摘要
锅炉是一种应用最广的热能装置，人们通常将燃料比喻做工业的“粮食”，那么锅炉就相当于工业的“肠胃”。目前，工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不应该有较大的波动，应该严格控制在一个精确的范围内，只有这样才能安全生产。工业锅炉是能源转换和消耗的重要设备，对锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不仅能够提高产品质量，改善操作人员的工作环境和条件，而且可以使锅炉燃烧效率最佳。
我国各行各业广泛使用着大量中小型工业锅炉。锅炉工艺复杂、控制要求较高。若用微机技术进行改造,使之实现自动化,不仅可加强运行安全可靠性、提高供汽质量、减轻劳动强度,有利于环境保护和节能;而且也不必对锅炉作大幅度改造、不需要增添过多设备;是一项利国利民、经济实惠的理想举措。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都需要监控, 锅炉在正常运行时，为了保证其安全和经济，必须维持主要运行参数在规定值。主要运行参数为水位、压力、温度等。随着蒸汽负荷极其因素的变化，水位、压力、温度将发生变化偏离设定值。此时，应及时调整给水量，燃料供给量和通风量，使主要参数返回到规定值。
在这次设计中，主要考虑锅炉过热蒸汽温度控制对其他的变量不加考虑。为改善调节品质，引入导前汽温微分信号，组成汽温调节系统的又一种策略。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。
关键字：过热蒸汽控制 串级控制 反馈控制 影响因素 系统参数
一.课程设计任务与要求
1.1内容
（1）.介绍工业过程控制系统设计的基本原则及方法
（2）.根据所提供的工艺设备的主要工艺流程图设计一套控制系统
1.2任务
蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制，要求保证过热蒸汽温度稳定；
1.3要求
根据下列所提供的设备主要工艺流程图，对工艺热工参数进行检测显示,完成所要求的控制系统, 画出控制系统图;在设计说明书中分析方案设计的理由、控制器控制規律的选择、控制器正反作用的选择、选择器类型的选择。对锅炉设备热工参数进行检测，要求上盘显示。
（1）.锅炉给水压力，15MPa
（2）.饱和蒸汽压力，12MPa
（3）.过热蒸汽压力，11MPa
（4）.炉膛负压，－70Pa
（5）.鼓风机出口压力，4KPa
（6）.一级过热器出口蒸汽温度，540℃
（7）.一级过热器前烟气温度，960℃
(8).上级省煤器后烟气温度，470℃
(9).下级空气预热器后烟气温度。160℃
(10).引风机入口烟气温度，150℃
(11).给水流量，150t/h
(12).过热蒸汽流量，143t/h
(13).锅炉汽包水位，±300mm
二．锅炉设备介绍
锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和名称，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。
锅炉设备主要工艺流程图
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。为达到这些控制要求，锅炉设备将有多个不同的控制系统，如下：（1）.供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。
（2）.锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。
（3）.过热蒸汽温度保持在一定范围。
（4）.汽包水位保持在一定范围内。
（5）.保持锅炉燃料的经济性和安全性。
（6）.炉膛负压保持在一定范围。
三．设计原理
3.1锅炉过热蒸汽温度控制系统，
要求保证过热蒸汽温度稳定；
锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量；
锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压控制系统，要求保证炉膛负压在一定范围内，以保证锅炉的安全运行。锅炉安全连锁控制系统，以防止回火和脱火。
本设计根据任务要求主要对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行设计与分析。
3.2过热蒸汽温度控制任务
过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热 器 ，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点， 蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，气温每降低5℃，热经济性将 下降 1 ％；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。该机组要求控制过热蒸汽温在5 3 8～ 5 4 8℃ 的范围内。
锅炉过热器出口蒸汽温度称为主蒸汽温度，主蒸汽温度和再热蒸汽温度统称为蒸汽温度。正常运行中，蒸汽温度应维持在额定值，允许波动范围一般为+5℃～-10℃。过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方.过热器正常运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度.因此，过热蒸汽温度的上限一般不应超过额定值5℃(额定值为450℃ ).如果汽温偏低，则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全运行，因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值10℃。
过热蒸汽温度控制的主要任务就是：
① 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持 蒸气品质合格。
②保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
本次设计以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节
3.3 影响过热蒸汽的主要因素
3.3.1蒸汽量扰动
当蒸汽量扰动时，沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化 其特点是有迟延，有惯性，有自平衡能力，且
T较小。当锅炉的蒸汽量增加时，对流式过热器和辐射式过热
器的出口汽温随蒸汽量变化的方向是相反的。蒸汽量增加时，通过对流式过热器的烟量增加，烟温也随之升高，这两具因素都使对流过热器汽温升高。但是，由于蒸汽量增加时，炉膛温度升高较少，辐射传热量的增加比蒸汽量增加所需的吸热量增加要少，因此，当蒸汽量增加，辐射式过热器出口汽温是下降的。 通过对流过热器的受热面积大于辐射过热器的受热面积，对流方式比辐射方式吸热量为多，因此，总的汽温将随蒸汽量增加而升高。蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性，但不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量，这里的蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。
3.3.2.给水温度
正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料不变，由于给水温度降低时，加热段会加长、过热段缩短，因而过热汽温会随之降低，负荷也会降低 。
3.3.3. 过剩空气系数
过剩空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失。影响对流受热面与辐射受热面的吸热 比例。当过剩空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温会有所下降。过剩空气系数减小时的结果与增加时的相反。若要保持过热汽温不变，则需重新调整煤水比。
3.3.4.烟气侧扰动
由于过热器是一个热交换器，过热器出口汽温反映了工质从过热器中带走的热量和从烟气侧吸收的热量之间的平衡关系。当烟气流量或烟气温度发生扰动时，过热蒸汽温度发生变化。 其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。由于烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量发生变化，所以过热蒸汽温度响应较快，其迟延和惯性比其它扰动要小，但一般不用烟气侧作为调节手段来调节过热蒸汽温度。改变烟量或烟温时，会影响燃烧工况，与燃烧控制互相干扰，另外，烟气侧扰动也将影响再热蒸汽温度。现有电厂热控系统仅用烟气侧作为调节再热蒸汽温度的手段，而利用减温水量来调节过热蒸汽温度。
3.3.5.火焰中心高度
火焰中心高度变化造成的影响与过剩空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况 下，火焰中心上移类似于过剩空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持过热温不变，亦需重新调整煤水比。
3.3.7.受热面结渣
煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，过热汽温会有所降低；过热器结渣或积灰时， 过热汽温下降较明显。前者情况发生时，调整煤水比就可；后者情况发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。对于直流锅炉，在水冷 壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都可以通过调整煤水比来消除；所以，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保持在额定值。此 优点是汽包锅炉无法比拟的；但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成 。
3.3.8减温水量扰动
采用喷水减温时，减温水大多来自给水系统。在给水系统压力增高时，虽然减温水调节阀的开度未变，但这时减温水量增加了，汽温因而降低。喷水减温器若发生泄漏，也会在并未操作减温水调节阀的情况下，使减温水量增大、汽温降低。
减温器（导前区）（惰性区）
3.4设计原理
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。
控制通道和扰动通道的传递函数：G0(s)K0T0s1es0（a）1;Gf(s)KfTfs1esf。
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，K0尽量大；
② 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； ③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统
0响应较快尽量小； T0综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节过热器出口蒸汽温度，这是应用较广的一种汽温调节手段，改变入口蒸汽温度可用喷水来进行。采用减温器喷水减温时，要求有足够的调节余量，一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于给定值约30~40℃。
减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用上图所示的控制系统，控制器接受过热器出口蒸汽温度变化后，控制器才开始动作，去控制减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。
四．方案论证
4.1串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受控制器TC2的控制，而控制器TC2的给定值受到控制器TC1的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。
控制器TC1称主调节器，控制器TC2称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变控制器TC1的给定值，起着最后校正作用。
由如下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。
串级控制系统方框图
串级控制方案特点：
串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
4.2前馈-反馈控制方案
为改善调节品质，引入导前汽温微分信号，组成汽温调节系统的又一种策略。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。
将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。如下图，TY是微分器。
前馈-反馈控制系统图
前馈—反馈控制系统方框图
副回路： WD2(s)Wm2(s)Wd(s)WT(s)Wz(s)Wf(s)
主回路： WD1(s)Wm1(s)
WT(s)Wz(s)Wf(s)WD2(s)
前馈-反馈控制方案特点
1.引入导前微分信号缩短了迟延时间，等效地改善了控制对象的动态特性，迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。
2.采用导前微分信号相当于串级调节系统的变形。
3. 当减温器出口温度有变化时，引入前馈信号。前馈控制可以使减温器出口温度的扰动消灭于萌芽中，当扰动产生后，过热器出口温度还未变化以前，根据扰动作用的大小对减温器给水量进行超前控制，补偿了扰动作用对被控变量的影响。这样的控制很及时，而且不受系统滞后的影响。
比较以上两种方案，以下设计中对前馈-反馈控制方案补充设计。
五．控制系统方案及分析
5.1系统方案
在大型锅炉中，过热器管道较长，结构亦复杂，为了改善控制品质，一般采用分段控制，即将整个过热器分成若干段，每段设置一个减温器，分别控制各段的汽温，以维持主汽温为给定值。
由于锅炉调节中，受到许多因素变化的影响，只靠煤水比的粗调还不够；另外，还可能出现过热器出口左、右侧温度偏差。因此，在后屏过热器的入口和高温过热器（末级过热器）的入口分别布置了一级和二级减温水（每级左、右各一）。喷水减温器调温惰性小、反应快，开始喷水到喷水点后汽温开始变化只需几秒钟，可以实现精确的细调。所以，在整个锅炉负荷范围内，要用一、二级喷水减温来消除煤水比调节（粗调）所存在的偏差，以达到精确控制过热汽温的目的。必须注意的是，要严格控制减温水总量，尽可能少用，以保证有足够的
水量冷却水冷壁；投用时，尽可能多投一级减温水，少投二级减温水，以保护屏式过热器。
分段形式的前馈-反馈控制系统图
5.2系统控制参数确定
5.2.1.被控变量与操纵变量的选择
（1）主被控变量的选择
主被控变量是串级控制系统中要保持平稳控制的主要被控变量。串级控制系统主被控变量选择应遵循以下原则：
①.尽量选择能直接反映产品质量的变量作为主被控变量；
②.所选的主被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求；
③控制通道的Ko尽量大，тo/To应尽量小；
④过程的To/Tf应尽量小扰动进入系统的位置应尽量远离主被控变量。
综合以上原则，应选择过热器出口蒸汽温度即送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。直接反应控制目的。
（2）副被控变量的选择
副被控变量是串级控制系统的辅助被控变量，是副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：
① 应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；
② 应使主、副对象的时间常数匹配；
③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型。
综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副被控变量。
（3）操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影
响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
① 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；
②选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，即Ko尽量大；
③选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的тo/To应尽量小；
④过程的To/Tf应尽量小，使过程的Kf*F尽量小；
⑤工艺的合理性和与动态响应的快速性相结合。
综合以上原则，应选择减温水的输入量作为操纵变量。
5.2.2.检测变送环节的选择
检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测变送单元转换为标准信号。要求准确、迅速、可靠。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表量程越大，Km越小，而量程越小则Km越大。控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II
（a），而电动III型仪表的典型信号为4~20mADC，此外。III
型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。
5.2.3.执行器的选择
控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据控制器输出的信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。在本控制系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。
（1）.调节阀的气开、气关形式选择
对于一个具体的控制系统来说，该选择气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀出于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要有具体的生产工艺决定，应遵循以下几条原则选择：
① 首先要从安全生产出发，当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
② 从保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，不应降低产品的质量；
③ 从尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽温度控制系统中，选择调节阀为气开阀，即Kv>0
（2）.调节阀的流量特性的选择
根据控制系统稳定运行原则，扰动或设定变化时，控制系统稳态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中选择调节阀的流量特性为线性特性。
（3）调节阀的口径大小的选择，
确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容，其主要依据阀的流通能力。正常工况下要求控制阀开度处于15%~85%之间。因此不宜将控制阀选得过小或者过大；否则，可能会使控制阀运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或者阀门经常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严重腐蚀，甚至引起控制阀失灵。
（4）阀门定位器的选择
阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改善控制阀的流量特性。
5.2.4.控制规律及控制器作用方向的选择
（1）控制器控制规律的选择
通过以上设计可知，本次设计的控制系统为串级控制系统。串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。因此，朱控制变量要求无余差，副被控变量可以在一定范围内变动。为使串级控制系统稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由
于控制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。故选择副控制器为比例控制器。
（2）主、副控制器正、反作用选择
对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
控制阀：由上文可知，Kv>0；
副被控对象：阀开度增大，减温水量增加，副被控对象即减温器后端温度降低，因此Kp20，而Km2>0，所以Kc2
主被控对象：减温器后端温度升高，过热器出口温度升高，因此，Kp1>0；
主控制器：为保证负反馈，应满足Kc1*Kp1*Km1>0，而Km1>0，所以Kc1>0，即应选主控制器为反作用控制器。控制器控制规律选择:因前馈中有微分环节，若出现干扰，微分环节已经有大输出，而在反馈控制中，为了实现无余差，准确控制过热器出口温度，故控制器选用比例积分器。
六、串级控制系统控制器参数的整定
参数整定，就是通过调整控制器的参数，改善控制系统的动稳态特性，找到最佳的调节过程，使控制品质最好。串级控制系统常用的参数整定方法有3种：逐步逼近法、两步法和一步法。本串级控制系统选用逐步逼近法，具体整定步骤如下：
1、首先断开主环，闭合副环，按照单回路控制系统的整定方法（通常有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法）整定副控制器参数。
2、闭合主、副回路，保持上一步取得的副控制器参数，按单回路控制系统的整定方法整定主控制器参数。
3、在闭合主、副回路，在主控制器参数保持的情况下，再次调整副控制器参数。
4、至此，已完成一个循环，如控制品质未达到规定指标，返回2继续。
七．控制仪表的选择
控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。
电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II型典型信号为0~10mADC，而电动III型仪表的典型信号为4~20mADC，此外。III型仪
表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。
八．控制系统图及说明
8.1 控制系统图
附图-----过热蒸汽控制系统图
8.2 说明
1、对锅炉设备热工参数进行检测，上盘显示：
仪表盘上标号各自对应的参数如下;
⑴、锅炉给水压力，15MPa
⑵、饱和蒸汽压力，12MPa
⑶、过热蒸汽压力，11MPa
⑷、炉膛负压，-70Pa
⑸、鼓风机出口压力，4KPa
⑹、一级过热器出口温度，540℃
⑺、一级过热器前烟气温度，960℃
⑻、上级省煤器后烟气温度，470℃
⑼、下级空气预热器后烟气温度，160℃
⑽、引风机入口烟气温度，150℃
⑾、给水流量，150t/h
⑿、过热蒸汽流量，143t/h
⒀、锅炉汽包水位，300mm
其中，（6）即图中的601，也为串级的标号。
2、对于温度检测器，需要有温度传感器，在仪表内，用虚线；对于显示表，在控制室，用实线；对于其他现场的检测器，在仪表，不用画线。
3、引风机：把烟气从烟道中抽出，送入烟囱排入大气。
鼓风机：把空气吹进烟道中预热，再送入炉膛助燃。
8.3 安全联锁控制系统
为防止过热出口温度过低，造成过热蒸汽携带冷凝水进入蒸汽透平，损坏叶片，可设置安全联锁控制系统，当出口温度低于某一限值时，联锁切断减温水控制阀。
九．总结体会
该设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温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。采用串级控制系统，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。该设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论、控制仪表及装置以及过程控制理论。
在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是一些核心的高层次的东西往往更是不可缺少。为了更好的完成设计，我将已经放置一旁很久的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。刚开始，设计中遇到了很多自己无法解决的问题，于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我解决了遇到的问题。
为了画好系统图，我和我们小组其他成员特意去学了auto cad 软件以及一些相关软件的基本用法，虽说不够专业，但是能为明年的毕业设计做点画图基础；写课程设计说明书，让我又重温了office的相关软件，使许多平时已经遗忘的东西又学会了。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想。更让我明白了，有些事在头脑里想起是简单的，但是当自己亲自去做时才知道他是多么的艰难。只有自己亲自去做了，才能理解得更深刻，更明白，相应的知识掌握得更牢靠，并且锻炼了自己的动手能力。
十．参考文献
① 方康玲，《过程控制系统》武汉理工大学出版社，2002 ② 王骥程，《化工过程控制工程》，化学工业出版社，1996 ③ 王树青，《工业过程控制工程》，化学工业出版社，1995 ④ 蒋慰孙，《过程控制工程》（第二版），中国石化出版社，2004
⑤ 何衍庆，《工业生产过程控制》，化学化工出版社，2004 附录控制系统图
摘要
锅炉是一种应用最广的热能装置，人们通常将燃料比喻做工业的“粮食”，那么锅炉就相当于工业的“肠胃”。目前，工业锅炉是能源转换和能源消耗的重要设备。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不应该有较大的波动，应该严格控制在一个精确的范围内，只有这样才能安全生产。工业锅炉是能源转换和消耗的重要设备，对锅炉的水位、温度、压力、流量都要严格的控制，不仅能够提高产品质量，改善操作人员的工作环境和条件，而且可以使锅炉燃烧效率最佳。
我国各行各业广泛使用着大量中小型工业锅炉。锅炉工艺复杂、控制要求较高。若用微机技术进行改造,使之实现自动化,不仅可加强运行安全可靠性、提高供汽质量、减轻劳动强度,有利于环境保护和节能;而且也不必对锅炉作大幅度改造、不需要增添过多设备;是一项利国利民、经济实惠的理想举措。为了保证锅炉的安全、经济运行,锅炉的水位、温度、压力、流量都需要监控, 锅炉在正常运行时，为了保证其安全和经济，必须维持主要运行参数在规定值。主要运行参数为水位、压力、温度等。随着蒸汽负荷极其因素的变化，水位、压力、温度将发生变化偏离设定值。此时，应及时调整给水量，燃料供给量和通风量，使主要参数返回到规定值。
在这次设计中，主要考虑锅炉过热蒸汽温度控制对其他的变量不加考虑。为改善调节品质，引入导前汽温微分信号，组成汽温调节系统的又一种策略。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。
关键字：过热蒸汽控制 串级控制 反馈控制 影响因素 系统参数
一.课程设计任务与要求
1.1内容
（1）.介绍工业过程控制系统设计的基本原则及方法
（2）.根据所提供的工艺设备的主要工艺流程图设计一套控制系统
1.2任务
蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制，要求保证过热蒸汽温度稳定；
1.3要求
根据下列所提供的设备主要工艺流程图，对工艺热工参数进行检测显示,完成所要求的控制系统, 画出控制系统图;在设计说明书中分析方案设计的理由、控制器控制規律的选择、控制器正反作用的选择、选择器类型的选择。对锅炉设备热工参数进行检测，要求上盘显示。
（1）.锅炉给水压力，15MPa
（2）.饱和蒸汽压力，12MPa
（3）.过热蒸汽压力，11MPa
（4）.炉膛负压，－70Pa
（5）.鼓风机出口压力，4KPa
（6）.一级过热器出口蒸汽温度，540℃
（7）.一级过热器前烟气温度，960℃
(8).上级省煤器后烟气温度，470℃
(9).下级空气预热器后烟气温度。160℃
(10).引风机入口烟气温度，150℃
(11).给水流量，150t/h
(12).过热蒸汽流量，143t/h
(13).锅炉汽包水位，±300mm
二．锅炉设备介绍
锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。 锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和名称，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。
锅炉设备主要工艺流程图
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。为达到这些控制要求，锅炉设备将有多个不同的控制系统，如下：（1）.供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。
（2）.锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。
（3）.过热蒸汽温度保持在一定范围。
（4）.汽包水位保持在一定范围内。
（5）.保持锅炉燃料的经济性和安全性。
（6）.炉膛负压保持在一定范围。
三．设计原理
3.1锅炉过热蒸汽温度控制系统，
要求保证过热蒸汽温度稳定；
锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现逻辑提量和逻辑减量；
锅炉蒸汽出口压力控制系统，要求保证蒸汽出口压力保持在一定范围内，同时实现燃烧过程的经济运行；锅炉炉膛负压控制系统，要求保证炉膛负压在一定范围内，以保证锅炉的安全运行。锅炉安全连锁控制系统，以防止回火和脱火。
本设计根据任务要求主要对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行设计与分析。
3.2过热蒸汽温度控制任务
过热蒸汽温度控制的主要任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热 器 ，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点， 蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全；过热蒸汽温度偏低，则会降低发电机组能量转换效率。据分析，气温每降低5℃，热经济性将 下降 1 ％；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度增大,甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。该机组要求控制过热蒸汽温在5 3 8～ 5 4 8℃ 的范围内。
锅炉过热器出口蒸汽温度称为主蒸汽温度，主蒸汽温度和再热蒸汽温度统称为蒸汽温度。正常运行中，蒸汽温度应维持在额定值，允许波动范围一般为+5℃～-10℃。过热蒸汽温度的控制任务是维持过热器出口汽温在允许范围内，并且保护过热器使管壁温度不超过允许的工作温度.过热蒸汽温度是锅炉给水通道中温度最高的地方.过热器正常运行时的温度一般接近于材料所允许的最高温度.因此，过热蒸汽温度的上限一般不应超过额定值5℃(额定值为450℃ ).如果汽温偏低，则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全运行，因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值10℃。
过热蒸汽温度控制的主要任务就是：
① 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持 蒸气品质合格。
②保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
本次设计以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节
3.3 影响过热蒸汽的主要因素
3.3.1蒸汽量扰动
当蒸汽量扰动时，沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化 其特点是有迟延，有惯性，有自平衡能力，且
T较小。当锅炉的蒸汽量增加时，对流式过热器和辐射式过热
器的出口汽温随蒸汽量变化的方向是相反的。蒸汽量增加时，通过对流式过热器的烟量增加，烟温也随之升高，这两具因素都使对流过热器汽温升高。但是，由于蒸汽量增加时，炉膛温度升高较少，辐射传热量的增加比蒸汽量增加所需的吸热量增加要少，因此，当蒸汽量增加，辐射式过热器出口汽温是下降的。 通过对流过热器的受热面积大于辐射过热器的受热面积，对流方式比辐射方式吸热量为多，因此，总的汽温将随蒸汽量增加而升高。蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性，但不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量，这里的蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。
3.3.2.给水温度
正常情况下，给水温度一般不会有大的变动；但当高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉，若燃料不变，由于给水温度降低时，加热段会加长、过热段缩短，因而过热汽温会随之降低，负荷也会降低 。
3.3.3. 过剩空气系数
过剩空气系数的变化直接影响锅炉的排烟损失。影响对流受热面与辐射受热面的吸热 比例。当过剩空气系数增大时，除排烟损失增加、锅炉效率降低外炉膛水冷壁吸热减少，造成过热器进口温度降低、屏式过热器出口温度降低；虽然对流过热器吸热量有所增加，但在煤水比不变的情况下，末级过热器出口汽温会有所下降。过剩空气系数减小时的结果与增加时的相反。若要保持过热汽温不变，则需重新调整煤水比。
3.3.4.烟气侧扰动
由于过热器是一个热交换器，过热器出口汽温反映了工质从过热器中带走的热量和从烟气侧吸收的热量之间的平衡关系。当烟气流量或烟气温度发生扰动时，过热蒸汽温度发生变化。 其特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。由于烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量发生变化，所以过热蒸汽温度响应较快，其迟延和惯性比其它扰动要小，但一般不用烟气侧作为调节手段来调节过热蒸汽温度。改变烟量或烟温时，会影响燃烧工况，与燃烧控制互相干扰，另外，烟气侧扰动也将影响再热蒸汽温度。现有电厂热控系统仅用烟气侧作为调节再热蒸汽温度的手段，而利用减温水量来调节过热蒸汽温度。
3.3.5.火焰中心高度
火焰中心高度变化造成的影响与过剩空气系数变化的影响相似。在煤水比不变的情况 下，火焰中心上移类似于过剩空气系数增加，过热汽温略有下降；反之，过热汽温略有上升。若要保持过热温不变，亦需重新调整煤水比。
3.3.7.受热面结渣
煤水比不变的调节下，炉膛水冷壁结渣时，过热汽温会有所降低；过热器结渣或积灰时， 过热汽温下降较明显。前者情况发生时，调整煤水比就可；后者情况发生时，不可随便调整煤水比，必须在保证水冷壁温度不超限的前提下调整煤水比。对于直流锅炉，在水冷 壁温度不超限的条件下，后四种影响过热汽温因素都可以通过调整煤水比来消除；所以，只要控制、调节好煤水比，在相当大的负荷范围内，直流锅炉的过热汽温可保持在额定值。此 优点是汽包锅炉无法比拟的；但煤水比的调整，只有自动控制才能可靠完成 。
3.3.8减温水量扰动
采用喷水减温时，减温水大多来自给水系统。在给水系统压力增高时，虽然减温水调节阀的开度未变，但这时减温水量增加了，汽温因而降低。喷水减温器若发生泄漏，也会在并未操作减温水调节阀的情况下，使减温水量增大、汽温降低。
减温器（导前区）（惰性区）
3.4设计原理
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。
控制通道和扰动通道的传递函数：G0(s)K0T0s1es0（a）1;Gf(s)KfTfs1esf。
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
① 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，K0尽量大；
② 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； ③ 在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统
0响应较快尽量小； T0综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。改变过热器入口蒸汽温度可以有效地调节过热器出口蒸汽温度，这是应用较广的一种汽温调节手段，改变入口蒸汽温度可用喷水来进行。采用减温器喷水减温时，要求有足够的调节余量，一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于给定值约30~40℃。
减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后，如果用上图所示的控制系统，控制器接受过热器出口蒸汽温度变化后，控制器才开始动作，去控制减温水流量的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度发生不能允许的动态偏差。影响锅炉生产的安全和经济运行。
四．方案论证
4.1串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统如下图所示。采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受控制器TC2的控制，而控制器TC2的给定值受到控制器TC1的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。
控制器TC1称主调节器，控制器TC2称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变控制器TC1的给定值，起着最后校正作用。
由如下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。
串级控制系统方框图
串级控制方案特点：
串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。串级控制系统可以看作一个闭合的副回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。
在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
4.2前馈-反馈控制方案
为改善调节品质，引入导前汽温微分信号，组成汽温调节系统的又一种策略。由汽温被调对象的动态特性可知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，从而改善调节品质。
将减温器出口温度的微分信号作为前馈信号，与过热器出口温度相加后作为过热器温度控制器测量，当减温器出口温度有变化时，才引入前馈信号。稳定工况下，该微分信号为零，与单回路控制系统相同。如下图，TY是微分器。
前馈-反馈控制系统图
前馈—反馈控制系统方框图
副回路： WD2(s)Wm2(s)Wd(s)WT(s)Wz(s)Wf(s)
主回路： WD1(s)Wm1(s)
WT(s)Wz(s)Wf(s)WD2(s)
前馈-反馈控制方案特点
1.引入导前微分信号缩短了迟延时间，等效地改善了控制对象的动态特性，迟延时间缩短后，可控性变好，控制品质将得到改善。
2.采用导前微分信号相当于串级调节系统的变形。
3. 当减温器出口温度有变化时，引入前馈信号。前馈控制可以使减温器出口温度的扰动消灭于萌芽中，当扰动产生后，过热器出口温度还未变化以前，根据扰动作用的大小对减温器给水量进行超前控制，补偿了扰动作用对被控变量的影响。这样的控制很及时，而且不受系统滞后的影响。
比较以上两种方案，以下设计中对前馈-反馈控制方案补充设计。
五．控制系统方案及分析
5.1系统方案
在大型锅炉中，过热器管道较长，结构亦复杂，为了改善控制品质，一般采用分段控制，即将整个过热器分成若干段，每段设置一个减温器，分别控制各段的汽温，以维持主汽温为给定值。
由于锅炉调节中，受到许多因素变化的影响，只靠煤水比的粗调还不够；另外，还可能出现过热器出口左、右侧温度偏差。因此，在后屏过热器的入口和高温过热器（末级过热器）的入口分别布置了一级和二级减温水（每级左、右各一）。喷水减温器调温惰性小、反应快，开始喷水到喷水点后汽温开始变化只需几秒钟，可以实现精确的细调。所以，在整个锅炉负荷范围内，要用一、二级喷水减温来消除煤水比调节（粗调）所存在的偏差，以达到精确控制过热汽温的目的。必须注意的是，要严格控制减温水总量，尽可能少用，以保证有足够的
水量冷却水冷壁；投用时，尽可能多投一级减温水，少投二级减温水，以保护屏式过热器。
分段形式的前馈-反馈控制系统图
5.2系统控制参数确定
5.2.1.被控变量与操纵变量的选择
（1）主被控变量的选择
主被控变量是串级控制系统中要保持平稳控制的主要被控变量。串级控制系统主被控变量选择应遵循以下原则：
①.尽量选择能直接反映产品质量的变量作为主被控变量；
②.所选的主被控变量能满足生产工艺稳定、安全、高效的要求；
③控制通道的Ko尽量大，тo/To应尽量小；
④过程的To/Tf应尽量小扰动进入系统的位置应尽量远离主被控变量。
综合以上原则，应选择过热器出口蒸汽温度即送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。直接反应控制目的。
（2）副被控变量的选择
副被控变量是串级控制系统的辅助被控变量，是副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以下原则：
① 应尽量包含生产过程中主要的、变化剧烈、频繁的和幅度大的扰动，并力求包含尽可能多的扰动；
② 应使主、副对象的时间常数匹配；
③ 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型。
综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副被控变量。
（3）操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影
响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为：
① 操纵变量必须是工艺上允许调节的变量；
②选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，即Ko尽量大；
③选择对被控变量有较快响应的操纵变量，即过程的тo/To应尽量小；
④过程的To/Tf应尽量小，使过程的Kf*F尽量小；
⑤工艺的合理性和与动态响应的快速性相结合。
综合以上原则，应选择减温水的输入量作为操纵变量。
5.2.2.检测变送环节的选择
检测变送环节的作用是将工业生产过程的参数（流量、压力、温度、物位、成分等）经检测变送单元转换为标准信号。要求准确、迅速、可靠。检测变送仪表的量程应满足读数误差的精度要求，同时应尽量选用线性特性。仪表量程越大，Km越小，而量程越小则Km越大。控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II
（a），而电动III型仪表的典型信号为4~20mADC，此外。III
型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。
5.2.3.执行器的选择
控制阀是自动控制系统中的一个重要组成部分，其作用是根据控制器输出的信号，直接控制能量或物料等介质的输送量，达到控制工艺参数的目的。在本控制系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。
（1）.调节阀的气开、气关形式选择
对于一个具体的控制系统来说，该选择气开阀还是气关阀，即在阀的气源信号发生故障或控制系统某环节失灵时，阀出于全开的位置安全，还是处于全关的位置安全，要有具体的生产工艺决定，应遵循以下几条原则选择：
① 首先要从安全生产出发，当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；
② 从保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，不应降低产品的质量；
③ 从尽可能的降低原料、产品、动力损耗；
综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽温度控制系统中，选择调节阀为气开阀，即Kv>0
（2）.调节阀的流量特性的选择
根据控制系统稳定运行原则，扰动或设定变化时，控制系统稳态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中选择调节阀的流量特性为线性特性。
（3）调节阀的口径大小的选择，
确定控制阀口径大小也是选用控制阀的一个重要内容，其主要依据阀的流通能力。正常工况下要求控制阀开度处于15%~85%之间。因此不宜将控制阀选得过小或者过大；否则，可能会使控制阀运行在全开时的非线性饱和工作状态，系统失控；或者阀门经常处于小开度的工作状态，造成流体对阀芯、阀座严重腐蚀，甚至引起控制阀失灵。
（4）阀门定位器的选择
阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改善控制阀的流量特性。
5.2.4.控制规律及控制器作用方向的选择
（1）控制器控制规律的选择
通过以上设计可知，本次设计的控制系统为串级控制系统。串级控制系统中，主、副控制器所起的作用是不同的，主控制器起定值控制作用，副控制器对主控制器输出起随动控制作用，而对扰动作用起定值控制作用。因此，朱控制变量要求无余差，副被控变量可以在一定范围内变动。为使串级控制系统稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由
于控制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。故选择副控制器为比例控制器。
（2）主、副控制器正、反作用选择
对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
控制阀：由上文可知，Kv>0；
副被控对象：阀开度增大，减温水量增加，副被控对象即减温器后端温度降低，因此Kp20，而Km2>0，所以Kc2
主被控对象：减温器后端温度升高，过热器出口温度升高，因此，Kp1>0；
主控制器：为保证负反馈，应满足Kc1*Kp1*Km1>0，而Km1>0，所以Kc1>0，即应选主控制器为反作用控制器。控制器控制规律选择:因前馈中有微分环节，若出现干扰，微分环节已经有大输出，而在反馈控制中，为了实现无余差，准确控制过热器出口温度，故控制器选用比例积分器。
六、串级控制系统控制器参数的整定
参数整定，就是通过调整控制器的参数，改善控制系统的动稳态特性，找到最佳的调节过程，使控制品质最好。串级控制系统常用的参数整定方法有3种：逐步逼近法、两步法和一步法。本串级控制系统选用逐步逼近法，具体整定步骤如下：
1、首先断开主环，闭合副环，按照单回路控制系统的整定方法（通常有经验整定法、临界比例度法、衰减曲线法、反应曲线法）整定副控制器参数。
2、闭合主、副回路，保持上一步取得的副控制器参数，按单回路控制系统的整定方法整定主控制器参数。
3、在闭合主、副回路，在主控制器参数保持的情况下，再次调整副控制器参数。
4、至此，已完成一个循环，如控制品质未达到规定指标，返回2继续。
七．控制仪表的选择
控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动II型、III型。
电动III型和电动II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制II型典型信号为0~10mADC，而电动III型仪表的典型信号为4~20mADC，此外。III型仪
表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动III型仪表。
八．控制系统图及说明
8.1 控制系统图
附图-----过热蒸汽控制系统图
8.2 说明
1、对锅炉设备热工参数进行检测，上盘显示：
仪表盘上标号各自对应的参数如下;
⑴、锅炉给水压力，15MPa
⑵、饱和蒸汽压力，12MPa
⑶、过热蒸汽压力，11MPa
⑷、炉膛负压，-70Pa
⑸、鼓风机出口压力，4KPa
⑹、一级过热器出口温度，540℃
⑺、一级过热器前烟气温度，960℃
⑻、上级省煤器后烟气温度，470℃
⑼、下级空气预热器后烟气温度，160℃
⑽、引风机入口烟气温度，150℃
⑾、给水流量，150t/h
⑿、过热蒸汽流量，143t/h
⒀、锅炉汽包水位，300mm
其中，（6）即图中的601，也为串级的标号。
2、对于温度检测器，需要有温度传感器，在仪表内，用虚线；对于显示表，在控制室，用实线；对于其他现场的检测器，在仪表，不用画线。
3、引风机：把烟气从烟道中抽出，送入烟囱排入大气。
鼓风机：把空气吹进烟道中预热，再送入炉膛助燃。
8.3 安全联锁控制系统
为防止过热出口温度过低，造成过热蒸汽携带冷凝水进入蒸汽透平，损坏叶片，可设置安全联锁控制系统，当出口温度低于某一限值时，联锁切断减温水控制阀。
九．总结体会
该设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温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。采用串级控制系统，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。该设计综合运用了模拟电子技术、自动控制理论、控制仪表及装置以及过程控制理论。
在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的很好了。但当我拿到设计任务书的时候，有一种的懵的感觉，不知道如何下手。开始了我又总是被一些小的，细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都还不知道。其实在设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是一些核心的高层次的东西往往更是不可缺少。为了更好的完成设计，我将已经放置一旁很久的一些书籍重新找出，认真阅读，从中不仅查找到了设计中需要的知识点，还发现了一些以前学习中忽略了的知识，在完成设计的同时得到了额外的收获。刚开始，设计中遇到了很多自己无法解决的问题，于是向老师、同学求助，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我解决了遇到的问题。
为了画好系统图，我和我们小组其他成员特意去学了auto cad 软件以及一些相关软件的基本用法，虽说不够专业，但是能为明年的毕业设计做点画图基础；写课程设计说明书，让我又重温了office的相关软件，使许多平时已经遗忘的东西又学会了。
对生产过程进行控制是我们工作中非常重要的一项任务，通过此次课程设计我明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想。更让我明白了，有些事在头脑里想起是简单的，但是当自己亲自去做时才知道他是多么的艰难。只有自己亲自去做了，才能理解得更深刻，更明白，相应的知识掌握得更牢靠，并且锻炼了自己的动手能力。
十．参考文献
① 方康玲，《过程控制系统》武汉理工大学出版社，2002 ② 王骥程，《化工过程控制工程》，化学工业出版社，1996 ③ 王树青，《工业过程控制工程》，化学工业出版社，1995 ④ 蒋慰孙，《过程控制工程》（第二版），中国石化出版社，2004
⑤ 何衍庆，《工业生产过程控制》，化学化工出版社，2004 附录控制系统图