课程设计-锅炉给水控制系统设计与仿真

课程设计报告

（2010-2011年度第2学期）

名称：过程控制

题目：锅炉给水控制系统设计与仿真

院系：控制与计算机工程学院

班级：自动0805班

学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数：

成绩：

2011年06月25日

《过程控制》课程设计

任务书

一、目的与要求

1.目的

通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统

的分析与综合。

2.要求

要求学生：1）了解实现给水全程控制的关键技术：2）了解单元制锅炉给水全程控制方案;

3）能够进行给水控制系统的设计与仿真。

二、主要内容

1.了解单元制锅炉给水全程控制方案；

2.设计单级三冲品给水控制系统，并进行仿真；

设计串级三冲量给水控制系统，并进行仿真。

三、进度计划

序号设计内容完成时间备注

了解实现给水全程控制的关键技术；

11天

了解单元制锅炉给水全程控制方案；

2设计串级三冲量给水控制系统，并进

行仿真：L5大

3设计单级三冲量给水控制系统，并进

行仿真：1.5天

整理仿真结果，写课程设计论文；准

41天

备答辩。

四、设计（实验）成果要求

1.过程控制课程设计任务简介。

2.单级三冲量给水控制系统的设计与仿真。

2.1反馈控制器整定及前馈补偿器的设计过程；

2.2对设计的单级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰

动、给水流量扰动及蒸汽流量扰动下，给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应

曲线。

3.串级三冲量给水控制系统的设计与仿真。

3.1串级系统内外回路控制器的整定及前馈补偿器的设计过程；

3.2对设计的串级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰动、给水流

量扰动及蒸汽流量扰动下：给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应曲线。

4.比较单级三冲量给水控制系统和串级三冲量给水控制系统。

5.课程设计的体会

五、考核方式

结合学生提交的''过程控制”课程设计报告书，对学生进行口试。

2011年6月26日

设计正文

某汽包锅炉，根据给水流显W做单位阶跃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知

”3^

(W(s)5(305+1)

根据蒸汽流量D做单位阶沃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知

w/、HG)0.203(5-0.012)

W,(s)=----=--------------

〃D(5)5(5+0.0667)

已知:

给水流量测量变送器的传递函数为yw=0.075

蒸汽流量测量变送器的传递函数为九=0.075

水位测量变送器的传递函数为7〃=0.075

执行器与阀门传递函数乘积为（g=4.5

一、设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI调节），叙述控制系统整定过程；

对系统进行仿真，分别给出在蒸汽io流量D.给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包

水位H的响应曲线；

单级三冲量给水控制系统原理图

单级三冲量Sinmlink组态图:

调节器采用PI控制规律，其传递函数为

控制对象的传递函数为心⑸二也二—

hW(s)5(1+T5)5(305+1)

_"(s)=K?£:0.203(5—0.012)二3.60.037

(1-

~D(s)~\+T2S~1~5(5+0.0667)1+155~

V

给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为yMw=yD=0.075——

°t/h

水位测量变送器的斜率为y=0.075—

Hmm

执行器和调节阀传递函数的乘积为KK•.1=4.5

给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、、、过程如下:

(1)内回路的整定

内回路方框图如下图所示:

可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。如果把调节器以外的环节等效地看作被控对

象，那么被控对象动态特性近似为比例环节（因为执行器、调节器、变送设备和给水流量反

馈装置都可以近似认为是比例环节）。因此调节器的比例带6和积分的时间

T

i

都可以取得很小。6和

T

i

的具体数值可以用试探方法决定以保证内回路不振荡为原则，一般

T

i

WlOs。在试探时，给水流量反馈装置的传递函数（给水流量信号的灵敏度）

可任意设置一个数值，得到满意的5值，如果以后

a

w

有必要改变，则积分时间Ti积分增益Ki=Kp/Ti峰值调节时间Ts

应相应地改变

6值，使保持

试探时的值，以

保证内回路的开

环放大倍数不

变。

所以副回路

整定对•应的数据

表格为：

比例增益Kp

991.00.2570

1291.330.2060

2092.220.1353

2592.780.1349

651.20.3345

1252.40.2035

1553.00.1633

3056.00.153()

1234.00.2021

1535.00.1720

2137.00.1318

303100.1118

623.00.3318

1226.00.2015

202100.0913

302150.0911

则有数据表格中的数据选择最佳数据为：Kp=20,Ti=2,Ki=10

则内回路整定的仿真曲线如下:

0.11--------------------------------------------------------------------1----------------------------------1----------------------------------1--------------------------------------------------------------------

0.08......................................j.........................................：........................................；.......................................i..................：.....................................-I

0.06[......................................i.......................................i........................................；.......................................i-.......................................?....................................-I

0.044......................................i.......................................j........................................?.......................................i.......................................j.....................................-I

11=

II：；：

ao2-I...........：............J.............：.............<............-■

•0.021--------------------------------------------------------------------：----------------------------------1----------------------------------1--------------------------------------------------------------------

050100150200250300

（2）主回路整定：

在内回路经过正确整定后，其控制过程是非常快的。这是因为调节器为比例积分

T

i

和6设置非常得较小，故它能快速动作。外来控制信号改变时，调节器几乎立即成比例

地改变给水流量w,使A三

W

,即是:

w]

AV=aWYwW或

V«wYW

这样，上图中的内回路可用比例环节代替。因此主回路可表示为下图:

可见，主回路也可看作一个单回路系统。它的等效调节器是具有比例调节的调节器,

等效比例带为

6

*

3

3

O

根据以上的分析，整定主回路时，用试验方法求得对象的阶跃响应曲线，根据曲线的动

态特性选择最优的等效比例带

8

*

,求得相应的

3

由此可见，当变送器的斜率已经确定时，增大给水流量的灵敏度

,等于增加主回路调节器的比例带，因此使给水流量动作缓慢，增加主回路稳定性。同时,

必须相应增加调节

主回器比例带5以保证区"丫不变。

X

8=ET=0.037x30=1.11

即y3a3=£T=111

得=—=14.8

在J卬附近用试凑法对参数进行整定。

参数整定过程的数据表超调量。调节时间Ts

格为：

内回路等效比例环节

0.90.131530

2.00.137510

5.00.145450

10.00.161400

12.00.173380

12.50.180370

1330.195360

140.203340

150.218340

180.241340

则选择最佳的----------为14。

awYw

则此时对应的aw=0-95对应的Kp=19Ki=106*=0.053Ti=1.9

此时外回路参数整定的仿真图像为：

a

D

根据

a

D

Y

D

a

3

Y

3

,得出

a

D

a

3

=0.95o

上述整定参数要经过现场投试的检验，如果在控制过程中主回路衰减率过高或过低,

（观察水位记录曲线），应改变给水量反馈装置的参数值。当主回路衰减率偏低时，应增加

值；反之则减小值。在整定值的数值时，应注意同时改变调节器的参数值，使/的比值保持不

变，以保证内回路能够保持实验整定时所选定的稳定性裕量。

(4)仿真曲线如下:

给水流量W阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线:

-3

5<10

C□

4•••••<.......•••—

J\

J1

3

1

1

21

1-

1:

1,■T!.......

1:

1.

V

1.:_----

0

''"'11.......

-.11

11002003004005006007008009001000

汽包水位设定值阶跃扰动卜汽包水位H的响应曲线:

设计中级二冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系

统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D.给水流量W和汽包水位设定值

阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线。

串级三冲量给水B动控制原理框图

串级三冲量Simulink组态图:

主调节器采用PI控制规律，其传递函数为

副调节器位P控制规律，其传递函数为

H(s)£_0.037

控制对象的传递函数为叱G)=

两5(1+TS)S(30$+1)

W_〃⑸二K2c=0.203(5-0.012)二3.60.037

d~D(5)-I+7；5-7-5(5+0.0667)-l+15s-

V

给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为y=y=0.075——

wDt/h

水位测量变送器的斜率为y=0.075—

Hmm

执行器和调节阀传递函数的乘积为KZK,=4.5

给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、、、、过程如下：内外I可路

相对独立，可分别整定。

(1)副回路的分析与整定

根据申级控制系统的分析与整定方法，应将副回路处理为具有近似比例特性的快速

随动系统，以使用回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。一般取

=1,选择副回路调节制的比例带，以保证内问路不振荡。

内回路整定的Simulink组态图为：

要求副回路有快速跟踪的能力，外来控制信号改变时,调节器几乎立即成比例地改变给

水流量W,使dV=

V

w

,即是:

w]

dVawYWW或

VawYw

所以假设调节器给出给定值dV=l时，在给水量为单位阶跃扰动下，必有偏差e=0,算得

输出W=13.3o

则有:

4.5

P

+1

1+0.3375

K

P

=13.3解得:

K

p

=1090

但此时比例增益太大，明显影响到系统稳态性，所以规定偏差的范围：令eW

0.1,即示波器输出W=12,

即一定有：

4.5

K

P

+1

1+0.3375

K

P

=12解得：

K

P

224

此时取

K

P

=24,进行仿真，可知示波器输出结果符合要求。

整定结果：=1/24=0.042=1

整定后响应曲线如下:

13.5

13...............................?........................................；......................................；......................................…

12.5...............................；........................................；......................................：.....................................

12-............................,..................::..................::...................；••

11.5..............................：.........................................j......................................；.......................................?•

11-.............................：...............：..............：..............底

10.5................................:........................................>......................................i.....................................

10-..............................；.......................................：......................................j.....................................

954...........................i.......................................i......................................i......................................卜

050100150

满足快速消除内扰要求。

（2）主回路的分析与整定

在主回路中，如果把副回路等效成比例环节，则主回路等效方框图如下图所示。

这时，主回路等效为一个单回路控制系统。如果把给水流量W作为被控对象的输入信号，水

位变送单元的输出作为输出信号，则可以把主调节器与副回路两者看作为等效主调节器，它

的传递函数为：

九4.6Ts

串级三冲量给水控制系统主回路等效图

可见，等效主调节器仍然是比例积分调节器，但等效的比例带为：，式中为主调节器的

比例带，等效主调节器的积分时间就是主调节器的积分时间T。

主阿I路仍按单回路系统的整定方法整定，通过实验法求取主回路被控对象的阶跃响应

曲线，并由曲线上求得和，再按响应曲线整定法中给出的公式计算等效主调节器的整定参数

为

6*=\.\£T

T*-3.3r

则主调节器的参数为

几气•几丹•

T=T+=3.3r

30.0367r=30

则主调节器参数为

1.1x30x0.0367x0.075.〜

oc.=--------------------------------=i.2l

10.075x1

T=99s

在求得的主调节器参数附近，用试凑法根据曲线的动态特性选择最优的等效比例带

8

*

和积分时间Ti.

比例增益Kp积分增益Ki=Kp/Ti超调量。调节时间Ts

0.760.00830.556900

0.860.00830.481750

0.960.00830.444620

1.100.00830.407600

1.200.00830370600

1.300.00830370620

1.400.00830370650

1.200.00600.333750

1.200.00700.348620

1.200.00830370600

1.200.00900.407600

1.200.0100.422600

进一步修正得51==0.833,Ti=等=144.6

KpKi

（3）蒸汽流量前馈装置的传递函数a。的选择

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无差条件的限制。而根据锅炉“虚假水位”

的严重情况来确定.从而改善负荷扰动时控制过程的质量。一般蒸汽流量信号大于给

水流量信号，即，K应当为在静态下：K=

W

h

w

d

=1o

又因为:K>1,一般K=2,则

u

d

=2

a

w

（4）仿真曲线如下：

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:

整定方面:

单级：内外回路相互影响，兼顾内外回路；

串级：整定回路相对独%容易整定。

2)

3

在单级/小级中的作用不同:

单级中的等效比例带；串级中可为。3=1

3）静态配合时：单级需要考虑；串级不要考虑。

二、4）串级可附加前馈冲量，汽机甩负荷，锅炉仍要维持低负荷运行时.H要保持给

定值，串级调节时间长。

三、课程设计总结

（I）本次实验调节对象是汽包水位。分别采用了单级和串级两种