)節(jié)器能夠快速及時(shí)地消除內(nèi)回路擾動(dòng)的影響，同時(shí)副回路的作

11、用又相當(dāng)于改善了調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，所以盡管串級(jí)控制系統(tǒng)只比簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)增加了一個(gè)測(cè)量變送元件和一個(gè)調(diào)節(jié)器，但是控制效果卻有顯著的提高，具有較好的控制性能能夠改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化也有一定的自適應(yīng)能力。圖5即為加入串級(jí)控制后的鍋爐簡(jiǎn)化模型。圖5.燒水鍋爐溫度串級(jí)控制模型圖 4.2.1控制器分析與設(shè)計(jì)1.主、副回路的設(shè)計(jì)因?yàn)樵诖?jí)控制系統(tǒng)中，副回路的作用把擾動(dòng)減小到最小，降低擾動(dòng)對(duì)主回路的影響，從而提高控制質(zhì)量。故，應(yīng)把系統(tǒng)中變化最劇烈、幅值最大最頻繁的擾動(dòng)包含在副回路中。結(jié)構(gòu)圖如圖6。此處，最主要的擾動(dòng)即為上升流壓力擾動(dòng)。2.主、副控制器的設(shè)計(jì)對(duì)主控制器

12、，通常情況下采用PI控制即可，但是在某些較復(fù)雜的帶大滯后環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，則可考慮PID控制?？紤]到本系統(tǒng)的時(shí)滯性，最終采用PID控制。對(duì)副控制器，一般情況下采用比例控制即可，若引入積分控制可能反而會(huì)降低副回路的響應(yīng)快速性。有時(shí)，不必要的副控制積分作用會(huì)使副回路的諧振峰值加大、諧振頻率降低，從而加大了主副回路之間共振的可能。GcGc2GvGpGLLRC +- -圖6.串級(jí)控制結(jié)構(gòu)框圖 由，其中，通過(guò)計(jì)算可得，。4.2.2仿真與分析 Simulink仿真模型圖如圖7：圖7.串級(jí)控制simulink模型圖觀察其仿真結(jié)果：圖8.串級(jí)控制simulink模型仿真圖通過(guò)觀察可知，在串級(jí)控制的情況下，系統(tǒng)的響應(yīng)

13、得到明顯的改善，雖然仍有振蕩，但是響應(yīng)時(shí)間縮短，且最后趨于穩(wěn)定，在干擾的情況下，能夠穩(wěn)定，說(shuō)明串級(jí)控制具有一定的抗干擾能力。但是在響應(yīng)的快速性方面，仍然較慢，且振蕩過(guò)大。因此，仍然需要繼續(xù)改進(jìn)控制器。4.3前饋控制基于不變性原理組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)稱為前饋控制系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)全部擾動(dòng)或部分?jǐn)_動(dòng)的不變性，實(shí)質(zhì)上是一種按照擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)系統(tǒng)。 擾動(dòng)LP對(duì)于被調(diào)量C的影響為零，這就是“不變性”原理。前饋控制系統(tǒng)中的被調(diào)量沒(méi)有像反饋控制那樣用來(lái)進(jìn)行控制，只是將負(fù)荷擾動(dòng)測(cè)出送入前饋調(diào)節(jié)器。前饋控制和反饋控制之間存在著一個(gè)根本的差別，即前饋控制是開(kāi)環(huán)控制，它的控制效果將不通過(guò)反饋加以檢驗(yàn)，而反饋控制

14、是閉環(huán)控制，它的控制效果通過(guò)反饋加以檢驗(yàn)。前饋控制簡(jiǎn)化模型如圖9，控制框圖如圖10。圖9. 燒水鍋爐溫度前饋控制模型圖GCGV*GPGmLGPLGFFGmRCLP + + -圖10.前饋補(bǔ)償控制框圖4.3.1控制器的設(shè)計(jì)其擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為：。傳感器傳遞函數(shù)：。前饋控制函數(shù)：。其中，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器：， 前饋系數(shù)：。求得 4.3.2仿真與分析Simulink仿真圖：圖11.前饋補(bǔ)償控制simulink模型圖觀察仿真結(jié)果：圖12.前饋補(bǔ)償控制simulink模型仿真圖通過(guò)觀察仿真結(jié)果可知，當(dāng)加上前饋環(huán)節(jié)后，系統(tǒng)的抗干擾性顯著提高，能夠較快的響應(yīng)并且快速達(dá)到穩(wěn)定。故前饋系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。5總結(jié)通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)

15、我們深刻體會(huì)到傳統(tǒng)的PID控制器的優(yōu)劣，傳統(tǒng)PID雖然簡(jiǎn)單易操作，但是控制效果卻不理想，加入串級(jí)控制后，系統(tǒng)性能大大提升。為了使系統(tǒng)更加完善，我們考慮了前饋控制，經(jīng)一系列仿真發(fā)現(xiàn)前饋控制的效果優(yōu)于串級(jí)控制，能夠達(dá)到我們的預(yù)期品質(zhì)。但是真正的鍋爐系統(tǒng)并不是一個(gè)單輸入單輸出系統(tǒng)，所以在以后的學(xué)習(xí)中，我們會(huì)更加注重學(xué)習(xí)多輸入多輸出復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究，爭(zhēng)取能夠達(dá)到完美的控制效果，盡快將我們所學(xué)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用。6心得體會(huì)6.1羅歡這次我們課程設(shè)計(jì)的題目是關(guān)于鍋爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一個(gè)假期之后進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，真正的考查了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。在課設(shè)的過(guò)程中我們遇到了很多困難，但是通過(guò)我們查

16、找資料，相互討論之后最終還是解決了問(wèn)題，這讓我們對(duì)于過(guò)程控制的知識(shí)點(diǎn)有了更進(jìn)一步的了解與掌握。這次課程設(shè)計(jì)，讓我們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)了合作的重要性，也讓我們重新認(rèn)識(shí)到了自己所存在的不足之處，指明了以后改進(jìn)的地方。無(wú)論是在意識(shí)上還是能力上都給我們好好的上了一課，促進(jìn)了我們自身水平的提升，為今后的學(xué)習(xí)生活積累了經(jīng)驗(yàn)。6.2代明香 本次課程設(shè)計(jì)雖然時(shí)間并不長(zhǎng)，但我還是通過(guò)這次的過(guò)程控制設(shè)計(jì)，對(duì)課本知識(shí)的運(yùn)用掌握的更加熟練了。最初拿到題目后完全不知道怎么下手，在經(jīng)過(guò)了和組員的討論并參考網(wǎng)上資料后，才漸漸清晰了將鍋爐水溫控制加入PID控制器，并通過(guò)串級(jí)控制器和前饋控制器改善系統(tǒng)的功能。對(duì)于參數(shù)的整定雖只采用了C

17、ohen-Coon法，但通過(guò)對(duì)C-C法的運(yùn)用，相信今后如要采用其他整定法也是不會(huì)存在問(wèn)題的。 在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不斷發(fā)現(xiàn)自己的錯(cuò)誤，通過(guò)團(tuán)隊(duì)合作力，不斷完善系統(tǒng)功能，很大程度上鍛煉了我們的各方面能力，相信對(duì)我今后的工作生活都會(huì)有積極的影響的。6.3朱銘峰經(jīng)過(guò)一周多小組成員的共同努力，這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)總算做完了。那天早上老師在臺(tái)上給我們講的時(shí)候覺(jué)得蠻簡(jiǎn)單的，而且又適逢中秋國(guó)慶兩節(jié)，都沒(méi)在在意。等到9號(hào)的時(shí)候才想起這個(gè)事情，但是分組他們都分好了，最后剩下我們3個(gè)考研的分在了一個(gè)組。 在這個(gè)過(guò)程中，我們參考了許多資料，或多或少的復(fù)習(xí)了大三上期學(xué)到的過(guò)程控制的很多知識(shí)，系統(tǒng)模型搭建，穩(wěn)定性判定，PID控

18、制器的設(shè)計(jì)，以及MATLAB應(yīng)用等，這些都是我們?cè)诮窈蟮膶W(xué)習(xí)工作中很重要的知識(shí)。 這是除畢業(yè)設(shè)計(jì)以外我們本科階段做過(guò)的最后一個(gè)課程設(shè)計(jì)了，不說(shuō)我們做得最好，但我敢說(shuō)這是我們?cè)谟邢薜臅r(shí)間做的最佳的了。我們得到了許多同學(xué)的幫助，表示感謝。7參考文獻(xiàn)1彭昕昀. 一種基于PID控制的鍋爐動(dòng)態(tài)水溫單回路控制系統(tǒng).制造自動(dòng)化.2010,01.32(1).87-91234Pao C.Chau.Process Control:A First Course with MATLAB.Cambridge University Press. 2002.198-2085劉文定,王東林. 過(guò)程控制系統(tǒng)的MATLAB方針.機(jī)械工業(yè)出版社.2009,2.207-2356郭陽(yáng)寬,王正林. 過(guò)程控制工程及方針.電子工業(yè)出版社.2009,4.137-1657曾志偉.盤(pán)管出水口水溫與熱水流量的串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì).計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化.2008,09.27(3).95-988周新輝.優(yōu)化前饋反饋氨合成塔觸媒溫度控制.技術(shù)縱橫.2009,10.80-859段敏，向麗娟.鍋爐水溫的PID控制設(shè)計(jì).20118附錄附錄1.傳遞函數(shù)列表控制對(duì)象傳遞函數(shù) ，外環(huán)變送傳感器傳遞函數(shù)