锅炉水位系统控制的设计.doc

河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工业锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于提高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有重要意义。模糊控制是建立在人工经验基础之上的，它能将熟练操作员的实践经验加以总结和描述，并用语言表达出来，得到定性的、不精确的控制规则，不需要被控对象的数学模型。模糊控制易于被人们接受，构造容易，鲁棒性和适应性好。本文分析了汽包水位对象的动态特性，介绍传统的控制方式。由于锅炉水位控制系统的调节器输入端常加有三个输入量，极易引起水位控制偏差，本文提出了两种消除水位偏差的方法：（1）辅助信号自消方法（2）辅助信号对消方法。根据三冲量水位调节系统控制水位误差,设计采用了三冲量PID串级控制方式采用辅助信号蒸汽流量和给水流量对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状，提出了参数自整定模糊控制规则，设计了二输入三输出自适应模糊PID控制器对汽包水位进行控制，克服了传统控制方式的控制效果不精确和参数难以调整等缺点。利用MATLAB对传统PID控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统仿真，结果表明后者的自适应能力更强，抗干扰能力和鲁棒性更好，保证水位的稳定。关键词：汽包水位； 三冲量； 串级系统； PID控制； 模糊控制；AbstractThe problem of modeling and control is a attention focus of people .The boiler water lever is importance index of industry boiler safety and satabilization.it is importance meanimg to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole hert-power-net. The fuzzy control based on foundation of manpower experience,it is summarize and describe of skill wokers practise experience,it is giverd expression to using vocabulary,its gained mathematics model of nonprecise object.The fuzzy control is facility to be accepted and structure.This article analyses dynamic characteristic of water level object and introduces traditional control method.Because there are three inputs accede to adister of water lever control system of boiler,it is easy to bring error of water lever controlling.This iartice puts forward two methods to dispel error of water lever:(1)assistant signal self-disappear.(2)assistant signals each other dispel.According to three impulse control water lever error,designing three impulse PID cascade control system.A ccording to actuality of boiler control,putting forward fuzy control rule of paramete self-adaptability,designing The Self-Adaptability Fuzz PID Control System.This system gets over disadvantage of no precision and difficulting to adjust parameter for using tradition control methods.This article designes cascade PIDcontrol system and self-adaptability fuzzy PID three impulse control system for controlling water level.The simulatiom results show that fuzzy controller is better than the traditional PID controller in matlab at adptability,anti-jamming,etcKey words:Water Level; Three Impulse; Cascade System; PID Controller; Fuzzy Controller；目 录摘 要IAbstractIIII1 绪 论11.1 锅炉的工作过程简介11.2 课题背景及本文研究内容22 汽包水位特性及其控制42.1 锅炉汽包水位的特性42.1.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性52.1.2汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性83 锅炉水位PID控制系统设计113.1 PID控制原理113.2 PID对控制的影响123.3 串级控制系统143.4 汽包水位调节系统的设计174 模糊控制324.1 模糊控制的产生与发展324.2 模糊控制的基本原理334.3 模糊PID控制器375 锅炉汽包水位三冲量自适应模糊PID控制系统设计405.1 自适应模糊PID控制器的设计405.2 三冲量自适应模糊PID控制系统465.3 三冲量自适应模糊PID控制与传统PID控制仿真结果比较50结 论53致 谢55参考文献56581 绪 论1.1 锅炉的工作过程简介 锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备.其作用就是有效地把燃料中的化学能转换为热能,或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能量形式,长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备，锅炉的任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量(汽压、汽温)和相应数量的蒸汽。它所产生的蒸汽不仅能够为蒸馏、化学反应、干燥等过程提供热源，而且还可以作为风机、压缩机、泵类驱动透平的动力源。锅炉是由“锅”和“炉”两部分组成的。“锅”就是锅炉的汽水系统，如图1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、过热器5、上升管7、给水调节阀2、给水母管1及蒸汽母管6等组成。锅炉的给水用给水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收烟气的热量，使温度升高到本身压力下的沸点，成为饱和水然后引入汽包。汽包中的水经下降管进入锅炉底部的下联箱，又经炉膛四周的水冷壁进入上联箱，随即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收炉内火焰直接辐射的热，在温度不变的情况下，一部分蒸发成蒸汽，成为汽水混合物。汽水混合物在汽包中分离成水和汽，水和给水一起再进入下降管参加循环，汽则由汽包顶部的管子引往过热器，蒸汽在过热器中吸热、升温达到规定温度，成为合格蒸汽送入蒸汽母管。燃烧室燃料空气12345678图1-1锅炉的汽水系统 “炉”就是锅炉的燃烧系统，由炉膜、烟道、喷燃器、空气预热器等组成。锅炉燃料燃烧所需的空气由送风机送入，通过空气预热器，在空气预热器中吸收烟气热量，成为热空气后，与燃料按一定的比例进入炉膛燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽。然后经过过热器，形成一定的过热蒸汽，汇集到蒸汽母管。具有一定压力的过热蒸汽，经过负荷设备调节阀供负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，其中含有大量余热，除了将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还预热锅炉给水和空气，最后经烟囱排入大气。经上介绍，锅炉系统的主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系统及辅助系统等。其主要工艺流程如图1-2：(附：系统框图见大图)图1-2锅炉主要工艺流程图1燃烧嘴；2炉膛；3汽包；4减温器；5炉墙；6过热器；7省煤器；8空气预热器1.2 课题背景及本文研究内容由前述可知，在锅炉的几个调节系统中，汽包水位的控制是保证锅炉安全运行的必要条件，是锅炉正常运行的主要标志之一。锅炉的水位控制作为锅炉控制中重要的控制任务之一，在锅炉的安全生产、降低能耗、蒸汽产量和品质等方面起着重要作用。汽包水位水位过高会导致蒸汽带水进入过热器并在过热管内结垢，影响传热效率，严重的引起过热器爆管；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。汽包水位的动态特性主要有：非线性、不确定性、时滞和负荷干扰、非最小相位特征等。对锅炉汽包水位控制方法大多采用传统的PID控制方式，由于传统PID控制系统的参数是固定不变，在稳定的工况下一般可以投入自动，但在系统运行动态大幅度变化的情况下，系统不能适应，造成系统的不稳定甚至失控。在实际运行中常常需要手工操作。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，锅炉的复杂特性使得采用常规方法难以获得良好效果，近年来锅炉的建模和控制融入了智能化的手段。自从1965年加得福尼亚大学的查德ZADEH教授创建模糊集理论和1974年英国的E.H.Mamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机控制以来，模糊控制得到广泛发展并在现实中得以成功应用。模糊控制在70年代才引入中国，研究起步较晚，但发展较快，目前在模糊控制、模糊辨识、模糊聚类、模糊模式识别等领域取得很大成就。我国是最早把模糊理论引入气象预报、地震预测和高炉冶炼控制方面的国家。在自适应模糊PID控制器方面，我国的许多学者研究提出了采用模糊逻辑的非常规的PID控制器，研究表明自适应、自调整以及模糊PID不仅可以解决简单线性问题，而且对于许多复杂非线性、高阶、时延等系统具有很好的效果。最近几年对于经典模糊控制系统稳态性能的改善、模糊集成控制、模糊自适应控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数自调整模糊系统方面的研究受到学者的关注。自适应模糊控制就是运用模糊的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊表来表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入知识库中，然后根据控制系统的实际响应情况运用模糊推理即可自动调整最佳参数。本文设计了汽包水位三冲量PID串级控制系统和三冲量自适应模糊PID控制系统。提出了三冲量辅助信号对消方法消除水位偏差。根据锅炉控制现状及本人的仿真结果，提出三维PID自整定规则。仿真结果表明三冲量自适应模糊PID控制系统提高系统抗干扰能力及鲁棒性，改善控制效果。2 汽包水位特性及其控制2.1 锅炉汽包水位的特性锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常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。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。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。汽包水位不仅受汽包中储水量的影响，亦受水位下汽泡容积的影响。而水位下汽泡容积与锅炉的负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。因此，影响水位变化的因素很多，其中主要是锅炉蒸发量即蒸汽流量和给水流量。综上，引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主要扰动，那么根据汽包物质平衡,则汽包水位的动态特性可表示为如下平衡方程式：F(t)= Qw(t)- QD(t) (2-1)其中Qw(t)、QD(t)分别为给水流量与进出汽包的蒸汽，F(t)为汽包水位的变化量。通过检测仪器（蒸汽流量变送器、水流量变送器、水位变送器）可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信号,则从(2-1)式可得到:(2-2)其中为c锅炉截面积，为锅炉水重度，H(t)为水位;为水量流量系数，pw为流经水流量的节流装置的差压;为蒸汽流量系数，pD为流经蒸汽流量节流装置的差压。对式(2-2)取泰勒级数经化简可近似得到如下方程： (2-3)其中，TD、KD、TW、KW、分别与流量变送器的流量转换系数及展开的系数有关，T1、T2为水位变送器及汽包截面积有关的系数。下面我们着重讨论在给水和蒸汽流量两种主要扰动下水位对象的动态特性。2.1.1 汽包水位在给水流量作用下的动态特性给水量是锅炉的输入量，如果蒸汽负荷不变，那么在给水流量产生变化时，汽包水位的运动方程式可以表示为： (2-4)经拉氏变换后可得， (2-5)从式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数为： (2-6)对于中压锅炉，上式中TW的数值很小，常常可以忽略不计，因此式(2-6)可以进一步改写为： (2-7)其中 -反应速度，即给水流量改变单位流量时水位的变化速度，单位为毫米秒(吨小时)。从式(2-7)可知，汽包水位在给水流量作用下的动态特性为一个积分环节和一个一阶滞后环节所组成,、T2的数值可通过实验测试求得，数值的大小同锅炉的结构有关。有些锅炉当给水量增加时，在较长的一段时间里，汽包水位并不增加，有一较长的起始惯性段，对于这种锅炉用式(2-7)来表示它的动态待性，误差较大，这时可选用下面(2-8)式近似计算： (2-8)-给水量扰动下的纯滞后时间，对于非沸腾式省煤器的锅炉，为0-100秒，对于沸腾式省煤器的锅炉，100-200秒；Ta=1/-水位的反应时间，它也与锅炉结构有关。反应速度及反应时间Ta都用相对量来表示：定义为：当扰动量为100%(从满负荷突然变化到零)，水位(以允许变化的范围为100%)的变化速度，单位为每秒。Ta定义为：扰动量为100%，水位变化100%所经历的时间，单位为秒，例如：一台230吨小时的锅炉，假设汽包的正常水位力200毫米，水位的反应时间Ta为30钞。这就是说，当锅炉在满负荷运行时，如果突然停止供水，则由于出汽和进水流量的不平衡，水位将等速度下降，30秒钟下降200毫米，如果给水量减少10%(23吨小时)，则将在30秒钟水位下降20毫米。如果用反应速度表示，则当对于中压多汽包锅炉，Ta为300秒；一般中压锅炉，Ta30-100秒；高压锅炉Ta30秒。huwwttHo图2-1给水量扰动下的水位飞升曲线根据式(2-7)在阶跃输入下作给水扰动(假定在一定范围内汽包的横截面积不变，或变化不大)。可以得到如图2-1所示的反应曲线。由曲线可知：当突然加大给水量后(这时假定蒸汽量不变)，给水量大于蒸发量，但汽包水位一开始并不立即增加，而呈现出一段起始惯性段，这是因为温度较低时更多的给水进入水循环系统，它从原有饱和汽水中吸取一部分热量，汽包和汽水管路中由于热量的“损失”汽泡体积减少。进入省煤器的给水，首先必须填补由于汽水管路中汽泡减少所让出的空间，这时，虽然给水量增加，但水位基本不变。当水面下汽泡容积变化过程逐渐平静时，汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升。当水面下汽泡容积不再变化、完全稳定下来时，水位变化就随着贮水量的增加而直线上升。对于采用沸腾式省煤器的锅炉，给水作用下的惯性段要比上述情况严重得多，甚至还可能出现“假水位”现象，在这种情况下，水位变化的特性应该采用如下传递函数： (2-9)式中： , uwtthwh1hh2图2-2采用沸腾式省煤器给水作用下的水位飞升曲线图2-2是给水作用下汽包水位的反应曲线。hl是只考虑物料不平衡，即给水量大于蒸发量而产生的上升曲线，它由式(2-9)个的1Ta这一项所确定，其特性表现为积分环节，无自平衡能力；h2是由于给水量增加，蒸发面以下汽泡容积的变化引起的。h是由h1(t)为h2(t)迭加而成的它的特性实际上是两个环节的并联。由此可见，汽包水位调节对象的动态特性可以有三种形式：反应曲线变化最快的可用式(2-7)表示，这时的动态特性可以等效为一个积分环节和一个惯性环节相串联；其次是用式(2-8)表示，相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联；在有“假水位”的情况下，需要用式(2-9)来表示其动态特性。对于不同的锅炉设备，究竟采用何种形式的传递函数来表示它的动态特性，还要根据具体条件来定，原则是：表达特性最符合实际情况、传递函数式尽可能地简单。2.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性，可以直接从式(2-3)导出(假定给水量不变)： (2-10)拉氏变换后可得： (2-11)则： (2-12)上式可以用两个动态环节的并联来等效，即： (2-13)其中 ， uDDtth2hhh3图2-3蒸汽流量扰动下时的水位飞升曲线在蒸汽流量扰动下水位的阶跃反应曲线如图2-3所示。对大部分调节对象而言，平衡受到破坏的主要影响因素是系统中物料或能量的不平衡。锅炉汽包水位对象，除上述对象具有的特性以外还有它特有的性质。当负荷设备的用汽量突然增加D(假定供热量及时跟上)，单从物料不平衡考虑，汽包中蒸发量大于给水量，汽包水位应如图2-3中h1所示，相当于式(2-13)中的1Ta这一项，是直线下降的。但是实际水位不是h1而是h，在扰动的初始瞬间水位不但没有下降而且是上升的。这是由于锅炉汽包蒸发面以下和水管系统中蒸汽容积随负荷的变化而改变所致。在蒸发面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸发过程的连续性，在蒸汽向汽水分界面移动的过程中，会有一部分蒸汽在某一段时间内处于水中在一定负荷和一定压力下，蒸汽发生量与蒸发面以下蒸汽含量之间有一个确定的对应关系，蒸发面以下的蒸汽容积可以用下式表示： (2-14) 式中，Vs-蒸发面以下的蒸汽容积；k-比例系数，随负荷不同而异；W1-汽化强度；-饱和蒸汽重度；-汽泡在水中平均停留时间。当蒸汽流量D阶跃增加时，汽包中压力减小，汽水循环管路中水的汽化强度W1加，蒸发面以下蒸汽容积VS增加。汽泡体积膨胀而使水位变化的曲线如图2-3中h2所示，实际水位变化曲线h就是h1和h2的迭加。从图中可以看出，当蒸汽量变化时，汽包水位的变化具有特殊的形式，负荷阶跃增大时，汽水混合物中蒸汽的容积迅速增加。此时虽然蒸发量大于给水量，但水位不仅不下降，反而迅速上升。这种特殊现象称为“虚假水位”。当汽水混合物中汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位才反映出物料的不平衡，开始下降。应该指出，当负荷阶跃改变时，水面下汽泡容积变化引起的水位变化是很快的，图2-3中h2的时间常数只有10-20秒。由于“假水位”而出现的水位最大偏差很难依靠调节来克服，如果要求水位波动不能太大，只有限制负荷D的变化速度或限制负荷一次变化量。“虚假水位”变化的幅度与锅炉的汽压与蒸汽量有关，对于般100-230吨小时的中高压锅炉加负荷阶跃变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达30-40毫米。从以上动态特性分析中可以得到如下结论：(1)汽包水位调节对象在给水量作用下，具有纯迟延和惯性，无自衡能力。具体特性可用三种形式来描述，究竟采用何种形式，可根据锅炉结构和汽化强度来定。(2)汽包水位调节对象在蒸汽流量扰动下，非但没有自平衡能力，而且存在着“假水位”现象,“假水位”的变化速度很快，变化幅度与蒸发量扰动大小成正比也与压力变化速度成正比，在设计调节系统时必须考虑。3 锅炉水位PID控制系统设计3.1 PID控制原理在控制系统中,控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图3-1所示。系统由PID控制器和被控对象组成。比例P微分D积分I被控对象r(t) + e(t)+-u(t)y(t)图3-1 PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)=r(t)-y(t)。 将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控制对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为： (3-1)或写成传递函数形式： (3-2)式中，KP-比例系数；TI-积分时间常数；TD-微分时间常数。计算机控制系统是时间离散控制系统，对式(3-1)进行离散化，即为数字PID控制器，得到数字控制算法即位置式PID控制算法： (3-3)数字PID控制器的z传递函数为: (3-4)其中，KP为为比例系数； 为积分系数； 为微分系数。位置式PID控制算法是全量输出，计算时要对e(k)进行累加，计算机运算工作量大，而且，计算机输出的u(t)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(t)的大幅度变化，会引起执行机构的位置的大幅度变化，这种情况往往是生产实践中不允许的。目前比较广泛应用的是增量式PID控制算法，其算式如式(3-5)，其输出是控制量的增量u(k)。 (3-5)增量式PID算法与位置式PID算法比较，具有以下优点：（1）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。（2）手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故仍能保持原值。（3）算式中不需要累加。控制增量u(k)的确定，仅与最近次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式控制也有其不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。3.2 PID对控制的影响 一、比例P调节在P调节中，调节器的输出信号与偏差信号成比例，即 。 比例调节是有差调节，比例调节的残差随着比例带的加大而加大。 称为比例带，其中KP为比例系数。人们希望尽量减小比例带，然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统的激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。比例带具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小比例带系统就不稳定了。二、积分I调节在I调节中，调节的输出信号的变化速度 与偏差信号e成正比，即 或 。 称为积分速度，其中TI为积分时间常数。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直至出现发散的振荡过程。I调节是无差调节，只有当被调量偏差为零时，I调节的输出才保持不变。I调节的稳定作用比P调节差,如果只采用I调节不可能得到稳定的系统，且振荡频率较低。三、微分D调节D调节中的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比，即 。TD为微分时间。微分的作用在于改善系统的动态特性。单纯的微分调节器是不能工作的。因此微分调节只能起辅助的调节作用，与P结合PD或与PI构成PID调节。总之，PID控制器中，比例环节主要减少偏差；积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度；微分调节能加快系统的动作速度，减少调节时间。四、PID控制器的参数整定控制器的参数整定对系统的控制质量起到了决定性的作用。确定控制器最佳过渡过程中的比例带，积分时间TI和微分时间TD的数值称为控制器参数整定。控制器参数整定的方法，在工程上常用的有以下几种工程整定法。1、经验法：其整定参数的顺序是，先整定比例带，待过渡过程稳定后再加入积分作用以消除余差，最后加入微分，以加快过渡过程，进一步提高控制质量。PID控制器的经验法整定：先将TD置为0，置TI为，先整定比例带使之达到4：1衰减过程，然后将比例带放大（10%-20%），而积分时间TI由大到小逐步加入，直至达到4：1的衰减过程，然后将比例带减小到比原值小（10%-20%）的位置，而积分时间也适当减小，再把TD由小到大加入，观察曲线，直到满意的过程为止。2、稳定边界法：这是一种闭环的整定方法。具体步骤如下：置控制器积分时间到最大值，微分时间为0，比例带最大，使系统投试运行。待系统运行稳定后，逐渐减小比例带，直到系统出现等幅振荡，即临界振荡过程如图3-2。记录此时的临界比例带K及两个波峰的时间TK利用K和TK值，按稳定边界法计算表给出的相应公式求出控制器的稳定参数、TI、TD。3、衰减曲线法：它是在经验法和稳定边界潜藏顾虑，针对它们的不足，反复实验而得出的一种参数整方法。具体步骤如下：将控制器积分时间TI为最大值，微分时间为0，在纯比例作用下，系统试运行。待系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统响应如图3-3。若系统响应衰减太快，则减小比例带，反之，则增大比例带。直到系统出现4：1的衰减振荡过程，记下此时的比例带和TS的数值。利用4：1衰减整定参数表求得控制器的PID数值。将比例带放到比计算值大一些的数值上，然后把积分时间按计算值加入，再把微分时间加入，最后把比例带减小到计算值，观察过渡过程曲线，调整到满意的结果。tttTkTsrrr0r000tyy00t041图3-2稳定边界法曲线 图3-3衰减曲线法曲线3.3 串级控制系统一、串级控制系统串级控制是改善控制系统品质的有效方法之一，在工业过程控制中应用很广泛。串级系统在结构上形成两个闭环。串级系统的计算顺序是先主环后副环。副环在控制过程中起着“粗调”作用，主环用来完成“细调”的任务，以最终保证被调量满足工艺要求。串级控制系统如图3-4所示。主调节器副调节器调节器副对象主对象副调节器副调节器副参数二次扰动一次扰动主参数设定副参数设定图3-4串级控制系统图串级控制系统具有以下较好的控制性能：对二次干扰有很强的克服能力。改善了对象的动态特性，提高了系统的工作能力。对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。二、串级控制系统设计的几个问题1、副参数的选择应使副环的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。副环应包含被控对象所受到的主要干扰。2、为确保串级系统不受共振现象的威胁，取Td13Td2，一般Td1=(3-10)Td2。3、串级系统控制方式有两种：一种是异步采样控制，即主环的采样控制周期是副环采样控制周期的整数倍。另一种是同步采样控制，即是主、副环的采样控制周期相同，这时，应根据副环选择采样周期，因为副环的受控对象的响应速度快。4、串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型有不同的考虑。副调节器的任务是要快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动，而且副参数则并不要求无差，所以一般情况选项P调节器，如主副环频率相差很大，也可采用PI调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合，工艺上对控制品质的要求总是很高的，不允许被调量存在偏差，因此，主调节器一般采用PI调节器，如副环外面的容积数目较多，同时有主要扰动落在副环外面的话，采用PID调节器。三、串级控制系统的参数整定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：逐步逼近法、两步整定法。逐步逼近法的具体步骤如下：（1）首先整定副回路。此时断开主回路，按单回路控制系统整定方法确定副回路参数，记第一次整定值WC21。（2）然后整定主回路。把刚整定好的副回路作为主回路中的一个环节，仍按单回路控制整定方法，确定主控制器的整定参数，记为WC11，此时，主副回路都闭合。（3）再次整定副回路。在主回路闭合，主控制器整定参数为WC11及WC22。至此，完成一个逼近循环。若控制质量达到要求，主副控制的整定参数分别取WC11和WC22。（4）若控制质量仍不能达要求，按步骤2继续整定求取WC12，循环进行直至达到要求。两步整定法具体步骤如下：（1）先整定副回路。在主、副回路均闭合，主、副控制器都置于纯比例作用的条件下，先将主控制器的比例带放在100%处。按单回路控制系统整定副回路：逐渐降低副控制器的比例带，得到副变量在4：1递减比下的副控制器的比例带2s和副变量振荡周期T2s。（2）然后整定主回路。主、副回路仍闭合，将副控制器的比例带置于值上，将副回路看作是主回路的一个环节，用同样的方法整定主控制器：即逐渐降低主控制器的比例带，得到主变量4：1递减比下的主控制器比例带1s和主变量振荡周期T1s。（3）按上面得到的值，结合控制器的选型，利用单回路控制系统衰减曲线法的整定计算公式，分别计算主、副控制器的整定参数值：比例带、积分时间TI、微分时间TD。（4）先副后主，先比例次积分后微分的顺序，将计算出的参数值设置到相应的控制器上。（5）然后再作一些扰动试验，若发现控制过程曲线不够理想，可再进行适当调整，直到控制品质符合要求。应用两步整定参数法，其结果比较准确，而且整定步骤大为简化，因而获得广泛的应用。3.4 汽包水位调节系统的设计一、单冲量水位调节系统单冲量水位自动调节如图3-5所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。水位测量信号经变送器送到水位调节器，水位调节器根据水位测量值与给定值的偏差去控制给水阀门，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。PIGvHmGoHH0+-图3-5单冲量水位调节系统从单冲量调节系统静特性看，单冲量调节器宜选用比例积分调节规律，如选用纯比例调节则： (3-6)式中h-汽包水位；H0-水位的给定值；-调节器比例度；u-调节阀开度。调节结果水位必定有余差。调节系统的静特性如图3-6所示，图中虚线表示在蒸汽流量变化时“虚假水位”所能达到的极限位置。DMD1DH图3-6单冲量纯比例调节系统静特性增负荷后，调节系统达到稳定时，新的稳定水位就比原来的稳定水位要低。当蒸汽负荷稳定在最大值DM时，稳定水位达到静态特性的最低值。下一步发生的负荷变化只会使负荷降低，而不可能再提高，由于降负荷引起的“虚假水位”必然是使水位进一步下降。反之，当蒸汽负荷稳定在最小值D0时，则稳定水位达到了最高值，而下一次因负荷增大造成的“虚假水位” 使水位还得上升，因此从锅炉的运行观点看单冲量纯比例调节系统的这种下降的静特性将造成极大的水位波动，因而是不合适的，采用比例积分调节规律，可以消除水位的静态偏差，因而使水位的波动幅度减少。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。单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有(1)这种调节方案只根据水位调节给水量，在负荷变化时，由于“虚假水位”现象，在调节过程一开始，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，扩大了进出流量的不平衡。(2)从给水扰动下水位变化的动态特性可以估计到，当水位已经偏离给定值后再调节给水量，因给水量改变后要经过一定迟延时间才能影响到水位，因此必将导致水位波动幅度大、调节时间长。二、双冲量水位调节系统对于存在在扰动的系统,可以直接按照扰动进行控制,称作前馈控制,在理论上,它可以消除扰动引起的偏差。在汽包水位双冲量调节系统中引入蒸汽流量为前馈信号，构成如图3-7所示的双冲量水位自动调节系统。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特性，提高调节质量如调节器选用纯比例调节规律。则： (3-7)HH0DGF2GcGvGo1Hm+-D图3-7汽包水位双冲量调节系统原理图式中: -静态前馈系数;D-蒸汽流量。在加有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了了补偿，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。根据前馈原理，有如下关系式： ,则 在稳定条件下 D=W=u代入式(3-7)可得: (3-8)DDoDmH图3-8双冲量纯比例水位凋节系统静特性从(3-8)式可以看出，在双冲量水位调节中，若加大蒸汽冲量的静态前馈系数使D，调节系统就具有向上倾斜的静特性,如图(3-8)所示这种向上倾斜的静特性当蒸汽负荷稳定在最大值Dm时，稳定水位达到静特件的最高值，降负荷时“虚假水位”信号与之有相反的方向这样既使汽包水位的波动范围大为减小。从式(3-8)可以看出，当时D=时，虽然调节器选用纯比例规律，系统的静特性是无差的，呈一条水平线。由此可见，调节系统的无差特性并非一定要用积分调节规律，采用多冲量调节用纯比例调节规律，也可以得到系统无差的静特性。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。三、三冲量水位调节系统近代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10-30秒内就会发生危险水位，如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，为了把水位控制稳定，锅炉水位调节常辅助有蒸汽流量和给水流量动态补偿，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，如图3-9所示。在这个系统里，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。D、W引入系统的符号，根据各自信号的增减对水位H的影响来定。如蒸汽流量D，当DW时，水位H降低，要使水位H不变就必须在原有给定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D引入系统的符号为“+”。H、W引入系统的符号可用同样的方法来确定。由于三冲量调节系统抗干扰能力和调节品质都比单冲量、双冲量调节要好，因此应用也最多。图3-9三冲量汽包水位调节系统(一)三冲量水位调节系统的分析图3-10是三冲量水位调节系统的原理图。从方块图上可以看出，这个系统有两个闭合回路；(1)是由给水流量W、给水分流器w、调节器Gc、调节阀Kv组成的内回路.(2)由水位调节对象Go1和内