课程设计---锅炉给水控制系统设计与仿真.docx

课程设计报告( 2010 2011 年度 第 2 学期)名 称： 过 程 控 制 题 目：锅炉给水控制系统设计与仿真院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 自动0805班 学 号： 学生姓名： 指导教师： 张 建 华 设计周数： 一 周 成 绩： 2011年06月25日过程控制课程设计任 务 书一、 目的与要求1 目的通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统的分析与综合。 2 要求要求学生：1）了解实现给水全程控制的关键技术；2）了解单元制锅炉给水全程控制方案；3）能够进行给水控制系统的设计与仿真。二、 主要内容1 了解单元制锅炉给水全程控制方案；2 设计单级三冲量给水控制系统，并进行仿真；3 设计串级三冲量给水控制系统，并进行仿真。三、 进度计划序号设计内容完成时间备注1了解实现给水全程控制的关键技术；了解单元制锅炉给水全程控制方案；1天2设计串级三冲量给水控制系统，并进行仿真；1.5天3设计单级三冲量给水控制系统，并进行仿真；1.5天4整理仿真结果，写课程设计论文；准备答辩。1天四、 设计（实验）成果要求1 过程控制课程设计任务简介。2 单级三冲量给水控制系统的设计与仿真。2. 1反馈控制器整定及前馈补偿器的设计过程；22对设计的单级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰动、给水流量扰动及蒸汽流量扰动下，给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应曲线。 3 串级三冲量给水控制系统的设计与仿真。3. 1串级系统内外回路控制器的整定及前馈补偿器的设计过程；32对设计的串级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰动、给水流量扰动及蒸汽流量扰动下，给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应曲线。 4比较单级三冲量给水控制系统和串级三冲量给水控制系统。 5课程设计的体会五、 考核方式结合学生提交的“过程控制”课程设计报告书，对学生进行口试。 学生姓名： 指导教师： 张建华 2011 年 6 月 26 日设计正文某汽包锅炉，根据给水流量w做单位阶跃扰动时的汽包水位h的响应曲线可知根据蒸汽流量d做单位阶跃扰动时的汽包水位h的响应曲线可知已知：给水流量测量变送器的传递函数为蒸汽流量测量变送器的传递函数为水位测量变送器的传递函数为执行器与阀门传递函数乘积为kz kf =4.5 一、 设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用pi调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽io流量d、给水流量w和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线； 单级三冲量给水控制系统原理图单级三冲量simulink组态图：调节器采用pi控制规律，其传递函数为 控制对象的传递函数为 给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为 水位测量变送器的斜率为 执行器和调节阀传递函数的乘积为 给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、过程如下：（1）内回路的整定 内回路方框图如下图所示：可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象，那么被控对象动态特性近似为比例环节（因为执行器、调节器、变送设备和给水流量反馈装置都可以近似认为是比例环节）。因此调节器的比例带 和积分的时间 t i都可以取得很小。 和 ti 的具体数值可以用试探方法决定以保证内回路不振荡为原则，一般 ti10s 。在试探时，给水流量反馈装置的传递函数（给水流量信号的灵敏度） w 可任意设置一个数值，得到满意的 值，如果以后 w有必要改变，则应相应地改变 值，使保持试探时的值，以保证内回路的开环放大倍数不变。 所以副回路整定对应的数据表格为： 比例增益kp积分时间ti积分增益ki=kp/ti 峰值调节时间ts991.00.25701291.330.20602092.220.13532592.780.1349651.20.334512 52.40.20351553.00.16333056.00.15301234.00.20211535.00.17202137.00.1318303100.1118623.00.33181226.00.2015202100.0913302150.0911则有数据表格中的数据选择最佳数据为：kp=20，ti=2，ki=10则内回路整定的仿真曲线如下：（2）主回路整定：在内回路经过正确整定后，其控制过程是非常快的。这是因为调节器为比例积分 t i和设置非常得较小，故它能快速动作。外来控制信号改变时，调节器几乎立即成比例地改变给水流量 w ，使v=v w, 即是: v = w w w 或 wv = 1 w w这样，上图中的内回路可用比例环节代替。因此主回路可表示为下图：可见，主回路也可看作一个单回路系统。它的等效调节器是具有比例调节的调节器，等效比例带为*=。根据以上的分析，整定主回路时，用试验方法求得对象的阶跃响应曲线，根据曲线的动态特性选择最优的等效比例带*，求得相应的。由此可见，当变送器的斜率已经确定时，增大给水流量的灵敏度，等于增加主回路调节器的比例带，因此使给水流量动作缓慢，增加主回路稳定性。同时，必须相应增加调节主回器比例带以保证/不变。*=0.03730=1.11即 =1.11得 =14.8在 1 w w 附近用试凑法对参数进行整定。参数整定过程的数据表格为：内回路等效比例环节超调量调节时间ts0.90.131 5302.00.137 5105.00.145 45010.00.161 40012.00.173 38012.5 0.180 37013.30.195 36014 0.203 34015 0.218 34018 0.241 340则选择最佳的 1 w w 为14。则此时对应的 w=0.95 对应的 kp=19 ki=10 *=0.053 ti=1.9此时外回路参数整定的仿真图像为：（3）按无静差要求，整定d根据 dd=，得出 d=0.95。上述整定参数要经过现场投试的检验，如果在控制过程中主回路衰减率过高或过低，（观察水位记录曲线），应改变给水量反馈装置的参数值。当主回路衰减率偏低时，应增加值；反之则减小值。在整定值的数值时，应注意同时改变调节器的参数值，使/的比值保持不变，以保证内回路能够保持实验整定时所选定的稳定性裕量。（4）仿真曲线如下：蒸汽流量d阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线：给水流量w阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线：汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线:二、 设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用pi和p调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量d、给水流量w和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线。 串级三冲量给水自动控制原理框图串级三冲量simulink组态图：主调节器采用pi控制规律，其传递函数为 副调节器位p控制规律，其传递函数为 控制对象的传递函数为 给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为 水位测量变送器的斜率为 执行器和调节阀传递函数的乘积为 给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、过程如下：内外回路相对独立，可分别整定。（1）副回路的分析与整定根据串级控制系统的分析与整定方法，应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统，以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。一般取=1，选择副回路调节器的比例带，以保证内回路不振荡。内回路整定的simulink组态图为：要求副回路有快速跟踪的能力，外来控制信号改变时，调节器几乎立即成比例地改变给水流量 w ，使dv=v w, 即是: dv = w w w 或 wv = 1 w w所以假设调节器给出给定值dv=1时，在给水量为单位阶跃扰动下，必有偏差e=0,算得 输出w=13.3。 则有：4.5k p+11+0.3375k p=13.3 解得：kp=1090 但此时比例增益太大，明显影响到系统稳态性，所以规定偏差的范围：令e0.1，即示波器输出w=12， 即一定有：4.5k p+11+0.3375k p=12 解得：kp24 此时取kp=24，进行仿真，可知示波器输出结果符合要求。整定结果：=1/24= 0.042 =1整定后响应曲线如下：满足快速消除内扰要求。（2）主回路的分析与整定在主回路中，如果把副回路等效成比例环节，则主回路等效方框图如下图所示。这时，主回路等效为一个单回路控制系统。如果把给水流量w作为被控对象的输入信号，水位变送单元的输出作为输出信号，则可以把主调节器与副回路两者看作为等效主调节器，它的传递函数为：串级三冲量给水控制系统主回路等效图可见，等效主调节器仍然是比例积分调节器，但等效的比例带为：,式中为主调节器的比例带,等效主调节器的积分时间就是主调节器的积分时间t。主回路仍按单回路系统的整定方法整定，通过实验法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线，并由曲线上求得和，再按响应曲线整定法中给出的公式计算等效主调节器的整定参数为 则主调节器的参数为 则主调节器参数为s在求得的主调节器参数附近，用试凑法根据曲线的动态特性选择最优的等效比例带*和积分时间ti。比例增益kp积分增益ki=kp/ti超调量调节时间ts 0.760.0083 0.556900 0.860.0083 0.481750 0.96 0.0083 0.444620 1.100.00830.407600 1.20 0.0083 0.370 6001.300.0083 0.3706201.400.0083 0.370650 1.200.0060 0.333750 1.200.0070 0.348620 1.200.0083 0.370600 1.200.0090 0.407600 1.200.010 0.422600 进一步修正得 1=1k p =0.833 ,t i=k pk i=144.6 （3）蒸汽流量前馈装置的传递函数的选择在串级三冲量给水控制系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态水位值总是等于给定值。因此，就不要求送到副调节器的蒸汽流量信号等于给水流量信号，所以前馈装置的传递函数选择将不受静态特性无差条件的限制。而根据锅炉“虚假水位”的严重情况来确定，从而改善负荷扰动时控制过程的质量。一般蒸汽流量信号大于给水流量信号，即 ， k 应当为在静态下：k=whwd=1 。又因为:k1,一般k=2，则 d=2w=2（4） 仿真曲线如下：蒸汽流量d阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线：给水流量w阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线：汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位h的响应曲线：三、 单级与串级三冲量给水控制系统比较：1） 整定方面：单级：内外回路相互影响，兼顾内外回路；串级：整定回路相对独立，容易整定。2） 在单级/串级中的作用不同：单级中的等效比例带；串级中可为=13）静态配合时：单级需要考虑；串级不要考虑。4）串级可附加前馈冲量,汽机甩负荷，锅炉仍要维持低负荷运行时，h要保持给定值，串级调节时间长。四、 课程设计总结（1）本次实验调节对象是汽包水位。分别采用了单级和串级两种形式的三冲量调节系统。通过复习课本及参考相关书籍，我进一步掌握了过程控制课程的主要内容，并深入理解过程控制系统。同时，了解到实现给水全程控制的关键技术以及单元制锅炉给水全程控制方案。而且对控制系统pid调节器的整定方法有了更加深刻的了解。（2）什么是三冲量？所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。什么是虚假水位现象？在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升的反常现象通常称为“虚假水位”现象（3）在串级三冲量给水调节系统里，要求副环采用比例调节。理论上是比例带取得越小越好，但考虑到其在范围内变化时，带来得影响很小，从可实现性角度出发取0.83即可。在外环整定过程中，用经验公式计算出的，t=99s。试凑时发现t太小，导致系统发散。故调小到144.6s。这时也可以调小比例带，但这样做会使系统稳定性变差，在同样时间内不能达到稳定。（3）在单级三冲量调节系统中，在整定外回路时，外回路等效比例带不能取太大，否则响应曲线振荡太剧烈，太小则响应曲线响应太慢。主回路和前馈通路的参数主要通过经验公式求得。然后将所有参数代入系统中，在此基础上进一步调整参数，是系统运行后的曲线满足要求。总的来说，在设计的过程中参数是通过：试凑经验公式试凑得出，所以由于某些原因及不可避免的误差使调节的参数有可能不是最佳的参数。五、 心得体会通过本次实验，我们加深了对课堂上所学理论知识的理解和认识，对过程控制这门课的整体脉络有了全面的认识，尤其是三冲量给水控制系统的参数整定方法。而且，本次课设使我们熟练掌握了simulink的使用。 在本次课程设计中，我们遇到了很多困难，例如对于性能指标优劣的把握，标准难以明确；可选择的数据和资料过于多样，选择比较困难；试凑的步长与范围需多次实验确定；对于matlab中simulink的使用，我们查了大量的资