汽包锅炉水位自动控制

1、摘要锅炉是火力发电厂的主要热力设备，而维持汽包水位是汽包锅炉安全运行的非常重要的条件。所以要求详细了解保持汽包中水位在规定范围内波动的重要性，汽包中水位过高或过低都会对机组的安全稳定运行产生很大的影响。了解影响汽包水位的主要因素，认真研究给水控制的对象和各种扰动下水的高度变化的动态特性。针对影响汽包水位的主要因素：给水流量和蒸汽流量，本论文主要研究单冲量给水控制系统、单级三冲量给水控制系统和串级三冲量给水控制系统。并分别对单级三冲量给水控制系统和串级三冲量给水控制系统进行参数整定和扰动试验并运用MATLAB工具对其数学模型进行仿真研究，证明所设计的系统可以很好的克服内外扰动，实现汽包锅炉水位自

2、动控制的要求。关键词：汽包中水的高度 单冲量 三冲量 仿真 IAbstractBoiler is one of the main heating equipment of thermal power plant, and maintain the steam drum water level is very important condition of drum boiler safe operation. So request details about maintaining the importance of the fluctuation in the steam drum water

3、 level within the prescribed scope, in the steam drum water level too high or too low will produce very big effect to the safe and stable operation of the unit. Understand the main factors influencing the water level of steam drum, a careful study of feed water control object and the dynamic charact

4、eristics of all kinds of disturbance to the water height change. In view of the main factors affecting steam drum water level, water flow and steam flow, this thesis mainly studies single pulse feed water control system, single stage three impulse water supply control system and the cascade three im

5、pulse water supply control system. And single stage three impulse water supply control system and the cascade three impulse water parameter setting and disturbance test and control system using MATLAB tools to its mathematical model for simulation study, prove that the designed system can be very go

6、od to overcome the internal and external disturbance, realize the request of drum boiler water level automatic control.Keywords：drum water level Single pulse Three impulse simulationI目 录摘要IAbstractII第一章 绪论1.1 选题背景及其意义11.2国内外研究动态11.3论文主要研究内容2第二章给水控制系统的动态特性21 给水控制的任务322给水控制对象的动态特性3221进水流量扰动下水的高度的动态特性4

7、222蒸汽流量扰动下的水的高度的动态特性5223 热负荷扰动下水位的动态特性6第三章 给水自动控制系统的基本要求和基本结构31给水自动控制系统的基本要求832给水自动控制系统的基本结构及分析8321 单冲量给水控制系统8322单级三冲量给水控制系统8323串级三冲量给水控制系统9第四章 调节器的控制规律4. 1基本调节作用114.2调节器的控制规律12第五章 MATLAB简介及系统仿真51MATLAB概述1652 SIMULINK简介16第六章 给水控制系统的参数整定及仿真61 单级三冲量给水控制系统的参数整定及仿真1862 串级三冲量给水控制系统的参数整定及仿真26第七章 结论致 谢36参考

8、文献37I 第一章 绪论1.1 选题背景及其意义近些年来，尤其是改革开放以后，我国在农业、工业以及军事方面迅速发展，虽然提高了国民的生产、生活水平及保障，但是对于电的需求也越来越大，火力发电仍是我国目前最主要的电力来源。所以发电设备必须不断向着大容量、高参数的方向发展，以适应现在的生产水平。然而，大型或者是超大型的火电机组的大量运行，也就对其能否安全、经济、稳定的运转有了更高的规定。正是由于机组一直不断的提高运行参数、增大设备的容量，设备运行的安全性、经济性、可靠性将会更加依靠于高科技的生产自动化控制系统。 针对这种情况，设计人员对锅炉等机组的掌握程度就会尤为重要。然而，在真实的情况里，那些热

9、力设备的试验一方面是在正常的生产生活中很难做到，另一方面设备的运转也不会让设计试验的，也就是说仿真是必不可少的试验方法。针对于仿真过程中必要的各种各样的模型来说，今年来的试验方向可以如此来分：一种是研究整个系统的动态特性。另一种就是动态模型的建立。 大型锅炉的重要操控部件包含锅炉汽包中水的高度、蒸汽系统、锅炉焚烧系统等的监视与操控。在这之中维持汽包中水的高度在允许给定的范围内（通常是50mm）波动是锅炉安全稳定经济运转的重中之重。汽包中水的高度不管是过高还是过低都会造成非常可怕的结果，所以必须加以严格掌控。因此，研究锅炉汽包中水的高度的新型智能控制对于电站的安全、经济、稳定运行具有非常重要的理

10、论意义和现实价值。1.2国内外研究动态 锅炉在发电设备中是一个很麻烦的热力系统组件，能否找到恰当的平台将理论的数学变成是简单实用的仿真是特别重要的。国外已经成立了很多仿真公司并且开发了很多仿真平台。如美国GE、WESTINHOUS和CE以及BW四大动力设备集团还有日本三菱等,而在我的国家里，亚仿就成功研发了ASCA平台，华北电力大学研发STAR90平台，清华大学开发了ISSE。 目前，相当一部分火电厂的仿真都已经采用了专门的仿真平台，应用于模拟模型的调试及运行，然而这类软件通常情况下是与仿真的机器共同买卖的，而且价钱还非常的贵，一般没有几个人可以方便的使用。然而Matlab的出现则是简单仿真的

11、曙光。Matlab是Mamworks公司（美国）研制出来的一种软件，它是应用数学语言中的矩阵运算，成功的把数据计算和数据可视化以及程序设计三个不同类型结合在了一起。这是一个可以相互交换运转的平台，并且在这个平台就可以实现生物计算、建模和仿真、开发程序等功能国外在这方面有很早和很全面的研究。例如Ress，Nicholson等就建立了电站锅炉系统得模型并且进行仿真及控制。国内对锅炉系统的建模仿真也进行了不少的钻研。科研者们思考和研究了美国以及日本等国的科研成果。也作出了很多成功的尝试。 华北电力大学的王晓妹等人，以MatlabSimulink当做是开发平台，建立机组设备模块库。一般的锅炉汽包中水的

12、高度管制一般情况下就可以把它们分为单冲量和双冲量以及三冲量等方法。其中通过三冲量来进行控制的这种结构成为当下研究的热点。1.3论文主要研究内容本论文的主要目的是了解保持汽包中水的高度在规定范围内波动的重要性。如果汽包中水的高度过高，就肯定会影响到汽包中汽水分离的装置正常运行，减小了汽包蒸汽空间的高度，导致汽水之间的分离情况减弱，严重时就可能会导致进入下一个设备的蒸汽带水，而且会造成蒸汽中的含盐量升高，并可能引发过热器的管子内部发生大量盐的堆积，造成过热管的温度超过允许的值而导致其本身的金属应力和硬度发生改变从而造成爆管的情况。汽包中水的高度在变得非常高的情况下，蒸汽就会携带很多的水分，使得过热

13、蒸汽的温度迅速变低，而且汽轮机等金属部位的温度也会发生很大的变化，造成可怕的应力和形变现象，尤其是如果造成水冲击，就会导致设备被严重的破坏，这将直接影响机组运行的安全、经济、稳定；如果汽包中水的高度过低，就会造成下降管的进口处带有大量的水蒸汽，使其循环流动得压头变的很小，并且危险的话还可能导致水循环被打破，造成水冷壁管的温度和热度大大超出允许范围的现象，如果供水严重不足或蒸发量特别大的时候还有可能会造成水冷壁烧损等一系列危险的事件发生。所以，我们一定要正视造成汽包中水的高度的变化的主要原因，并加大对水的高度的观察和控制将会对汽包锅炉的安全经济稳定的转行起到非常大的作用。了解影响汽包中水的高度的

14、主要因素，汽包中水的高度的高低是由汽包中已经存在的水的多少还有在水面下的汽泡的大小所共同决定的，汽包中水的高度不仅受汽包已经存在的水的多少改变的控制，能够造成汽包中水的高度发生波动的原因包括：蒸汽的流量D和进水的流量W以及热负荷等等。了解给水自动控制系统的基本要求和结构，着重介绍单冲量、单级三冲量、串级三冲量三种控制系统。简单了解Matlab/Simulink，并通过Matlab/Simulink的仿真模块建立一个合适的控制系统来快速消除影响汽包中水的高度的给水扰动、蒸汽扰动等不利因素。第二章给水控制系统的动态特性21 给水控制的任务如果想要做好这个系统的仿真，首先就要了解这个系统的主要任务是

15、什么。汽包锅炉在进水的自动控制过程中，其主要工作就是保证锅炉的给水量与锅炉的蒸发量之间相适应，并且要使汽包中的水的高度在安全经济稳定运转所允许的范围内发生变化。因此，能否保持汽包中水的高度在规定范围内就是影响整个机组能否安全经济稳定运行的重要因素之一，因此也就要求我们设计一种优异的管制办法，用来完成汽包中水的高度的自动管理。汽包中正常的水的高度的保持是设备稳定运行的先决要素。水的高度不管过高或者是过低都会影响设备稳定运行。因为水的高度太高会影响蒸汽的质量，而水的高度太低则会危害锅炉的使用时间。因此我们必须要正确认识影响汽包中水的高度的原因并加大对汽包中水的高度的监整，因为这对汽包锅炉的安全运行

16、以及我们自身的人身安全都特别重要。此外，保持给水量稳定也有助于省煤器以及给水管道的安全稳定运行。22给水控制对象的动态特性在设计进水自动控制系统之前，首先要分析被控对象拥有的全部的动态关系，只有知道和了解了汽包锅炉中影响汽包中水的高度的主要扰动，并且了解在这些扰动下汽包中水的高度的动态特性，根据经验可以将其绘制成图，并且可以有数学关系将其表述出来，才能设计出一个合理有效的给水控制系统。进水调节对象的动态关系所表示的就是：汽包中水的高度的改变与引发水的高度改变的种种因素之间的关系。汽包的进水控制对象其结构示意图如图2-1所示，汽包水面下的气泡的体积和蓄水的多少决定汽包中水的高度的高低。所以，汽包

17、中水的高度除了受汽蓄水的多少变化的影响，汽泡的体积变化也会影响水的高度高低。首先要了解调节对象有没有自平衡能力，由于其蓄水的多少是因为进水流量以及负荷变化引起，但是水的高度的变化既不会造成负荷变化，也不会妨碍进水流量的变化，所以无自平衡能力。 图2-1给水调节对象结构图1-给水母管；2-调节阀；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-过热器；7-蒸汽管221进水流量扰动下水的高度的动态特性首要，先分析最简单的进水流量扰动，进水流量的扰动属于最基本的扰动，在早期的锅炉人工控制时期主要就是通过观测汽包中水的高度的高低来手动调节进水流量的大小。进水流量的变化是依靠调节机构改变而改变的，通常称为内扰。在进

18、水流量的干扰下，她的水的高度的阶跃响应曲线就可以用图2-2来表示，如果增加一个进水流量阶跃后，图2-2中曲线2表示水的高度的改变。当进水流量突然增加后，扰动刚开始时水的高度不会马上升高。一段时间后水的高度将会以一定的速度一直上升。在图2-2中，曲线1可以看作是积分环节的特性；而曲线3可以看作是惯性环节。综上，实际情况下在进水流量扰动下的水的高度变化就可以当做是曲线1与曲线3的合成，也就是曲线2。图2-2 进水量干扰下水的高度的阶跃响应曲线水的高度在进水扰动下的传递函数：式中 延迟时间，s； 响应速度，也就是进水流量在变化一个单位流量时，其水的高度改变的快慢情况，（s）/（th）。和可以从水的高

19、度阶跃响应曲线上分别求得，即延伸曲线2的直线线段使其和横轴相交于A点，与纵轴坐标轴相较于B点，则 =OA 它的扰动传递函数图就像图2-3所示，我们就可以把它当成是积分环节再加上惯性环节的串联或着是并联的两种连接方式。图2-3 给水扰动传递函数方框图222蒸汽流量扰动下的水的高度的动态特性接着说一下比较复杂的蒸汽流量扰动对水的高度的影响。这种扰动属于外部扰动。在这种干扰下汽包中水的高度的阶跃响应反应曲线我们就可以用图2-4表示。如果蒸汽流量突然变多的话，这个时候锅炉的蒸发量就会比进水流量多，水的高度的变化如图中H1所示。在突然发生这个扰动的时候，也会导致汽泡体积变大，从而导致水的高度上升，可是这

20、个体积的增加不会一直下去，因此气泡体积变大而导致的水的高度变化就可以用惯性环节表示，也就是水的高度变化过程可以用图2-4中曲线H2表示。汽包中水的高度本应呈现的响应曲线是H1和H2的合并，也就是曲线H。由图2-4可知，当负荷发生变化时汽包的水的高度动态特性拥有某些特点：当负荷突然变大时，此时蒸发量就会大于进水流量，可是水的高却是升高，这种情况就是“虚假水位”。图2-4蒸汽流量扰动下水的高度阶跃响应曲线在蒸汽流量发生变化的情况下，汽包中水的高度响应特性通常就可以用下面的传递函数来代： 式中 曲线的时间常数 曲线的放大倍数 曲线的响应速度 223 热负荷扰动下水位的动态特性最后，说一下热负荷产生变

21、化的影响及在这种情况下水的高度的动态特性。在燃料量突然发生改变时，设备的蒸发能力就会变大。可是蒸发强度变大同时就导致气泡体积的变大，因此就会出现虚假水位现象。在燃料量扰动下的汽包中水的高度的阶跃响应曲线可以用图2-5表示，它与图2-4有些类似。只是在这种变化下，随着蒸汽流量变多的时候蒸汽压力也会相应的变高，在这种情况下汽包体积变多的要比蒸汽流量变化时要小得多，水的高度上升也就较少。此外，由于蒸发量随燃亮量的增加有惯性和时间滞后，如图2-5中虚线所示，这就会致使延迟时间较长。 图2-5 燃料量扰动下的水的高度特性本章小结通过这一章我们了解到维持汽包中水的高度的重要性。水的高度过高就会破坏分离器的

22、工作,也就会破坏锅炉的输出,严重的话蒸汽温度将下降,携入的水分将导致水轮机故障,减少涡轮的使用寿命;锅炉水循环被破坏，并影响省煤器运作,甚至引起锅炉爆炸的风险,保持汽包中水的高度在一定范围内。很多因素都改变水的高度,但最重要的蒸发和水供应的波动。通过了解这三种扰动下汽包中水的高度变化的动态特性就会明显的得到进水管制的一些规律。发现水的高度高于给定值后，此时再去调节进水流量，因为存在着滞后，此时水的高度必然会产生更大的变化。当蒸汽流量发生改变的时候，会产生“虚假水位”，此时水的高度会很快的改变，由于这个水的高度的改变程度是基本不可以靠增多或减少进水量来控制的。所以这种现象在设计研制时是我们一定要

23、想到的。第三章 给水自动控制系统的基本要求和基本结构31给水自动控制系统的基本要求了解了影响锅炉汽包中水的高度的主要扰动：进水流量、蒸汽流量和燃料量。并且知道了汽包中水的高度在这些扰动下的动态特性，这样我们就可以根据这些扰动来研究一下针对这些扰动需要满足的基本要求。而这就就是要合理有效的通过控制手段来消除以上扰动可能会带来的隐患，保障机组的安全运行。32给水自动控制系统的基本结构及分析为了满足社会高速发展所需要的更多的电量供应，小型锅炉正在逐步的停止运行，现在运行的通常都是大型锅炉。然而大型汽包锅炉中的汽包中水的高度动态特性也就会非常复杂，而且汽包中普遍存在严重 “虚假水位”的现象，而为了保证

24、给水系统的安全性和经济性，在汽包锅炉的改变进水的系统中通常应用下面几种基本结构：单冲量，单级三冲量以及串级三冲量。321 单冲量给水控制系统对于低参数小容量的锅炉，相对于负荷来说，其水容积大，“虚假水位”现象不十分严重，对象的飞升速度也比较小，对调节质量要求不高，可采用图3-1所示的单冲量单回路调节系统，采用比例调节规律，就能可靠地运行。图3-1 单冲量单回路自动调节322单级三冲量给水控制系统调节器会接受包括汽包中水的高度H和蒸汽流量D以及进水流量W这三个主要的信号。在三冲量控制系统中，它通过输出信号去改变进水量，这里汽包中水的高度就是被调量，水的高度的信号就是最重要的信号，蒸汽流量新号则作

25、为前馈，进水流量信号当成是反馈。图3-2为单级三冲量给水控制系统结构图，由这个图我们可以看出来，图中的调节器PI会接受三个信号(H、W、D)，它的输出结果会通过阻尼器、控制器以及执行器来改变进水流量W，这其中的汽包中水的高度H就是主要的控制信号，当汽包中水的高度变高时就应该减少进水流量，当汽包中水的高度变低时就应该增加进水流量。此外还将蒸汽流量D与进水流量W分别当做是汽包中水的高度的前馈还有反馈控制信号。图3-2 单级三冲量给水控制系统结构图根据图3-2能够看出，单三的进水管制系统中，它的水的高度、蒸汽流量以及进水流量分别与、相对，而这三个信号都将会被送到系统中的PI中。在静态的时候，这三个输

26、入信号要求与代表着水的高度给定值的信号保持平衡，即： -+= 或 -=-在静态的时候，如果送入调节器蒸汽流量等于进水流量，那么水的高度也就是给定的值。要是在静态时，那么汽包中水的高度的稳定值也就不再等于其给定值（）。所以通常情况下我们都会选择在静态的时候使=，这样就可以在整个操控过程完成后，系统中的汽包中水的高度仍然可以不发生变化。323串级三冲量给水控制系统对于进水操控通道存在很大延迟的锅炉，如果应用串级就会拥有特别棒的操控，此时的整定就会相对会容易的多。串级系统的结构顾名思义就是两有个闭环串在一起，一个闭环在内部，通常被人们称为是内回路或者是副回路，用于粗调的用途；另一个在外部的闭环通常被

27、人们称为是外回路或者是主回路，用于细调的用途。 图3-3 串级三冲量给水控制系统原理框图由图可知，在这个控制系统中存在了三个回路，为内回路，其中包括副调节器、给水量W、执行器阀门系数、进水流量变送器斜率和放大系数以及进水流量反馈装置；是主回路，其中包括水的高度水的高度变送器斜率、被控对象和主调节器以及内回路；则是前馈通道，它包含蒸汽流量变送器斜率和蒸汽流量前馈装置以及副回路还有被控对象。本章小结单冲量控制对于现在复杂的工作运行不能起到很好的保护作用，只有在小型或机组刚开始运行的时候会应用。现在主流的控制就是以进水、蒸汽以及水的高度三个信号来进行操控的三冲量系统。随着进一步的发展，为满足更多的设

28、计要求，三冲量又分别有串级和单级两个系统。通过单级系统和串级系统的对比我们可以清楚的知道，串级虽然只是比单级多增设了一个测量变送器以及一个调节器，这种情况下增加的资金并不是很贵，可是操控的情况到是有了非常显著的提升。第4章 调节器的控制规律4. 1基本调节作用一般的自动调节器（简称调节器）和控制对象组成一个相互作用的闭合回路如图4-1所示。图4-1 调节系统示意图我们常用的调节器的主要工作原理就是可以根据我们需要调节的量如y和系统安全运行所规定的数值r之间的存在的偏差所产生的一个信号e（或者是再加上一些其他的信号）而操作执行机构按特定的规律（即控制规律）去动作。我们在工作和生产中有一些常用的调

29、节器，他们的控制规律一般都是由基本调节作用，也就是比例、积分以及微分相互结合而构成的适用于多种情况下的调节器。比例调节规律的特点是反应速度很快，没有什么惯性、也没有什么延迟、动作相当快，调节动作的方向也非常正确，作用会贯穿整个调节过程，所以它就成为了基本的调节作用。但是比例调节却不能保证系统无差，但是积分作用却可以实现无差调节，那是因为只要还有偏差的存在，那么积分控制的作用就会一直增加下去；也就是说，当偏差为零的时候，积分作用才会停止变化，从这里我们就可以知道当系统又一次达到稳定状态的时候，其被调量和其给定值之间不会存在稳态偏差。积分的调节规律,通过总结其特点就是能够使系统没有稳态偏差，从而实

30、现无差改变，它的作用通常体现在后期。但是，积分调节中的调节机关移动速度只会与偏差信号e的大小成正比例，而不能充分考虑到偏差变化速度的方向还有大小，这一特点使得积分调节作用有时会产生错误的方向，很容易引起调节过程的震荡。因此工程中很少会采用纯积分调节器，而广泛采用的就是比例积分调节器。因此这种与纯比例调节器相比较的话，在比例积分调节器的中的比例带应该要适当的加大，以补偿积分作用时造成的稳定性下降。微分控制规律的主要特点就是它的控制机关存在的位置正比于需要调节的物理量其偏差输入信号其改变的快慢。微分作用的特点就是可以很有成效的减少其被调量所存在的动态偏差，且微分起作用是要比比例起作用还要快的，即它

31、是可以进行超前调节的一个作用。但是纯微分作用的调节器也是不能单独使用的。4.2调节器的控制规律比例（P）调节器比例调节器的动态方程式： 或 传递函数为：在这个式子中比例带在调节器中是可以变化的参数，通常情况下我们用它来说明比例这种作用对控制的强弱，它越大比例作用越弱，相反的是，它越小比例所产生的作用也就越强。图4-2 比例控制器的方块图和阶跃响应曲线（动态特性）比例积分（PI）调节器 传递函数：在这个式子中，积分时间是影响积分作用的最主要的原因。积分的时间越短，表示在这个调节器中的积分作用也就会越强。正好相反的是，如果积分的时间越长，表示在这种调节器中的积分时间也就会越弱。而在式子中的比例带既

32、可以改变比例的作用，也会改变积分的作用。图4-3 （a）比例积分控制器的方块图；（b）阶跃响应曲线（动态特性）比例微分（PD）调节器 传递函数：在这个式子中微分时间在调节器中是是改变微分作用的主要参数。如果把微分的时间设置的很长，那么就表示在整个控制过程中的微分作用就会很强；如果把微分时间设置的很短，那么就表示在整个控制过程中微分作用就会越弱。在这个式子中比例带既可以改变比例作用，也可以改变微分作用。图4-4 比例微分控制器的方块图和阶跃响应曲线比例积分微分（PID）调节器 传递函数:已知PID调节器覆盖了所有的调节作用，适当选择这三个参数的数值，就可以获得很好的控制调节质量。图4-5 PID

33、控制器的阶跃响应曲线（动态特性） 本章小结依据数学关系，可以知道我们常用的调节有三类：P、I以及D。比例在这三者中是起主要的调节作用，其他两种作用则是作为辅助。并且我们也知道了其中P作用会贯穿于整个控制进程当中，而I作用则是在整个控制过程的后面才会发挥用途，其用途主要是要清理掉整个系统中存在的静态偏差，此外D调节的主要作用则会在控制过程一开始就变现出来。第五章 MATLAB简介及系统仿真51MATLAB概述MATLAB是MATrix LABoratory（矩阵实验室）的缩写，它是由Math Works 公司（美国）开发的集数值计算和图形可视化以及符号计算这三个功能于一体的语言，这是国际公认的最

34、优秀数学应用软件之一。本次论文主要就是跟据其强大的建模及仿真能力来进行对于给水控制系统的仿真。MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MA

35、TLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。它具有以下的主要特点：（1）运算符和库函数非常丰富，语言简洁明了，编程效率高。（2）不仅控制语句具有很强的结构化的特点，还有可以很好的对对象进行编程。（3）功能强大的工具箱。（4）易于扩充。基于MATLAB的这些优点，我选择它做为我进行仿真设计的工具，在这个工具上实现汽包中水的高度动态特性的仿真。5

36、2 SIMULINK简介作为MATLAB的最主要的构成部分之一，simulink具有某些特定的用途以及操作。通过simulink模块库所建立系统的仿真模型，可以让我们直观、方便地对系统进行动态仿真。SIMULINK包含有SSource(输入源)、inks(输入方式)、Nonlinear(非线性环节)、Linear(线性环节)、Extra(其它环节) 、Connections(连接与接口)子模型库，而且每个子模型库中包含有相对应的功能模块，用户也可以自己定制和创建模块。特点:丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理提供

37、API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用Embedded MATLAB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法第六章 给水控制系统的参数整定及仿真61 单级三冲量给水控制系统的参数整定及仿真某汽包锅炉，其控制对象的传递函数如下：进水流量测量变送器以及蒸汽流量测量变送器的斜率为：水的高度测量变送器的斜率为：执行机构和调节阀的传递函数为： 三冲量内回路的方框图如图6-1所示。图6-1 三冲量给水控制系统的内回路方框图调节器的比例带以及积分时间都应该取较小的值，但是其具体值我们就能利用试探的方法来确定，并且一定要保证内回路不会发生振荡。通常都取积分时间，再试探的过程中

38、，其进水流量反馈装置中的传递系数（即进水流量信号的灵敏度）就可以随意的设置成某一个数值，以此获得一个满意的比例带值后，再一次改变值，改变时须注意使保持不变，也就是说在变化中一定要确保这个系统中的内回路的开环放大倍数不发生任何变化。当副回路已经进行过正确的整定之后，我们会发现它的控制所需要的时间是非常短的。只是因为调节器是比例积分特性，而且其和又假定的很小，所以它能快速相应运转。如果当外来的控制信号产生变化的时候，调节器一般是马上成比例地调整了进水流量W，即=，即 或 （6-1）这样，主回路也就可以表示为图6-2，主回路也就可以看成是一个简单控制系统。主回路的等效调节器其等效比例带图6-2 三冲

39、量等效方框图在主回路的整定过程里，我们可以用实验的方法来画出控制对象的响应曲线。从这个曲线上求得延迟时间以及响应速度,跟据响应曲线法可以得到下述计算公式: （6-2）则 或 （6-3）前馈的那部分对系统的稳定性来说基本是没有什么影响的，所以我们专门来考虑前馈通道。 （6-4）在式（6-4）中，负号是由于前馈装置极性的开关来决定的。从式（6-4）中我们就可以看到，不会仅仅是简单的控制环节，而应该是非常杂乱的动态控制环节，也正是由于它的不简单，我们一般要求水的高度不能存在静差，其条件为：通常有，所以：。根据图6-2所表示的主回路的等效方框图，我们就可以列出其主回路的特征方程式为：即 代入具体数值后

40、得设为相应的阻尼系数，则如果取整定指标，那么那么在内回路中，除了调节器以外的其它部分都可以近似的认为是比例环节。如果我们按照这个特点来求调节器的所有参数，那么和就可以取尽可能小的数值而且也不会发生振荡。实际情况却是各环节都存在惯性甚至非线性，因此内回路肯定会出现振荡的，调节器的参数也就只能用实验的方法确定。试验时，要先设置好值（令=0.23），并令=10s，然后可以设置一个比较大的值（例如=50%），并察看内回路整个的进程，并慢慢的使值变小直到副回路发生振荡为止，这中情况下的值就可看做为整定好的参数了。试验结果：=5% =2s单级三冲量内回路simulink结构图和仿真图见图6-3和6-4。6

41、-3 单级三冲量内回路结构图 6-4 单级三冲量内回路仿真图从内回路的仿真图我们可以看到整个过程的反应时间是很短的，此时的内回路就可以看成是有着类似于比例作用的随动系统由内回路的参数整定可知，则主回路的各项参数可知：=0.05，=0.23，=2单级三冲量的给水控制系统其主回路的等效simulink结构图和仿真图如图6-5和6-6所示：6-5 单级三冲量给水控制系统主回路结构图6-6 单级三冲量给水控制系统主回路仿真图从图可知：静态偏差：响应中被调量的稳态值与给定值的长期偏差e（）=30峰值时间：响应超到达第一个峰值所需的时间=60s超调量：响应的第一个偏离稳态值的波峰与被调量的稳态值之比的百分

42、数，即 依据在蒸汽流量突然发生改变的时候，水的高度却不能发生改变这个原则来设置在整个前馈环节中各个的指数，因此前馈装置的整定，我们就根据无静差原则得：单级三冲量给水控制系统在进水流量的扰动下simulink结构图及仿真图如图6-7和6-8所示。6-7 单级三冲量给水控制系统给水扰动下结构图6-8 单级三冲量给水控制系统给水扰动下仿真图由以上仿真图我们就可以知道，在进水流量扰动下，水的高度虽然有一定的波动，但是由于内回路特性抵抗了进水流量扰动，使系统最后可以达到稳定值0图6-9和图6-10分别为无前馈装置单级三冲量给水控制系统在蒸汽流量的扰动下生成的simulink结构图以及仿真图。6-9 单级

43、三冲量给水控制系统蒸汽扰动下结构图6-10 单级三冲量给水控制系统蒸汽扰动下仿真图如图6-11为整定后的单级三冲量给水控制系统的simulink结构图，图6-12为整定后的系统仿真图。6-11 单级三冲量给水控制系统结构图6-12 单级三冲量给水控制系统仿真图从图可知：静态偏差：响应中被调量的稳态值与给定值的长期偏差e（）=90上升时间：响应从终值10%上升到终值90%所需的时间=35s超调量：响应的第一个偏离稳态值的波峰与被调量的稳态值之比的百分数，即 通过仿真图和计算数据我们可以看到整个控制过程最后趋于稳定，说明我们整定的调节器可以很好的克服干扰，保证水位在一定范围内。62 串级三冲量给水

44、控制系统的参数整定及仿真根据调节系统设计原则可以看出,这三个系统中的冲量形成闭环。二级调节器PID2、控制阀、水流发射机和进水流量信号分流系数内循环水的高度控制对象。主蒸汽流量作为前馈信号,形成一个开环系统,不影响两个闭环稳定。我们在串级控制系统中，首要是把内回路解决成为是快速随动系统,因此,使内循环拥有快速处理内部扰动的作用。选择二级控制器的比例带,以确保内回路振动原理。它的函数我们就可以取随便一个值,然后得到让我们认可的数值。如果需要更改传递函数,相应比例带值应该被改变,这样的传递函数通过整定,确保稳定的内部循环。主回路的整定首先要把副回路当做成成为一个快速跟随系统。它的示意图就如图6-1

45、3所示，其中的就是代表等效的副回路。图6-13 主回路等效图把当做是系统中的被控对象，剩下的我们就看作是为等效的调节器。也是一个PI调节器。整定：所以 由于串三冲中的两个调节器有着不同的功能，主、副回路的工作我们就认为基本上相互独立且互不干扰的了。串级三冲量系统中，其等效主调解器的比例带为，因此可以通过改变来调整。但是调整时却确不可能妨碍到内回路运转的稳定性，并以此就可以达成主、副回路之间不妨碍的目的。总之，副回路的稳定性可以由改变来保证，而主回路运转的稳定性就可以通过改变的值来进行保障。三冲量中的给水控制是水的高度为主要信号,然后蒸汽流量为前馈信号,停止“虚假水位”偏差的方法,也考虑肯定会存

46、在一定的滞后,进水信号我们通常就当做是反馈信号。在串级的系统中，其水的高度发生改变是由主调节器来调整的，并且要保证它静态水的高度值总是等于其给定的高度值。因此，也就不再要求蒸汽流量信号必需等于进水流量信号，也就是前馈装置传递函数将不会受静态特性无差这个条件的限制。从而可以只根据“虚假水位”的严重程度来进行确定。通常我们令。如果两个变送器的斜率相等的话，那么 一般都取K=2对于主回路的整定，我们通常都是采用经验公式的方法；前馈通路的选择通常是基于“虚假水位”而定的。内回路中调节器的比例带和积分时间 都应该取得很小，蒸汽流量信号和进水流量信号的灵敏度、一般均取为1。当给水被控对象的“虚假水位”的现

47、象变的非常严重时，我们就需要加大蒸汽流量信号的灵敏度，并用这个方法来改善控制的过程，此时可取1，并且可以通过试验的方法来减小，其中/最好为整数（一般可以是为2，即=1）。根据经验实验法，可以将、都取的很小，通常积分时间，试探过程中，我们可以任意设置值，这样就可以得到一个比较满意的比例带值：串级三冲量的给水控制系统的内回路，其simulink结构图及仿真图如图6-14和图6-15。6-14 串级三冲量给水控制系统内回路结构图6-15 串级三冲量给水控制系统内回路仿真图 由仿真曲线可以知道，将副回路整定成为了快速随动系统。根据响应曲线整定法中给出的计算等效主调节器的整定参数，可求得、为： 主回路的

48、simulink结构图和仿真图如图6-16和6-17。6-16 串级三冲量给水控制系统主回路结构图6-17 串级三冲量给水控制系统主回路仿真图从图可知：静态偏差：响应中被调量的稳态值与给定值的长期偏差e（）=100上升时间：响应从终值10%上升到终值90%所需的时间=75s超调量：响应的第一个偏离稳态值的波峰与被调量的稳态值之比的百分数，即 在串级系统中，主调节器主要的作用就是要来校正水的高度的偏差，使得在静态的时候水的高度值总等于其给定高度值。也就因此也就要要求如何根据汽包中的“虚假水位”现象的严重情况来要求，也就是要在负荷扰动能更好的采取控制。由于/最好为整数（一般为2，即=1），所以=2

49、.串级系统在进水流量扰动下的simulink结构图和仿真图如图6-18和6-19所示6-18 串级三冲量给水控制系统给水扰动下结构图6-19 串级三冲量给水控制系统给水扰动下仿真图图6-20和图6-21分别为无前馈装置串级三冲量给水控制系统在蒸汽流量扰动下的simulink结构图和仿真图6-20 串级三冲量给水控制系统蒸汽扰动下结构图6-21 串级三冲量给水控制系统蒸汽扰动下仿真图则串级系统的系统图与仿真图如图6-22和6-23所示6-22 串级三冲量给水控制系统结构图6-23 串级三冲量给水控制系统仿真图从图可知：静态偏差：响应中被调量的稳态值与给定值的长期偏差e（）=100上升时间：响应从终值10%上升到终值90%所需的时间=77s 超调量：响应的第一个偏离稳态值的波峰与被调量的稳态值之比的百分数，即 从求得的指标来看，系统的稳定性很好，并且波形符合一波半，说明参数设计合理，符合设计要求。本章小结进水流量扰动被称为内扰，串级系统中的存在主调节器，其主要作用就是要校正水的高度，这就要比单级系统中的工作更加合理。蒸汽流量发生变化的情况属于外扰，在串级系统中对蒸汽流量发生变化这种情况的抵抗性要更强，且在这个系统中，如果蒸汽流量发生了某些扰动，其信号就会在