鍋爐出口水溫計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

趙子峰

【摘 要】為實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐出口水溫的控制，減少能源損耗，運(yùn)用檢測(cè)元件對(duì)水溫進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)PID控制器對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，進(jìn)而控制鍋爐蒸汽的流量，以控制鍋爐水溫。設(shè)計(jì)控制器參數(shù)，用matlab進(jìn)行仿真得出符合條件的控制系統(tǒng)。對(duì)比柯恩-庫(kù)恩和Z-N法兩種參數(shù)整定方法得到性能更優(yōu)越的整定方法。通過(guò)之后仿真得出系統(tǒng)的超調(diào)量為10%，調(diào)節(jié)時(shí)間為38.7s，各項(xiàng)功能參數(shù)滿足要求。

【關(guān)鍵詞】鍋爐出口水溫控制;PID控制器;matlab

一、生產(chǎn)工藝及控制原理介紹

1.鍋爐概述

[1]熱水的鍋爐對(duì)于我們的日常生產(chǎn)和活動(dòng)來(lái)說(shuō)是非常的重要的。也是我們比較常見(jiàn)的一種供熱的設(shè)備。鍋爐具有能量轉(zhuǎn)換的特性，向鍋爐輸入的能量有原料中的化學(xué)能、電能，鍋爐輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機(jī)熱載體。

鍋爐產(chǎn)生的熱水和蒸汽可以直接為工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)民生活提供必要的熱能，也可以通過(guò)蒸汽動(dòng)力裝置轉(zhuǎn)換為機(jī)械能源，通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能源轉(zhuǎn)換為電能。也可以。提供熱水的鍋爐被稱為熱水鍋爐，主要用于生活用途，工業(yè)生產(chǎn)也有少量的應(yīng)用。發(fā)生蒸汽的鍋爐被稱作蒸汽鍋爐，一般被稱為鍋爐，多用于火力發(fā)電所、船舶、汽車、礦工業(yè)企業(yè)。

2.鍋爐控制意義

[2]為了提高鍋爐供暖系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，以提高供暖系統(tǒng)的燃燒效率并降低成本、減少污染，同時(shí)還要提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，需要對(duì)鍋爐進(jìn)行控制。

過(guò)路的水溫控制最具代表性與意義。每年我國(guó)因供暖，供水等需求消耗大量能源在鍋爐加熱上。現(xiàn)如今國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)約使用能源，所以對(duì)鍋爐的控制系統(tǒng)運(yùn)用到了大多數(shù)的企業(yè)中。每年可以為國(guó)家節(jié)省大量能源。

過(guò)去的鍋爐沒(méi)有控制系統(tǒng)，沒(méi)有靈敏的檢測(cè)變送裝制，直到鍋爐出口水溫徹底降下來(lái)后才去加熱。這時(shí)需要大量的熱量才能將水溫提高。而引入控制系統(tǒng)后，溫度一旦變化，控制器就起作用。可以在溫度大幅度損失前將溫度提高。大大增加了能源利用率。

3.PID控制器

[3]偏差的比例，積分和微分的綜合控制，簡(jiǎn)稱PID控制。PID根據(jù)系統(tǒng)的誤差，通過(guò)誤差的比例，積分，微分三個(gè)環(huán)節(jié)不同組合得出控制量。

[4]廣義被控對(duì)象有調(diào)節(jié)閥，被控對(duì)象和測(cè)量變送原件。虛線內(nèi)是PID控制器。輸入為γ（t）與被調(diào)量實(shí)測(cè)值y（t）構(gòu)成的控制偏差信號(hào)e（t）其中e（t）=γ（t）-y（t）。

PID控制規(guī)律：

4.PID特點(diǎn)

（1）適應(yīng)性強(qiáng)：PID可應(yīng)用于各行各業(yè)。現(xiàn)今各種高科技，復(fù)雜的控制系統(tǒng)其核心仍然是PID。

（2）魯棒性強(qiáng)：控制系統(tǒng)對(duì)被控對(duì)象的變化不明顯。

（3）對(duì)模型依賴少：不清楚模型時(shí)也可以應(yīng)用PID。

5.PID控制器參數(shù)整定

二、參數(shù)整定方法

1.兩點(diǎn)法

[5]利用PID自整定算法對(duì)時(shí)滯系統(tǒng)進(jìn)行控制是工業(yè)控制領(lǐng)域最常見(jiàn)的問(wèn)題。

在階躍響應(yīng)曲線上兩點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算T，τ。把y（t）轉(zhuǎn)換為無(wú)綱量形式。選擇兩時(shí)刻t1，t2聯(lián)立無(wú)綱量方程解出相應(yīng)參數(shù)。

減小誤差的辦法是先將測(cè)試點(diǎn)平滑擬合畫出響應(yīng)曲線，再?gòu)钠交瑪M合的響應(yīng)曲線上取兩點(diǎn)。

2.積分分離PID控制算法

[6]“穩(wěn)”作為伺服系統(tǒng)的一個(gè)基本要求，在速度方面體現(xiàn)為階躍響應(yīng)要平滑，超調(diào)盡可能小。

控制偏差大的話，超過(guò)設(shè)定的閾值的話，積分作用被取消，超調(diào)量減少?？刂破钚〉脑?，增加積分環(huán)節(jié)，消除誤差。

3.動(dòng)態(tài)特性參數(shù)法

基于控制對(duì)象的通道階躍響應(yīng)，以公式求出適合調(diào)整器最合適的參數(shù)的整數(shù)值的開環(huán)正規(guī)化方法。一般化的目標(biāo)步驟響應(yīng)可以類似于慣性相加純延遲環(huán)節(jié)。

柯恩-庫(kù)恩公式是最廣泛被應(yīng)用的，以φ=0.75作為性能指標(biāo)。

三、控制參數(shù)與被控參數(shù)

該系統(tǒng)的測(cè)溫變送元件選擇HA15溫度變送器，HA15 溫度隔離變送器是一種先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)智能溫度變送器，又稱熱電阻變送器，熱電偶變送器。它將信號(hào)隔離放大成與溫度成正比的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出，如：0-10V，4-20mA。具有超強(qiáng)抗電磁干擾能力。廣泛用于各種溫度測(cè)量控制系統(tǒng)中，可配接數(shù)顯表、PLC、變頻器等設(shè)備，并對(duì)終端接收設(shè)備起保護(hù)作用?？刂破鬟x取AI-808型儀表。

四、技術(shù)參數(shù)

輸入信號(hào)：PT100，Cu50等熱電阻

輸出：0-4V，0-9V，3-19mA，0-19mA等

系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度：±0.2%×F·S

溫度線性度：≤0.006%

溫度補(bǔ)償：數(shù)字化技術(shù)，自動(dòng)溫度補(bǔ)償

冷端溫度補(bǔ)償準(zhǔn)確度：±1℃

測(cè)量熱電阻時(shí)允許的引線電阻：≤50Ω

電壓輸出時(shí)的內(nèi)部阻抗：<250Ω

零點(diǎn)校準(zhǔn)：數(shù)字化技術(shù)，自動(dòng)零校準(zhǔn)

滿度校準(zhǔn)：數(shù)字化技術(shù)，自動(dòng)校準(zhǔn)

供電電源：DC24VDC

輸入功率：1.0W

外形尺寸：寬×高×深=22.5×100×115mm

安裝方式：標(biāo)準(zhǔn)DIN35導(dǎo)軌式安裝

調(diào)節(jié)閥選擇氣閉式，工作特性為對(duì)數(shù)特性。

結(jié)語(yǔ)：PID控制器能夠?qū)斎胄盘?hào)進(jìn)行控制，輸出期望的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。鍋爐加入檢測(cè)變送原件，PID控制器，調(diào)節(jié)閥組成的控制系統(tǒng)后，能夠根據(jù)出水口水溫的小幅度變化而實(shí)時(shí)進(jìn)行控制，確保水溫恒定在某一數(shù)值上。有效的節(jié)約了能源。

PID控制器參數(shù)整定方法中，通過(guò)對(duì)柯恩-庫(kù)恩參數(shù)整定法和Z-N調(diào)節(jié)器參數(shù)整定法兩種方法的仿真曲線比較得出柯恩-庫(kù)恩參數(shù)整定法正定的系統(tǒng)響應(yīng)速度與穩(wěn)定速度都更快。而現(xiàn)今的參數(shù)整定方法中多數(shù)也在使用該方法。

在未來(lái)的科技發(fā)展中，PID仍會(huì)是控制系統(tǒng)的核心，這由于其獨(dú)特的特點(diǎn)使然。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，與人工智能近些年炒的火熱。但由于這些控制策略的研究與實(shí)踐尚不深入，還沒(méi)有取代傳統(tǒng)控制策略的地位。也不具備PID控制器所具有的獨(dú)特特點(diǎn)。但是未來(lái)的趨勢(shì)可能會(huì)是各種控制策略結(jié)合起來(lái)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，結(jié)合出更具特點(diǎn)，性能優(yōu)越的控制器。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸江坤.模糊控制在鍋爐燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].華潤(rùn)電力.2019（07）

[2]石俊璐.基于PLC的鍋爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京理工大學(xué).2019（06）

[3]白鶴，王永.基于PID調(diào)節(jié)的熱網(wǎng)回水溫度控制系統(tǒng)[J].城安熱電.2019（07）

[4]方康玲.過(guò)程控制系統(tǒng)第二版[M].武漢理工大學(xué)出版社.2007（02）.P69.

[5]鄒陽(yáng)陽(yáng)，汪思源，唐昌明.一種改進(jìn)兩點(diǎn)法無(wú)超調(diào)PID自整定算法研究[J].大連海事大學(xué).2016（31）.

[6]王成成，舒志兵.積分分離PID在同步伺服驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用與研究.[J].南京工業(yè)大學(xué).2018（20）