锅炉汽包水位控制系统设计-毕业论文

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题目：锅炉汽包液位智能控制系统

设计与仿真研究

学生姓名：强佳

学号：200440503124

专业：测控技术与仪器

班级：测控2004-1班

指导教师：李忠虎副教授

锅炉汽包液位智能控制系统设计与仿真研究

摘要

锅炉是化工、发电、炼油、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。因此，对锅炉设备的自动控制系统进行分析研究就显得尤为重要。

锅炉汽包液位控制是锅炉生产过程中最重要的环节。锅炉的大部分事故是由汽包液位控制不当而引起的，由于受到蒸汽负荷干扰而产生虚假液位，使控制器反向动作，进而引发汽包液位的大幅振动。本文针对锅炉汽包液位的动态特性，研究FUZZY-PID控制在锅炉汽包液位控制中的应用。

传统的锅炉汽包液位三冲量控制系统大都采用PID控制。而模糊控制不要求知道被控对象的精确数学模型，只需要操作人员的经验知识及操作数据，鲁棒性强，适合用于非线性、滞后系统的控制，但其静态性能不能令人满意，限制了它的应用。为消除模糊控制的稳态误差，本文将FUZZY-PID引入锅炉汽包液位的三冲量控制中，并利用Simulink分别在设定值及干扰作用下对控制系统进行仿真，结果表明，较之单纯的模糊控制和常规PID控制，这种控制效果较为理想，可满足锅炉的汽包液位控制要求。

关键词：汽包液位；PID控制；糊控控制；FUZZY-PID控制；仿真

The design and imitate resesrch of intellectual control system of

boiler drum water level

目录

引言 (1)

第一章第一章给水控制系统的动态特性 (3)

1.1锅炉给水控制系统的任务 (3)

1.2 给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性 (3)

1.2.1 给水控制对象的动态特性 (3)

1.2.2 各种扰动下水位的动态特性 (5)

第二章给水自动控制系统的基本要求和基本结构 (9)

2.1 给水控制系统的基本要求 (9)

2.2 给水控制系统的基本结构及分析 (9)

2.2.1 单冲量给水控制系统 (9)

2.2.2 前馈-反馈三冲量给水控制系统 (10)

2.2.3 串极三冲量给水控制系统分析 (16)

第三章给水控制系统的无扰切换 (20)

3.1 测量信号的自动校正 (20)

3.1.1 水位信号的压力校正 (20)

3.1.2 过热蒸汽气流信号的压力、温度校正 (22)

3.1.3 给水流量信号的温度校正 (23)

3.2 给水控制系统的切换 (24)

3.2.1 给水流量测量装置切换系统 (24)

3.2.2 大小给水调节阀门的切换 (28)

3.2.3 系统的无扰切换 (29)

第四章系统的参数整定及MATLAB仿真 (32)

4.1 控制系统的参数整定方法 (32)

4.1.1 广义频率特性法 (32)

4.1.2 工程整定法 (33)

4.2 调节器的选取 (35)

4.3 参数整定及MATLAB仿真 (36)

4.3.1 单冲量调节系统的参数整定及MATLAB仿真 (36)

4.3.2 串级三冲量调节系统的参数整定 (37)

4.3.3 整个系统和各种扰动量下的SIMULINK结构图和仿真图 (41)

结论 (45)

哈尔滨理工大学荣成学院专科生毕业设计

题目：锅炉水位控制系统设计专业年级：机电08-2

学生姓名：

学号：

指导教师：

哈尔滨理工大学荣成学院完成时间：2011 年 6 月15 日

哈尔滨理工大学荣成学院

哈尔滨理工大学荣成学院

目录

目录 .......................................................................................................... I 第1章绪论 . (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 国内外研究的现状 (1)

1.2.1国内发展状况 (1)

1.2.2国外发展状况 (1)

1.3使用单片机实现锅炉液位控制的优点 (2)

1.4研究方案及预期结果 (2)

1.4.1 系统硬件总体方案 (2)

1.4.2软件总体方案 (2)

第2章系统硬件设计 (4)

2.1核心芯片8051单片机 (4)

2.2 ADC0809A/D转换器 (7)

2.2.1 D／A转换基本原理 (7)

2.2.2 ADC0809转换芯片 (8)

2.3键盘及显示接口 (9)

2.4自动报警电路 (9)

第3章传感器的选择设计 (11)

3.1液位传感器的设计 (11)

3.2温度传感器的设计 (13)

3.3压电式传感器的设计 (14)

3.3.1压电效应和陶瓷压电式传感器选取 (14)

3.3.2压电式传感器的测量电路 (14)

第4章系统软件的设计 (17)

4.1单片机源程序 (17)

4.2水位检测主程序 (19)

结论 (21)

参考文献 (22)

锅炉汽包水位控制系统设计

一、引言

锅炉汽包水位控制系统是锅炉控制系统中的一个重要部分，它对保证

锅炉运行安全稳定起着至关重要的作用。水位过高或过低都会对锅炉运行

产生不良的影响。因此，本文将详细介绍锅炉汽包水位控制系统的设计方

法和关键技术。

二、系统结构

1.水位传感器：水位传感器是用来测量锅炉汽包中的水位高度的装置，常用的有浮子式水位传感器和电容式水位传感器，它能将水位高度转换成

电信号传给水位控制器。

2.控制阀：控制阀根据水位控制器的信号来调整供给水的流量，保持

锅炉汽包的水位稳定在设定水位范围内。常用的控制阀有电动调节阀、气

动调节阀和液动调节阀等。

3.水位控制器：水位控制器是锅炉汽包水位控制系统的核心部件，它

接收来自水位传感器的信号，并根据设定的水位范围和控制策略来输出控

制信号给控制阀。水位控制器采用PID控制算法，综合考虑系统响应速度

和稳定性。

4.操作界面：操作界面提供了对水位控制系统的监控和调节功能，包

括显示当前锅炉汽包水位、设定水位范围、控制方式选择等。操作界面通

常包括触摸屏和物理按键等。

三、系统设计

1.水位传感器的选择：根据锅炉汽包的实际情况选择合适的水位传感器。浮子式水位传感器适用于低压锅炉，安装简单可靠；电容式水位传感

器适用于高压锅炉，具有高精度和抗干扰能力。

2.控制阀的选择：根据系统需要选择合适的控制阀。电动调节阀适用

于小型锅炉，可以实现精确的控制；气动调节阀适用于大型锅炉，具有快

速响应和稳定性好的特点；液动调节阀适用于需要高压力和高流量的锅炉，具有良好的密封性能。

3.水位控制器的设计：根据锅炉汽包水位控制的需求，选择合适的水

锅炉汽包水位控制系统设计

锅炉汽包水位控制是工业生产中极其重要的环节之一，对于保证锅炉运行的安全、稳定、经济具有十分重要的意义。本文将对锅炉汽包水位控制系统设计进行阐述。

锅炉汽包是锅炉系统中用于调节锅炉水位的装置，也是一种储存水量的容器。锅炉汽

包通常会在锅炉的高处，且容量较大，同时也具有缓冲作用和膨胀作用。锅炉汽包水位控

制的主要目的是为了保证锅炉工作时的水位稳定，防止因水位不稳定而引起的事故或设备

损坏。

1.水位控制方式选择

锅炉汽包水位控制的方式通常有三种：手动控制、自动控制、程控系统。手动控制方

式是通过人工调整水位来控制，缺点是易造成人为误操作；自动控制是通过水位控制器对

水位的感应和控制，优点是精度高、效率高；程控系统是利用PLC等控制器对水位进行控

制和监测，可以实时监测水位变化，减少操作人员的工作量。

水位控制器的选择应该根据锅炉的实际情况进行选择，按照锅炉的类型、规模、水位

控制方式等来选择。具体可选择容易维护、控制精度高，适用于复杂环境的水位控制

器。

3.气动执行机构选择

气动执行机构是水位控制器的核心部件，主要功能是根据控制信号对锅炉汽包进水和

排水进行控制。在选择时应注意气动执行机构的工作电压、输出信号等等，并根据自身情

况进行选择。

4.水位控制系统的组成

水位控制系统主要由水位控制器、气动执行机构、水位控制阀和电气控制柜等四部分

组成。其中，水位控制器具有实时感应水位的功能，并对水位进行自动控制；气动执行机

构负责执行水位控制器的控制信号，对锅炉汽包进水和排水进行控制；水位控制阀起到控

制锅炉汽包进水和排水的作用；电气控制柜是整个系统的电源管理中心，负责实现水位控

辽宁工业大学过程控制课程设计（论文）题目：锅炉汽泡水位控制系统设计

院（系）：电气工程学院

专业班级: 自动化092班

学号:

学生姓名：

指导教师:

起止时间：

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：电气工程学院 教研室：

注：成绩:平时20% 论文质量60％ 答辩20％ 以百分制计算

学 号 090302062 学生姓名 韩忠钰 专业班级 自动化

课程设计（论文）题目

锅炉汽包水位控制系统设计

课

程设计(论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数实现功能

在工业生产中经常要对锅炉汽包的液位进行控制,为了能够精确控制液位高度，保证正常生产，要求设计液位闭环反馈控制系统,能抑制流量波动，且系统无余差。本设计要求设计一个锅炉汽包液位闭环反馈控制系统，采用适合的控制算法，输入设定水位值，并实时显示当前水位。

设计任务及要求

1、确定控制方案并绘制P ＆ID 图、系统框图；

2、选择传感器、变送器、控制器、执行器,给出具体型号和参数；

3、确定控制器的控制规律以及控制器正反作用方式;

4、若设计由计算机实现的数字控制系统,应给出系统硬件电气连接图及程序流程图；

5、在实验室进行计算机软件仿真,并给出仿真结果；

6、按规定的书写格式，撰写、打印设计说明书一份；设计说明书应在4000字以上 技术参数：测量范围：20～100cm ；控制精度：±0。5cm ；控制液位：80cm ； 最大偏差：1cm.

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（2天,分散完成）

2、确定系统的控制方案，绘制P ＆ID 图、系统框图。（1天,实验室完成）

十里泉电厂300MW机组

汽包锅炉给水控制系统的应用

摘要：给水全程控制系统是火力发电厂单元机组协调控制中的主要子系统之一，针对其可靠运行直接关系到整个机组的安全问题，采用单冲量和三冲量控制系统有机结合的控制策略。本文应用自动控制理论对单元机组给水的要求和特点进行了全面的分析，使单元机组给水全程控制从锅炉点火到机组满负荷运行，始终保持汽包水位在允许的范围内，而且系统稳态误差小，控制精度高，超调量小。此外还提出了在系统设计时应注意的几个关键问题，这对单元机组给水全程控制系统的设计和调试均具有一定的参考价值。

关键词：单冲量；三冲量；串级；切换；跟踪

1绪论

1.1课题的研究背景及意义

随着电力需求的增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度要求也越高。。

汽包水位是汽包锅炉非常重要的运行参数，同时它还是衡量锅炉汽水系统是否平衡的标志。维持汽包水位在一定允许范围内，是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。水位过高会影响汽水分离器的正常运行，蒸汽品质变坏，使过热器管壁和气轮机叶片结垢。严重时，会导致蒸汽带水，造成汽轮机水冲击而损坏设备。水位过低则会破坏水循环，严重时将引起水冷壁管道破裂。因此，汽包水位控制一直受到很高的重视。

另一方面，随着锅炉参数的提高和容量的增大，汽包的相对容积减少，负荷变化和其他扰动对水位的影响将相对增大。这必将加大水位控制的难度，从而对水位控制系统提出了更高的要求。但是，由于给水系统的复杂性，真正能实现全程给水控制火电机组还很少。因此，对全程给水控制进行优化，增强给水系统的控制效果和适应能力成为迫切需要的问题。

基于单片机的余热锅炉汽包水位控制系统设计【毕业设计】

摘要

汽包水位是影响余热锅炉安全运行的一个重要参数。汽包水位过高或过低的后果都是非常严重的。因此对汽包水位必须进行严格控制。单片机技术的快速发展使得单片机广泛应用于过程控制领域并极大地提高了控制性能。

本设计从分析影响汽包水位的各种因数出发，提出了采用汽包水位三冲量控制系统方案。按照工程整定的方法，进行了PID 参数整定，并以MATLAB为仿真平台进行仿真，仿真结果表明此控制系统具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定。根据控制要求和所设计的控制方案进行了系统的硬件设计，利用了单片机的编程实现控制算法并进行系统的软件设计，最终完成单片机在余热锅炉汽包水位控制系统中的应用。

关键词：汽包水位三冲量控制单片机PID控制

I

ABSTRACT

Drum water level is an important parameter influencing the safe operation of the surplus energy boiler. The consequences are very serious when the water level is too high or too low. So the drum water level must be strictly controlled. The rapid development of SCM technology makes it widely used in control field and it improves the performance of control greatly.

1 绪论

在21世纪科学技术发展中起着极为重要的作用的是智能控制技术，这项技术在重工厂、锅炉厂、电子厂等中被广泛应用。在这些工厂的生产过程中主要采用的智能控制系统，智能控制技术使得工厂的生产效率得到了极大的提高，新型的智能控制技术带来了技术革新，给工业化生产带来了新的曙光。

锅炉是重要的动力设备，其任务是提供合格稳定的蒸汽，以满足机器的运转。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，若水位过高，将会破坏汽水分离装置的正常工作，还会导致蒸汽不纯，含水量和含盐量都过大，增加在管壁上的结垢，严重时可能会破坏过热器，最终影响整个蒸汽机组的正常运行和经济指标。如果水位过低，则会使锅炉正常的水循环被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，损坏汽包。所以锅炉汽包水位过高过低都可能锅炉无法正常工作，甚至可能导致生产事故。在锅炉汽包水位控制系统中被控量是汽包水位，而调节量则是供水流量，通过对供水流量的调节，使汽包水位达到动态平衡状态，从而使汽包水位在安全范围内变化，保证锅炉能够安全运行，避免工业生产事故的发生。

因此，随着锅炉朝着大容量、高参数的发展，锅炉汽包也随着其发展而发展，这也给锅炉汽包水位控制提出了更大的要求，锅炉汽包水位控制系统采用智能化控制已越来越成为一种不可逆趋势，智能化控制系统能实时准确的调整锅炉汽包水位，保证锅炉汽包水位处于安全范围内，使锅炉能安全稳定的运行，这也间接提高了锅炉的运行效率。由于采用智能化控制系统，所以减少了员工的工作量，也减少了一些不必要的人为因素对汽包水位控制产生不利的影响。无论从经济性方面，还是从实用性方面考虑，采用智能化控制技术对锅炉汽包水位进行控制。

第一章绪论

汽包水位是锅炉安全运行的指标之一,锅炉汽包水位的测量、控制和保护系统的合理配置是保证锅炉安全运行的重要措施。过高的水位会影响汽水分离装置的汽水分离效果,使锅炉出口的饱和蒸汽的湿度增大,含盐量增多,造成过热器和汽轮机通流部

分结垢,从而引起过热器管壁超温甚至爆管。当水位严重过高时,还将使汽轮机产生水冲击, 引起破坏性事故。水位过低,会影响锅炉的水循环安全,造成局部水冷壁管过热,严重缺水时造成锅炉爆炸。因此,准确测量和保持汽包水位在规定的范围内有其重要意义。我在本设计中，将通过单片机的控制，使锅炉汽包水位，维持在正常的标准下，在水位超过上限或下限的时候，能够及时报警并采取相应措施。

第二章工作原理与方案论证

2.1 工作原理

图2.1所示即为锅炉汽包水位自

动控制系统示意图。当系统受到扰动

后，被控变量（液位）发生变化，通

过检测仪表得到其测量值h。在自动

控制装置（液位控制器LC）中，将h

与设定值h0比较，得到偏差，经过运

算后，发出控制信号，这一信号作

用于执行器（在此为控制阀，）改变

给水量，以克服扰动的影响，使被控

2-1

变量回到设定值。这样就完成了所要

求的控制任务。这些自动控制装置和

被控工艺对象组成了一个自动控制系统。

2.2方案论证

单冲量水位控制系统直接用水位信号与给定值信号相比较，控制器根据该偏差的正负与大小，输出开关给水调节阀门的信号，但这种系统具有严重的弊病：在蒸汽流量忽然增加时，因给水流量小于蒸发量，水位应当下降。但是由于炉筒内的贮汽减少，内部压力忽降，从而使水面下的炉筒容积扩大，并加速汽化，由于水面下容积扩大，使水位不但不下降，反而迅速上升，产生“虚假水位”现象。而控制器根据偏差信号改变给水流量与需求相反，必然会加剧水位的大幅度波动。所以在负荷变化频繁，锅炉

摘要

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。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。

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”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。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，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。

关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制

ABSTRACT

The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain.

过程控制系统实验报告

专业 xxxxxx

班级 xxxxxxxxx

学生姓名 xxxxxx

学号 xxxxxxxx

锅炉汽包水位控制系统设计

一、控制要求

设计一个汽包水位控制系统;使汽包水位维持在90CM;稳态误差±0;5CM;以满足生产要求..

二、完成的主要任务

1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程

2.对被控对象进行特性分析;画出汽包水位控制系统方框图和流程图

3.选择被控参数和被控变量;说明其选择依据

4.设计控制系统方案;如何选择检测仪表;说明其选择原则和仪表性能指标

5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程

6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论

7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真;对参数进行整定;其仿真图要满足动态性能指

标

8.总结实验课程设计的经验和收获

过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 -

1.1 概述............................................ - 3 -

1.2 锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 4 -

1.3 锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - 第二章锅炉汽包水位控制系统的方案设计............... - 5 -

2.1 对被控对象进行特性分析 ............................ - 5 -

锅炉汽包⽔位动态特性分析毕业设计（论⽂）

毕业设计（论⽂）

题⽬：锅炉汽包⽔位动态特性分析和

串级三冲量给⽔控制的设计与仿真

毕业设计（论⽂）原创性声明和使⽤授权说明

原创性声明

本⼈郑重承诺：所呈交的毕业设计（论⽂），是我个⼈在指导教师的指导下进⾏的研究⼯作及取得的成果。尽我所知，除⽂中特别加以标注和致谢的地⽅外，不包含其他⼈或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历⽽使⽤过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个⼈或集体，均已在⽂中作了明确的说明并表⽰了谢意。

作者签名：⽇期：

指导教师签名：⽇期：

使⽤授权说明

本⼈完全了解⼤学关于收集、保存、使⽤毕业设计（论⽂）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版本；学校有权保存毕业设计（论⽂）的印刷本和电⼦版，并提供⽬录检索与阅览服务；学校可以采⽤影印、缩印、数字化或其它复制⼿段保存论⽂；在不以赢利为⽬的前提下，学校可以公布论⽂的部分或全部内容。

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学位论⽂原创性声明

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