电厂锅炉水位单级三冲量控制系统设计

本科毕业设计论文题 目 电厂锅炉水位单级三冲量控制系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I毕业设计任务书一 题目电厂锅炉水位单级三冲量控制系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。要求在毕业设计中：1.分析研究大中型火力发电厂锅炉汽包水位控制要求，特点及控制系统设计方法，设计蒸汽锅炉汽包水位单级三冲量控制系统，其主要技术指标达到设计要求；2.开展控制系统方案论证，建立系统数学模型，进行水位控制系统分析；3.设计水位三冲量控制系统控制规律，进行参数整定；4.进行数学仿真，验证设计； 三、主要技术指标1. 锅炉汽包内径 1.8 m,筒身长 20m；2，正常水位在汽包几何中心线下 100mm mm 处；50给水流量 W=0450t/h，蒸汽流量 D=0500t/h；3.在给水流量变化和蒸汽流量扰动下，锅炉汽包水位控制系统能稳定运行，衰减系数； 9.075.4.过程动态性能指标为：1) 水位波动最大偏差不超过 mm；802) 水位恢复到 mm 范围内的时间不大于 ；15min25锅炉稳定运行时，汽包水位应在给定值的 mm 范围内变化。15西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 II1. 1-3 周：收集查阅资料；2. 4-6 周：完成总体方案设计和建模；3. 7-8 周：完成系统分析和控制规律设计；4. 9-11 周：完成仿真验证及修改；5. 12-13 周：完成毕业设计论文. 五、主要参考书及参考资料1 金以慧等过程控制 ，清华大学出版社，2002 年；2 张栾英，孙万云， 火电厂过程控制 ，中国电力出版社，2004 年；3 于希宁，刘红军， 火电场自动控制理论 ，中国电力出版社，2004年.西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 III学生 指导教师 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 IV摘 要电厂热 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。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在允许的范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。因此，汽包水位是整个机组安全经济运行的重要因素。本设计采用单级三冲量控制系统，特点是：整定方法容易掌握，控制系统所用设备少，给水流量调节动作平稳，结构简单，一般情况下能满足锅炉生产的控制要求。在单级控制系统中，参数的整定也很重要，在系统中所设计的对象是确定的，即只有对调节器进行参数整定才符合条件。控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法。理论计算方法是基于一定的性能指标，由理论计算求得调节器的动态参数设定值；工程整定法，是源于理论分析，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法。本设计的目的是采用单级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行,并通过 MATLAB 仿真，证明所设计的系统可以较好的克服系统的内、外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。关键词：汽包水位，单冲量，单级三冲量，MATLAB 仿真西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 VABSTRACTThermal power plant is a measure of the level of automation of advanced or not , and an important symbol of modern enterprises plant production technology. Drum boiler feedwater control system task is to make to adapt to water evaporation boiler drum level in order to maintain the allowable range . The water level is too high , it will disrupt the normal working steam separator device will lead to an increase in serious steam with water , thereby increasing the scale on the wall superheater and turbine blades , and even the occurrence of water hammer damage turbine blades. Only guarantee drum level fluctuations within the allowable range , in order to achieve the unit safe and economic operation. So , drum level is an important factor in safe and economic operation of the entire unit . This design uses a single-stage three- impulse control system , characterized by: simple structure , under normal circumstances to meet the control requirements of boiler production .In a single -level control systems, parameter tuning is also important objects in the system design is determined that only the parameters of the controller tuning before qualifying . Theoretical calculations are based on certain performance indicators, obtained from the theoretical calculations of the dynamic controller parameter settings ; engineering entire titration , is derived from the theoretical analysis, combined with experimental methods , practical experience of a project on other projects .The purpose of this design is the use of a single-stage three- impulse drum simulation shows that the designed system can better overcome within the system , outside disturbances , achieve drum boiler water level control.KEY WORDS: drum level , single-shot , single -stage three impulse , MATLAB simulation 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1目录第一章 引言 .31.1 课题的研究背景及意义 .31.2 国内外控制系统的发展情况 .31.2.1 国外控制系统的发展情况 .31.2.2 国内控制系统的发展情况 .41.3 锅炉水位控制系统的设计任务要求及分析 .41.3.1 设计的任务要求 .51.3.2 设计任务分析 .5第二章 调节器的调节规律 .62.1 比例控制对控制性能的影响 .62.2 积分控制对控制性能的影响 .72.3 微分控制对控制性能的影响 .10第三章 单回路控制系统的简介 .133.1 单回路控制系统的概述 .133.2 单回路控制系统各组成部分的选择 .133.2.1 被调量的选择 .133.2.2 控制对象的选择 .143.2.3 控制通道和扰动通道的选择 .143.2.4 影响系统控制质量的主要因素 .153.3.1 对象放大系数对控制过程的影响 .153.3.2 对象时间常数对控制过程的影响 .16第四章 水位控制系统的基本结构及分析 .184.1 锅炉给水控制系统的任务 .184.2 给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性 .19西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24.3 给水控制系统的基本要求 .244.4 水位控制系统的基本结构及其分析 .254.4.1 汽包水位单冲量给水控制系统 .254.4.2 汽包水位双冲量给水控制系统 .274.4.3 汽包水位三冲量给水控制系统 .294.4.4 单级三冲量给水控制系统 .294.5 单级三冲量给水控制系统的参数整定 .33第五章 系统的参数整定方法 .375.1 广义频率特性法 .375.2 工程整定法 .39第六章 MATLAB 的简介及单级三冲量控制系统的参数整定与仿真 .416.1 MATLAB 的概述 .416.2 MATLAB 的特点 .416.3 MATLAB 在热工中的应用 .426.4 单级三冲量给水控制系统的参数整定 .426.4.1 副回路等效方框图 .436.4.2 确定给水流量的分压系数 的值 .44Gn6.5 单级三冲量给水控制系统的仿真 .466.5.1 衰减率 时的结构图及其仿真 .4675.06.5.2 衰减率 时的结构图及其仿真 .529第七章 结论 .587.1.毕业设计任务和要求 .587.2.毕业设计完成的工作和成果 .587.3 毕业设计的成果分析与评价 .59参考文献 .60致 谢 .61毕业设计小结 .62西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3第一章 引言1.1 课题的研究背景及意义火力发电厂在我国电力工业中占有主要地位，是我国的重点能源工业之一。大型火力发电具有效率高、投资省、自动化水平高等优点，在国内外发展快。随着电力需求的日益增长，以及能源和环保的要求，我国的火电建设开始向大容量、高参数的大型机组靠拢。但是，火电机组越大，其设备结构就越复杂，自动化程度也要求越高。给水控制系统是火电厂非常重要的控制子系统。汽包水位是锅炉安全运行的重要参数，同时他还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。随着机组容量的增大，运行参数的不断提高，对汽包水位的控制品质要求也越来越高，为了机组的安全、经济运行，需要采用设计更合理、功能更完善的控制系统，给水自动控制系统可以大大减轻人员的劳动强度，汽包水位的稳定性也得到极大提高，保障了机组的安全、稳定的运行。为了实现电能生产的“高效、洁净、经济、可靠、安全”的要求，火电厂汽轮机的参数经历了低压、中压、高压、超高压、亚临界和超临界参数的发涨阶段，目前正向超临界参数的方向发展。1.2 国内外控制系统的发展情况1.2.1 国外控制系统的发展情况自 70 年代以来，由于工业过程控制的需求，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅猛，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面日本、美国、德国、瑞典等国家技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用，它们主要有如下特点：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4（1）能适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。（2）能适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。（3）能适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。（4）这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。（5）控制系统具有控制精度高、抗干扰力强的特点。目前，国外控制系及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面发展。1.2.2 国内控制系统的发展情况在现代工业控制中，过程控制技术是一历史较为久远的分支。在上世纪 30年代就已有应用。过程控制技术发展到今天，在控制方式上经历了三个发展阶段，它们是：分散控制阶段、集中控制阶段、集散控制阶段。目前，过程控制正朝着高级阶段化发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。我国工业锅炉的自动化控制，经历了三四十年的单参数仪表控制，四五十年代的单元组合式综合参数仪表控制，从六十年代开始，人们对锅炉水位系统进行了许多更深入的研究，采用了更先进的计算机控制方法，如数字 PID 控制、最优控制等。近年来，集散控制系统迅速发展并为锅炉控制提供了强有力的手段，使汽包水位得到更好地控制，总得来说，汽包水位控制正经历一个由单元组合式仪表到计算机控制、由 PID 控制到更高级的智能控制、由直接现场控制到集散控制的发展过程。1.3 锅炉水位控制系统的设计任务要求及分析西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 51.3.1 设计的任务要求汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定的范围内，要求如下：（1）维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：50mm30mm汽包异常情况：190mm汽包事故情况：300mm（2）保持稳定的给水量。稳定工况下，给水量不应该时大时小的剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。1.3.2 设计任务分析（1）简述汽包锅炉水位自动控制系统的背景、意义以及其技术在国内外的发展。（2）分析介绍水位控制系统的动态特性及控制方法，对锅炉水位控制系统进行设计。（3）介绍锅炉水位控制系统方案，建立系统数学模型，采用 MATLAB 软件仿真，对方案进行论证。（4）对锅炉水位控制系统进行 PID 参数整定，改善系统的动态性能，基本得到满足要求的控制效果。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6第二章 调节器的调节规律调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系。广为采用的有三种调节规律，即为比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律。三种调节规律的组合可设计出多种调节规律的调节器，如比例积分调节器、比例积分微分调节器等。调节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有很大的影响，因对象的特性不易改变。以下将分析不同调节规律的调节器的控制效果。2.1 比例控制对控制性能的影响比例调节规律，是指调节器输出的控制作用 与其偏差输入信号 之间)(tu)(te成比例关系，即（2-1）)()(teKtuP其中 比例增益。PK比例调节器的传递函数为（2-PPKsEUW)(2）工程中，常用比例带 来描述其控制作用的强弱，即（2-PK13）其物理意义是在调节机构的位移改变 100%时，被调量应有的改变量。如，则表明调节器输出变化 100%时，需要其输入信号变化 20%。%20西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7比例调节的阶跃响应图如图 2-1 所示。从图中看出，在 时刻前，系统处0t于稳定状态； 时刻偏差信号 发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调0t)(te量产生阶跃变化，调节输出控制作用 将成比例地变化，而且几乎是同时产tu生的。控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量回到原来的值上。从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。由图 2-1 还可看出，在 时调节过程结束，但偏差信号 仍存在；换t )(te言之，调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。因为采用比例调节规律的调节器，其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消扰动的影响、使系统重新稳定下来的保证。在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差；调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。图 2-1 比例调节的阶跃响应西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 82.2 积分控制对控制性能的影响比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。但比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。积分调节规律是调节器输出控制作用 与其偏差输入信号 随时间的积)(tu)(te累值成正比，即（2-dteTti)(1)(4）其传递函数形式为（2-sTWiI1)(5）式中 为积分时间。iT积分调节器的阶跃响应如图 2-2 所示。由图可以看出，当被调量出现偏差并呈阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。由式可 （2-iTtedu)(6） 上式表明，控制作用在积分时间 越小时越强。i从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成为比例积分调节规律，形成互补。描述比例积分调节规律的动态方程是（2-dteTKttuiP)()()(7）式中， 为比例增益； 为积分时间。PKiT比例积分调节器的传递函数为（2-sTsKsWiiPI 11)(8）图 2-2 积分作用曲线比例积分调节器的飞升特性如图 2-3 所示。由图看出，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。图 2-3 比例积分响应曲线2.3 微分控制对控制性能的影响无论是比例调节规律，还是积分调节规律，一个共同特点就是控制作用只有在偏差出现后才能产生。这对存在延迟或惯性较大的对象来说，要获得满意的调节效果是很困难的，这就需要引入微分调节规律。微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即（2-dtcTtetud)()()(9）式中 称为微分时间。dT传递函数式为（2-sTWdD)(10）由于受控对象总存在一定的容量，调节器也存在一定的不灵敏区，因此使调节器动作的偏差信号在时间上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变化速度）信号又称超前信号。被调量的变化速度往往反映了对象西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11流入量与流出量之间的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节，无疑将大大改善调节过程。微分调节作用的大小仅于偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作；这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。式（2-9 ）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差作阶跃变化时的瞬间，控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。实际的微分调节规律具有惯性，其传递函数为（2-)(11)( sWTKsTsWDddD11）式中 微分时间； 微分增益。dTDK由初值定理有（2-EKsTsUDdD1lim)0(12）由终值定理知（2-01li)(0sETKsUdD13）由上述两式可以得出微分调节的阶跃响应曲线，如图 2-4 所示。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12图 2-4 微分调节的阶跃响应由图 2-4 看出，当偏差作幅度为 的阶跃变化时，微分作用将立即产生，E其值为偏差的 倍。从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。在时间DK较长后，微分作用消失，直到为零。可见微分作用主要在调节过程的初期和积分作用恰好相反。通过前两节和本节对比例调节规律、积分调节规律和微分调节规律的分析，可以看出它们对调节过程的影响的不同。比例调节作用是按比例反映系统的偏差系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例作用，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分作用使系统消除稳态误差，提高无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数 ， 越小，积分作用就越强，反之iTi大，则积分作用就弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。iT微分调节作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，从而改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。由上所述，比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微分作用为辅助调节作用，比例作用贯穿于整个调节过程之中，积分作用则体现在调节过程后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在调节过程的初期。实际应用中，应根据具体情况选择调节规律，同时设置适当的比例带，积分时间，微分时间，才能收到满意的调节效果。对于一阶惯性环节，负荷变换不大，工艺要求不高，可采用比例控制，如压力、液位控制。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制。本文设计将采用 调节器。PI第三章 单回路控制系统的简介3.1 单回路控制系统的概述单回路反馈控制系统是仅由一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀） ，连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。其组成原理方框图如图 3-1 所示。单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，因此在工业生产中应用广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后、惯性小、负荷和扰动变化比较平缓。在热工生产过程中，最基本、应用最多的是单回路控制系统，而且各种复西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14杂控制系统都是在单回路控制系统的基础上发展起来的。图 3-1 单回路控制系统组成原理方框图3.2 单回路控制系统各组成部分的选择3.2.1 被调量的选择被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。在生产过程中，有些工艺参数目前还没有得到直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。这种情况下往往采用间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采用相应的补偿措施。对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或延迟较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。3.2.2 控制对象的选择选择怎样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。如火力发电厂的锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量而只能选择燃料量作为系统的控制西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15手段。3.2.3 控制通道和扰动通道的选择单回路控制系统传递方框图如图 3-2 所示，图中 为对象的传递函数，)(sW它是包括了检测单元、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；为调节器的传递函数， 为扰动信号， 为被调量与扰动信号间的传)(sWT D)(sZ递函数。扰动信号 经 影响被调量的信号通道称为扰动通道；调节器输)(sWZ出的控制信号 通过 影响被调量的信号通道称为控制通道。U图 3-2 单回路控制系统的传递方框图3.2.4 影响系统控制质量的主要因素 由单回路控制系统的组成可知，影响控制系统的控制质量的主要因素来源于调节器的特性和控制对象的特性，因为调节器和控制对象是该系统的组成部分。3.3 对象特性对控制过程的影响西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 163.3.1 对象放大系数对控制过程的影响图 3-2 所示的单回路控制系统传递方框图中，设调节器为比例调节器，即（3-1)(PTKsW1）控制对象的传递函数为（3-()1sT2）扰动通道的传递函数为（3-)1()(21sTKsWZZ3）由图 3-2 求出（3-)(1)(ssDETZ4）当系统受到单位阶跃扰动，即 作用下，控制系统过渡过程结束s/)(时，静态偏差为（3-KsWse PZTZ1)(1lim)(5） 式（3-5 ）表明，干扰通道的放大系数 越大，系统的稳态误差（又称静Z态偏差）越大；而控制通道的放大系数 越大，稳态误差越小。对于线形控PK制系统， 与 是一种互补关系，即总可以通过改变调节器的比例增益PK（或比例带 ）来满足 和 的乘积要求，这就是说对象的放大系数 对PP K控制过程的质量没有什么影响。当然，对非线形对象其 值随负荷变化而变化，K要利用 来补偿，则要求 也随负荷变化而变化，即需要参数可变调节器。PKPK西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 173.3.2 对象时间常数对控制过程的影响（1）干扰通道设图 3-2 中各环节的放大系数均为 1，即： ， ， 。干扰1KZ1PK通道为一阶惯性环节，即（3-1)(sTWZ6） 则（3-)(1)()(1)( ssTssDCTZTZ7） 系统的闭环特征方程（3-0)(1)(sWsTTZ8）式（3-8 ）表明，干扰通道的存在使系统的特征方程式产生变化，且干扰通道的惯性阶次增加一阶，系统就增加一个负实数闭环极点。当干扰通道的时间常数 增大时，该新增加的极点就向坐标原点靠近。由自动控制理论可知，这ZT将使控制过程的动态偏差减小。实际上，具有惯性的干扰通道相当于低通滤波器，从而减弱了干扰信号对系统工作的影响。如果干扰通道还存在延迟 ，则（3-9） seC)(式中， 为干扰通道不存在延时的被调量，即)(sC（3-)(s sTZeDWs)()(110）由延迟定理知（3-)()tc西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1811）上式表明，干扰通道迟延的存在并不影响控制过程的质量，只不过是使被调量在时间轴上顺延一个时间 而已。（2） 控制通道控制通道的时间常数 如果增加，系统的工作频率下降，反映速度变慢，T过渡过程的时间将加长。时间常数 过小，系统反映则过于灵敏，又会使系统的稳定性下降。这就是说，在保证控制系统有一定的稳定程度下，应尽量减小控制通道的时间常数。实际系统中，控制通道是由执行器、变送器、对象串联组成的广义对象。广义对象内部各环节的时间常数之间应相互错开，要求它们之间有一个良好的匹配关系。控制通道如果存在迟延 （包括纯迟延和容积迟延） ，将会使控制过程质量变坏。因为控制作用不能及时影响被调量，从而使系统的动态偏差加大，控制过程时间加长。然而在控制通道的时间常数较大时，延迟时间的影响将会减小。控制通道存在迟延 ，调节过程的质量与 比值有关，比值越大质量越差。T/由上所述，对象的特征参数 、 、 对调节过程质量的影响是不同的。K干扰通道的放大系数 大，意味着干扰对被调量的影响大，即增加系统的Z静差。控制通道的放大系数 ，由于可由调节器的比例带来补偿，因而不影响调节质量。干扰通道的时间常数 大，对于干扰的滤波作用大，从而有利于调ZT节器克服干扰的影响。控制通道时间常数小，调节及时，但容易引起系统的振荡趋于不稳定。干扰通道的迟延对调节过程无影响，而控制通道的迟延总是有害的。第四章 水位控制系统的基本结构及分析西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 194.1 锅炉给水控制系统的任务汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定的范围内，要求如下：（1）维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。正常运行时的水位波动范围：50mm30mm汽包异常情况：190mm汽包事故情况：300mm（2）保持稳定的给水量。稳定工况下，给水量不应该时大时小的剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。4.2 给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性4.2.1 给水控制对象的动态特性汽包锅炉给水控制对象的系统结构如图4-1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DG（燃烧率 ） ，汽包压力 。MbP控制系统的物质平衡方程为（4-dttGdHA)()( 1） 将式（4-1 ）进一步变换得 Ddt)(西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20令 ，则上式变为 ()CA（4-2） DGdtHC式中 汽包水位， 或 ； Hmc汽水分离面积， 或 ；A2蒸发量， 或 ； D/th/kgs给水量， 或 ；G容量系数；C水的密度， / 或 / ；t3mkg3c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C度或飞升时间来表征。图 4-1 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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21（4-maxmaxaxmax)(1HDGCdtHZdty 3）式中 飞升速度，1/ 。s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（4-3）m中 maxmax)(1)/(DGCdtH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，0变化量最大，因此有（4-maxmax)/1()/(dt4）可见这时的扰动量是下降的。故有)(A1HD1maxaxC（4-5）式中 锅炉最大的蒸发量；maxD水位变化允许的最大范围。 H飞升时间 。1/aT对于蒸发量为 100 230 的单汽包炉，当水位变化 100mm 时，/th，对于蒸发量为更大的汽包炉 ，它的意义在于当锅炉在满603aTs 30aTs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，即如果给水量减少 ，经过 的时间，水位将下降 20mm。%10s4.2.2 各种扰动下水位变化的动态特性西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22（1） 给水量扰动下水位变化的动态特性图4-2为给水量扰动时水位阶跃响应曲线。图4-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下水位的动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。图4-2 给水量扰动时水位阶跃响应曲线从物质平衡的观点来看，加大了给水量 ，水位应立即上升，但实际上并G不是这样，而是经过一段迟延，甚至先下降后再上升。这是因为给水温度远低于省煤器的温度，即给水有一定的过冷度，水进入省煤器后，使一部分汽变成了水，特别是沸腾式省煤器，给水减轻了省煤器内的沸腾度，省煤器内的汽泡总容积减少，因此，进入省煤器内的水首先用来填补省煤器中因汽泡破灭容积减少而降低的水位，经过一段迟延甚至水位下降后，才能因给水量不断从省煤器进入汽包而使水位上升。在此过程中，负荷还未发生变化，汽包中的水仍然在蒸发，因此水位也有下降趋势。沸腾式省煤器的延迟时间 为100200s。T非沸腾式省煤器的延迟时间 为30100s。水位在给水量扰动下的传递函数可表示为（4-sTssGH)1()(6）西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23当 时，上式可变为T（4-)1/()/(ssGH7）水位对象可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节并联形式。用一阶近似表示为（4-8） sesGH/)(/（2） 蒸汽流量扰动下水位的动态特性如果只从物质平衡的角度来看，蒸发量突然增加 时，蒸发量高于给水D量，汽包水位是无自平衡能力的，所以水位应该直线下降，如图4-3中 所1()Ht示那样，但实际水位是先上升，后下降，这种现象称为“虚假水位”现象，如图4-3中 所示。由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例()Ht增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量 还未增加，汽包中汽压M下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。bP图 4-3 蒸汽流量扰动下的水位阶跃响应曲线如图4-3 中 所示。在开始一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达2()Ht到稳定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。因此，水位的变化应是上述两者之和，即西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24(4-9) 12()()()Httt传递函数也为两者的代数和(4-10)sTKsD21)(式中 的时间常数，约为1020s ；2T2()Ht 的放大系数；K飞升速度。一般100230t/h中的高压炉，负荷突然变化10%时， “虚假水位”现象可使水位变化达3040mm 。（3） 炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性此处的炉膛热负荷扰动是指燃料量 的扰动。燃料量 增加时，锅炉吸M收更多的热量，使蒸发强度增大，如果不调节蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。但由于在热负荷增加时蒸发强度的提高，使汽水混合物中的汽泡容积增加，而且这种现象必然先于蒸发量增加之前发生，从而使汽包水位先上升，从而引起“虚假水位”现象。当蒸发量与燃烧量相适应时，水位便会迅速下降，这种“虚假水位”现象比蒸汽量扰动时要小一些，但持续时间较长。燃料量扰动下水位阶跃响应曲线如图 4-4 所示。图 4-4 燃料量扰动下水位阶跃响应曲线西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 25以上三种扰动在锅炉运行中都经常发生。但是由于控制通道在给水侧，因此蒸汽流量 和燃料量 习惯上称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。DM而给水量 扰动在控制系统的闭合回路里产生，一般称为内部扰动。因此，汽G包水位对于给水扰动的动态参数是给水控制系统调节器参数整定的依据，此外，由于蒸汽流量 和燃料量 的变化也是经常发生的外部扰动。所以常引入蒸汽流量信号 作为给水控制系统里的前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质。D影响水位的因素除上述之外，还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。不过这些因素几乎都可以用 、 、 的变化体现出来。DMG为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必须保持平衡，所以这两者往往是一起变化的，只是先后的差别。4.3 给水控制系统的基本要求根据所学知识可知，给水控制系统应该符合以下基本要求：首先，由于被控对象在给水量 扰动下的水位阶跃反应曲线表现为无自平G衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用的调节器以保证系统的稳定性。其次，由于对象在蒸发量 扰动下，水位阶跃反应曲线表现有 “虚假水位”D现象，这种现象的反应速度比内扰快，为了克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响，应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。再次，给水压力是有波动的，为了稳定给水量，应考虑将给水量信号作为反馈信号，用于及时消除内扰。4.4 水位控制系统的基本结构及其分析在生产实践中，汽包锅炉的给水调节系统采用以下三种基本结构：（1）单冲量给水控制系统（2）双冲量给水控制系统（3）三冲量给水控制系统西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 264.4.1 汽包水位单冲量给水控制系统单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。控制系统由汽包、水位变送器、调节器和给水调节阀组成。单冲量给水控制系统的结构图和原理方框图分别如图 4-5 和图 4-6 所示。图 4-5 单冲量给水控制系统的结构图若给水量 有一个阶跃变化 ，经延迟 时间后，水位 将上升，水位GGH上升由测量元件测出并反馈到调节器 后，输出命令去关小阀门开度 。()TWs 在图4-7 中， 在 点的动作又要经过 时间才能使 下降，这时， 已经升到A值， 值反映到调节器使 进一步减小， 点的作用最终能反映到 点，这BBC时水位开始下降。因此它能消除内扰的影响。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 27图 4-6 单冲量给水控制系统原理方框图该系统对外扰克服情况分析。设：蒸发量阶跃减少 ，按物质平衡关系，D水位 应上升，阀门开度 应减少。但由于有“虚假水位”现象，水位 反而H H先是下降的。使 增大，经过一段时间