基于MATLAB的锅炉液位控制系统的设计与仿真

摘 要近年来，在工业控制中，随着工业技术的不断改进和发展，锅炉液位的过程控制系统得到了广泛的应用，为了确保锅炉的控制系统的正常运行，控制系统中要求锅炉的液位往往需要维持在某一个设定值上或者只允许在某一个小范围内进行变化。在工业生产中，为保证工业生产的安全进行，控制过程中需要确保锅炉中的液体不会产生溢出，人们对锅炉的控制系统的各项参数的要求愈来愈高。而在实际的工业生产中，被控对象常常具有时延、非 线性等特点，采用一般的控制方法将很难得到很好的控制效果。所以，对时延、非线性对象的先进控制方法进行研究，优化工业生产系统的控制水平，具有很重要的意义。锅炉液位的控制大多应用 PID 控制方法。PID 参数整定通常是在得到控制对象的数学模型后，根据相关的整定规则，进行在线调节。本毕业设计中所提到的双容水箱液位控制系统是在国内外相关实验装置的基础上，通过考虑其性能指标，自行设计的模拟多种对象特性的实验设备。双容水箱的结构虽然简单但在高水平、复杂的控制系统中，此类系统仍是大多数，是最基本的过程空竹系统。复杂过程控制系统往往是建立在简单控制系统的基础上。本设计应用所学的过程控制知识，采用 MATLAB 对锅炉水位控制系统进行仿真。关键词：锅炉液位,MATLAB,PID 控制,双容水箱AbstractIn recent years, in industrial control, with the constant improvement and development of industrial technology, the process of the boiler liquid level control system has been widely used, in order to ensure the normal running of the boiler control system, control system of boiler liquid level, often need to maintain on a certain value or is only allowed to change in a small scope.In industrial production, to ensure the safety of industrial production, the need to ensure that the boiler in the process of control the liquid does not produce overflow, the various parameters of the control system of boiler is higher and higher requirements.In the actual industrial production, the controlled often has the characteristics of time delay, nonlinear, using the general control method will be difficult to get good control effect.So for advanced control methods of time delay, nonlinear object for research, optimizing the control level of industrial production system, has the very vital significance.Most of the boiler liquid level control using PID control method.PID parameters setting is usually after the mathematical model of controlled object, according to the related setting rules, which can adjust the online.As referred to in this graduation design is double let water tank liquid level control system at home and abroad, on the basis of related experimental apparatus, by considering the performance index, design simulation of a variety of experimental equipment of object properties.Double let water tank structure is simple but in high level, the control of complex systems, such a system is still the most, is the basic process of diabolo system.Complex process control system is often established on the basis of simple control system.Knowledge of process control, we have learned this design application of the boiler water level control system by MATLAB simulation.KEY WORDS: boiler liquid level, MATLAB, PID control, double let water tank第 1 章 绪 论1.1 设计背景工业生产生活中,锅炉是通用的热力设备，同时也是能源，电厂，化工等重工业生产运行中最为重要的动力设备。在当今的石化企业里，锅炉不仅为反应器，汽轮机，烟机等设备提供动力，而且还可以给风机驱动，电动机提供动力，在很大的程度上提高了物料和能量在生产工程中的利用率。而锅炉参数和容量的不断提高和扩大使得系统对给水控制要求更为严苛，其容量和负荷变化对液位高低的影响更加显著。随着锅炉运行下内部压力的增加，其给水设备中的调节阀和管道系统将变得复杂使得控制系统中调节阀的流量特性难以满足要求。所以，在锅炉的内部控制系统中，采用自动控制的方法对给水系统进行控制是必不可少的，它在减少外界对系统干扰的同时还能保证锅炉的安全运行并极大的减轻工作强度。本论文中提到的双容水箱液位控制系统是一种参照国内外实验设备自行设计的模拟多容对象特性的实验设备。在设计中，根据锅炉假液位的控制效果，设计将采用主、副两调节器进行调节。设计的建模方式将采用机理法、测试法、阶跃响应等方法对有影响的双容过程和无影响的双容过程进行建模。整个设计过程中将采用串级控制系统对参数进行整定。在现代工业中双容水箱有很强的工业背景和代表性，双容水箱可以抽象成很多被控对象的局部或整体的数学模型，对其数学模型的建立具有很强的指导意义。所以，学习并掌握双容水箱控制系统的分析和设计的方法对工业生产过程中的液位控制系统有很强的研究意义。1.2 过程控制介绍过程控制是生产过程自动化的简称。它泛指石油、化工、电力、冶金、轻工、建材、核能等工业生产中连续的或按一定周期程序进行的生产过程自动控制 4。过程控制在提高经济效益、改善劳动条件、实现工业生产中各种最优经济指标、节约能源等各方面起着愈来愈大的实际作用，该控制是自动化技术领域中重要的组成部分。从控制的角度，通常将工业生产过程分为三类，即连续性、离散型和混合型 4。针对连续性生产通常采用过程控制。该生产过程特征一般表现为：在生产过程中，呈现流动情况下的各类材料，在传质、传热或者化学、物理等变化之后，绝大部分将发生分子结构或相变的转变，新的产品由此产生。在整个变化过程相关的工艺参数是非常重要的，生产过程中内部因素和外部因素共同影响该工艺参数。1.3 MATLAB 软件简介MATLAB 是应用在算法上的数学软件，该软件由 MatWorks 公司研发。现今，MATLAB 广泛应用在自动控制、过程控制、重工业等领域，它是一种较为高级的计算机语言，能够进行各种较复杂的运算和操作。是当今国内外各高校及研发部门重点研究的应用软件之一。MATLAB 由 MATLAB 语言、MATLAB 开发环境、MATLAB 图形的处理、MATLAB 数学函数库、MATLAB API 五大部分组成，基于矩阵/数组，它是以矩阵和数据为单位的语言。该软件可以采用三维和二维对图形处理；通过处理之后图像将会更加的形象。除此之外，MATLAB 函数库功能较为强大，函数库中有非常多的数学函数，运算函数，能够计算不同难易程度的各种运算；是一种综合度较高、运算速度较快、较为实用的软件。第 2 章 串级控制系统概述及设计2.1 基本概念近年来，随着工业技术的不断发展及强大，在工业生产中的以往简单的工业生产控制方法已经无法满足复杂的生产设备需要，为了满足生产设备复杂的控制要求，串级控制系统的方法被得以研发出来。该串级控制系统是将主副调节器串联起来，主调节器的输出信号作为副调节器的输入信号。串级控制系统可以分为双闭环和多闭环控制系统两类。在串级控制系统中，串级控制系统由主控制回路和副控制回路组成，主控制回路由主变量调节器、调节阀、副调节器、主过程、检测变送和副过程构成。副控制回路由副调节器、副变量检测变送、副过程和调节阀构成。主控制回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程组成。副控制回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程组成。在整个控制回路中系统通常会受到一次扰动和二次扰动的干扰，一次扰动是指作用在主被控过程上的干扰，二次扰动是指作用在副被控过程上的干扰。2.2 串级控制系统系统框图图 2.2.1 串级控制系统框图向串级控制系统给输入的信号，这时输入的信号和主变送器反馈信号得到一个差值 e1，e 1进入系统中的主控调节器，在主控调节器中进行 PID 计算。计算完后，这时输出的信号和副变送器的反馈信号差值被同时送入执行器。在外界加入的一次扰动和二次扰动的作用下控制整个控制回路中的变量波动情况，从而达到设计的目的。2.2.1 主回路设计在 串 级 控 制 系 统 中 ， 主 回 路 属 于 定 值 控 制 系 统 ， 该 回 路 的 设 计 可 以 根据 简 单 控 制 系 统 设 计 的 原 理 进 行 设 计 ， 并 且 该 设 计 与 单 回 路 控 制 系 统 的 设计 方 法 类 似 。 在 设 计 中 ， 对 系 统 选 取 的 主 要 控 制 变 量 应 为 能 实 现 设 计 目 的 的参 数 。2.2.2 副回路设计在 串 级 控 制 系 统 中 ， 副 回 路 起 着 非 常 重 要 的 作 用 ， 副 回 路 将 会 为 整 个 系统 优 势 得 以 提 升 。 该 回 路 拥 有 随 动 系 统 的 特 性 ， 对 回 路 中 包 含 的 二 次 扰 动 拥有 很 强 的 自 适 应 力 抑 制 力 ， 主 被 控 对 象 由 于 二 次 扰 动 作 用 在 主 、 副 回 路 上因 而 受 到 的 影 响 很 小 ， 所 以 在 设 计 副 回 路 控 制 系 统 时 应 该 将 被 控 过 程 中 变 化幅 度 大 、 剧 烈 、 频 繁 等 较 多 的 扰 动 包 含 在 其 中 。 同 时 ， 副 回 路 的 参 数 在 设 置合 理 的 情 况 下 还 需 使 其 时 间 常 数 与 主 回 路 的 时 间 常 数 相 匹 配 便 以 达 到 共 同 的控 制 要 求 。2.2.3 主、副控制回路调节器选择及匹配情况在控制系统中，系统应该将较多的干扰包含在副控制回路中，同时注意主副控制回路中干扰因数数量的匹配问题。绝不能将所有的扰动都包含在副控制回路中，否则，主控制回路中调节器将会失去其调节作用。在设计中往往将主副控制回路中的扰动的数量和时间常数的比值设定在310之间。由于主控制回路中调节器起着定值作用，而系统中工艺参数的主要指标为主被控参数。一般情况下，主控制回路需要没有静差，控制回路中的主要调节器的控制规律可选用比例积分调节（即 PI 控制规律）和比例积分微分调节（即PID 控制规律）中的其中一种。在副控制回路中，由于该回路的副调节器是随动控制，从而使该副回路控制回路在整个控制系统中起着随动控制的作用，随动控制的作用可以克服各种干扰对主控参数的影响，同时能够提高控制的快速性，因此在副控制回路的调节作用中，系统允许其有静差。在控制规律的选择上，由于积分调节（I 控制规律）会延长系统的控制过程时间导致副控制回路的快速性受到抑制。此外，如果选择微分调节（D 控制规律） ，微分调节将会使系统中的调节阀的动作过大从而使控制达不到系统想要的效果。因此在大多数情况下副控制回路将会采用比例调节（P 控制规律）而不用积分调节（I 控制规律）或是微分调节（D 控制规律） 。在控制器正反作用的选择上，由于负反馈是保证过程控制系统正常工作的基础，因此，在拥有两个回路的串级控制系统中，保证两个控制回路均为负反馈的重要条件是主、副控制回路中调节器的作用方式的确定原则。在确定作用方式的过行程中，主控制回路中的调节器的作用方式的确定需在副控制回路作用方式确定之后。2.3 串级控制系统的 MATLAB 的仿真与计算2.3.1 系统的计算与仿真在系统的计算与仿真中，计算与仿真以计算机为主要的操作工具，仿真以控制系统的模型为基础，运用教学模型对系统的控制进行研究的一种方法。其仿真步骤如下：（1）设计锅炉液位的总体控制方案（2）设计一个较完整的多容对象液位控制系统（3）建立系统的数学模型，求出传递函数数学模型是系统的输入变量及输出变量及内部变量之间的数学表达方式。状态空间表达式、微分方程、结构图、传递函数都是比较常见的数学模型。建立数学模型的方法有：试验法、解析法。（4）进行 PID 参数设置2.3.2 MATLAB 计算与仿真MATLAB 是以矩阵和数据为单位，固有矩阵实验室的含意。其特点为以下几种:（ 1） 数 据 处 理 能 力 强 ， 功 能 多 样 化在 很 多 工 业 技 术 、 工 程 领 域 及 科 学 研 究 中 ， MATLAB 除 了 具 有 强 大 的 数值 运 算 功 能 ， 在 专 业 技 术 水 平 这 一 块 MATLAB 提 供 的 符 号 计 算 可 以 攻 克 很 多工 业 生 产 上 的 技 术 问 题 。 除 此 之 外 ， MATLAB 能 够 提 供 的 丰 富 的 库 函 数 ， 包含 基 本 库 函 数 、 专 用 库 函 数 。 这 些 函 数 将 能 够 满 足 各 种 用 户 所 需 要 实 现 的 数据 处 理 及 科 学 计 算 功 能 ， 将 会 节 省 用 户 编 程 的 大 量 时 间 ， 此 外 ， 还 可 以 将 大量 琐 碎 的 基 础 工 作 交 给 MATLAB 的 内 部 函 数 去 处 理 。（ 2） 图 形 界 面 简 单 实 用在 MATLAB 中 ， 其 软 件 工 具 通 常 采 用 用 户 界 面 。 该 界 面 操 作 简 易 ， 界 面使 用 方 便 ， 与 Windows 的 界 面 相 似 。 该 软 件 新 版 本 中 所 提 供 的 帮 助 系 统 和 联机 查 询 大 大 增 加 了 用 户 对 该 软 件 的 使 用 效 率 。 MATLAB 中 的 开 发 语 言 为 C 语言 ， 除 此 之 外 ， MATLAB 的 编 程 语 言 即 适 合 非 计 算 机 专 业 人 员 的 使 用 ， 又 符合 计 算 机 专 业 人 员 使 用 。 由 于 该 编 程 语 言 具 有 拓 展 性 强 和 可 移 植 的 特 点 ， 在工 程 计 算 和 科 研 等 各 个 研 究 领 域 该 编 程 语 言 已 经 得 到 了 广 泛 应 用 。（ 3） 处 理 图 形 功 能 强 大MATLAB 中 除 了 具 有 绘 制 图 形 函 数 之 外 ， 还 具 有 强 大 的 数 据 可 视 化 功 能 ，可 绘 制 二 维 图 、 三 维 图 、 多 维 图 等 各 种 复 杂 的 图 形 同 时 能 够 创