锅炉出口水温计算机控制系统
2020-08-28李东阳
李东阳
摘 要 新能源现如今越来越重要，这些新型能源还未能达到普及的地步，火力发电仍占主要电力来源。作为能量转化的锅炉转化效率就尤为重要。实现锅炉计算机自动控制，通过综合计算在转化效率，环境污染，安全性和成本等方面达到最优控制。
本次课程设计研究的是锅炉水温控制的问题，以过程控制理论分析作为理论依据，通过仿真技术，计算机远程控制技术来设计一个计算机控制的锅炉出口温度系统。先熟悉该实验的控制原理，建立锅炉的数学模型传递函数，从控制原理中得出控制方案进行仿真得出结果图，为实际控制系统做理论依据。利用动态参数进行参数整定来得到PID控制参数。实现积分分离PID控制算法。运用MATLAB仿真得出控制效果。
关键词 锅炉出口水温;自动控制;数字积分分离PID;MATLAB仿真
一.双溶液位计算机系统的设计
1.1生产工艺
锅炉作为把化学能转化为热能的重要设备，在人类的生产生活中有着巨大的作用。从蒸汽机的出现直到现在，已有二百多年的历史。但锅炉工业发展只是近几十年的开始的。
锅炉的广泛应用，产生了许多问题。比如放出有害气体的污染问题，大量运用煤炭的资源问题，锅炉本身安全性能问题以及能量转化效率问题等。因此，对锅炉各种问题的控制就很是重要。人为的控制锅炉能够减缓上述问题，但是，通过计算机来控制锅炉更能缓解上述问题。随着控制理论和技术的发展，锅炉自动化控制，也就是计算机控制锅炉水平也在提高。计算机的记忆，计算，逻辑判断功能能够实现对锅炉的任意控制，能够计算出最优控制。目前，国外的锅炉控制技术日益完善，各种计算控制都有着很好的发展。
1.2 控制原理介绍
1.2.1 PID控制方案
比例，积分，微分環节是PID控制器，其结果为给定值r（t）与实际值y（t）构成的控制偏差型号e（t）。
PID适应性强，广泛应用于工业生产方面。在具体实现上经历了各种发展，但是PID还是在这些阶段中。由于不是很依赖模型，对不能或难以获得足够系统参数时可以用PID来进行控制。
PID控制器各部分控制规律：
（1）比例控制（p）：调节器的输出信号u与偏差信号e成比例。
比例控制是最简单的控制，能快速克服扰动，使系统迅速稳定。运用于简单的系统中。
（2）积分控制（I）：I调节中
（3）微分控制（D）：调节器能够根据被调量的变化来调节，无需等到被调量出现误差时再调节，这样有预见性的调节性能效果会更好。此时输出与被调量的导数成正比。
1.2.2PID控制器参数整定方法
参数整定有先觉条件，只有当系统设计合理，仪器选择是对的，安装质量高，才可进行参数设置。
一种是理论计算，根据系统模型来进行理论计算得出控制器参数。但这种参数可靠性不高，有着实际因素没有计算进入，还要通过实际进行调整修改。
二是工程整定法，不需要确切的研究对象模型，运用工程经验对控制器参数直接进行整定。因简单易懂，便于掌握得到大量运用。
本设计采用PID参数工程整定法中的动态特性参数法。两点法得到延迟一阶环节特性方程。采用科恩-库恩整定公式法得到PID参数。
1.2.3积分分离PID控制算法
此法在工业过程控制时有着很好的结果。
1.3控制仪表以及技术参数
1.3.1仪器选型原则：
（1）可靠性 （2）实用性 （3）先进性
1.3.2测量，运送装置
热电偶是温度测量中经常用到的测温仪器，测温范围广，稳定性强，足够精确;输出为电，能够远距离用导线传送。
热电偶选择要求：
（1）在检测温度范围内热电偶能保持长久的稳定，只受温度变化影响。
（2）范围内不易腐蚀氧化，耐辐射。
（3）对检测的温度有足够的检测灵敏度，足够的变化率。
（4）热点性能近似于线性。
（5）质量好，易加工。制作简单，便宜。
目前常用的热电偶一共有8种，综合本次课程设计，考虑采用k型热点偶。
1.3.3控制器
采用智能调节仪表作为控制器，型号为AI-808。有着人工智能算法，可自动消除积分饱以达到调节优化效果。
二.仿真模型，仿真程序和仿真结果
2.1要求
利用MATLAB设计数字积分分离PID控制程序，采用动态参数特性法整定出最佳控制参数。当输入信号为r（k）=40，控制器输出限制在[-110，110]内时，使δ%≤12%，ts≤40s。
用MATLAB做Gp（s）的阶跃响应曲线，程序如下：
num=1;
den=conv（conv（[1，1]，[2，1]），conv（[5，1]，[10，1]））
Go=tf（num， den）
figure（1）， hold on;
step （Go）;
图五 广义对象传递函数阶跃响应曲线
用曲线拟合验证参数，仿真程序如下：
num=1;
den=conv（conv（[1，1]，[2，1]），conv（[5，1]，[10，1]））;
Go=tf（num，den）;
k=1;T=12.4;L=6.6;
Go=tf（k，[T 1]）;
[np，dp]=pade（L，2）;Gp=tf（np，dp）;
G=Go*Gp;
figure（1），hold on;
step（Go）;
step（G）;
三.总结与展望
锅炉出口水温计算机控制系统。研究这个课题让我对过程控制系统的知识有了进一步的了解。在这个课题中，有着许多的计算，通过查阅书本，发现有很多种计算的方法，这里只是用了一种。虽然只用一种，但对于其他的方法我看了看还是有些了解。在设计中用到的知识点，特别是PID这些理解得更为到位，以前有些不明白的现在也搞懂了。这些对于以后的学习工作中都会起到很大的作用，因此，我还要继续学习，学到更多的只知识和技能，学的越多，到时就越轻松自如。
