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电厂锅炉水位串级控制系统设计,电厂,锅炉,水位,控制系统,设计
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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 本科毕业设计论文题 目 电厂锅炉水位串级控制系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 戴生宝 指导教师 金文凯 毕业时间 2014.6 毕业设计任务书一、题目电厂锅炉水位串级控制系统设计二、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串级三冲量控制系统，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； 5撰写毕业设计论文。三、主要技术指标1. 锅炉汽包内径1.8m,筒身长20m； 正常水位在汽包几何中心线下100mmmm 处； 给水流量W=0450t/h，蒸汽流量D=0500t/h；2. 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；3. 过程动态性能指标为：（1）水位波动最大偏差不超过mm；（2）水位恢复到mm范围内的时间不大于；4. 锅炉稳定运行时，汽包水位应在给定值的mm范围内变化。四、进度和要求1. 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，方崇智.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. 学生 戴生宝 指导教师 金文凯 系主任 史仪凯 摘要 现代大型锅炉的水位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了给水系统的安全可靠，有多种设计方案，三冲量给水系统包括单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统，设计中重点针对串级三冲量给水系统进行了详细的设计及仿真研究。 本次设计是根据实验给定的参数，用理论计算的方法整定调节器的参数，同时借助MATLAB应用软件进行仿真，整定系统。本文在具体分析了一些影响汽包水位对象控制主要因数的基础上，讨论了目前通常采用的控制方法,分析了水位对象模型的动静特性，水位扰动、蒸汽流量扰动下的系统的性能和蒸汽流量信号丢失后的水位变化情况。通过对几种控制方案的分析、研究与比较，选串级三冲量系统作为最佳控制方案，并着力研究串级三冲量系统的特点。随后对其在PID的参数整定方面也进行了必要的分析，并进行仿真，验证设计。得到串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障锅炉的安全稳定运行。关键词：汽包锅炉，MATLAB仿真，PID参数整定，三冲量控制系统ABSTRACTThe dynamic characteristics of water level in modern large boiler drum complex,there are false water level phenomenon, in order to supply system is safe and reliable, has a variety of design scheme, the three element feedwater system comprises a single stage three element and three element cascade feed watersystem, focusing on the design of the three element cascade feed water system design and detailed simulation research.The design is based on the parameters given by the method of the theoretical calculation, parameter self-tuning regulator, and carry on simulation using MATLAB application software, setting system. In this paper, based on analyzing the influence of steam drum water level control of the main factor, discussed the general method, analysis of the static and dynamic characteristics of the water level object model, disturbance of the water level, steam flow disturbanceperformance of the system and the steam flow signal loss lost water levelchanges after. Through the study and comparative analysis, several control schemes, choose the cascade three impulse system as the optimal controlscheme, and tries to study the characteristics of cascade three impulse system.Then the PID parameter tuning is also carried out the necessary analysis, and simulation, verification of design. Get three element cascade feed water control system of various typical disturbance factors can make rapid response, withhigher quality regulation and regulation precision, can maintain the stability of the drum level, to ensure the safe and stable operation of the boiler.KEY WORDS: drum boiler，MATLAB simulation，PID parameter tuning，three impulse control system目 录第一章 绪论11.1 锅炉水位控制的任务11.1.1 控制锅炉水位的意义11.1.2 锅炉水位控制系统的任务与要求11.1.3 毕业设计任务分析21.2 锅炉水位控制技术国内外现状分析2第二章 汽包锅炉与给水控制原理及动态特性42.1 锅炉设备的控制42.1.1 锅炉设备的主要控制要求42.1.2 锅炉控制的主要控制系统42.2 汽包锅炉简介52.3 锅炉给水控制对象的结构与工作原理62.4 给水控制对象的动态特性82.4.1 给水量扰动下水位变化的动态特性82.4.2 蒸汽流量扰动下水位的动态特性92.4.3 燃料量扰动下水位的动态特性10第三章 锅炉水位控制系统方案123.1 汽包水位控制方法123.1.1 单冲量控制123.1.2 双冲量控制123.1.3 三冲量控制123.2 单级三冲量水位控制系统133.2.1 工作原理133.2.2 H,W,D三信号的静态配合143.2.3 调节器参数整定143.3 串级控制简介153.3.1 串级控制系统的结构153.3.2 串级控制系统的特点153.3.3 串级控制系统的设计163.4 串级三冲量水位控制系统183.4.1 工作原理183.4.2 信号的静态配合183.4.3 调节器参数整定193.5 控制方案比较20第四章 MATLAB仿真简介214.1 MATLAB的概述214.2 MATLAB的特点21第五章 给水三冲量串级系统的建模与仿真245.1 串级控制系统参数的整定245.2 PID控制器255.3 串级三冲量控制系统的参数整定265.3.1 汽包水位控制系统的参数整定265.3.2 副回路参数整定275.3.3 主回路参数整定295.4 串级三冲量控制系统仿真分析315.4.1 串级三冲量控制系统仿真315.4.2 仿真结果分析33第六章 锅炉水位串级控制系统设计结论35参考文献36致谢37毕业设计小结38V第一章 绪论1.1 锅炉水位控制的任务1.1.1 控制锅炉水位的意义 随着能源和环保意识的增强，以及国家的一系列相关政策的出台，对锅炉的运行控制提出了新的要求。一台锅炉要能安全、可靠、有效地运行，使运行参数达到设计值，除锅炉本身设备和各种辅机完好外，还必须要求仪表的正常工作和自动控制系统设计方案正确。如上所述，锅炉的控制系统中汽包液位是工业锅炉安全运行的一个十分重要的参数，是自动控制的重要环节，汽包液位保持在规定范围内是保证锅炉正常运行的必要条件。“虚假水位”现象给水位控制带来了困难和挑战，原传统的三冲量控制系统虽然能有效避免“虚假水位”现象，但系统复杂，成本太高。所以说开发出新型的水位控制系统，以解决目前水位控制系统在性价比方面的矛盾，为水位控制提出可靠、廉价、系统性能优良的解决方案，开发出能适应汽包水位控制低成本自动化系统已势在必行。 基于上述原因，我们有必要采用一种新型的控制方式，即使能控制系统的负责程度降低，又能达到设备的控制要求，同时，还要尽可能减少人工干扰。对于锅炉这种多变量和耦合性强的控制对象，采用经典控制理论往往无法达到预期的目的，随着计算机在控制作用中的强大的记忆能力、逻辑判断能力、快速计算能力的发展，为实现复杂的控制算法提供了物质基础。这样，就可以在锅炉控制中运用先进的控制理论和控制算法，有效地控制汽包水位，达到希望的水位静特性。1.1.2 锅炉水位控制系统的任务与要求 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范围内，具体要求有以下两个方面： 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。正常运行时水位波动范围：（3050）mm异常情况：200mm事故情况：350mm 2. 保持稳定的给水量.稳定工况下,给水量不应该时大时小地剧烈波动,否则,将对省煤器和给水管道的安全运行不利。上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或者是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。1.1.3 毕业设计任务分析 本论文主要通过以下几个方面，设计电厂锅炉水位串级三冲量控制系统：1. 简要介绍汽包锅炉及自动控制系统的发展，其中包括汽包锅炉的工作原理及特点、国内外发展的现状。2. 对水位控制展开研究，介绍分析锅炉水位控制系统的动态特性及水位控制系统的控制方法。3. 介绍和分析锅炉给水控制系统方案，利用MATLAB软件对锅炉水位进行仿真，开展控制系统方案论证，建立系统数学模型。4. 对锅炉水位控制系统进行PID参数的计算与整定，利用MATLAB仿真做最后的验证。1.2 锅炉水位控制技术国内外现状分析 蒸汽锅炉是企业重要的动力设备，其任务是供给合格稳定的蒸汽产品，以满足负荷的需要。锅炉是一个十分复杂的控制对象，为保证提供合格的蒸汽产品以适应负荷的需要，与其配套设计的控制系统必须满足各主要工艺参数的需要。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于负荷、燃烧状况及给水流量等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。因此锅炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。 工业蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，锅炉汽包水位也是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。 传统的控制方法是以各种分立器件的应用为基础，利用各种检测器件对被控参数实时进行检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。但是这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，而且容易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统，但由于DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。 目前,国内外汽包水位控制策略采用三冲量控制、模糊控制及PID自校准与自调整的比较多,特别是前2种,其中模糊控制主要是朝智能化方向发展,表现在模糊控制与智能控制的结合,采用遗传算法优化模糊控制等。主要解决的问题是:规则的完整性、规则的优化和控制系统的稳定性;PID自调整、自校正主要采用不同的优化方法对参数进行自调整;预测函数控制、广义预报自适应控制、模型参考自适应控制等基于模型的控制方法发展的比较少,具体在实际应用过程中应用的则更少;前叙的各种汽包水位控制策略各有优缺点,引入汽包水位噪声的因素,并基于这些控制策略开发新的控制策略将是项很有意义的工作,也是可行的。第二章 汽包锅炉与给水控制原理及动态特性2.1 锅炉设备的控制2.1.1 锅炉设备的主要控制要求 锅炉本身是锅炉的主要组成部分，包括炉膛、燃烧器、点火装置、空气预热器、省煤器、蒸发器、汽包、过热器及再热器等。由锅炉的组成可知道锅炉的主要控制要求有一下几点: 1、供给蒸汽流量应适应负荷变化需要或保持给定负荷。 2、锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。 3、过热蒸汽温度保持在一定范围内. 4、汽包水位保持在一定范围内。 5、保持锅炉燃烧的经济性和安全运行。6、炉膛负压保持在一定范围内。 2.1.2 锅炉控制的主要控制系统 1、锅炉汽包水位控制系统：锅炉汽包水位高度是确保安全生产和蒸汽质量的重要参数。该控制系统的控制变量是汽包水位，操纵变量是给水量，重要考虑汽包内的物料平衡，使给水量适应蒸汽量的变化，并维持起搏啊水位在工艺允许的范围之内。 2、锅炉燃烧控制系统：锅炉燃烧控制系统重要包括三个控制系统，即蒸汽压力控制系统、炉膛负压控制系统、燃烧比控制系统。 3、过热蒸汽温度控制系统：被控变量是过热蒸汽温度，操纵变量是减温水量，控制目标是是过热器出口温度保持在一定范围内。把锅炉主要的控制系统整理为如下表格：可以更清楚的反映出锅炉的主要的控制系统、其被控制的对象以及控制要求等等。表2.1 锅炉设备的主要控制系统控制系统被控变量操纵变量控制目的锅炉汽包水位控制系统锅炉汽包水位给水流量锅炉内生产的蒸汽和给水的物料平衡蒸汽过热控制系统过热蒸汽温度喷水流量过热蒸汽是温度和安全性锅炉燃烧控制系统蒸汽出口压力烟气成分（燃气流量）炉膛负压燃料流量送风流量引风流量蒸汽负荷的平衡燃料的完全和经济性锅炉运行的安全性 汽包水位时锅炉运行的重要指标，维持汽包水位在一定范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。因此，锅炉汽包水位控制是锅炉控制系统最重要的控制系统；本节重要介绍锅炉汽包水位控制系统的动态设计。2.2 汽包锅炉简介 在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也是主要包括四个方面：（1）保证系统安全运行；（2）保持燃烧的经济性；（3）保持炉膛负压在一定范围内；（4）运行中保证气轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。无论上一自然循环还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。 汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在所有时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数决定的，而且没有很严格的规定，当锅炉压力工作在9.8MPa18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力16MPa时，一般可以采用强制循环。 调节过程特点：汽包水位成为给水控制的唯一标志，因此汽包水位：（1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；（2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，也即把水位维持在一个范围内即可。2.3 锅炉给水控制对象的结构与工作原理 汽包炉给水控制对象结构如图2-1所示。图2-1 汽包炉给水控制对象的结构系统 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（燃烧率），汽包压力。控制系统的物质平衡方程为 (2-1) 将上式进一步变换得 (2-2) 令，则上式变为 (2-3)式中：汽包水位，或； 汽水分离面积，或；蒸发量，或； 给水量，或；容量系数；水的密度，/或/；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度或飞升时间来表征。 对于汽包锅炉来说，由飞升速度的定义知 (2-4）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%。上式中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，变化量最大，因此有 (2-5) (2-6) 可见这时的扰动量是下降的。故有 (2-7)式中 锅炉最大的蒸发量； 水位变化允许的最大范围。 飞升时间。 对于蒸发量为100230的单汽包炉，当水位变化时，对于蒸发量为更大的汽包炉，它的意义在于当锅炉在满负荷运行时，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，在内将下降，或者换句话说，如果给水量减少，经过的时间，水位将下降。 2.4 给水控制对象的动态特性2.4.1 给水量扰动下水位变化的动态特性 图2-2中曲线1为沸腾式省煤器情形下的水位的动态特性。曲线2则是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。 图2-2 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。 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 (2-8) 当时，上式可变为 (2-9)水位对象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 (2-10)2.4.2 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2-3中所示那样，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2-3中所示。其原因是由于负荷增加时，在汽水循环回路中的蒸发强度也将成比例增加，水面下汽泡的容积增加得也很快，此时燃料量还来不及增加，汽包中汽压下降，汽包膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。图2-3 蒸汽量D扰动下水位阶跃响应曲线 如图2.3中所示。在开始的一段时间后，当汽泡容积和负荷相适应而达到稳定后，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 (2-11)传递函数也为两者的代数和 (2-12)式中 的时间常数，约为1020s；的放大系数；飞升速度。 一般100230t/h的中高压炉，负荷突然变化10%时，“虚假水位”现象可使水位变化达3040mm。2.4.3 燃料量扰动下水位的动态特性 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2-4所示。图2-4 燃料扰动下水位阶跃响应曲线 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。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。 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。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。第三章 锅炉水位控制系统方案 给水控制的任务是维持汽包中水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应能限制汽包水位只在给定的范围内变化。常用的汽包水位控制方式有单冲量、双冲量及三冲量控制。3.1 汽包水位控制方法3.1.1 单冲量控制 单冲量指只有一个变量，即汽包水位。 单冲量控制系统的特点有： 1. 结构简单，投资少。 2. 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。 3. 为安全运行，可设置水位报警和连锁控制系统。 该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当负荷变化较大时，会造成控制器输出误动作，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此，控制不及时。3.1.2 双冲量控制 双冲量即增加蒸汽流量作为前馈信号，前馈加反馈控制系统。 双冲量控制系统的特点有： 1. 采用蒸汽流量作为前馈信号，可克服蒸汽负荷变化的影响。 2. 对给水流量扰动的影响未加考虑，因此，适用于给水流量波动较小的场合。 3. 由排污等水损失，给水流量应大于蒸汽流量。3.1.3 三冲量控制 三冲量即引入给水流量，组成汽包水位为主被控变量，给水流量为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级反馈控制系统。 三冲量控制系统的特点有： 1. 给水流量、给水压力等扰动被引入串级控制系统的副环，补充了双冲量控制系统的缺点。 2. 能先于水位偏差进行前馈控制，及时调节给水流量，以跟踪蒸汽流量的变化，维持汽包内的物料平衡，克服虚假水位，减小水位的动态偏差。 3. 由给水流量为副被控对象构成的副回路，可及时消除给水流量的自身干扰（主要由给水压力的波动引起的）对水流的影响。3.2 单级三冲量水位控制系统3.2.1 工作原理 单级三冲量给水控制系统的结构图和原理方框图如图3-1，3-2所示。 图3-1 单级三冲量给水控制系统结构图从图中可以看出，调节器接受三个信号(H,W,D),其输出通过执行结构去控制给水流量W，其中水位H是主要控制信号，水位高时应减少给水流量，水位低时应增加给水流量。蒸汽流量D和给水流量W的变化是引起水位变化的主要原因（扰动信号），它们分别作为水位控制的前馈信号和反馈信号。当D改变时，调节器动作。适当地改变给水量W，保证D和W比值不变；而当W自发地改变时，PID也立即动作使W恢复原来数值，有效地控制水位的变化。图3-2 单级三冲量给水控制系统原理图3.2.2 H,W,D三信号的静态配合 由图3-1可知，进入PID调节器的三个信号,必须与给定值平衡，即-+= (3-1) 上式有四个数值，可得到三种不同的水位静态特性。 =时，则水位信号就等于给定值信号，即汽包水位在不同负荷时将恒等于给定值。 时，则水位H在不同负荷时为上升静态特性。 1，并通过试验减少。为了不降低内回路品质，同时要减小。 外回路：在主回路中，把内回路看作是一个随动系统，便可按单回路整定方法整定。3.5 控制方案比较 单冲量水位控制是汽包水位自动控制中最简单最基本的一种形式，是典型的单回路定值控制系统，但它不能克服“虚假水位”的影响，而且没有给水流量信号的反馈，所以水位波动较大。双冲量水位控制系统是在单冲量控制的基础上，引进蒸汽流量作为前馈信号。该控制系统的特点是：引入的蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”对调节品质的不良影响。当蒸汽流量变化时，就有一个给水量与蒸汽量向同方向变化的信号，可以减小或抵消由于“虚假水位”引起的给水量与蒸汽量反方向变化的误动作，使调节阀从一开始就向正确的方向移动。因而大大减小了给水量与水位的波动，缩短调节的时间。而且引入的蒸汽流量的前馈信号，能改善调节系统的静特性，提高调节质量。双冲量水位控制系统适用于小型低压而且给水压力较稳定的锅炉。当给水压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持正常时，不宜采用双冲量控制；另外在大型锅炉的控制中，锅炉容量越大，压力越来越高，汽包的相对容水量就越小，允许波动的储水量就更少。为了把水位控制平稳，在双冲量水位调节的基础上引入了给水流量信号，由水位蒸汽流量和给水流量就构成了三冲量水位控制系统，在这个系统里，汽包水位是被控变量，是主冲量信号，蒸汽流量给水流量是两个辅助冲量信号。三冲量水位控制系统抗干扰能力强，适用于大中型中压锅炉。所以我认为三冲量控制系统是最优控制。 三冲量控制系统又分为单级三冲量和串级三冲量，相比较而言串级三冲量给水控制系统两个调节器任务不同，参数整定相对独立。副调节器的作用是当给水扰动时，迅速动作使给水量保持不变，当蒸汽流量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水和蒸汽平衡。主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量控制系统的工作更为合理。在负荷变化时，水位静态值是靠主调节器PI1来维持的，并不要求进入副调节器的蒸汽流量信号的作用强度按所谓“静态配比”来进行整定。恰巧相反，在这里可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，以便在负荷变化时，使蒸汽流量信号能更好地补偿虚假水位的影响，从而改变蒸汽负荷扰动下的水位控制质量。对于虚假水位现象较严重的被控制对象，这一点更有意义。串级系统还可以接入其他冲量信号（如燃烧信号等）形成多参数串级系统。故串级系统比单级系统要好一些。第四章 MATLAB仿真简介4.1 MATLAB的概述 MATLAB源于MATrix LABoratory一词，原意为矩阵实验室。一开始它是一种专门用于矩阵数值计算的软件。随着MATLAB的逐渐市场化，MATLAB不仅具有了数值计算功能，而且具有了数据可视化功能。自MATLAB4.1版本开始，MATLAB拥有了它自己的符号运算功能，MATLAB的应用范围进一步拓宽。在MATLAB6.x版本中，它不仅在数值计算，符号运算和图形处理等功能上进一步加强，而且增加了许多工具箱。目前，MATLAB已拥有数十个工具箱，这些工具箱可以供不同专业的科技人员使用。特别在MATLAB6.x版本中，计算速度又有了明显的提高。就影响而言，至今仍然没有任何一个计算机软件可以与MATLAB相匹敌。4.2 MATLAB的特点 1. 界面友好、户使用用方便 首先，MATLAB具有友好的用户界面与易学易用的帮助系统。其次，MATLAB程序设计语言把编程、编译、连接、执行、调试等多个步骤融为一体。再者，MATLAB语言可设计中断点，存储多个中断结果。还有在MATLAB里，即可执行程序，又可通过人机对话，调用不同的库函数，方便快速的达到用户自己的目的，以实现MATLAB的交换功能。最后，MATLAB是演算纸式的科学工程计算语言。正是由于MATLAB的上述这些特点,使它获得了对应用学科(特别是边缘学科和交叉学科)有极强的适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析设计、仿真、教学乃至科学文字处理不可缺少的基础软件。 2. 功能强大、语言简单 在数值计算过程中，MATLAB的许多功能函数都带有算法的自适应能力，且算法先进，解决了用户的后顾之忧，这也弥补了MATLAB程序因非可执行文件而影响其速度的缺陷。另外，MATLAB提供了一套完善的图形可视化功能，为用户展示自己的计算结果提供了广阔的空间。 MATLAB的编程语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，它允许用户以数学形式的语言编写程序。MATLAB语言以向量和矩阵为基本的数据单元，包括流程控制语句，大量的运算符，丰富的函数，多种数据结构，输入输出以及面向对象编程。 这些既可以满足简单问题的计算，也适合于开发复杂的大型程序。MATLAB不仅是一套打好包的函数库，同时也是一种高级的，面向对象广的编程语言。使用MATLAB能够卓有成效地开发自己的程序。MATLAB自身的许多函数，实际上也包括所有的工具箱函数，都是用其文件实现的。MATLAB语言的帮助系统也很完备，用户可以方便地查询到想要的各种信息。 MATLAB对其中的函数程序的执行以一种解释执行的方式进行。这样做最大的好处是MATLAB完全成了一个开放的系统，用户可以方便地看见函数的源程序，也可以很方便地开发自己的程序，甚至可以创建自己的工具箱，以解决本领域内常见的计算问题。MATLAB同样可以方便地与FORTRAN，C等语言接口，以充分利用各种资源。用户只需将已有的EXE文件转换成MEX文件，就可以很方便地调用有关程序和子程序。 3. 编程容易、效率高 从形式上看，MATLAB程序文件是一个纯文本文件。用任意字处理软件都可以对它进行编写和修改，因此程序易调试，人机交互性强。另外，MATLAB6.x还具有比较健全的调试系统，调试更方便，更简单。 MATLAB程序设计语言提供了丰富的库函数（称为M文件），既有常用的基本库函数，又有种类齐全、功能丰富多样的专用库函数（工具箱Toolbox就是专门功能库函数）。函数既是预先编好的子程序。在为进行数学运算编辑程序时，这些库函数都可直接调用，而不须将其子程序的命令或语句再一一列出，无疑，这会大大提高编程效率。MATLAB的基本数据编程单元是不需要指定维数的复数矩阵，所以在MATLAB环境下，数组（向量或矩阵）的操作如同数的操作一样方便，不必像其他BASIC、FORTRAN和C等高级语言，因为基本数据单元是数而要事先定义数组，然后才能进行有关操作，这样的编程效率肯定不如MATLAB的高。在科学与工程应用的数值计算领域里，有文献表明，使用MATLAB语言的程序设计比使用BASIC、FORTRAN和C等语言进行编程设计的编程效率高几倍。 再考虑到MATLAB的开放性，易学易用性等优点，MATLAB的确是高校学生，教师，科研人员和工程技术人员的最好选择。第五章 给水三冲量串级系统的建模与仿真5.1 串级控制系统参数的整定 1. 逐步逼近法，是一种依次先整定副回路，再整定主回路，然后循环进行且逐步逼近主副调节器的最佳值。一般步骤为： (1) 首先整定副回路。此时断开主回路，按单回路方法整定。 (2) 整定主回路。将副回路参数置于第一步整定的最佳值。 (3) 再次整定副回路。此时主副回路均闭合，主控制器参数置为上步整定的最佳值。 (4) 依次达不到控制效果的要求，重新整定主控制的参数。 2. 一步整定法，根据经验先确定副控制器的比例度，然后按单回路整定的方法进行整定。整定一般步骤： (1) 按经验值选择副控制器的一个合适比例度，使副回路按纯比例控制运行， (2) 系统投入串级控制运行状态，按单回路系统参数整定的方法对主控制器参数进行整定。 (3) 若整定过程系统出现“共振”，只需加大主，副调节器中任一比例度即可。副回路经验值的取值参考下表。表5-1副控制器比例度取值范围副变量放大系数K比例度（%）温度51.72060压力31.43070流量2.51.254080液位51.2520805.2 PID控制器 PID控制是比例、积分、微分控制的简称，是工业生产过程中最常用的算法。把比例、积分、微分三种控制结合起来，其结构如图5-1所示。图5-1 PID控制系统原理框图PID控制器的控制规律为： (5-1)式中：控制器的输出； 控制器输入，它是给定值和被控对象输出值的差，即 ； r(t)为系统参考输入（设定值）,y (t)为系统输出（被控量）,称为偏差信号； 控制器的比例系数； 控制器的积分时间； 控制器的微分时间； 对上式两边去拉氏变换后，可以得到： (5-2) 整理后得到 PID 控制器的传递函数： (5-3) 由 PID 控制器的数学模型，可知它由比例、积分、微分三部分组成。这三部分的表示方式和作用分别是：1.比例部分在比例部分，比例系数 越大，则过渡过程越短，控制结果的静态偏差也越小；但 越大，也越容易产生振荡。故而，比例系数 选择必须适当，才能取得过渡时间少，静差小而又稳定的效果。 2.积分部分 从积分部分的数学表达式可以知道，只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差 e(t) = 0时，它的积分才会为一个常数，控制作用才是一个不会增大的常数。可见，积分部分的作用可以消除系统的偏差。积分时间 对积分部分的作用影响极大。当较大时，则积分作用较弱，这时，系统的过渡过程不易产生振荡。但是消除偏差所需的时间较长。当较小时，则积分作用较强。这是系统过渡过程中有可能产生振荡，但是消除偏差所需的时间较短。 3.微分部分 微分部分的作用强弱由微分时间 决定。越大，则它抑制 e (t)变化的作用越强；越小，它抑制 e (t)变化的作用越弱。它对系统的稳定由很大的影响。5.3 串级三冲量控制系统的参数整定5.3.1 汽包水位控制系统的参数整定 根据控制方案可以将汽包水位控制系统结构框图画为图5-2所示。Gh(S)Gw(S)Gf(S)Gp(S)NwNhGd(S)NdWd(S）)DWHHr图5-2汽包水位控制系统结构框图 其中Nd、Ndw、Nh分别表示蒸汽流量传感器、给水流量传感器、水位传感器的反馈系数，GW(S)、Gh(S)、Gd(S)分别表示给水流量调节器、水位调节器、前馈调节器的传递函数，其放大倍数可以分别表示为KW、Kh、Kd 。Gf(S)、 Gp(S) 分别表示变频器、锅炉汽包的传递函数，其放大倍数可以分别表示为Kf、Kp 。Hr是水位给定信号。由硬件选型的相关数据可知当系统工作在稳定状态时：7蒸汽流量传感器系数：，给水流量传感器系数： ，水位传感器反馈系数： 给水流量： ， 蒸汽流量： ，汽包水位： 5.3.2 副回路参数整定 由于该设计采用了串级控制方式，首先应该从副回路开始对流量调节器进行参数整定，然后由内而外，再对主回路水位调节器进行参数整定. 由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动，而且副参数并不要求无差，所以选用P调节器就可以满足要求了。因此，可以根据经验值选择副调节器的比例度。由于控制型号是420ma的电流，给水量是35可知被控对象增益为35/20=1.75，副回路为时间常数 为0.3秒的一阶惯性环节，传递函数为：采用纯比例调节方式可以保证副回路的稳定性，只要保证副回路P调节器的增益足够大即可。经过反复调试最终确定副调节器的增益是20，在simulink中画出副回路仿真图如图5-3所示图5-3 副回路simulink仿真图 运行后可以得到仿真波形图如图5-4所示图5-4 副回路仿真波形 从图中可以看出响应延迟时间较小，闭环增益符合要求。5.3.3 主回路参数整定 然后可以对主回路再进行参数整定，可以将副回路的等效为一个纯比例环节，其增益为11.7。由于汽包水位要求无静差，因此主回路我们采用PID调节器，根据Ziegler-Nichols响应曲线法10和被控对象的开环传递函数以及特征参数整定PID调节器的参数。锅炉汽包是一个没有自平衡能力的被控对象，其传递函数是： 通过整定公式可以知道对于35t/h锅炉汽包来说: 则PID调节器的参数分别是：在simulink中做出主回路的仿真图如图5-5所示：图5-5 主回路simulink仿真图运行后可以得到仿真波形图如图5-6所示:图5-6 主回路仿真结果图 由图可明显看出系统的性能不稳定，超调量为57%，不能满足要求，需要对其进行整定。 修改参数后在simulink中做出主回路的仿真图如图5-7所示图5-7 主回路simulink仿真图运行后可以得到仿真波形图如图5-8所示图5-8 主回路仿真波形由图可明显看出系统的性能稳定，超调量为25%，为300s，满足要求。5.4 串级三冲量控制系统仿真分析5.4.1 串级三冲量控制系统仿真 本文设计的三冲量控制系统主要采用串级控制，由试验及主回路与副回路仿真可得传递函数： 给水流量传递函数： 蒸汽流量传递函数：PID控制器的参数采用逐步逼近法通过仿真实验得到：主控制器的PID参数为：，副控制器的PID参数为：，三冲量汽包水位控制系统的simulink仿真结构图如图5-9所示 图5-9 三冲量控制系统的simulink仿真结构图 仿真结果图如图5-10所示图5-10 simulink仿真结果图峰值时间：=150s调节时间：=300s超调量：从求得的性能指标看，衰减率为0.8，在0.750.9之间，满足设计要求，从仿真结果图我们可以看出，串级三冲量给水控制系统对蒸汽流量和给水流量的扰动均能作出快速反应，使系统能够稳定于期望的值，达到维持汽包水位稳定的目的，满足设计要求。5.4.2 仿真结果分析在上述的设计与仿真中，主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用则是快速消除内扰，前馈通路用于补偿外扰，克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰，串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位，这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。当水位发生扰动时，汽包水位变化，系统立刻通过水位变送器将变化量反馈到主调节器，使主调节器动作，进行调节，从而消除未进入副回路的扰动，稳态时保持汽包水位等于原来设定值，维持系统安全可靠的运行。但这种扰动发生后，系统是通过反馈作用来进行调节的，所以系统调节会存在一定的迟延，不如调节前馈扰动量及时。而蒸汽流量扰动是外扰，在串级三冲量给水控制系统中当蒸汽流量发生扰动时，蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正方向移动，保持水和蒸汽平衡，即蒸汽流量增加，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的反方向移动，因而减少了水位和给水流量的波动幅度。主调节器的作用是校正水位偏差，最后稳态时保持汽包水位等于原来设定值，维持系统安全可靠的运行。系统被调量除了跟随给定量变化而应该变化外，被调量还会产生偏差，其原因是由于扰动作用引起的。倘若在扰动出现时，就能立即进行控制，而不是等到偏差发生后再进行控制，这样就可以有效地消除扰动对系统被调量的影响。从仿真效果可知，串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障机组的安全稳定运行。第6章 锅炉水位串级控制系统设计结论1. 毕业设计任务与要求 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串级三冲量控制系统，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。2. 毕业设计结论 本文采用串级三冲量控制，控制给水流量使其与蒸发量保持动态平衡，从而维持汽包水位在工艺允许的范围内，保证锅炉安全生产运行。通过试验得到串级三冲量控制方案在锅炉汽包水位控制系统中是切实可行的，并且取得了理想的控制效果，满足了控制要求，对于企业提高生产效率、节约资源起到了明显的作用。3. 毕业设计结论分析 对于电厂锅炉水位控制系统的设计中，串级三冲量给水控制系统明显好于单级三冲量给水控制系统，三 冲 量 控 制 对 单 、双 冲 量 控 制 方 案 取 长 补 短 ，极 大 地 提 高 了 水 位 控 制 质 量，在负荷变化时给水流量会及时做出相应变化，调节时间也比较短，对于克服
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