蒸汽锅炉PID温度控制系统设计

减温水流量 扰动
减温器
2
蒸汽流量或者烟 气热量扰动
过热器
1 过热蒸汽温度
温度变送器
温度变送器
传递函数的模型建立

汽温控制对象的数学模型建立，采用工程整定的方法，即给喷水阀一个阶 跃扰动信号，然后多次记录减温器出口温度 和过热蒸汽出口温度 ，得到 两条阶跃响应曲线。
仿真分析
WT 1( S ) 为 PID 调节器，其传递函数为： WT 1( S ) KP1
蒸汽锅炉工艺流程及控制要求

蒸汽锅炉工艺流程及控制要求
锅炉是一个具有多输入、多输出且变量之间相互关联 的被控对象。 过热蒸汽温度控制系统：主要使过热器出口温度保持 在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；
过热蒸汽温度控制对象的动态特性

过热汽温调节对象 的扰动主要来自三 个方面：①蒸汽流 量变化(负荷变化)； ②加热烟气的热量 变化；③减温水流 量变化(过热器入口 汽温变化)。通过对 过热汽温调节对象 作阶跃扰动试验， 可得到在不同扰动 作用下的对象动态 特性。
控制系统参数的整定

根据临界比例法计算：（此时Kp=3.23、Tk=205.882）
调节器参数 调节器名称 P PI PID δ（%）s 2δs 2.26δs 1.7δs Ts/1.2 0.5Ts 0.125Ts T1（S） TD（S）
求出PID的Kp=1.9 Ti=102.54 Td=25.73 在系统中将配置求得参数得到阶跃响应：
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控制系统参数的整定

按照S曲线大致可以求出延时时间L=0.65、放 大系数K=0.53和时间常数T=51.114
控制系统参数的整定

控制器类型 P PI PID 比例度 T/(K*L) 0.9T/(K*L) 1.2T/(K*L) 无穷 L/0.3 2.2L
采用Ziegler-Nichols法,根据下表得到：
燃烧工况 温度设定值 控制信号 喷水流量
控制器
执行器
过热器
温度变送器
被控对象建模

根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延， 而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成 以减温器出口蒸汽温度为副参数，过热蒸汽温度为主参数的 串级控制系统
温度设定值


温度主调节器

副调节器

阀 门
控制系统参数的整定

再次循环以上做法：副回路的p参数Kp=200，求出主回路PID的Kp=1.9 Ti=100 Td=60得到下图阶跃响应：

性能分析

可以得到性能指标：
减温器处加入阶跃扰动后的系统响应

超调量增加，但是调节时间减少
过热器处加入阶跃扰动后的系统响应

超调量减少，调节时间也比单扰动下减少为244
1 S TdS ; Ti
WT 2( S ) 为 P 调节器，其传递函数为： WT 2(S ) KP 2 ；
调节阀以及温度测量变换单元的传递函数： Kf =1； Wm1(S ) Wm2(S ) 1 ;
f (t )、g(t ) 分别为减温水流量扰动以及蒸汽流量扰动；
仿真分析

Simulink仿真图
被控对象建模
在单回路控制系统中，控制减温水流量，实际上是改变过热器 出口蒸汽的热能，也就控制了出口蒸汽温度 调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作， 去控制减温水流量W ，W的变化又要经过一段时间才能影响到蒸 汽温度t，这样既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效 果，将使蒸汽温度t发生很大的动态偏差，影响锅炉生产的安全 和经济运行。
积分时间 微分时间 0 0 0.5L
求得：Kp=148.37，将副回路的p参数置为148.37，副回路就作为随动作用再接着 调主回路，主回路采用临界比例法求PID参数。下图为副回路整定（ Kp=148.37 ） 阶跃响应图
控制系统参数的整定

此时副回路就作为随动作用再接着调主回路，主回路采用临界比例法求PID 参数，副回路整定不变，先调P得到等幅震荡，测得Tk=205.882
控制系统参数的整定





（1）先整定副调节器（p） 当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此 期间，主回路基本上不参加动作，可按单回路系统的整定方法整定副调节 器 采用逐次逼近法 副回路属于二阶模型采用Ziegler-Nichols，主回路采用临界比例法整定 首先对副回路：
蒸汽锅炉PID温度控制系统设计
目的：


对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行分析和设计，而对 锅炉过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳 定的前提。所以本设计采用串级控制系统，这样可以 极大地消除控制系统工作中的各种干扰因素，使系统 能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出 口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁 温度不超过允许的工作温度。 在本设计用到串级控制系统中，主对象为送入负荷设 备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽 温度，通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温 度的目的。