自动化综合设计报告锅炉汽包水位调节系统pid参数衰减比例度法整定.docx
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自动化综合设计报告锅炉汽包水位调节系统pid参数衰减比例度法整定
锅炉汽包水位调节系统PID参数衰减比例度法整定
摘要
锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。
锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分，因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。
锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要。
为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。
锅炉水位控制系统是过路生产控制系统中最重要的环节。
锅炉是一种特种设备，是工业生产中的常用设备。
对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。
这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。
而对水位的控制不当，往往是汽包受到蒸汽负荷干扰后，产生虚假水位，使控制器反向动作。
本文在分析了锅炉汽包水位特性的基础上，以KPS2000软件为模拟锅炉运行平台，设计出了锅炉汽包水位控制系统方案，测定锅炉上汽包的特性曲线，依据衰减比例度法进行PID控制参数整定，达到了1/4衰减振荡过程的整定目标。
关键词：
单冲量衰减比例读法虚假水位KPS2000
目录：
第一章概述…………………………………………………………………………3
第二章KPS2000使用介绍…………………………………………………………4
2.1软、硬件环境要求……………………………………………………4
2.2系统安装及程序运行…………………………………………………4
2.3用户界面………………………………………………………………6
2.4锅炉实验页面…………………………………………………………7
2.5操作面板………………………………………………………………7
2.6调节器操作说明………………………………………………………8
第三章控制系统参数调试…………………………………………………………14
3.1仿真图及各部件的功能………………………………………………14
3.2调节器操作说明………………………………………………………15
3.2ＰＩＤ参数整定过程…………………………………………………16
第四章第四章PID控制器设计过程……………………………………………25
4.1PID参数整定方法（衰减曲线法）…………………………………25
4.2P调节器设计…………………………………………………………26
4.3PI调节器设计………………………………………………………27
4.4PID调节器设计………………………………………………………27
第五章 自动化综合设计总结……………………………………………………28
参考文献……………………………………………………………………………29
第一章概述
世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。
在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。
锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。
对过滤生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。
工业锅炉中常见的事故有：
锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。
其中以锅炉缺水事故比例最高。
汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。
随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。
这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负载设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。
在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。
无论满水或缺水都会造成事故。
因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。
维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。
若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。
若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。
随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。
随着锅炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。
另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。
因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。
第二章KPS2000软件使用介绍
2.1软、硬件环境要求
硬件环境：
PC586/166以上机器，8MB内存，10MB硬盘
软件环境：
Windows95,Windows98,WindowsNT,Windows2000
2.2系统安装及程序运行
2.2.1．系统安装
1．把《KPS2000实验仿真系统》光盘放入光驱中，建议在安装前关闭所有正在运行的应用程序。
2．运行光驱根目录下的Setup.exe文件。
3．出现《KPS2000实验仿真系统安装向导》的画面，阅读屏幕上的提示信息，单一[下一步]继续安装。
4．根据提示信息选择相应选项，单击[下一步]，至安装结束。
2.2.2．安装软件狗
1、将软件狗插入到计算机的并行口。
2、运行安装光盘SoftDog目录中的Instdrv.exe（如：
E:
\Softdog\instdrv.exe），出现界面：
根据提示继续下面的安装。
2.2.3．程序运行
1、通过桌面快捷方式启动程序
安装程序将自动在桌面产生实验仿真系统的快捷方式启动触标，双击启动触标，可以启动程序，进入实验项目主界面。
2、通过开始菜单启动仿真实验程序
选择"开始"菜单中的"程序"子菜单中的"北京思创系统工程"，单击"KPS2000"命令，可以启动程序，进入实验项目主界面。
2.3用户界面
主窗口界面
实验的主窗口界面如下:
界面上有可供选择的七个实验和两种调节器,可以用鼠标直接进行选择。
每选中一项，窗口中会出现相关说明。
选择完实验和调节器种类以后，屏幕右下角的"开始"按钮将被激活，此时点击"开始"按钮即可进入所选择的实验。
2.4锅炉实验系统界面
锅炉实验中手动阀和泵的操作同水槽实验。
是风门，点击它弹出与阀门开度相同的界面，操作方法也相同。
为点火按钮，点火时，按住此按钮并保持至炉膛有火焰出现，则点火成功。
2.5操作面板界面
2.5.1KMM操作面板
KMM有三个可操作面板：
前面板、数据设定器和辅助开关，其具体操作方法见KMM使用说明相关部分。
2.5.2PMK操作面板
PMK有三个可操作面板：
前面板、数据设定单元和硬手操单元，其具体操作方法见调节器使用说明相关部分。
2.5.3实验相关面板
1、手动阀的操作界面
单击实验场景中的手动阀门将会弹出手动阀的操作界面，如右图所示。
图中方框中显示数字为阀门开度，范围是0-100，要改变阀门开度，用鼠标拖动
到所需的位置。
也可以在开度显示框中直接输入所需的开度。
然后用鼠标左键单击窗口右上角的
关闭窗口，面板上的数据将被自动保存。
2、DDZ-III型表的操作界面
单击DDZ-III型调节器，弹出其操作界面如右图所示。
DDZ-III调节器控制面板设计，复合了控制方式切换、PV、SP显示、手操输出等功能，可以方便地进行操作。
图中
指示的是测量值，
指示的是调节器的输出值，中间为给定值。
其中，除测量值显示框之外，其余的文本框都可以直接输入。
手动、自动的切换，正、反作用的选择以及内、外给定的选择，直接用鼠标单击相应的位置就可以完成。
最后单击窗口右上角的
关闭窗口，所有的数据将被自动保存。
3、泵的操作界面
实验所用泵如下所示：
停止运行
使用鼠标单击泵，切换泵的状态。
2.6调节器操作说明
2.6.1KMM可编程调节器
1、KMM前面板
选择“调节器”菜单中的“KMM操作面板”命令或单击
按钮，或直接点击实验场景中KMM的前面板，弹出KMM前面板的操作界面。
是调节器的调节方式选择按钮，在按下按钮的同时，其上方的相应状态灯将会变亮。
为复位按钮，其上的灯是联锁与自整定判别指示灯。
"AH""AL"分别是PV上、下限报警指示灯。
灯"CPU.F"在调节器发生异常，CPU停止的状态下亮。
"COM"灯在通讯进行过程中亮。
是给定值设定按钮，每按动一次，设定值改变1%，如果按住不放，设定值会连续变化。
前面板左侧刻度盘为测量值和给定值的刻度盘，红色指针指示测量值，绿色指针指示给定值。
黑色指针是记忆指针，可以直接用鼠标拖动。
在前面板下方的刻度盘是输出的刻度盘，红色指针指示输出值，黑色指针也是记忆指针，同样可以用鼠标直接拖动。
是输出设定按钮，在调节器为手动方式时，可以通过这两个按钮直接改变输出值的大小。
2、KMM数据设定器
选择“调节器”菜单中的“KMM数据设定器”命令或单击
按钮，或直接点击实验场景中KMM的数据设定器，弹出KMM数据设定器的操作界面如图所示。
数据设定器的操作方法与真实的KMM相同，其上键的功能和具体操作请参见《附录一KMM使用说明》中的数据设定器部分。
3、KMM辅助开关
选择“调节器”菜单中的“KMM辅助开关”命令或单击
按钮，或直接点击实验场景中KMM的辅助开关，弹出KMM辅助开关的操作界面如图所示。
DSPCHG用于改变调节器正面板PV、SP指针所指示的内容。
ENT为数据写入许可开关，它控制在数据设定器进行各种参数变更时，允许数据送入的开关。
此开关为ON时，按数据设定器的ENTRY键，数据就被送入。
开关为OFF时，数据输入无效。
INT初始启动开关，开关置ON时，一接通电源，在数据设定器上设定好的参数消失，预先在KMM编程器中设定好的初始值被“读入”。
WRT“写”许可开关，当需要把通信系统的数据“写入”本仪表时，将此开关放到ON；若切换到OFF，数据就写不进来。
R/D-1、R/D-2正反作用切换开关，用来指定PID1和PID2的正反作用。
R为反作用，D为正作用。
4、PID数据表
PID数据表完成对所使用的最多两个PID进行设定，提供其基本属性参数和附加功能及参数。
选择“调节器”的“组态数据表”中的“PID数据表”或直接点击
图标，弹出PID数据表填写界面。
填写完成以后，单击“确定”按钮，退出数据填写操作，返回实验操作界面。
若想重新填写，则单击"重置"按钮。
5、折线数据表
折线数据表TBL完成对输入处理所使用的折线表的填写工作。
按照有关折点可以进行线性内插计算，实现非线性处理。
折线数据表最多能设定三条折线，其中折线表TBL1的折点数据可以通过数据设定器在线更改。
选择“调节器”的“组态数据表”中的“折线数据表”或直接点击图标
，弹出折线数据表填写界面。
填写完成以后，单击“确定”按钮，退出数据填写操作，返回实验操作界面。
若想重新填写，则单击"重置"按钮。
6、可变参数数据表
可变参数数据表完成对某些需要在系统运行中随时调整的参数的初始设定。
这些参数分百分型（最多20个）和时间型（最多5个）两类。
在运行过程中可以通过数据设定器随时调整。
选择“调节器”的“组态数据表”中的“可变参数表”或直接点击图标
，弹出可变参数数据表填写界面。
填写完成以后，单击“确定”按钮，退出数据填写操作，返回实验操作界面。
若想重新填写，则单击"重置"按钮。
7、运算单元数据表
运算单元数据表提供对组态图设计所使用的算法模块进行分别设定，实现模块的软连接。
选择“调节器”的“组态数据表”中的“模块数据表”或直接点击图标
，弹出算法模块数据表填写界面。
填写完成以后，单击“确定”按钮，退出数据填写操作，返回实验操作界面。
若想重新填写，则单击"重置"按钮。
8、输出处理数据表
输出处理数据表完成对输出接线端子与运算单元的内部软连接。
选择“调节器”的“组态数据表”中的“输出数据表”或直接点击图标
，弹出输出表填写界面。
填写完成以后，单击“确定”按钮，退出数据填写操作，返回实验操作界面。
若想重新填写，则单击"重置"按钮。
提示：
用鼠标或方向箭头，可选中表格中的单元格。
控制系统参数调试
第三章锅炉汽包水位调节系统PID参数衰减比例度法整定
3.1仿真图及各部件的功能
1．省煤器
对冷水进行预加热处理，使燃料得到充分的利用，从而起到节省燃料的作用。
2．预热器
对冷水进行加热处理；以及降低蒸汽温度，达到反复加热的目的，使蒸汽中不含有液态水。
3．鼓风机和引风机
鼓风机
引风机
4．冷凝壁
对炉膛进行降温，使水的温度升高。
5．抽水泵
6．上汽包和缓冲气罐
上汽包
缓冲气罐
7．回流线路
作用是调节给水水压
3.2实验调节过程
1．填写组态数据表，其中如果有不需要用到的数据，相应的表不必填写。
2．单击"实验"菜单中的"开始"命令或点击工具栏上的
，开始运行实验。
3．锅炉上水：
在除氧器V102工作正常的条件下，单击P101，启动给水泵。
单击V101，弹出操作界面，调节阀门开度使出口压力为5.0Mpa。
打开KMM前面板，手动控制给水调节阀LV101，使给水流量约10t/h,锅炉开始上水。
稍后可加大给水流量，并观察上汽包液位LI101上升，直至达到50%左右。
打开数据记录仪，记录汽包液位LI101的趋势曲线。
4．燃料系统的投运：
单击PIC104，弹出其操作面板，将调节器设为手动，手动调节输出值，缓慢打开调节阀PV104，燃料气进入缓冲气罐V101。
当PIC104指示达0.3MPa时，将PIC104控制回路投自动（设定值为0.3MPa）。
5．锅炉点火：
将手阀V103和V104的开度置于100%。
把鼓风机风门HV101、引风机风门HV102开度均置于100%。
启动鼓风机P102、引风机P103，先通风一段时间使炉膛内不含可燃性气体后，将引风机风门HV102调至30%～50%开度。
按住点火按钮至炉膛有火焰出现。
单击PIC103，将调节器设为手动，并手动调节PIC103输出值，控制调节阀PV103的开度，逐渐加大燃料气流量。
6．锅炉升压：
严格按照锅炉的升压要求，继续手控调节器PIC103，使锅炉缓慢平稳地升压。
当蒸汽压力达0.7～0.8MPa时，逐渐关闭上汽包放空阀V103。
当TIC101指示过热蒸汽温度达400℃时，手动调节TIC101输出值，逐渐开启调节阀TV101A投入减温器，使过热蒸汽温度达到正常值（440℃）。
继续手控调节器PIC103，使蒸汽压力逐渐平稳至3.6MPa后保持3分钟，准备锅炉并汽。
7．锅炉并汽：
确认蒸汽压力稳定在3.62～3.67MPa范围内，蒸汽温度不低于400℃，上汽包水位在50%左右。
缓慢开主汽阀V102至20%左右开度。
当蒸汽压力稳定到3.77MPa时，将PIC103投自动（设定值为3.77MPa）。
缓慢关闭过热蒸汽放空阀V104。
8．负荷提升：
逐渐开大主汽阀V102，将锅炉负荷提高到20t/h左右。
手控TIC101，当过热蒸汽温度稳定在448℃左右时，将TIC101投自动（设定值为448℃）。
逐渐开大主汽阀V102，提升锅炉负荷至35t/h左右，注意用鼓风机风门调整烟气出口氧含量值AI101在0.9%～3.0%。
继续缓慢开大主汽阀V102，平稳提升负荷至65t/h，提升速度每分钟不超过3～5t/h。
锅炉达到额定负荷后，最后将上汽包水位控制LIC101（和FIC101）投入自动（设定值为50%）。
至此，锅炉进入正常运行状态。
如图１所示：
图１
3.2PID参数整定过程
3.2.1P调节器参数整定
P调节器单独作用时实验数据如下：
δ
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
19.0
1.05
0.25
4.200
18.7
1.05
0.26
4.038
18.5
1.06
0.26
4.077
18.2
1.06
0.27
3.926
结论：
由以上实验数据可以得出，当δ由大到小变化时，衰减比也由大到小变化，而当δ=18.7时，锅炉上汽包液位变化曲线符合4：
1的衰减比，趋势图如图2和图3所示。
图2
图3
由此可得δS=18.7。
衰减曲线法整定控制器参数经验公式如下表所示：
控制器类型
控制器参数整定
δ%
最小TI
最小TD
P
δS
无
无
PI
1.2δS
0.5TS
无
PID
0.8δS
0.3TS
0.1TS
由此可以计算出：
PI调节器时，δ=1.2×18.7=22.4，TI=0.5×1.5=0.75；
PID调节器时，δ=0.8×18.7=15，TI=0.3×1.5=0.45，TD=0.1×1.5=0.15.
3.2.2PI调节器参数整定
PI调节器作用时，实验数据如下：
δ
TI
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
22.4
0.75
1.02
0.18
5.67
22.4
0.5
1.02
0.18
5.67
22.4
0.2
1.03
0.23
4.48
22.4
0.18
1.03
0.25
4.12
22.4
0.17
1.03
0.26
3.96
22.4
0.15
1.03
0.3
3.34
结论：
由以上实验数据可以得出，当δ一定，TI由减小时，衰减比也减小，而当δ=22.4，TI=0.17时，锅炉上汽包液位变化曲线符合4：
1的衰减比，趋势图如图4和图5所示。
图4
图5
在此PI参数控制下，加人干扰进行系统稳定性验证。
当蒸汽流量开度变化时，实验数据如下表所示：
蒸汽开度变化（%）
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
50-60
3.05
0.78
3.91
60-70
2.05
0.52
3.94
70-80
1.43
0.36
3.97
80-90
1.03
0.26
3.96
90-100
0.75
0.19
3.95
改变液位设定值时，实验数据如下表所示：
液位设定变化（%）
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
50-55
2.76
0.71
3.89
55-60
2.77
0.72
3.85
结论：
在此参数控制下，不管是蒸汽流量开度发生变化，还是液位设定变化时，该系统的液位响应曲线都能达到或接近４：
１的衰减比，由此可知，该PI控制参数符合要求。
液位设定值由50%到55%变化曲线如图6和图7所示：
图6
图7
液位设定值由55%到60%变化曲线如图8和图9所示：
图8
图８
图9
3.2.3PID调节器参数整定
PID调节器作用时，实验数据如下：
δ
TI
TD
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
15
0.45
0.15
--
--
--
15
0.4
0.02
1.64
0.34
4.82
15
0.3
0.02
1.63
0.36
4.53
15
0.2
0.02
1.65
0.41
4.02
15
0.18
0.02
1.65
0.44
3.75
15
0.1
0.03
2.16
1.03
2.10
由以上实验数据可以得出当δ=15，TI=0.18，TD=0.02时，蒸汽负荷发生变化，锅炉上汽包液位变化曲线符合4：
1的衰减比，趋势图如图10和图11所示。
图10
图11
当蒸汽流量开度变化时，实验数据如下表所示：
蒸汽开度变化（%）
峰值x1
峰值x2
衰减比x1/x2
50-60
4.35
1.14
3.82
60-70
3.11
0.87
3.57
70-80
2.24
0.59
3.80
80-90
1.65
0.41
4.02
90-100
1.21
0.3
4.03
结论：
在此PID参数控制下，当蒸汽负荷发生变化，该锅炉汽包水位单冲量控制系统能达到或接近4：
1的衰减比，所以该PID参数符合要求。
第四章PID控制器设计过程
4.1PID参数整定方法（衰减曲线法）
4.2P调节器设计
比例控制器的输出u（t）与偏差e成比例，比例增益KC对控制品质影响极大。
纯比例控制器控制下的系统被控变量会产生余差，从图3和图4加入干扰稳定过后的曲线就可以看出。
这是比例控制的显著特点。
比例控制器的比例增益KC对被控变量过渡过程的影响是：
比例增益越大，残差越小，但是系统稳定性下降。
在扰动阶跃变化下，随着KC的增大，最大偏差减小，稳定性降低，振荡频率提高。
在设定值变化时，随着KC的增大，振荡倾向变强，稳定性下降。
在对P控制器参数进行反复的实验中，我们可以从系统阶跃响应趋势图中看到，比例度δ对系统的动静态性能都有影响，对静态性能的影响是δ越小，残差越小。
对系统的动态性能影响是系统振荡加剧，稳定性下降。
在实验中，我们由大到小的对比例度δ进行调整，系统对中阶跃扰动的响应曲线衰减越来越弱，衰减比成减小的趋势，当小到一定程度时，就达到了等幅振荡的临界状态，继续减小，系统就不稳定了。
所以我们选择工程上当衰减比达到4：
1时的P参数值作为对其它参数进行设定的依据，然后些基础上进行调整，至到达到要求。
4.3PI调节器设计
I作用引入控制规律，其目的是消除余差。
TI越小，积分作用越强，在一般的控制器中，TI可在数秒至数十分钟的范围内调整。
虽然积分作用能够有效消除系统的余差，但积分控制器很少单独使用。
因为积分作用比较慢，需要误差的累积达到一定程度才能产生较为明显的控制作用。
因此通常是将积分用和比例作用一起使用，这样就可以使I控制器对偏差的响应提高很多。
在对I控制器参数进行整定的实验中，我们可以从系统对阶跃扰动响应曲线看到，I作用对系统的动静态性能都有影响，TI越小时，系统的动态性能恶化，振荡加剧，稳定时间加长，快速性变差，但控制器的控制作用增强了，系统的静态性能得到了很好的改善。
为了维持原有系统的稳定性，P控制器的增益应该降低。
在不断对I控制器参数TI的调整中，我们得到了系统对阶跃干扰响应的4：
1衰减曲线，从而确定了PI控制器的参数，然后我们通过加入改变蒸汽出汽阀门的开度和汽包水位设定值等干扰进行验证，系统都能很好的达到4：
1的衰减比。
因此该PI控制器的参数就确定了。
对于液位控制系统，PI控制器就能达到满意的效果，从实验中我们也得出了这样的结论。
4.4PID调节器设计
微分控制作用是通过误差的变化率来预报误差信号的未来变化趋势。
它通过提供超前作用使得被控过程趋于稳定，用来抵消积分作用带来的不稳定趋势。
PI
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