锅炉汽包水位控制系统毕业论文.doc

摘 要锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。汽包水位是锅炉运行的主要指标，汽包水位过高过低都会影响运行的安全与经济性，必须严格加以控制。本文主要是用MATLAB对锅炉汽包水位控制系统进行仿真研究。建立了锅炉汽包水位对象的数学模型和控制系统，并用Matlab语言在计算机上编制锅炉汽包水位控制系统的仿真程序。通过对象特性、最佳PID参数整定、控制系统比较分析及鲁棒性仿真研究，本文了解了汽包水位对象特性、整定出了最佳PID参数、总结出了各种控制方案的特点与适用场合，并提出用模糊自适应整定PID控制器实现自适应控制的方案。 关键词：锅炉汽包水位；控制系统；仿真研究；Matlab AbstractBoiler is a essential power equipment in chemical industry, oil refining, electricity generation and other industrial production process. Boiler drum water level is a chief indicator of Boiler working, drum water level too high or too low will affect the safe operation and the economy, it must be strictly controlled. This article is mainly about the simulation study of boiler drum water level control system,established the mathematical model and control system of boiler drum water level, and made the simulation programs of boiler drum level control system using Matlab Language on the computer. Through the simulation study of object properties and the Best PID parameters tuning and the Analysis and comparison of control system and robust research, This article acquainted the object characteristics of the drum water level and found out the best PID parameters, summed up the characteristics of kinds of control programs, and proposed the control program of using fuzzy adaptive tuning PID controller .Key words: boiler drum water level; control system; simulation study; matlab目 录第1章 概述11.1 锅炉的种类11.2 锅炉的工艺流程11.3 锅炉的工艺参数和主要控制系统2第2章 锅炉汽包水位对象数学模型的归纳42.1 蒸汽负荷对水位的影响42.2 给水流量对水位的影响5第3章 锅炉汽包水位控制系统的方案分析73.1 单冲量控制系统73.2 双冲量控制系统83.3 三冲量控制系统9第4章 锅炉汽包水位控制系统程序设计与仿真研究114.1 仿真的目的和意义114.2 仿真软件和最佳PID参数整定方法114.3 锅炉汽包水位对象程序设计与仿真研究134.4 锅炉汽包水位控制系统程序设计与仿真研究174.5 各控制系统鲁棒性的仿真研究33第5章 用模糊自适应整定PID控制器实现自适应控制405.1 模糊自适应整定PID控制原理405.2 用模糊自适应整定PID控制实现自适应控制的初步设计42结 论45参考文献46致 谢47附 录4852第1章 概述锅炉是化工、炼油、发电等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。它所产生的高压蒸汽，既可作为风机、压缩机、大型泵类的驱动透平的动力源，又可作为蒸馏、化学反应、干燥和蒸发过程的热源。随着工业生产规模的不断扩张，生产设备的不断革新，作为全厂动力和热源的锅炉，亦向着大容量、高效率发展。为了确保安全，稳定生产，锅炉设备的控制系统就显得愈加重要。1.1 锅炉的种类按锅炉的容量、蒸汽压力、蒸发量、燃料种类的不同，锅炉可以有多种分类。（1）按锅炉的容量可分为：小型锅炉、中型锅炉、大型锅炉和超大型锅炉。（2）按蒸汽压力可分为：低压锅炉，压力小于等于2.45MPa；中压锅炉，压力为2.944.90MPa；高压锅炉，压力为7.8410.8MPa；超高压锅炉，压力为11.814.7MPa；亚临界压力锅炉，压力为15.719.6MPa；超临界压力锅炉，压力大于等于22MPa。（3）按蒸发量可分为：小型锅炉，蒸发量小于20 t/h；中型锅炉，蒸发量为20 t/h 至 75 t/h；大型锅炉，蒸发量大于75 t/h。（4）按燃料种类分，在各个工业部门中，应用最多的有燃油锅炉、燃气锅炉和燃煤锅炉。在石油化工、炼油的生产过程中，往往产生各种不同的残油、残渣、驰放气及炼厂气。为充分利用这些燃料，所以有油、气混合燃烧锅炉和油、气、煤混合燃烧锅炉。在化工、造纸、制糖等工艺过程中，还会产生各种毫无规则的聚合物、残渣等。可利用这些“燃料”产生的热量，以及在化工生产中化学反应生成的热量，来生产各个部门所需的蒸汽，因此又形成了废热锅炉。1.2 锅炉的工艺流程由于锅炉的燃料种类、燃烧设备、制粉系统、炉体型式、锅炉功能和运行要求不同，锅炉有各种各样的流程。所有这些锅炉，种类各不相同，但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。常见的锅炉设备的主要工艺流程如图1-1所示。由图可知，燃料和热空气按一定的比例送入燃料室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽Ds。然后经过热器，形成一定汽温的过热蒸汽D，汇集至蒸汽母管。压力为PM的过热蒸汽，经负荷设备控制供给负荷设备用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风机送往烟囱，排入大气1。图1-1 锅炉设备的主要工艺流程图1.3 锅炉的工艺参数和主要控制系统锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格的蒸汽，使锅炉发汽量适应负荷的需要。为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。锅炉设备是一个复杂的控制对象，主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风等。主要输出变量是汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度，炉膛负压，过剩空气（氧气含氧量）等。这些输入和输出变量之间相互关联。如果蒸汽负荷发生变化，必将会引起汽包水位、蒸汽压力和过热蒸汽温度等的变化。燃料量的变化不仅影响蒸汽压力，同时还会影响汽包水位、过热蒸汽温度、过剩空气和炉膛负压；给水量的变化不仅影响汽包水位，而且对蒸汽压力、过热蒸汽温度等亦有影响；减温水的变化会导致过热蒸汽温度、蒸汽压力、汽包水位等的变化；等等。所以锅炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的控制对象，目前工程处理上作了一些假设后，将锅炉设备控制划为若干控制系统。主要控制系统如下。（1）锅炉汽包水位的控制。受控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。它主要考虑汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包中水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的重要指标。（2）锅炉燃烧系统的控制。其控制目的是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要（常以蒸汽压力为受控变量）；使燃料与空气量之间保持一定的比值，以保证最经济燃烧（常以烟气成分为受控变量），提高锅炉的燃烧效率；使引风量与送风量相适应，以保持炉膛负压在一定的范围内。为达到上述三个控制目的，控制手段也有三个，即燃料量、送风量和引风量。（3）炉膛负压的控制。维持炉膛负压一是为了防止一氧化碳等有毒物质排除，产生人体伤害。二是为了防止大负压进入大量冷空气使炉膛降温。（4）过热蒸汽系统的控制。维持过热器出口温度在允许范围内，并保证管壁温度不超过允许的工作温度。受控变量一般是过热器出口温度，操纵变量是减温器的喷水量。第2章 锅炉汽包水位对象数学模型的归纳数学模型是描述对象内部个物理量（或变量）之间的数学表达式或图形表达式。用实验测定法建立数学模型是对系统施加一定的激励（输入），测得它的输出，根据输入输出的数据（或曲线）结果，通过一定的处理方法，得到反映系统输入、输出关系的数学模式。对于锅炉汽包水位对象是一个复杂的实体，其影响因素有很多。蒸汽流量、给水流量、锅炉排污、吹灰等对水位都会有影响。锅炉排污自汽包里放水，吹灰时使用锅炉自身的蒸汽，这些都是短时间负荷的干扰。蒸汽流量和给水流量是锅炉汽包水位最主要的干扰。2.1 蒸汽负荷对水位的影响蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位的影响，即干扰通道的动态特性。在燃料量不变的情况下，蒸汽用量突然增加，瞬时间必然导致汽包压力下降，汽包内水的沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，将整个水位抬高，形成虚假的水位上升现象，即所谓假水位现象。在蒸汽流量干扰下，水位变化的阶段响应曲线如图2-1所示。图2-1 蒸汽流量干扰下水位的阶段响应曲线当蒸汽流量突然增加时，由于假水位现象，在开始阶段水位不仅不会下降，反而先上升，然后下降（反之，当蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后上升）。蒸汽流量突然增加时，实际水位的变化H，是不考虑水面下汽泡容积变化时水位变化H1，与只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化H2的叠加，即 （2-1）用传递函数来描述可以表示为 （2-2） 式中 在蒸汽流量作用下，阶跃响应曲线的飞生速度；K、T 分别为只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化H2的放大倍数和时间常数。假水位变化的大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关，例如一般100300t/h的中高压锅炉，当负荷突然变化10%时，假水位可达3040mm。2.2 给水流量对水位的影响给水流量对水位的影响，即控制通道的动态特性，在给水流量作用下，水位阶跃响应曲线如图2-2所示。图2-2 给水流量作用下水位的阶跃响应曲线把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线如图中H1线。但由于给水温度比汽包内饱和水温度低，所以给水量变化后，使汽包中汽泡含量减少，导致水位下降。因此实际水位响应曲线如图中H线，即当突然加大给水量后，汽包水位一开始不立即增加，而要呈现出一段起始惯性段。用传递函数来描述时，它相当于一个积分环节和一个纯滞后环节的串联，可表示为 （2-3）式中 给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞生速度； 纯滞后时间。给水温度越低，纯滞后时间越大。一般约在15100秒之间。如采用省煤器，则由于省煤器本身的延迟，会使增加到100200秒之间。根据锅炉汽包水位蒸汽流量和给水流量对水位影响的动态特性可归纳得出控制通道数学模型为 （2-4）干扰通道的数学模型为 （2-5）第3章 锅炉汽包水位控制系统的方案分析汽包水位是锅炉运行的主要指标。如果水位过低、则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏和爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生汽带液现象，会使过热器管壁结垢导致破坏，同时过热蒸汽温度急剧下降，该蒸汽作为汽轮机动力的话，还会损坏气轮机叶片，影响运行的安全与经济性。汽包水位过高过低的后果极为严重，所以必须严格加以控制。锅炉汽包水位控制系统主要有以下三种。3.1 单冲量控制系统 汽包水位的控制手段是控制给水，基于这一原理，可构成单冲量控制系统。这里指的单冲量即汽包水位。单冲量控制系统原理图及方块图如图3-1所示。这种控制系统是典型的单回路控制系统。当蒸汽负荷突然大幅度增加，由于假水位现象，控制器不但不能开大给水阀增加给水量，以维持锅炉的物料平衡，反而关小控制阀的开度，减少给水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量减少，使水位严重下降，波动很厉害，这种情况严重时会使汽包水位降到危险程度以致发生事故。 a）原理图 b）方块图图3-1 单冲量控制系统原理图及方块图3.2 双冲量控制系统在汽包水位的控制中，最主要的干扰是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作十分及时，从而减少水位的波动，改善控制品质。将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统，图3-2是典型的双冲量控制系统原理及方块图。这是一个前馈（蒸汽流量）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前馈，若需要考虑两条通道在动态上的差异，须加入动态补偿环节。图3-2所示的连接方式中，加法器的输出是 （3-1）PC水位控制器的输出；PF蒸汽流量变送器（一般经开方器）的输出；C0初始偏置值 (阀位的初值)C1,C2加法器的系数。 a）原理图 b）方块图图3-2 双冲量控制系统原理图及方块图现在分析这些系数的设置。C2项取正号还是负号，即进行加法还是减法，要看控制阀是气开还是气关而定。控制阀的气开与气关的选用，一般从生产安全角度考虑。如果高压蒸汽是供给蒸汽透平压缩机等，那么为保护这些设备选用气开阀为宜；如果蒸汽作为加热及工艺物料用时，为保护锅炉以采用气关阀为宜。因为在蒸汽流量加大时，给水流量亦要加大，如采用气关阀，P0应减小，即应该取负号；如果采用气开阀，P0应增加，即应取正号。C2的数值应考虑达到稳态补偿。如果在现场凑试，那么应在只有负荷干扰的条件下，调整到水位基本不变。如果有阀门特性数据，也可进行计算。C1的设置比较简单，可取1，也可小于1。不难看出C1与控制器的放大倍数的乘积相当于简单控制系统中控制器放大倍数Kc的作用。C0是个恒值，设置C0的目的是在正常负荷下，是控制器和加法器的输出都能有一个比较适中的数值。最好在正常负荷下C0值与C2PF项正好抵消。还可以采用另一种接法，将加法器放在控制器之前，如图3-3所示。由于水位上升与蒸汽流量增加时，阀门动作方向相反，所以一定是信号相减。这样的接法好处是使用仪表少，一只双通道的控制器就可以实现加减和控制的功能2。图3-3 双冲量控制系统其它接法3.3 三冲量控制系统双冲量控制系统还有两个弱点：控制阀的工作特性不一定是线性的，要做到静态补偿比较困难；对于给水系统的干扰仍不能克服。为此，可再引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，三冲量控制系统原理图和方框图如图3-4所示。这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。a）原理图 b）方块图图3-4 三冲量控制系统原理图及方块图 系数设置是这样的，系数C1通常可取1或稍小于1的数值。假设采用气开阀，C2就去正值。C0的设置与双冲量控制系统相同。水位控制器和流量控制器的参数整定方法与一般串级控制系统相同。 a）第二种接法 b）第三种接法图3-5 三冲量控制系统其它接法还可以采用比较简单的三冲量控制系统，只用一台加法器，第二种接法加法器接在控制器之前如图3-5 a）所示，这种接法使用仪表少，容易实现。第三种接法加法器接在控制器之后如图3-5 b）所示3。第4章 锅炉汽包水位控制系统程序设计与仿真研究4.1 仿真的目的和意义“仿真”一词译自英文Simulation,另一个曾经用过的译名是“模拟”。从字面上解释“仿真”和“模拟”都是表示“模拟仿真世界”的意思。虽然人们很早就采用了模型来分析与研究真实世界的方法亦即“仿真”或“模拟”的方法,但严格地讲,只有在世界20世纪40年代末计算机(模拟计算机及数字计算机)的问世,才为建立模型及对模型进行试验提供了强有力的支持,仿真技术也才获得了迅速的发展并逐步成为一门独立的学科.仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合技术。它利用物理或数学方法来建立模型，类比模拟现实过程或者建立假想系统，以寻求过程的规律，研究系统的动态特性，从而达到认识和改造实际系统的目的。在实际中，控制系统及设备在投运使用之前其控制器的最佳参数是不知道的，若直接在线调整控制器参数，效率太低，更主要的是会影响产品质量。为此，要用仿真的方法整定出它们的最佳参数，然后再应用到实际设备及控制器上，再经过对参数进行微调，从而得到实际控制的最佳参数。这样既方便快捷，又能保证产品质量。4.2 仿真软件和最佳PID参数整定方法4.2.1 MATLAB仿真软件简介MATLAB名字有Matrix和Laboratory两词的前三个字母组合而成。意为“矩阵实验室” 。目前，MATLAB已成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB已经不仅仅是“矩阵实验室”了，它已经成为一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要角色。MATLAB的功能也越来越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。MATLAB环境下的SIMULINK是Mathworks公司开发的一个有重要影响力的软件产品。他有两个显著的功能：SIMU（仿真）和LINK（连接），即可以方便地利用鼠标在模型窗口上画出所需系统模型图，来对系统进行建模、仿真和分析，从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得相当简单和直观。SIMULINK不能独立运行，只能在MATLAB环境中运行。SIMULINK提供了一个图形化的用户界面，采用这种结构化模型就像用笔和纸来画一样容易，与传统的仿真软件包用位分方程核差分方程建模相比具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK包含Sink（输出方式）、Sources（输入源）、Continuous（连续环节）、Nonlinear（非线性）、Discerte（离散环节）、Signals&System（信号与系统）、Math（数学模块）和Functions&Tables（函数和查询表）等模型库。随着该软件的发展，模型库不断得到丰富和发展。用户也可以定制和创建用户自己的模块。SIMULINK的使用对象广泛，既支持连续与离散系统以及连续离散混合系统，也支持线性与非线性系统，还支持具有多种采样频率的系统，也就是不同的系统能够以不同的采样频率进行组合，以仿真较大较复杂的系统。使用SIMULINK可以很容易地创建一个新的模型，或者是修改旧的模型。仿真过程是交互的，可以随时修改参数，并且能够立即看到仿真结果。在SIMULINK中能够直接访问MATLAB中所有的工具箱，并可得到可视化的分析结果。用SIMULINK创建的模型可以具有递阶结构，因此用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观察模型，然后用鼠标双击其中的子系统模型，来检查下一级的内容，以此类推，从而可以看到整个模型的细节，帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系。在模型创建以后，用户可以通过SIMULINK的菜单命令或MATLAB的命令窗口输入命令来对它进行仿真。通过Scope模块和其他的画图模块，在仿真进行的同时，可以观察仿真结果。除此之外，用户还可以改变参数来迅速观察系统中发生的变化。仿真的结构可以同时存放到MATLAB的工作空间内，供以后的计算、分析之用。此外，SIMULINK还包括线性化和平衡点分析等模型分析工具4。4.2.2 最佳PID参数整定方法PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。控制器是控制系统的心脏。数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，它将偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线形组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。比例作用的特点是控制及时，具有自适应性，但是存在余差。积分作用的特点是可以清除余差，但会降低系统稳定性。积分作用越强，余差越小，稳定性越低。微分作用的特点是具有预见性，可以提高系统稳定性，但微分作用也不能太强，否则反而使系统不稳定。PID控制要取得较好的控制效果，必须通过调整好比例、积分和微分三种控制作用，形成控制量中既要相互配合又相互制约的关系。控制器参数有很多整定方法。常用的有经验凑试法、临界比例度法、衰减振荡法和响应曲线法。此法是将控制系统分类，。按液位、流量、压力、温度来分。属同一类别的系统对象特性比较接近，其控制器形式和整定的参数均可相互参考。经验凑试法按受控变量的性质提出控制器参数的合适范围，按P、I、D的顺序依次调试。这种方法最简单方便。也是本文所使用的方法。对于串级控制系统，副回路整定的要求较低，参数整定宜用先副后主的方式。有时欲更好的发挥副回路快速性作用，副回路控制可整定的偏强一些。整定主控制器的的方法与单回路控制时相同。由于来自外界的各种扰动不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目的，控制作用就必须不断的进行。若扰动出现使得现场控制对象值(被控参数)发生变化，现场检测元件就会将这种变化记录并传送给PID控制器，改变过程变量值，经变送器送至PID 控制器的输入端，并与其给定值进行比较得到偏差值，调节器按此偏差并以我们预先设定的整定参数控制规律发出控制信号，去改变调节阀的开度，使调节阀的开度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并趋向于给定值，以达到控制目的。定值控制系统调节的最佳曲线一般是三个半波，且衰减比为10:1到4:1。4.3 锅炉汽包水位对象程序设计与仿真研究4.3.1 对象模拟程序的设计在本文中，对于锅炉汽包水位对象数学模型，选取如下一组数据作为特性参数：e0 =0.7(mm/s)/(t/h)，=100s，ef =0.8(mm/s)/(t/h)，K=50，T=20s（为了方便在以下论述中省略数据单位）。 a）控制通道仿真程序b）干扰通道仿真程序图4-1 锅炉汽包水位的仿真程序用MATLAB环境下的SIMULINK编制汽包水位对象的仿真程序。 如图4-1所示，控制通道传递函数 （4-1）用一个Integrator(积分)模块和一个Transport Delay(传递延迟)模块串联实现。干扰通道传递函数 （4-2）道用两个Transfor Fcn(传递函数)模块，分别设置Transfor Fcn(传递函数)模块参数成一个一阶惯性环节和一个比例积分环节求和实现。蒸汽流量和给水流量的扰动分别用两个阶跃信号实现。用Scope显示仿真结果。在实际的控制系统中，干扰信号是电信号，给定值是电信号，测量液位仪表的输出也是电信号，其电信号的范围都转换成15V，它们的变化范围都是4V。在仿真实验中，加入20%的干扰，即干扰值为0.8，表示实际的0.8V。在本文中液位输出显示范围都统一为-22，表示的变化范围是4V。为了使输出统一在-22范围内，把系统输出用Gain（增益）模块进行调整。如图4-1 a）是控制通道仿真程序，图4-1 b）是干扰通道仿真程序。仿真结果如图4-2。图4-2 a）是控制通道阶跃响应仿真结果，当给水流量突然增加20%，汽包水位并不立即增加，而是延迟一段时间（100秒），这个时间是纯滞后时间。图4-2 b）是干扰通道阶跃响应仿真结果，蒸汽流量突然增加20%，在开始阶段水位不但不下降，反而先上升，然后下降，这是虚假液位现象。 a）给水流量干扰下水位的阶段响应 b) 蒸汽流量干扰下水位的阶段响应图4-2 锅炉汽包水位对象特性的仿真结果4.3.2 改变K值分别取K=100和K=1，仿真结果如图4-3所示。与4-2 b）比较，可以发现K越大假液位现象越严重且持续时间越长。当K小于1时，假液位现象基本消失。 a)K=100时仿真结果 b)K=1时仿真结果图4-3 改变K值的仿真结果4.3.3 改变T值分别取T=100、T=5、T=1和T=0.1，仿真结果如图4-4所示。与图4-2 b）比较，可以看出T越小，假液位上升越快，假液位现象也越严重。在T 小于100大于 1的范围内较明显。内当T大于等于100时，假液位现象基本消失。当T小于1时，假液位对输出幅值和液位上升速度的影响没有太大区别。 a)T=100时仿真结果 b)T=5时仿真结果 c)T=1时仿真结果 d)T=0.1时仿真结果图4-4 改变T值的仿真结果 4.3.4 改变值分别取=150和=50，仿真结果如图4-5所示。由图可知越大，滞后时间越长，反之越短。 a)=150时仿真结果 b)=50时仿真结果图4-5 改变值的仿真结果经过以上研究可知，影响锅炉汽包液位特性的参数主要是只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化H2的放大倍数K和时间常数T和纯滞后时间。K对假水位现象影响最为明显，K越大假液位现象越严重且持续时间越长。T对假水位幅值影响较小，而对假水位上升速度影响很大。在一定范围内，T越小，假液位上升越快，假液位现象也越严重。当T大于某一值时，假水位现象消失，当T小于某一值时，达到假水位时间最短，假水位最严重，但是T再小，液位输出将基本不变。对于参数，越大，滞后时间越长，反之越短。4.4 锅炉汽包水位控制系统程序设计与仿真研究4.4.1 单冲量控制系统的仿真研究4.4.1.1 单冲量控制系统的程序设计选取对象参数为：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。用MATLAB环境下的SIMULINK编制汽包水位单冲量控制系统仿真程序如图4-6所示。仿真中的对象为广义对象，调节阀和测量变送环节的传递函数都可为1。液位给定值为一个常数，蒸汽流量干扰和给水流量干扰分别用阶跃信号Step1和Step2表示。PID控制器封装子程序如图4-6（b）所示。P为比例系数kp，I为积分系数ki=kp/TI，D为微分系数kd=kpTD。其中TI是积分时间常数，TD是微分时间常数。为了明显看出干扰信号对系统的影响和分析的方便，干扰信号和输出信号同时显示在Scope中。在仿真实验中，取液位给定值为0，引入20%的干扰。a）主程序b）子程序图4-6 单冲量控制系统仿真程序4.4.1.2 最佳PID参数整定过程取Step1=0.8，Step2=0，即引入20%蒸汽流量干扰，首先给定P=1，I=0，D=0。仿真结果如图4-7所示。由图看出系统输出振荡严重。根据经验应减小比例作用。图4-7 在20%蒸汽流量干扰下P=1，I=0，D=0时仿真结果图4-8在20%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0，D=0时仿真结果图4-9在20%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00001，D=0时仿真结果再给定P=0.0165，I=0，D=0。仿真结果如图4-8。系统输出振荡减弱，但是余差很大。下面加入积分调节作用，给定P=0.0165，I=0.00001，D=0。仿真结果如图4-9。余差有减小趋势，但还不够小。再给定P=0.0165，I=0.00005，D=0。仿真结果如图4-10。此时系统输出在给定值附近衰减振荡，但衰减速度太慢，应再引入微分作用。图4-10在20%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00005，D=0时仿真结果下面给定P=0.0165，I=0.00005，D=0.8。仿真结果如图4-11。系统衰减加快，且能够稳定到给定值上，但还没达到最佳。图4-11 在20%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00005，D=0.8时仿真结果再经过I和D微调凑试，得到最佳曲线参数为：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。最佳曲线仿真结果如图4-12所示。在100秒时刻系统受到20%蒸汽流量干扰，约经过800秒时间（即调整时间约800秒），在约900秒时刻液位稳定到设定值，其最大超调约为80%，衰减比约为9:1。由于后面的讨论还是这个对象，其对象特性没变，所以此最佳PID参数也可参考使用。图4-12 20%蒸汽流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.1.3仿真研究取Step1=0，Step2=0.8，看一下给水流量突然增加20%时，控制效果如何。如图4-13，在控制系统调节下，约经过800秒，液位稳定到给定值，其最大超调约为65%，衰减比约为8:1。液位输出曲线同样达到了比较令人满意的效果。图4-13 20%给水流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6有时蒸汽流量和给水流量干扰是同时产生，取Step1=0.8，Step2=0.8，即蒸汽流量和给水流量同时突然增加20%，这时蒸汽流量增加使液位下降，而给水流量增加使液位上升，二者同时作用使干扰相互抵消。如图4-14，可以看出在控制系统调节下，约经过700秒，液位稳定到设定值，其最大超调约为40%。与图4-12和图4-13相比，它的调整时间和超调均有所减小。图4-14 20%蒸汽流量和给水流量同向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6取Step1=0.8，Step2=-0.8，即蒸汽流量突然增加20%，同时给水流量突然减小20%，这时蒸汽流量增加使液位下降，给水流量减小也使液位下降，二者同时作用使干扰增强，则调节器输出变化量较大，调节阀开度也较大。这时是干扰最严重的时候，如图4-15，超调超过100%，液位输出最小值低于液位允许波动范围下限。此时，这个单冲量控制系统已不适用于这个锅炉汽包液位系统的控制。图4-15 20%蒸汽流量和给水流量反向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.2 双冲量控制系统的仿真研究4.4.2.1 第一种双冲量控制系统的仿真研究图4-16双冲量控制系统的仿真程序锅炉汽包水位对象参数为：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。PID控制器参数为：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。仿真程序如图4-16所示。引入蒸汽流量的前馈信号，加法器系数取C1=1，在只有负荷干扰的条件下，经过凑试C2取0.85，C0取0.85。图4-17 20%蒸汽流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当蒸汽流量突然增加20%，由于双冲量控制系统引入了蒸汽流量信号，根据蒸汽流量来起校正作用，纠正了虚假水位引起的误动作，从而能够明显克服蒸汽流量的干扰。仿真结果如图4-17，约经过700秒，液位稳定到设定值，其最大超调约为40%，与图4-12相比，它的调整时间和超调均明显减小。由此可见，双冲量控制系统对蒸汽流量干扰的克服能力明显增强。图4-18 20%给水流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当给水流量突然增加20%时，如图4-18，约经过800秒，液位稳定到设定值，其最大超调约为65%，与图4-13相比，它的调整时间和超调都没有变化。可见双冲量控制系统对给水干扰仍不能克服，与单冲量控制系统是相同的。图4-19 20%蒸汽流量和给水流量同向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当蒸汽流量和给水流量同时突然增加20%，由于双冲量控制系统对蒸汽流量干扰的克服增强，而对给水干扰的克服基本没变，从而使二者相互抵消的作用减小。如图4-19，约经过800秒，液位稳定到给定值，其最大超调约为65%，与图4-14相比，它的调整时间和超调均有所增加。图4-20 20%蒸汽流量和给水流量反向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当蒸汽流量突然增加20%，同时给水流量突然减小20%，如图4-20，约经过800秒，液位稳定到给定值，其最大超调约为85%。与图4-15相比，在干扰最严重的时候它仍能够控制液位输出在允许波动范围内，表明双冲量控制系统克服干扰的能力比单冲量控制系统明显增强，这主要体现在对蒸汽流量干扰的克服上。4.4.2.2 第二种双冲量控制系统的仿真图4-21双冲量控制系统第二种接法的仿真程序仿真程序如图4-21所示。这个程序与第一种双冲量控制系统仿真程序的区别就是把加法器放在了控制器之前。图4-22 20%蒸汽流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当蒸汽流量突然增加20%，仿真结果如图4-22，与图4-12基本相同。即与单冲量控制系统的控制效果相同。经过多次各种试验，得到的结果都与单冲量控制系统的仿真结果基本一样，很难调出更好的控制效果。4.4.3 三冲量控制系统的仿真研究4.4.3.1 第一种三冲量控制系统的仿真图4-23 第一种三冲量控制系统的仿真程序取锅炉水位对象参数为：e0 =0.7，=100，ef =0.8，K=50，T=20。副PID控制器参数取为：P=1000，I=1000，D=0。主PID控制器参数取为：P=0.0165，I=0.0001，D=0.6。仿真程序如图4-23所示。这是一个前馈与串级控制，在第一种双冲量控制系统的仿真程序中增加了副PID控制器，组成了副回路。当给水流量突然增加20%，仿真结果如图4-24，在副回路调节下，经过约4秒，给水流量输出就完全跟踪了副回路输入，而且给水流量干扰对副回路输出幅值影响也非常小，约为0.001。可以说副回路对给水流量干扰是完全克服。如图4-25，主回路液位输出始终保持在给定值上，几乎没受到给水干扰的影响。这主要是在三冲量控制系统中，由于副回路的存在，使其对进入副回路的干扰具有较强的克服能力。由于副回路的快速作用，发生在副回路的干扰在影响主变量之前就被副控制器校正了，改善了对象的动态特性，提高了系统的工作频率。从而得到非常好的控制效果。图4-24 20%给水流量干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0图4-25 20%给水流量干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6图4-26 20%蒸汽流量干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0图4-27 20%蒸汽流量干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6当蒸汽流量突然增加20%，如图4-26，在控制系统副回路调节下，给水流量输出立刻完全跟踪了输入给定值，使副回路输出完全跟踪输入。主回路输出如图4-27所示，与第一种双冲量控制系统的输出基本相同，由此可见，三冲量控制系统对于副贿赂给水流量的干扰，能及时地加以克服，使汽包水位能够维持稳定。而与双冲量控制系统相比，没有改善对蒸汽流量干扰的克服能力。由于三冲量控制系统对给水干扰基本完全克服，所以主要干扰只是蒸汽流量干扰。有没有给水干扰控制效果都是基本一样的。当给水流量和蒸汽流量同时突然增加20%，副回路和主回路输出仿真结果分别如图4-28和图4-29所示。当蒸汽流量突然增加20%，同时给水流量突然减小20%，副回路和主回路输出仿真结果分别如图4-30和图4-31所示。液位输出分别与图4-26和图4-27相同。图4-28 20%给水流量和蒸汽流量同向共同干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0图4-29 20%给水流量和蒸汽流量同向共同干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6图4-30 20%给水流量和蒸汽流量反向共同干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0图4-31 20%给水流量和蒸汽流量反向共同干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.64.4.3.2 第二种三冲量控制系统的仿真仿真程序如图4-28所示，这个程序也相当于前馈和串级控制，只是它的副控制器是一个纯比例控制器且比例为1。主控制器PID参数为P=4，I=0.014，D=50。图4-32三冲量控制系统第二种接法的仿真程序仿真结果如图4-33，当给水流量突然增加20%，液位输出基本保持不变。也就是说，给水流量干扰基本完全被克服。如图4-34，当蒸汽流量同时突然增加20%，经过约950秒，液位输出基本稳定在给定值上。其最大超调约为40%。与第一种三冲量控制系统的仿真结果相比可知，两种控制方案的控制效果相当。图4-33 20%给水流量干扰仿真结果P=4，I=0.014，D=50图4-34 20%蒸汽流量干扰仿真结果P=4，I=0.014，D=504.4.3.3 第三种三冲量控制系统的仿真仿真程序如图4-35所示，把加法器放在了控制器之前。控制器PID参数为P=10，I=0，D=0。一般C1等于1或小于1，在这里我发现取C1=1.3控制效果更好些。也许这是由于我的PID参数不是最佳的，但是通过试验发现，若还取C1小于或等于1很难得到最佳曲线。而我这样做却能达到想要的控制效果。图4-35 三冲量控制系统第三种接法的仿真程序仿真结果如图4-36，给水流量突然增加20%，液位输出保持不变，给水流量干扰完全被克服。图4-36 20%给水流量干扰仿真结果P=10，I=0，D=0当蒸汽流量突然增加20%，如图4-37，约经过800秒，液位稳定到给定值，其最大超调约为30%。从控制效果来看，三种三冲量控制系统的控制效果相当。都能很好地克服给水流量的干扰使系统输出维持稳定。对于蒸汽流量的干扰，它们的控制能力与双冲量控制系统的基本相同，比单冲量控制系统要好得多。图4-37 20%蒸汽流量干扰仿真结果P=10，I=0，D=0由以上对单冲量控制系统，双冲量控制系统，三冲量控制系统的仿真研究，可以知道，单冲量控制系统只是以液位信号作为反馈对液位进行控制，不能克服给水流量和蒸汽流量的干扰。它只适用于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时，假水位现象不显著的小型锅炉，再配上一些联锁报警装置，可以保证安全操作，满足生产的要求。双冲量控制系统引入蒸汽流量的前馈信号，能够克服蒸汽流量的干扰，改善了系统的控制品质，但是双冲量控制系统仍不能克服流量的干扰。三冲量控制系统又引入给水流量信号，能有效克服给水流量和蒸汽流量的干扰。大大改善了系统的控制品质。4.5 各控制系统鲁棒性的仿真研究影响锅炉汽包水位对象的参数主要是只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化H2的放大倍数K和时间常数T以及给水流量作用下阶跃响应纯滞后时间。若这三个参数改变，则锅炉汽包液位对象就改变了。下面分别对各控制系统鲁棒性进行仿真研究。4.5.1 改变K值根据前边对对象特性的研究可知，K越大假液位现象越严重且持续时间越长。对于单冲量控制系统，在20%蒸汽流量干扰下，当 K=85时，仿真结果如图4-38所示，这时K达到临界最大值， K若大于85，由于假液位现象严重，系统输出超调过大，液位就会超出允许波动范围，使汽包水位降到危险程度以致会发生事故。因此对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不能适应，水位不能保证。对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，假水位现象并不显著，配上一些连锁报警装置也可保证安全操作。 图4-38 20%蒸汽流量干扰下K=85时单冲量控制系统仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 图4-39 20%蒸汽流量干扰下K=170时双冲量控制系统仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6图4-40 20%蒸汽流量干扰下K=175时三冲量控制系统仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6对于双冲量控制系统，当 K=170时，仿真结果如图4-39所示，这时K达到临界最大值，K若大于85，液位同样会超出允许波动范围，使汽包水位降到危险程度以致会发生事故。对于三冲量控制系统，当 K=175时，仿真结果如图4-40所示，K临界最大值是175。由以上研究可知，三种控制系统对K的变化都有一定的鲁棒性，且双冲量控制系统的鲁棒性强于单冲量控制系统。三双冲量控制