DOC《课题来源》

课题来源 导师课题 课题类别 工程设计

一、论文资料的准备

1、借阅LabVIEW软件方面书籍,和锅炉设计方面的规范、图集,了解其相关知识.

2、认真听取指导老师的意见和建议,对资料进行反复学习和理解,在设计的过程中不断完善并达到本次设计的目的.

3、认真复习理论知识,如《自动化仪表与自动控制》,《自动控制理论》,《液位控制系统设计》;

学习和熟悉LabVIEW中模糊控制器的设计及应用,以及国家和地方相关设计规范,掌握基本的设计步骤.

4、熟悉过程控制综合实验装置.

5、了解液位控制系统的概念,主要是液位控制的各种理论方法、设计方案、具体实现等.

6、熟悉锅炉的结构、锅炉汽包水位控制系统的组成和工作原理,设置可变参数的锅炉汽包水位对象数学模型,熟悉PID调节规律.

7、借阅有关毕业论文写作的相关书籍.

二、本课题的目的

一、LabVIEW作为一个面向最终用户的工具,它可以增强构建科学和工程系统的能力,提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径,使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时,可以大大提高工作效率. 通过学习LabVIEW中的数据采集编程方式,并用LabVIEW软件编写温度测控程序,可以使我们熟悉具体操作流程,增强感性认识,并可从中进一步了解、巩固与深化已经学过的理论和方法,提高发现问题、分析问题以及解决问题的能力.

二、锅炉控制是一个比较复杂的控制过程,为保证提供合格的蒸汽适应负荷的需要以及锅炉的运行安全,各个环节的工艺参数必须严格控制,而汽包水位控制系统是锅炉自动控制系统中最重要的环节之一. 汽包水位是锅炉水位控制的重要任务之一,也是保证汽机和锅炉安全运行的重要条件.如果汽包水位过高,会影响汽包的汽水分离装置的正常工作,导致锅炉出囗蒸汽带水和含盐量过大,使过热器受热面结垢甚至遭到破坏,影响机组的正常运行和经济性指标;

如果汽包水位过低,会使锅炉水循环工况破坏,造成水冷壁供水不足而被烧坏.汽包水位动态特性主要有:非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等,所以研究锅炉汽包水位的控制有着重要的意义. 因此,必须对汽包水位进行自动调节,使水位严格控制在规定范围,锅炉汽包液位控制系统的基本任务是在满足生产工艺要求前提下,实现原料的最大利用、达到理想产量的目的,工作过程要求,效率高,系统稳定,能源和原料利用率高,由于目前锅炉是我国工业生产和生活上应用面最广、数量最多的热力设备汽包液位的控制质量直接影响着机组运行的安全性和经济性.为更好的解决因为锅炉汽包液位所带来的干扰滞后问题,急需研究并应用一种有效的汽包液位控制策略.

三、主要内容、研究方法、研究思路 主要内容:

1、虚拟仪器的基本概念和特点,虚拟仪器的基本构成及相应的硬件设备,以及labview简介,运行机制,操作模板,帮助和初步操作等.

2、各种程序结构包括循环结构、分支结构、顺序结构、公式节点和反馈节.

3、图形显示.包括Graph控件、Chart控件、XY Graph、Express XY Graph和其他图形的表达与显示.

4、字符串和文件I/O,包括字符串、件I/O节点简介、文本文件的输入输出、电子表格文件的输入输出、二进制文件的输入和输出、数据记录文件的输入输出、波形文件的输入输出以及利用EXpress VIs进行文件的输入和输出操作.

5、LabVIEW程序设计技巧,包括局部变量和全局变量、属性节点和Ⅵ属性设置.

6、熟悉过程控制综合实验装置.

7、设计锅炉汽包水位控制方案:从锅炉汽包水位的动态性能入手分析影响锅炉汽包水位的主要因素,并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究,根据各个因素对锅炉汽包水位的影响分别采用汽包水位单冲量、双冲量和三冲量方案,分析比较达到控制锅炉汽包水位稳定的目的.

8、硬件设备的选型与设计:根据所设计的控制方案合理地选择检测元件执行机构和控制设备以及其它必要设备,并在此基础之上根据控制方案合理地进行硬件设计,为整个系统的实现以及稳定可靠运行打下基础.

9、控制算法的参数整定与仿真:根据被控对象的特点以及它的静态动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定,设计调节器的各个参数,在此基础之上对整定结果进行仿真,并对整定结果进行进一步调整判断其可行性,为后续的软件设计工作打下基础.

10、汽包水位的影响因素:首先应该从分析汽包水位的动态特性入手.锅炉给水调节对象如图1所示.给水调节机构为变频器调节给水量W,汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的.初看起来,汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样,给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低.但实际情况并非如此,最突出的D点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水,而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的.如果有某种原因使汽泡的总体积变化了,即使水循环系统的总水量没有发生变化,汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定,影响汽包水位H的主要因素有给水量W,汽轮机耗汽量D和蒸汽泡的体积V三个主要因素. 图1 锅炉给水调节对象 研究方法: (1)方案一一单冲量控制系统 从反馈与自动控制的角度出发,很容易想到气泡水位作为被控对象,给水量作为操纵变量构成单回路自动控制系统,即水位单冲量控制系统,如图2所示,这是一个最基本的控制方案,其方框图为3,其特点为:结构简单,投资少,适用于气泡容量较大,虚假水位不严重,负荷较平稳的场合,该过程具有虚假水位的反向特性,因此,当符合变化较大时,会造成控制器输出误动作,严重影响设备的运行寿命和安全,影响控制系统的控制品质,蒸汽负荷变化后,要在引起水,位变化后才改变给水量,因此控制不及时. 图2 汽包水位单冲量控制系统 图3 单冲量控制系统框图 (2)方案二一双冲量控制系统 从物质平衡的角度出发,保证给水量永远等于蒸发量就可以保证汽泡水位大致不变,故应在单冲量控制基础上引入蒸汽流量作为前馈信号构成双冲量水位自动控制系统,这种控制方式的优点是:蒸汽流量为前馈控制信号,可以消除 虚假水位 对控制系统的不良影响,当蒸汽流量变化时给水量也会同方向跟随蒸汽量变化,这就消除了由于 虚假水位 产生的误动作因而大大减小了给水和水位的波动,能够改善控制系统的静态特性,提高控制品质,其原理图和方框图见图4和图5.由于过程控制系统总有滞后特性,总是在扰动量引起被控变量变化后很总是在扰动量引起被控变量变化后很长一段时间才会得到调节,因此控制器参数要达到新的稳定状态就要经历相当长的时间,滞后时间越长控制器参数变化的幅度就越大,偏差持续的时间就越长,为了解决这一问题,而要将扰动量前馈,这样扰动D产生,前馈控制器就有输出,在被控变量变化之前,前馈控制器就根据干扰 大小改变控制阀开度,被控变量基本不受扰动影响. 图4 双单冲量控制系统 图5 双单冲量控制系统框图 (3)方案三一三冲量控制系统 为进一步改善控制品质,引入给水量信号,形成了用给水流量控制汽泡水位的串级控制,这时调节器接受三个输入信号:汽泡水位为被控对象,是主冲量信号,蒸汽流量是前馈信号,给水量是反馈信号,主控制器为液位控制器,副控制器为给水流量控制器,这就是汽泡水位的三冲量控制系统,即前馈一反馈一串级控制系统,被控制系统包含给水量控制回路和汽泡水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道,这样一万面可以克服给水量扰动,使给水量自行调节,另一方面可以有效地抑制 虚假水位 现象,此外工作调节阀为线性,可以直接补偿给水扰动. 采用三冲量控制系统,当蒸汽负荷突然变化,蒸汽流量信号使给水阀一开始就向着正确的方向移动,即蒸汽流量增加,给水阀门开度增大,抵消了由于 虚假水位 引起的反向动作避免了控制器输出误动作同时减小了给水量和水位的波动幅度,当水压干扰使给水量改变时,控制器能迅速消除干扰,如果给水量减小,前控制器会立即根据给水流量信号使阀门开度增加,使水流量基本不变. 三冲量控制不但弥补了双冲量可以着给水流量和给水压力等扰动方向的控制缺点,此外控制器动作快还可以避免调节过头,减少波动和失调,使汽泡水位很难受到影响,系统稳定性很强不易被破坏.其原理图和结构框图如图6和7. 综上分析,应选用三冲量控制系统. 图6 三冲量控制系统 图7 三冲量控制系统框图 研究思路:

1、熟悉液位控制系统,采用模糊控制和PID控制相结合控制液位.主要是液位控制的各种理论方法、设计方案、具体实现等.

2、掌握LabVIEW软件的使用方法,利用LabVIEW软件实现对水箱液位的分析与监测,主要根据液位变化特征采用一定分析方法,完成包括理论分析、界面设计、程序设计、调试等步骤,设计出液位监测分析系统.

3、熟悉锅炉的结构、锅炉汽包水位控制系统的组成和工作原理,设置可变参数的锅炉汽包水位对象数学模型,熟悉PID调节规律.以LabVIEW为开发平台,开发基于LabVIEW锅炉液位控制系统.

4、信号模拟:利用LabVIEW图形化控件模拟传感器采集信号过程.

5、信号调理:LabVIEW函数选板上提供了很多信号处理函数,利用这些函数可以方便地对信号进行滤波等分析处理. 信号分析:信号分析包括时域分析和频域分析,时域分析函数主要有直交流成分检测卷积逆卷积相关分析、微分、积分、门限检测等,频域分析是数字信号处理中最常用、最重要的方法,频域分析函数被划分为两个面板,一个是变换面板,该面板实现的函数功能主要有傅里叶变换、小波变换、拉普拉斯变换等,另一个是谱分析面板,该面板所包含的函数主要包括功率谱分析、联合时域分析等.

7、液位传感器的选择:锅炉水位仪表按其工作原理可分为:差压式、电极式、电感式、磁动式、水银开关式等,其中电极式水位仪表是利用锅炉汽包水位的水与蒸汽导电率性能差异极大的原理,将水位的变化通过电极转换成电阻的变化,而将水位信号传送至显示仪表进行测量和显示,该型仪表都兼有高低水位报警功能,有的还可进行给水泵的自动后停控制.

8、通过LabVIEW2011软件设计锅炉汽包水位单冲量控制系统,并进行仿真.

9、通过LabVIEW2011软件设计锅炉汽包水位双冲量控制系统,并进行仿真.

10、通过LabVIEW2011软件设计锅炉汽包水位三冲量控制系统,并进行仿真.

11、对以上几个控制系统加入模糊控制规律进行仿真.

12、将以上不同控制模块综合,设计锅炉汽包水位控制系统主界面.并对以上的仿真结果进行分析,得出结论.将该电力系统分成多个部分加以研究,再整合成统一的整体.

四、总体安排和进度(包括阶段性工作内容及完成日期) 2月27日―3月20日 收集资料,毕业实习,提交开题报告,完成外文翻译 3月21日―4月10日 了解设计内容及要求,熟悉设计题目,收集产品信息. 针对模糊控制和LabVIEW软件进行学习 4月11日―4月19日 收集与设计有关的相关资料并阅读,学习有关液位控制 系统工作原理、液位控制的分析方法 4月20日―4月24日 对搜集的资料进行分析总结归纳整理 4月25日―5月3日 学习关于液位控制方面的知识,建立模糊PID控制的理 论基础,进行系统结构设计 5月4日―5月20日 阅读有关课题的案例.通过编程实现利用LabVIEW软件 对锅炉汽包水位的监测与分析.重点是主监控界面、各 种不同情况的控制方案设计及仿真 5月21日―5月28日 验证方案、调试程序 5月29日―6月10日 完成毕业设计论文 6月11日―6月16日 答辩及善后工作 主要参考文献 【 [1] 齐毓欣.液位控制系统设计[J].科技信息,2007,(26) [2] 黄琳琳.水箱液位控制系统的研究与建模[J].硅谷,2010,(13) [3]?胡寿松.自动控制原理(第5版)[M].北京:科学出版社,2007? [4]?李忠虎,李希胜.过程参数检测技术及仪表[M].北京计量出版社,2009年第1版.? [5]?王璨,章佳荣. LabVIEW2011程序设计与案例解析.北京航空航天大学出版社.2013 [6] 曹卫彬主编.虚拟仪器典型测控系统编程实例.电子工业出版社.2012 [7]?何希才.传感器及其应用电路[M].?北京:电子工业出版社,2001 [8]?陶永华.新型PID控制及其应用(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2007 [9]?张智贤.自动化仪表与过程控制[M].北京:中国电力出版社,2009 [10] JC-GCKZ-I型过程控制综合实验装置实验指导书 北京杰创永恒科技有限公司

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