华电科院过程控制课程设计
科技学院
课程设计报告
(2012--2013年度第1学期)
名称：过程控制课程设计
题目：给水控制
院系：动力工程系
专业：
设计周数：1周
姓名学号分工成绩
成员
被控对象动态特性分析；使用
matlab、visio；总结、写报告
画控制原理图；控制系统仿真
实验，控制器参数整定
画SAMA图、画控制系统工
艺流程图
日期：2013 年1 月11 日
《过程控制》课程设计
任务书
一、目的与要求
“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业
过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计
说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本
技能训练。
二、主要内容
1．根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；
2．根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID
图）；
3．根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包
括系统功能图和系统逻辑图）；
4．对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；
5．编写设计说明书。
三、进度计划
四、设计（实验）成果要求
1．绘制所设计热工控制系统的的SAMA图；
2．根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线；
3．撰写设计报告
五、考核方式
提交设计报告及答辩
学生姓名：
指导教师：马平
2013年1 月11 日
一、课程设计的目的与要求
“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 二、设计正文
1．基本任务和要求：
任务：1.维持汽包水位在一定的范围内。 2.维持稳定的给水量。
要求：1.了解实现给水全程控制的关键技术；
2. 能够进行汽包锅炉给水控制系统的设计、仿真与工程实现(画出SAMA 图)。 2．给水控制对象的动态特性：
①给水流量扰动下汽包水位的动态特性：
原因分析：
开始阶段，给水量虽大于蒸发量，但给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中一部分热量，使得水面下汽泡容积减小，因此扰动初期水位不会立即升高，有一定的迟延。（热平衡角度）
由于给水流量大于蒸发量，进、出工质流量不平衡，因此汽包水位会逐渐上升。（物质平衡角度）
特点：
有迟延，无自平衡 ②蒸汽流量扰动下的水位的动态特性：
③燃烧率扰动下汽包水位的动态特性：
（燃烧率：单位时间燃料燃烧发热量。）
总结：
蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃烧率扰动其实也是一种间接的外部扰动。很显然这两种物理量是不可能作为调节汽包水位的调节手段的，调节作用量只能选择给水量。
3．锅炉汽包水位控制系统及使用范围：
目前较为成熟的锅炉汽包水位控制方案中有单冲量水位控制系统，双冲量水位控制系统及三冲量水位控制系统。锅炉水位的控制方案应根据锅炉系统的具体情况选择。
①单冲量水位控制系统：
单冲量水位控制系统是典型的单回路调节系统，由被控对象，测量变送单元，调节器和执行器组成，通过给水流量调节汽包液位，这里指的单冲量即汽包液位。其控制方案如图2所示。
单冲量水位控制系统
②双冲量水位控制系统：
双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制的基础上，将蒸汽流量作为前馈信号引入控制系统，这样就可消除“虚假现象”对调节系统的不良影响，从而改善调节特性，提高调节质量，且投资增加不多，其控制方案如图3所示
双冲量水位控制系统
该控制方案依旧存在不能及时反映给水流量对水位调节的干扰，因此双冲量水位控制适用于负荷变化较频繁的小型低压锅炉，而不适用于给水母管压力经常有波动的锅炉系统。③三冲量水位控制系统：
一般情况下锅炉容量越大，汽包的相对水位容量就越小，允许的水位波动越小，如果给水中断，就可能在极短的时间内发生危险水位，这就要求水位的控制必须能够及时的反映给水流量对水位的干扰。为此，在双水位控制的基础上再引进一个给水流量变化的信号进行控制，就构成所谓的三冲量水位控制系统，其控制方案如图4所示。
三冲量水位控制系统
该系统中，汽包水位是被控量，是主冲量信号，而蒸汽流量和给水流量是2个辅助冲量信号，通过2个辅助冲量的引入，既克服了“虚假现象”对控制质量的影响，又能及时反映出给水量对水位的干扰，克服了控制过程中的滞后现象。因此，对于大中型高中压锅炉采用三冲量水位控制系统较为适宜。
4：设计方案及仪表选型：
从上面的分析可知，三冲量水位控制系统结合了串级控制和前馈控制的优点。当系统发生外扰（蒸汽流量）或内扰（给水流量）后，经过前馈信号的补偿作用和内回路的快速动作，已基本维持了对象内部的物质平衡，水位偏离给定值不会太远，经过主回路的校正作用，最终使水位回到给定值。
因此，本次设计采用串级三冲量给水控制系统。
给水控制系统方框图
给水控制系统原理图
控制系统工艺流程图（PID图）5．给水控制系统的参数整定：
(1)先整定内回路：
整定参数：K=16
整定后的阶跃响应曲线：
(2) 整定外回路：
整定参数：K=1.6，Ti=0，Td=1.2 整定后的阶跃响应曲线：
(3) 串级三冲量给水控制系统原理图：
响应曲线：
三、课程设计总结或结论
本次课程设计在指导老师的帮助和我们小组成员的共同努力下顺利完成了此次设计工作。为完成本次课程设计，我们又重新温习了一下相关的理论和课程资料，查阅了很多文献，通过这些前期准备工作，我们基本熟悉了控制系统设计的流程及方法，为接下来的课设以及日后的工作奠定了基础。
过程控制系统课程设计教会了我们如何设计一个完整的工业控制系统，从手绘图到MicrosoftOfficeVisio的绘制再到最终设计报告的完成，在这一周的时间里里，让我们学会了细致与耐心。在整个的设计过程中了解到一些仪表选型的规则，系统图以及方框图的绘制方法和注意事项，培养了一定的工程意识。
通过本次课程设计，我们加深了对本课程的认识，通过老师的指导、同组同学的讨论以及组员的努力，我们圆满的完成了任务，达到了设计的目标，真正感受到所学知识与实际的
应用。
最后,感谢学校和老师能给予我们这次课程设计的机会,让我们学到了书本以外的知识锻炼了我们的能力为我们以后的发展打下良好的基础。
四、参考文献
[1] 黄德先, 王京春，金以惠《过程控制系统》清华大学出版社2011年5月
[2] 巨林仓. 《电厂热工过程控制系统》西安交通大学出版社2009年3月
[3] 林文孚，胡燕《单元机组自动控制技术》中国电力出版社2004年9月
附录 SAMA图