基于MATLAB的锅炉水位控制系统设计和分析

摘要锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。

锅炉往往成了不少工厂不可或缺的一部分。

因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。

锅炉是工业生产过程中重要的动力设备。

锅炉水位控制系统是锅炉生产控制系统中重要的环节，对锅炉生产操作如果不合理往往会引起事故。

这些事故中大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性；汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。

汽包水位的控制大多采用PID控制方式，PID控制器参数的整定是在获取对象数学模型的基础上，根据某一整定规则来确定的，能进行在线调整，以适应锅炉汽包水位这样一个复杂多变的控制系统。

本文应用控制技术，设计了一种三冲量PID控制器，对锅炉汽包水位进行控制，实现了锅炉汽包水位的自动调节。

并利用 MATLAB对控制系统进行仿真；结果表明，PID 控制技术响应速度快、精度高，同时对虚假水位有较好的控制效果。

关键词：PID控制；MATLAB；仿真；锅炉汽包水位AbstractThe boiler is absolutely necessary significant power plant of industry productions process such as the chemical industry,heat edible oil,generatio n of electrical energy,papermaking and refines sugar and so on .As a result, it is indispensable systematically to analyze research to the automatic con trol in the boiler installation.The boiler is the Power Plant that the whole factory,.Segment that the boiler water level control system is the most significant in the boiler.To boiler production operation,if unreasonable will often cause the accident. The majority of these accidents are boiler water monitor causing improper, obviously the importance of boiler drum water level control in the Boiler d evice control system.Drum water level is too high or too low,the consequenc es are very serious,so the water level must be tightly controlled.The traditional control mode of the drum water level mostly uses PID. PID tuning parameters to obtain the object is based on the mathematical mod el,based on a tuning rules to determine,on-line can be adjusted to suit the boiler drum level control such a complex system.In this paper,control technology,the design of a three impulse PID on b oiler drum level control to achieve the automatic adjustment of boiler feed water.And control systems using MATLAB simulating;results show,PID technol ogy,fast response,high accuracy,while false water level has good control ef fect.Keyword:PID;MATLA;boiler feed water;simulating目录1 绪论 01.1 课题背景 01.2 锅炉控制系统 (1)1.2.1 锅炉概述 (1)1.2.2 锅炉控制系统的分类 (2)1.2.3 给水调节的任务 (2)1.3 控制方法的分类 (3)1.4 自动控制方法的发展及现状 (4)1.5 控制方法存在的问题和解决方向 (4)1.6 本文研究的目的和意义 (4)2 PID控制算法的理论基础 (6)2.1 PID控制器发展及应用 (6)2.2 PID控制器的结构 (6)2.3 PID控制器的分类 (8)2.4 PID控制的优缺点 (9)2.5 智能整定 PID 参数 (10)3 MATLAB仿真简介 (12)3.1 仿真环境简介 (12)3.2 MATLAB的新特点 (13)3.3 MATLAB7使用 (13)3.3.1 MATLAB7的安装 (13)3.3.2 MATLAB的编程环境 (14)3.4 MATLAB的仿真实例 (17)3.4.1 MATLAB仿真实例一 (17)3.4.2 MATLAB仿真实例2 (17)3.5 PID 控制器的MATLAB仿真 (19)3.5.1 系统仿真模型的建立 (19)3.5.2 PID控制系统的模型图 (19)4 锅炉汽包水位的动态设计 (23)4.1 锅炉设备的控制 (23)4.1.1 锅炉设备的主要控制要求 (23)4.1.2 锅炉控制的主要控制系统 (23)4.2 工业锅炉汽包水位控制系统 (24)4.2.1 锅炉汽包水位的结构图 (24)4.3 汽包水位在扰动作用下的动态特性 (26)4.3.1 汽包水位在给水扰动作用下的动态特性 (26)4.3.2 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 (27)4.4 汽包水位的控制方法 (29)4.4.1 单冲量控制 (29)4.4.2 双冲量控制 (30)4.4.3 三冲量控制 (30)4.5 串级控制简介 (30)4.5.1 串级控制系统的结构 (30)4.5.2 串级控制系统的特点 (31)4.5.3 串级控制系统的设计 (31)5 控制方案 (34)5.1 硬件选型 (34)5.1.1 PLC及相关模块选型 (34)5.1.2 变频器的选型 (34)5.1.3 水位变频器的选型 (35)5.1.4 流量传感器的选型 (36)5.1.5 变压器的选型 (36)5.1.6 汽包水位控制系统的流程图 (37)5.2 串级控制系统参数的整定 (37)5.3 三冲量控制系统的参数整定 (38)5.3.1 汽包水位控制系统的参数整定 (38)5.3.2 副回路参数整定 (39)5.3.3 主回路参数整定 (40)5.4 三冲量控制系统仿真分析 (42)6 MATLAB仿真程序设计 (44)6.1 三冲量控制系统（采用串级控制）仿真程序 (44)6.2 仿真结果 (46)6.3 主回路MATLAB仿真程序（PID控制） (47)结论 (49)致谢 (50)参考文献 (51)附录A 英文文献 (52)附录B 中文文献 (60)1 绪论1.1 课题背景锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备，是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程必不可少的重要动力设备。

尤其是在现代化的石油化工企业里，热力站的设立可以使工艺生产过程中的物料和能量得到更加合理的充分利用，它不仅能为反应器、蒸馏塔、换热器以及其他设备、管道保温伴热提供热源，而且还可以为生产过程中的风机、压缩机、泵类驱动提供来源。

但是，由于锅炉往往负荷变化大、起停频繁，依靠人工操作很难保证其安全、稳定地在经济工况下长期运行，所以必须装备自动控制设备。

因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。

锅炉安全是一个非常重要的问题，必须引起高度重视。

汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。

水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。

现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。

锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。

锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。

目前我国有各类锅炉几十万台，其中相当大的部分还在使用常规仪表控制。

由于锅炉水位存在一定的反向特性即“假水位”现象，而常规仪表所常用的PID算法对“假水位”现象的控制效果并不理想，若要较好的控制“假水位”现象，采用常规仪表所构成的控制器，其结构复杂性又会增加，造成成本较高。

因此，研究新型的水位控制系统，使其能进一步提高水位控制的效果，同时又具有结构简单、容易实现的特点，还是非常有必要的。

锅炉控制系统中大部分系统是用PLC控制的；采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。

它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。

如今锅炉汽包水位控制系统主要采用串级三冲量控制系统，采用主、副两个调节器。

两调节器任务分工明确，整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用此控制方式。

在串级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是确定的，所以只有对调节器进行整定，控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法，理论计算方法是基于一定的性能指标，结合组成系统各环节的动态特征，通过理论计算求得调节器的动态参数设定值；而工程整定法，则是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计中体现。