毕业设计（论文）-汽包水位动态特性分析和串级三冲量给水控制的设计与仿真.docVIP

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书引 言自动控制技术目前已广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设。生产过程自动化是保证生产稳定、降低成本、改善劳动条件、促进文明生产、保证生产安全和提高劳动生产率的重要手段，是20世纪科学与技术进步的特征，是工业现代化的标志之一。电力工业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其他民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。其中，锅炉汽包给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制，在不需要操作人员干预的情况下，可以很好的完成生产过程中的给水及水位控制，大大提高了生产效率。锅炉汽包给水自动控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中水位保持在一定的范围内。当汽包水位过高时，蒸汽中携带的水分会增加，容易造成过热器积盐结垢，使管道过热损坏。而且，盐垢会引起传热恶化，经济性下降。汽包严重满水时，会造成蒸汽大量带水，使蒸汽温度急剧下降，同时还可能对蒸汽管道和汽轮机产生严重的水冲击，甚至打坏汽轮机叶片。汽包水位过低，则可能破坏水循环，使水冷壁管的安全受到威胁，如果出现严重缺水又处理不当时，则可能造成水冷壁爆管。因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就要有一套较好的控制方案，来实现汽包水位的控制。从传统的控制方式来看，它们要么系统结构简单成本低，却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“虚假水位”现象，系统却过于复杂，成本投入过大。目前工业控制急需一种系统简单，并且能够控制“虚假水位”现象，具有高性能的控制系统。锅炉汽包的给水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、三冲量调节系统结构，低负荷阶段，由于疏水和锅炉排污等因素的影响，给水和蒸汽流量存在着严重的不平衡，而且流量比较小时，测量误差大，故在低负荷阶段，很难采用三冲量调节方式，一般均采用单冲量调节方式。负荷达到一定值以上时，疏水和排污阀将逐渐关闭，汽、水趋于平衡，流量逐渐增大，测量误差逐渐减小，这时原则上可采用三冲量调节方式。但由于单级三冲量调节系统要求蒸汽流量和给水流量信号在稳态时必须相等，否则汽包水位存在静态偏差，而且由于测量装置及变送器的误差等因素的影响，实际上现场这两个信号在稳态时，经常难以做到完全相等，而且单级三冲量调节系统一个调节器参数整定需兼顾的因素多，因此单级三冲量事实上一般也难以采用。然而串级三冲量调节方式，采用主、副两个调节器。两调节器的分工明确，参数整定相对容易，而且不要求稳态时给水流量信号与蒸汽流量信号完全相等，易于得到较好的调节品质，因此现场多采用串级三冲量给水控制方式。第一章 概述1.1 发电厂概述电能由于其固有的优点而成为国民经济各领域最广泛使用的能源，从而成为人类社会生产和生活中时刻不能离开的二次能源，电力已经深入到社会生产和生活的各个领域，一个国家的电气化程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。只有电力产业的迅速发展才有可能保证整个国民经济的迅速而稳步的发展，热力发电厂是电力工业的重要组成部分。火电厂按照原动机不同可分为汽轮机电厂、燃气轮机电厂、蒸汽燃气轮机联合循环电厂。但从能量转换观点分析，其基本过程都是：燃料的化学能热能机械能电能。热力发电厂是电力工业的重要组成部分。热力发电厂包括燃化石燃料（煤、油、气）的火力发电厂与使用核燃料的核动力电厂。迄今为止，热力发电厂在世界大多数国家中仍占着各种发电形式中的主导地位，我国的火力发电占70%左右，而且根据我国国情，火力发电厂基本是燃煤电厂。在电力行业中电厂热工生产过程自动化技术相对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术先进与否和企业现代化的重要标志。早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小，对控制系统要求也不高，结构非常简单，因此只需对给水、汽温、汽压和汽机的转速作简单的控制即可。这些控制系统大多分散在锅炉和汽机车间就地安装，整个电厂的机、电、炉也是分散控制的。随着现代科学技术的发展，发电机组已由中温、中压、中小容量发展到今天的大容量、高参数的单元机组。而具有提高系统的安全性、可靠性以及使系统更容易灵活操作的集散控制系统dcs(distributed control system)，是作为计算机控制系统的后起之秀，dcs为生产过程的自动控制提供了强有力的控制手段，因此它广泛应用于电力行业。1.2 热工自动化在电厂中的应用热工自动化系统的发展趋势是高速化、智能化、一体化和透明化。对故障信息的研究和充分利用是发掘热工故障诊断与故障预测的基础，现场总线的应用，为热工自动化系统的进一步发展提供了不断拓展的空间。现代控制理论的应用，将改写热工调节系统的指标。随着计算机技术的进步，网络化的保护及故障信息系统将会不断发展，最终基于网络大容量数据传输可实现，远程专家监控诊断系统的开发应用，火电厂检修运行维护的结构将彻底改变，届时仅需少量人员进行机组的运行维护，更多的是通过远程专家监控诊断系统，实现对机组的运行监控、维护和故障诊断、处理。单元机组监控智能化是热工自动化系统发展方向单元机组dcs的普及应用，使得机组的监控面貌焕然一新，但是它的监控智能化程度在电力行业却没有多大提高。虽然许多智能化的监视、控制软件在国内化工、冶金行业中都有较好的应用并取得效益，可在我国电力行业直到近几年才开始有所起步。随着技术的进步，火电厂单元机组自动化系统的智能化将是一种趋势，因此未来数年里，实现信息智能化的仪表与软件将会在火电厂得到发展与应用。现在是“信息化带动工业化，工业化促进信息化”的时代，随着世界高科技的飞速发展和我国机组容量的快速提高，电厂热工自动化技术不断地从相关学科中吸取最新成果而迅速发展和完善，近几年更是日新月异，一方面作为机组主要控制系统的dcs，已在控制结构和控制范围上发生了巨大的变化。另一方面随着厂级监控和管理信息系统(sis)、现场总线技术和基于现代控制理论的控制技术的应用，给热工自动化系统注入了新的活力。随着国家法律对环保日益严格的要求和计算机网络技术的进步，未来热工系统将围绕 “节能增效、可持续发展”的主题，向智能化、网络化、透明化和数据通信一体化发展，新的测量控制原理和方法不断得以应用，将使机组的运行操作和故障处理，像操作普通计算机一样方便。1.3 锅炉的概述锅炉是火力发电厂的主要热力设备之一，其作用是：燃料在炉膛内燃烧将其化学能转变为烟气热能，烟气热能加热给水，水经过预热、汽化、过热三个阶段成为具有一定压力、温度的过热蒸汽。锅炉由锅炉本体和辅助设备构成。锅炉本体实际上就是一个庞大的热交换器，由“锅”和“炉”两部分组成的，锅炉的辅助设备主要包括供给空气的送风机、排除烟气的引风机、煤粉制备系统以及除渣、除尘设备等。它利用燃料（如煤、重油、天然气等）燃烧时产生的热量使水变成具有一定温度和压力的过热蒸汽，以驱动汽轮发电机发电。电厂锅炉以其容量大、参数（压力、温度）高区别于一般工业锅炉。电厂锅炉在火电厂中是提供动力的关键设备，因而电厂锅炉技术的进步对电力生产的发展有着直接影响。1.3.1 锅炉的构成锅炉由锅炉本体和辅助设备构成，锅炉本体包括燃挠器、炉膛、布置有受热面的烟道、汽包、下降管、水冷壁、过热器、再热器、省煤器及空气预热器等。辅助设备包括送风机、引风机、给煤机、磨煤机、排粉机、除尘器及烟囱等。 锅炉的分类可以按循环方式、燃烧方式、排渣方式、运行方式以及燃料、蒸汽参数、炉型、通风方式等进行分类，其中按循环方式的分类最为常见。锅炉按照循环方式可分为自然循环锅炉、控制循环锅炉和直流锅炉。1、自然循环锅炉给水经给水泵升压后进入省煤器，受热后进入蒸发系统。蒸发系统包括汽包、不受热的下降管、受热的水冷壁以及相应的联箱等。当给水在水冷壁中受热时，部分水会变为蒸汽，所以水冷壁中的工质为汽水混合物，而在不受热的下降管中工质则全部为水。由于水的密度要大于汽水混合物的密度，所以在下降管和水冷壁之间就会产生压力差，在这种压力差的推动下，给水和汽水混合物在蒸发系统中循环流动。这种循环流动是由于水冷壁的受热而形成，没有借助其他的能量消耗，所以称为自然循环。在自然循环中，每千克水每循环一次只有一部分转变为蒸汽，或者说每千克水要循环几次才能完全汽化，循环水量大于生成的蒸汽量。单位时间内的循环水量同生成蒸汽量之比称为循环倍率。自然循环锅炉的循环倍率约为430。2、控制循环锅炉在循环回路中加装循环水泵，就可以增加工质的流动推动力，形成控制循环锅炉。在控制循环锅炉中，循环流动压头要比自然循环时增强很多，可以比较自由地布置水冷壁蒸发面，蒸发面可以垂直布置也可以水平布置，其中的汽水混合物即可以向上也可以向下流动，所以可以更好地适应锅炉结构的要求。控制循环锅炉的循环倍率约为310。自然循环锅炉和控制循环锅炉的共同特点是都有汽包。汽包将省煤器、蒸发部分和过热器分隔开，并使蒸发部分形成密闭的循环回路。汽包内的大容积能保证汽和水的良好分离，但是汽包锅炉只适用于临界压力以下的锅炉。3、直流锅炉直流锅炉没有汽包，工质一次通过蒸发部分，即循环倍率为1。直流锅炉的另一特点是在省煤器、蒸发部分和过热器之间没有固定不变的分界点，水在受热蒸发面中全部转变为蒸汽，沿工质整个行程的流动阻力均由给水泵来克服。如果在直流锅炉的启动回路中加入循环泵，则可以形成复合循环锅炉。即在低负荷或者本生负荷以下运行时，由于经过蒸发面的工质不能全部转变为蒸汽，所以在锅炉的汽水分离器中会有饱和水分离出来，分离出来的水经过循环泵再输送至省煤器的入口，这时流经蒸发部分的工质流量超过流出的蒸汽量，即循环倍率大于1。当锅炉负荷超过本生点以上或在高负荷运行时，由蒸发部分出来的是微过热蒸汽，这时循环泵停运，锅炉按照纯直流方式工作。1.3.2 汽水循环系统给水经给水泵送入省煤器和汽包，然后进入下降管、水冷壁，水在水冷壁中加热后成为汽水混合物又回到汽包并经汽、水分离，分离出的水继续进入下降管循环，分离出的饱和蒸汽离开汽包进入过热器系统。饱和蒸汽经顶棚过热器、屏式过热器和对流过热器升温后，通过主蒸汽管道送入汽轮机作功。上述为汽水系统。汽水系统流程如图1-1所示，包括锅炉、汽轮机、凝汽器及给水泵等组成的汽水循环和水处理系统、冷却水系统等。水在锅炉中加热后蒸发成蒸汽，经过热器进一步加热，成为具有规定压力和温度的过热蒸汽，然后经过管道送入汽轮机。在汽轮机中，蒸汽不断膨胀，高速流动，冲击汽轮机的转子，以额定转速（3000r/min）旋转，将热能转换成机械能，带动与汽轮机同轴的发电机发电。在膨胀过程中，蒸汽的压力和温度不断降低。蒸汽做功后从汽轮机下部排出。排出的蒸汽称为乏汽，它排入凝汽器。在凝汽器中，汽轮机的乏汽被冷却水冷却，凝结成水。凝汽器下部所凝结的水由凝结水泵升压后进入低压加热器和除氧器，提高水温并除去水中的氧（以防止腐蚀炉管等），再由给水泵进一步升压，然后进入高压加热器，回到锅炉，完成水蒸汽水的循环。给水泵以后的凝结水称为给水。汽水系统中的蒸汽和凝结水在循环过程中总有一些损失，因此，必须不断向给水系统补充经过化学处理的水。补给水进入除氧器，同凝结水一块由给水泵打入锅炉。图1-1 汽水系统流程图1.4 锅炉给水控制系统的任务保持汽包的正常水位是汽包锅炉和汽轮机安全运行的重要条件之一。汽包水位过高，使汽包蒸汽空间高度减小，汽水分离效果下降，将会引起蒸汽带水，使蒸汽品质恶化，蒸汽含盐量提高，以致在过热器管内产生盐垢沉积，使管子过热金属强度降低而发生爆管，水位严重过高时，蒸汽大量带水，过热汽温急剧下降，蒸汽管道汽轮机等金属温度发生剧变，产生严重的热应力和热变形，甚至发生水冲击，造成设备损坏。汽包水位过低，致使下降管进口带汽，循环流动压头降低，严重时会引起水循环的破坏，使水冷壁管超温过热，严重缺水时还可能造成汽包干锅和水冷壁烧损等严重事故，因此正确认识汽包水位的影响因素加强对水位的监视和调整对汽包锅炉的安全运行至关重要。汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包的水位保持在一定范围内，具体要求有以下两个方面：1、维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是锅炉运行中的一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使过热器温度产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。正常运行时的水位波动范围：150mm异常情况：200mm事故情况：350mm2、保持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。下面对给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性进行分析。1.4.1 给水控制的动态特性汽包锅炉给水控制对象的系统结构如图1-2所示。影响水位的因素主要有：锅炉蒸发量（负荷），给水量，锅炉热负荷（燃烧率），汽包压力。控制系统的物质平衡方程为 （1-1）将式（1-1）进一步变换得令，则上式变为 （1-2）式中：汽包水位，或； 汽水分离面积，或；蒸发量，或； 给水量，或；容量系数；水的密度，/或/；蒸汽密度，/或/。容量系数是用来表征锅炉结构系数的，而它的动态特性则往往用飞升速度或飞升时间来表征。图1-2 汽包锅炉给水控制对象的结构系统对于汽包锅炉来说，由飞升速度的定义知 （1-3）式中：飞升速度，1/。把扰动量即水位变化量转变成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为200，这个范围扰动量的相对极限值为100%。式（1-3）中右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量时，而蒸发量为最大时，变化量最大，因此有 （1-4）可见这时的扰动量是下降的。故有 （1-5）式中：锅炉最大的蒸发量； 水位变化允许的最大范围。 飞升时间。对于蒸发量为100230的单汽包炉，当水位变化时，对于蒸发量为更大的汽包炉，它的意义在于当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于蒸发量和给水量的不平衡造成水位迅速下降，在内将下降，或者换句话说，如果给水量减少，经过的时间，水位将下降。汽包水位h是汽包中储水量和水面下汽包容积的综合反映，不仅受汽包储水量变化的影响，还受汽水混合物中汽包容积变化的影响。其中主要的扰动为给水流量w、锅炉蒸发量d、汽包压力、炉膛热负荷等，其对水位的影响各不相同。其中给水流量和蒸汽流量是影响汽包水位的2种主要扰动，前者来自调节侧，称为内扰；后者来自负荷侧，称为外扰。1.4.2 锅炉热负荷扰动下的水位动态特性汽包水位的变化与锅炉负荷的变化有密切关系，因为负荷的变化不仅影响蒸发受热面中水的消耗量，而且由此引起汽压变化，将使锅炉水状态发生变化，其容积也相应变化。汽包水位是否稳定，取决于锅炉负荷即蒸发量的变动量及其变化速度。当负荷增加时，如果给水量不变或增加不及时，则蒸发设备中的水量逐渐被消耗，其最终结果将使汽包水位下降；反之，其最终结果将使汽包水位上升。水位的变化反映了锅炉蒸发量负荷与给水量之间的平衡关系。当不考虑排污、漏水、漏气等的影响时，如果给水量大于蒸发量，则水位上升；如果给水量小于蒸发量，则水位下降。只有给水量等于蒸发量，即蒸发设备中保持物质平衡时，水位才能保持稳定。如图1-3所示当外界负荷突然增加，在给水量和燃烧工况不变的情况下，将引起锅炉汽压骤降，造成锅炉水饱和温度下降，汽包水空间内部分水汽化，产生大量的汽泡，使汽包水位瞬间升高，形成虚假水位，这时为了恢复汽压而过分加强燃烧，会引起蒸汽带水，恶化蒸汽品质；反之，如果外界负荷突减，引起锅炉汽压骤升，汽包水位骤减，如此时大大减弱燃烧，则促使水位更低，若安全门动作又会使水位升高。所以，当负荷骤变时，必须严密监视水位，预防水位事故的发生。图1-3 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线在负荷突然增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅不下降，反而迅速上升（反之，当负荷突然减少时，水位反而先下降），这种现象称为“虚假水位”现象。这显然是因为在负荷变化的初始阶段，水面下汽泡的体积变化很快，由于它对水位的变化起主要影响作用的缘故，因此水位随汽泡体积增大而上升。1.4.3 给水流量扰动下水位的动态特性给水流量是调节机构所改变的控制量，给水流量扰动是来自控制侧的扰动，又称内扰。给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线如图1-4所示，当给水流量阶跃增加后，水位的变化如图1-4中曲线2所示。水位控制对象的动态特性表现为有惯性的无自平衡能力。当给水流量突然增加后给水流量虽然大于蒸发量，但由于给水温度低于汽包内饱和水的温度，给水吸收了原有饱和水中的部分热量使水面下汽泡容积减小，所以扰动初期水位不会立即升高。当水面下汽泡容积的变化过程逐渐平衡，水位就反应出由于汽包中贮水量的增加而逐渐上升的趋势，最后当水面下汽泡容积不再变化时，由于进、出工质流量不平衡，水位将以一定的速度直线上升。图1-4中曲线1为不考虑水面下汽泡容积变化，经考虑物质不平衡时的水位反映曲线，为积分环节的特性；曲线3为不考虑物质不平衡关系，只考虑给水流量变化时水面下汽泡容积变化所引起的水位变化，可以认为是惯性环节。在给水流量扰动下实际的水位变化曲线2可以认为是曲线1和曲线3的合成。水位在给水扰动下的传递函数可表示为：式中延迟时间，s；响应速度，即给水流量变化一个单位流量时水位的变化速度。图1-4 给水量扰动下水位阶跃响应曲线其扰动传递函数方框图如图1-5所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。图1-5 给水扰动传递函数方框图1.4.4 蒸汽流量扰动下的水位动态特性蒸汽流量扰动下水位的阶跃起反应曲线如图1-6所示。当蒸汽流量突然增加（假定供热量及时跟上）时，锅炉的蒸发量大于给水流量，汽包的贮水量应等速下降，又因为汽包是无自平衡对象，所以水位的变化曲线应如图中曲线h1所示：实际上当蒸发量突然增加时，在汽水循环系统中的蒸发强度也将成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容积增大，又因炉膛内的发热量并不能及时增加，从而使汽包压力不断下降，降低了饱和温度，促使蒸发速度加快，汽泡膨胀，加大了汽水混合物的总体积，使水位变化过程如图1-6中曲线h2所示。水位实际变化曲线是h1和h2之和h。图1-6 蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线两曲线的叠加，即图1-6中的曲线h，由图1-6可知，负荷变化时汽包水位的动态特性具有特殊的形式：负荷增加时，蒸发量大于给水量，但水位不是下降反而迅速上升；负荷突然减小时，水位却先下降，然后迅速上升，这就是“虚假水位”现象。虚假水位的变化情况和锅炉的特性有关，燃料突然减小时（如锅炉灭火），“虚假水位”约在24分钟内即达到最低值。在外部负荷突然减小时（如汽轮机甩负荷），“虚假水位”约在20秒内即达到最低值，并且，“虚假水位”达到最低值的时间和负荷达到的最低值的时间基本相同。汽轮机甩负荷扰动下的“虚假水位”现象是相当严重的，这给组成水位自动调节系统带来了困难。为了维持水位在允许的范围内，运行中应对负荷的一次变动量及负荷变化速度加以限制。从上述三种扰动下水位变化的动态特性可以看出给水控制的某些特点。当水位高于给定值后再调节给水量，则由于给水量改变后有一定的滞后时间（或惯性）才能影响到水位，即从给水调节机构动做到汽包水位变化存在着一定的滞后，因此水位必然要有较大的变化，尤其是水位响应速度快的锅炉，水位的偏差更大。在负荷变化时，由于产生“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这个水位暂时变化的幅度是不能靠控制给水量来减少的。对于虚假水位较为严重的锅炉，为了在负荷变化时水位不超出允许范围，必须限制负荷的一次突变量和变负荷速度。此外，由于影响汽包水位的因素很多，并且存在着“虚假水位”，如果只根据水位控制给水量，那么在负荷变化的开始阶段“虚假水位”增加，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，因而扩大了锅炉进出工质的不平衡，这种情况在设计给水自动控制系统时是必须加以考虑的。第二章 给水自动控制系统的介绍根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，我们确定给水控制系统的结构。由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，所以给水控制系统若采用以水位为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性迟延和惯性大的锅炉应考虑采用串级或其他控制方案，或者由于对象在蒸汽员荷扰动（外扰）时，有“虚假水位”现象。因此给水控制若采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段，调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进、出流量的不平衡。2.1 单级三冲量给水控制系统三冲量控制给水就是水位作为主信号，蒸汽流量作为前馈信号，以制止“虚假水位”的调节偏差，还考虑到改变给水流量到水位响应有一定的延迟时间，再将给水流量信号作为反馈信号以保持给水流量与蒸汽流量的平衡；当给水自发扰动时给水流量信号有前反馈调节的作用，可迅速消除内扰。所谓单回路控制系统，通常是指一个测量变送器、一个控制器、一个执行器和一个被控对象所构成的闭环系统，也称为简单控制系统。单回路控制系统的结构比较简单，所需的自动化装置数量少，操作维护也比较方便，因此在热工自动化中使用很普遍，这类系统占控制回路的绝大多数。图2-1为单级三冲量给水控制系统结构图，由图可以看出，调节器pi接受了三个信号(h、g、d)，其输出通过阻尼器、控制器和执行器kz去控制给水流量g，其中水位h是主要控制信号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水流量。蒸汽流量d和给水流量g的变化是引起水位变化的原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号。当d改变时，调节器pi立即动作，适当地改变给水量g，保证d和g比值不变；而当g自发地改变时，pi也立即动作使g恢复原来数值，这样就会有效地控制水位的变化。当负荷变化而出现“虚假水位”时，由于采用“虚假水位”现象而使给水量与负荷相反方向变化的趋势。给水量信号g能消除给水流量自发的扰动，因而当g发生自发性扰动时，水位可以基本不受影响。2.2 串级三冲量给水控制系统串级系统的结构是两个闭环，一个闭环在内部，被称为内回路或副回路，在控制中起粗调的作用；一个闭环在外部被称为外回路或主回路，用于细调任务。无论主回路还是副回路都有各自的控制对象，测量变送器和调节器。在主回路内的控制对象、被测参数和调节器分别被称为主对象、主参数和主调节器。在副回路内则相应地被称为副对象、副参数变量和副调节器。副对象是整个控制对象的一部分，常称为控制对象的导前区；主对象是整个控制对象中的另一部分，常称为控制对象的惰性区。应该指出，系统中有两个调节器，它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的给定值，它的输出作为副调节器的给定值，而副调节器的输出信号则是送到调节机构去控制生产过程。比较串级系统和简单系统，前者只比后者多了一个测量变送器和一个调节器，增加的仪表投资并不多，但控制效果却有明显的改善。图2-1 单级三冲量给水控制系统结构图串级三冲量给水控制系统的结构图如图2-2所示。这个系统有三个回路，为副回路、主回路和前馈通路。这个系统中使用了两个调节器，构成串级控制系统。为保证被调量无静差，主调节器采用pi控制规律，副调节器采用pi或p控制规律，副调节器接受三个输入信号，信号之间有静态配合问题，但系统的静态特性由主调节器决定，因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，而前馈通路则用于补偿外扰，主要用于克服虚假水位现象。图2-2 串级三冲量给水控制系统结构图串级三冲量给水控制系统的原理方框图如图2-3所示。控制系统由2个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由调节对象wd1(s)、水位变送器h、主调节器wt1(s)和副回路组成；副回路由给水流量g、给水流量变送器g、给水流量信号分流系数ng、副调节器wt2(s)、执行器kz、调节工阀kf 组成；前馈部分由蒸汽流量信号d、蒸汽流量变送器d、蒸汽流量信号分流系数nd构成。图2-3 串级三冲量给水控制系统原理方框图给水控制任务由2个调节器来完成，主调节器采用比例积分控制规律，保证水位无静态偏差，其输出信号、给水流量信号和蒸汽流量信号都作用到副调节器。副调节器为保证副回路的快速性可采用比例积分或比例调节器，能消除给水流量的自发扰动，当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流量，保证给水流量和蒸汽流量的平衡。下面简单的介绍串级控制系统和串级三冲量控制系统的特点。与简单控制系统相比，串级控制系统只是在结构上增加了一个内回路，却能收到明显的控制效果。这是因为串级控制系统具有以下几方面的特点：1、由干副回路具有快速作用，因此，串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力。2、由于副回路的存在，改善了对象的动态特性提高了系统的工作频率。3、由于副口路的存在，串级系统有一定的自适应能力。众所周知，生产过程往往包含一些非线性因素。因此，在一定负荷下，即在确定的工作点情况下。按一定控制品质指标整定的调节器参数只适应于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，超出这个范围，那么控制质量就会下降，在单回路控制中若不采取其他措施是难以解决的。但在串级系统中情况就不同了，负荷变化引起副回路内各环节参数的变化，可以较少影响或不影响系统的控制质量。在串级控制系统中，主回路是一个定值系统，副回路却是一个随动系统。当负荷或操作条件发生变化时，主控制器能够适应这一变化及时地改变副控制器的给定值，使系统运行在新的工作点上，从而保证在新的负荷和操作条件下，控制系统仍然具有较好的控制质量。串级三冲量系统有如下特点：1、两个调节器任务不同，参数整定相对独立。副调节器的任务是当给水扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽流量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水和蒸汽量平衡。主调节器的作用是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理，故串级系统的调节质量比单级系统要好一些。2、在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态对比”来进行整定。恰巧相反，在这里可以根据对象在外扰下“虚假水位”的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，以便在负荷变化时，使蒸汽流量信号能更好地补偿“虚假水位”的影响，从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。对于“虚假水位”现象较严重的被控对象，这一点就显得更有意义。3、当给水流量信号ig和蒸汽流量信号id两个信号中由于变送器故障而失去一个信号，或变送器特性发生变化，id和ig平衡关系失去时，主调节器由于积分作用可补偿失去平衡的电流，使系统暂时维持工作；而单级系统当id或ig因产生故障而失去时，则无法控制水位在额定值，因此串级系统的安全性较好。4、串级系统还可以接入其他冲量信号（如燃料信号等）形成多参数的串级系统。2.3 串级控制系统的设计为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。2.3.1 主、副回路的设计原则1、副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。2、副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。3、主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主 、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”，一旦发生共振现象系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取： (2-1)式子中：为主回路的振荡周期；为副回路振荡周期，要满足式子(2-1)，除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。2.3.2 主、副回路调节器调节规律及调节器的选型1、主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。2、要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。3、参数要求高，副参数亦有一定要求时，主、副调节器均采用比例积分形式。串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。首先，副调节器的选型，副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选p调节器，也可采用pd调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用p调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用pi调节器。其次，主调节器的选型，主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用pi调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用pid调节器。下章通过仿真实验来具体分析单级和串级三冲量给水控制系统的特点。第三章 给水三冲量系统的整定及仿真3.1 单级三冲量给水控制系统的参数整定单级三冲量给水控制，把内回路作为一般的单回路系统进行分析。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。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。单级三冲量副回路的方框图如图3-1所示。图3-1 副回路等效图以给定值g为基值，考虑增量情况，这时可把它当作为单回路来分析。如果把调节器、分压系数以外的环节看作是调节对象，那么广义调节对象为 （3-1）是一个近似比例环节，因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小，它们的具体值可以通过试探法来决定，以保证副回路不振荡为目的。一般取积分时间，试探过程中，可以任意设置值，得到一个满意的比例带值后，再次改变值，改变时须使保持不变，即保证副回路的开环放大倍数不变。在试探时可将主回路开路，切除水位信号，使g=0，设置和的值，手动操作给水阀门，使给水量产生一个阶跃变化后立即投入自动，观察给水量过渡过程曲线形状，能快速稳定即可。主回路的方框图如图3-2所示。图3-2主回路等效图图3-2中为快速副回路的等效环节，把和看作一个等效调节器所控制的对象，则而则是一个常数，这是一个等效比例调节器，其比例带。另外，的对象特性可用试验方法测得，它实际上就是在水位扰动下，的变化曲线，从曲线上可求出飞升速度，迟延时间。在迟延时间较大的情况下，可按下列近似公式整定 （3-2）又因为，故有 （3-3）从内、外回路比例带来看，给水流量的分压系数对内外回路影响正好是相反的，若增大，主回路稳定性增强，副回路则减弱，反之则情况相反。因此在整定外回路时若改变，应相应改变pi调节器的比例带，使两者比值不变，以保证内回路稳定性。前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以独立考虑，从图3-3方框图中可以求出完全补偿的条件。图3-3 前馈通路令，而，那么完全补偿条件为：把和的值代入得： （3-4）在式（3-4）中，负号是由前馈装置极性开关实现，、的值是变送器的斜率，一般是给定的。所以，实际上整定要做的工作就是确定分压系数的值。从式（3-4）可以看出，不是一个简单的环节，而是一个相当复杂的动态环节，正因为其复杂，一般按静态特性进行整定，即要求在负荷不同的情况下，水位均无静差，如前所述，其条件为：通常有，所以：。综上所述，可以得出前馈反馈三冲量给水控制系统的整定步骤：1、按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求用试凑法整定内回路调节器的比例带的值和积分时间的值。2、根据水位在内扰时动态特性，整定外回路等效调节器的比例带，即确定的值，在改变值时，要保证已经整定好的比值不变。3、根据系统无静差要求，整定的值，使。3.2 串级三冲量给水控制系统的参数整定3.2.1 主、副调节器的参数整定在串级三冲量给水控制系统中，副回路是一个调节器，一般用试探法整定副回路的和。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节，然后用经验公式进行整定；前馈通路的选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。下面分别对它们进行参数整定。副回路可看作一个随动系统，如图3-4所示。图3-4 副回路等效图把调节阀和普通管道系统作为被调对象，则作为以外的环节都作为等效调节器。若采用型如的调节规律，则 （3-5）式中副调节器比例带； 副调节器积分时间。调节器的比例带和积分时间 都应该取得很小，给水流量信号和蒸汽流量信号的分压系数、一般均取为1。当给水被控对象“虚假水位”严重时，需加大蒸汽流量信号的作用强度，以改善控制过程品质，此时可取1，并通过试验来减小，/最好为整数（一般为2，即=0.5）。由于内回路快速随动，故副调节器也可用纯比例型调节器。 式（3-5）表明，副回路的等效调节器也可看作一个pi规律的调节器。 （3-6）副回路的对象为，可近似为比例环节，所以调节器的比例带和积分时间都可以整定得很小，实际应用中，、可通过试验获得；因此副回路也是整定和的问题，一般也用试探法求得。主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。它的示意图如图3-5所示，其中为等效副回路。图3-5 主回路等效图把看成是被控对象，其余的环节可看成是等效调节器。若： 也是一个pi调节器。 （3-7）和为已知，所以回路只要整定、和的问题，用以下经验公式整定：所以 由式（3-6）和式（3-7）两式可知：即当增加时，内回路稳定性降低，外回路稳定性增强，反之相反。一般取=1，则只需整定、和。则有 3.2.2 前馈通路的设计前馈通路的简化图见图3-6，通路中的选择是基于“虚假水位”情况而定的。前馈通路中完全补偿条件为： （3-8）图3-6 前馈通路等效图若前馈通路的设计只考虑静态补偿，且与的静态比值为一常数，则有：其中是虚假水位现象决定的常数，虚假水位现象严重时，值大，反之值小。负号表示前馈调节方向与虚假水位方向相反。由式（3-8）可得量的关系：在负荷开始变化时，为使蒸汽流量信号更好地补偿虚假水位现象，改善负荷扰动时调节过程的质量，一般使蒸汽流量信号大大高于给水流量信号，即令。这时有： 若，则： 3.3 单级三冲量给水控制系统的matlab仿真电厂水位对象研究中给水流量传函和蒸汽流量传函为： wd1(s)= = wd2(s)= =水位测量变送器传递系数：=0.033，给水变送器斜率：=2，给水流量与蒸汽流量测量变送器传递系数：=0.083。h、g、d分别是水位、给水量、蒸汽流量。下面分别对主、副回路进行整定。用试探的方法选择副调节器的比例带，以保证内回路不振荡为原则。在试探时，给水流量反馈装置的传递函数可设置为任意数值，以得到满意的比例带值。如果传递函数以后需要改变，则应相应地改变比例带值，使传递函数与比例带的比值保持为试探时的值，以保证内回路的稳定性。因为调节通道放大系数较大，副调节回路可等效为反馈回路的倒数。广义调节对象是一个近似的比例环节，因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小，它们的具体值可以通过试探法来决定，以保证内回路不振荡为目的。一般取积分时间10s，试探过程中，可以任意设置值，得到一个满意的比例带值后，再次改变值，改变时须使/保持不变，即保证内回路的开环放大倍数不变。初始试验的整定值：根据图3-2所示的主回路的等效方框图可列出主回路的特征方程式为：1+=0带入具体数值得：1+=0整理得：设为相应的阻尼系数，则：取整定指标，则0.21根据经验法，将、取的很小，一般情况下积分时间，试探过程中，设置值为0.21，以保证内回路不振荡为目的，得。单级三冲量副回路simulink结构图及仿真图见图3-7和图3-8，内回路经过整定后，其控制过程非常快，为调节器为比例积分特性，和设置的较小，故它能快速动作，则副回路可以看成具有近似比例特性的快速随动系统。图3-7 单级三冲量副回路的simulink结构图图3-8 单级三冲量副回路的仿真图由副回路的参数整定可知，主回路的各参数为：， 根据主回路的方框图3-2所示，单级三冲量给水控制系统主回路等效simulink结构图及仿真曲线如图3-9和图3-10所示，其中与要求近似相等。图3-9 单级三冲量主回路的等效simulink结构图图3-10 单级三冲量主回路的等效仿真图蒸汽流量前馈环节不在控制系统反馈回路之内，因此它们的动态特性及取值大小不会影响控制系统的稳定值，故可以根据蒸汽流量扰动时使水位不发生变化的原则来确定前馈环节的参数，因此前馈装置的整定，根据无静差原则得：如图3-11为单级三冲量给水控制系统的simulink结构图，由于给定值为3.3，水位测量变送器传递系数为0.033，所以示波器输出稳定值为100mm。在600s和800s处分别加入给水流量和蒸汽流量扰动，。图3-12为单级三冲量给水控制系统的仿真图，图3-12表明整定后的系统具有良好的稳定性和抗干扰性。下面具体分析单级三冲量给水控制系统在给水流量扰动和蒸汽流量扰动下的抗干扰性能。图3-11 单级三冲量的sinmulink结构图图3-12 单级三冲量的仿真图1、单级三冲量给水控制系统在给水流量扰动下simulink结构图及仿真图如图3-13和3-14所示，在给水流量的扰动下，水位虽然有波动，但是由于内回路特性抵抗了给水流量的扰动，使系统最后达到稳定值0。图3-13 单级三冲量给水流量扰动下simulink结构图图3-14 单级三冲量给水流量扰动下仿真图2、图3-15和图3-16分别为有、无前馈装置单级三冲量给水控制系统在蒸汽流量扰动下sinmulink结构图，对应仿真图分别为图3-17和图3-18。图3-17说明对应有前馈通道的系统能够抵抗蒸汽流量扰动，系统最后达到稳定值0，而图3-18说明对应无前馈通道的系统不能够抵抗蒸汽流量扰动，系统稳定值为-1.5，存在静态偏差。图3-15 有前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下simulink结构图在蒸汽流量增加时，虽然锅炉的给水流量小于蒸发量，但开始阶段的水位不仅下降，反而迅速上升，这种“虚假水位”现象在图3-17和图3-18显示非常明显，对比而言有无前馈通道的系统还能减弱虚假水位现象。所以前馈通道能够抵抗蒸汽流量的扰动，使系统性能良好。图3-16 无前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下sinmulink结构图图3-17 有前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图图3-18 无前馈装置的单级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图3.4 串级三冲量给水控制系统的matlab仿真3.4.1 副回路的仿真调节器的比例带和积分时间 都应该取得很小，给水流量信号和蒸汽流量信号的分压系数、 一般均取为1。当给水被控对象“虚假水位”严重时，需加大蒸汽流量信号的作用强度，以改善控制过程品质，此时可取1，并通过试验来减小，/最好为整数（一般为2，即=0.5）。由于内回路快速随动，故副调节器也可用纯比例型调节器，所以副回路可看作一个随动系统。根据经验法，将、取的很小，一般情况下积分时间，试探过程中，可以任意设置值，就可以得到一个满意的比例带值：=串级三冲量给水控制系统的副回路simulink结构图及仿真图见图3-19和图3-20。图3-19 串级三冲量给水控制系统副回路的simulink结构图图3-20 串级三冲量给水控制系统副回路的仿真图得到s,由仿真曲线可知，将