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1、辽 宁 工 学 院 课 程 设 计 说 明 书 （论文）过程控制系统课程设计（论文）题目： 10吨燃气锅炉燃烧系统的设计 本科生课程设计（论文）摘 要在大型合成氨工厂中，蒸汽锅炉担负着向全厂提供蒸汽的任务。它正常运行与否，将直接关系到合成氨生产的全局。因此，必须对蒸汽锅炉的正常运行采取一系列的保护性措施。其中蒸汽锅炉的燃烧系统就是采取保护性措施项目之一。本设计采用双闭环比值控制系统和反馈控制系统结合的方法综合控制合成氨蒸汽锅炉，本设计着重考虑了燃料气管线的脱火和回火问题。关键词：合成氨；10t蒸汽锅炉；双闭环比值控制系统；反馈控制系统目 录第1章 绪论11.1 结合设计概括发展技术11.2 过
2、程控制装置与系统的发展趋势1第2章 课程设计的方案论证32.1 课程设计的方案32.2 方案概述32.3 系统的结构4第3章 器件选型及硬件设计63.1 调节阀气开气关的选择63.2 调节器正反作用的选择63.3 仪器的选型6第4章 控制规律的选择84.1 调节规律的比较84.2 调节规律的选择及参数的整定8第5章 系统分析及数据的处理105.1 被控对象建模方法的确定105.2 机理法建立被控对象的数学模型105.3 仿真12第6章 课程设计总结15参考文献16III第1章 绪论1.1 结合设计概括发展技术19世纪工业革命以来，工业成产过程经历了由简单到复杂、规模由小到大的不断发展，出现了许
3、多大型化、现代化、多品种、精细化的过程生产系统，提供各种产品以满足人们的需要。由于生产领域的不断扩展、系统规模不断扩大、工艺要求越来越高，对过程控制的功能、效率和可靠性提出了更高的要求，如果没有高性能的过程控制系统，则大型的生产过程根本无法实现正常运行。过程控制技术是自动化技术的重要应用领域，随着生产技术水平迅速提高与生产规模的持续扩大，对过程控制系统的要求越来越高，促使过程控制理论研究不断发展，同时，理论研究成果在电子技术、计算机技术的基础上不断地转化为自动化产品与系统，以满足生产过程不断发展的需要。生产实际问题、控制理论研究和控制系统产品的开发三者互相促进、共同推动着现代化过程控制技术的迅
4、速发展。现代过程控制系统技术在优化生产系统的经济、技术指标、提高经济效益和劳动生产率、改善劳动条件、保护生态环境等方面发挥着越来越大的作用。1.2 过程控制装置与系统的发展趋势20世纪40年代以前，工业生产技术水平相对落后，生产过程大多处于手工操作状态，操作工通过目测判断生产过程的状态，手动调整生产过程，生产效率很低，40年代以来，特别是第二次世界大战以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，过程控制技术发展十分迅速，过程控制系统主要经历了以下几个时期：局部自动化阶段、集中控制阶段、集散控制阶段。进入20世纪90年代以后，随着测量仪表数字化、通信系统网络化和集散
5、型控制技术日益成熟、现场总线技术以及基于现场总线技术的网络化分布式控制系统逐步推广、使用，使过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。工厂自动化、计算机集成过程控制、计算机集成制造系统和企业资源综合规划等方案的规划和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。在过程控制技术的发展中，控制策略与算法也经历了由简单到复杂控制、先进控制的发展历程，通常将1942年的单回路PID控制成为简单控制，以经典控制理论为基础的PID过程控制应用最多的控制规律，现在仍在各种过程控制系统中广泛应用，在DCS以及逻辑控制为主的大型PLC系统中，均设有PID控制模块。第2章 课程设
6、计的方案论证2.1 课程设计的方案设计要求中要考虑蒸汽锅炉所用的燃料为天然气或其它燃料气，工艺要求控制蒸汽压力为3.80.1Mpa，燃料气管线既要考虑“脱火”又要考虑“回火”的保护问题。脱火是指火焰短，火焰根部离开了灶具火孔一段距离燃烧，有时燃烧一会就熄灭，这种现象称为脱火。产生脱火的主要原因是一次空气量过多，产生气流速度大于燃烧速度所造成的。回火是指火焰在引射管内燃烧，并发出响声，此时火焰内外锥不再分明，有时点火是由于气量过小会发生回火并发出“喷”的一声，回火是由于燃烧速度大于气流速度所造成的。所以系统采用单闭环比值控制系统，以天然气的量为主控对象，当锅炉内气压发生变化时，只需调节主对象的值
7、即可，副对象会自动与主对象保持一定的比例关系。由于需要控制锅炉内的压力，当燃气的热值不变时考虑到锅炉内的压力与燃气的供给量成一定的函数关系，又考虑到系统的经济性与可行性，只需在单闭环控制系统的基础上增加一个单回路反馈控制系统即可。通过压力变动器测量锅炉内的压力，经过控制器的计算控制和改变燃气管道调节阀的开度即可实现合成氨锅炉内的压力控制。2.2 方案概述本设计采用单闭环比值控制系统配合单回路反馈控制系统的方法实现合成氨锅炉内压力的控制，系统具有结构简单、易于实现、经济等优点，在简单的控制场合和对系统要求不高的场合有很强的适用性。本设计采用比值控制系统可保证系统的安全生产，在合成氨的生产中，如果
8、比例失调会影响生产的正常进行，影响产品质量，造成环境污染，甚至引发生产事故，在锅炉燃烧系统中要保证燃料和空气的合适比例，才能保证燃烧的经济性，在合成氨的生产中，天然气的量和空气的量要保持一定的比例关系，若氧-天然气的比例过高时，因炉内温度过高使天然气的燃烧嘴和耐火砖烧坏，严重时甚至引起炉子的爆炸；如果比例过低时，则会造成炭黑增多，发生堵塞燃烧嘴的现象，这都是工业生产中所不允许的。所以基于系统的安全性和经济性，本设计采用了比值控制系统，而天然气的量是要根据炉内气压变化的，所以本系统采用单闭环比值控制系统。2.3 系统的结构如图2.1所示为系统结构图 图2.1 系统结构图Gc1Go1Gm1Gc2G
9、v2Go2Gm2Gv1+-+-Gm3Gc3如图所示图2.1是系统的结构框图,通过压力变送器检测锅炉内压力，锅炉内压力与天然气的量成一定的函数关系，压力检测完成后，检测到的压力信号通过控制器调节天然气管道阀的开度，系统采用的是单闭环比值控制系统，所以空气的进气量与天然气的进气量成比例关系。如图2.2是系统的结构框图 图2.2 系统结构框图 如图2.2 为系统结构框图,Gm1是压力变送器的传递函数， Gm2是空气输送管道流量变送器的传递函数，Gm3是天然气管道流量变送器的传递函数， Gc1天然气管道流量变送器对应的控制器的传递函数， Gc2是空气管道阀控制器的传递函数，Gc3是压力变送器对应的控制
10、器的传递函数，Go1是被控对象天然气流量的传递函数，Go2是被控对象空气流量的传递函数，Gv1天然气管道调节阀的传递函数，Gv2是空气管道调节阀的传递函数。第3章 器件选型及硬件设计3.1 调节阀气开气关的选择本设计需要控制的对象为天然气，属于易燃易爆物质，因此所有仪表均采用气动式仪表。调节阀开、关作用方式的选择主要以不同生产工艺条件下，人员安全、生产安全、系统及设备安全的需要为首要依据。气开调节阀随着控制信号的增加而开度加大，当午压力信号时，阀门处于全关闭状态；与之相反，气开式调节阀随着压力信号的增加，阀门逐渐关小，当无信号时，阀门处于全开状态。本设计被控对象为锅炉压力，当设备发生故障时，需
11、要系统停止加热，即没有压力信号时，阀门处于全关状态，所以阀门采用气开式。本设计采用的是上海方高阀门制造有限公司的ZJHP气动单座调节阀。此调节阀价格较为经济。3.2 调节器正反作用的选择当设定值不变时，随着测量量的增加，调节器的输出也增加，则称之为“正作用”方式；同样，当测量值不变时，设定值减小时，调节器的输出也增加，称为“正作用”方式。反之，如果测量值增加或设定值减小时，调节器的输出减小，则称为“反作用”方式。本设计中被控对象为加热炉内压力，当炉内压力升高时，需要减小燃料的供给，即应当减小调节阀的开度，所以压力变送器应为正作用，炉内压力升高，压力变送器输出的值增大，对应的控制器应为反作用，即
12、对应控制器的输出应当减小。3.3 仪器的选型本设计所采用的仪表均为DDZ-型仪表，电压输出为1-5V，电流输出为4-20mA,气动仪表输出为0.02-0.1MPa，压力变送器采用安徽常辉仪表有限公司的DX133压力变送器。该压力变送器有两个量程0-100KPa和100KPa-60MPa型号，设计要求控制压力在3.8MPa,所以本设计采用100KPa-60MPa量程的压力变送器。流量变送器采用丹东东华测控有限公司的QZL-250AW的气体流量变送器。此流量变送器测量的最大流量为250L/min,电气转换采用常熟市常仪仪表有限公司的QZD1000B-B的电气转换器，输出压力为20KPa-100KP
13、a,气源压力为0.14MPa。调节器采用DTZ-2100S型调节器。可进行PI或PID调节，输出信号给电气转换器，电气转换器驱动气动执行器动作。第4章 控制规律的选择4.1 调节规律的比较比例调节(P)是利用偏差实现控制的，是一种有差调节，比例调节系统的净差随比例度的增大而增大，对于设定值不变的系统，即定值控制系统采用比例调节可使被控参数对设定值实现有差跟踪，但若设定值随时间匀速变化时，其跟踪误差将会随时间的增大而增大，因此比例调节不适合设定值对时间变化的情况。比例调节是最简单的调节，比例调节适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺上没有无差要求的系统。积分调节(I)是无差调节，调节器的输出
14、信号与输入偏差积分成正比关系，积分调节不存在静差，但与比例调节相比，积分调节系统的稳定性差，消除偏差速度比较缓慢，系统的过渡时间长，积分调节使系统的相频特性增加了90的相位滞后。比例积分调节(PI)结合了比例的快速性和积分的无静差，比例积分调节器是适用最普遍的调节器，它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、工艺参数不允许有静差的系统。采用积分调节的调节器要注意防止积分饱和现象发生。比例微分调节(PD)也是有差调节，比例微分环节具有提高系统稳定性、抑制过渡过程最大动态偏差的作用，同时，比例微分调节还有利于提高系统的响应速度，减小系统静差，但比例微分调节存在不足之处，那就是当微分作用太强时，容易导
15、致调节阀的频繁开启，甚至向两端饱和，容易造成震荡，也就是说比例微分调节器的抗干扰能力较差。比例积分微分调节器把比例调节的快速性、积分调节消除静差的能力、微分调节的可预见性结合起来，就构成了比例积分微分调节器（PID）4.2 调节规律的选择及参数的整定比例调节是最简单啊调节规律，它对控制作用和扰动作用的响应都很迅速，比例调节只有一个参数，整定简便，比例调节的主要缺点是存在静差，对象调节通道小、负荷变化与外部扰动小、工艺要求不高、允许有静差的系统，可以选用比例调节。积分调节的特点是没有静差，它的动态偏差最大、调节时间长，只能用于有自衡特性的简单对象，很少单独使用。比例调节既能消除静差，又能产生较积
16、分调节快的多的动态响应，对于一些调节通容量滞后较小、负荷变化不大的调节系统，比例积分调节都可以取得很好的效果。微分作用提高了系统的稳定性，使系统的比例系数增大，加快调节过程，减小动态偏差和静差，在有高频干扰的场合，由于系统对高频干扰特别敏感，Td不能太大，否则会影响系统正常工作，在高频干扰频繁或存在周期性干扰的场合，不能使用微分调节。PID调节是常规调节中性能最好的一种调节器，它综合了各种调节规律的优点，既能改善系统的稳定性，又可以消除静差。对于负荷变化大、容量滞后大、控制品质要求高的控制对象均能适应。本设计要求控制燃烧炉内的压力，应为无差调节，加热过程存在滞后，因此调节器调节规律采用PID调
17、节。调节器的参数整定方法通常有计算法和工程整定法，常用的工程整定法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验试凑法等。稳定边界法不适用于不允许被控参数作较长时间的等幅震荡的场合。相对于稳定边界法，衰减曲线法步骤较为简单，也比较安全。响应曲线法适用于扰动幅值不是太大。相对来说，衰减曲线法比较适合本设计系统的参数整定。下面介绍衰减曲线法的整定方法：首先取Ti=,Td=0，比例度P置于较大的数值，将系统投入自动运行的状态；然后带系统工作平稳后，对设定值做阶跃扰动，观察其过渡过程，若过渡过程震荡衰减太快，就减小比例度P，反之则怎大比例度P。如此反复，知道系统呈现较为理想的震荡过渡过程（衰减比n为4:1
18、，衰减率=0.75），从过渡过程曲线上测出此时的震荡周期Ts,并记录所对应的比例度Ps。通过查表知P=0.8Ps;Ti=0.3Ts;Td=0.1Ts。 若衰减比为4:1的过渡过程仍嫌震荡太强烈，这时可采用衰减比为10:1的震荡过程进行参数整定，方法与衰减比为4:1的参数整定方法相同。第5章 系统分析及数据的处理5.1 被控对象建模方法的确定被控对象的数学模型是描述被控过程在输入作用下，其状态和输出变化的数学表达式。建立被控对象的数学模型有着重要的作用，对选择控制变量、确定控制方案、检测仪表与执行机构选型、以及控制算法、人员培训、被控过程仿真、故障检测与诊断等都有着重要的作用。目前，常用的建模法
19、主要有两种：一是，机理法建模；二是，测试法建模。机理法建模是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出相关的平衡方程。机理法需要充分的先验知识，其优点是能在还没有系统设备之前就得到被控过程的数学模型，这对于控制方案的设计与比较十分有利；测试法建模是通过对被控过程输入、输出的实测数据进行数学处理后求得其数学模型，也成为系统辨识。测试法比机理法简单、通用性强，尤其对复杂生产过程，其优势更为明显。有时用单一的机理法或测试法建立复杂被控过程的数学模型比较困难，就需要用到混合法：对被控过程熟悉的部分采用机理建立数学模型，对不熟悉的部分采用测试法求被控过程的数学模型表达式。综合以上，本设计采用机理法建立被控对
20、象的数学模型。5.2 机理法建立被控对象的数学模型已知控制系统传递函数：燃料流量系统的数学模型：G(s)=空气流量模型：G(s)=引风量与负压关系模型：G(s)=送风量对负压的干扰模型：G(s)=并取：燃料流量至蒸汽压力关系约为：G(s)=4蒸汽压力至燃料流量关系约为：G(s)=1/4燃料流量与控制流量比值：G(s)=2空气流量与燃料流量比值：G(s)=1实现步骤：1、系统稳定性分析 作出伯德图，如果相角裕度Pm0或幅值裕度Gm1，表示系统稳定(1)燃料流量系统数学模型：G(s)= 的伯德图： 图5.1(2)空气流量数学模型G(s)=的伯德图： 图 5.2（3）引风量与负压关系模型G(s)=的
21、伯德图： 图 5.35.3 仿真(1)燃烧控制系统 为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI形式，即：其中，参数Kp和Ki采用稳定边界法整定。先让Ki=0，调整Kp使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图所示：记录此时的振荡周期Tcr=10.7s和比例参数Kcr=3.55,则Kp=Kcr/2.2=1.613，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.188，在Kp=1.613，Ki=0.188的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。调节Kp=1，Ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超
22、调量。图5.4 在Kp=1.613，Ki=0.188的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。调节Kp=1，Ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超调量。(2)蒸汽压力控制系统 在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。系统整定仿真框图如图所示。图5.5第6章 课程设计总结通过这次课程设计，让我学到了许多课堂上学不到的东西，不仅锻炼了我搜集信息、提取信息的能力，而且还教会了我一种做学问的态度。使我深刻的认识到做好一个课程设计是很困难的，而且需要严谨的态度才能完成。因为我所学的知识有限，所以
23、在设计的过程就难免会很吃力并且出现很多错误，这就需要我们有自强不息的能力。本次过程控制课程设计是一个以上学期生产实习为基础的囊括了近三年专业课学习内容的综合性的课程设计。使我们对学过的一些知识进行总结性的学习，是在重新学习基础知识的同时，进行的一次创造性的设计。在设计过程中我认真理解并掌握了每一个相关知识点。使我对理论课的学习有了更好的掌握，在设计的过程中需要查阅各种与设计有关的资料。在不知不觉中就使我对这门课程有了更深的了解，它使我认识到了大学的学习与真正的实践之间的差距，要真正的做到学以致用的路还很的漫长。在设计的过程中与班级同学合作互相探讨，使我体会到集体力量的强大。经过对这些资料的整理
24、、理解和消化，使我对过程控制技术尤其是锅炉的炉膛负压控制技术有了更深一层次的理解。我喜欢做课程设计，因为它不但巩固我所学的基础知识，而且可以提高我的动手能力和动脑能力。参考文献1 周国庆，孙涛.锅炉工安全技术. 北京:化学工业出版社. 2005 2 潘永湘.过程控制与自动化仪表.北京:机械工业出版社 2007 3 刘德昌.锅炉改造技术.北京:中国电力出版社 2000 4 俞金寿，孙自强.过程自动化及仪表.北京:化学工业出版社 2007 5 边立秀，周俊霞，赵劲松，杨建蒙.热工控制系统.北京:中国电力出版社 2001 6 丁崇功.工业锅炉设备.北京:机械工业出版社 20057 张兆杰，乌新平.锅炉安全管理人员培训教程.河南:黄河水利出版社 20078 潘立登，李大宇.过程控制技术原理及运用.北京:中国电力出版社 2007 16
