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辽宁工程技术大学 硕士学位论文 铁煤集团热电厂锅炉给水自动控制系统 姓名:纪海军 申请学位级别:硕士 专业:电气工程 指导教师:郭凤仪;包宏 20070101 摘要 本文的主要内容是分析了在锅炉给水自动控制系统中模糊控制算法和变频调速技 术的应用,使用8 0 9 8 单片机技术设计了锅炉给水自动控制系统。该系统采用先迸的模 糊控制算法和可靠的变频调速技术,实现了对锅炉给水的自动控制并能进行远程通讯。 本系统提高了锅炉给水系统的自动化管理水平,有力地保证了锅炉设备的经济、 可靠运行,为设备的管理和维修提供了可靠的科学依据。本系统对原有的锅炉给水控 制系统及汽包水位测量、运行方式、参数整定等的工作原理进行了分析,结合现场实 际情况,对汽包水位参数的测量,运行方式的切换以及系统参数的调整进行了设计, 方案设计中结合了模糊控制算法和变频调速技术,提升了给水系统的控制的精度和自 动化程度。 关键词:8 0 9 8 ,模糊控制,变频调速 A B S T R A c T T h em a i nc o n t e n t so ft h ed i s q u i s i t i o nw a st oa n a l y s et h ea p p l i c a t i o no f t h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca n dt h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i n g t e c h n o l o g yi nt h ea u t o m a t i cf e e d - - w a t e rc o n t r o ls y s t e mo fb o il e r a n du s e 毗U 8 0 9 8t od e s i g nt h ea u t o m a t i cf e e d - - w a t e rc o n t r o ls y s t e 皿T h i ss y s t e mc a r r i e d o u tt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fb o i l e rf e e d - w a t e rs y s t e ma n dt h el o n gr a n g e c o m m u n i c a t i o n T h i ss y s t e mr a i s e dt h ea u t o m a t i cm a n a g e m e n tl e v e lo ft h eb o i l e rf e e d - w a t e r s y s t e m , g u a r a n t e e i n gt h ee c o n o m ya n dc i r c u l a t i n gc r e d i b i l i t yo ft h eb o i l e r e q u i p m e n t s F o rt h em a n a g e m e n ta n dm a i n t a i n e do ft h ee q u i p m e n t s ,t h i ss y s t e m c o u l dp r o v i d ed e p e n d a b l es c i e n t i f i cw a r r a n t y T h i ss y s t e m ,w h i c ha n a l y s e dt h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h em e a s u r i n go fd r u mw a t e rl e v e l 、t h es w i t c h i n go f o p e r a t i o n a lm e d ea n dt h em o d u l a t i o no fp a r a m e t e r ,m a d ead e s i g na c c o r d i n gt o t h bp r a c t i c a ls i t u a t i o n I nt h i sd e s i g n i tu s e dt h ef u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c a n dt h ev a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i n gt e c h n o l o g y ,a n dm a d ep r o g r e s si n t h ep r e c i s i o na n dt h ea u t o m a t i cd e g r e eo ft h ef e e d - w a t e rc o n t r o ls y s t e m K e y w o r d s :8 0 9 8 ,f u z z yc o n t r o l ,v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究意义 锅炉是广泛用于火电厂、化工、造纸、纺织、炼钢等工业生产中的重要动力设备。 随着工业生产规模的不断扩大,作为动力和热源的锅炉向着大容量、多参数、高效率 的方向发展。目前在我国使用的锅炉设备数目极大,而且有继续发展的趋势。我国由 于能源不足严重影响国民经济发展。由此可见,在能源形式非常严峻的情况下,通过 对锅炉整个工艺流程的自动控制,实现锅炉的安全、经济运行,具有重要意义。 汽包水位是锅炉安全运行的主要参数之一。水位过高会导致蒸汽带水进入过热器 并在过热器内结垢,影响传热速率,严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部 分水冷壁的水循环,引起水冷壁局部过热而爆管。尤其是大型锅炉。例如:3 0 万k W 机组的锅炉蒸发量为1 0 2 4 t h ,而汽包容积较小,一旦给水停止,则会在几十秒内使 汽包内的水全部汽化,造成严重事故。 随着单元机组的容量的增大和参数的提高,机组启停过程中需要监视和控制的参 数越来越多,人工操作、监视的方式已不能满足运行要求,而必须在启停过程中实现 自动监控。 ? , 对汽包锅炉来说,给水全程自动控制的任务就是在机组正常运行、负荷变化和启 停过程中控制锅炉的给水量,以保持汽包水位在正常范围内变化,同时对锅炉的水循 环和省煤器有保护作用。保持水位和保护省煤器实际体现在两个参数的协调:即水位 和给水流量。水位是靠调节给水流量来保持的,而给水流量的剧烈变化,将会给省煤 器的安全运行造成威胁。所以,给水控制的任务包括两方面的内容: a 、保持水位在工艺允许范围内变化; b 、满足水位在工艺允许的范围内变化的前提下,尽量保持给水量稳定。 一般这两者之间的调节质量要求是相互矛盾的,因此,在整定控制系统的参数时, 要注意两个参数之间协调关系。 给水全程控制系统的具体形式较多,对于汽包锅炉来说,若按系统采用的信号来 分,有启动及低负荷时采用单冲量,而高负荷时采用三冲量的系统,有从启动到正常 运行都采用三冲量的系统。对于上述两种系统,从控制给水的手段上看,又可以分为 采用定速给水泵和变速给水泵的两种系统。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 2 现状及鬟晨慧势 铁煤集团热电厂是铁煤集团的自备电厂电厂配置四炉两机,四台锅炉额定蒸发 量均为1 3 0 T H ,蒸汽压力为9 8 M P a ,温度5 4 0 1 2 ,两台气轮机型号为C 2 5 - 8 8 3 o 4 9 。 配置两台型号为Q F 一3 0 一2 的发电机。锅炉给水为五台功率为1 0 0 0 K W 定速给水泵供水。 五台给水泵采用母管制运行,给水流量的控制采用调节给水再循环阀门的方法,因此 给水泵的耗能较大,致使厂用电率达到1 5 6 ,远远高于同类电厂。 汽包水位的控制为传统的P I D 三冲量控制,锅炉负荷较稳定时基本能保证汽包水 位自动的投入。但不能实现全过程的水位自动,尤其在锅炉启动和负荷大范围交化时 水位自动无法投入。在2 0 0 5 年l o 月发生了一起水位自动失灵锅炉过热器联箱进水事 故,险些造成了气轮机的水击事故。为确保机组的安全、稳定、经济运行,对铁煤集 团热电厂的给水控制系统进行技术改造已势在必行。 本篇的设计方案是汽包水位采用三冲量控制系统,引入自适应、模糊控制等先进 的算法来弥补P I D 控制算法的不足,以实现锅炉给水的全程自动。给水流量采用对两台 定速给水泵进行技术改造为变频调速的控制方法供水,以减少耗能,降低厂用电率。 给水全程控制要求在锅炉运行的全过程都能自动地完成给水调节所规定的两项任 务,所以,对给水过程控制系统提出了以下要求: a ,在给水过程控制系统中不仅要满足给水调节的要求,f 霹时要保证给水系统的主, 辅设备的安全运行。 , b 、对给水过程控制系统的范围要求较广,要求对各个信号进行准确测量。 c 、在多种调节机构的复杂切换中,给水过程控制系统必须保证无扰。高低负荷需 要用不同的阀门。调节阀门的切换伴随着有关截门的切换,而截门的切换需要一定的 时间,导致了水位保持的困难。在低负荷时,采用改变阀们的开度来保持泵的出口压 力;而高负荷时用改变调速泵的转速来保持汽包液位,这又产生了阀门与调速泵间的 过度切换问题。所有这些切换都要求安全无扰的进行。 d ,给水过程控制必须适应机组定压运行和滑压运行的工况。 目前,国内外许多学者都己经开始对锅炉水位控制进行仔细研究。在这种情况下, 控制算法、控制规律和实现方法都得到了大幅度提高。在控制规律方面主要有;单冲 量、双冲量、三冲量三种控制方案。 目前国内外关于锅炉水位控制一般采用三冲量控制,有以下两种常用方案:单级 辽宁工程技术大学硕士学位论文 三冲量控制系统和锅炉水位调节器与给水流量组成的串级控制方案。 在控制算法方面,通常采用的是简单、通用、鲁棒性较强P I D 控制算法。但由于 P I D 算法在实施过程中涉及多个参数调试,工作量大并难以获得较好的调试效果。而 且由于运行工况不同,系统特性参数也有一定的时变性,所以P I D 控制算法也有较大 的局限性。因此,在锅炉水位控制中也引入了自适应控制、神经网络控制、模糊控制、 专家系统等先进算法。针对水位过程特性,通过讨论不同形式控制算法的控制效果, 应用一种或几种适宜的算法形式,来弥补P I D 控制算法在水位控制中的不足。国内外 目前对水位控制器的算法普遍要求是对被控过程的依赖性小,鲁棒性强,现场整定简 单,能实现在线整定,同时不要占用太多计算资源,能够保证生产的连续稳定运行。 本设计采用带积分的模糊控制算法。 在控制手段方面,数字式控制系统已有取代传统的仪表控制系统趋势,它将在锅 炉水位控制系统中发挥越来越重要的作用。目前,已出现了计算机群控系统,小型D C S 或P L C 系统,单片机控制和D S P 控制等技术方案。近年来,由于P L C 控制系统具有硬 件稳定可靠、标准统一j 二次开发能力较强的特点,它得到了最为普遍的应用。然而, 由于P L C 编程较为呆扳、指令系统不够丰富、硬件成本高等原因,使其应用受到了限 制。 2 锅炉给水自动控制系统 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 2 1 锅炉给水控制系统 汽包水位是锅炉运行的重要参数,它直接影响锅炉运行的安全性和经济性。一方 面,汽包水位过高,会影响汽包内汽水分离装置的正常工作,造成汽包出口蒸汽水分 过多,使蒸汽中的含盐量增加,该蒸汽通过加热器时,一部分盐份沉积在管子内壁上, 使传热阻力增加,管壁温度升高,造成钢材强度降低,加速钢材蠕变,甚至超温爆管, 不合格的蒸汽进入汽机膨胀后,压力逐渐降低,盐份在蒸汽中的溶解度减小,析出的 盐份沉积在汽机的流通部分,使汽机的流通截面减小,导致汽机的出力和效率的降低; 除此外,蒸汽的水分过多,也会使过热蒸汽温度急剧下降,造成汽轮机末级叶片带水, 严重时会造成汽轮机水冲击另一方面,汽包水位过低,将造成下降管带汽,影响锅 炉水循环的正常工作,还可能导致水冷壁管过热而爆管。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减小,允许波动的蓄水 量也就更少。这样对汽包水位要求就更高了。所以,汽包水位必须严格加以控制。 给水调 图2 - 1 给水调节对象 D 广 同时,它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。因此,锅炉水位控制系统 一直受重视。为了弄清楚该系统的组成及原理,从分析水位的动态特性入手。 2 1 1 给水调节的动态特性 辽宁工程技术太擘硕士学位论文 5 锅炉给水调节对象可以用图2 - 1 表示“1 。给水调节机构控制给水量w ,汽轮机耗汽 量D 是有汽轮机调汽门来控制的,B 为投入的燃料量。水冷壁与汽包存水部分构成水 循环系统。 初看起来,汽包水位的特性似乎与单容水槽一样,但是实际情况要复杂得多。其 中,最突出的一点是水循环系统中充满了夹带着大量蒸汽汽泡的水,而蒸汽汽包的水 总体积V s 又是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的。如果有某种因素使蒸汽包 的总体积改变了,即使水循环系统中的总水量没有变化,汽包水位也会随之发生变化。 影响汽包水位的主要有三个主要因素:给水量W 、汽轮机耗汽量D 和燃料量B 。 1 ) 给水量扰动 给水量W 的阶跃扰动下的水位响应曲线如图2 _ 2 所示。把汽包和水循环系统看作 单容 W H I j | | 一 窿t F i 9 2 - 2 T h e - s t e p - r e s p o n s ec u r v eo f w a t u l e v e l d i s t u r b e db yw 越射f l u x 水槽,水位的响应曲线应该如图中的H 1 。考虑到给水温度低于汽包内饱和水温度。当 它进入汽包后吸收了原有的饱和水的一部分热量,使锅炉的蒸汽产量下降,水面以下 的汽包总体积V s 也就相应下降,导致水位下降。V s 对水位的影响可以与图中的1 - 1 2 来 表示。水位的实际响应曲线是H 1 和H 2 之和。从图中,响应过程有一段延迟时间f 。 给水的过冷度越大,纯延迟时间也越大。给水扰动下的传递函数可近似表示为: G 。= 嚣= 志 ( 2 _ t ) 由切线法得: G 。鼢器= i 0 两0 3 7 ( 2 - 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 式中,g 。水位的飞升速度。 2 ) 负荷扰动 汽机耗汽量D 阶越扰动下水位的响应过程如图2 _ 3 所示。当汽机的耗汽量突然阶 跃增加时,一方面改变了汽包内物质的平衡状态,使水位下降,图中1 4 1 表示把汽包当 作单容 D H H a八一 圈2 3 蒸汽漉量扰动下的水位扰动响应曲缝 F i s 2 - 3T h | 舢P 堋孽肆c 岍eo f w 妇I i v e l d i s t z a b e d 坶s t , a i m s n 日 H 圈2 4 燃烧量扰动下的水位阶跃响应曲城 F i 酽- 4 T h et l p f e 印o z l J em w 酣- 岫 l e v e l , i m b e d 蚵b m l n m 对象时水位的变化;一方面,由于耗汽量D 的增加,迫使锅内汽泡增多,同时,由于 燃烧量保持不变,汽包压力P d 下降,使水面以下的蒸汽泡膨胀,总体积妇增大,从 而导致汽包水位的上升,如图中H 2 所示。汽包的实际响应过程是H = F I I + H 2 。对于大中 型锅炉来说,后者的影响要大于前者,因此,在负荷阶跃增加后的一段时间内汽包水 位不但不下降,反而上升。这种现象通常叫“假水位”现象。负荷扰动下汽包水位的 传递函数可以近似表示为: 刚= 鬻一睁书 协。, 由切线法得: G :妒豁= 而3 6 一下0 0 3 7 ( 2 - 4 ) 式中,s :反映物质平衡关系的水位飞升速度;T 。和K 分别代表图2 - 3 中曲 辽宁工程技术大学硕士学位论文 线阿,的时间常数和增益。 3 ) 燃烧量扰动 燃烧量B 的扰动必然引起D 的变化,因此,同样有假水位现象。水位响应过程可 以用图2 - 4 表示,燃烧量B 的增大只能使D 缓慢增大,而且P d 还慢慢上升,它将汽包 体积减小。因而,燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下缓和得多。 由以上分析可知,给水量扰动下水位响应过程具有纯迟性;负荷扰动下水位响应 过程具有“假水位”现象过程;燃料扰动下也会有假水位现象。这些特性使控制汽包 的任务变得艰巨而复杂。 2 1 2 汽包水位的三冲量控制方案 从反馈控制的思想出发,很自然地会以水位信号作为被调量,给水流量作为调节 量,构成单回路反馈系统( 通常称为水位单冲量控制系统) 。对于小容量系统来说, 给水容积迟延和假水位现象不明显,可以采用单冲量控制系统。对于大型超高压( 接 近临界压力) 锅炉也可以采用这种控制对象,因为在超高压下汽和水的密度不大,假 水位的现象并不显著。但是,对于大量的大中型锅炉来说,这种系统就不能满足要求, 因为汽机耗汽量产生的假定水位将引起给水调节机构的误动作,致使汽包水位激烈的 上下波动,严重影响设备的安全和寿命。所以对大中型锅炉不能用这种控制系统,必 须寻求其他解决办法。 如果从物质平衡的角度出发,只要保证给水量永远等于蒸发量,就可以保持汽包 水位大致不变。因此可以用图2 - 5 所示的比值控制系统,其中流量调节器是P I 调节器, 并用汽 ? D 田0 j 比值控制系统 机的耗汽量D 作为调节系统的给定植,使给水量W 跟踪蒸汽D 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 采用比值控制方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作,给水量w 的大小只 决定于耗汽量D ,假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。然而应该看到,如果 耗汽量和给水量的测量不准或者由于有锅炉排污及管道泄漏等,蒸汽量与给水量之间 并不是并非总是确定的比值,此比值系统就不能达到汽水平衡,保持水位。这是因为 汽包水位对于f D _ 珏) 来说是一个积分关系,微小的D 和w 之差可以长时间的积暴中 形成很大的水位偏差。所以不能单独用比值系统。 把上述两种方案结合起来,就构成了所谓的三冲量汽包水位控制系统啪,如图1 - 6 所示。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。 这种系统对上述两种方案取长补短,极大的提高了水位控制质量。例如,当耗汽量D 突然阶跃增大时,一方面,由于假水位现象,水位会暂时升高,它使调节器错误的指 挥调节机构减小给水量;另方面,D 的增大有通过比值控制作用指挥调节机构增加 给水量。实际给水量是增大还是减小取决与系统参数的整定。当假水位现象消失后, 水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。只要参数整定合适,当系统恢复平衡 状态以后,给水流量必然等于蒸汽流量, 水位也就会维持在设定值。从另外一个角度来看,这也是一个前馈一反馈复合控制系统。 2 1 3 三冲量控制系统的工程整定 要使控制系统具有良好的控制性能,除了必须正确设计外,还必须正确、仔细整 定需要整定的参数有5 个:分流系数咒,n 矿,n 。和调节器的比例积分带万及积 分时间T , 1 ) 输入信号之间的静态整定 生产过程经常是在相对平衡的工况下迸行的。因此,各项设备的静态特性起着决 定性的作用。同样,在自动控制中,一个控制系统的平衡状态是由各个环节的静态配 合来决定的。因此,静态特性不好会对控制造成不利的影响。 对于单冲量系统来说,只要调节器是比例积分动作的,在控制过程结束后被调节 量就没有静态偏差。然而,对于三冲量系统则不然,即使采用比例积分调节器。1 ,也 不一定就能保证无差,还必须解决一个输入信号系统的静态配合问题。我们结合图2 _ 6 来研究三冲量控制系统的工程整定。 图中,K 。,丁,K ,丁,K 。,丁。分别为水位、给水流量和蒸汽流 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 量信号的一次测量仪表及变送器的传递函数和时间函数, n 。,n ,n 。分别为水位、给水流量和蒸汽流量信号的分流系数,O t 7 。这样能满足模 糊集论域中所含元素个数为模糊语言词集总数的二倍以上时,确保各模糊集能较好地 覆盖论域,避免出现失控现象。论域中的每一档对应于一个模糊集,则我们可以将 卜,川之间任意的精确量用模糊量Y 表示。通过模糊化处理把输入变量( 偏差和偏差的 变化) 离散化为区间【,川之间有限个整数值,使模糊推理合成方便。如果实际系统的 某个精确量变化范围不足【一n 】,而是b 6 】,则应首先对其进行论域变 换:Y = 是。一半。 2 2 5 模糊控制规则的设计 控制规则的设计是模糊控制器设计的关键,一般包括下面三部分内容: 1 ) 选择描述输入和输出变量的词集 模糊控制器的控制规则为组模糊条件语句,在条件语句中描述输入输出变量状 态。一般选择正、负两个方向,同时将大、中、小再加上正、负两个方向并考虑变量 零的状态。一般语言变量的词集选七个,即 负大,负中,负小,零,正小,正中,正 大) ,用英文字头缩写为 N B ,聊,N S ,Z E ,P S ,P M ,P B ) 2 ) 定义各模糊变量的模糊子集 定义模糊子集实际上就是要确定模糊子集隶属函数曲线的形状。将确定的隶属函 数曲线离散化,就得到了有限个点上的隶属度,则构成了一个相应的模糊变量的模糊 子集。常见的有以下两种隶属函数: 三角形隶属函数,其数学表达式为: 刖= 篆:嚣二黧一力篡: 高斯型隶属函数,其数学表达式为: 州俘 2 其中,口为数学期望值,是隶属函数的中心值,b 为均方差,是隶属函数的宽度。 在具体应用时,须将三角形或高斯型隶属函数作量化处理。根据某个变量的模糊 i z 宁工- 程技术大学硕士学位论文 1 8 域的等级对其量化,量化后的值称为隶属度。在多数情况下,为了获得较满意的控制 性能,隶属度是通过总结操作者的经验或用实验方法得到的,具有较大随意性和主观 性。隶属函数曲线形状较尖的模糊子集分辨率较高,控制灵敏度也较高;相反,隶属 函数曲线形状较缓,则系统稳定性较好。因此,在选择模糊变量的模糊集的隶属数时, 在误差较大的区域采用低分辨率的模糊集,在误差较小的区域采用较高分辨率。当误 差接近于零时选用高分辨率的模糊集。 3 ) 模颧控制规则的建立 模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略的,操作者通过对被控对象的观测, 根据已有的经验和技术知识,综合分析后作出控制决策,调整加到被控对象的控皋4 作 用,从而使系统达到预期的目标。 手动控制策略一般都用条件语句加以描述。对于二维模糊控制器,模糊控制规则 常采用结论是糊集合的i f Lt h e n L 的形式来表示: i fe = P Ba n d = N Bt h e n u = Z O i fe = P Ba n d = N l V lt h e nu = N S L L ”i 由f f a m d a n i 控制算法,可根据专家经验得到的控制规则计算出模糊关系。若己知 输入为4 ,则对应的输出为旦:骂= 4 0 R 。 所有的控制规则组成控制规则库。每一条控制规则七,都对应一个模糊关系蜀设 有控制规则足。,Lk 。,对应尼,L ,R 一,则总的模糊关系为尺= R 1 U LU R 一= U 尼 2 2 6 模糊控制量的判决方法 模糊控制器的输出是一个模糊集合,不能直接用于被控对象,需要先转化成一个 执机构可以执行的精确量,此过程一般称为解模糊( 或称模糊判决) 。通常有以下四种 方法: 蹦 霪最大隶属度法:设控制的输出为B ,取J ,。E r ,使 r一1 及y o ) 5 酱i B j 雌lIl 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 Y 。作为判决结果该方法的缺点是只顾及到主要信息而忽略其他信息。 恿拥权平均法:选取一组合适的权系数 国,l y y ) ,设) ,。y ,使 X y 0 3 , y 。= 兰蠹J wv 实际中常取权系数为对应的隶属度。该方法既突出主要信息,又兼顾其他信息,较为 贴近现实,所以应用较为广泛。 囊最大隶属平均法:若y ,L ,y ,是使烈y ) 取最大值的点a 则令 Y O = Y O = ;杰咒 珞咒 最大中点法:设y 和,分别是使B ( j 口取最大值的最小点与最大点,则令 = 笔二 2 2 7 论域、量化因子、比例因子的选择 设计个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则外,合理地选择模糊控制器 输入变量的量化因子和输出控制量的比例因子也是非常重要的。 1 ) 量化因子及比例因子 语言变量实际数值的变化范围称为语言变量的基本论域,设误差F 的基本论域 【岛P 】,模糊论域 叫,- n + L L ,O , n 一1 ,撑) ,贝j j 精确量的模糊量化因子后,= 么。 也可定义为根据上式也可计算出七。= 形。 比例因子的计算,设的基本为论域【,朋,模糊论域 _ ,_ ,+ l L ,o ,一l ,毋,则 模糊量的精确化比例因子可定义为庀,= 形比较量化因子与比例因子,可以看出: 两者均是考虑两个论域变换而引出的,对于输入变量而言的量化因子确实具有量化效 应,而对输出变量而言的比例因子只起比例作用。 2 ) 量化因子、比例因子的选择 量化因子后。及七。的大小对控制系统的动态性能影响很大。k 。较大时,系统上升 辽宁工程技术大学硕士学位论文 时间较短,超调较大,过渡过程较大。k 。选择越大系统超调越小,但系统的响应速 度变慢,k 。对超调的遏制作用十分明显同时,量化因子尼和七。的大小意味着对 输入变量偏差和偏差变化的不同加权程度,二者之间也相互影响克。过小会使系统动 态响应过程变长,过大会导致系统振荡。 2 3 锅炉给水的模糊控制设计 2 3 1 模糊控制器的设计 1 ) 模糊控制器的输入和输出量 针对锅炉给水自动控制系统,采用二维模糊控制器,即它的输入变量是给定水位 和实际水位的偏差和偏差的变化: e 似) 2 Y , ) 一yO ) ( 2 一n ) e c 似) - - - e ) 一e0 一1 ) ( 2 1 2 ) 式中,e ) 水位的偏差, Y 。 ) 给定水位, e c ( D 水位偏差的变化。 当y 辑) y ) 时,即实际水位高于给定水位,偏差为“负”,水位高得越多, 偏差负得越大;反之,Y 仲) 厂。时,气隙磁通由将下降,使得巾小于额定值 那么,在定子电流为额定值时,电动机的输出转矩将下降,电动机的功率将得不到充 分利用。 由于在电源电压不变条件下,改变电源频率,就会导致气隙磁通巾的改变,影响 电动机的运行性能。因此在变频调速时,改变电源频率的同时要相应地改变电网电压 矿,的大小,以保证电机的气隙磁通巾不变。 3 2 2 电机拖动系统的机械特性 电机拖动系统是指由电动机带动水泵以一定的转速旋转的运行系统。机械特性就 是指电动机带动水泵以一定的旋转速度运行时,描述转速忍与转矩r 之间的关系 ; i t - - - - ( 乃 1 ) 电动机的机械特性 , 电动机内产生转矩的根本原因是电流和磁场相互作用的结果,称之为电磁转矩。 异步电动机电磁转矩的大小与电流和磁通量的乘积成正比; T M 2R l I l ( 1 ) c o sll,J(3-7) 式中,R ,转矩常数; ,定子电流; C O S 沙,转子电流的功率因数 通过对式( 3 7 5 的分析,可作出异步电动机的机械特性,如图2 - 1 中的曲线1 所示;一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 n n Q 瞳 O T aT gnT 2 ) 水泵负载的机械特性 水泵负载的机械特性是描述水泵的阻转矩和转速间关系的曲线,阻转矩T L 与转速 n L 的平方是成正比的: n = 死+ K r 胛 ( 3 8 ) 式中,T 。损耗转矩,主要由传动机构及轴承等的摩擦损耗所致; K ,一常数。 由式( 3 8 ) 得到的水泵负载的机械特性如图3 - 1 中的曲线2 所示: 3 ) 拖动系统的工作点 电机拖动系统的工作状态必须由电动机的机械特性和水泵负载的机械特性共同决 定。具体地说,是由图3 - I 中的曲线1 和曲线2 的交点Q 来决定的。在这一点上: a 、电动机和负载的转矩处于平衡状态:2 乙= 丁。- - T 口; b 、拖动系统的稳定运行转速为,z 口; c ,拖动系统的功率P e 由下式计算 R 2 T 2 ,z 口9 5 5 0 ( 3 - 9 ) 式( 3 - - 9 ) 中,T 口的单位为N 。m ,1 2 口的单位为r m i n ,则尸口的单位为k W ,Q 辽宁工程技术大学硕士学位论文 点称为拖动系统的工作点。 3 2 3电动机调速过程中的机械特性和有效转矩 1 ) 电动机的机械特性曲线簇 电动机调速后,对应于不同的参数,便得到不同的机械特性。把它们总合起来, 便得到调速电动机的机械特性曲线簇。 由式( 3 - 6 ) 可知,由于( ,+ J x ,) J ,所占的比例很小,可以忽略不计, l V ,* 4 “K 。W P 厂,要使气隙磁通中保持不变,则y ,为定值。此时,可以 得到电动机在变频。s 厂肼时的机械特性曲线簇,结合负载的机械特性曲线,可以 得到拖动系统在不同转速时的很多工作点1 。 2 ) 调速电动机的有效转矩线 电动机在某一转速下允许连续运行的最大转矩,称为有效转矩。在电动机的一条 机械特性曲线上,有效转矩只是一个点。将所有转速下的有效转矩点连接起来,即得 到电动机在调速过程中的有效转矩线。有效转矩线是说明电动机允许工作范围的条 曲线。 总之,要使拖动系统在全调速过程中都能正常运行,必须使负载的机械特性曲线 在有效转矩线的范围在内,如果超越了电动机的有效转矩线,则超越的部分就不能正 常工作。 3 ) 异步电动机的自然机械特性 如参数均处于额定状态,未经过调整过的机械特性称为电动机的自然机械特性。 可以用图3 - t 的曲线l 来分析,其特点如下; a 、理想空载点N 。;转矩丁= o 称为理想空载,这时的电动机转速称为理想空载转 速。异步电动机的理想空载转速等于其同步转速刀。所以,理想空载点N 。的坐标是 ( 0 ,r 。) b 、起动点s :起动时,转速露:0 这时的电动机转矩T ,称为起动转矩。所以, 起动点S 的坐标是( 丁,o ) 。 c 、临界点K :异步电动机的机械特性曲线有一个拐点K ,称为临界点。K 点的转 辽宁工程技术大学硕士学位论文 矩r 。称为临界转矩,T 。也是电动机所能产生的最大转矩,其大小反映了电动机的过 载能力K 点的转速仇称为临界转速,对应的转差率s 。称为临界转差率。 由此,可以得出临界点K 的坐标是( r 。,n 。) 3 3 变频器调速的控制方式 异步电动机调速传动时,变频器可以根据电动机的特性对供电电压、电流、频率 进行适当的控制,不同的控制方式所得到的调速性能、特性以及用途是不同的。 控制方式大体可分为两种,开环控制和闭环控制,后者迸行电动机速度反馈。其 分类可用图3 2 来表示: 二E 一V 啦制 3 3 1 控制 哪控制是在改变频率的同时控制变频器输出电压,使电动机磁通保持一定,在 较宽的调速范围内,电动机的效率、功率因数不下降。因为是控制电压与频率的比, 称为哪控制。通用型变频器基本上都采用这种控制方式。 由前面3 2 1 的分析知,在电动机调速时,一个重要的因素是希望保持每极磁通 ,为额定值不变。由式( 3 5 ) 可知只要控制好置和Z ,便可达到控制磁通的目的。 对此,需要考虑基频( 额定频率) 以下和基频以上两种情况。 1 ) 基频以下调速 要保持不变,在频率Z 从额定值厶向下调节时,必须同时降低局使局f = 常 值,即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 然而,绕组中的感应电动势是难以直接控制的,当电动势值较高时,可以忽略定 子绕组的漏磁阻抗压降,而认为定子相电压巧* 易,巧肠= 常值,这是恒压变频比的 控制方式低频时巧和都较小,此时定子阻抗压降不能再忽略,此时人为把电压巧 抬高一些,以便近似地补偿定子压降。如图3 - 3 所示: = 了u 卜,! ,二, 一:, :i 豺 魉$ 矩调速 。 疆 丁一丁r 一1 l h趟一 ,。0 ;矗,: 搿研平霸露 ,垂一 , X 扣一+ 一t 曹 ,7 、。 。曩。甲0 曩。;:孙畸;。 ! Z 厂“ ,7 。:jl 一; 未 j ,;。,4+ , “ ! + “”弋1 1 ” ,二j ,+ 。;。抽。璺厂j , :,舅步电机,啄嚣速控错缝 :纛:蠹 圈a _ 呃压频此控制恃性圈3 - 4 异步电机交颏调逮控制恃性 2 ) 基频以上调速 在基频以上调速时,频率可以从厶往上增加,但电压巧却不能增加得比额定电 压还要大,最多只能保持巧= 。由式( 3 5 ) 可知,这将迫使磁通与频率成反比地 降低。相当于直流电机弱磁升速的情况。 把两种情况合起来,可得图3 - 4 所示异步电动机变频调速控制特性。v = c 控制 原则是开环变频调速系统常用的校正方式,常数c 定义为定子烧组的额定相电压与 额定频率Z 之比,又称为压频比,即c = 巧i f , = 珞从。 当异步电动机的额定线电压为3 8 0 V 时,f = 2 2 0 v 5 0 H Z ; 当异步电动机的额定线电压为2 2 0 V 时,c = 1 2 7 v 5 0 H Z 。 3 3 2 转差频率控制 转差频率控制是一种直接控制转矩的控制方式,它是在附控制的基础上,按照 辽宁工程技术大学硕士学位论文 知道异步电动机的实际转速对应的电源频率,并根据希望得到的转矩来调节变频器的 输出频率,就可以使电动机具有对应的输出转矩。这种控制方式,在控制系统中需要 安装速度传感器,有时还加有电流反馈,对频率和电流进行控制,因此,这是一种闭 环控制方式,可以使变频器具有良好的稳定性,并对急速的加减速和负载变动有良好 的响应特性。 3 3 3 矢量控制 矢量控制是通过矢量坐标电路控制电动机定子电流的大小和相位,以达到对电动 机的励磁电流和转矩电流分别进行控制,进而达到控制电动机转矩的且的。通过控制 各矢量的作用顺序和对问以及零矢量的作用时间,又可以形成各种P 嘲波,达到各种 不同的控制目的。目前在变频器中实际应用的矢量控制方式主要有基于转差频率控制 的矢量控制方式和无速度传感器的矢量控制方式两种。 基于转差频率的矢量控制方式与转差频率控制方式两者的定常特性一致,但是基 于转差频率的矢量控制还要经过坐标变换对电动机定子电流的相位进行控制,使之满 足一定的条件,以消除转矩电流过渡过程中的波动。因此,基于转差频率的矢量控制 方式比转差频率控制方式在输出特性方面能得到很大的改善。但是,这两种控制方式 属于闭环控制方式,需要在电动机上安装速度传感器,因此,应用范围受到限制。 无速度传感器矢量控制是通过坐标变换处理分别对励磁电流和转矩电流进行控 钳,然后通过控制电动机定子绕组上的电压、电流辨识转速以达到控制励磁电流和转 矩电流的目的。这种控制方式调速范围宽,启动转矩大,工作可靠,操作方便,但计 算比较复杂,实时性不是太理想。 3 3 4 直接转矩控制 直接转矩控制是利用空间矢量坐标的概念,在定子坐标系下分析交流电动机的数 学模型,控制电动机的磁链和转矩,通过检测定子电阻来达到观测定子磁链的目的, 因此省去了矢量控制等复杂的变换计算,系统直观、简洁,计算速度和精度都比矢量 控制方式有所提高。即使在开环的状态下,也能输出1 0 0 的额定转矩,对于多拖动具 有负荷平衡功能。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 3 3 4 正弦脉宽调制( S P W M ) 波的逆变器 3 4 I 变频原理 1 ) 单相正弦脉宽调制交频器的原理图,如图3 - 5 所示: 、 单 箍搬j 措嚣盘 = 曩 辫一r r jI 兰r 下 :lj翌r 一” : U 一知舅P 鳍嚣r 誓;t 毒点, L , Z - M O B F E T F _ : I: “? :”j r ; 涔隆州毒, 4; 5t :一 了一r 4 4 1 ;j 科“* 一封匾焉s 薪一 召卜毒喜毒穗 转HH 母t H “i 卜;M 譬霉譬 ;:| # 基謦睁戛冀警亨睁:鐾毒; = 豳3 - 6 单捐赫斓制变额嚣 直流电压由不可控整流电路获得。当控制T 1 、T 4 通,负载电压为+ 心方波, 极性左“+ ”,右“一”;当控制T 2 、T 3 通,负载电压为一方波,极性反之。当都不 工作时,负载电压为零。若控制T l 、T 4 同时导通和截止,且导通时间按正弦函数分布, 则负载电压的正方波的脉冲宽度由窄变宽,再由宽逐步交窄。同样,控制T 2 、T 3 的导 通和截止,负载电压的负方波脉宽也按正弦函数变化。则逆变器输出电压的基波分量 为正弦波,颓率T l 、T 4 和T 2 、T 3 切换的频率相同,改变切换频率,就能得到不同频 率的交流电压,完成变频功能。控制开关元件导通和截止时间的比例,就能达到调压 的目的,导通时间长于截止时间,输出交流电的幅值高。正弦脉宽调制波形是用三角 皮和正弦波全加获得的。 2 ) 基本概念和有关术语 称幅值、频率固定的三角波为载波信号。载波信号幅值为以,周期为五,亦称瓦 为载波周期。 称频率、幅值可变化的正弦波为调制信号。幅值为也。,周期是变化的,调制信 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 4 号的频率决定了逆变器输出交流电压的频率。 调制系数K 为正弦波幅值4 。与三角波幅值以之比。改变调制信号的幅值,能 改变正弦脉宽调制波的宽度,就能调节输出交流电压幅值。但要绝对防止K l 。 脉冲个数N 是指调制正弦信号的半个周期内所包含的脉冲个数。脉冲个数N 是衡量输出交流电压谐波分量大小的重要因素。N 的数位决定载波信号的频率与调制 信号的频率之比,受开关元件的开关频率限制。 调制过程中始终保持正弦波与载波信号同步的工作方式称为同步调制。这种调 制方法要求三角波与正弦波的零点相同,频率之比为整数倍,即厂。厂,= P ,尸,为 整数,称为载波比。令P ,= c ( 常数) ,使得N = c ,这就造成在低频时,谐波分量会 增大,使电动机有较大的转矩脉动和较大的噪音。当P ,为3 的整数倍时,同步调制 方法能保证输出波形正、负半波始终对称,且三相具有1 2 0 。对称性。 产生s P 删波的三角波与正弦波之间保持非同步关系称为异步调制,此法中,三 角波与正孩波的频率之比为变数,即f f c ,此法最大特点是三角波频率远大于 正弦波,2 且三角波的频率恒定,使得N 随正弦波频率的降低而增加,从而使低频时输 出电压谐波份量降低。 使载波比P ,随逆变器输出频率的降低而分段有级增加称为分段同步调制。 3 4 2 S P 删逆交器的工作原理 1 9 6 4 年,德国的人S c h o n u n g 等率先提出了脉宽调制变频的思路,他们把通迅系 统中 的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的P 吼变频器基本上解决了常规六 拍阶梯波变频器中存在的问题,为近代交流调速来统开辟了新的发展领域。 1 ) S P 喇逆变器原理图 S P 咖逆变器原理图如图3 - 6 所示。构成: 不可控整流环节三相桥式整流器, 中间滤波环节电容( 或电感) 滤波, 逆变器环节一由六支大功率电力半导体开关元件组成。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 豳3 - g 弹耵递交嚣荣理黯 组成主要特点: 主电路只有一个可控的功率环节,简化了结构; 使用了不可控整流器,使电网功率因数与逆变器输出电压的大小无关而接近于 l ;蠢 逆变器在调频的同时实现调压,而与中间直流环节的元件参数无关,加快了系 统的动态响应; 可获得比常规六拍阶梯波更好的输出电压波形,能抑制或消除低次谐波,使负 载电机可在近似正弦波的交变电压下运行,转矩脉动小。 2 ) s P 瓤变频器工作原理“” 首先将恒频( 5 0 H z ) 、恒压的交流电能( 简称C F C V ) 经过三相桥式整流电路转换为直 流电能,经电容滤波后,再通过逆变器将直流电能逆变成不同频率、不同电压( 简称 w V F ) 的交流电能。由于正弦脉宽调制逆变器的输出是一系列幅值恒定,宽度按正弦函 数分布的脉冲列,故称它为正弦波脉宽调制变频器( S i n ep u l s ew i d t hh o d u l a t i o n ) 简称S P 哪变频器。 , 通常采用两种方法获得S P W M 信号,一种是用模拟电路产生,简称模拟法;另一种 是用微机实时计算的方法,简称数字法。在模拟法中,是采用固定频率和幅值的三角 波和调制正弦波相叠加的方法获得s P 删信号。单、双极性逆变器中产生S P 矾, t 波形的 区别在于三角波类型不同。 a 、模拟电路产生s P 咖波形:s P 删波形产生的

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