华北电力大学过程控制课设报告

课程 课程设计（综合实验）报告 课程设计(综合实验)报告( 2014 - 2015 年度第 2学期)名 称： 过程控制技术与系统课程设计 题 目： 汽包锅炉三冲量给水控制系统设计 院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 一 周 成 绩： 日期：年 月 日一、控制系统的基本任务和要求 汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标，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。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大，而汽包的体积相对来说较小，水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时，数秒之内就可能达到危险水位，所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此，必须采取有效、精确的自动调节，严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多，如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的，容易克服。因此，主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。本设计的主要任务即是保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡，维持汽包水位H在较小范围内波动。二、被控对象动态特性分析 做各种主要影响因素的阶跃扰动，记录并分析汽包水位的响应曲线1) 给水扰动Simulink中系统连接图如下：运行结果如下： 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线，可以看出该被控对象无自平衡能力，且有较大的迟延，可近似的看作积分环节和迟延环节的串联，因此应采用串级控制，将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中，以保证系统的稳定性。2) 蒸汽流量扰动Simulink中系统连接图如下：运行结果如下： 由仿真结果看出对象在蒸发量D扰动下，水位阶跃反应曲线有一段上升的过程，表现有“虚假水位”现象，(出现虚假水位现象的原因：当负荷突然增加，蒸汽流量增加，汽包的压强变小，导致水气化，导致水位升高，同样的，当负荷突然减小，蒸汽流量减小，汽包的压强变大，导致水中气泡液化，水位降低，这两种情况都会出现虚假水位现象。)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。 通过上述对被控对象的动态特性分析，确定采用串级前馈三冲量控制系统： 1) 因为串级系统可以有效克服二次干扰，尤其是本系统是有纯迟延环节，可以有效提高系统的快速性和准确性，改善了系统的动态特性，此外，串级系统对负荷的变化有一定的自适应能力。 2) 通过静态前馈环节的加入，也可以有效改善负荷变化（蒸汽流量变化）带来的“虚假水位”现象，当蒸汽流量D突然阶跃增加，由于虚假水位现象会使水位增加，错误地使调节机构减小给水量，但引入前馈后，D的增加通过副回路的比例作用又使得调节机构增加给水量，所以通过合适的参数整定，将会有效克服“虚假水位”现象。三、系统框图、控制系统流程图及SAMA图 系统框图： 工艺流程图： 系统SAMA图： 四、控制系统的仿真及参数整定a) 副回路的整定副回路的主要作用是消除二次扰动即给水阀的扰动，要求副回路的快速性和稳定性，保证给水流量的稳定。整定时，断开主回路，把副回路看成是一个单回路，并采用比例调节控制。并取 副回路的MATLAB仿真如下： 为了防止比例增益太大，影响到系统稳定性，所以规定偏差的范围：，则这里取，仿真结果如下: 从仿真结果可以看出，输出可以快速跟随输入，且稳态误差很小，可以满足内回路快速 准确的要求。b) 主回路的整定整定主回路时，可以把副回路的整体看成一个比例环节，用衰减曲线法整定主回路。 主回路MATLAB仿真如下： 这时采用衰减曲线法进行主回路的参数整定，当衰减率达到10:1时，仿真结果如下图，且KP=0.91，TR=61.9由图可获取参数，并有查表按公式计算等效主调节器的整定参数为KP=0.76，TI=0.00614c) 值的确定 在串级三冲量给水控制系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态水位值总是等于给定值。因此，就不要求送到副调节器的蒸汽流量信号等于给水流量信号，所以前馈装置的传递函数选择将不受静态特性误差条件的限制。而根据锅炉虚假水位的严重情况来确定，从而改善符合扰动是控制过程的质量，一般蒸汽流量信号大于给水流量信号，即，应当为在静态下： 。又因为： ，这里取，则 d) 仿真曲线 蒸汽流量D阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：给水流量W阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：五、设计总结 此次课程设计的题目是汽包水位的控制系统, 三冲量控制系统利用给水流量、蒸汽流量和水位三个参数进行液面控制。该系统中汽包水位是主冲量信号，给水流量、蒸汽流量是辅助冲量信号，该控制系统经过给水流量和蒸汽流量扰动下的仿真实验，能有效地克服虚假水位和给水干扰对控制系统的影响。从仿真效果可知，串级三冲量给水控制系统对各种典型