计算机技术综合课程设计

计算机技术综合课程设计设计题目 锅炉液位控制系统 学生姓名 史婷艳 专 业 班 级 自 动 化 1302 班学 号 20134460203指导老师 洪 镇 南 2017 年 1 月 3 日1目录前言 .21 锅炉汽包水位控制对象与控制指标 .31.1 锅炉汽包水位的特征 .31.2 汽包水位动态特性 .31.2.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性 .31.2.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性 .41.2.3 燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性 .52. 汽包水位控制方案 .62.1 单冲量控制方式 .62.2 双冲量控制方式 .72.3 三冲量控制方式 .83. 三冲量串级 PID 控制 .103.1 串级 PID 控制 .103.2 智能整定 PID 控制 .104 汽包水位模糊控制器设计及仿真 .124.1 输入输出变量 .124.2 隶属度函数 .134.3 基于 MATLAB/Simulink 环境建立的系统仿真分析 .164.3.1 基于 MATLAB/Simulink 的系统模型 .164.3.2 仿真结果分析 .17总结与体会 .18参考文献 .192前言锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使大多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。同时，锅炉工作过程中各项指标的调节难以建立数学模型，具有非线性、不稳定性、时滞等特点，所以如何改善对锅炉的控制，保证其正常工作，提高效率一直是人们关注的焦点。而汽包液位是锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证液位在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅，这都对汽包液位控制系统提出了更高的要求。汽包液位过高，会影响汽包内汽液分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。目前，对汽包液位位控制大多采用常规PID控制方式，从控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，不能有效的控制锅炉汽包“虚假水位”现象，要么能够在一定程度上控制“虚假现象” ，系统却过于复杂，成本投入过大。常用的蒸汽锅炉液位调节系统有三种基本结构：单冲量调节系统结构、双冲量调节系统结构、串级三冲量调节系统结构。基于锅炉水位控制及模糊控制的特点，在这次课程设计中，我将模糊控制引入锅炉汽包水位的三冲量控制中。对汽包水位的模糊控制方式进行结构及性能上的分析和比较，并利用Simulink分别在设定值及在干扰作用下对控制系统进行仿真。31 锅炉汽包水位控制对象与控制指标1.1 锅炉汽包水位的特征汽包水位是锅炉系统正常运行的重要参数，维持锅炉汽包水位在规定的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损，叶片断裂等事故；水位过低则可造成水的急速蒸发，汽水自然循环破坏，局部水冷壁管被烧坏，严重时造成爆炸事故。现代工业锅炉都向着大容量高参数的方向发展，一般锅炉容量越大，汽包的容水量就相对越小，允许波动的蓄水量就更少，这样对汽包水位要求就更高了。因此，研究汽包水位的控制方法有着重要的意义。工业锅炉汽水系统结构如图 1.1 所示：图 1.1 锅炉的汽水系统锅炉汽包水位控制的任务是：跟踪锅炉的蒸发量并维持汽包水位在工艺允许的范围内。汽包及蒸发管中贮藏着蒸汽和水，贮藏量的多少是以被控制量水位表征的。汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。影响汽包水位变化的因素很多，主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量，其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的，比较容易克服。因此，我们主要考虑给水量 W、蒸汽流量 D 燃料量 B 三个主要因素对水位的影响。1.2汽包水位动态特性1.2.1 汽包水位在给水流量 W 作用下的动态特性如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽，那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图 1.2 所示的曲线 H1所示。但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度，当4它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降，水面以下的汽泡的总体积 V 也就会相应的减小，从而导致水位下降如图 1.2 所示的曲线H2所示。水位的实际响应曲线应是曲线 H1和 H2之和，如图 1.2 所示的曲线 H 所示。从图中可以看出该响应过程有一段延迟时间。即它是一个具有延迟时间的积分环节，水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。其传递函数可以近似表示为：（1-1）11()()sGWs式中 汽包水位的变化速度；1延迟时间。图 1.2 给水流量扰动下水位阶跃响应其扰动传递函数方框图如图 1.3 所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的串联。图 1.3 给水扰动传递函数方框图1.2.2 汽包水位在蒸汽流量 D 扰动下的动态特性当锅炉负载耗汽量 D 突然做阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降，如图 1.4 所示的曲线 H1所示，另一方面由于锅炉负载耗汽量 D 的突然增加，将迫使锅炉内汽泡增多，同时由于燃料量维持不变，汽包压力下降，会导致水面以下蒸汽泡膨胀，总体积 V 增大，从而导致汽包水位上升，如图 1.4 所示曲线 H2所示。水位的实际响应曲线应该是曲线 H1和 H2之和，如图 1.4所示曲线 H 所示。对于大中型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象，这种反常现象通常被称为“假水位现象” 。可以认为这是一个惯性加积分环节，其传递函数可以近似的表示为：5（1-2）1)(022 sTKsDHG式中 汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度；2“假水位现象”的延迟时间。0T图 1.4 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应1.2.3 燃料量 B 扰动下汽包水位的动态特性燃料量的扰动必然也会引起蒸汽流量 D 的变化，因此也同样会有 “假水位现象”发生。但由于汽包水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量，因此具有一定的热惯性。燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大，而且同时汽压也会缓慢上升，它将使汽泡体积减小，因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性，负荷扰动下的水位响应有“假水位现象” 。这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响，因而对它的控制变得比较复杂和困难。此外，通过汽包内部汽水系统在压力升高时的“自凝结”和压力降低时的“自蒸发”影响水位。由于汽包压力对汽包水位影响较为复杂且不很显著，本设计未涉及对它的研究。2 汽包水位控制方案2.1 单冲量控制方式单冲量水位控制系统原理图及方框图如图 2.1 和 2.2 所示。单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。单冲量水位控制系统是最简单、最基本的控制系统。这种控制结构的特点主要有：结构简单，投资少；适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合；为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。6图 2.1 单冲量水位控制系统原理图图 2.2 单冲量水位控制系统方框图但在停留时间较短，负荷变化较大时，采用此方式就不合适。这是由于：(1)负荷变化时产生的“虚假水位” ，将使调节器反向错误动作，负荷增大时反向关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动很大，动态品质很差；(2)负荷变化时，控制作用缓慢。即使“虚假水位”现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再由水位变化到阀动作己滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著；(3)给水系统出现扰动时，阀门动作缓慢。假定给水泵的压力发生变化，进水流量立即变化，然而到水位发生偏差而调节阀动作，同样不够及时。总之，单冲量汽包水位调节的优点是:系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、 “假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能够满足生产要求的。2.2 双冲量控制方式双冲量水位控制系统是在单冲量水位控制系统的基础上加入了以蒸汽流量信号为前馈信号的锅炉汽包水位控制系统。如图 2.3，由于引入了蒸汽流量前馈信号，当蒸汽量变化时，就有一个与蒸汽量同方向变化的给水流量信号，可以减少或抵消由于“虚7假液位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的错误动作。使调节阀一开始就向正确的方向动作。因而能极大的减小给水量和水位的波动，缩短过度过程时间。图 2.3 与图 2.4 是典型的双冲量控制系统原理及方框图。这是一个前馈加单回路反馈控制的复合控制系统。这里的前馈系统仅为静态反馈，若考虑两条通道在动态上的差异，须加入动态补偿环节。如图 2.3 所示，加法器的输出是：012CFP（2-1）式中 PC水位控制器输出；PF蒸汽流量变送器输出；C初始偏置值；C1、C 2加法器的系数。图 2.3 双冲量水位控制系统原理图图 2.4 双冲量水位控制系统方框图从本质上看，双冲量控制系统是一个前馈加单回路反馈控制系统的复合控制系统。这种调节系统的特点是：(1)引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节的不良影响，当蒸汽量变化时，就有一个使给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”现象而使给水量与蒸汽量相反方向变化的误动作，使调节阀一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量和水位的波动，缩短了过渡过程的时间。(2)引入了蒸汽流量前馈信号，能够改善调节系统的静态特性，提高调节质量。当8选择匹配时，系统的静态特性是无差的。双冲量调节由于有以上特点，所以能在负荷变化频繁的工况下比较好的完成水位调节任务。在给水压力比较平稳时，采用双冲量调节是能够达到调节要求的。双冲量调节存在的问题是：调节作用不能及时反映给水侧的扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因此，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量调节。同时调节阀的工作特性不一定是线性的，这样要做到静态补偿就比较困难。2.3 三冲量控制方式目前锅炉都向大容量高参数的方向发展，一般讲锅炉容量越大，汽包的容水量相对就越小，允许波动的蓄水量就更少。如果给水中断，可能在 1020 秒内就会发生危险水位；如果仅是给水量与蒸发量不相适应，在一分钟到几分钟内也将发生缺水或满水事故。这样对水位控制要求就更高了。锅炉给水量在运行中经常会有自发性的变化，当几台锅炉并列运行时，还可能发生几台锅炉的水位调节互相干扰的现象。当某一台锅炉负荷和给水量改变时，引起给水母管压力波动，而使其它锅炉的给水量受到扰动。在双冲量水位调节中，对于给水量这种自发变化不能及时反映出来，要经过一定的迟延时间之后，给水量的扰动才能通过汽包水位的变化而被发觉，此后在克服扰动时，几台锅炉的水位调节又互相影响，使得调节过程非常复杂。针对上述情况，为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节基础上引入了给水流量信号，由水位 H、蒸汽流量 D 和给水流量 W 组成了三冲量汽包水位调节系统，汽包水位 H 是被调量，是主冲量信号，蒸汽流量 D、给水流量 W 是两个辅助冲量信号。三冲量的水位控制系统原理图和方框图如图 2.5 和图 2.6 所示。图 2.5 三冲量水位控制系统原理图9图 2.6 三冲量水位控制系统方框图三冲量控制系统，采用蒸汽流量信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷忽然变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正确方向移动，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了“虚假水位”引起的反向动作，因而减小了水位和给水流量的波动幅度。当由于水压干扰使给水流量改变时，调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减小的信号，开大给水阀门，使给水流量保持不变。这样，就能够有效地维持汽包水位在工艺允许的范围内，也有效地克服了系统中存在的虚假水位现象。3. 三冲量串级 PID 控制3.1 串级 PID 控制串级控制系统从主回路来看是一个定值控制系统，对主变量有较高的质量要求，其控制质量指标与单回路定值控制系统是一样的。从副回路看，是一个随动控制系统，对副变量的控制质量一般要求不高，只要能快速准确地跟随主控制器的输出变化就行。因此串级控制系统两个回路参数的整定根据各自的作用和对主、副变量的要求确定主、副控制器的参数。在工程实践中，串级控制系统的主要整定方法有：逐