设计报告
目录
一、课程设计任务与要求 (1)
二、方案论证 (1)
2.1基本方案一 (1)
2.2基本方案二 (2)
2.3基本方案三 (3)
三、设计原理 (4)
四、控制系统方案及分析 (5)
4.1控制系统方案 (5)
4.2控制阀类型选择 (6)
4.3被控对象特性选择 (6)
4.4控制器的正反作用选择 (6)
五、设计心得 (6)
六、参考文献 (6)
一、课程设计任务与要求
本次课程设计要求设计锅炉蒸汽出口压力控制系统的控制，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量。
二、方案论证
蒸汽压力对象的主要干扰是燃料量的波动与蒸汽负荷的变化。当燃料流量和蒸汽负荷变动较小时，可采用利用蒸汽压力来调节燃料量的单回路控制系统；当燃料流量波动较大时，可采用蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统。燃料流量是随蒸汽负荷而变化的，所以为主流量，与空气流量组成的单闭环比值控制系统，可使燃料与空气保持一定的比例，获得良好的燃烧。为了保证经济燃烧，也可以使用烟道气中氧含量来校正燃料流量与空气流量的比值，组成变比值控制系统。
2.1 基本方案一
图2.2.1给出了锅炉的基本方案，包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量组成的串级控制系统，以及燃料量为主动量、送风量为从动量的比值控制系统。构成了串级和比值控制组合的系统，串级控制系统中为了保证在出现状况下燃料阀处于关闭状态保证生产安全燃烧阀选为气开（A.O）,PC控制器选反作用，F1C控制器选反作用，控制规律应用PI即可满足要求。比值控制系统中，空气阀选为气开(A.O）,F2C选择反作用，控制规律也选用PI控制。
方案一能够确保燃料量与空气量的比值关系，当燃料量变化时，送风量能够跟踪燃料量的变化,但送入的空气量滞后于燃料量的变化。该控制系统稳定时，主、副流量可以保持比值一定，但从动态角度看，因压力变化首先反映到主流量给定值变化，使主流量随之变化，再经过主流量测量变送、比值器，改变副流量控制器的给定值，副流量跟着变化。显然，副流量的变化滞后于主流量，即动态比值不能得到保证。如果在方案设计上稍作修改，就可以基本上实现动态比值，为方案二。
蒸汽压力燃烧量送风量含氧量
最优值
燃烧阀空气阀
图1燃烧过程控制方案一
2.2基本方案二
图2.2.2 给出了第二种控制方案。包括蒸汽压力为主被控变量、燃料量为副被控变量的串级控制系统，以及蒸汽压力为主被控变量、送风量为副被控变量的串级控制系统。同样此方案中燃料阀处于关闭状态保证生产安全燃烧阀选为气开（A.O ）,PC 控制器选反作用，F1C 控制器选反作用，控制规律应用PI 即可满足要求，空气阀选为气开(A.O ）,F2C 选择反作用，控制规律选PI 控制。此方案中，燃料量与送风量的比值关系是通过燃料控制器和送风调节器的正确动作间接保证的，该方案能够保证蒸汽压力恒定。由于此时压力控制器的输出除作主流量控制器的给定外，同时送入副流量控制器的给定，因比值器可忽略其动态滞后，这样主、副流量控制回路对液面控制器的动态响应基本一致，以保持动态比值。
含氧量
送风量燃烧量蒸汽压力最优值
空气阀
燃烧阀
图2燃烧过程控制方案二
无论是方案一还是方案二，其共同的特点是在比值控制方案的基础上，加入了烟道气氧含量的一个控制回路。这是一个以烟道中氧含量为控制目标的燃烧流量与空气流量的变比值控制系统。这一控制系统可以保证锅炉最经济燃烧。在整个生产过程中保证最经济的燃烧，必须使得燃料和空气流量保证最优比值。上述方案中保证了燃料和空气的比值关系，但并不能保证燃料的完全燃烧控制。因为，其一，在不同的负荷下，两流量的最优比值不同；其二，燃料的成分（如含水量、灰分等）有可能会变化；其三，流量测量的不准确。这些因素都会不同程度地影响到燃料的不完全燃烧或空气的过量，造成锅炉的热效应下降，这就是燃烧流量和空气流量定比值的缺点。为了改善这一情况 ，最简单的方法是有一个指标来闭环修整两流量的比值。目前，最常用的是烟气中的含氧量。
在这个方案中，含氧量烟气作为被控变量。当烟气中含氧量变化时，表明燃烧过程中的过剩空气量发生变化，通过含氧量控制器来控制空气量与燃料量的比值K，力求控制在最优设定值，从而使对应的过剩空气系数稳定在最优值，保证锅炉燃烧最经济，热效率最高。可见，烟气含氧量闭环控制系统是将原来的定比值改变为变比值，比值由含氧量控制器输出。
实施时应注意，为快速反映烟气含氧量，对烟气含氧量的检测变送系统应选择正确。目前，常选用氧化锆氧量仪表检测烟气中的含氧量。
2.3基本方案三
图2.2.3也给出了烟气中氧含量改进后的闭环控制方案。该方案在负荷减少时，先减燃料量，后减送风量；而负荷增加时，在增加燃料量之前，先加大送风量。如图可见，它是能够满足逻辑提降要求的比值控制系统。当蒸汽量要求增加(提量)时，即蒸汽压力降低，燃料量也要增加，为了保证燃烧完全，应先加大空气量，后加大燃料量。反之在降量时，应先减燃料量，后减空气量，以保证燃料的完全燃烧。完成逻辑提量功能主要依靠系统中设置的两个选择器：高选择器HS、低选择器LS在正常工况下，即系统处于稳定状态时，蒸汽压力控制器的输出等于燃料流量变送器的输出，也等于空气流量变送器的输出乘上空气过剩系数K后的值。也就是说高、低选择器的两个输入端信号是相等的，整个系统犹如不加选择器时的串级和比值控制组合的系统进行工作。当系统进行提量时，随着蒸汽量的增加，蒸汽压力减少，压力控制器的输出增加，这个增加了的信号不被低选器选中，而被高选器选中，它直接改变空气流量控制器的给定值，命令空气量增加。然后由于空气增加，使其变送器输出增加，也就使空气量开始增加。因此时燃料流量变送器的输出大于蒸汽压力控制器的输出，蒸汽压力控制器的输出被低选器选中，从而改变燃料流量控制器给定值，命令提量。这一过程保证在增加燃料量前，先加大空气量，使燃烧完全。整个提量过程直至两流量相等时，系统又恢复到正常工况时的稳定状态。在系统降量时，蒸汽压力增加，蒸汽压力控制器输出减少，因而它被低选器选中，作为燃料流量控制器的给定值而命令燃料降量。燃料量降低，经变送器的测量信号为高选器选中，作为空气流量控制器的给定值，命令空气降量。降量过程直至两流量相等系统又恢复到稳定状态。这样就实现了提量时先提空气量，后提燃料量，降量时先降燃料量，后降空气量的逻辑要求。
燃烧量蒸汽量空气量烟气含氧量
最优值
燃烧阀空气阀
图3燃烧过程控制方案三
正常情况下，是蒸汽压力对燃料流量的串级控制系统和燃料流量对空气流量的比值控制系统。蒸汽压力控制器PC是反作用的。当蒸汽压力下降时（如因负荷增加），压力控制器输出增加，从而提高了燃料流量控制器的设定值。但如果空气量不足会造成燃烧不完全。为此，设有低限选择器LS，它只允许两个信号中较小的通过，这样保证燃料量只在空气量足够的情况下才能加大。压力控制器的输出信号将先通过高限选择器HS来加大空气流量，保证在增加燃料流量之前先把控制量加大，使燃烧完全。当蒸汽压力上升时，压力控制器输出减小，降低了燃料量控制器的设定值，在减燃料量的同时，通过比值控制系统，自动减少空气流量。其中比值由含氧量控制器输出。该系统不仅能够保证在稳定工况下空气和燃料在最佳比值，而且在动态过程中能够尽量维持空气、燃料配比在最佳值附近。因此具有良好的经济和社会效益。
三、设计原理
要求两个物料具有比值关系的同时，还应根据物料提量和减量能够按一定先后次序变化，这类系统称为具有逻辑提量和减量规律的比值控制系统。
逻辑提量和逻辑减量控制系统方案在蒸汽负荷提量时，能够先提空气量，后提燃料量；负荷减量时能先减燃料量，后减空气量，保证燃料的完全燃烧。该方案既能保证蒸汽压力恒定，又可实现燃料的完全燃烧。
系统框图如下所示：
四、控制系统方案及分析
4.1控制系统方案：
如上图所示，是具有逻辑提量与逻辑减量的的比值控制系统，采用蒸汽量为主动量，
天然气为从动量的单闭环比值控制系统。图中，FY是比值函数环节（图中为乘法器），由于仪表比值系数大于1，因此将其置于从动量回路。SP是提量与减量的设定信号。提量时，SP增大，高选器输出选中SP，蒸汽控制器调节器调节蒸汽量使蒸汽量先增加，经检测后的信号被低选器选中，逐渐增大天然气控制器的设定值，使空气流量跟随蒸汽流量，并按所需比值增大，达到提量时先提蒸汽量，后提空气量的控制目的。减量时，SP减小，低选器输出选中SP，使空气控制器设定减小，并经调节后减小空气流量，检测后按所需比值关系的信号被高选器选中，被逐渐减小，使蒸汽流量相应减小，达到减量时先减空气流量，后减蒸汽量的控制目的。该类控制系统进行控制时，当蒸汽用量增大时，先提空气量，后提燃料量；蒸汽用量减小时，先减燃料量，后减空气量，从而使燃烧能完全燃烧，不冒黑烟。
4.2控制阀类型选择
设蒸汽压力过大时为异常情况。从安全角度来说此时应关闭控制阀，所以阀的作用类型为气开式。
4.3被控对象特性确定
当阀的开度增大时，锅炉内温度升高，汽包内蒸汽量产生增多，蒸汽压力增大。
4.4控制器的正反作用选择
由4.1、4.2、4.3可知，k v>0,k p>0,根据系统的稳定运行准则，k c k v k p k m>0,又已知k m>0,所以说，k c>0，故为反作用控制器。
系统图另付材料袋内
五、设计心得
从进入大学到现在，一共做了三个课程设计了，但是到目前为止，我感觉这学期做的两个课程设计最是让我受益匪浅，特别是这个过程控制的课程设计，因为网上的资料特别少，所以说，几乎所有的东西都是我自己翻阅资料、请教老师和同学完成的。做完本次的课程设计，我感觉自己对过程控制系统的学习更加深入了一些，同时，通过这一段时间的自我学习，更让我坚定了考“控制理论与控制工程”的研究生。我坚定了考研的方向。这就是我的兴趣所在，对于过程控制，我感觉是我所有专业课里面最容易理解的科目。对于本次课程设计，我也是感觉到控制在生活中的重要性。在本次课程设计中，我不仅进一步了解了关于过程控制的知识，对过程控制系统有了进一步的了解，更是通过编写设计报告，对word文档功能的使用有了更加深入的了解，对以后我步入新的学习环境以及工作环境有很大的帮助。
对于本次课程设计我们组所遇到的最大的问题是关于控制系统的确定，关于控制系统的最终确定，是由我们组7个人共同翻阅课本资料，上网查阅关于该控制系统的资料所确定的。但是，在这里还是要谢谢×老师，由于×老师的帮助，统一了我们的意见。
使我们的设计图得以最终确定。但是在本次的设计中，我认为，我所存在的最大问题是对该系统的控制没有太大的创新处。基本上是根据资料上所陈列出得知识点所设计出来的。所以说，这是我这次课程设计最大的败笔之处。
通过这次课程设计，我对以后的学习有了更大的信心，更加深了我对本专业的认识，所以说，我还是很希望有这样的动手机会，因为我感觉，虽然感觉理论知识学的还可以，或者是考试成绩可以，但是，这些都是浮云，真正能将它们应用于实际中时，这才是最重要的！能将理论应用于实际的人才是强者！而我的梦想就是要做一个强者！
六、参考文献
何衍庆俞金寿蒋慰孙，《工业生产过程控制》，化学工业出版社，2005
俞金寿孙自强，《过程控制系统》，机械工业出版社，2010