基于PID的鍋爐溫度控制系統設計

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。系統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控制器調整鍋爐溫度變化快慢來控制溫度大小。通過實驗可以平穩的控制溫度變化。

PID；Labview；溫度；控制

0 引言

近年來，鍋爐作為工業重要設備，在產品生產和人們生活中有著廣泛的使用，鍋爐通過產生水蒸氣為人們生產生活提供所需要的熱能，除了熱能之外，也可以轉變為其他的能量，比如機械能等。鍋爐汽包是鍋爐最重要的結構之一，鍋爐汽包燃燒系統是工業蒸汽鍋爐安全、穩定運行的重要標準，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下降，影響生產和安全；溫度過低又將破壞部分水冷壁的水循環不能滿足工藝要求，嚴重時會發生鍋爐爆炸。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控制調節器，PID控制器從問世至今已有70多年歷史，它以結構簡單、穩定性好、調節方便而成為工業控制的主流技術之一。被控對象的結構和參數都不能完全掌握時，通過PID控制技術進行調節最為方便，所以本系統選擇采用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節器的溫度給定值。其 PID調節的系統框圖如下圖1所示。PID控制器包括三個校正環節：比例環節P、積分環節I、微分環節D。其作用分別是：

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

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

3.微分環節：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，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

圖1 PID調節的系統框圖

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

輸出函數和輸入誤差函數關系的時域表達式為

（1）

式中 Kp 為比例系數，KI 為積分系數，Kd為微分系數。

數字PID調節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，積分部分則是系統過去所有偏差的累積。微分則是系統過去所有偏差的微分，位置式PID調節器的結構清晰，P和I兩部分作用明顯，參數調整簡單明了。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調節器算法：

（2）

在控制系統中，常需對調節器的輸出實施限幅。在數字控制算法中，要對 U限幅，只需在程序內設置限幅值。當的絕對值大于時，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調節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

本系統主要是通過數據采集卡對鍋爐溫度數據來進行采集，利用Labview軟件平臺來對采集到的溫度數據進行分析運算，之后通過PID控制器的設置對采集的數據進行算法處理，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控制數據顯示，系統的控制模塊框圖如下圖2所示。各個模塊之間的控制聯系是通過Labview對數據采集卡的控制完成的，在計算機和數據采集卡之間進行通信，交互數據，來完成對溫度數據的采集，采集到的電壓信號通過轉換得到鍋爐的實時溫度。

圖2 系統控制模塊

數據采集完成之后，需要對鍋爐溫度進行控制，防止過高或者過低。控制器采用上述的 PID控制器，PID控制器的參數設置通過系統界面完成。軟件系統界面屬常規操作界面，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，再通過調節比例P、積分I、微分D來控制溫度調節的快慢，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。同時采集到的數據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，以便綜合分析數據。

PID算法的嵌入主要是通過Labview軟件中自帶的公式節點控件，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據，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

本系統是在Labview操作環境下完成的，通過數據采集卡進行溫度數據采集，對軟件系統進行在線調試。調試結果顯示，系統能夠正常運行，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點控件添加PID運算公式，通過界面按鈕改變系數大小，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節。系統畫面清晰，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鍋爐溫控補水系統的設計與實現[J].現代計算機(專業版),2014,03:62-65.

[2]廖陽明.基于 LABVIEW 的溫室自動控制系統設計[J].大眾科技,2013,05:10-12.

[3]季統良.基于 LABVIEW 的鍋爐自動控制系統設計與實現[D].武漢理工大學,2012.

[4]李慧秀.基于LabVIEW的鍋爐水溫控制系統的研究[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:化學工程與工藝。

任文斌（1993.08--）男，天津市人，本科學歷，專業: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:機械設計制造及其自動化。