過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 課程 課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告 課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告( 2014 - 2015 年度第 2學(xué)期)名 稱(chēng)： 過(guò)程控制技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 題 目： 汽包鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 侯國(guó)蓮 設(shè)計(jì)周數(shù)： 一周 成 績(jī)： 日期：2015年 7月 9 日一、控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)及人民生活的主要的動(dòng)力及能源。汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，水位過(guò)高會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過(guò)熱器，并在過(guò)熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的將引起過(guò)熱器爆管；水位過(guò)低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過(guò)熱而爆管。高性能

2、的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對(duì)來(lái)說(shuō)較小，水位的時(shí)間常數(shù)很小。大容量鍋爐若給水不及時(shí)，數(shù)秒之內(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)水位，所以鍋爐汽包水位的控制顯得非常重要。因此，必須采取有效、精確的自動(dòng)調(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)。影響汽包水位變化的因素很多，如燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對(duì)水位變化的影響是比較緩慢的，容易克服。因此，主要考慮給水量和蒸汽流量對(duì)水位的影響。水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽溫度急劇下降，該過(guò)熱蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，將會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。水位過(guò)低，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負(fù)荷很大時(shí)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，導(dǎo)致水冷壁燒

3、壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。二、被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析做各種主要影響因素的階躍擾動(dòng)，記錄并分析汽包水位的響應(yīng)曲線1、給水?dāng)_動(dòng)Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：運(yùn)行結(jié)果如下： 由階躍響應(yīng)曲線，可以看出該被控對(duì)象有較大的遲延，可近似的看作積分環(huán)節(jié)和遲延環(huán)節(jié)的串聯(lián)，因此應(yīng)采用串級(jí)控制，將給水流量的擾動(dòng)消除在采用帶比例作用的副調(diào)節(jié)回路中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2、蒸汽流量擾動(dòng)Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：運(yùn)行結(jié)果如下： 由仿真結(jié)果看出對(duì)象在蒸發(fā)量D擾動(dòng)下，水位階躍反應(yīng)曲線有一段上升的過(guò)程，表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，(出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象的原因：當(dāng)負(fù)荷突然增加，蒸汽流量增加，汽包的壓強(qiáng)變

4、小，導(dǎo)致水氣化，導(dǎo)致水位升高，同樣的，當(dāng)負(fù)荷突然減小，蒸汽流量減小，汽包的壓強(qiáng)變大，導(dǎo)致水中氣泡液化，水位降低，這兩種情況都會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。)這種現(xiàn)象的反應(yīng)速度比內(nèi)擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響，應(yīng)考慮引入蒸汽流量的補(bǔ)償信號(hào)。 三、系統(tǒng)框圖、控制系統(tǒng)流程圖及SAMA圖通過(guò)上述對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析，確定采用串級(jí)前饋三沖量控制系統(tǒng)。通過(guò)Visio畫(huà)圖工具，畫(huà)出系統(tǒng)框圖、控制系統(tǒng)流程圖及SAMA圖。1、系統(tǒng)框圖2、控制系統(tǒng)流程圖3、SAMA圖四、控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，其傳遞函數(shù)為 副調(diào)節(jié)器采用P控制規(guī)律，其傳遞函數(shù)為某汽包鍋爐，根據(jù)給水量W作單

5、位階躍擾動(dòng)時(shí)的汽包水位H的響應(yīng)曲線可知根據(jù)蒸汽流量D作單位階躍擾動(dòng)時(shí)的汽包水位H的響應(yīng)曲線可知已知：給水流量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為蒸汽流量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為水位測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為執(zhí)行器系數(shù)為閥門(mén)放大系數(shù)為部分參數(shù)題目已經(jīng)給出，需整定的參數(shù)有副調(diào)節(jié)器比例值，主調(diào)節(jié)器比例值以及積分時(shí)間，以及蒸汽流量前饋系數(shù)。（一） 副回路整定過(guò)程與分析根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)回路的整定方法，將副回路處理為具有近似比例特性的快速跟蹤系統(tǒng)，以使回路具有快速消除內(nèi)擾跟蹤蒸汽流量的能力。一般取，副回路的參數(shù)整定過(guò)程如下：副回路整定的simulink仿真圖為：為了使副回路具有快速跟蹤能力，設(shè)在單位階躍輸入下，有偏差，即有：

6、，得 其中為副回路的輸出。由等效過(guò)程求：得 。該比例值太大，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)震蕩。故規(guī)定偏差，此時(shí)輸出此時(shí)，令得 。故取 。進(jìn)行仿真，由示波器顯示結(jié)果為又圖可知，當(dāng)有輸入時(shí)，輸出能快速響應(yīng)并跟蹤輸入，故參數(shù)適合。整定結(jié)果 。（二）主回路的整定過(guò)程與分析1、主副回路的simulink仿真圖為將整個(gè)回路連接完整，先不加任何干擾。副回路按照前面整定的結(jié)果，先不做任何調(diào)整。令主調(diào)節(jié)器的，調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的比例值。先令，得到仿真響應(yīng)曲線，計(jì)算衰減比，不是。分別增大和減小的值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)減小時(shí)，更接近我們所期望的衰減比。用試探法，得，當(dāng)時(shí)，得到了我們所期望的衰減比，且由響應(yīng)圖可讀出上升時(shí)間，響應(yīng)圖如下：即

7、此時(shí)有。查表得PI控制器的，即。PI控制器的，即其中和分別為要填在PID控制器中的實(shí)際參數(shù)。（二） 蒸汽流量前饋系數(shù)的整定再串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來(lái)校正，使靜態(tài)水位值總是等于給定值。因此，就不要求送到副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)等于給水流量信號(hào)，所以前饋裝置的傳遞函數(shù)選擇將不受靜態(tài)特性誤差條件的限制。而根據(jù)鍋爐虛假水位的嚴(yán)重情況來(lái)確定，從而改善符合擾動(dòng)是控制過(guò)程的質(zhì)量，一般蒸汽流量信號(hào)大于給水流量信號(hào)，即，應(yīng)當(dāng)為在靜態(tài)下：。又因?yàn)椋?，一般，則。最終仿真響應(yīng)圖為：此時(shí)，整定結(jié)果或。在整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)過(guò)程中，也將副調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，然而副調(diào)節(jié)器的參數(shù)對(duì)整個(gè)回路的輸出影響極

8、小，可以忽略。（四）抗干擾性分析 此時(shí)整定結(jié)束，需要加入擾動(dòng)對(duì)回路的抗干擾能力進(jìn)行檢驗(yàn)。（1） 蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下的汽包水位的響應(yīng)曲線蒸汽流量D擾動(dòng)階躍為3，為了能更加明顯的看出擾動(dòng)情況。由圖可知，當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)輸出確實(shí)出現(xiàn)了波動(dòng)，但是很快又恢復(fù)穩(wěn)定。串級(jí)控制系統(tǒng)抗干擾能力較強(qiáng)。（2） 給水量W階躍擾動(dòng)下汽包水位的響應(yīng)曲線。給水量W擾動(dòng)階躍為2。由圖可知，輸出基本沒(méi)有波動(dòng)，說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)內(nèi)回路具有快速消除內(nèi)擾的能力，保證整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定。五、設(shè)計(jì)總結(jié) 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，鍋爐燃燒過(guò)程控制有許多被控量和控制變量，這些變量互相關(guān)聯(lián)，要對(duì)其建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)困難。汽包水位是鍋