鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)仿真課程設(shè)計

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)課程設(shè)計論文內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生課程設(shè)計論文題 目：鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)仿真學(xué)生姓名：xxxx學(xué) 號：xxxx專 業(yè)：xxxx班 級：xxxx指導(dǎo)教師：李x時 間：2013年12月8日目錄 第一章 汽包水位控制的概述21.1 鍋爐汽包水位的動態(tài)特性31.1.1 給水流量W對汽包水位H的影響31.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的影響4第二章 三沖量串級給水控制系統(tǒng)設(shè)計52.1 單沖量水位控制系統(tǒng)的介紹52.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)的介紹62.3 三沖量汽包水位控制原理62.3.1 三沖量控制方案之一72.3.2三沖量控制方案之二82.3.3三沖量控制方案之三9第三章 汽包三沖

2、量控制算法的MATLAB仿真設(shè)計113.1 控制系統(tǒng)模型圖的繪制113.1.1 Simulink模塊的調(diào)用113.1.2 PID子系統(tǒng)的建立以及封裝113.2 PID控制器的參數(shù)整定13第四章 總結(jié)16參考文獻(xiàn)17第一章 汽包水位控制的概述 在鍋爐控制工藝中，保持汽包水位在一定范圍內(nèi)是鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。爐膛負(fù)壓保持在一定范圍內(nèi)。如果水位過低，則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞或爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生蒸汽帶水現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)構(gòu)導(dǎo)致破壞。汽包水位控制的任務(wù)是使鍋爐給

3、水量始終跟著蒸發(fā)量，維持汽包水位在鍋爐生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)。汽包及蒸發(fā)管儲存著蒸汽和水，儲存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情況下汽包的流入量是給水量，流出量是蒸汽量，當(dāng)給水量等于蒸汽量時，汽包水位就恒定不變。引起水位變化的主要擾動式蒸汽流量和給水量的變化。當(dāng)蒸汽流量突然增大，汽包壓力將急劇下降，飽和水將快速蒸發(fā)，使得飽和水中產(chǎn)生大量的汽包致使水位上升，而此時給水量并沒有增加。這就是鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，此時的水位并不能代表鍋爐中水位真實情況。因此，我們有必要對汽包的水位進(jìn)行控制，將其嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。1.1 鍋爐汽包水位的動態(tài)特性 鍋爐汽水系統(tǒng)如圖所示，鍋爐在運(yùn)行的過程中，由于負(fù)荷

4、、燃燒狀況、給水流量等諸多干擾因素的影響；所以鍋爐汽包水位是經(jīng)常變化的。其中影響汽包水位的主要因素有：（1）來自給水管道和給水泵方面的壓力，包括給水壓力以及調(diào)節(jié)閥開度等的變化；（2）來自蒸汽負(fù)荷的擾動，包括主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度、蒸汽管道阻力等的變化。分析汽包水位的動態(tài)特性，確定給水自動控制系統(tǒng)設(shè)時如何考慮這些擾動因素，是設(shè)計給水自動控制系統(tǒng)的主要依據(jù)。1.1.1 給水流量W對汽包水位H的影響汽包水位在給水流量W擾動下的動態(tài)特性給水流量W的擾動是影響汽包水位的主要因素，它來自控制側(cè)，屬于內(nèi)部擾動。給水流量W作階躍變化時，鍋爐的水位H變化的階躍響應(yīng)曲線如圖1.1所示。圖1.1 給水流量擾動下水位的階躍

5、響應(yīng)曲線圖中當(dāng)給水量增大時，由于給水溫度必然低于鍋爐內(nèi)的汽包飽和水溫度，所以需要從飽和水中吸取一部分的熱量，因此導(dǎo)致汽包內(nèi)液體溫度的下降，進(jìn)而使水位下的氣泡減少。只有在水位下氣泡容積變化達(dá)到平衡后，管道給水量的增加才與水位成正比例地增大。在圖1.1中階躍響應(yīng)曲線的初始階段中，水位的增加比較緩慢，可用實驗特性來近似描述，因為當(dāng)給水量的突變使得汽包水位經(jīng)過一定的時間滯后才會增加，所以用來表示滯后時間。根據(jù)上面的分析，若給水溫度過低，則從飽和水中吸收的熱量要多些，所以時間滯后也會相應(yīng)的變得大一些。1.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的影響 蒸汽流量D的擾動主要來自汽輪發(fā)電機(jī)組功率或外界用汽負(fù)荷的變化

6、，屬于外部擾動，所以汽包水位在外部蒸汽流量干擾下變化的階躍響應(yīng)曲線如圖1.2所示。圖1.2 蒸汽流量擾動下水位的階躍響應(yīng)曲線當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加時，單從物料不平衡的角度考慮，汽包中的蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位的變化應(yīng)如圖1.2中H1所示直線下降。但實際顯示出的水位變化如圖1.2中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，這就是我們常說的“虛假水位”現(xiàn)象。這種情況是由于當(dāng)爐的蒸發(fā)量突然增加時，瞬間導(dǎo)致汽包壓力下降，沸騰加劇，水面下的汽泡容積增加得很快，汽包水位上升，當(dāng)汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位就隨物的不平衡關(guān)系的變化而開始下降。其中H2曲線代表著水面下汽泡容積的增加而使水位的變化，實際

7、的液位變化曲線H相當(dāng)于是H1和H2合成的。當(dāng)蒸汽流量突然減小時，水位變化則是先下降再上升。在實際的工業(yè)鍋爐中，虛假水位的變化幅度與鍋爐的規(guī)模有著直接的關(guān)系，例如一般的100-300T/H高壓鍋爐來說，當(dāng)負(fù)荷變化10%的時候，其虛假水位可達(dá)30-40mm左右，因此在實際的控制方案當(dāng)中應(yīng)該將其考慮在內(nèi)。第二章 三沖量串級給水控制系統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)時，其中的變量為汽包水位，操縱變量是管道的給水流量。主要的干擾變量有以下四個：（1） 給水方面的干擾。如給水壓力、減溫器控制閥開度變化。（2） 蒸汽用量的干擾。包括管路阻力變化和負(fù)荷設(shè)備控制閥開度的變化等。（3） 燃料量的干擾。即包括燃料熱

8、值、燃料壓力、含水量。（4） 汽包壓力變化。通過汽包內(nèi)部汽水系統(tǒng)在壓力升高時自凝結(jié)和壓力降低時的自蒸發(fā)影響水位。2.1 單沖量水位控制系統(tǒng)的介紹 汽包水位控制系統(tǒng)的操縱變量為給水量，可構(gòu)成如圖所示的單沖量控制系統(tǒng)。單沖量水位控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量以保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。單沖量水位控制系統(tǒng)，是汽包水位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式。這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對于汽包內(nèi)水的停留時間長，負(fù)荷變化小的小型鍋爐，單沖量水位控制系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)的有效運(yùn)行。然而，在停留時間較短，

9、負(fù)荷變化較大時，采用單沖量水位控制系統(tǒng)就不能適用。其中的原因有以下幾個： 負(fù)荷變化時產(chǎn)生的“虛假水位“將使調(diào)節(jié)器反向錯誤動作，即負(fù)荷增大時調(diào)節(jié)器不但不能開大給水給水閥的開度增加給水量，反而會關(guān)小給水調(diào)節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴(yán)重下降，波動厲害，動態(tài)品質(zhì)很差，嚴(yán)重時甚至?xí)蛊唤档轿ｋU程度，以致發(fā)生事故。 負(fù)荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假水位“現(xiàn)象不嚴(yán)重，從負(fù)荷變化到水位下降要有一個過程，再有水位變化到閥動作已滯后一段時間。如果水位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當(dāng)顯著。因此，對于停留時間短、負(fù)荷變動較大的情況，這樣的系統(tǒng)不適合，水位不能保證。然而對于小型鍋爐，由于汽包停留時間較

10、長，在蒸汽負(fù)荷變化時假水位的現(xiàn)象并不顯著，配上一些連鎖報警裝置，也可以保證安全操作，故采用這種單沖量控制系統(tǒng)尚能滿足生產(chǎn)的要求。2.2 雙沖量水位控制系統(tǒng)的介紹 在汽包水位控制系統(tǒng)中，最主要的干擾是蒸汽負(fù)荷的變化。如果引入蒸汽流量來起校正的作用，就可以糾正虛假水位引起的誤動作，而且使控制閥及時動作，從而減少水位的波動，能改善控制品質(zhì)。圖中就是雙沖量控制系統(tǒng)的原理圖，這是一個前饋加單回路反饋控制的負(fù)荷控制系統(tǒng)。 但是雙沖量控制系統(tǒng)也有其弱點，因為控制閥的工作特性要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難，還有就是此系統(tǒng)不能克服給水系統(tǒng)的干擾。所以，我們就要將給水流量信號引入到雙沖量控制系統(tǒng)中，構(gòu)成三沖量水位控制系統(tǒng)

11、。2.3 三沖量汽包水位控制原理三沖量控制中串級系統(tǒng)主、副控制器的任務(wù)不同，副控制器的任務(wù)不同，副控制器的任務(wù)不同，副控制器用以消除給水壓力波動等因素引起的給水流量的擾動以及蒸汽負(fù)荷變化迅速調(diào)整給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡；主控制器的任務(wù)是修正汽包水位的偏差。這樣，當(dāng)負(fù)荷變化時，汽包水位穩(wěn)定值是靠主控制器來維持的，可以根據(jù)對象在外擾下虛假水位的程度來適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號的作用強(qiáng)度，從而改變負(fù)荷變化的水位控制品質(zhì)。 而且這種控制系統(tǒng)能夠有效地維持汽包水位在工藝的允許范圍內(nèi)，也有效地克服了系統(tǒng)存在的“虛假水位”的現(xiàn)象。我們在設(shè)計三沖量控制系統(tǒng)時，設(shè)計出了三種控制方案，下面我們逐個分析這三

12、種控制方案。2.3.1 三沖量控制方案之一 引入給水流量信號的三沖量水位控制系統(tǒng)將汽包水位作為主被控變量，給水流量作為副被控變量的串級控制系統(tǒng)與蒸汽流量作為前饋信號的前饋-串級控制系統(tǒng)，如圖2.1所示。圖2.1 方案二的三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖 根據(jù)原理圖我們可以繪制方案一的控制系統(tǒng)的框圖，如圖2.2所示。中，我們可以看出在圖2.2的主回路中，如果把副回路近似看做比例環(huán)節(jié)，則主回路等效為一個單回路控制系統(tǒng)，主控制器通常采用比例積分控制，其參數(shù)整定仍按單回路系統(tǒng)的方法。圖2.2 方案一的三沖量水位控制系統(tǒng)框圖2.3.2三沖量控制方案之二 此方案是將蒸汽信號、給水流量和汽包水位信號一起送加法器，加

13、法器輸出作為控制器的測量信號，從而構(gòu)成一個采用一個控制器的三沖量的控制方案，如下圖2.3所示。圖2.3方案二的三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖其中的主控制器采用的是比例為100%的比例控制器，副控制器是給水控制器，前饋控制汽流量控制，副控制器和前饋控制器的比利系數(shù)分別設(shè)置為w和D。因為汽包水位控制器的測量值是蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號的代數(shù)和，當(dāng)給水流量與蒸汽流量達(dá)到物料平衡及控制器具有積分作用時，水位可達(dá)到無余差。但通常情況下，實施該控制方案的水位存在余差。圖2.4 方案二的三沖量水位控制系統(tǒng)框圖2.3.3三沖量控制方案之三為了使水位實現(xiàn)無余差，將水位控制器前移至加法器前，組成如圖所示

14、的此方案。在該控制方案中，水位控制器輸出信號、蒸汽流量信號、給水流量信號送加法器，加法器輸出送給給水控制閥。在該方案中，主控制器是水位控制器，副控制器是比例度為100%的比例控制器。由于水位控制器測量值是汽包水位信號，因此當(dāng)水位控制器具有積分控制作用時，可實現(xiàn)汽包水位的無余差調(diào)節(jié)的要求。其方案三的控制系統(tǒng)原理圖以及方框圖分別如下圖2.5和2.6所示。圖2.5 方案三的三沖量水位控制系統(tǒng)原理圖圖2.6 方案三的三沖量水位控制系統(tǒng)框圖 在設(shè)計三沖量鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)之前，我們在這之前也設(shè)計出了單沖量和雙沖量汽包水位控制系統(tǒng)，由于這兩種控制系統(tǒng)都存在缺陷所以最終使用了三沖量控制系統(tǒng)。第三章 汽包三

15、沖量控制算法的MATLAB仿真設(shè)計 我們設(shè)計所做的是鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)仿真設(shè)計，所以本章所述內(nèi)容均與仿真有關(guān)。而我們所用的MATLAB仿真軟件Simulink是正好是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。這種軟件包也能像傳統(tǒng)的用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡單的操作，而且能夠在設(shè)計的示波器中實現(xiàn)仿真結(jié)果的功能。3.1 控制系統(tǒng)模型圖的繪制根據(jù)前面章節(jié)所說的汽包三沖量水位控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，我們可以利用MATLAB仿真軟件中的simulink軟件設(shè)計出控制系統(tǒng)的模型圖。首先我們打開MATLAB仿真軟件，找到菜單欄的simulink圖標(biāo)，單擊鼠標(biāo)左鍵之后會彈出一個Simulin

16、k 庫瀏覽窗口（Simulink Library Browser）。然后點擊File菜單中的New新建出來一個模型的編輯窗口，然后我們就可以在這個窗口畫系統(tǒng)的方框圖了。3.1.1 Simulink模塊的調(diào)用 根據(jù)前面章節(jié)所述的控制系統(tǒng)框圖，我們主要用到的模塊庫主要有Continuous(連續(xù)模塊庫)、Math(數(shù)學(xué)模塊庫)、Sources(輸入源模塊庫)、Sinks(接收器模塊庫)，在這些模塊中主要用到的是Add(加法模塊)、Gain(比例運(yùn)算模塊)、Sum(求和模塊)、Zero-Pole(零極點函數(shù)模塊)、Derivative(微分器模塊)、Scope(示波器模塊)等模塊。然后我們把這些模塊

17、調(diào)用出來之后就可以進(jìn)行連接即可。在設(shè)計模型圖時，因為我們建立的系統(tǒng)含有PID控制器的模塊，所以我們有必要通過菜單法建立起PID系統(tǒng)，此子系統(tǒng)方便后面PID參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整。3.1.2 PID子系統(tǒng)的建立以及封裝 已知PID控制器模塊組如下圖所示，在設(shè)計將畫好的的PID控制器的模塊組表示成子系統(tǒng)的步驟如下：（1）用鼠標(biāo)選定圖3.1子系統(tǒng)的圖中虛線框的全部內(nèi)容后，執(zhí)行EditCreat Subsystem命令，則就會變成所示的子系統(tǒng)模塊的形式； 圖3.1 PID Controller 子系統(tǒng)（2）用鼠標(biāo)右鍵單擊子系統(tǒng)模塊的標(biāo)題“Subsystem”,待反向顯示后，輸入字符“PID Controll

18、er”,圖將變成圖3.1中圖所示的形式；設(shè)計完子系統(tǒng)之后，我們就可以對其進(jìn)行封裝了。用鼠標(biāo)單擊選定的PID Controller子系統(tǒng)后，在選擇EditMask system命令，這時將會出現(xiàn)一個如圖所示的封裝子系統(tǒng)編輯器對話框。封裝的主要步驟如下：Paraments頁面的填寫；Icon 頁面的填寫。(3)Documents頁面的填寫。其中具體的操作內(nèi)容可參考李國勇的仿真技術(shù)技術(shù)與CAD的教材。 當(dāng)以上工作完成以后，單擊【OK】按鈕，于是PID Controller子系統(tǒng)就結(jié)束了封裝，封裝后的新模塊圖標(biāo)如圖所示。用鼠標(biāo)左鍵雙擊圖中的PID Controller新模塊圖標(biāo)，會彈出封裝后的的PID

19、 Controller新模塊對話框。如下圖所示。圖3.2 子系統(tǒng)封裝后的新模塊圖標(biāo)圖3.3 封裝后PID控制器的對話框3.2 PID控制器的參數(shù)整定 假設(shè)某供氣量為120/H的鍋爐，其被控對象的傳遞函數(shù)分別為Gp1(s)=1,Gp2(s)=e-5s，Gd(s)=- 若采用三沖量控制方案。蒸汽流量變送器D=0.667,Gm3(s)=3,給水流量檢測變送器wGm2=0.667,差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)Gm1=0.0333，調(diào)節(jié)閥采用線性閥Gv=15。串級控制部分副回路的控制器采用比例控制Gc2（s）=Kp2=1, 然后在畫好的模型圖中把上面的數(shù)據(jù)加入相應(yīng)的模塊中。主回路控制器采用臨界振蕩法來確定其參數(shù)

20、，并且經(jīng)過多次調(diào)節(jié)其參數(shù)整定之后取得的參數(shù)為Kp=2.25，Ti=195,TD =10,當(dāng)設(shè)定值為50時，系統(tǒng)相應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線如下圖3.4所示。圖3.4 串級控制控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線經(jīng)過對上圖的觀察，當(dāng)鍋爐工作穩(wěn)定而且給水無擾動時，串級控制方案的超調(diào)量為25%，響應(yīng)時間為450s,均比較小，可以滿足系統(tǒng)的要求。在蒸汽干擾可以測量的情況下，構(gòu)成前饋串級的三沖量控制系統(tǒng)，其仿真框圖如3.5所示，經(jīng)過控制器的參數(shù)整定為DGm3KD=-0.018,Gff=(10s+1)/(6s+1)。圖3.5 三沖量鍋爐汽包串級控制系統(tǒng)仿真圖當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在1000s時突加一大小為供氣量10%的蒸汽干擾，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如下圖3.6所示。圖3.5 控制系統(tǒng)在干擾作用下的階躍響應(yīng)曲線圖第四章 總結(jié)在本設(shè)計中，我們針對鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng), 提出了控制系統(tǒng)設(shè)計原則與要求,將串級三沖量PID控制技術(shù)應(yīng)用到給水控制系統(tǒng),提高了給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。從仿真模擬結(jié)果可以看出, 三沖量串級給水控制系統(tǒng)可以及時消除蒸汽量變化和給水流量波動的干擾, 快速地控制汽包水位使之達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的要求, 而且該具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度, 能夠保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行, 從而延長了鍋爐的使用壽命。對于大型設(shè)備的工業(yè)生產(chǎn)過程中，汽包水位是鍋