（热能工程专业论文）10th工业锅炉计算机控制系统的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 斜对国民经济使用广泛的工业锅炉长期存在的控制水平低，能耗高，环境污染严 重，操作强度高等缺点，结合目前工业锅炉计算机控制系统控制规律更为复杂、智能 化、网络化、信息化的发展趋势本文重新研究了工业锅炉控制的任务、要求和功能， 对先进的计算机控制技术在工业锅炉计算机控制系统中的应用进行了研究，研制开发 了1 0 t h 工业锅炉计算机控制系统，具有很好的应用前景。 ( 工业锅炉计算机控制系统是一个复杂、多变量、滞后的系统本文分析锅炉各控 制对象的特性曲线，得到锅炉控制对象的动态特性，它对锅炉控制系统的设计十分重 要：然后根据锅炉的动态特性，比较各种控制方案的优缺点，运用流程图对锅炉各控 制回路的原理图进行设计，研究了工业锅炉计算机控制系统的设计思想。 本文运用软件工程的方法对软件系统的进行分析，运用可视化的开发工具对系统 的实时数据库系统、数据采集系统、控制回路系统、监测显示系统和报警保护系统进 行实现。在开发过程中，研究了数据采集系统的开放性与稳定性，采集系统的开放性 关系到整个系统的可扩展性：对工业锅炉计算机控制系统的核心一实时数据库技术进 行了分析，运用e r 模型设计了系统的数据库：本文在研究系统p i d 算法的基础上， 采用多种优化的p i d 算法，改善了系统的控制性能，使之更好地满足锅炉控制的需要； 采用先进的软件技术如c o m 技术、a c t i v e x 技术，提高系统开发的效率，使得系统 的功能和稳定性大大增强。 僚统满足工业锅炉控制的指标和要求，具有很好的稳定性、可扩展性。整个研究 开发取得了令人满意的结果。k 一 关键词：工业锅炉动态特性计算机控制实时数据库p i d 控制器 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n d u s t r i a lb o i l e ri sw i d e l y u s e di nt h en a t i o n a le c o n o m y f o ral o n g t i m e ，i th a sm a n y s h o r t c o m i n g s s u c ha sb e h i n d h a n dc o n t r o l l e v e l ，h i g hc o n s u m p t i o no fe n e r g y , s e v e r e p o l l u t i o na n dh l i g hl a b o ri n t e n s i t ya n ds oo n c o m b i n e dt h ed e v e l o p i n gt r e n do fm o r e c o m p l i c a t e dc o n t r o ll a w , b r a i n p o w e r , n e t w o r ka n di n f o r m a t i z a t i o ni nt h ei n d u s t r i nb o i l e r c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，t h ep a p e rr e s e a r c ht h et a s k ，r e q u i r e m e n ta n df u n c t i o no ft h e i n d u s t r i a lb o i l e rc o n t r o ln e w l y , a n dr e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l i nt h ei n d u s t r i a lb o i l e rc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m ，t h e nd e v e l o p s 10 t hi n d u s t r i a lb o i l e r c o m p u t e r c o n t r o ls y s t e mw h i c hh a se x c e l l e n tf o r e g r o u n d t h ei n d u s t r i a lb o i l e rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mi sac o m p l i c a t e d ，m u l t i v a r i a b l e ，l a g g e d s y s t e m t h ep a p e ra n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eo f t o t a lb o i l e rc o n t r o lo b j e c t ，a n dg e t s t h ei n d u s t r i a lb o i l e r s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i si sv e r y i m p o r t a n tt ot h ed e s i g no ft h e c o n t r o l s y s t e m ；t h e n ，a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i s o fi n d u s t r i a lb o i l e r s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a r i n gt h eo t h e rc o n t r o lp r e c e p t s ，t h ep a p e rd e s i g n st h ee l e m e n t a r y d i a g r a mo f a l lc o n t r o lc i r c u i tu t i l i z i n gf l o wc h a r t ，a n ds e a r c ht h et h i n k i n go ft h ec o n t r o l s y s t e md e s i g n w i t ht h eu s eo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h ep a p e rr e a l i z e sr e a l t i m ed a t a b a s es y s t e m ， d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，c o n t r o lc i r c u i t s ，m o n i t o r i n gs y s t e ma n da l e r t i n g - p r o t e c t i o ns y s t e m i nt h ep e r i o d ，t h eo p e n n e s sa n d s t a b i l i t yo f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sr e l a t e dt ot h e t o t a ls y s t e m so p e n n e s sa n ds t a b i l i t y , i sr e s e a r c h e d ；r e s e a r c ht h er e a l t i m ed a t a b a s e ，l a t e r , d e s i g nt h ed a t a b a e o ft h ei n d u s t r i a lb o i l e rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mt h r o u g hu s i n gt h em o d e l o fe r ：t h ep a p e ru s e sb e t t e rp i da l g o r i t h mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o li nt h e b a s eo fr e s e a r c h i n ga l lk i n d so fp i d ，s o ，i ts a t i s f i e st h er e q u i r e m e n to fc o n t r o lb e t t e r ； f i n a l l y , u s i n ga d v a n c e ds o f t w a r et e c h n o l o g ys u c h a sc o ma n da c t i v e xp r o m o t e st h e e f f i c i e n c y o ft h e s y s t e md e v e l o p m e n t ，o b j e c t o r i e n t e d a n a l y s i s a n d i n t e g r a t e d i n f o r m a t i z a t i o nw i l lp r o m o t et h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mo fi n d u s t r i a l b o i l e rc o n t i n u a l l y , a n ds t r e n g t h e n st h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo f t h es y s t e m t h es y s t e mw h i c hh a sg o o ds t a b i l i t ya n de x t e n t i o ns a t i s f i e st h er e q u i r e m e n t sa n d t a r g e to f i n d u s t r i a lc o n t r 0 1 a n dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tg a i n ss a t i s f i e dr e s u l t k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lb o i l e r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，c o m p u t e rc o n t r o l ， r e a l t i m ed a t a b a s e ，p i dc o n t r o l l e r i i _ 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 11 工业锅炉计算机控制系统的发展概况 工业锅炉在国民经济中应用广泛，随着经济环保的要求越来越高，人们日益认识 到工业锅炉采用计算机控制系统的重要性。从8 0 年代我国引进第一套工业锅炉计算 机控制系统以来，目前工业锅炉计算机控制系统已经得到了推广使用，国内也有众多 高校、研究所和企业都投入了这一领域的研究与开发。随着计算机控制系统的发展以 及生产管理水平的提高，可以说工业锅炉计算机控制系统的发展是日新月异。 工业生产过程自动化的发展历史可以追溯到1 7 世纪上半叶。早在1 6 2 0 年 c o m e l i s d r e b b e l 就制成了加热炉恒温器。这大概是人类历史上所记载的第一个自动装 置。随后，1 7 8 8 年，j a m e sw a t t 发明了人们所熟知的离心式调速器，它曾经在工业生 产中发挥过重要的作用。近几十年来，工业生产过程控制规模的不断扩大，复杂程度 的不断增加，工艺过程的不断强化，对过程控制系统提出了越来越高的要求。过程控 制仪表也从3 0 年代的直接作用式气动仪表、变送器式气动仪表，发展到电动单元组 合仪表和组件组装式仪表。这一时期的工业锅炉控制系统是由这类常规仪表所组成的 常规控制系统1 2 】| 3 1 【。 1 9 4 6 年，世界上第一台电子计算机诞生了。短短几十年间，计算机得到了突飞 猛进的发展。特别是微处理器和个人计算机，它已成为家喻户晓、人人皆知的产物。 小至家用电器的控制，大到人造卫星的发射，到处可以看到计算机在发挥作用。今天， 许多以计算机为基础的控制系统正在控制着各种各样的生产过程，完成着以前由常规 控制系统所实现的、或者是常规控制系统所无法实现的各种控制功能。人们把这种以 计算机为基础而构成的控制系统称为计算机控制系统。 计算机控制系统的发展大致经历了以下几个阶段： 1 9 6 9 年以前是试验和实用阶段。这一阶段，计算机系统主要完成生产过程中的 数据处理、安全监视和监督控制。1 9 5 8 年9 月，美国l o u i s i n a 公司的s t e r l i n g 电厂安 装了第一个计算机安全监视系统。由于高性价比的小型计算机的出现，计算机在过程 控制领域中的应用有了较大的发展。1 9 6 2 年3 月在美国m o n s a n t o 公司的乙烯厂实现 了第一个直接数字控制系统。但由于当时硬件的可靠性还不够高，所有的监视和控制 任务都由台计算机来完成，故造成危险集中。为了提高控制系统的可靠性，常常要 另外设置一台备用计算机。这样就造成了系统的投资过高，因而限制了它的应用 华中科技大学硕士学位论文 范围。早期的工业锅炉计算机控制系统多属于这种类型。 1 9 7 0 年以后计算机控制系统的应用逐渐走向成熟阶段。在这阶段，最重要的 事件就是分散控制系统的诞生。世界上第一个分散控制系统是美国h o n e y w e l l 公司于 1 9 7 2 年研制、1 9 7 5 年发表的t d c - - 2 0 0 0 系统【5 】。分散控制系统使得原来由一台计算 机所包揽的监视或控制任务可以由几台、几十台甚至上百台微处理机分别去完成，这 样就减小了单台计算机故障对整个系统的影响。同时，计算机网络通信技术的发展， 又使得这些分散的微型计算机控制系统能够相互交换信息，或者与更高一级的计算机 系统连接起来，从而构成一个分级式的计算机控制系统。d c s 的发展与成熟大大提高 了工业锅炉计算机控制系统的水平1 6 j 。 目前，d c s 已经成为计算机控制系统的主流，但是，计算机控制系统的发展并 没有停止。为了实现各控制系统及设备的信息共享、各控制设备的互换与互操作、大 幅度减少控制信号电缆以及进一步提高系统的智能化、可靠性、可维护性等目标，人 们提出了现场总线控制系统( f i e l d - b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。f c s 的核心是现场总线，现 场总线技术是9 0 年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将当今网络通信与管理的 概念引入工业控制领域。它是控制技术、仪表工业技术和计算机网路技术的三者结合， 具有现场通信网络、现场设备互联、互操作性、分散的功能快、通信线供电、开放式 互联网络等技术特点，这些特点不仅保证了它完全可以适应目前工业界对数字通信和 自动控制的地需求，而且使它与i n t e m e t 互联构成不同层次的复杂网络成为可能，具 有十分广阔的前景。在过去的1 0 年中，出现了多种现场总线产品，如德国b o s c h 公 司设计的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) ，美国e c h e l o n 公司设计的l o n w o r k s 网 络( l o c a ln e t w o r k ) 等。可以看出，现场总线技术的采用必将对工业锅炉计算机控制 系统的发展起到很大的推动作用【7 j i 。 展望2 1 世纪，信息技术( i n f o r m m i o nt e c h n o l o g y ) 的蓬勃发展，众多公司纷纷 将信息技术应用到计算机控制系统中，以实现信息与控制的一体化。如1 9 9 6 年霍利 韦尔公司提出了全厂一体化技术，将工业控制网络、实时操作网络、工厂信息网络融 为一体，提出了t p s ( t o t np l a n ts o l u t i o n ) 全厂一体化控制系统，从而实现了控制系 统与i n t e r n e t 和i n t r a n e t 的融合。此外，以太网技术、f d d i 技术、个人计算机及图形 操作系统w i n d o w sn t ，通用的数据库系统、w e b 技术、j a v a 等信息技术的采用，将 继续推动计算机控制系统的发展。同时，这些新技术的采用也将使得工业锅炉计算机 控制系统呈现日新月异的变化【9 】f l o 】j 【1 2 。 1 2 计算机控制系统概述 计算机在控制领域的应用，有力地推动了自动控制技术地发展，扩大了控制技术 一 2 华中科技大学硕士学位论文 在工业生产中的应用范围，特别是使大规模的工业自动化系统发展到崭新的阶段。 控制系统随着控制对象、控制规律、执行机构的不同而不同，但其基本结构可用 图1 1 表示。 在控制系统中为了得到控制信号，要将被控参数与给定值进行比较，然后形成误 差信号。控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零。 从而达到使被控参数趋于或达到给定值之目的。在这种控制系统中，被控量是系统的 输出，被控量又反馈到输入端，与输入端相减，所以称为按误差进行控制的闭环控制 系统f 1 3 】 “。 给定债 图1 1闭环控制系统框图 由图1 1 可见，自动控制系统的基本功能是进行信号的传递、加工和比较，这些 功能是由检测、变换发送装置、控制器和执行机构来完成的。其中控制器是控制系统 中的关键部分，它决定了控制系统的控制性能和范围。 若将自动控制系统的控制器的功能用计算机或数字控制装置来实现，就构成了计 算机控制系统，其基本框图如图1 _ 2 所示。如果计算机是微型计算机控制系统( 简称 微机) ，就称微机控制系统。简单的说来，计算机控制系统就是由各种各样的计算机 参与控制的一类系统。 图1 2 计算机控制系统基本框图 在一般的模拟控制系统中，控制规律由硬件电路产生的，要改变控制规律就要更 改硬件电路。而在计算机控制系统中，控制规律是有软件来实现的，计算机执行预定 的控制程序，就能实现被控参数的控制。因此要改变控制规律，只要改变控制程序即 可。这就使得控制系统的设计更加灵活方便。特别是可以利用计算机强大的计算、逻 辑判断、记忆、信息传递能力，实现更为复杂的控制规律，如非线性控制、逻辑控制、 华中科技大学硕士学位论文 自适应控制、自学习控制及智能控制等f 1 5 】【1 8 】【1 9 】。 计算机控制系统中，计算机的输入和输出都是数字量，因此在这样的系统中，需 要将模拟量变成数字量的a d 转换器，以及将数字量转化成模拟量的d a 转换器。 计算机控制系统的控制过程一般可归纳为两个步骤： 1 、实时数据采集对被控参数的瞬时值实时采集，并输入计算机。 2 、实时决策控制 对采集到的表征被控参数的状态量进行分析，并按已确定的控 制规律，决定进一步的控制过程，适时地向执行机构发出控制信号。 以上过程不断重复，使整个系统能够按一定的动态品质指标工作。此外，计算机 控制系统还应该能对被控参数和设备本身可能出现的异常状态进行及时监督和处理。 控制过程的两个步骤主要由计算机完成。虽然计算机实际只进行算术、逻辑操作和数 据传递等工作。 因此，计算机控制系统具有很多优点：实时性好、可靠性高、适应性强、智能化。 此外，它还具有人机联系方式完善、软件丰富、投资少而经济效益高以及能促使管理 和控制相结合等一系列优点j 。 计算机控制系统的分类方法很多，可以按照系统的功能、控制规律或控制方式等 进行分类。 按照控制规律，计算机控制系统可以分为程序和顺序控制、比例积分微分控制 ( p i d 控制) 、最少拍控制、复杂规律控制以及智能控制等。 按照控制功能，计算机控制系统又可以分为：直接数字控制系统( d i r e c td i g i t a l c o n t r o l - - d d c ) 、监督控制系统( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l - - s c c ) 、递阶控制系 统( h i e r a r c h i c a lc o n t r o ls y s t e m - - h c s ) 、集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m d c s ) 、和现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m - - f c s ) 等几种。 “直接数字控制”是为了强调计算机直接控制生产过程这一特征。d d c 的主要 特点是结构紧凑、轻便灵活、便于维护，有较高的抗干扰能力和控制精度，操作方便。 主要问题是受运行速度和内存容量的限制，一般只能按预定工艺参数进行工艺过程控 制，难于动态控制热处理工艺过程和产品质量预测，因此还是初级微机控制系统。 监督控制系统又称设定值系统，它是将操作指导和d d c 综合起来的种较高级 形式的控制系统，它和d d c 一样属于闭环控制。s c c 可以根据生产过程的工艺参数， 运用数学模型计算最佳给定值，直接对模拟调节器或d d c 进行设定使生产过程在最 优工况运行。此外，也可以通过在线的模型辨识对模型进行修改。实现最优控制和自 适应控制。 集散控制系统又称分散控制系统或分布式控制系统。它是融d d c 、s c c 及整个 工厂的生产管理为一体的高级管理系统。它实际上是利用计算机技术队生产过程进行 一。一 4 华中科技大学硕士学位论文 = ! ! ! ! 寰! ! 鼍! = ! 皇! ! ! = ! = ! = ! ! ! ! ! 鼍皇! 烹嘲 集中监控、操作、管理、分散控制的一种新型控制技术。它是计算机技术、信号处理 、 技术、测量控制技术、通信网路技术和人机接口技术相互发展、相互渗透而产生的。 具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机 界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点。能够适应工业生产过 程的各种需要，提高生产自动化和管理水平，创造最佳经济效益和社会效益。 现场总线控制系统是一个有三类部件组成的实时连续反馈系统，即被控过程、数 据融合机制、传感器及施动器组成的闭环通信控制系统。其中，多传感器为数据融合 机制提供有关被控过程的当前状态的信息；数据融合机制是一个数据处理系统，它利 用传感器提供信窟、计算所需的操作，以减少系统设定理想状态和当前状态的差异；施 动器完成丁数据融合机制计算出的行为操作。它具有现场设备实现互换、互操作，全 数字化通信，功能彻底分散，共享网络数据库，信息高度集中等特点，是计算机控制 系统发展的方向。 1 3 课题的背景、研究目的和意义 本课题是以1 0 t h 燃煤蒸汽锅炉的计算机控制系统研制为背景的。如前所述， 计算机控制系统已经发展到很高的水平，因此，将先进的计算机控制技术应用到工业 锅炉的控制中，是提高锅炉控制与管理水平的发展方向。 工业锅炉在工业生产和社会生活中起着及其重要的作用，其使用范围广，影响面 大。目前，据有关资料统计，我国拥有各类工业锅炉4 0 余万台。年耗煤量占全国总 耗煤量的三分之一。而工业锅炉的热效率普遍不到5 0 6 0 ，能源浪费和环境污染 相当严重。以大气污染为例，中国温室气体排放量占全球温室气体排放量的比重，由 l9 5 0 年的1 4 上升到1 9 9 0 年的1 0 ，近几年随着加入世贸组织以及中国经济的飞速 发展，煤的消耗量会大大增加，由此造成的污染也会大大增加。如何使工业锅炉的生 产既安全可靠又有尽可能高的经济性，并且符合环保的要求，是各生产厂家和用户都 普遍关注的问题。 对锅炉生产进行自动控制，可以实现生产过程的快速、平稳、准确、和可靠的操 作，提高锅炉的燃烧效率，节约能源，同时减少对环境的污染。 但是，目前我国现有工业锅炉不少采用人工操作结合仪表监控，受到诸多人为因 素( 经验、责任心、白夜班) 的影响，很难使锅炉始终运行在最佳状态。即使采用计 算机控制系统的工业锅炉，也因为软硬件结构落后、功能简单、人机界面不友好等原 因，使得工业锅炉计算机控制系统的效能没有得到很好的发挥。 计算机尤其是微型计算机的应用深入到人们的日常生活中。而且其价格的不断降 低以及人们操作水平的不断提高，为微机在控制系统中的应用铺平了道路。基于微机 一一 华中科技大学硕士学位论文 的计算机控制系统，能够提供友好通用的人机界面、先进的软硬件体系结构以及高可 靠性。而且，计算机提供的诸如数字滤波、积分分离p i d 、选择性p i d 、参数自整定、 自寻优等灵活算法和智能优势，也能够满足工业锅炉控制与管理的需要。因此，将先 进的计算机控制技术应用到工业锅炉控制中是本领域的发展方向，具有广阔的发展前 景与研究价值。 随着工业锅炉市场技术竞争的日趋激烈，锅炉自动控制系统的好坏已成为决定锅 炉性能的重要砝码。因此，研究与开发功能完备、性能可靠的工业锅炉控制系统，是 适应锅炉生产发展需要的，具有很大的市场价值和社会效益 2 l 】【2 2 】【2 3 】。 1 4 本文的主要内容 在分析国内外工业锅炉计算机控制系统发展的基础上，结合具体的锅炉中的实 际，从控制系统的软硬件分析、控制系统原理设计以及先进p i d 控制算法的研究、实 时数据库设计、数据采集系统、控制系统的通信进行研究，开发了符合实际需要的工 业锅炉计算机控制系统。本学位论文的主要工作及成果可以分为以下几个方面： 1 、研究工业锅炉控制的任务、要求和功能，分析锅炉各控制对象的特性曲线， 得出工业锅炉的动态特性。 2 、根据工业锅炉的动态特性，设计并优化控制系统原理图，改进p i d 控制器的 设计以满足工业锅炉控制的需要。探讨了系统的软硬件选型原则。 3 、设计工业锅炉计算机控制系统中的实时数据库。提出实时数据库是整个控制 系统的核心。 4 、研究先进的软件工程方法、软件设计技术如c o m 、a c t i v e x 技术在工业锅炉 控制系统中的应用。 5 、实现工业工业锅炉计算机控制系统，经测试满足用户的需要。 1 5 本章小结 本章回顾了计算机控制系统的发展概况，简要介绍了计算机控制系统的基本原 理，阐明了工业锅炉计算机控制系统的意义，以及本课题的背景，以及本文的结构和 主要工作。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 工业锅炉控制的任务及其动态特性分析 2 1 工业锅炉控制的任务与要求 由于计算机的功能强大，可以实现很多复杂而高级的功能。在工业锅炉的控制中， 主要是实现锅炉的经济型燃烧、保证设备的安全运行、快速适应负荷的变化等要求。 随着锅炉自动化的发展以及工业锅炉技术竞争的日益激烈，控制的信息化也成为工业 锅炉计算机控制的一项任务。锅炉自动控制的具体任务有： l 、锅炉汽包水位的监测、控制、报警与保护 使给水量跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许范围内。维持锅炉汽包水 位在规定的范围内，是保证锅炉安全运行的必要条件，也使锅炉正常生产运行的主要 指标之一。水位过高，会影响其水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水过多，同时 使饱和蒸汽含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加过热管壁上的结垢。水位过低，则 可造成水的急速蒸发，汽水自然循环被破坏，局部水冷壁管被破坏，严重时会造成爆 炸事故。因此对汽包水位除了控制给水量外，还必须有报警、保护功能。一般地工业 锅炉的汽包水位应控制在在1 0 m m 范围类波动。 2 、汽包压力的监测、控制、报警与保护 维持蒸汽母管压力不变，这是燃烧过程自动控制的第一项任务。如果蒸汽压力变 了，就表示锅炉的蒸汽生产量与负荷设备的蒸汽消耗量不相适应，因此，必须改变燃 料的供应量，以改变锅炉的燃烧发热量，从而改变锅炉的蒸发量，恢复蒸汽母管压力 为额定值。这项控制任务就称为汽压控制或热负荷控制。此外，保持汽压在安全生产 范围内，也是保证锅炉和各个负荷设备正常工作的必要条件。 3 、送风量的监测、控制 锅炉燃烧过程的最佳状态和经济性是自动控制的非常重要的任务。而燃烧的经济 性指标难于直接测量，常用锅炉烟气中的含氧量，或者燃料量与送风量的比值来表示。 如果能够恰当的保持燃料量与空气量的正确比值，就能达到最小的热量损失和最大的 燃烧效率。反之，如果比值不当，空气不足，结果导致燃料的不完全燃烧，当大部分 燃料不能完全燃烧时，热量损失直线上升：如果空气过多，就会使大量的热量损失在 烟气中，使燃烧效率降低。因此，必须对送风量进行实时监测，并控制送风量在经济 燃烧的范围内。 4 、炉膛负压的检测、控制 7 华中科技大学硕士学位论文 炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。通常要求炉膛负压保持在 2 0 4 0 p a 的范围内。如果炉膛负压太小，炉膛易向外喷火，既影响环境卫生，又可能 危及设备与工作人员的安全。负压太大，炉膛漏风量增大，增加引风机的电耗和烟气 带走的热量损失。 5 、炉膛出口烟温、排烟温度、省煤器出口水温的监测与报警 对炉膛出口烟温、排烟温度、省煤器出口水温进行实时监测，并实现极限温度报 警。排烟温度过高显示锅炉的经济性下降，而温度过低会造成低温腐蚀，对锅炉设备 造成损害。同时炉膛出口与省煤器出1 3 水温对于锅炉热交换的经济性也很重要。 6 、控制除氧器的水温和压力在正常的范围之内，并对其进行实时监测、报警与 保护 2 5 】f 2 6 1 2 7 。 2 2 工业锅炉计算机控制系统的功能 2 2 1 监测显示系统 检测显示系统的功能是对锅炉主望运行参数的实时监测，对重要参数进行超限报 警。工业锅炉的监测参数主要有：汽包水位、汽包压力、炉排转速、煤层厚度、炉膛 负压、炉膛出口烟温、排烟温度、省煤器出口水温、除氧器水位、除氧器压力。 对于需要监测的参数，可通过系统图、棒状图、历时曲线和表格等方式灵活显示。 各种显示方式的结合与切换，可以使运行操作人员更加准确的把握系统的状态。 2 2 2 回路控制系统 自动控制系统包括燃烧控制系统、汽包水位控制系统、除氧器控制系统。 1 、燃烧控制系统 燃烧控制系统实现对燃料( 汽压) 、送风量、炉膛负压的控制。 燃料( 汽压) 控制的输入信号有上煤信号、煤斗开度、炉排转速及汽包压力，输 出的炉排转速指令作为控制信号。 送风量和炉膛负压的控制分别以送风量和炉膛负压反馈作为控制系统的输入信 号，并根据输入信号的偏差控制送风流量和引风流量。送风量控制系统的给定值由燃 料流量信号产生，以保证一定的风煤比和燃烧经济性；同时，燃料流量信号也作为 炉膛负压的控制的前馈信号，以加强系统的跟随性。 2 、汽包水位控制系统 汽包水位控制一般采用三冲量控制系统，即以汽包水位、汽压偏差( 代表蒸汽流 量) 和给水流量作为控制系统的输入信号，系统的输出为给水阀控制信号，从而控制 汽包水位高度。 r 华中科技大学硕士学位论文 i i 3 、除氧器控制系统 除氧器控制包括除氧器压力和水位的控制，分别以除氧器的压力和水位为输入信 号，经过p i d 控制输出，控制压力和水位在安全的范围内。 在上述各回路控制系统中，均考虑了后备手动控制系统，可实现“软手动”和“硬 手动”。“软手动”为运行人员在计算机进行手动操作而设立，“硬手动”是在自动 控制系统出现故障时投入的后备操作手段，以维持锅炉的正常、连续运行。 以上各控制系统均设计了自动手动跟踪功能，可实现自动控制与手动控制的相 互跟踪，保证了系统的无扰切换，可避免切换过程中的扰动。 2 2 3 报警及保护系统 1 、报警系统 报警系统对重要参数进行超限报警。工业锅炉的报警参数有：汽包水位、汽包压 力、炉膛负压、除氧器水位和压力、排烟温度等。当参数超限时，屏幕上的参数显示 值改变颜色并开始闪烁，同时计算机内扬声器发出声响进行报警。 2 、保护系统 保护系统实现对以下三个控制对象的安全保护：给水过程、燃烧( 汽压) 过程、 除氧器( 水位、压力) 。 保护系统主要是在被控参数超高( 低) 限时，迫使自动控制系统在保证锅炉设备 安全的状态下运行。保护系统的功能由计算机系统和保护装置( 如安全阀等) 共同实 现，当参数超高( 低) 限时，计算机系统显示引起保护动作的参数，产生保护切换指 令和声响指令。同时，相应的保护装置( 如安全阀等) 动作。 除此之外，给水系统保护另设置一套电接点测量、继电器保护系统。 23 工业锅炉控制对象的动态特性 2 3 1 控制系统的过渡过程和品质指标 1 、自动控制系统的静态和动态 在自动控制系统中，把被控对象不随时间而变化的平衡状态称为系统的静态，而 把被控量随时间而变化的不平衡状态称为系统的动态。 当一个自动控制系统的输入及输出均恒定不变时，整个系统就处于一种相对平衡 的状态，系统的各个组成环节都不改变其原先的状态，它们的输出信号都处于相对静 止状态，这种状态就是上述的静态。自动控制系统的静态不是一般意义上的静止状态， 一股所说的静止就是指静止不动，而自动控制系统中的静态是指各参数的变化率为 零。因此系统处于静止时，生产还在进行，物料和能量仍有进有出，只是平稳进行没 一。一 9 华中科技大学硕士学位论文 有改变就是了。 如果系统处于相对平衡状态即静态，但由于扰动作用破坏了这种平衡，被控量就 会随之变化，从而使调节器等自动控制装置改变操作量以克服扰动的影响，力图使系 统恢复平衡。从扰动的发生，经过自动控制装置的作用，调节物料或能量大小。指导 控制系统重新建立平衡，在这一段时间中，整个系统的各个环节和参数都处于变动状 态之中，所以这种状态叫做动态。 2 、控制系统的过渡过程 自动控制系统常会受到各种各样的干扰，当参数突然从一个数值变动到另外个 数值的干扰形式就成为阶跃干扰。阶跃干扰是最不利的干扰形式。如果一个系统能很 好地克服阶跃干扰的影响，那末它对于其他形式的干扰也解不难克服，所以常把对阶 跃干扰的反应作为判别自动控制系统抗干扰的好环的标准。 当自动控制系统加入阶跃干扰时，系统的过渡过程有以下几种基本形式。 a ) 发散振荡过程 系统受到阶跃干扰后，被控参数的变化幅度越来越大，呈发散振荡，如图2 1 所示。这是一种不稳定的过程，随着时间的增长，被控参数偏离给定值愈来愈远。这 种过程在自动控制系统中是应该避免的。 0 、 八。 v v 7 图2 1 发散振荡过程 f0 。y ，入 图2 2 非周期过程 b ) 非周期过程 系统受到阶跃干扰作用时，被控参数偏离给定值后，须经过相当长的时间才能接 近给定值，反应速度慢，恢复时间长，过程中不出现波动，如图2 2 所示。这种过 程是满足被控制参数不容许波动的工艺要求，控制质量不高，故很少采用。 c ) 等幅振荡过程 系统受到阶跃干扰作用后，经过调节器调节，被控制参数不衰减又不发散，震荡 的幅度相等，处于发散的临界状态。如图2 3 所示。因为被控参数永远也不会稳定 下来，故属于不稳定过程。调节质量要求不高的对象，选用位式调节规律所得的过程 就是等幅振荡过程。 一_ 一 】0 华中科技大学硕士学位论文 d ) 衰减振荡过程 衰减振荡过程，系统受到阶跃干扰作用后，经调节器调节，被控参数仅几个周期 波动后，会到给定值附近稳定下来，如图2 - - 4 所示。一般经过两三次波动就能恢复 到给定值附近已是很理想的了。 o j 、八 7 图2 3 等幅振荡过程 ，o 。一 刃。 v_ 图2 4 衰减振荡过程 3 、控制系统的品质指标 评价一个控制系统质量的好坏，不仅要看它的静态情况，还要看它的动态情况。 生产对控制的要求主要由三方面：控制系统的稳定性：二是被控量恢复到给定值的快 慢：三是恢复稳定后，是否与给定值存在差距。这三方面的要求t 对一般的控制系统 是适用的，只是不同系统要求重点不同。一般工业生产中的控制系统如工业锅炉计算 机控制系统是给定值系统。评价控制质量的指标，可在扰动作用后，由系统过渡过程 睦线的形状和持续的时间看出。设在定值系统中，当扰动和给定值发生阶跃变化是， 系统的过渡过程曲线如图2 - - 5 所示。根据过渡过程曲线衡量系统的指标有下面几个： 图2 一j 扰动，阶跃变化下的过渡过程 a ) 最大偏差彳 最大偏差是被控量偏离给定值的最大偏差值，用彳表示。最大偏差又叫短时偏差， 一 1 l 华中科技大学硕士学位论文 它表明被控量损失偏离给定值的最大程度。偏离越大，偏离的时间越长，则系统离开 规定的生产工艺越远，对生产的影响也越大。严重时还会造成事故。所以，工艺上对 最大偏差是有限制的。 b ) 衰减比 衰减比是表示衰减程度的指标。如图2 5 所示，它是前后两个波峰值比，即 ”= - 。当”= 1 时，表示前后两个波分相差不大，接近等幅振荡。振荡次数多，不稳 定，般不采用：当 1 ，则接近非周期振荡过程， 通常也是不希望的；一般月= 4 1 0 为宜，因为衰减比在这之间，过渡过程开始阶段的 变化比较快，被控量在受到干扰后，经过调节作用，系统很快就会稳定下来，而且偏 差也不大。 c ) 静差( 余差) 静差是指过渡过程终了是残余偏差，也就是被控量的稳定值与给定值之差，一般 用符号c 表示，其值可正可负。在生产中，给定值是生产上提出的技术指标，因此被 控制量最好等于给定值，或者越接近给定值越好。实际生产中对静差这个指标必须结 合具体系统分析，提出适当要求。 d ) 过渡过程时间 从干扰发生到被控量又建立新的平衡为止，这一段时间叫过渡过程时间，也叫稳 定时间，用e 表示。从严格意义上讲，被控量完全达到平衡状态需要无限长的时间。 所以根据工艺要求有必要在可测量的区域内，在稳定值上下规定个小的范围，当被 控量之进入这一范围而不再越出时，就认为被控量已达到稳定值。这个范围一般定为 5 。过渡时间短，表示过渡过程进行得比较快，这时即使干扰出现，系统也能适 应，系统质量就高。反之，过渡时间太长，会造成前干扰未除，后干扰又起，几个干 扰叠加起来的影响，可能会使系统不能适应生产的要求。 e ) 振荡周期或振荡频率 过渡过程从第一个波峰到第二个波峰之间的时间叫振荡周期，简称周期，其倒数 称为振荡频率。在相同的衰减比的条件下，周期与过渡时间成正比，一般希望周期短 一些好。 综上所述，过渡过程的指标主要有：衰减比、静差、最大偏差、过渡过程时间、 振荡周期等。其中衰减比、最大偏差表示系统的稳定性能，过渡过程时间表示系统的 快速性能，这两方面都反映系统的动特性：而静差的大小表示系统的静特性的好坏， 也反映料系统的精度。上述指标在不同系统中各有其重要性，应该根据具体情况分清 主次，区别对待，对于那些主要的指标先予以保证。 影响系统过渡过程品质的因素很多，这些因素概括为三个方面。一是控制对象本 1 2 华中科技大学硕士学位论文 身的特性，其次是控制系统的设计，第三方面是干扰作用的形式。 2 3 2 工业锅炉控制对象的特性 自动控制系统是针对对象工作的。为了做到有的放矢，必须了解对象的特性，包 括动态特性和静态特性。从自动控制的角度看，对象特性主要有三个参数，即放大系 数b 、时间常数丁和滞后时间r 。 1 、放大系数 被控对象有两个通道，一个是控制通道，而是干扰通道。两个通道各有静、动态 特性，如控制通道的放大系数，干扰通道的放大系数k ，它们是不同的，须分开进 行讨论。 a ) 控制通道的放大系数k 。的意义和影响 放大系数k 。是对象的静态参数，它是系统在新、旧稳定的情况下，对象的输出与 输入差值的比值系数，即 k 。：坐型( 2 一1 ) 。 却 式中y 一对象原来的平衡状态与新的平衡状态输出的变化量； 蜘一新、旧平衡状态输入量的变化量。 括号内。是表示，- m 的意思，理论上过渡过程要在m 时间才能达到真正的稳定。 概括k 。的定义有如下结论： 放大系数是反映静态特性的参数，因为它反应了达到稳定状态后的情况。 由于实际生产设备，对象的静态特性往往是非线性的，在不同的负荷下，放大系 数很可能不一样，因此，只有在规定的工作点和小扰动的条件下。才能把k 。看成一个 常数。 放大系数k 。的概念，只适合有自衡性的对象，即具有适应外界条件能自发地趋向 平衡能力的对象。 从放大系数的影响来看，应注意两个方面： 放大系数如的数值，如果工艺上容许几种控制手段可供选择，那个而值大表示 它的控制作用灵敏，应该选择它。k 的大小是以调节参数q 从工作点改变相同的百分 比为基准比较的。 k 。大些有好处。系统中的放大系数是各个环节放大系数的乘积，该调节器的放大 系数为k o ，对象的放大系数为k l ，调节阀放大系数幻，则系统的总放大系数k = k o k k ，。 如果k 保持某个数值，那末，而大些，则调节器的也就有较大的调整范围。如果如 1 3 华中科技大学硕士学位论文 过小，b 调到最大也不满足七的要求，幻一般是不调整的，故大些为好。 锄的非线性，使女不能保持为定值，结果必然是系统的放大系数随负荷而变化， 那末，调节器的放大系数只对菜一负荷适宜。为解决这个矛盾，在确定控制方案时， 可考虑其他环节也具有非线性，例如选用对数特性的调节阀，阎的放大系数幻可随负 荷量而变化，可在一定程度上补偿对象的非线性。 b ) 干扰通道放大系数竹的意义及影响 干扰信号经过干扰通道对被控参数施加影响。如在开环条件下，干扰作了阶跃变 化 被控参数的最终变化量是厂( m ) 与v 的比值就称为干扰通道的的放大系数女， 七r ：掣 ( 2 2 ) 7 厂 、一 白对控制过程的影响是很明显的，在同样厂作用下，移越大，就使被控参数偏离给定 值越远。即使是构成闭环系统，最大偏差也会较大些。 在一个控制系统中，干扰因素往往不止一个，从静态特性缸看，我们应该作中注 意较大的干扰，尽管干扰是