胡曉晗 任文斌 趙嘉興

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159）

基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)設計

胡曉晗 任文斌 趙嘉興

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159）

為了解決鍋爐溫度過高或者過低造成的危害，本文設計了一款基于PID的鍋爐溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)通過實時采集鍋爐溫度信息，并結合Labview所做的界面上加熱阻絲的顏色變化來判斷鍋爐加熱的快慢，再通過PID控制器調(diào)整鍋爐溫度變化快慢來控制溫度大小。通過實驗可以平穩(wěn)的控制溫度變化。

PID；Labview；溫度；控制

0 引言

近年來，鍋爐作為工業(yè)重要設備，在產(chǎn)品生產(chǎn)和人們生活中有著廣泛的使用，鍋爐通過產(chǎn)生水蒸氣為人們生產(chǎn)生活提供所需要的熱能，除了熱能之外，也可以轉變?yōu)槠渌哪芰?，比如機械能等。鍋爐汽包是鍋爐最重要的結構之一，鍋爐汽包燃燒系統(tǒng)是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要標準，溫度過高，會使蒸汽帶水過多，汽水分離差，使后續(xù)的過熱器管壁結垢，傳熱效率下降，過熱蒸汽溫度下降，嚴重時將引起蒸汽品質(zhì)下降，影響生產(chǎn)和安全；溫度過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)不能滿足工藝要求，嚴重時會發(fā)生鍋爐爆炸。尤其是大型鍋爐，一旦控制不當，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。因此，在鍋爐運行中，保證溫度在正常范圍是非常重要的。在工程實際中，應用最為廣泛便是PID控制調(diào)節(jié)器，PID控制器從問世至今已有70多年歷史，它以結構簡單、穩(wěn)定性好、調(diào)節(jié)方便而成為工業(yè)控制的主流技術之一。被控對象的結構和參數(shù)都不能完全掌握時，通過PID控制技術進行調(diào)節(jié)最為方便，所以本系統(tǒng)選擇采用PID控制技術來控制鍋爐溫度的變化。

1 PID控制器設計

本系統(tǒng)中PID控制器應當以鍋爐溫度的差值作為輸入信號，輸出信號將和蒸汽前饋信號和水量反饋信號疊加作為副調(diào)節(jié)器的溫度給定值。其 PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)框圖如下圖1所示。PID控制器包括三個校正環(huán)節(jié)：比例環(huán)節(jié)P、積分環(huán)節(jié)I、微分環(huán)節(jié)D。其作用分別是：

1.比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號e（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

2.積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)Ti，Ti越大，積分作用越弱，反之越強。

3.微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號的變化趨勢（變化速率），并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

圖1 PID調(diào)節(jié)的系統(tǒng)框圖

PID控制器是電力拖動自動控制系統(tǒng)中最常用的一種控制器。當采樣頻率足夠高時，可以按模擬系統(tǒng)的設計方法設計調(diào)節(jié)器，然后離散化，得到數(shù)字控制器的算法，這就是模擬調(diào)節(jié)器的數(shù)字化。

輸出函數(shù)和輸入誤差函數(shù)關系的時域表達式為

（1）

式中 Kp 為比例系數(shù)，KI 為積分系數(shù)，Kd為微分系數(shù)。

數(shù)字PID調(diào)節(jié)器有位置式和增量式兩種算法，比例部分只與當前的偏差有關，積分部分則是系統(tǒng)過去所有偏差的累積。微分則是系統(tǒng)過去所有偏差的微分，位置式PID調(diào)節(jié)器的結構清晰，P和I兩部分作用明顯，參數(shù)調(diào)整簡單明了。增量式算法只需要當前的和上一拍的偏差即可計算出輸出值，增量式PID調(diào)節(jié)器算法：

（2）

在控制系統(tǒng)中，常需對調(diào)節(jié)器的輸出實施限幅。在數(shù)字控制算法中，要對 U限幅，只需在程序內(nèi)設置限幅值。當?shù)慕^對值大于時，便以限幅作為輸出。位置式和增量式兩種算法完全等同，考慮限幅時兩者略有差異。增量式PID調(diào)節(jié)器算法只需考慮輸出限幅，而位置式算法必須同時考慮積分限幅和輸出限幅。

3 軟件系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集卡對鍋爐溫度數(shù)據(jù)來進行采集，利用Labview軟件平臺來對采集到的溫度數(shù)據(jù)進行分析運算，之后通過PID控制器的設置對采集的數(shù)據(jù)進行算法處理，使得當前的溫度接近于設定溫度值，進而達到溫度控制的目的。本系統(tǒng)的軟件模塊包括信號采集、處理分析、PID控制器設置、PID控制數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)的控制模塊框圖如下圖2所示。各個模塊之間的控制聯(lián)系是通過Labview對數(shù)據(jù)采集卡的控制完成的，在計算機和數(shù)據(jù)采集卡之間進行通信，交互數(shù)據(jù)，來完成對溫度數(shù)據(jù)的采集，采集到的電壓信號通過轉換得到鍋爐的實時溫度。

圖2 系統(tǒng)控制模塊

數(shù)據(jù)采集完成之后，需要對鍋爐溫度進行控制，防止過高或者過低?？刂破鞑捎蒙鲜龅?PID控制器，PID控制器的參數(shù)設置通過系統(tǒng)界面完成。軟件系統(tǒng)界面屬常規(guī)操作界面，適合操作人員操作。首先操作P、I、D使其初始化，界面可直接設定鍋爐溫度，再通過調(diào)節(jié)比例P、積分I、微分D來控制溫度調(diào)節(jié)的快慢，使得溫度值能夠快速的到達給定溫度值并維持在給定溫度附近。同時采集到的數(shù)據(jù)可以進行相應的存儲和讀取，便于日后需要查詢和維護。查詢之后可以通過報表的方式進行打印，以便綜合分析數(shù)據(jù)。

PID算法的嵌入主要是通過Labview軟件中自帶的公式節(jié)點控件，將設計好的增量式PID算法裝載進去，來控制溫度變化的快慢；可以通過觀察輸入輸出溫度的實時顯示數(shù)據(jù)，再結合加熱阻絲的顏色變化來觀察鍋爐溫度升高或降低的快慢。

4 結束語

本系統(tǒng)是在Labview操作環(huán)境下完成的，通過數(shù)據(jù)采集卡進行溫度數(shù)據(jù)采集，對軟件系統(tǒng)進行在線調(diào)試。調(diào)試結果顯示，系統(tǒng)能夠正常運行，進行溫度控制。上位機界面通過Labview軟件進行的設計，通過自身多帶的公式節(jié)點控件添加PID運算公式，通過界面按鈕改變系數(shù)大小，控制溫度變化快慢；同時可參照電熱絲顏色的變化，判斷加熱的大小及快慢，再通過加熱功率來調(diào)節(jié)。系統(tǒng)畫面清晰，簡單易操作，使得操作人員很容易便可掌握。適合在工業(yè)控制中使用。

[1]李勇偉,張婧婧.基于LabVIEW的 PID鍋爐溫控補水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代計算機(專業(yè)版),2014,03:62-65.

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[3]季統(tǒng)良.基于 LABVIEW 的鍋爐自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].武漢理工大學,2012.

[4]李慧秀.基于LabVIEW的鍋爐水溫控制系統(tǒng)的研究[D].大連交通大學,2010.

K928

B

1007-6344（2016）10-0088-01

胡曉晗（1993.07--）女，甘肅省武威市人，本科學歷，專業(yè):化學工程與工藝。

任文斌（1993.08--）男，天津市人，本科學歷，專業(yè):化學工程與工藝。

趙嘉興（1996.01--）男，遼寧省錦州市人，本科學歷，專業(yè):機械設計制造及其自動化。