基于PID的锅炉温度控制系统设计

胡晓晗 任文斌 赵嘉兴

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

基于PID的锅炉温度控制系统设计

胡晓晗 任文斌 赵嘉兴

（沈阳理工大学 辽宁沈阳 110159）

为了解决锅炉温度过高或者过低造成的危害，本文设计了一款基于PID的锅炉温度控制系统。系统通过实时采集锅炉温度信息，并结合Labview所做的界面上加热阻丝的颜色变化来判断锅炉加热的快慢，再通过PID控制器调整锅炉温度变化快慢来控制温度大小。通过实验可以平稳的控制温度变化。

PID；Labview；温度；控制

0 引言

近年来，锅炉作为工业重要设备，在产品生产和人们生活中有着广泛的使用，锅炉通过产生水蒸气为人们生产生活提供所需要的热能，除了热能之外，也可以转变为其他的能量，比如机械能等。锅炉汽包是锅炉最重要的结构之一，锅炉汽包燃烧系统是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要标准，温度过高，会使蒸汽带水过多，汽水分离差，使后续的过热器管壁结垢，传热效率下降，过热蒸汽温度下降，严重时将引起蒸汽品质下降，影响生产和安全；温度过低又将破坏部分水冷壁的水循环不能满足工艺要求，严重时会发生锅炉爆炸。尤其是大型锅炉，一旦控制不当，容易使汽包满水或汽包内的水全部汽化，造成重大事故。因此，在锅炉运行中，保证温度在正常范围是非常重要的。在工程实际中，应用最为广泛便是PID控制调节器，PID控制器从问世至今已有70多年历史，它以结构简单、稳定性好、调节方便而成为工业控制的主流技术之一。被控对象的结构和参数都不能完全掌握时，通过PID控制技术进行调节最为方便，所以本系统选择采用PID控制技术来控制锅炉温度的变化。

1 PID控制器设计

本系统中PID控制器应当以锅炉温度的差值作为输入信号，输出信号将和蒸汽前馈信号和水量反馈信号叠加作为副调节器的温度给定值。其 PID调节的系统框图如下图1所示。PID控制器包括三个校正环节：比例环节P、积分环节I、微分环节D。其作用分别是：

1.比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号e（t），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2.积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之越强。

3.微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

图1 PID调节的系统框图

PID控制器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器。当采样频率足够高时，可以按模拟系统的设计方法设计调节器，然后离散化，得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

输出函数和输入误差函数关系的时域表达式为

（1）

式中 Kp 为比例系数，KI 为积分系数，Kd为微分系数。

数字PID调节器有位置式和增量式两种算法，比例部分只与当前的偏差有关，积分部分则是系统过去所有偏差的累积。微分则是系统过去所有偏差的微分，位置式PID调节器的结构清晰，P和I两部分作用明显，参数调整简单明了。增量式算法只需要当前的和上一拍的偏差即可计算出输出值，增量式PID调节器算法：

（2）

在控制系统中，常需对调节器的输出实施限幅。在数字控制算法中，要对 U限幅，只需在程序内设置限幅值。当的绝对值大于时，便以限幅作为输出。位置式和增量式两种算法完全等同，考虑限幅时两者略有差异。增量式PID调节器算法只需考虑输出限幅，而位置式算法必须同时考虑积分限幅和输出限幅。

3 软件系统

本系统主要是通过数据采集卡对锅炉温度数据来进行采集，利用Labview软件平台来对采集到的温度数据进行分析运算，之后通过PID控制器的设置对采集的数据进行算法处理，使得当前的温度接近于设定温度值，进而达到温度控制的目的。本系统的软件模块包括信号采集、处理分析、PID控制器设置、PID控制数据显示，系统的控制模块框图如下图2所示。各个模块之间的控制联系是通过Labview对数据采集卡的控制完成的，在计算机和数据采集卡之间进行通信，交互数据，来完成对温度数据的采集，采集到的电压信号通过转换得到锅炉的实时温度。

图2 系统控制模块

数据采集完成之后，需要对锅炉温度进行控制，防止过高或者过低。控制器采用上述的 PID控制器，PID控制器的参数设置通过系统界面完成。软件系统界面属常规操作界面，适合操作人员操作。首先操作P、I、D使其初始化，界面可直接设定锅炉温度，再通过调节比例P、积分I、微分D来控制温度调节的快慢，使得温度值能够快速的到达给定温度值并维持在给定温度附近。同时采集到的数据可以进行相应的存储和读取，便于日后需要查询和维护。查询之后可以通过报表的方式进行打印，以便综合分析数据。

PID算法的嵌入主要是通过Labview软件中自带的公式节点控件，将设计好的增量式PID算法装载进去，来控制温度变化的快慢；可以通过观察输入输出温度的实时显示数据，再结合加热阻丝的颜色变化来观察锅炉温度升高或降低的快慢。

4 结束语

本系统是在Labview操作环境下完成的，通过数据采集卡进行温度数据采集，对软件系统进行在线调试。调试结果显示，系统能够正常运行，进行温度控制。上位机界面通过Labview软件进行的设计，通过自身多带的公式节点控件添加PID运算公式，通过界面按钮改变系数大小，控制温度变化快慢；同时可参照电热丝颜色的变化，判断加热的大小及快慢，再通过加热功率来调节。系统画面清晰，简单易操作，使得操作人员很容易便可掌握。适合在工业控制中使用。

[1]李勇伟,张婧婧.基于LabVIEW的 PID锅炉温控补水系统的设计与实现[J].现代计算机(专业版),2014,03:62-65.

[2]廖阳明.基于 LABVIEW 的温室自动控制系统设计[J].大众科技,2013,05:10-12.

[3]季统良.基于 LABVIEW 的锅炉自动控制系统设计与实现[D].武汉理工大学,2012.

[4]李慧秀.基于LabVIEW的锅炉水温控制系统的研究[D].大连交通大学,2010.

K928

B

1007-6344（2016）10-0088-01

胡晓晗（1993.07--）女，甘肃省武威市人，本科学历，专业:化学工程与工艺。

任文斌（1993.08--）男，天津市人，本科学历，专业:化学工程与工艺。

赵嘉兴（1996.01--）男，辽宁省锦州市人，本科学历，专业:机械设计制造及其自动化。