1、第一章 工程實例1、三沖量汽包液位控制系統(tǒng)應用1.1 三沖量控制系統(tǒng)的構(gòu)成在三沖量控制系統(tǒng)中， 汽包液位、蒸汽流量及給水流量等 3 個被控變量會安 裝相應的調(diào)節(jié)器， 在鍋爐運行的過程中， 這三個信號作用于調(diào)節(jié)器， 會適時調(diào)整， 做相應的改變。在三沖量控制系統(tǒng)中，汽包液位、蒸汽流量、給水流量都是串聯(lián)關系，其中 汽包液位是三者中的主沖量， 能夠反映整個汽包的工作狀態(tài)和運行狀況； 而蒸汽 流量和給水流量分別擔任輔助沖量， 蒸汽流量就是一個前饋系統(tǒng)， 通過這個系統(tǒng)， 能夠消除“假液位”現(xiàn)象，保證整個系統(tǒng)的準確性；給水流量是一個反饋系統(tǒng)， 它能夠副回路減少水壓改變對汽包液位的影響。主沖量和輔助沖量之間相

2、互配 合、相互影響，共同保證前饋 - 串級反饋的三沖量控制系統(tǒng)的正常有效運行。1.2 三沖量控制系統(tǒng)的工作原理三沖量控制系統(tǒng)的工作原理是： 將三個信號中的汽包液位當做主信號， 當鍋 爐中的水位改變時， 與之相對應的調(diào)節(jié)器輸出也會發(fā)生相應的變化， 在此基礎上 的給水流量也會發(fā)生改變， 這樣就能夠使鍋爐的水位達到給定值。 在這個過程中， 蒸汽流量充當著前饋作用， 其作用是防止“假液位”干擾調(diào)節(jié)器的工作。 而給水 流量充當著反饋的作用， 當前饋的蒸汽流量發(fā)出干擾信號時， 給水流量會在鍋爐 水位未改變之前，消除這種干擾，使調(diào)節(jié)器正常工作，使給水流量更加穩(wěn)定。1.3 三沖量控制系統(tǒng)在鍋爐汽包液位中的應用

3、在鍋爐生產(chǎn)中，三沖量控制系統(tǒng)作為前饋 - 串級反饋系統(tǒng)，其運行遵循著主 控制器的正作用和副控制器的反作用原則。在三沖量控制系統(tǒng)中，流量控制器 FC作為主控制器，起著正作用功能；水位控制器 LC作為副控制器，起著反作用 的功能；而調(diào)節(jié)器則起著調(diào)節(jié)閥的作用。通常當鍋爐的水位升高時， LC 就會產(chǎn)生反作用，其輸出就會相應減少，通 過加法器， FC 的給定值減少，而調(diào)節(jié)器的輸出卻增加，故而要減小調(diào)節(jié)器的閥 門開度，縮小FA2101 （給水流量），使水位下降至給定值。在FAQ2102（蒸汽流量）增加的情況下，F(xiàn)C的給定值會相應的減少，而調(diào)節(jié) 器的輸出增加，故而要擴大調(diào)節(jié)器的閥門開度，增加給水流量，平衡蒸

4、汽流量， 使水位保持在給定值上。當FA2102（給水流量）增加時，F(xiàn)C調(diào)節(jié)器的輸出也會相應增加，這時要減 小調(diào)節(jié)閥開度，減少給水流量，平衡蒸汽流量，保持水位不變。另外，在選擇給 水流量的調(diào)節(jié)閥時， 要保證鍋爐的安全。 比如當生產(chǎn)的熱源是蒸汽時， 就應該選 擇氣關閥來保護鍋爐； 而當蒸汽的供給超過蒸汽壓縮機時， 就應該選擇氣開閥來 保護鍋爐設備。通過三沖量控制系統(tǒng)，能夠利用調(diào)節(jié)器的開關閥對鍋爐生產(chǎn)中的汽包液位、蒸汽流量和給水流量進行有效調(diào)節(jié)，消除了 “虛假液位”現(xiàn)象，保證水位的穩(wěn)定， 很好地控制了鍋爐汽包液位，保證整個鍋爐系統(tǒng)和整個生產(chǎn)工藝的安全可靠，同 時也促進了鍋爐生產(chǎn)技術的改進和完善。2.

5、系統(tǒng)控制流程圖圖1-1系統(tǒng)控制的程序流程圖第2章標準節(jié)流裝置設計及計算程序設計1.給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性鍋爐的給水系統(tǒng)，汽包液位的動態(tài)特性似乎與單容水槽一樣， 但是實際情況 卻要復雜的多。其中最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量的蒸汽氣 泡的水，而蒸汽氣泡的總體積是隨著氣泡壓力和爐膛熱負荷的變化而改變的。如果有某種原因使蒸汽泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)中的總水量沒有變化， 汽包水位也會隨之發(fā)生改變。汽包液位過高會造成蒸汽帶水，影響汽水分離效果；水位過低容易使水全部被汽 化燒壞鍋爐。影響汽包液位的因素，除了加熱汽化外，還有蒸汽負荷和給水流量 的波動，當負荷突然增大、汽包壓力突然降低時

6、，水就會被急劇汽化，出現(xiàn)大量 氣泡，形成“虛假液位”。根據(jù)所給任務書中的要求，水位H與給水W之間的傳遞函數(shù)為一個一階對象，時 間常數(shù)為5s，靜態(tài)放大倍數(shù)為 &2.系統(tǒng)控制框圖單級三沖量控制系統(tǒng)如下圖所示:圖2-1三沖量控制系統(tǒng)從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路： 一個是由給水 流量W給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的回路；另一個是由汽包水位對象和 回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之。 但 它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。 所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。綜上所述，本系統(tǒng)應選用水位串級控制。 主回路用于直

7、接控制水位，主調(diào)節(jié) 器一般都采用比例積分動作，維持水位不變。副回路是流量系統(tǒng)，副調(diào)節(jié)器可以 用比例或比例積分動作。結(jié)合題意設計系統(tǒng)框圖如下：其中，Hr水位設定值W -給水量H -水位值Gc1(s)主控制器Gc2(s)副控制器Gp(s)被控對象傳遞函數(shù)Kd蒸汽流量檢測變送器放大倍數(shù)Kw給水流量檢測變送器放大倍數(shù)Kh水位檢測儀表放大倍數(shù)第 3 章 調(diào)節(jié)閥選型及計算1. 給水流量計的選擇及KW的計算根據(jù)所給離心泵的參數(shù)，給水壓力3MPa水流量為25T/h。正常的蒸汽量為 10T/h ，因此在穩(wěn)定的情況下，需要的給水量應等于蒸發(fā)量，即正常的給水量為 10T/h 。選擇輸入量程所對應的給水流量為 20T

8、/h。輸出量程為420mAKW =（20-4）/ （20-0 ）=0.8mAh/T1.1蒸汽流量計的選擇及KD的計算根據(jù)所給的蒸汽流量穩(wěn)定值為 10T/h ，選擇輸入量程所對應的蒸汽流量為 20T/h. 輸出量程為 420mA。KD=（20-4 ）/ （20-0 ）=0.8mA/T1.2調(diào)節(jié)閥的選擇及Ku的計算選擇電動調(diào)節(jié)閥，輸入量程為 420mA輸出量程為025T/h。Ku=（25-0）/（20-4）=1.56T/hmA1.3差壓式水位測量儀表及KH的計算根據(jù)題目所給的最大允許波動為土 30mm因此儀表輸入選擇為土 60mm輸出 為 420mA。KH=（20-4）/（60-（-60）=0.1

9、33mA/mm2. PID 控制器的參數(shù)整定首先，對副環(huán)進行整定， 由上面選擇的調(diào)節(jié)器可以得到， 副環(huán)是一個比例環(huán) 節(jié)，因此在整定副環(huán)時，只要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性就可以了。 其次，對主環(huán)進行整定，先將 PI 調(diào)節(jié)器的積分常數(shù)置成無窮大，然后給比例系 數(shù)，若系統(tǒng)響應衰減太快，則減小比列帶；反之，系統(tǒng)響應衰減過慢，應增大比 例帶。通過不斷調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定，然后調(diào)節(jié)積分常數(shù) Ti ，最終得到的是一個衰 減比在 4：110：1 的衰減震蕩過程。各個調(diào)節(jié)器的參數(shù)如下：副調(diào)節(jié)器： K2=5主調(diào)節(jié)器： K1=8 ， Ti=0.38s ，=0.135， 衰減比為 10：1其衰減振蕩的曲線如下：圖3-1衰減振蕩曲線3

10、.鍋爐汽包水位總體設計的仿真圖3-2串級三沖量控制系統(tǒng) SIMULINK仿真模型得到的響應曲線如下圖所示108642001002003004005006007008009001000圖3-3串級三沖量控制系統(tǒng)響應曲線仿真結(jié)果分析：串級三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上優(yōu)越，響應 曲線平穩(wěn)，對蒸汽流量擾動的抑制也很強。4.硬件設計實現(xiàn)控制過程為：利用由高亮二極管和光敏三極管所組成的液位傳感器把液 位的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成模擬信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809把輸出狀態(tài)直接接到 單片機的I/O接口，單片機經(jīng)過運算控制，輸出地數(shù)字信號再通過DAC0832轉(zhuǎn)化成為模擬信號。4.1控制器的選擇選擇51單片機作為

11、系統(tǒng)控制器。首先給出鍋爐水位的正常工作圍，由 于水不斷蒸發(fā)使水位下降，8051單片機發(fā)出控制信號，控制執(zhí)行機構(gòu)，使給 水閥門開打，注水量增加，水位恢復到規(guī)定圍；當水位高于規(guī)定值時，8051單片機再次發(fā)出控制信號，使給水閥門變小，注水量降低，水位又恢復到規(guī) 定圍。51單片機與AD和 DA的接口連接如下圖所示：圖3-4 51單片機與AD和DA的接口4.2控制的程序框圖圖3-5系統(tǒng)控制的程序流程圖4.3 AD轉(zhuǎn)換器AD轉(zhuǎn)換器選擇ADC0809,ADC0809是一種逐次比較式的8路模擬輸入，8路數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。AD轉(zhuǎn)換器的電路設計：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC腳輸出高電平，此時單片機接收EOC言號，

12、讀取AD 轉(zhuǎn)換的結(jié)果，將EOC腳經(jīng)反相器與單片機的INT0腳相連。AD轉(zhuǎn)換結(jié)果由P0 口讀入，故將AD轉(zhuǎn)換器的輸出與單片機P0 口相連，高低位依次相連。 經(jīng) 以上分析，設計AD轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示P2110P2.06922P222321A?A|25NT0 217、7iD-PD.7IP止D-PD.&ikkD-P0.5IESIE192021aCLOCKSTARTENABLEALEADD-AEOCbb2-82-72-62-52-32-2 itisbS-1ADCO8C91-5VIN-7IN-6IN-5ININ-3IN-2IN-1IN-012< ADIM >圖3-6 AD轉(zhuǎn)換器的

13、接口電路4.4DA轉(zhuǎn)換器DA轉(zhuǎn)換器選擇DAC0832QAC083是具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的8位DAC, 它能直接與51單片機相連。DA轉(zhuǎn)換器的電路設計：選擇DAC為單緩沖方式，即輸入寄存器工作于受控狀態(tài)，DAC寄存器處于直通狀態(tài)，由DAC0832勺引腳特性，將DAC0832勺引腳接發(fā)如下：CS片選端，低電平有效，直接接低電平ILE :數(shù)據(jù)鎖存允許控制端，高電平有效，直接接高電平。WR2DAC寄存器寫選通控制端，低電平有效，由于其處于直通狀態(tài)，故直接 接低。XFER數(shù)據(jù)傳送控制，低電平有效，故直接接地WR1第一級輸入寄存器寫選通控制，低電平有效。其輸入為上升沿時，將 輸入數(shù)據(jù)鎖存到DAC寄存器，

14、故將該腳與單片機P2.2 口相連，由程序控制經(jīng)以上分析，設計DA轉(zhuǎn)換器的接口電路如圖所示I1112L11I MlT«ut2WIT。1312十 卜LM32A9Rfb寸3Vref1LE WE2 WRl91SA112K.2©DAC3S321 2 一 3 4 5 £ I Tx I- I- -T- ID p D D D DnisbDncs圖3-7 DA轉(zhuǎn)換器的接口電路7Pl0gPL.l5Pl.24Pl.316 P1.4IT-P1.5 而P1伍 IT"P1.7第四章 課程設計心得通過這次過程控制課程設計，我們感觸頗深，不僅對書上學習的知識 進行了復習與鞏固， 而且還

15、培養(yǎng)了我獨立思考與解決問題的能力。 通過將近 一周的努力， 我終于在規(guī)定的時間完成了任務。 是我更加深刻地理解了鍋爐 液位的三沖量控制， 而且將我在眾多專業(yè)課程上所學到的知識相結(jié)合， 更進 一步提高了我們綜合運用知識的能力。 通過課程設計將所學到的專業(yè)知識聯(lián) 系在一起，我們明白了理論知識的重要性和應用圍的寬廣，加深了對專業(yè)、 對工程設計的理解。 讓我更加明白了在生產(chǎn)實際中， 不能對書面的知識生搬 硬套，要具體問題具體分析，才能正確快速的解決問題。另外，還讓我懂得 了在設計制造的道路上，需要不斷地探索與創(chuàng)造，堅持不懈，持之以恒。這 次的設計經(jīng)歷讓我受益匪淺。完成了這次設計以后，對我以后的生活和工作都有很大的幫助，鍛煉 了自己的動手能力， 讓自己對所學的知識進行了一個升華， 更深入的了解了 這門課程的真諦，我以后也應該多多動手，不能只學習課本上的理論知識， 應該更多地把理論和實際結(jié)合到一起， 這樣才能學有所用。 為了讓自