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1、河南城建学院本科毕业设计（论文）ABSTRACT毕 业 设 计 论 文题 目： 三冲量锅炉水位控制系统设计及仿真 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 姓 名： 学 号： 指导老师： 完成时间： I河南城建学院本科毕业设计（论文） 目录摘 要锅炉是众多工业部门必不可少的重要动力设备，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。锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中最重要的环节。汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了基于MATLA
2、B/Simulink 平台,建立一种模糊自适应PID系统的仿真模型,应用于锅炉汽包水位的控制过程,并按照工程整定的方法进行了PID参数整定，根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，给出仿真的具体实现方法。利用PLC编程及模糊控制实现控制算法进行系统的设计，最终完成模糊自适应PID在锅炉汽包水位控制系统中应用。关键词：汽包水位，三冲量，模糊自适应控制，PID ABSTRACTThe boiler is numerous essential important power equipment of industrial department . Therefore, its
3、essential for automatic control in the boiler equipment to research. The water level control system of the boiler is that the boiler produces the most important link in the control system. The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam
4、 drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled.Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon” is analyzed specially, and based on MATLAB/Simulink, a simulation model of
5、 fuzzy self-tuning PID control of the boiler drum level is proposed and established. The disturbance signal is also added in the operation of the system. Its apply for steam drum water level system of the boiler. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is
6、done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of Fuzzy Self-Tuning PID control in boiler steam drum water control system is completed.Key words: Steam drum
7、water level ,Three impulses control ,fuzzy self-tuning ,PID 目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1引言11.2设计的主要工作22 控制方案设计的分析及选择32.1工业锅炉的控制要求与工艺流程32.2锅炉汽包水位的控制42.3汽包水位的控制方案设计73硬件选型143.1水位传感器选型143.2流量传感器的选型143.3电机的选型163.4变频器的选型163.5接触器的选型173.6熔断器的选型173.7功率三极管的选型173.8 PLC及相关模块的选型183.9硬件工作原理193.9.1变频器工作原理193.9.2PLC工
8、作原理204 硬件设计224.1系统总体线路设计224.2控制线路设计245锅炉水位的模糊自适应PID方案的设计265.1主回路模糊控制器的设计265.1.1确定模糊控制器的结构及输入、输出语言变量265.1.2确定各变量的隶属度函数和赋值表275.1.3 模糊控制响应表的生成305.2 PID控制的设计336程序设计376.1程序流程图设计376.1.1模糊控制流程图386.1.2 PID控制流程图396.1.2 动态前馈流程图406.2系统的程序416.2.1水位控制416.2.2模糊控制算法的PLC 实现41参考文献43致谢44河南城建学院本科毕业设计（论文） 绪论1 绪 论1.1引言在
9、锅炉运行中在锅炉运行中 ,水位是一个很重要的参数。若过高 ,则会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障 ;而水位过低 ,则会破坏汽水循环 ,严重时导致锅炉爆炸。同时高性能锅炉产生蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小 ,所以锅炉水位控制显得非常重要。锅炉水位自动控制的任务 ,就是控制给水流量,使其与蒸发量保持平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。由于炉水位存在一定的反向特性即“假”现象，而常规仪表所用PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构又会过于复杂，以
10、及成本造价较高的问题比较突出。因此研究新型水位系统使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现特点，还是非常必要的。模糊控制是以集合理论为基础的一种新兴手段，它是模糊控制理论和模糊控制技术与自动控制相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方不仅能实现控制，而且模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效仅能实现控制。经过多年的对锅炉的使用和研究，人们发现锅炉汽包水位系统是一个大滞后、纯时变、非线性的复杂系统，这些特性其很难用精确的数学模型来描绘，仅用经典控制理论往往难以实现有效的控制
11、，三冲量锅炉水位控制系统中的主回路控制部分与蒸汽前馈控制部分正是属于这种情况：由于虚假液位的影响和各种参数存在时变性而导致无法确定这一过程数学模型，这样就不能仅仅只设计常规的控制器进行控制。1.2设计的主要工作 本次设计的主要工作有：（1） 设计锅炉汽包水位控制方案 从锅炉汽包水位的动态性能入手，分析影响锅炉汽包水位的主要因素，并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。在此基础之上，根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用基于模糊自适应PID汽包水位三冲量方案，达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。（2） 硬件设备的选型与设计根据所设计的控制方案合理地选择检测元件、执行机构和控制设备以及其它
12、必要设备，并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计，完成各种设备之间的接线与配置，并进行设备的安装调试。为整个系统的实现以及稳定、可靠运行打下基础。（3） 控制算法的参数整定根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定，设计调节器的各个参数。在此基础之上对整定结果进行仿真，并对整定结果进行进一步调整判断其可行性。（4）软件设计及系统仿真 根据参数整定的结果利用相关软件进行PLC梯形图程序设计，最终实现控制算法。并且在MATLAB中使用simulink进行系统的仿真，而且给出仿真结果，使之能够动态显示系统的运行状况，并可以通过监控界面对系统进行相关操作。 河
13、南城建学院本科毕业设计（论文） 控制方案设计的分析及选择2 控制方案设计的分析及选择2.1工业锅炉的控制要求与工艺流程锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反映器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动透平提供动力来源。工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。尽管有各种各样的锅炉，并且它们的燃料种类也各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程图如图2.1所示。图2.1工业锅炉工艺流程 首先，除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面，因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛，煤
