小型余熱鍋爐溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化 0804 指導(dǎo)教師：工作單位：自動(dòng)化學(xué)院題目: 小型余熱鍋爐蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件在冶金等生產(chǎn)行業(yè)中依靠高溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹挠酂徨仩t使用普遍, 這種小型鍋爐的主要作用是對(duì)煙氣進(jìn)行降溫, 同時(shí)產(chǎn)生蒸汽供其他生產(chǎn)工序使用。特點(diǎn)是：由于煙氣流量和溫度由前一個(gè)工序決定 , 直接導(dǎo)致鍋爐熱源不穩(wěn)定。針對(duì)小型余熱鍋爐的特點(diǎn), 設(shè)計(jì)一控制系統(tǒng)（主被控變量為溫度，副被控變量為鍋爐內(nèi)的水溫，控制變量為流入鍋爐的水流量，干擾變量為前一個(gè)工序產(chǎn)生的煙氣流量和溫度），使出口蒸汽溫度為360，穩(wěn)態(tài)誤差為6。要求完成的主要任務(wù) :1、了解小型余熱鍋爐設(shè)備組成及其生產(chǎn)工藝

2、2、基于對(duì)象特點(diǎn)分析并結(jié)合控制策略，繪制溫度控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測(cè)元件、執(zhí)行元件、控制器技術(shù)參數(shù)4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原理及調(diào)節(jié)過程說明書 5 、總結(jié)課程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及收獲。時(shí)間安排12月 19 日選題、理解課題任務(wù)、要求 12 月 20 日方案設(shè)計(jì)12月 21-28 日參數(shù)計(jì)算、撰寫說明書12月 29 日答辯指導(dǎo)教師簽名： 2011年 12月 29 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 2011年 12月 29 日摘要節(jié)約能源 , 提高生產(chǎn)工藝過程中的能量利用率和開發(fā)研究新的節(jié)能技術(shù)已成為各國(guó)研究能源利用技術(shù)的主要課題。冶金等生產(chǎn)行業(yè)依靠高溫?zé)煔庾鳛闊嵩吹挠酂徨仩t使用普遍,這種小型鍋爐的主要作用

3、是對(duì)煙氣進(jìn)行降溫, 同時(shí)產(chǎn)生蒸汽供其他生產(chǎn)工序使用。本文先介紹了余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)和原理，控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制以提高系統(tǒng)的控制性能，關(guān)鍵字余熱鍋爐串級(jí)溫度控制 pid 整定 matlab 仿真武漢理工大學(xué)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書i 目錄1 小型余熱鍋爐設(shè)備組成及生產(chǎn)工藝. 1 1.1 余熱鍋爐定義 . . 1 1.2 余熱鍋爐設(shè)備組成 . . 1 1.3 工作原理 . . 2 1.4 余熱鍋爐的分類與特點(diǎn). . 2 1.5 余熱鍋爐現(xiàn)狀及發(fā)展 . . 3 2 小型余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 5 2.1 控制方案選擇 . . 5 2.1.1 單回路控制方案 . . 5 2.1.2 串級(jí)控

4、制方案 . . 6 2.1.3 最終選擇方案. 6 2.2 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 . . 7 2.3 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖. . 7 3 元件選擇及控制器參數(shù)設(shè)計(jì). 8 3.1 溫度傳感器及變送器 . . 8 3.1.1 溫度傳感器 . 8 3.1.2 溫度變送器 . 8 3.2 調(diào)節(jié)閥 . 10 3.2.1 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)作用方式選擇. 10 3.2.2 調(diào)節(jié)閥流量特性選擇 . . 10 3.3 控制器設(shè)計(jì) . 10 3.3.1 控制器控制規(guī)律的選擇. . 10 3.3.2 控制器正、反作用選擇. . 11 3.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn) . . 11 3.3.4 調(diào)節(jié)器選型 . 1

5、1 3.5 控制器參數(shù)整定. 13 3.5.1 主變量的選擇 . . 13 3.5.2 副變量的選擇. 13 3.5.3 控制變量的選擇. 13 3.5.4 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定. 14 4 調(diào)節(jié)過程分析 . . 15 5 matlab 仿真 . . 15 6 小結(jié)與體會(huì) . . 17 6 參考文獻(xiàn) . 18 武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書1 小型余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 小型余熱鍋爐設(shè)備組成及生產(chǎn)工藝1.1 余熱鍋爐定義余熱鍋爐是利用各種工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的顯熱或(和)其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量的鍋爐。或者在燃油(或燃?xì)?)的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中，利用從燃?xì)廨啓C(jī)排

6、出的高溫?zé)煔鉄崃康腻仩t。1.2 余熱鍋爐設(shè)備組成余熱鍋爐由鍋筒、活動(dòng)煙罩、爐口段煙道、斜1 段煙道、斜 2 段煙道、末 1 段煙道、末2 段煙道、加料管（下料溜）槽、氧槍口、氮封裝置及氮封塞、人孔、煙道的支座和吊架等組成。其原理圖如圖1 所示。余熱鍋爐共分為六個(gè)循環(huán)回路，每個(gè)循環(huán)回路由下降管和上升管組成，各段煙道給水從鍋筒通過下降管引入到各個(gè)煙道的下集箱后進(jìn)入各受熱面，水通過受熱面后產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入進(jìn)口集箱，再由上升管引入鍋筒。各個(gè)煙道之間均用法蘭連接。其實(shí)物圖如圖2 所示。圖 1 余熱鍋爐原理圖武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書2 圖 2 余熱鍋爐實(shí)物圖1.3 工作原理燃燒設(shè)備出來(lái)

7、的高溫?zé)煔饨?jīng)煙道輸送至余熱鍋爐入口，再流經(jīng)過熱器、蒸發(fā)器和省煤器，最后經(jīng)煙囪排入大氣，排煙溫度一般為150180，煙氣溫度從高溫降到排煙溫度所釋放出的熱量用來(lái)使水變成蒸汽。鍋爐給水首先進(jìn)入省煤器，水在省煤器內(nèi)吸收熱量升溫到略低于汽包壓力下的飽和溫度進(jìn)入鍋筒。進(jìn)入鍋筒的水與鍋筒內(nèi)的飽和水混合后，沿鍋筒下方的下降管進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量開始產(chǎn)汽，通常是只用一部分水變成汽，所以在蒸發(fā)器內(nèi)流動(dòng)的是汽水混合物。汽水混合物離開蒸發(fā)器進(jìn)入上部鍋筒通過汽水分離設(shè)備分離，水落到鍋筒內(nèi)水空間進(jìn)入下降管繼續(xù)吸熱產(chǎn)汽，而蒸汽從鍋筒上部進(jìn)入過熱器，吸收熱量使飽和蒸汽變成過熱蒸汽。根據(jù)產(chǎn)汽過程的三個(gè)階段對(duì)應(yīng)三個(gè)受熱面，即省煤

8、器、蒸發(fā)器和過熱器，如果不需要過熱蒸汽，只需要飽和蒸汽，可以不裝過熱器。當(dāng)有再熱蒸汽時(shí)，則可加設(shè)再熱器。1.4 余熱鍋爐的分類與特點(diǎn)按余熱的性質(zhì)可分為以下幾大類: 1.高溫?zé)煔庥酂?:它是常見的一種形式,其特點(diǎn)是產(chǎn)量大 ,產(chǎn)點(diǎn)集中 , 連續(xù)性強(qiáng) , 便于回收和利用 , 其帶走熱量占總熱量4050%,該余熱鍋爐回收熱量 ,可用于生產(chǎn)或生活用熱及發(fā)電。2. 高溫爐渣余熱 :如高爐爐渣 ,轉(zhuǎn)爐爐渣 ,電爐爐渣等 ,該爐渣溫度在1000以上 ,它帶武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書3 走的熱量占總熱量的20%。3.高溫產(chǎn)品余熱 :如焦?fàn)t焦碳 ,鋼錠鋼坯 ,高溫鍛件等 ,它一般 溫度.很高

9、,含有大量余熱 .。4.可燃廢氣、廢液的余熱 :如高爐煤氣 ,煉油廠的催化裂化再生廢氣,造紙廠的黑液等 ,它們都可以被利用。5.化學(xué)反應(yīng)余熱 :如冶金 ,硫酸,磷酸,化肥,化纖,油漆等工業(yè)部門 ,都產(chǎn)生大量的化學(xué)反應(yīng)余熱。6.冷卻介質(zhì)余熱 :如工業(yè)爐窯的水套等冷卻裝置排出的大量冷卻水,各種汽化冷卻裝置產(chǎn)出的蒸汽都含有大量的余熱,它們都可 以被合理利用。7.冷凝水余熱 :各工業(yè)部門生產(chǎn)過程用汽在工業(yè)過程后冷凝減時(shí)所具有的物理顯熱。由于余熱是與其它生產(chǎn)設(shè)備及工藝密切相關(guān),故余熱利用又具有以下特點(diǎn): 1. 熱負(fù)荷不穩(wěn)定 ,主要有工藝生產(chǎn)過程所決定。2.煙塵的成分 ,濃度,粒度差別比較大，從而使鍋爐的

10、受熱面布置受影響,必須考慮防磨、堵灰及除塵。3.煙氣成分的多樣性 ,使有的煙氣具有腐蝕性。 如煙氣中的二氧化硫 ,煙塵或爐渣中的各種金屬和非金屬元素等都可能對(duì)余熱設(shè)備產(chǎn)生低溫或高溫腐蝕和積灰。4.受安裝物所固有條件的限制。如有的對(duì)鍋爐進(jìn),出煙口標(biāo)高的限制 ;有的對(duì)鍋爐排煙溫度的限制 ,使其滿足生產(chǎn)工藝的要求。1.5 余熱鍋爐現(xiàn)狀及發(fā)展目前，國(guó)外利用余熱發(fā)電的新趨勢(shì)，是單機(jī)功率小，載熱體溫度低 (即利用中低溫余熱發(fā)電)。國(guó)內(nèi)也有一些利用余熱發(fā)電， 如炭黑工業(yè)中的低熱值尾氣余熱和硫酸工業(yè)中的硫酸余熱發(fā)電等， 所發(fā)的電能主要供工廠自用。 目前，已把如何利用中低溫的低品位余熱發(fā)電，作為開發(fā)節(jié)能新技術(shù)的

11、重要課題。余熱鍋爐是一種理想的節(jié)能設(shè)備，它不但能節(jié)約能源，而且對(duì)提高主流程的質(zhì)量，減輕公害和滿足某些工藝流程要求，都起著十分重要的作用?，F(xiàn)有的余熱鍋爐按進(jìn)鍋爐的介質(zhì)特性，有以下幾種主要型式：(1)廢煙氣不需要進(jìn)一步處理的余熱鍋妒；(2)廢煙氣需要進(jìn)一步處理的余熱鍋爐；(3)廢煙氣要進(jìn)一步處理，且其冷卻應(yīng)在給定的間時(shí)內(nèi)完成的余熱鍋爐；(4)固體顯熱的余熱鍋爐武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書4 近十幾年，余熱鍋爐技術(shù)發(fā)展十分迅猛。七十年代初我國(guó)著手并開始實(shí)施發(fā)展余熱鍋爐的規(guī)劃。從1974 年到 1980 年，先后投資擴(kuò)建余熱鍋爐研究和制造基地，現(xiàn)已形成具有一定的余熱鍋爐研制能力以及

12、科研基礎(chǔ)。至今已開發(fā)并制造了涉及15 個(gè)類剮、 74 個(gè)品種、101個(gè)規(guī)格的余熱鍋爐2000余臺(tái)。我國(guó)余熱鍋爐產(chǎn)品技術(shù)水平，除少數(shù)接近或達(dá)到國(guó)際上同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平外，大多數(shù)相當(dāng)于國(guó)外五，六十年代的水平，其主要差距反映在以下幾個(gè)方面；(1)熱利用率低；(2)自控水平落后；(3)積灰率高和清除效果差 (特別是有色冶煉工藝中的余熱鍋爐)。實(shí)踐證明，余熱鍋爐在各企業(yè)的節(jié)能中發(fā)揮了相當(dāng)有效的作用，獲得了較好的經(jīng)濟(jì)效益， 其投資一般可在3 4 年內(nèi)回收。余熱鍋爐的作用現(xiàn)已超越了單純的余熱利用，事實(shí)上它的作用與工藝流程現(xiàn)代化和防止環(huán)境污染方面已無(wú)法截然分開，所以各種類型的余熱鍋爐相繼問世。我國(guó)近幾年產(chǎn)量每

13、年約在400500蒸噸之間，尚不能滿足市場(chǎng)的需要。據(jù)預(yù)測(cè)， 1990年，全國(guó)余熱鍋爐需要量在1000蒸噸年以上。隨著技術(shù)的進(jìn)步，今后工業(yè)部門將普遍采用高能效的先進(jìn)工藝流程，這樣能源的有效利用率提高，高溫余熱資源總量相應(yīng)減少，而中、低溫余熱資源相應(yīng)增長(zhǎng)。因此，余熱利用技術(shù)將由高溫余熱回收技術(shù)轉(zhuǎn)向中，低溫和固體顯熱的余熱回收利用技術(shù)，但在近期仍以發(fā)展高溫余熱回收的鍋爐產(chǎn)品為主。如干法熄焦余熱鍋爐，化鐵爐余熱鍋爐，轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐等。當(dāng)然也必須為今后開發(fā)中、低溫和固體顯熱回收的余熱利用技術(shù)以及城市垃圾焚燒余熱鍋爐開展一些科研工作，以加快設(shè)計(jì)，制造各種類型、容量和參數(shù)的余熱鍋爐，滿足來(lái)來(lái)市場(chǎng)的需求。余熱鍋

14、爐是機(jī)械產(chǎn)品及余熱發(fā)電設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，因此發(fā)展余熱鍋爐，振興余熱鍋爐行業(yè)，也是振興機(jī)械工業(yè)和電力工業(yè)，促進(jìn)產(chǎn)品上質(zhì)量、上品種和上水平不可缺少的環(huán)節(jié)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，建議采取以下措施：1改進(jìn)老式產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品，趕上世界先進(jìn)水平；2在產(chǎn)品開發(fā)中，科研設(shè)計(jì)要與推廣應(yīng)用相結(jié)合；3加強(qiáng)與國(guó)外的技術(shù)交流，借鑒國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)；4制定必要的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)政策，發(fā)揮科研人員的工作積極性。武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書5 2 小型余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 控制方案選擇隨著控制理論的發(fā)展，越來(lái)越多的智能控制技術(shù)，如自適應(yīng)控制、模型預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，被引入到鍋爐過熱蒸汽

15、溫度控制中。但這些控制技術(shù)主要是為了改善和提高控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，并沒有從引起過熱蒸汽溫度波動(dòng)的源頭入手。通常，煙氣溫度過高是引起過熱蒸汽溫度過高的主要原因。一般，過熱蒸汽溫度在煙氣擾動(dòng)下延遲較小，而在減溫水量擾動(dòng)下延遲較大，這種特性將使過熱蒸汽溫度的控制滯后。蒸汽溫度系統(tǒng)則是余熱鍋爐系統(tǒng)安壘正常運(yùn)行，確保蒸汽品質(zhì)的重要部分。本設(shè)計(jì)主要考慮的部分是余熱鍋爐蒸汽溫度系統(tǒng)的控制。蒸汽溫度系統(tǒng)包括一級(jí)過熱器、減溫器、二級(jí)過熱器?？刂迫蝿?wù)是使過熱器出口溫度維持在允許范圍內(nèi)，并保護(hù)過熱器時(shí)管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高或過低，對(duì)余熱鍋爐運(yùn)行及蒸汽用戶設(shè)備都是不利的，過熱蒸汽溫度過高，過熱

16、器容易損壞，汽輪機(jī)也因內(nèi)部過度的熱膨脹而嚴(yán)重影響安全運(yùn)行；過熱溫度過低，一方面使設(shè)備的效率降低，同時(shí)使汽輪機(jī)后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，引起葉片磨損，所以必須把過熱器出口蒸汽的溫度控制在規(guī)定范圍內(nèi)。余熱鍋爐過熱蒸汽系統(tǒng)主要由一級(jí)過熱器、減溫器和二級(jí)過熱器組成，在鍋爐生產(chǎn)過程中，過熱蒸汽溫度是整個(gè)汽水通道中最高的溫度。過熱器溫度過高將導(dǎo)至過熱器損壞，同時(shí)還會(huì)危及汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。過熱器溫度過低則將使設(shè)備效率降低，影響經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。影響過熱蒸汽溫度的因素很多，其中主要的有：過熱器是一個(gè)多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制要求存在若矛盾，各種擾動(dòng)因素之聞相互影響，如蒸汽量、鍋爐給水溫度、流經(jīng)過熱器的煙

17、氣溫度及流速的變化等。而對(duì)各種不同的擾動(dòng)，過熱蒸汽溫度的動(dòng)態(tài)特性也各不相同。因此，過熱蒸汽溫度控制的主要任務(wù)就是：(1) 克服各種干擾因素，將過熱器出口蒸汽溫度維持在規(guī)定允許的范圍內(nèi)，從而保持蒸氣品質(zhì)合格：(2) 保護(hù)過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。本設(shè)計(jì)主要以控制減溫水流量的變化來(lái)闡述對(duì)蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。2.1.1 單回路控制方案單回路控制系統(tǒng)是最基本的控制系統(tǒng)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，易于調(diào)整，操作維護(hù)比較方便，又能滿足多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的控制要求，應(yīng)用十分廣泛。在運(yùn)行過程中。改變減武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書6 溫水流量， 實(shí)際上是改變過熱器出口蒸汽的熱度，亦改變進(jìn)口

18、蒸汽溫度。 從動(dòng)態(tài)特性上看，這種調(diào)節(jié)方法是最不理想的。減溫器有表面式和噴水式兩種。減溫器應(yīng)盡可能地安裝在靠近蒸汽出口處，但一定要考慮過熱器材科的安全問題，這樣能夠獲得較好的動(dòng)態(tài)特性。但作為控制對(duì)象的過熱器，由于管壁金屬的熱容量比較大，使之有較大的熱慣性。加上管道較長(zhǎng)有一定的傳遞滯后，如果用下圖所示的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器接受過熱器出口蒸汽溫度t 變化后，調(diào)節(jié)器才開始動(dòng)作，去控制減溫水流量的變化又要經(jīng)過一段時(shí)向才能影響到蒸汽溫度t 這樣，既不能及早發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)，又不能及時(shí)反映控制的效果，將使蒸汽溫度t 發(fā)生不能允許的動(dòng)態(tài)偏差。影響鍋爐生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。2.1.2 串級(jí)控制方案過熱器出口蒸汽溫度串級(jí)控制

19、系統(tǒng)采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器，這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起，各有其特殊任務(wù)，調(diào)節(jié)閥直接受調(diào)節(jié)器1 的控制，而調(diào)節(jié)器1 的給定值受到調(diào)節(jié)器2 的控制，形成了特有的雙閉環(huán)系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器和減溫器出口溫度形成的閉環(huán)稱為副環(huán)。由主調(diào)節(jié)器和主信號(hào) 出口蒸汽溫度，形成的閉環(huán)稱為主環(huán)，可見副環(huán)是串在主環(huán)之中。調(diào)節(jié)器 2 稱主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器1 稱為副調(diào)節(jié)器。將過熱器出口蒸汽溫度調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)，不是用來(lái)控制調(diào)節(jié)閥而是用來(lái)改變調(diào)節(jié)器2 的給定值，起著最后校正作用。串級(jí)系統(tǒng)是一個(gè)雙回路系統(tǒng)， 實(shí)質(zhì)上是把兩個(gè)調(diào)節(jié)器串接起來(lái)，通過它們的協(xié)調(diào)工作，使一個(gè)被控量準(zhǔn)確地保持為給定值。通常串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工

20、作頻率低。串級(jí)控制系統(tǒng)可以看作一個(gè)閉合的副回路代替了原來(lái)的一部分對(duì)象，起了改善對(duì)象特征的作用。 除了克服落在副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過渡過程。串級(jí)控制由于副環(huán)的存在，改善了對(duì)象的特性，使等效副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，系統(tǒng)的工作頻率提高。同時(shí)，由于串級(jí)系統(tǒng)具有主、副兩只控制器，使控制器的總放大倍數(shù)增大，系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)。2.1.3 最終選擇方案經(jīng)過比較，只有串級(jí)控制方案才能滿足課程設(shè)計(jì)題目要求。武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書7 2.2 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖煙氣溫度煙氣溫度給定煙氣流量煙氣流量副參數(shù)主參數(shù)圖 3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖主被控變量為溫度，副被控變量為鍋

21、爐內(nèi)的水溫，控制變量為流入鍋爐的水流量，干擾變量為前一個(gè)工序產(chǎn)生的煙氣流量和溫度由上圖可知，主控制器的輸出即副控制器的給定，而副控制器的輸出直接送往控制閥。主控制器的給定值是由工藝規(guī)定的，是一個(gè)定制，因此，主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)中， 兩個(gè)控制器串聯(lián)工作， 以主控制器為主導(dǎo)， 保證主變量穩(wěn)定為目的，兩個(gè)控制器協(xié)調(diào)一致，互相配合。若干擾來(lái)自副環(huán)，副控制器首先進(jìn)行“ 粗調(diào)” ，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行 “ 細(xì)調(diào)” 。2.3 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖蒸汽出口煙氣出口排水給水煙氣入口過熱

22、器圖 4 余熱鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理圖注：t1t 為主變送器t1c 為主控制器t2t 為副變送器t2c 為副控制器t2ct1ccct1tt2t主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)閥門鍋爐內(nèi)水溫出口蒸汽溫度副變送器主變送器武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書8 3 元件選擇及控制器參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 溫度傳感器及變送器3.1.1 溫度傳感器工業(yè)裝置中使用量最大的是熱電偶溫度計(jì)和熱電阻溫度計(jì)。熱電偶能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，具有性能穩(wěn)定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時(shí)間小等優(yōu)點(diǎn)， 一般用于測(cè)量 500以上的高溫，可以在1600高溫下長(zhǎng)期使用。熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種溫度檢測(cè)器。它的主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，

23、性能穩(wěn)定。其中鉑電阻溫度傳感器精度高， 穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣， 是中低溫區(qū)（-200400）最常用的一種溫度檢測(cè)器， ，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。本系統(tǒng)的被控溫度在600以下，并要求維持在360恒定，對(duì)精度有一定要求（要求精度等級(jí)為 1.6） ，而熱電偶主要用于中高范圍的溫度測(cè)量，并且精度也不如熱電阻高，故本系統(tǒng)選擇鉑熱電阻（pt100）作為蒸汽溫度傳感器（精度等級(jí)0.2） 。三線制 pt100 要求引出的三根導(dǎo)線截面積和長(zhǎng)度均相同，測(cè)量鉑電阻的電路一般是不平衡電橋，鉑電阻作為電橋的一個(gè)橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰

24、的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差，所以本系統(tǒng)采用三線制接法。3.1.2 溫度變送器一體化溫度變送器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)省引線、輸出信號(hào)大、抗干擾能力強(qiáng)、線性好、顯示儀表簡(jiǎn)單、固體模塊抗震防潮、有反接保護(hù)和限流保護(hù)、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，可直接替換普通裝配式熱電偶、熱電阻。其輸出為統(tǒng)一的420ma 信號(hào)，可與微機(jī)系統(tǒng)或其它常規(guī)儀表匹配使用。綜上所述，本系統(tǒng)采用一體化溫度變送器。一體化溫度變送器一般由測(cè)溫探頭（熱電偶或熱電阻傳感器）和兩線制固體電子單元組成。采用固體模塊形式將測(cè)溫探頭直接安裝在接線盒內(nèi)，從而形成一體化的變送器。一體化溫度變送

25、器一般分為熱電阻和熱電偶型兩種類型。sbwz 熱電阻溫度變送器是ddz 系列儀表中的現(xiàn)場(chǎng)安裝式溫度變送單元。它采用二線傳送方式（兩根導(dǎo)線作為電源輸入，信號(hào)輸出的公用傳輸線）。將熱電偶、熱電阻信號(hào)變換成輸入電信號(hào)或被測(cè)溫度或成線性的420ma 的輸出信號(hào)，變送器可以安裝于熱電偶、熱電阻的接線盒內(nèi)與之形成一體化結(jié)構(gòu)。它作為新一代測(cè)溫儀表可廣泛應(yīng)用于冶金、武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書9 石油化工、電力、輕工、紡織、食品、國(guó)防以及科研等工業(yè)部門。sbwz 一體化溫度變送器主要技術(shù)指標(biāo)：1、輸入：熱電阻 pt100、cu50、cu100 熱電偶 k、e、s、b、t、j、n 2、輸出：

26、在量程范圍內(nèi)輸出420ma 直流信號(hào)可與熱電阻溫度計(jì)的輸出電阻信號(hào)成線性，可與熱電阻溫度計(jì)的輸入溫度信號(hào)成線性；可與熱電偶輸入的毫伏信號(hào)成線性，也可與熱電偶溫度計(jì)的輸入溫度信號(hào)成線性。3、基本誤差： 0.2% ( 小于 1.6%) 4、傳送方式：二線制5、變送器工作電源電壓最低12v，最高 35v，額定工作電壓24v。6、負(fù)載：極限負(fù)二載電阻按下式計(jì)算( m a x )5 0(1 2 )lm mrv即 24v 時(shí)負(fù)載電阻可在 0600范圍內(nèi)選用，額定負(fù)載250。7、環(huán)境溫度影響 0.05%/8、正常工作環(huán)境：a、環(huán)境溫度-25+80b、相對(duì)濕度 5%95% c、機(jī)械振動(dòng) f55hz 振幅 0.

27、15mm2.3 調(diào)節(jié)閥查詢 sbwz 系列溫度變送器的型號(hào)，sbwz-2460 測(cè)溫范圍為 0600，傳感器分度號(hào)為 pt100，適用于本系統(tǒng)，故選擇sbwz-2460 溫度變送器作為系統(tǒng)的檢測(cè)環(huán)節(jié)。熱電阻三線制變送器安裝接線圖如圖4 所示pt100+-24v調(diào)節(jié)器+-變送器圖 5 溫度變送器接線圖武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書10 3.2 調(diào)節(jié)閥在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是常用的執(zhí)行器?？刂七^程是否平穩(wěn)取決于調(diào)節(jié)閥能否準(zhǔn)確動(dòng)作，使過程控制體現(xiàn)為物料能量和流量的精確變化。所以，要根據(jù)不同的需要選擇不同的調(diào)節(jié)閥。選擇恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)閥是管路設(shè)計(jì)的主要問題，也是保證調(diào)節(jié)系統(tǒng)安全和平穩(wěn)運(yùn)行

28、的關(guān)鍵。3.2.1 調(diào)節(jié)閥氣開、氣關(guān)作用方式選擇根據(jù)工藝要求及安全生產(chǎn)的因素考慮，一旦發(fā)生事故，系統(tǒng)失控時(shí)，供水調(diào)節(jié)閥應(yīng)該處于全開的位置，使過熱器不致因給水中斷而燒壞，避免事故，所以調(diào)節(jié)閥采用氣關(guān)式閥門。3.2.2 調(diào)節(jié)閥流量特性選擇關(guān)于調(diào)節(jié)閥流量特性的確定，應(yīng)滿足在整個(gè)調(diào)節(jié)過程中，對(duì)象特性的變化能通過調(diào)節(jié)閥的特性變化得到補(bǔ)償，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)中廣義對(duì)象的特性盡可能穩(wěn)定，保證調(diào)節(jié)質(zhì)量。系統(tǒng)中控制對(duì)象的工作點(diǎn)比較穩(wěn)定、調(diào)節(jié)閥兩端的壓差也比較穩(wěn)定，閥門的開度基本上保持在一個(gè)固定的位置上， 閥門的放大系數(shù) kv 變化不大，對(duì)象的放大系數(shù) kv 也變化不大，此種情況下，不論是線性特性還是對(duì)數(shù)特性都可以。本系

29、統(tǒng)選擇線性流量特性的調(diào)節(jié)閥。3.3 控制器設(shè)計(jì)由上文論述可知，系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)選擇串級(jí)控制。3.3.1 控制器控制規(guī)律的選擇在串級(jí)控制中，主變量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量或生產(chǎn)的安全，所以主變量一般要求不得有余差，而對(duì)副變量的要求一般都不很嚴(yán)格，允許有一定的波動(dòng)和余差。從串級(jí)控制的結(jié)構(gòu)上看，主環(huán)是一個(gè)定制系統(tǒng)，主控制器起著定值控制作用，為使其穩(wěn)定，主控制器通常選用比例積分控制器，對(duì)于本系統(tǒng)由于控制通道容量之后較大，為克服容量滯后，選用比例積分微分控制器作為主控制器。副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的給定值隨主控制器輸出的變化而變化，為了加快跟蹤，副控制器一般不帶積分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器輸出稍

30、有變化，控制閥就將大幅度變化，這對(duì)控制系統(tǒng)很不利，故副控制器只選用比例控制器。武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書11 3.3.2 控制器正、反作用選擇對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器正、反作用的選擇順序應(yīng)該是先副后主。副控制器的正、反作用要根據(jù)副環(huán)的具體情況決定，而與主環(huán)無(wú)關(guān)。為了使副環(huán)回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號(hào)必須為“ 負(fù)” ，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為 “ 負(fù)” 。在本設(shè)計(jì)中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對(duì)象即減溫器后端蒸汽溫度會(huì)降低，所以調(diào)節(jié)閥對(duì)副對(duì)象的作用為“ 負(fù)” ；而調(diào)節(jié)閥為氣開閥，即其控制作用為 “ 正” ，所以副調(diào)節(jié)器的控

31、制作用應(yīng)為負(fù)作用。主控制器的正、反作用要根據(jù)主環(huán)所包括的各個(gè)環(huán)節(jié)的情況來(lái)確定，同時(shí)可將副回路視為一放大倍數(shù)為 “ 正” 的環(huán)節(jié)來(lái)看待，因?yàn)楦被芈肥且噪S動(dòng)系統(tǒng)。這樣只要根據(jù)主對(duì)象與主變送器放大倍數(shù)的符號(hào)及整個(gè)主環(huán)開環(huán)放大倍數(shù)的符號(hào)為“ 負(fù)” 的要求，就可以確定主控制器的正、反作用。在本系統(tǒng)中，主對(duì)象的放大倍數(shù)為的符號(hào)為“ 正” ， 所以主控制器應(yīng)選 “ 負(fù)”作用。3.3.3 控制器的電路實(shí)現(xiàn)主控制器采用 pid 調(diào)節(jié)器，副控制器采用p 調(diào)節(jié)器，可以使用單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)p、i、d 的調(diào)節(jié)作用，也可以直接使用模擬電路搭建pid 調(diào)節(jié)模塊，在實(shí)際生產(chǎn)中，大多采用制作成型的 pid 模塊以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)

32、行。3.3.4 調(diào)節(jié)器選型本系統(tǒng)采用 ksc5 智能 pid 控制儀， ksc5 pid 控制儀可以與各類傳感器、變送器配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、液位、成份等過程量的定值控制。產(chǎn)品特點(diǎn)：0.2%fs 高精度，自校準(zhǔn)和人工校準(zhǔn)功能。克服長(zhǎng)時(shí)間使用和環(huán)境溫度變化引起的誤差對(duì)傳感器的修正功能，幫助減小傳感器誤差，有效提高系統(tǒng)的測(cè)量、控制精度多重保護(hù)、隔離設(shè)計(jì)，抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高豐富的軟件功能及方便的操作界面完善的網(wǎng)絡(luò)通訊功能。與計(jì)算機(jī)進(jìn)行高速、高效的雙向數(shù)據(jù)交換。具備遠(yuǎn)程調(diào)試、診斷、數(shù)據(jù)采集能力良好的軟件平臺(tái)，具備二次開發(fā)能力，以滿足特殊的功能要求詳細(xì)技術(shù)參數(shù)如下 : 輸入信號(hào) : 武漢理工大學(xué)調(diào)

33、節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書12 熱電阻： pt100、cu100、cu50、ba1、ba2、g 可通過設(shè)置選擇。熱電偶： k、s、r、b、n、e、j、t 可通過設(shè)置選擇直流電流信號(hào)： 420ma、010ma、020ma 可通過設(shè)置選擇直流電壓信號(hào)： 15v、05v 可通過設(shè)置選擇精度：測(cè)量周期： 0.3s 控制周期： 0.3s75.0s可設(shè)置測(cè)量精度： 0.2%fs 1 個(gè)字，自動(dòng)對(duì)溫漂、時(shí)漂進(jìn)行補(bǔ)償測(cè)量分辨率： 1/16000、14位 a/d 轉(zhuǎn)換器顯示范圍： -19999999 熱電阻輸入導(dǎo)線電阻：小于20熱電偶輸入冷端補(bǔ)償范圍：060，精度 1設(shè)定精度：與顯示值一致無(wú)相對(duì)誤差調(diào)節(jié)

34、方式：自整定pid 連續(xù)控制或 on/off 控制比例帶： 0.2%999.9% 積分時(shí)間： 0s9999s 微分時(shí)間： 0s3999s 操作輸出限幅范圍： -6.3106.3% 報(bào)警: 報(bào)警方式，報(bào)警靈敏度可設(shè)置報(bào)警輸出接點(diǎn)容量： 220v ac，3a（阻性負(fù)載 ）傳感器故障繼電器輸出（擴(kuò)展功能）控制輸出： 420ma、010ma、020ma 可通過設(shè)置選擇精度： 0.3%fs 位式控制輸出：繼電器接點(diǎn)輸出或控固態(tài)輸出外供電源：大于 30ma 電源電壓： v0：187242v ac 耗電量 5va 以下 v1：2028v dc 耗電量 4va 以下工作環(huán)境：溫度： 050 濕度：低于 90r

35、h 溫度變送器與 ksc5 的接線圖如圖 5 所示。武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書13 圖 6 溫度變送器ksc5接線圖3.5 控制器參數(shù)整定3.5.1 主變量的選擇串級(jí)控制系統(tǒng)選擇主變量時(shí)要遵循以下原則：在條件許可的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目的的參數(shù)為主變量；其次要選擇與控制目的有某種單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；所選的主變量必須有足夠的變化靈敏度。綜合以上原則，在本系統(tǒng)中選擇送入負(fù)荷設(shè)備的出口蒸汽溫度作為主變量。該參數(shù)可直接反應(yīng)控制目的。3.5.2 副變量的選擇副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵。副變量的選擇應(yīng)遵循以下原則： 應(yīng)使主要干擾和更多的

36、干擾落入副回路； 應(yīng)使主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)匹配； 應(yīng)考慮工藝上的合理性、可能性和經(jīng)濟(jì)型綜合以上原則，選擇鍋爐內(nèi)的水溫作為副變量。3.5.3 控制變量的選擇工業(yè)過程的輸入變量有兩類：控制變量和擾動(dòng)變量。其中，干擾時(shí)客觀存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的因素，而操縱變量是克服干擾的影響，使控制系統(tǒng)重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素。操縱變量的基本原則為： 選擇對(duì)所選定的被控變量影響較大的輸入變量作為控制變量； 在以上前提下，選擇變化范圍較大的輸入變量作為控制變量，以便易于控制； 在的基礎(chǔ)上選擇對(duì)被控變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，使控制系統(tǒng)武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書14 響應(yīng)較快；綜合以

37、上原則，選擇流入鍋爐的水流量為控制變量。3.5.4 調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定調(diào)節(jié)器參數(shù)整定方法可以簡(jiǎn)單歸結(jié)為理論計(jì)算法和工程整定法兩大類。理論計(jì)算法要求知道被控過程的數(shù)學(xué)模型，由于難以獲得被控過程精確的數(shù)學(xué)模型，因而理論計(jì)算法在工程上較少采用。工程整定法不需要對(duì)象特性的數(shù)學(xué)模型，可直接在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)整定，方法簡(jiǎn)單、操作方便、容易掌握，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。常用的工程整定方法有穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法和經(jīng)驗(yàn)法。首先進(jìn)行副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定：通過衰減曲線法整定出結(jié)果kp=1 然后再進(jìn)行主調(diào)節(jié)器參數(shù)整定，根據(jù)系統(tǒng)特性，采用衰減曲線法進(jìn)行參數(shù)整定如下：1 首先取it，0dt，比例度 p置于較大數(shù)值，

38、將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。2 等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值做階躍擾動(dòng)，然后觀察其過渡過程。若過渡過程振蕩衰減太快，則減小比例度。反之亦然。如此反復(fù)，直到衰減比為4：1，并記錄對(duì)應(yīng)的比例度sp3 按照表 1 所給的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值p、it 和dt ，并按計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)。表 1 衰減比為 4:1 時(shí)，衰減曲線法整定參數(shù)計(jì)算表p (%) itdtp sppi1.2sp0.5sppid0.2sp0.3sp0.1sp控制對(duì)象為出口蒸汽溫度，器傳遞函數(shù)為：13390120ssg得出主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值為：p=8.4, ti=12.8/8.4, td= 0 整定參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律武漢理工大學(xué)調(diào)節(jié)儀表與過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)說明書15 4 調(diào)節(jié)過程分析假設(shè)出口蒸汽溫度過高，由于調(diào)節(jié)器是反作用，所以主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)會(huì)變小，即副調(diào)節(jié)器設(shè)定值變小，另外從蒸汽溫度過高可以分析出鍋爐內(nèi)水溫也過高，這就造成副調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)變小。 最終造成氣關(guān)式閥門的開度變大，給水量增大， 使鍋爐內(nèi)水溫降