本科毕业设计--工业锅炉的微机ddc控制系统-自动化专业范文

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1、东北石油大学秦皇岛分校毕业设计摘 要这次毕业设计课题是工业锅炉的微机DDC控制系统，根据现状，由于我国的整个锅炉生产技术水平还比较落后，所以我国燃烧供热所用的锅炉的燃烧效率还相当低，而且也使得锅炉的燃烧不充分，而造成大气污染加重，所以这就迫切要求我们的锅炉技术得到提高。本设计锅炉的燃烧控制是采用双交叉控制系统，是以维持合适的空气、燃料比值为手段，从而保证了较高的热效率。也就是利用一个测烟道中的氧含量的传感器（氧化锆）随时测的氧含量，信号在计算机处理后，利用一个串级控制系统进行调节空气和燃气的流量，同时在这之间我们加入了一个前馈控制系统，即在燃料的流量和计算机之间，把燃料的流量通过前馈信号提前进

2、入计算机，从而通过计算机总的模块的控制而去调节空气的流量，使得空气和燃气之间维持在最佳的搭配量，最终实现本设计要求。关键字：锅炉 DDC 联锁 串级控制目 录第1章 工业锅炉及DCC控制系统简述11.1引言11.2本课题的提出与课题任务11.3锅炉的发展11.4锅炉微机DDC控制的意义以及目的2第2章 锅炉的基本构造及工作原理42.1锅炉的基本构造42.2锅炉的工作原理及过程52.2.1燃料的燃烧过程52.2.2水的汽化过程5第3章 工业锅炉的微机控制的原理73.1 单回路控制系统83.2串级控制系统93.2.1定义及方框图93.2.3串级控制系统的使用场合103.2.4设计注意事项103.3

3、前馈控系统11第4章 工业锅炉的微机DDC系统的控制144.1 直接数字控制DDC系统144.2 工业锅炉的微机DDC控制工作原理16第五章锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统设计195.1、实验目的195.2、实验设备195.3、实验原理195.4、实验要求205.5、实验内容与步骤205.6思考问题215.7实验结果提交215.8实验总结21致 谢22参考文献2323第1章 工业锅炉及DCC控制系统简述1.1引言锅炉是人类供热，取暖的主要来源，它的出现迄今已有两百余年的历史，期间，从低级到高级，从简单到复杂，随着生产力的发展和对锅炉容量，参数要求的不断提高，锅炉形势和锅炉技术得到不断迅速发展。

4、随着蒸汽机的发明，18世纪末期，出现了公用的圆筒型蒸汽机。由于当时生产力的迅猛发展，蒸汽机在工业上的用途日益广泛，不久就对锅炉提出了扩大容量和提高阐述的要求。于是在圆筒型锅炉的基础上，从增加受热面积入手，对锅炉惊醒了一系列的研究和技术改造，从而使锅炉得到迅速的发展。随着生产的发展，锅炉日益广泛的用于工业生产的各个领域，成为发展国民经济的重要热工设备之一。在现代化的建设中，能源的需气使非常大的，然而我国的能延龄用率极低，所以提高锅炉的热效率，有这极为重要的实际意义。此外，是锅炉能以地制宜地有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉

5、额定运行及运行效率，安全可靠地供热等课题。1.2本课题的提出与课题任务正是由于锅炉应用日益广泛，所以我们这次的毕业设计课题就定为设计一套完善的模拟锅炉控制系统，即：工业锅炉的微机DDC控制系统。（1）实现对锅炉风煤比，烟气含氧量，炉膛压力控制，达到安全生产，降低煤耗，提高效率的目的。（2）要求参数在线修改。（3）具有平衡无扰动切换功能。（4）具有主要设备动态画面显示及报警功能。（5）具有即时主要参数仪表显示和历史趋势显示。（下面小标题按照这个修改）1.3锅炉的发展锅炉向两个发展方向的过程和结构形式演变。第一个方向，是锅炉内部增加受热面，形成烟管锅炉系列。煤在火筒内燃烧放热。后来增加了两个火筒及

6、双火筒锅炉。为了进一步增大锅炉容量，后来又发展到用小直径的烟管取代火筒以增加受热面，形成了烟管锅炉和火筒烟管锅炉组合锅炉。其共同的特点是：烟气在火筒或烟管内流动放热，低温工质水，则在火筒式烟管外侧吸热，升温和汽化。显而易见，这类锅炉的炉膛一般都较小。锅炉四周又被作为辐射受热面的筒壁所围住，所以炉内温度较低，燃烧条件较差，难于燃用低质煤。而且烟气纵向冲刷壁面。串热效率较差，排烟温度较高，热效率低。此外炉筒直径大，既不易提高气压油增加钢耗量，蒸发量也受到限制。对于烟管锅炉，还存在结构刚性大，烟管排列紧密使清理水垢困难和烟管内容易堵灰等缺点。诚然，这类锅炉也有一定的优点，如结构简单，维修方便，水的容

7、积大，能较好适应负荷的变化，水质要求低等。因此有的结构类型至今还被使用。第二个方向，实在锅筒外部发展受热面，形成水管锅炉系列，大约到了19世纪中页，锅炉开始在炉筒外面在整设计各正经较小的圆筒受热面。后来，进一步发展增加圆筒数目减小效圆筒直径以至于钢管取代圆筒的做法，有利于蒸汽参数的提高和传热的改善。最后终于出现了水管锅炉。它的特点使烟气在管外冲刷流动而放出热量，气体在管内流动而吸热和蒸发。水管锅炉的出现，是锅炉发展的一大飞跃，它摆脱了火筒，烟管锅炉受热筒尺寸的制约，无论在燃燃烧条件，传热效果和受热面的布置等方面都得到了根本性的改善，为提高锅炉的容量，参数和热效率创造了良好的条件，金属耗量也大为

8、下降。水管锅炉的发展趋势:水管锅炉，整连箱横水管锅炉，分连箱横水管锅炉，直水管锅炉，三锅筒弯水管锅炉，双锅筒弯水管锅炉,单锅筒水管锅炉，直流锅筒。纵观锅炉的发展历史，真正走上现代化的道路也不过是四，五十年的时间，随着工业发展和科学技术的不断进步，现代化锅炉整朝着大容量，高参数的方向发展。1.4锅炉微机DDC控制的意义以及目的锅炉式锅名经济中重要的供热设备。电力，机械，冶金，化工，纺织，造纸，食品等工业和民用采暖都需要锅炉供给大量的蒸汽。各种工业的生产性质与规模不同，工业和民用采暖的规模大小也不一样，因此所需的锅炉容量，蒸汽参数，结构，性能方面也不相同。锅炉式供热之源，锅炉机器设备的任务在于安全

9、，可靠，有效地把燃料的化学能转化成热能，进而将热能传递给水，以生产热水和蒸汽。通常，我们把用于动力，发电方面的锅炉称之为动力锅炉，把用于工业及采暖方面的锅炉成为供热锅炉，又称工业锅炉。为了提高热及效率，动力锅炉向着高压，高温和大容量方向发展。而供热锅炉，除了生产工艺有特殊要求外，所生产的热水均不需要锅高温的压力和温度，容量也无需很大。随着生产的发展，锅炉设备日益广泛的用于工业的各个部门，成为发展国民经济的重要热工设备之一。从量大，面广这一角度来说，除电力以外的各行业中，主要运行的始终是小型低压锅炉。在我国社会主义现代化的建设中能源的增长大大落后于生产的增长。在国民经济日趋进步的今天，国家要求工

10、农业每年总产值翻两番，但能源只能翻一番，这就要求通过节能措施，以提高能源的有效利用，有效的弥补能源供应方面的缺口，这是一迫切的任务。显然，面对量大，面广的供热锅炉，如何挖掘潜力，提高它的热效率，有着极为重要的实际意义。此外，是锅炉能因地制宜的有效地燃用地方燃料，并为满足环境保护的要求而努力解决烟尘污染问题，以提高操作管理水平，减轻劳动强度，保证锅炉额定输出及运行效率，安全可靠的供热等课题，所以我们利用微机控制，设计出一整套比较合理的锅炉运行设备。通过加热炉热效率控制系统的调节，是燃料流量与空气流量调节回路参照各自对应的实测流量，在允许范围内变化，达到动态时，能维持燃料流量与空气流量恰当的关系，

11、从而提高燃烧效率、节省燃料、起到节能、环保作用。第2章 锅炉的基本构造及工作原理要设计一套完整的，性能良好的工业燃烧锅炉，首先我们就必须了解一般燃烧锅炉的基本构造和燃烧过程。2.1锅炉的基本构造锅炉是一种产生蒸汽的热交换设备。它通过煤、油或天然汽等燃料的燃烧过程释放出化学能，并通过传热过程把能量传递给水，把水变成蒸气或热水，蒸汽或热水直接供给工业、生活等生产中所需要的热能。所以锅炉的中心任务是把燃料中的化学能有效的转化为蒸汽的热能。锅炉的主要设备：（1）气锅：由上下锅筒和三簇沸水管组成。水在管内受管外烟气加热，因而管簇内发生自然的循环流动，并逐渐气化，产生的饱和蒸汽积聚在上锅筒里面。（2）炉子

12、：是使燃烧从充分燃烧并释放出热量的设备。（3）炉膛：保证燃料的充分燃烧，并使水流受热面积达到规定的数值。（4）锅筒：是自然循环锅炉各受热面能适应负荷变化的设备。（须指出，直流锅炉内无锅筒。）（5）水冷壁：主要是辐射受热面，保护炉壁的作用。（6）过热器：是将气锅所产生的饱和蒸汽继续加热为过热蒸汽的换热器。过热器一般都装在炉膛出口。（7）省煤器：是利用余热加热锅炉给水，以降低排出烟气温度的换热器。采用省煤器后，降低了排烟温度，提高了锅炉效率，节省了燃料。同时，由于提高了进入气包的给水温度，所以减少了因温差而引起的汽包壁的热适应力，从而延长了气包的使用寿命。（8）燃烧设备：将燃料和燃烧所需的空气送入

13、炉膛并使燃料着火稳定，充分燃烧。（9）引风设备：包括引风机，烟囱，烟道几部分。用它将锅炉中的烟气连续排出。（10）送风设备：包括有鼓风机和分道组成。用它来供应燃料所需的空气。（11）给水设备：由水泵和给水管组成。（12）空气预热器：是继续利用离开省煤器后的烟气余热，加热燃料燃烧所需要的换热器。省煤器出口烟温度高，装上空气预热器后，可以进一步降低排烟温度，也可改善燃料着火和燃烧条件，降低不完全燃烧所造成的损失，提高锅炉机组的效率。（13）水处理设备：其作用是为清除水中的杂质和降低给水硬度，以防止在锅炉受热面上结水垢或腐蚀。（14）燃料供给设备：由运煤设备，原煤仓和储媒斗等设备组成，保证锅炉所需燃

14、料供应。除灰除尘设备:是收集锅炉灰渣并运往储灰场地的设备。此外，除了保证锅炉的正常工作和安全，蒸汽锅炉还必须装设安全阀，水位表，高低水位报警器，压力表，主气阀，排污阀，止污阀等。还有用来消除受热面上积灰以利用传热的吹灰器，以提高锅炉运行的经济性。本设计由于篇幅其间，则就不必考虑这些问题了。2.2锅炉的工作原理及过程锅炉的工作过程概括起来应该包括三个同时进行的过程：燃料的燃烧过程 、水的汽化过程、烟气向水的传热过程。2.2.1燃料的燃烧过程首先将燃料（这里用煤）加到煤斗中，借助于重力下落在炉排面上，炉排接电动机通过变速齿轮箱减速后由链轮来带动，将燃料煤带入炉内。燃料一面燃烧，一面向后移动，燃料所

15、需要的空气是由风机送入炉排腹中风仓后，向上穿过炉排到达燃料层，进行燃料反应形成高温烟气。燃料燃烧剩下的灰渣，在炉排末端翻过除渣板后排入灰斗，（若是燃气式锅炉就没有这一部分了）这整个过程称为燃烧过程。2.2.2水的汽化过程水的汽化过程就是蒸汽的产生过程，主要包括水循环和水分离过程。经处理的水由泵加压，先流经省煤器而得到预热，然后进入气锅。锅炉工作时气锅的工作介质是处于饱和状态的汽，水混合物。位于烟温较低区段的对流灌束，因受热较弱，汽水工质的容量较大，而位于烟温较高区段的对流管束，因受热强烈，相应的汽水工质的容量较小，从而量大的工质则向上流入下锅筒，而容量小的工质则向上流入上锅筒形成了锅水的自然循

16、环。此外，为了阻止水循环和进行疏导分配的需要，而筒锅上集箱上的汽水混合物导入炉墙外的不受热地上锅筒。蒸汽所产生的过程是借助于上锅筒内设的汽水分离装置。以及在锅筒本身空间的重力分离力作用，是汽水混合物得到分离。蒸汽在上锅筒顶部引出后，进入蒸汽过热气，而分离下来的水仍回到上锅筒下半部的水中。锅炉中的水循环，也保证与高温烟气相接触的金属受热面的以冷却而不被烧坏，是锅炉能长期安全运行的必要条件。而汽水混合物的分离设备则是保证蒸汽品质和蒸汽过热可靠工作的必要的设备。2.2.3烟气向水的传热过程由于燃料的燃烧放热，炉内温度很高在炉膛的四周墙面上，都布置一排水管，俗称水冷壁。高温烟气与水冷壁进行强烈的辐射换

17、热，将热量传给管内工质水。继而烟棋手引风机，烟囱的引力尔向炉膛上方流动。烟气出烟窗炉膛出口）并略过防渣管后，就冲刷蒸汽过热一组垂直放置的蛇型管受热面，使气锅中产生的饱和蒸汽在其中受烟气加热而得到的过热。烟气流经过过热气后掠过胀接在上、下锅筒间的对流管束，在管束间设置了折烟墙使烟气呈“S”型形成曲折地横向冲刷，再次以对流换热的方式将热量传递给管束的工质。沿途降低着温度的烟气最后进入尾部烟道，与省煤器和空气预热气内的工质进行热交换后，以经济的较低的烟温排出锅炉。省煤器实际上同给水预热气和空气预热器一样，斗设置在锅炉尾部（低温）烟道，以降低排烟温度提高锅炉效率，从而节省了燃料。以上就是一般锅炉工水的

18、过程，一个锅炉进行工作，其主要任务是：（1）要是锅炉出口蒸汽压力稳定。（2）保证燃烧过程的经济性。（3）保持锅炉负压恒定。通常我们是炉膛负压保持在微负压（-1080Pa）。为了完成上述三项任务，我们对三个量进行控制：燃料量，送风量，引风量。从而使锅炉能正常运行。第3章 工业锅炉的微机控制的原理锅炉微计算机控制，是近年来开发的一项新技术，它是微型计算机软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物，我国现有中、小型锅炉30多万台，每年耗煤量占我国原煤产量的1/3，目前大多数工业锅炉仍处于能耗高、浪费大、环境污染等严重的生产状态。提高热效率，降低耗煤量，用微机进行控制是一件具有深远意义的工作

19、。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用微计算机控制，能对锅炉进行过程的自动检测、自动控制等多项功能。锅炉微机控制系统，一般由以下几部分组成，即由锅炉本体、一次仪表、微机、手自动切换操作、执行机构及阀、滑差电机等部分组成，一次仪表将锅炉的温度、压力、流量、氧量、转速等量转换成电压、电流等送入微机，手自动切换操作部分，手动时由操作人员手动控制，用操作器控制滑差电机及阀等，自动时对微机发出控制信号经执行部分进行自动操作。微机对整个锅炉的运行进行监测、报警、控制以保证锅炉正常、可靠地运行，除此以外为保证锅炉运行的安全，在进行微机系统设计时，对锅炉水

20、位、锅炉汽包压力等重要参数应设置常规仪表及报警装置，以保证水位和汽包压力有双重甚至三重报警装置，这是必不可少的，以免锅炉发生重大事故。微机控制系统由机箱、通道箱、CRT显示器、打印机、键盘、报警装置、低通滤波器及I/V转换板等组成，能完成对给水、给煤、鼓风、引风等进行自动控制，使锅炉的汽包水位、蒸汽压力保持在规定的数值上，以保证锅炉的安全运行，平稳操作，达到降低煤耗、提高供汽质量的目的，同时对运行参数如压力、温度等有流程动态模拟图、光柱模拟图等多幅画面并配有数字说明，还可对汽包水位、压力、炉温等进行越限报警，发出声光信号，还可定时打印出十几种运行参数的数据。以形成生产日志和班、日产耗统计报表、

21、有定时打印、随机打印等几种方式。锅炉控制系统的硬件配置，目前有几种，功能较好首推可编程序控制器PLC，适合于多台大型锅炉控制，由于PLC具有输入输出光电隔离、停电保护、自诊断等功能，所以抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。 PLC编程简单，易于通信和联网，多台PLC进行同位链接及计算机进行上位链接，实现一台计算机和若干台PLC构成分布式控制网络，但是价格较高，如果是控制单台，资源不能充分利用，多台锅炉控制能提高性能价格比，如果从长远观点看，其寿命长，故障率低，易于维修，值得选用。第二种是16位STD总线工业控制机为主机构成的系统，由于其性能价格比较高，所以国内用的较多，微机内部

22、一般采用总线式模块结构，组态灵活，维修方便，STD总线结构很适于工业环境，按测量参数的多少和控制回路的数目选配相应的模板，在操作上，考虑到现场人员的技术水平，对开机操作，控制目标，控制参数的修改，手/自动切换等设置了最简便的操作。第三种是智能仪表控制，以单（双）回路可编程控制器为主，以PC机为上位机，彼此间采用RS-232相连，它可以接受多路模拟量及开关量输入，实现复杂的运算、控制、通信及故障诊断功能，出于危险分散的考虑，它虽有若干路模拟量及开关量输入，但只有一（二）路采用420mA直接信号输出，即原则上只控制一（二）个执行器，它与模拟仪表一样，可与常规仪表混合合作，它作为集散控制系数的一部分

23、，是现代自动控制、计算机及通信技术最新发展产物。该仪表编程方式采用模块化，容易掌握。锅炉控制系统，一般有燃烧、水位等控制系统。燃烧控制实质上是能量平衡系统，它以蒸汽压力作为能量平衡指标，量出而入不断根据用汽量与压力的变化成比例地调整燃料量与送风量，同时保证燃料的充分燃烧及热量的充分利用，其中保持合适的“空燃比”是一个重要因素。“空燃比”是指燃烧中空气量与燃烧量的比值系数。汽包水位控制系统，实质上是维持锅炉进出水量平衡的系统。它是以水位作为水量平衡与否的控制指标，通过调整进水量的多少来达到进出平衡，将汽包水位维持在汽水分离界面最大的汽包中位线附近，以提高锅炉的蒸发效率，保证生产安全。由于锅炉水位

24、系统是一个设有自平衡能力的被控对象，运行中存在虚假水位现象，实际应用中可根据情况采用水位单冲量、水位蒸汽量双重量和水位、蒸汽量、给水量三冲量的控制系统。炉膛负压控制系统是使进出炉膛的空气量维持平衡的控制系统，一般以炉膛压力作为空气量平衡与否的控制指标，通过调整排向大气的引风量达到空气量进出平衡，为提高控制品质，一般以送风量或送风档板开度作为前馈量构成前馈反馈控制系统。微机锅炉控制技术具有良好实用前景，既可节能又可提高锅炉的运行管理水平，减轻环境污染，目前国内只有几百台锅炉采用微机控制，占总数的很小一部分，所以推广应用该技术就显得十分繁重。同时，该技术也在不断完善和提高，在进一步降低造价及锅炉本

25、体设备的改造紧密配合方面还有许多工作要做。在供水锅炉控制的过程中，我们用的了几种基本的控制方式，有单回路的控制系统、前馈控制系统、串级控制系统等几种方式。下面我们就这几种控制方式做一个介绍。3.1 单回路控制系统简单控制系统的特点：系统结构简单，投资少，易于调整和投运，能满足一般生产过程的控制要求，尤其适用于被控对象时滞和时间常数都较小，负荷和干扰变化比较平缓，或者对被控变量要求不太高的场合。按被控要求的工艺变量来分，最常见的是温度、压力、流量、液位和成分五种控制系统。一个简单控制系统方案的分析设计，应考虑以下几个问题。首先应分析生产过程中各个变量的性质及其相应关系，分析被控对象的特点；然后根

26、据工艺的要求选择被控变量、操纵变量，合理选择控制系统中的测量变送装置、控制器和执行器，建立一个较为合理的控制系统 。有多个控制系统的生产过程，还要考虑各个控制系统之间的相互关联有何影响，并按可能使每个控制系统对其它控制系统的影响为最小的原则来建立各个控制系统。简单控制系统使复杂控制系统的基础，所以我们必须要掌握它。图3-1 单回路控制系统方框图其中Y（S）为被控变量，Q（S）为操纵变量，F1（S）。F（N）为干扰，号，Q（S）与Y（S）之间的联系称为控制通道，F（S）与 Y（S）之间的联系称为干扰通道。GC（S），GV（S），GM（S）分别是控制器、执行器、被控对象、测量变送单元的传递函数。3

27、.2串级控制系统3.2.1定义及方框图在多回路控制系统中，用两台控制器相串接，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，这样的系统称为串级控制系统。图3-2多回路控制系统方框图在串级控制系统中，对象被分为主对象GP1与副对象GP2两部分。他们的输出分别称为主被控变量C1和副被控变量C2。HM1、HM2分别为主，副被控变量的检测变送单元。接收主被控变量测量值Y1的控制器称为主控制器GC1），接收副被控变量测量值Y2的控制器称为副控制器GC2）。副控制器的设定值值R2就是主控制器的输出U1，显然副控制器是在外设定情况下工作的，它的输出U2操纵执行器GV通过改变单个操纵变量Q来满足对主，副被控变量的

28、某种组合所提出的要求。在任何只有单个操纵变量的系统中，只能有一个被控变量可以独立设定。换句话说，在任意给定时刻，只能有一个独立的设定值，这就是主设定值R1。副被控变量的设置通常是为了保证和提高主被控变量的控制质量，而对其本身一般都没有严格的要求，它依赖于主控制器的输出U1。3.2.2串级控制系统的特点与简单控制系统相比，串级控制系统由于在结构上增加了一个副回路，所以具有以下几个主要特点。对于进入副回路的扰动具有较快，较强的克服能力。（1）改善主控制器的广义对象的特性。对负荷和操作条件的变化有一定的自适应能力。（2）副回路可以按照主回路的需要更精确控制操纵变量的质量流和能量流。3.2.3串级控制

29、系统的使用场合用于克服变化剧烈的和幅值大的干扰。（1）用于时滞大的对象。（2）用于容量滞后大的对象。（3）用于克服对象的非线性。 合理的设计串级控制系统，才能使它的优越性得到发挥，一般来说，一个结构合理的串级控制系统，当扰动从副回路进入时，其最大偏差将是简单控制系统的1101100；当扰动从主对象进入时串级系统仍比简单控制系统控制的效果好的多。最大偏差仍能缩小到1/31/5，因此，必须十分重视串级控制系统的设计工作。3.2.4设计注意事项（1）主 副回路的选择。（2）主 副控制器控制规律的选择。（3）控制器的正 反作用的确定。（4）控制器防止积分饱和的措施。（5）流量副回路中开方器的引入。3.

30、3前馈控系统3.3.1前馈控制系统的概念 前馈控制系统就是一种直接根据所生产被控变量参数变化的原因进行控制的系统，其实质上是一种抗扰动进行的开环控制系统方式，它通过前馈调节器来补偿扰动对被控参数的影响。使作用在系统上的一个或几个主要的扰动与被控参数完全无关或部分无关，从而达到系统提高控制精度的目的。 所谓可测，主要是指扰动可直接测量，也不排斥可间接测量的，扰动不可测量，前馈无法实施。所谓显著，不在乎扰动本身的大小，而是指扰动对控制变量的数值有显著的影响。所谓频繁，是指扰动出现的次数较多。3.3.2前馈控制系统的特点（1）前馈控制是一种开环控制。（2）前馈调节器的控制规律是由对象特性决定的。（3

31、）前馈控制是一种按扰动量进行调节的控制。（4）前馈控制只能克服那个可测而不可控的扰动量。3.3.3前馈控制系统的分类 依据是否引入反馈控制以及两者相结合的方式，我们通常将前馈控制系统可分为三类：（1）单纯的前馈控制系统。（2）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈作用相乘。（3）前馈与反馈控制相结合的系统，前馈控制作用与反馈作用相加。（代数和）我们通常将前馈控制与反馈控制（如图3-3）相结合起来，其优点如下：a. 在前馈控制的基础上设置反馈控制，可以大大简化前馈控制系统，只须对影响被控参数最显著的干扰进行补偿，而对其他许多次要的干扰，可依靠反馈予以克服，这样既保证了精度，又简化了系统。

32、b. 由于反馈回路的存在，降低了读前馈控制算式精度的要求。由于对前馈控制精度的要求降低，为工程上实现较简单的控制创造了条件。c. 在反馈系统中，提高反馈控制的精度与系统的稳定性有矛盾，往往为了保证系统的稳定性，而不能实现高精度的控制。而前馈反馈控制则能实现高精度的控制，稳定性好和控制及时的作用。d. 由于反馈控制的存在，提高了前馈控制模型的适应性。图3-3 前馈-反馈控制系统方框图图3-4 前馈串级控制系统方框图图3.5 前馈控制系统的补偿曲线在实际工作中，如果对象的主要干扰频繁而又剧烈，而生产过程对被控参数的控制精度要求又很高，这时则可采用前馈串级控制。 这种系统的优点是能同时克服进入前馈回

33、路和进入串级副回路的干扰对被控参数的影响。此外，由于前馈算式的输出不直接加在调节阀上而作为副控制器的给定值，这样便降低了对阀门特性的要求。实践证明，这种前馈串级控制系统可以获得很高的控制精度，在计算机控制系统中常被采用。 另外，在控制过程中，我们还利用前馈控制过程对系统进行补偿，其补偿过程的曲线如下图所示。通过对控制系统的补偿，则可大大提高系统的性能。第4章 工业锅炉的微机DDC系统的控制在锅炉的燃烧过程中,由于空气和燃烧之间有着一定的比值关系,既有一定的燃烧则就需要一定的空气,还有烟道中空气过剩系统,即空气(烟囱中)氧气的含量等等,都影响着锅炉的燃烧,如果燃烧不当,不但会污染空气,而且会可能

34、危及到工作人员的人身安全.所以我们就想用一套有着精确控制功能的控制系统,因此便有了工作锅炉的微机DDC控制系统.4.1 直接数字控制DDC系统 直接数字控制DDC系统（Direct Digigtal Control）是工业生产计算机控制系统中用得做广泛的一种系统应用形式.这类系统中的计算机除了经过输入通道对多个工业过程参数进行检测采集外,它不容代替模拟调节系统中的模拟调节器,按预定的调节规定进行调节运算,然后将运算结果通过过程输出通道输出并作用于执行机构。图4-1 直接数字控制系统硬件组成图直接数字控制系统的硬件组成原理框图如图4-1所示,系统中除了输入和输出通道外,一般还有一个功能较强的控制

35、操纵台。 图4-2控制图由直接数字控制系统方框图(图4.2所示),先由测量变送器测取工业生产过程参数,经过输入接口转换成数字量作为计算机的输入信号,计算机根据确定的控制规律进行运算,并发出信号,再以输出接口转换成模拟信号直接驱动执行器.DDC系统不仅可对一个回路进行控制,而且通过采样实现对多个回路的控制.另外,DDC系统只要改变程序还能实现串级,前馈等复杂的控制,直接数字控制系统可实现常规的PLD(比例、积分、微分)调节,也可实现其它复杂或先进的调节规律,调节规律的改变只需控制软件.不同的是硬件部分除按需适当增减通道的数量外,一般不需作大的变动,所以使用比较灵活,DDC系统是一个“在线”的时实

36、的半环控制系统。4.1.1 微机DDC系统的时间散性:微机DDC系统结生产过程的有关参量进行控制时,是以定时采样和阶段控制来代替常规仪表的连续则是和连续控制的。因此,确定合适的采样周期和A/D、D/A、转换器的字长是提高系统控制精确,减少转换误差的关键。4.1.2 微机DDC系统的分时控制方式:一台微机DDC系统要控制多个回路.在每一个回路,微机要完成(1)采样和AD转换,(2)运算,(3)输出控制信号3个部分的工作,所以投机控制每一个回路需要的时间应为这三个部分所花费时间之和.为此,微机DDC采用了“分时”控制的方法,即将某一回路的采样和AD转换、运算、输出控制三部分的时间前后回路错开,放在

37、不同的控制时间里.这样,既保证了控制过程的正常进行,又能充分利用系统中的各种设备,大大提高了效率.4.1.3 微机DDC系统的人机交换: 计算机控制系统的人机交往有时也称“人机对话”或“人机通讯”,这是一种微机控制系统必须具备的沟通操作者和微机互相联系的功能.操作者要通过键盘、按钮、开关等器件向微机控制系统送入控制意图,微机控制系统则通过显示屏、打印机、各种指示灯向操纵者送出有关信息.一般的微机DDC系统除了普通的各种指示灯装置外,还都通过相应借口连接有以CRT显示屏、打印机、控制键盘、越限报警装置等,有些可靠要求较高的微机DDC系统还配有自动手动切换装置或双机控制切换装置.4.1.4 微机D

38、DC系统的控制规律:控制规律是一个控制系统性能优劣的关键.根据控制规律制定的控制算法,是微机DDC系统对生产对象实行控制的运算依据。随着控制理论和微机技术的飞跃发展，传统的DDC系统功能也不断扩大,相应的控制规律和控制算式不断出现.根据控制对象的不同,目前的微机DDC控制方式,有简单,有复杂,从单参数的定值控制到多参数的相关控制,以至最优最佳控制等等，其控制功能已远远超出了早期的PID控制范围,尽管如此,PID控制的一些基本理论仍然是分析DDC系统控制规律的基础,PID控制规律仍然在相当多生产现场使用并能得到较为满意的效果,所以直到现在,PID仍是一中最基本的控制规律.随着生产的发展和工业自动

39、化的提高,较简单的单回路参量的PID闭环已不能满足更高要求系统需要，所以，在微机DDC系统中常用到多参量控制如串级控制、比值控制、选择性控制、前馈控制等控制方式。4.2 工业锅炉的微机DDC控制工作原理现场模拟量信号通过变送器转换成0-10mA.DC或4-20Ma.DC或0-5V.DC的模拟量信号，通过有关端子输入计算机A/D板，或电阻信号通过电阻信号转换板与其它现场毫伏信号进入信号调理板，再输入A/D板，经A/D转换后以实际工程量屏幕显示气包水位、蒸汽压力等影响工业锅炉运行安全性、经济性的主要参数以及给水调节阀位、给煤机构转速等执行机构的位置信号，这些信号用来控制、打印制表、数据存储、经济量

40、累积核算等。对工业锅炉主要参数进行直接控制是微机DDC控制的主要功能之一。以一般饱和蒸汽链条炉为列，相应的调节系统分别输出四个调节信号，通过I/O或D/A转换装置输送至炉排、给水、送风、引风等执行机构。输送至炉排执行机构的调节信号，通过变频器来改变进入锅炉的燃料量，输送至给水执行机构的调节信号通过改变电动执行机构，改变给水调节阀门的位置，从而改变进入锅炉的给水量，输送至送风至送风执行机构的调节信号通过改变电动执行机构（或变频调速装置）改变送风入口调节档板开度（调节电机转速），从而改变进入锅炉的送风量，输送至引风执行机构（变频调速电机）的调节信号通过电动执行机构（变频调速电机）改变引风机入口调节

41、板或碟阀（调速电机转速），从而改变锅炉输出的烟汽流量，使炉膛烟压保持相应的负值。对其它炉型，皆有相应的调节信号输出，并控制相应的调节设备。 4.2.1对空气和燃料的控制:锅炉用水经省煤器预热后,注入锅炉内,在进水管道内,用一流量传感器检测到流量信号后,经流量变松器把流量信号这一物理量变换成相应的统一的标准信号,送入仪表、运算器、调节器中,其中为了使仪表的输出信号同流量信号呈线形关系,我们在中间加入一个开方器,同时,在进水端检测出它的进水温度(预热后),送给调节器,然后,再从出水端检测出出水温度,也送给调节器.在这一调节器中,用一减法器计算出温度,将前面所测得的流量乘以(乘法器)温差,即可求得进

42、水管道中所注入的水所需的热量.而出口测的热水温度信号送给温度调节电路,温度调节电路将它在与人工设定值水平SP之间进行控制计算,将输出信号作为结果输出,将前面原料加热所需要的热量加到该输出信号中,作为燃料流量的设定值,与燃料流量这一小闭环所检测出此时燃料的流量值,做一差值计算,从而调节燃料控制阀的大小,进而进行热量控制.4.2.2燃烧双交叉控制工业锅炉的微机DDC控制系统的双交叉控制原理图如附图（二）所示双交叉燃烧控制是以维持合适的空气、燃烧比值为手段，达到燃烧时始终维持低过剩空气系数，从而保证了较高的燃烧效率，同时减少了排烟对环境的污染。双交叉燃烧控制实际上是以炉温调节为主回路，以燃烧流量和空

43、气流量调节并列为副回路的串级调节系统，加上高、低信号选择器组成的带有逻辑功能的比值调节系统。它的主要作用是当炉子负荷变化，以维持炉温在给定值上，而且使燃烧工况始终处于低过剩空气系数的经济合理状况。下面分三种工况进行讨论。（1）稳定工况时：炉温稳定在给定值上，炉温调节器TIC的输出信号I0通过高、低限模块HLM、LLM后，又分别通过燃料调节系统的高、低选模块HSE1、LSE1和空气调节系统的HSE2、LSE2，相应地加到燃料流量调节器FIC1和空气流量调节器FIC2作为它们的给定值，使燃料流量和空气流量自动调节到正常数值上，从而保证炉温维持在给定值上。在稳定工况下，所有高选、低选和高限、低限模块

44、，对主控制信号I0不起限制作用。（2）负荷在正常范围波动时：1）当负荷增加时，炉温下降，主控制信号I0增加（记为I0），此时I0通过HSE1，但不通过LSE1，此时通过LSE1的信号为（FA/F6-K5+K1），由于空气流量信号FA尚未增加，所以燃料量暂时还不能增加。但是I0能通过LSE2和HSE2，因为此时I0仍然比K4及FF小，所以I0先加到FIC2没，使空气流量先行提量。空气提量后，（FA/F6-K5）值增加，使I0小于（FA/K6-K5+K1），LSE1让信号I0通过，I0加到FIC1之后，燃料流量才提量。可见，设置LSE1的目的是使负荷增加是，先增加空气量，后增加燃料量，防止在提量过

45、程中烟囱冒黑烟。设置HSE1对负荷正常波动范围不起限制作用。增设DVD和SUB模块的目的是把空气流量折算到对应的燃料流量。2）当负荷减少时，炉温上升，I0减少（记为I0），此时I0通过LSE2，但暂时不通过HSE2，因为I0刚减少瞬间，燃料流量FF尚未减少，所以I0小于（FF-K3），HSE2阻止I0通过，此时通过HSE2的信号为（FF-K3），空气量暂时还不能减少。但是此时I0仍然大于（FA/K6-K5-K2），所以I0通过HSE1，当然也通过LSE1，I0加到FIC1，使燃料流量首先减少。当燃料流量减少后，（此时燃料流量为FF），使（FF-K3）小于I0，I0通过HSE2加到FIC2，此时

46、才是空气流量相应地减少，可见设置HSE2是保证附和减少时，燃料先行减量，而后空气再减量，这是为了在减量过程中避免烟囱冒黑烟。设置LSE2，对负荷正常波动不起限制作用。3）当负荷大幅度增（减）时，I0变化幅度很大，为了避免空气量或燃料量先行提（减）量过大，分别设置了HSE1与LSE2模块相应完成-K2与+K4运算模块。当负荷增时，不允许空气先行提量过度。增设了LSE2模块和完成+K4运算模块，就能限制先行提量过度，因为，I0大增，结果使I0大于K4FF，LSE2模块阻止了通过I0，使I0信号加到FIC2上，从而限制了空气量的增大。同理，增设HSE1模块和完成+K2运算模块，能使I0大减时，I0加

47、不到FIC1上，从而限制了燃料先行减量过度的目的。炉温、空气温度测量信号都经TBL线性化处理，空气流量测量信号经温度补偿TCO-MP和开方处理。双交叉控制系统的优点是，有较好的炉温控制品质，而且负荷增、减时，都能防止烟囱冒黑烟，当负荷大幅度变化时，也能防止空气大量过剩，值过大。4.2.3主要技术性能（1）实时控制功能1）给水调节系统用给水调节阀门作为调节机构，以汽包水位作为调节量，当锅炉蒸发量改变时，调节系统改变给水执行结构，使给水流量与蒸汽量相平衡，从而将汽包水位控制在用户设定的正常水位。2）气压调节系统气压调节回路包括两个副回路及燃烧量调节接送风量调节回路。当锅炉蒸发量改变是调节系统改变燃

48、烧量和送风量，使之与蒸发量相适应，从而将锅炉出口汽压控制在额定值。3）炉膛负压调节系统用引风执行机构作为调节机构，以炉膛负压作为调节量，送风变化为前馈，当送风量随锅炉负荷量改变时，调节系统改变引风执行机构，从而将锅炉炉膛负压控制在额定值。4）烟汽含氧量调节系统该调节系统通过以氧气量为核正值，在汽压正常的范围内，不断地调整送风量与燃烧的比值，以达到最佳的锅炉燃烧状况。第五章锅炉温度和换热器前馈反馈控制系统设计5.1、实验目的（1）学习前馈-反馈控制的原理。（2）了解前馈-反馈控制的特点。（3）掌握前馈-反馈控制的设计。5.2、实验设备A3000-FS/FBS现场系统，任意控制系统。5.3、实验原

49、理（1）控制原理前馈控制器在测出扰动之后，按过程的某种物质或能量平衡条件计算出校正值。如果没有反馈控制，则这种校正作用只能在稳态下补偿扰动作用。工业上，使用换热器对料液进行加热，加热使用蒸汽。我们这里使用换热器加热冷水，把冷水看成某种工业料液。控制目标是料液的出口温度。前馈控制又称扰动补偿，它与反馈调节原理完全不同，是按照引起被调参数变化的干扰大小进行调节的。在这种调节系统中要直接测量负载干扰量的变化，当干扰刚刚出现而能测出时，调节器就能发出调节信号使调节量作相应的变化，使两者抵消与被调量发生偏差之前。因此，前馈调节对干扰的克服比反馈调节快。但是前馈控制是开环控制。其控制效果需要通过反馈加以检

50、验。我们按照参考书上的内容，进行了部分简化。前馈控制不考虑控制通道与对象通道延迟，则根据热量平衡关系，简单的前馈控制方程为：其中k是常数，与水比热和热交换效率相关，Q是流量。这个前馈输出到调节器的输入，从而得到一个前馈控制系统。需要调整k是常数，直到具有合适的补偿效果。通过一个PI调节，使得热水流量增大到需要的补偿值。而后我们增加了一个反馈控制通道，测量热水出口温度，然后控制冷水流量。在控制通道中增加前馈控制系统，类似于串级控制。（2）测量与控制端连接表表5-1 测温表测量或控制量测量或控制量标号使用控制器端口冷水流量FT102AI0换热器热入TT101AI1热水流量FT101AI2换热器热出

51、TT103AI3（3）实验方案被调量为调节阀，控制量是热水流量，控制目标是热水出口温度。首先实现前馈控制，通过测量换热器热水流量、温度，控制调节阀，使得换热器冷水流量变化跟踪换热器热水流量与温度变化。然后实现反馈控制，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀，从而把前馈控制不能修正的误差进行修正。5.4、实验要求（1）设计前馈反馈控制系统。（2）经过参数调整，获得最佳的控制效果，并通过干扰来验证。5.5、实验内容与步骤（1）在A3000-FS上，打开手动调节阀JV104、 JV105，使用DO0数字输出端口，或直接打开电磁阀XV101。其余阀门关闭。（2）按照测量与控制列表进行连线：在A3000

52、-CS上，电磁流量计（或2#涡轮流量计）输出端连接到AI0；涡轮流量计输出端连接AI2；锅炉水温连接到AI1；换热器热出端连接到AI3；AO0连接到电动调节阀（FV101）。将电动调节阀（FV101）输入端连接到PID调节仪上，手动输出，辅助实验。（3）打开A3000电源。（4）在A3000-FS上，启动左边水泵，给锅炉V105注水。关闭手阀JV104。（5）启动右边水泵。减小手阀JV105开度，使得热水流量大约为0.3m/h。（6）启动锅炉的加热器，可以让外给定的智能调节仪手动给出20mA电流加热。 当加热到70度左右，适当减少手动给出的控制调压器的电流，使温度基本保持在70度左右。（7）启

53、动上位机，设置控制器参数，设置前馈系数，记录其实时曲线。（8）突然改变热水流量，观察并记录下曲线的变化。5.6思考问题分析前馈反馈控制与串级控制的区别，优缺点。5.7实验结果提交（1）通过抓图方法，提交获得的曲线。（2）给出最佳控制参数。5.8实验总结 全文围绕对锅炉的热效率进行调节和燃气的进量，也就是有利用一个测烟道中的氧含量的传感器（氧化锆）随时测得氧含量，信号在计算机中处理后，利用一个串级控制系统进行调节空气和燃气的流量，同时在这之间我们加入一个前馈控制系统，即在燃气的流量和计算机之间，把燃气的流量通过前馈信号提前进入计算机，从而通过计算集中的模块的控制而去调节空气的流量，使得空气和燃气

54、之间的关系达到最佳的搭配。这样就实现了锅炉的节能控制，它不仅为我们节省了大量的能源，而且，更重要的是减少了锅炉燃烧时所排出的残留气体，对大气无疑是起到了巨大的保护作用，是造福亿万人民的工作。另外，本次设计的决策方案中我们利用了一个前馈控制，把锅炉进水的温度流量，同锅炉加热后所测得的温度，用二者温度之差和流量相乘即是进水加热所需要的热量，也就是控制系统需要的空气和燃料的量。这样就使整个系统的快速性得到了很大的提高。锅炉使人类供热，取暖的主要来源，它在我们日常生活中无处不在，但是它的控制技术还很薄弱，然而，在这科技日益发展的今天，我们相信有一天，锅炉技术会得到突飞猛进的发展。如在锅炉控制系统中，真

55、正体现无人操作，偌大的一个厂房，没有一个工人，全都由计算机控制。更有可能在能源方面，实现燃料无污染化，从而使大气的污染减少，成为绿色锅炉！致 谢这次我们设计的课题为工业锅炉的微机DDC控制系统，它不仅是每位毕业生必须完成的课目，其真正的目的是我们对整个大学三年的学习情况做一个总结，检验每一个学生的专业知识的广博程度。可以说这绝对是一个展望自我，实现自我价值的好机会。在这次毕业设计中，我特别感谢我的指导老师赵宇驰老师的耐心帮助和各位同学大力支持，另外，我们得到了慧通热力公司和学校汇宇公司的技术人员的帮助。在这次编写设计报告中，由于时间的紧促和编写者的专业知识的有限，再加上我们缺少实践经验，对使得

56、所写的毕业论文的知识覆盖面有很大的局限性，而且报告中难免有很多不妥之处，所以我恳请各位指导老师能够给予批评指正。参考文献1 陈学俊、陈听宪著.锅炉原理.第二版机械工业出版社.1979年2月2 清华大学热能工程教研组编著.锅炉原理及计算.科学出版社.1985年3 张亮明、夏桂娟著.工业锅炉自动化控制.中国建设出版社.1987年4 张玉则、王满家著.热工自动化控制系统.水利出版社.1984年9月5 莫彬著.过程控制工程.化学工业高等专科学校.1999年6 贺庆之著.过程控制仪表及装置.中国轻工业出版社.1994年7 朱斌兴著.变送器选用与维护.化学工业出版社.2001年8 马栖秦、徐正中著.自动检测技术.机械工业出版社.2000年9 陈焕审编著.温度测量技术及仪表.水利电力出版社.1987年9月