锅炉出口水温计算机控制系统

赵子峰

【摘 要】为实现对锅炉出口水温的控制，减少能源损耗，运用检测元件对水温进行检测，通过PID控制器对调节阀进行控制，进而控制锅炉蒸汽的流量，以控制锅炉水温。设计控制器参数，用matlab进行仿真得出符合条件的控制系统。对比柯恩-库恩和Z-N法两种参数整定方法得到性能更优越的整定方法。通过之后仿真得出系统的超调量为10%，调节时间为38.7s，各项功能参数满足要求。

【关键词】锅炉出口水温控制;PID控制器;matlab

一、生产工艺及控制原理介绍

1.锅炉概述

[1]热水的锅炉对于我们的日常生产和活动来说是非常的重要的。也是我们比较常见的一种供热的设备。锅炉具有能量转换的特性，向锅炉输入的能量有原料中的化学能、电能，锅炉输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体。

锅炉产生的热水和蒸汽可以直接为工业生产和国民生活提供必要的热能，也可以通过蒸汽动力装置转换为机械能源，通过发电机将机械能源转换为电能。也可以。提供热水的锅炉被称为热水锅炉，主要用于生活用途，工业生产也有少量的应用。发生蒸汽的锅炉被称作蒸汽锅炉，一般被称为锅炉，多用于火力发电所、船舶、汽车、矿工业企业。

2.锅炉控制意义

[2]为了提高锅炉供暖系统的自动化程度，以提高供暖系统的燃烧效率并降低成本、减少污染，同时还要提高系统的可靠性、稳定性和实时性，需要对锅炉进行控制。

过路的水温控制最具代表性与意义。每年我国因供暖，供水等需求消耗大量能源在锅炉加热上。现如今国家倡导节约使用能源，所以对锅炉的控制系统运用到了大多数的企业中。每年可以为国家节省大量能源。

过去的锅炉没有控制系统，没有灵敏的检测变送装制，直到锅炉出口水温彻底降下来后才去加热。这时需要大量的热量才能将水温提高。而引入控制系统后，温度一旦变化，控制器就起作用。可以在温度大幅度损失前将温度提高。大大增加了能源利用率。

3.PID控制器

[3]偏差的比例，积分和微分的综合控制，简称PID控制。PID根据系统的误差，通过误差的比例，积分，微分三个环节不同组合得出控制量。

[4]广义被控对象有调节阀，被控对象和测量变送原件。虚线内是PID控制器。输入为γ（t）与被调量实测值y（t）构成的控制偏差信号e（t）其中e（t）=γ（t）-y（t）。

PID控制規律：

4.PID特点

（1）适应性强：PID可应用于各行各业。现今各种高科技，复杂的控制系统其核心仍然是PID。

（2）鲁棒性强：控制系统对被控对象的变化不明显。

（3）对模型依赖少：不清楚模型时也可以应用PID。

5.PID控制器参数整定

二、参数整定方法

1.两点法

[5]利用PID自整定算法对时滞系统进行控制是工业控制领域最常见的问题。

在阶跃响应曲线上两点数据计算T，τ。把y（t）转换为无纲量形式。选择两时刻t1，t2联立无纲量方程解出相应参数。

减小误差的办法是先将测试点平滑拟合画出响应曲线，再从平滑拟合的响应曲线上取两点。

2.积分分离PID控制算法

[6]“稳”作为伺服系统的一个基本要求，在速度方面体现为阶跃响应要平滑，超调尽可能小。

控制偏差大的话，超过设定的阈值的话，积分作用被取消，超调量减少。控制偏差小的话，增加积分环节，消除误差。

3.动态特性参数法

基于控制对象的通道阶跃响应，以公式求出适合调整器最合适的参数的整数值的开环正规化方法。一般化的目标步骤响应可以类似于惯性相加纯延迟环节。

柯恩-库恩公式是最广泛被应用的，以φ=0.75作为性能指标。

三、控制参数与被控参数

该系统的测温变送元件选择HA15温度变送器，HA15 温度隔离变送器是一种先进的数字化技术智能温度变送器，又称热电阻变送器，热电偶变送器。它将信号隔离放大成与温度成正比的标准信号输出，如：0-10V，4-20mA。具有超强抗电磁干扰能力。广泛用于各种温度测量控制系统中，可配接数显表、PLC、变频器等设备，并对终端接收设备起保护作用。控制器选取AI-808型仪表。

四、技术参数

输入信号：PT100，Cu50等热电阻

输出：0-4V，0-9V，3-19mA，0-19mA等

系统传输准确度：±0.2%×F·S

温度线性度：≤0.006%

温度补偿：数字化技术，自动温度补偿

冷端温度补偿准确度：±1℃

测量热电阻时允许的引线电阻：≤50Ω

电压输出时的内部阻抗：<250Ω

零点校准：数字化技术，自动零校准

满度校准：数字化技术，自动校准

供电电源：DC24VDC

输入功率：1.0W

外形尺寸：宽×高×深=22.5×100×115mm

安装方式：标准DIN35导轨式安装

调节阀选择气闭式，工作特性为对数特性。

结语：PID控制器能够对输入信号进行控制，输出期望的信号，从而实现对系统的自动控制。锅炉加入检测变送原件，PID控制器，调节阀组成的控制系统后，能够根据出水口水温的小幅度变化而实时进行控制，确保水温恒定在某一数值上。有效的节约了能源。

PID控制器参数整定方法中，通过对柯恩-库恩参数整定法和Z-N调节器参数整定法两种方法的仿真曲线比较得出柯恩-库恩参数整定法正定的系统响应速度与稳定速度都更快。而现今的参数整定方法中多数也在使用该方法。

在未来的科技发展中，PID仍会是控制系统的核心，这由于其独特的特点使然。模糊神经网络控制，与人工智能近些年炒的火热。但由于这些控制策略的研究与实践尚不深入，还没有取代传统控制策略的地位。也不具备PID控制器所具有的独特特点。但是未来的趋势可能会是各种控制策略结合起来，取长补短，结合出更具特点，性能优越的控制器。

参考文献：

[1]陆江坤.模糊控制在锅炉燃烧系统的应用研究[J].华润电力.2019（07）

[2]石俊璐.基于PLC的锅炉控制系统设计[J].南京理工大学.2019（06）

[3]白鹤，王永.基于PID调节的热网回水温度控制系统[J].城安热电.2019（07）

[4]方康玲.过程控制系统第二版[M].武汉理工大学出版社.2007（02）.P69.

[5]邹阳阳，汪思源，唐昌明.一种改进两点法无超调PID自整定算法研究[J].大连海事大学.2016（31）.

[6]王成成，舒志兵.积分分离PID在同步伺服驱动器中的应用与研究.[J].南京工业大学.2018（20）