锅炉汽包水位单冲量控制系统设计

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

4.5 仪表性能指标的计算

4.5.1 精度

检测仪表的精度反映测量值接近真实值的准确程度，一般用一系列误差来衡量。 （1）绝对误差

绝对误差指仪表指示值与被测参数真值之间的差值，如式（4—2）。

?x?x?xt （4—2）

（2）引用误差

把绝对误差折合成标尺范围的百分数表示，如式（4—3）。

0 ? ? ? ? ? 100% （4—3） 100%x?x?xM标尺上线值—标尺下限值（3）精度等级

按仪表工业规定，去掉最大引用误差的“±”号和“%”号，称为仪表的精度等级，目前已系列化。只能从下列数系中选取最接近的合适数值作为精度等级，即0.005，0.02，0.05，0.1，0.2，0.4，0.5，1.0，1.5，2.5，4.0等。根据此次设计的汽包水位要求为80?0.3cm，所以选用0.4精度的等级。

4.5.2 灵敏度和灵敏性

灵敏度表示仪表对被测参数变化反应的能力，是指仪表达到稳态后输出增量与输入增量之比，如式（4—4）。

S??y?x （4—4）

灵敏限是指引起仪表指针发生可见变化的被测参数的最小变化量。一般，仪表的灵敏限数值不大于仪表允许误差绝对值的一半。

4.5.3 回差

在外界条件不变的情况下，当被测参数从小到大（正行程）和从大到小（反行程）时，同一输入的两个相应输出值常常不相等。两者绝对值之差的最大值和仪表量程Μ之比的百分数称为回差，也称变差。其公式见式（4-5）。

?b??maxM?100% （4—5）

回差产生原因：由于传动机构的间隙、运动件的摩擦、弹性元件的弹性滞后等。回差越小，仪表的重复性和稳定性越好。应当注意，仪表的回差不能超过仪表引用误差，否则应当检修。

4.6 调节器的选择

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根据被控过程特性与生产工艺要求，了解调节器控制规律对控制质量的影响，合理选择调节器的控制规律，是过程控制方案设计的重要内容之一。选择调节器的控制规律就是为了使调节器的特性与控制过程的特性能很好配合，使所设计的系统能满足生产工艺对控制质量指标的要求。

本设计采用PI调节器。PI控制规律可简单理解为引入积分作用能消除余差。适用于控制通道滞后小，负荷变化不太大，工艺上不允许有余差的场合，如流量或压力的控制。

PI调节器的传递函数见式（4—6）。

Gc(s)?1Tis?1PTis（4—6）

4.7 调节器作用方向的选择

从控制原理可知，对于一个反馈控制系统来说，只有在负反馈的情况下，系统才是稳定的，当系统收到干扰时，其过渡过程将会是衰减的；反之，如果系统是正反馈，那么系统将是不稳定的，一旦遇到干扰作用，过渡过程将会发散。系统不稳定当然是不希望发生的，因此，对于反馈控制系统来说，要使系统能够稳定，必须构成负反馈。

本设计的控制变量是给水量，当给水量增加时，汽包液位当然是会上升，给水量的增加是通过调节阀的阀门开度增加，而本设计中采用的调节阀类型是气关式，所以调节阀的作用方向是负作用，所谓气关式则是当压力上升时，开度减小，这是出于对安全的考虑，而检测变送器是压差式的，它的正反作用同汽包水位相同，要使系统构成负反馈系统，则调节器应该选用正作用。

综上所述可以得到本系统的最终的系统框图如图6所示。

图6 确定了正反作用的系统方框图

4.8 系统的投运和整定

一旦控制系统按设计的要求连好，线路经过检查正确无误，所有仪表经过检查符号精度要求，并已运行正常，即可着手进行控制系统的投运和控制器参数的整定工作。

4.8.1 系统的投运

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所谓控制系统的投运，就是将系统由手动工作状态切换至自动工作状态。这一过程是通过控制器上的手动—自动切换开关从手动位置切换到自动位置来完成的，但这种切换必须保证无扰动地进行。

本设计采用设计比较先进的电动Ⅲ型控制器，因为它拥有比较完善的自动跟踪和保持电路，可以做到在手动时自动输出跟踪手动输出，在自动时手动输出跟踪自动输出，这样随时都可以进行手动与自动的切换而不引起扰动。

4.8.2 简单控制系统的参数整定

所谓控制系统的整定，就是对于一个已经设计并安装就绪的控制系统，通过控制器参数（?、Ti、Td）的调整，使系统的过渡过程达到最为满意的质量指标要求。

对于单回路控制系统，控制器参数整定的要求就是通过选择合适的控制器参数（?、Ti、

Td），使过渡过程呈现4:1

的衰减过程。

调节器参数整定有两大类：理论计算和工程整定法。理论计算法需要较多的控制理论知识，由于实际情况，理论计算不可能考虑周到，因此用工程整定法。工程整定法有三种：经验法、临界比例度法和衰减曲线法。在本设计中我将采用临界比例度法。

临界比例度法是先将调节器设置为纯比例作用（即把积分时间Ti放在“?”的位置，微分时间Td放在“0”的位置，就消除了积分和微分作用），且比例度?放在较大位置，将系统投入闭环控制，然后逐步减小比例度?（即增大放大系数Kp）并施加干扰作用，直至控制系统出现等幅振荡的过渡过程。这时的比例度就叫做临界比例度?k，振荡周期叫临界振荡周期Tk。根据?k和Tk从表4—1中查找调节器应采用的参数值。

表4—1 临界比例度法计算表

应采用的控制规律 P PI PID ?（%） Ti（min） Td（min） 2?k 2.2?k 1.7?k 0.85Tk 0.5Tk 0.125Tk 5 系统工作原理简述

5.1 当汽包液位下降时

当控制对象汽包液位下降时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力减小，使变送出来的标准信号减小，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量大于检测量，经过

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比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力减小，开度则会相应打开，使给水量增加，增加的给水量使锅炉内的汽包液位上升，回到平衡位置，实现自动控制。

5.2 当汽包液位上升时

当控制对象汽包液位上升时，检测变送器的类型是压差式的，这时检测到的压力增大，使变送出来的标准信号增大，此时检测量与给定量出现偏差且是给定量小于检测量，经过比较后的值传送给反作用的调节器，而调节阀是气关式的，此时膜头输入压力增大，开度则会相应减小，使给水量减少，减少的给水量使锅炉内的汽包液位下降，回到平衡位置，实现自动控制。

6 心得体会

此次课程设计让我受益匪浅。

与平常做题不同，课程设计对知识的应用和理解有很大的要求，能够使平常学习的知识得到系统的应用，这一点在本次课程设计中更是显现得淋漓尽致。

本次课程设计我所做的题目锅炉汽包水位单冲量控制系统的设计，这个设计内容要求设计者要牢牢掌握单回路控制系统的设计步骤和原则，在设计中如何选取检测元件、执行元件和调节仪表的技术参数成了成败的关键。在这次的设计过程中，我碰到了很多问题，还请教了本次课程设计的指导老师，在老师的引导下成功克服了很多问题，最终将课程设计完满的做成。

经过此次课程设计，我学到了很多，对我分析问题的能力有了很大的提高，还有就是查阅资料自行学习的能力也得到了很大的提高。

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参考文献

[1] 方康玲．过程控制系统．武汉：武汉理工大学出版社．2002年 [2] 王再英.过程控制系统与仪表.北京：机械工业出版社.2006年1月 [3] 金以慧．过程控制．北京：清华大学出版社．1993年

[4] 潘立登．过程控制技术原理与应用．北京：中国电力出版社．2007年 [5] 侯志林．过程控制与自动化仪表．北京：机械工业出版社．1999年

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