PID调节器在燃气锅炉中的应用

PID调节器在燃气锅炉中的应用

2009-12-23 06:50:43 技术| 评论(0) | 浏览(153)

摘要：为使冬季采暖温度实现自动控制，保持室温恒定，且达到节能要求。针对燃气锅炉燃烧器阀门的PID控制，结合非线性开关控制，使温度快速、准确、平稳、高效的调节。本文介绍了系统的构成、PID调节及开关调节原理和PID调节器参数的整定方法，使系统达到最佳的动、静态性能。

关键词：燃气锅炉，燃烧器，PID调节器，开关控制

0．引言

在我国，随着新型能源的开发及对绿色环保的重视，以天然气为主要清洁能源的燃气供暖锅炉正大幅度增加。我课题组立足于对燃气锅炉的节能及智能化研究，通过对锅炉系统多参量信号采集并构成多闭环控制系统，实现温度等参数的自动控制，可使冬季室温保持恒定且随意调节，同时起到节能作用。其中，对燃烧器的PID控制及开关控制，可根据温度变化曲线及时、准确的调节燃气阀的开度，且成比例的调节风门，使燃气和空气有良好的混合比，并使燃气充分燃烧，达到节能、无污染的效果。

1．关于PID控制

PID控制是指比例、积分、微分控制，实现PID控制的装置称为PID调节器。其传递函数为

G（s）=K P(1+1/τi s+τD s)

比例控制可快速、及时、按比例调节偏差，提高控制灵敏度。但有静差，控制精度低。积分控制能消除偏差，提高控制精度、改善稳态性能，但易引起震荡，造成超调。微分控制是一种超前控制，能调节系统速度、减小超调量、提高稳定性，但其时间常数过大会引入干扰、系统冲击大，过小则调节周期长、效果不显著。比例、积分、微分控制相互配合，合理选择PID调节器的参数，即比例系数K P、积分时间常数τi和微分时间常数τD，可迅速、准确、平稳的消除偏差，达到良好的控制效果。图1中各曲线反映不同参数对系统响应的影响。

2．温度PID及开关控制系统的组成

图2是温度控制系统的组成原理图。被控对象为燃烧器的燃气蝶阀和空气风门；其开度大小是由电动执行器（伺服电动机又称伺服马达）通过减速器带动可调凸轮机构控制的。凸轮机构通过连杆带动燃气蝶阀改变开度，同时还通过另一连杆带动风门旋转，改变风门开度，实现同步、比例的改变空气和燃料的进给量。调整两连杆的位置，可获得最佳的风气比，使燃料充分燃烧，提高燃烧效率和节能效果，实现无污染。调节器根据预置的温度设定值T W与检测的温度反馈值T X偏差的大小进行连续的PID调节或进行非线性开关调节。

3．温度的自动调节原理

为达到良好的控制效果，本系统对燃气阀既可连续调节同时具备开关控制。图3为调节示意图。开关控制时，燃烧器阀门和空气风门只有两个状态即最大开度和最小开度。即预先设定一个偏差带，T W与T X的偏差在偏差带外进行非线性开关控制，进入偏差带则进行连续的PID调节。

当温度T X低于设定值T W较多时，PID调节器不起作用，燃烧器阀门开至最大。当T X接近T W时，随温度升高阀门关小，形成PID调节。若温度升高超过偏差带上限，燃烧器关至最小。图4为温控调节曲线示意图。当锅炉负载较轻时温度变化快，震荡较剧烈，负载较重时变化较为平缓。

微分控制的作用是：室温较锅炉水温有一个滞后，当检测温度升高时再调整燃气阀，室温将继续升高。采用微分控制即对温度的变化率进行控制，可降低温度震荡幅值，保持温度恒定。

4．PID调节器参数的整定

锅炉温度控制系统较复杂，很难用解析法建立其数学模型。故PID调节器参数的确定，可按Z—N法则的第二法初步选取PID参数：先设τi= ∞，τD= 0即只有比例控制。K P由零逐步增大到使温控曲线振荡并超出偏差带，此时的K P为临界增益K C，记录并估算振荡周期T C。初选K P=0.6K C，τi= 0.5T C，τD=0.125T C。在其基础上，根据经验法及试验对PID参数作进一步的调整，一般要多次调整，每次调整幅度不大于10%，直到获得满意的温控曲线。这种方法准确、方便，具有普遍性。若根据试验测试的温度曲线应用计算机软件优化PID参数，效果更好。

由于负载大小对温度变化的动态过程有影响，若按轻载整定，重载时调节较慢，节能效果差。而按满载整定，轻载时温度变化快，稳定性较差。根据经验，按满负荷的85%整定PID调节器的参数，较为合适。

5．结束语

燃气锅炉系统是集温度、压力、流量、水位等参数控制、顺序控制及各种保护于一体的综合控制系统。本文只介绍了以燃烧器为控制对象的PID调节及开关调节，以达到较为稳定的温度、取得较好的节能效果。与大、小火二级负载控制相比，具有很好的动、静态性能，并可节能5%以上。结合烟气冷凝热能回收系统，以及燃气锅炉本身较高的热效率且对大气无污染，该系统将有良好的推广应用前景。

参考文献：

/1489/article_1488203.html

燃气锅炉的PLC自动控制系统

发布日期:2005-10-30作者: 牟岳泰许东来赵永军陈平来源:微计算机信息

摘要：本文简单介绍了燃气锅炉PLC 自动控制系统。

本系统根据实际供暖中负荷多变的特点，采用先进的变

频技术和模糊控制技术，改变锅炉的燃气量，使锅炉节

能运行。该系统对提高燃料利用率有明显效果。

关键词：PLC ；变频技术；模糊控制

1 前言

目前，人们对环境保护的意识越来越高，改变供暖的

燃料品种，

燃烧清洁燃料，是降低空气污染的有效措施。近几年来，我国城市燃气结构发生很大变化，陕北天然

气已经进入京津，渤海天然气已经上岸，尤其西气东输工程的实施，更为燃气锅炉的应用起到了推动作用。

现在，一般燃气锅炉的设计效率均能达到90%左右，但在实际运行中，由于外界环境温度不断变化，需要的供热量也因而变化，如果不调整燃气量，往往会造成供热量不足或过量，造成能源浪费。在这样一种背景下，有必要对燃气锅炉的燃气供应进行实时调节，提高能源利用率。目前，世界各国都存在能源短缺的问题，我国能源问题更为突出，因此，如何使锅炉高效、安全运行是锅炉控制系统的重点。

2 燃气量控制原理

当需要的热量发生变化时，我们通过改变进入燃烧系统的燃气量来改变进入整个系统的能量。图1是燃气量控制系统图。

图1 燃气控制原理图

其中的关键部件包括稳压阀、比例调节阀和变频器，它们的作用分别是：稳压阀的作用是使燃气进入比例调节阀之前保证压力温定，使其不受燃气供应管道压力变化的影响；比例调节阀采集燃气和空气的压力信号，当空气压力变化时，比例调节阀中的膜片位置将发生变化，从而带动阀门关小

或开大，直到达到一定的比例，它的作用是保持空气量和燃气量的比例不受两者压力变化的影响，