鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、西安建筑科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化1002 學(xué)生姓名： 馬千云 指導(dǎo)教師（簽名）： 一、課程設(shè)計(jì)（論文）題目鍋爐汽包液位控制二、本次課程設(shè)計(jì)（論文）應(yīng)達(dá)到的目的本次課程設(shè)計(jì)是自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與系統(tǒng)和過(guò)程控制及儀表兩門專業(yè)必修課程及單片機(jī)原理與應(yīng)用、可編程控制器等相關(guān)專業(yè)選修課程之后進(jìn)行的一次全面的綜合訓(xùn)練，其主要目的是加深學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相關(guān)理論和知識(shí)的理解，進(jìn)一步熟悉計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的基本理論、方法和技能；掌握工程應(yīng)用的基本內(nèi)容和要求，整合各專業(yè)課程的理論知識(shí)和方法，做到理論聯(lián)系實(shí)際；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力和獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力

2、，并按要求編寫相關(guān)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書、技術(shù)文檔和總結(jié)報(bào)告等。三、本次課程設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)的主要內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計(jì)要求等）鍋爐汽包液位的階躍響應(yīng)曲線數(shù)據(jù)如下表所示，控制量階躍變化。試根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)一個(gè)超調(diào)量的無(wú)差控制系統(tǒng)。時(shí)間/min0510152025被控量0.6500.6510.6520.6680.7350.817時(shí)間/min303540455055被控量0.8810.9791.0751.1511.2131.239時(shí)間/min606570758085被控量1.2621.3111.3291.3381.3501.351具體要求如下： （1） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇一定的辨識(shí)方法建立對(duì)

3、象的數(shù)學(xué)模型；（2） 根據(jù)辨識(shí)結(jié)果設(shè)計(jì)符合要求的控制系統(tǒng)（控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等）；（3） 根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的控制儀表；對(duì)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，整定運(yùn)行參數(shù)。（4）撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告一份，要求字?jǐn)?shù)30005000字。四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)：1王再英等.過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表.機(jī)械工業(yè)出版社,20062潘新民,王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).高等教育出版社,20013王錦標(biāo).計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社,2008五、審核批準(zhǔn)意見教研室主任（簽字） 摘 要鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國(guó)各種類型的鍋爐有幾十萬(wàn)臺(tái)，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了

4、鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問(wèn)題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有要意義。鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)尤其是這樣。因?yàn)楝F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對(duì)變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)樗贿^(guò)低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過(guò)熱而爆管。無(wú)論滿水或

5、缺水都會(huì)造成事故，因此，必須嚴(yán)格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過(guò)低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽

6、包水位的控制是鍋爐控制的一個(gè)難點(diǎn)，目前，對(duì)汽包水位控制大多采用常規(guī)pid控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)pid控制方式是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無(wú)法獲得而且常規(guī)pid控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種擾動(dòng)及對(duì)象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。關(guān)鍵詞：沖量，汽包水位控制，pid控制，仿真目錄1 緒論11.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介11.2鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的意義21.3鍋爐液位控制的難點(diǎn)22. 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)32.1概述32.2單沖量控制系統(tǒng)32.3雙沖量控制系統(tǒng)42.4三沖量控制系統(tǒng)

7、5 2.4.1單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)52.4.2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)63. 鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模73.1給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性73.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性83.3 根據(jù)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合9 3.3.1相關(guān)matlab程序及結(jié)果93.3.2控制變量的確定103.4串級(jí)三沖量的框圖104. 硬件選擇124.1流量傳感器選擇124.2水位傳感器選擇124.3電機(jī)的選擇124.4接觸器的選擇134.5閥的開閉選擇形式135. pid參數(shù)的整定和simulink仿真135.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建135.2串級(jí)三沖量pid參數(shù)的整定145.3仿真分析15總結(jié).16參考文獻(xiàn).171 緒

8、論1.1鍋爐的工作過(guò)程簡(jiǎn)介 鍋爐是工業(yè)過(guò)程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過(guò)程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過(guò)熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)

9、箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過(guò)熱器，蒸汽在過(guò)熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng)“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過(guò)空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過(guò)過(guò)熱器，形成一定的過(guò)熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓

10、力的過(guò)熱蒸汽，經(jīng)過(guò)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過(guò)熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。1.2鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的意義鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)。維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過(guò)熱蒸汽品質(zhì)，增加在過(guò)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。

11、水位過(guò)低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來(lái)愈快，人工操作愈來(lái)愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。1.3 鍋爐液位控制的難點(diǎn)液位的控制技術(shù)是通過(guò)控制進(jìn)水或出水閥門的開度，改變水流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而水溫的控制是通過(guò)調(diào)節(jié)加熱的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比較難于控制的一項(xiàng)。由于在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中存在進(jìn)水量和出水量的變化，所以很難通過(guò)調(diào)整pid控制器參數(shù)來(lái)滿足所有的運(yùn)行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過(guò)量會(huì)導(dǎo)致流量回路動(dòng)作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來(lái)了

12、額外的干擾。這樣就導(dǎo)致液位控制器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)允許液位在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的pid不能及時(shí)抑制大擾動(dòng)，這就可能引起鍋爐運(yùn)行的安全問(wèn)題。另外，液位的波動(dòng)也會(huì)破壞鍋爐運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的進(jìn)料量。各變量都有各自不同的擾動(dòng)。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過(guò)程暫時(shí)改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。2 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1概述汽包水位的控制問(wèn)題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來(lái)一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問(wèn)題。隨著控制理論、控制

13、技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。通常有如下幾種方案：(1) 單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)；(2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)；(3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)而構(gòu)成。2.2單沖量控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(hào)，沖量即變量。水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值h與給定值h0的偏差，通過(guò)執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量

14、，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖2.1所示。圖2.1單沖量控制系統(tǒng)框圖這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對(duì)于水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，且負(fù)荷又比較穩(wěn)定，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況下，采用單沖量控制系統(tǒng)，進(jìn)行pid調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)時(shí)能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點(diǎn)，主要有：（1）單沖量控制方案只根據(jù)水位信號(hào)控制給水量，在鍋爐負(fù)荷變化大，即階躍擾動(dòng)很大時(shí)，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負(fù)荷蒸汽增加時(shí)

15、，水位一開始先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號(hào)，就去關(guān)小閥門減少給水量，這個(gè)動(dòng)作對(duì)鍋爐流量平衡是錯(cuò)誤的，從而在過(guò)程一開始就擴(kuò)大蒸汽流量和給水流量的波動(dòng)幅度，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。（2）從給水?dāng)_動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動(dòng)作，而在調(diào)節(jié)器動(dòng)作后又要經(jīng)過(guò)一段滯后時(shí)間 才能對(duì)汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動(dòng)幅度大，過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。2.3雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測(cè)量信號(hào)作為主控信號(hào)，以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)構(gòu)成的“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖2.2

16、所示。圖2.2雙沖量控制系統(tǒng)框圖雙沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”所引起的不良影響。當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減少或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象引起的假水位；引入蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號(hào)變化時(shí)才能通過(guò)調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)大。2.4三沖量控制系統(tǒng)2.4.1單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動(dòng)控制系統(tǒng)，是以汽包水位h為主控制信號(hào)，蒸汽流量d為前饋控制信號(hào)，給水流量w為反饋控制信號(hào)組成

17、的控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進(jìn)行前饋控制。當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)能使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的方向誤動(dòng)作。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號(hào)，開大給水閥，從而使給水量保持不變。另外，給水流量信號(hào)也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以使用三沖量控制系統(tǒng)，能使調(diào)節(jié)器動(dòng)作加快，還可以避免調(diào)解過(guò)量，減少水位波動(dòng)，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖2.3所示。圖2.3單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量w、給水變送器、調(diào)節(jié)器

18、和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量d及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。2.4.2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化的方向發(fā)展，對(duì)操作的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制的精度和功能提出新的要求。為此，

19、需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。如圖所示的三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)作為主控信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)去控制副調(diào)節(jié)器的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了接受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號(hào)外，還接受給水流量信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。給水流量信號(hào)作為調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。系統(tǒng)框圖為圖2.4所示。圖2.4串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖在實(shí)際應(yīng)

20、用中，由于選定的控制閥門不一樣，串級(jí)三沖量作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就不一樣。3.鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模 3.1給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實(shí)上也就是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來(lái)填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降

21、低的水位，經(jīng)過(guò)一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過(guò)程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。由h曲線可以清楚地看出給水被控對(duì)象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動(dòng)剛剛加入時(shí)，由于給水的過(guò)冷度影響，水位h的變化很慢，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡(jiǎn)單介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)。 根據(jù)物料不平衡和熱平衡的關(guān)系，鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡(jiǎn)化成： （3.1）式中：h為汽包水位的高度； 為給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽

22、流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽流量項(xiàng)的放大倍數(shù)； 、為時(shí)間常數(shù)。同時(shí)、的式子如下： （3.2）式中：d為鍋爐蒸汽流量； w為鍋爐給水流量。可見，引起汽包水位變化的擾動(dòng)主要是蒸汽流量（稱為外擾動(dòng)）和給水流量（稱為外擾動(dòng)），因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程式可表示為： （3.3）兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實(shí)際忽略較小的，并考慮到汽包水位在較長(zhǎng)一段時(shí)間里不隨給水量的增加而增加。因此，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： （3.4）3.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)荷突

23、然減小時(shí)，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)重的，這給組成水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來(lái)了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。同理，可得到在外擾動(dòng)下，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程為： （3.5）對(duì)上式方程進(jìn)行拉氏變換，并令、 得到鍋爐汽包水位在蒸

24、汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： （3.6)3.3 根據(jù)所給數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合 3.3.1相關(guān)matlab程序及結(jié)果 x=0,5,10,15,20,25,30,35,40,45,50,55,60,65,70,75,80,85;y=0.650,0.651,0.652,0.668,0.735,0.817,0.881,0.979,1.057,1.151,1.213,1.239,1.26 2,1.311,1.329,1.338,1.350,1.351 figure(1); subplot(2,1,1); plot(x,y,o); aa=polyfit(x,y,5); f_x=vpa(poly2sym(a

25、a,x),4) f_x = 5.124e-10*x5 - 3.795e-8*x4 - 7.444e-6*x3 + 0.0007902*x2 - 0.008607*x + 0.6594 x=0:5:85; subplot(2,1,2); plot(x,polyval(aa,x),r-o); axis(0 85 0 1.500)圖3.1 擬合曲線3.3.2控制變量的確定 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分析處理，最終，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為： （3.7） 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析和處理，最終可得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為： （3.8） 3.4串級(jí)三沖量的框圖給

26、水流量給定液位蒸汽流量給水流量調(diào)節(jié)器電機(jī)汽包給水流量變送器蒸汽流量變送器蒸汽管道液位液位變送器變頻器液位調(diào)節(jié)器圖3.2汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖圖3.3 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量w、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量d及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)

27、確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。4 硬件選擇4.1流量傳感器選擇根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。知道所要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時(shí)每小時(shí)蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h 。上海正博自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的lugb-99型渦街流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使

28、用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。 4.2水位傳感器選擇由于該設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在30010 mm，根據(jù)過(guò)程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/33/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在30010 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=2.2%fs，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿足要求。4.3電機(jī)的選擇電機(jī)是鍋爐汽包供

29、水的動(dòng)力設(shè)備，電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定。控制的鍋爐蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5mp，管道直徑50mm因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： (4.1)由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為100kw的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。濟(jì)南華力貝爾機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的yjtg三相變頻調(diào)速電機(jī)專門為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380v,額定功率為100kw。4.4接觸器的選擇接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的啟動(dòng)、停止。根據(jù)

30、分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50hz交流電壓下，其工作電流為： (4.2)因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求浙江宏立電器有限公司生產(chǎn)的hlc-3x系列空調(diào)接觸器主要適用于50hz或60hz、在ac-7b使用類別額定工作電壓為230v或480v時(shí)額定電流至40a電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))及其它三相負(fù)載，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 4.5閥的開閉選擇形式關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的，人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)。由于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)節(jié)閥絕大部分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，所以要選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)方式。鍋爐給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)節(jié)閥處于全開位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，避免爆炸等事故的發(fā)生。5 pid參數(shù)的整定和simulink仿真5.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建圖5.1 串級(jí)三沖量仿真電路圖5.2串級(jí)三沖量pid參數(shù)的整定圖5.2 主控制器pid圖5.3 副控制器pid無(wú)差控制，在運(yùn)行300和4