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1、第一章工程实例1、三冲量汽包液位控制系统应用Io 1三冲量控制系统的构成在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量及给水流量等3个被控变量会安 装相应的调节器,在锅炉运行的过程中，这三个信号作用于调节器,会适时调整， 做相应的改变。在三冲量控制系统中，汽包液位、蒸汽流量、给水流量都是串联关系，其中 汽包液位是三者中的主冲量，能够反映整个汽包的工作状态和运行状况；而蒸汽 流量和给水流量分别担任辅助冲量,蒸汽流量就是一个前馈系统，通过这个系统, 能够消除假液位现象，保证整个系统的准确性;给水流量是一个反馈系统,它能 够副回路减少水压改变对汽包液位的影响.主冲量和辅助冲量之间相互配合、相 互影响，共同保
2、证前馈一串级反馈的三冲量控制系统的正常有效运行。Io 2三冲量控制系统的工作原理三冲量控制系统的工作原理是：将三个信号中的汽包液位当做主信号,当锅 炉中的水位改变时，与之相对应的调节器输出也会发生相应的变化,在此基础上 的给水流量也会发生改变,这样就能够使锅炉的水位达到给定值。在这个过程中， 蒸汽流量充当着前馈作用，其作用是防止“假液位”干扰调节器的工作。而给水流 量充当着反馈的作用,当前馈的蒸汽流量发出干扰信号时,给水流量会在锅炉水位 未改变之前，消除这种干扰,使调节器正常工作，使给水流量更加稳定。K 3三冲量控制系统在锅炉汽包液位中的应用在锅炉生产中，三冲量控制系统作为前馈串级反馈系统，其
3、运行遵循着主 控制器的正作用和副控制器的反作用原则。在三冲量控制系统中，流量控制器 FC作为主控制器，起着正作用功能；水位控制器LC作为副控制器，起着反作用 的功能；而调节器则起着调节阀的作用。通常当锅炉的水位升高时，LC就会产生反作用，其输出就会相应减少，通 过加法器，FC的给定值减少，而调节器的输出却增加，故而要减小调节器的阀 门开度，缩小FA2101（给水流量），使水位下降至给定值.在FAQ2102 （蒸汽流量）增加的情况下,FC的给定值会相应的减少,而调节器 的输出增加，故而要扩大调节器的阀门开度，增加给水流量，平衡蒸汽流量，使 水位保持在给定值上。当FA2102 （给水流量）增加时，
4、FC调节器的输出也会相应增加，这时要减 小调节阀开度，减少给水流量,平衡蒸汽流量，保持水位不变。另外,在选择给水 流量的调节阀时，要保证锅炉的安全。比如当生产的热源是蒸汽时,就应该选择 气关阀来保护锅炉；而当蒸汽的供给超过蒸汽压缩机时，就应该选择气开阀来保 护锅炉设备.通过三冲量控制系统，能够利用调节器的开关阀对锅炉生产中的汽包液位、 蒸汽流量和给水流量进行有效调节，消除了“虚假液位现象,保证水位的稳定，很 好地控制了锅炉汽包液位，保证整个锅炉系统和整个生产工艺的安全可靠,同时 也促进了锅炉生产技术的改进和完善。2.系统控制流程图图1一1系统控制的程序流程图第2章标准节流装置设计及计算程序设计
5、Io给水调节对象的动态特性锅炉的给水系统，汽包液位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况 却要复杂的多.其中最突出的一点就是水循环系统中充满了夹带着大量的蒸汽气 泡的水，而蒸汽气泡的总体积是随着气泡压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如 果有某种原因使蒸汽泡的总体积改变了，即使水循环系统中的总水量没有变化, 汽包水位也会随之发生改变。汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽 化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素,除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量 的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时,水就会被急剧汽化,出现大量气 泡,形成“虚假液位。根据所给任务书中的要求，水
6、位H与给水W之间的传递函数为一个一阶对象, 时间常数为5s,静态放大倍数为8。2o系统控制框图单级三冲量控制系统如下图所示：图2-1三冲量控制系统从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水 流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对 象和内回路构成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回 路之内。但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性.所以 三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。综上所述，本系统应选用水位串级控制。主回路用于直接控制水位，主调节 器一般都采用比例积分动作，维持水位不变。副回路是流量系统，副调节器
7、可以 用比例或比例积分动作.结合题意设计系统框图如下：其中，Hr水位设定值W给水量H-水位值Gcl(s)主控制器Gc2(s)副控制器Gp(s)被控对象传递函数Kd-蒸汽流量检测变送器放大倍数Kw给水流量检测变送器放大倍数Kh一一水位检测仪表放大倍数第3章调节阀选型及计算L给水流量计的选择及KW的计算根据所给离心泵的参数，给水压力3MPa,水流量为25Th.正常的蒸汽量为 10Th,因此在稳定的情况下，需要的给水量应等于蒸发量，即正常的给水量为 10Tho选择输入量程所对应的给水流量为20Tho输出量程为420mAKW= (20-4) /(20-0)=0.8mAhT1.1 蒸汽流量计的选择及KD
8、的计算根据所给的蒸汽流量稳定值为10Th,选择输入量程所对应的蒸汽流量为 20Th.输出量程为420mA.KD=(20-4)(20-0) =Oo 8mAT1.2 调节阀的选择及Ku的计算选择电动调节阀，输入量程为420mA,输出量程为025Th.Ku=(25-0) / (20-4) =1.56ThmAIo 3差压式水位测量仪表及KH的计算根据题目所给的最大允许波动为30mm,因此仪表输入选择为60mm,输 出为420mA。KH= (20-4) / (60- (-60) )=0.133mAmm2c PID控制器的参数整定首先,对副环进行整定,由上面选择的调节器可以得到，副环是一个比例环节, 因此
9、在整定副环时，只要保证系统的稳定性就可以了。其次，对主环进行整定，先将Pl调节器的积分常数置成无穷大，然后给比例系 数,若系统响应衰减太快,则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例 带。通过不断调节是系统稳定，然后调节积分常数Ti,最终得到的是一个衰减比 在4：的衰减震荡过程。各个调节器的参数如下：副调节器:K2=5主调节器：Kl=8 , Ti=O0 38sz=0.135,衰减比为 10： 1其衰减振荡的曲线如下：图31衰减振荡曲线3。锅炉汽包水位总体设计的仿真图3-2串级三冲量控制系统Simulink仿真模型得到的响应曲线如下图所示。图3-3串级三冲量控制系统响应曲线仿真结果分析：串
10、级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上优越，响应曲线 平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也很强。4.硬件设计实现控制过程为:利用由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器把液位的 状态转换成模拟信号，再通过模数转换器ADC0809把输出状态直接接到单片机 的I/O接口，单片机经过运算控制，输出地数字信号再通过DACO832转化成为模 拟信号。4o 1控制器的选择选择51单片机作为系统控制器。首先给出锅炉水位的正常工作范围，由于 水不断蒸发使水位下降,8051单片机发出控制信号,控制执行机构，使给水阀门开 打.，注水量增加，水位恢复到规定范围内；当水位高于规定值时,8051单片机再 次发出控制信号，使给水
11、阀门变小，注水量降低,水位又恢复到规定范围。51单 片机与AD和DA的接口连接如下图所示：图3-4 51单片机与AD和DA的接口4.2控制的程序框图图35系统控制的程序流程图4o 3 AD转换器AD转换器选择ADC0809, ADC0809是一种逐次比较式的8路模拟输入，8 路数字输出的A/D转换器。AD转换器的电路设计：AD转换结束后，EOC脚输出高电平,此时单片机接收EOC信号,读取AD转换 的结果,将EoC脚经反相器与单片机的INTO脚相连。AD转换结果由PO 口读入, 故将AD转换器的输出与单片机PO 口相连，高低位依次相连。经以上分析，设 计AD转换器的接口电路如图所示图3-6 AD
12、转换器的接口电路4.4DA转换器DA转换器选择DAC0832, DAC0832是具有两个输入数据寄存器的8位DAC,它 能直接与51单片机相连。DA转换器的电路设计：选择DAC为单缓冲方式，即输入寄存器工作于受控状态，DAC寄存器处于直 通状态,由DAC0832的引脚特性，将DAC0832的引脚接发如下：CS：片选端，低电平有效，直接接低电平ILE：数据锁存允许控制端，高电平有效，直接接高电平。WR2： DAC寄存器写选通控制端,低电平有效，由于其处于直通状态,故直接接低。XFER：数据传送控制，低电平有效，故直接接地.WR1；第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效。其输入为上升沿时,将输入
13、数据锁存到DAC寄存器，故将该脚与单片机P2.2 口相连，由程序控制。经以上分析,设计DA转换器的接口电路如图所示图3-7 DA转换器的接口电路第四章 课程设计心得通过这次过程控制课程设计,我们感触颇深，不仅对书上学习的知识进行了 复习与巩固，而且还培养了我独立思考与解决问题的能力。通过将近一周的努力， 我终于在规定的时间内完成了任务.是我更加深刻地理解了锅炉液位的三冲量控 制，而且将我在众多专业课程上所学到的知识相结合,更进一步提高了我们综合 运用知识的能力。通过课程设计将所学到的专业知识联系在一起，我们明白了理 论知识的重要性和应用范围的宽广,加深了对专业、对工程设计的理解.让我更加 明白
14、了在生产实际中，不能对书面的知识生搬硬套,要具体问题具体分析，才能 正确快速的解决问题。另外，还让我懂得了在设计制造的道路上，需要不断地探 索与创造，坚持不懈，持之以恒。这次的设计经历让我受益匪浅。完成了这次设计以后，对我以后的生活和工作都有很大的帮助,锻炼了自己 的动手能力，让自己对所学的知识进行了一个升华，更深入的了解了这门课程的 真谛,我以后也应该多多动手，不能只学习课本上的理论知识,应该更多地把理论 和实际结合到一起,这样才能学有所用。为了让自己以后更好的适应到这个行业, 我应该更多的去实践，而不是一味的追求理论知识,这才是我们正确的方向。参考文献lHGT20636-20639-1998,化工装置自控工程设计规定（上下卷）S。2 GB/T2624-1993,流量测量节流装置S.3奚文群，翁维勤。调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计 技术中心站，1991.董德发，张天春.自控工程设计基础M o大庆：大庆石油学院，1999。5王骥程,祝和云。化工过程控制工程M。北京：化学工业出版社，2003
