模擬鍋爐液位串級控制方案

1、本次課標(biāo)題：模塊一模擬鍋爐液位串級控制方案授課班級上課時間周 月 日 第 節(jié)上課地點(diǎn)過程控制實(shí)驗(yàn)室 周 月 日 第 節(jié)教學(xué)目的能根據(jù)工藝特點(diǎn)組成合理的串級控制系統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)能力（技能）目標(biāo)知識目標(biāo)1、能正確分析串級控制系統(tǒng)。2、能繪制規(guī)范的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框圖。1、明確雙容對象的控制特點(diǎn)2、掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成原理。重點(diǎn)難點(diǎn)及解決方法重點(diǎn)：臨界比例度法的控制器參數(shù)整定。難點(diǎn)：控制器參數(shù)整定。解決辦法：理論分析教師示范操作學(xué)生動手實(shí)踐總結(jié)提高。參考資料1 高志宏主編，過程控制與自動化儀表，浙江大學(xué)出版社，2006年2 厲玉鳴主編，化工儀表及自動化，化學(xué)工業(yè)出版社，2004年.3 王森等主

2、編，儀表工試題集，化學(xué)工業(yè)出版社，2003年第二版.4 解懷仁、楊彬彥主編，石油化工儀表控制系統(tǒng)選用手冊，北京，中國石化出版，2004年5 吳勤勤主編，控制儀表及裝置，化學(xué)工業(yè)出版社，2002年第二版.課前準(zhǔn)備：多媒體課件制作、演示實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試、以4人/小組進(jìn)行分組。一、課程導(dǎo)引實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與工業(yè)系統(tǒng)的差別通過前一階段的學(xué)習(xí)，大家對單回路的液位控制技術(shù)有了較全面的認(rèn)識，較好地掌握了常用控制儀表的使用技術(shù)，并能對控制系統(tǒng)實(shí)施合理地集成與調(diào)試，這是一個很了不起的成績。結(jié)合總的控制任務(wù)電加熱鍋爐恒溫供水控制系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)施，我們已基本解決了液位控制問題。圖1 二種工藝流程和控制系統(tǒng)圖但是應(yīng)注意到二個問題：

3、1）實(shí)驗(yàn)中的液位控制系統(tǒng)其工藝流程不同于實(shí)際（見圖1所示），導(dǎo)致了自動控制裝置的作用方式相反。實(shí)驗(yàn)中的工藝要求是液位增高時，應(yīng)開大出水量；而實(shí)際鍋爐的工藝要求則是液位增高時，應(yīng)減小進(jìn)水量。在具體實(shí)施時，大家對此一定要注意。2）實(shí)際鍋爐運(yùn)行的工藝條件不同于實(shí)驗(yàn)裝置，有不少干擾：首先是進(jìn)水管路較長，進(jìn)水量大大的小于鍋爐的貯藏容積，造成控制滯后、對象的時間常數(shù)增大、調(diào)節(jié)時間加長；其次是進(jìn)水量經(jīng)常波動，導(dǎo)致液位較大幅度變化，控制精度不高。為了在實(shí)驗(yàn)中盡量模仿實(shí)際工藝條件，突出問題的本質(zhì)，我們在本項(xiàng)目學(xué)習(xí)中采用了雙容的液位控制，以進(jìn)一步增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用能力。我們首先通過實(shí)踐操作來發(fā)現(xiàn)問題，并希望通過大家自己

4、的努力，積極探索解決問題的方法。二、實(shí)踐體驗(yàn)單回路控制系統(tǒng)的不足（45分鐘）1、實(shí)驗(yàn)任務(wù)（1）以中水箱的液位控制為目標(biāo)，組成如下圖1所示的單回路控制系統(tǒng)。工藝流程為：水泵打水先進(jìn)入上水箱，經(jīng)上水箱的出水閥流入中水箱（由于操縱變量水需經(jīng)過二個水箱才對中水箱的液位進(jìn)行調(diào)節(jié)，也稱雙容控制系統(tǒng)）。按照單回路參數(shù)整定方法對控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，并正確地投入運(yùn)行。 圖1 雙容液位定值控制系統(tǒng)（2）當(dāng)系統(tǒng)投入正常運(yùn)行后，對電動調(diào)節(jié)閥的進(jìn)水量加10%左右的干擾，仔細(xì)觀察系統(tǒng)調(diào)試過程與結(jié)果。重復(fù)3次（注意干擾施加時應(yīng)正、負(fù)相間），記錄下過渡過程曲線。2、實(shí)驗(yàn)要求（1）對比控制系統(tǒng)未加干擾與加流量干擾時的最大動態(tài)

5、偏差和靜態(tài)偏差大小，得出哪個系統(tǒng)的品質(zhì)指標(biāo)高？（2）有何方法解決單回路控制系統(tǒng)因流量干擾而帶來的控制品質(zhì)下降？試著做一做。注意事項(xiàng)：應(yīng)認(rèn)真調(diào)節(jié)好二個水箱的進(jìn)、出水閥的開度，以使中水箱的液位能穩(wěn)定在某一確定值上。否則，實(shí)驗(yàn)無法正常開展。三、集中討論克服流量干擾引起的液位波動（15分鐘）1、典型小組匯報(bào)選擇一個較典型的實(shí)驗(yàn)小組，向大家匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對問題的處理方法，其他同學(xué)可以自由提問，發(fā)表見解。 2、教師引導(dǎo)教師應(yīng)控制好過程，積極鼓勵學(xué)生的參與，并著重就流量干擾問題展開討論，努力提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力。四、知識學(xué)習(xí)串級控制系統(tǒng)（25分鐘）（一）問題分析雙容水箱的液位頻繁波動成

6、因 這是一個雙容的液位控制問題，若采用簡單液位控制（圖1），當(dāng)中水箱的出水量發(fā)生變化時，由液位變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成一個單回路控制系統(tǒng)，去克服由于出水量變化而引起的水箱液位的波動，以保持中水箱的液位在設(shè)定值上。對比單容水箱和雙容水箱的過渡過程曲線，我們可以得知，雙容水箱的液位控制調(diào)節(jié)時間要長，動態(tài)偏差也較大。這是因?yàn)殡p容水箱的對象時間常數(shù)大，中水箱的液位滯后要大于單水箱，因此，造成調(diào)節(jié)作用不能及時地作用到中水箱，故而偏差會增大。但經(jīng)過控制系統(tǒng)一定時間的調(diào)節(jié)作用，被控參數(shù)還是能穩(wěn)定而滿足工藝要求。但是，當(dāng)總管進(jìn)水流量波動大且頻繁時，由于中水箱較大的滯后性，使得進(jìn)水量的變化要經(jīng)中水箱的液位變化

7、后，調(diào)節(jié)器才能開始動作，去控制進(jìn)水流量。而進(jìn)水流量改變后，又要經(jīng)過一段時間，才能影響中水箱液位。這樣，既不能及早發(fā)現(xiàn)進(jìn)水流量的擾動，又不能及時反映調(diào)節(jié)效果，將引起中水箱液位的較大幅度波動。這一現(xiàn)象同學(xué)們在實(shí)驗(yàn)中都已發(fā)現(xiàn)。如何解決呢？（二）解決方法穩(wěn)定進(jìn)水流量由于是進(jìn)水流量的干擾而引起的液位波動，因此，解決的方法應(yīng)著眼于對進(jìn)水量的穩(wěn)定。1、增加單獨(dú)的流量控制系統(tǒng)最簡單的解決方法是增加一個進(jìn)水流量自動控制系統(tǒng)，如圖2所示，由于它是安裝在進(jìn)水管處，因此，它能及時地檢測流量變化、并加以調(diào)節(jié)，使供給水箱的流量穩(wěn)定，從而也就較好地克服了中水箱液位的較大幅度波動。這種方法由于簡便、易于實(shí)現(xiàn)、控制效果好而在實(shí)

8、際中有較多的應(yīng)用。圖2 獨(dú)設(shè)流量控制系統(tǒng)的液位控制系統(tǒng)2、控制方法改進(jìn)方法一雖然簡單易行，但存在不足之處所用儀表多，增加了成本，特別是對于石油、化工等行業(yè)由于干擾因素較多，為克服擾動而增加的儀表將使費(fèi)用增加不少。是否有較好地處理方法呢？我們對工藝要求分析可以得知，控制目標(biāo)是使進(jìn)水流量滿足液位調(diào)節(jié)的流量需要，這個流量需求值即是液位控制器的輸出值。設(shè)想如果某時刻的流量需求值剛巧等于流量控制系統(tǒng)的目標(biāo)值，豈不是可省去液位系統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥。當(dāng)然大多數(shù)情況兩者是不相等的，即流量控制系統(tǒng)的目標(biāo)值并不等于液位控制系統(tǒng)的流量需求值，但如果將液位控制系統(tǒng)的流量需求值作為流量控制系統(tǒng)的目標(biāo)值，即流量控制系統(tǒng)的給定值由

9、液位控制的需要來決定，就可以節(jié)省一個調(diào)節(jié)閥，從而組成如下圖3所示的復(fù)雜控制系統(tǒng)，也就是液位流量的串級控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的方塊圖如圖4所示。圖3 液位串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖4 液位串級控制系統(tǒng)方塊圖在這個控制系統(tǒng)中，中水箱液位稱為主被控變量，簡稱主變量。調(diào)節(jié)閥閥后的進(jìn)水流量稱為副被控變量，簡稱為副變量。液位調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，流量調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器。從調(diào)節(jié)閥閥后到中水箱液位這個液位對象稱為主對象。調(diào)節(jié)閥閥后流量對象稱為副對象。由副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副對象、副測量變送器組成的回路稱為副回路。而整個串級控制系統(tǒng)包括主對象、主調(diào)節(jié)器、副回路等效環(huán)節(jié)和主變量測量變送器，稱為主回路，又稱主環(huán)或外環(huán)。五、小結(jié)，學(xué)生課后自學(xué)布置（5分鐘）1、小結(jié)通過本次課學(xué)習(xí)，必須明確單回路控制技術(shù)并非適用一切，對于時間常數(shù)較大、存在時間滯后、系統(tǒng)有較大干擾的情況，單回路控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量難于保證。必須改進(jìn)控制方式，而串級控制系統(tǒng)能較大的解決這