第11章 计算机控制系统实例

第11章计算机控制系统实例

●本章的教学目的与要求

掌握各种过程通道的结构、原理、设计及使用方法。

●授课主要内容

●工业锅炉计算机控制系统

●硫化机计算机群控系统

●主要外语词汇

Sulfurate Machine:硫化机，工业锅炉：Industrial Boiler

●重点、难点及对学生的要求

说明：带“***”表示要掌握的重点内容，带“**”表示要求理解的内容，带“*”表示要求了解的内容，带“☆”表示难点内容，无任何符号的表示要求自学的内容

●工业锅炉工艺*

●工业锅炉计算机控制系统的设计***☆

●硫化机计算机群控系统的软硬件设计***☆

●辅助教学情况

多媒体教学课件（POWERPOINT）

●复习思考题

●工业锅炉计算机控制系统的设计

●硫化机计算机群控系统的软硬件设计

●参考资料

刘川来，胡乃平，计算机控制技术，青岛科技大学讲义

11.1 工业锅炉计算机控制系统

11.1.1工业锅炉介绍

常见的锅炉设备的主要工艺流程如图11.1所示。

负荷设

燃料

烟气（经引风

机送到烟囱）

图11.1 锅炉设备主要工艺流程图

燃料和热空气按一定比例送入燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定温度的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为Pm的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变为过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气。

锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要的输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等，如图11.2所示。主要输Array出变量是汽包水位、蒸汽压力、过热蒸

汽温度、炉膛负压、过剩空气（烟气含

氧量）等。这些输入变量与输出变量之

间相互关联。如果蒸汽负压发生变化，

必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热

蒸汽温度等的变化；燃料量的变化不仅

影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、

过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；

给水量的变化不仅影响汽包水位，而且

对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；

图11.2 输入变量与输出变量关系图

等等。

锅炉是一个典型的多变量对象，要进行自动控制，对多变量对象可按自治的原则和协调跟踪的原则加以处理。目前，锅炉控制系统大致可划分为三个控制系统：锅炉燃烧控制系统、锅炉给水控制系统和过热蒸汽温度控制系统。

11.1.2锅炉计算机控制系统组成

1. 燃烧过程控制系统 （1）燃烧过程控制任务

锅炉的燃烧过程是一个能量转换和传递的过程，其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为被控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最佳经济效益的燃烧（常以烟气成分为被控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。

（2）燃烧过程控制系统设计方案

在多变量对象中，调节量和被调量之间的联系不都是等量的，也就是说，对于一个具体对象而言，在众多的信号通道中，对某一个被调量可能只有一个通道对它有较重要的影响，其它通道的影响相对于主通道来说可以忽略。根据自治原则简化锅炉燃烧控制系统，可将其大致分为三个单变量控制系统：燃料量—汽压子系统、送风量—过量空气系数子系统以及引风量——炉膛负压子系统。

不少多变量系统可以利用自治原则来进行简化，但并不是分解成多个单回路控制系统后，问题就全部解决。因为各回路之间往往还存在着联系和要求，必须在设计中加以考虑。协调跟踪的原则，就是在多个单回路基础上，建立回路之间相互协调和跟踪的关系，以弥补用几个近似单变量对象来代替时所忽略的变量之间的关联。

此例中，锅炉燃烧过程的上述三个子系统间使彼此仍有关联。首先考虑到燃料量与送风量子系统间应满足以下两点:

①锅炉燃烧过程中燃料量与空气（送风）量之间应保持一定比例，实际空气（送风）量大于燃料需要空气量，他们之间存在一个最佳空燃比（最佳过剩空气系数）α，即

（燃料需要空气量）实际送入空气量）

B V (=

α

一般情况下，α＞1。 ②为了保持在任何时刻都有足够的空气以实现完全燃烧，当热负荷增大时，应先增加送风量，后增加燃料量；若热负荷减少时，应先减少燃料量，再减少送风量。

为了满足上述两点要求，在这两个单回路的基础上，建立交叉限制协调控制系统，如图11.3

所示。其中，Wm1（s ）和Wm2（s ）是燃料量和送风量测量变送器的传递函数，假设它们都是比例环节，则Wm1（s ）=K1 ，Wm1（s ）=K2 。由此可得到最佳空燃比α与空气量、燃料量测量信号IV 和IB 之间的关系如下：

图11.3 带交叉限制的最佳空燃比控制系统

βα

=1

2

K K B V

B V I K I K K I K I B V 2112=

==

α

设

则

假设机组所需负荷的信号为IQ ，当系统处于稳态时，则有： 设定值 r1=IQ=IV/β=IB 设定值 r2=βIQ=βIB =IV 即 IQ=IB ；IV=βIB

表明系统的燃料量适合系统的要求，而且达到最佳空燃比。当系统处于动态时，假如负荷突然增加，对于送风量控制系统而言，高选器的两个输入信号中，IQ 突然增大，则IQ ＞IB ，所以，增大的IQ 信号通过高选器，在乘以β后作为设定值送入调节器WC2，显然该调节器将使u2增加，空气阀门开大，送风量增大，即IV 增加。对于燃料量控制系统来说，尽管IQ 增大，但在此瞬间IV 还来不及改变，所以低选器的输入信号IQ ＞IV ，低选器输出不变，r1=IV/β不变，此时燃料量B 维持不变。只有在送风量开始增加以后，即IV 变大，低选器的输出才随着IV 的增大而增加，即r1随之加大，这时燃料阀门才开大，燃料量加多。反之，在负荷信号减少时，则通过低选器先减少燃料量，待IB 减少后，空气量才开始随高选器的输出减小而减小，从而保证在动态时，满足上述第②点要求，始终保持完全燃烧。

进一步分析可知，燃料量控制子系统的任务在于，使进入锅炉的燃料量随时与外界负荷要求相适应，维持主压力为设定值。为了使系统有迅速消除燃料侧自发扰动的能力，燃料量控制子系统大都采用以主汽压力为主参数、燃料量为副参数的串级控制方案。

保证燃料在炉膛中的充分燃烧是送风控制系统的基本任务。在大型机组的送风系统中，一、二次风通常各采用两台风机分别供给，锅炉的总风量主要由二次风来控制，所以这里的送风控制系统是针对二次风控制而言的。送风子控制系统的最终目的是达到最高的锅炉热效率，保证经济性。为保持最佳过剩空气系数α，必须同时改变风量和燃料量。α是由烟气含

氧量来反映的。因此常将送风控制系统设计为带有氧量校正的空燃比控制系统，经过燃料量与送风量回路的交叉限制，组成串级比值的送风系统。结构上是一个有前馈的串级控制系统，

图11.4 带氧量串级校正的送风控制系统

βα==1

2K K

I I B V