鍋爐進水流量控制

1、學 號 1222010108天津城建大學過程控制課程設(shè)計設(shè)計說明書鍋爐進水流量控制起止日期： 2015 年 06 月22 日至 2015 年 06 月 26 日學生姓名曹東瑞班級12電氣1班成績指導(dǎo)教師(簽字)控制與機械工程學院2015年 06月26 日天津城建大學課程設(shè)計任務(wù)書2014 -2015學年第 2學期 控制與機械工程 學院 電氣工程及其自動化 專業(yè) 班級 12電氣1班 姓名 曹東瑞 學號 1222010108 課程設(shè)計名稱： 過程控制 設(shè)計題目： 鍋爐進水流量控制 完成期限：自 2015 年 6 月 22 日至 2015 年 6 月 26 日共 1 周設(shè)計依據(jù)、要求及主要內(nèi)容： 一

2、、設(shè)計任務(wù) 鍋爐進水流量的矩形脈沖響應(yīng)實驗結(jié)果為：t/ min01020406080100120140160180y000.20.61.21.61.82.01.91.71.6t/ min200220240260280300320340360380400y10.80.70.70.60.60.40.20.20.150.15其中，矩形脈沖幅值為階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值的10%，脈沖寬度。試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量的無差控制系統(tǒng)。具體要求如下： （1） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的數(shù)學模型；（2） 根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計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)計方案選擇相應(yīng)的

3、控制儀表；（4） 對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真，整定運行參數(shù)。二、設(shè)計要求 采用MATLAB仿真；需要做出以下結(jié)果：（1） 超調(diào)量（2） 峰值時間（3） 過渡過程時間（4） 余差（5） 第一個波峰值（6） 第二個波峰值（7） 衰減比（8） 衰減率（9） 振蕩頻率（10） 全部P、I、D的參數(shù)（11） PID的模型（12） 設(shè)計思路三、設(shè)計報告課程設(shè)計報告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書寫工整；詳見“課程設(shè)計報告寫作要求”。四、參考資料1 何衍慶工業(yè)生產(chǎn)過程控制（1版）北京：化學工業(yè)出版社，20042 邵裕森過程控制工程北京：機械工業(yè)出版社20003 過程控制教材指導(dǎo)教師（簽字）： 教研室主任

4、（簽字）： 批準日期： 年 月 日目錄一、 緒論11.1鍋爐簡介11.2串級控制系統(tǒng)簡介11.3 進水流量控制系統(tǒng)概況2二、系統(tǒng)分析2三、調(diào)節(jié)器的設(shè)計及整定43.1系統(tǒng)的設(shè)計43.2系統(tǒng)整定過程5四、 仿真結(jié)果64.1結(jié)果分析7五、總結(jié)7六、 參考文獻71、 緒論1.1鍋爐簡介鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能，鍋爐輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。鍋的原義指在火上加熱的盛水容器， 爐指燃燒燃料的場所，鍋爐包括鍋和爐兩大部分。鍋爐中產(chǎn)生的熱水或蒸汽可直接為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活提供所需熱能，也可通過蒸汽動力裝置轉(zhuǎn)換為機械能，或再 通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

5、提供熱水的鍋爐稱為熱水鍋爐，主要用于生活，工業(yè)生產(chǎn)中也有少量應(yīng)用。產(chǎn)生蒸汽的鍋爐稱為蒸汽鍋爐，常簡稱為鍋爐，多用于火電站、船舶、機車和工礦企業(yè)。鍋爐是指利用各種燃料、電或者其他能源，將所盛裝的液體加熱到一定的參數(shù)，并對外輸出熱能的設(shè)備。其范圍規(guī)定為容積大于或者等于30L的承壓蒸汽鍋爐；出口水壓大于或者等于0.1MPa（表壓)，且額定功率大于或者等于0.1Mw的承壓熱水鍋爐；有機載體鍋爐。鍋爐是一種能量轉(zhuǎn)換設(shè)備，向鍋爐輸入的能量有燃料中的化學能、電能、高溫煙氣的熱能等形式，而經(jīng)過鍋爐轉(zhuǎn)換，向外輸出具有一定熱能的蒸汽、高溫水或有機熱載體。多用于火電站、船舶、機車和工礦企業(yè)。鍋爐的主要工作原理是一種

6、利用燃料燃燒后釋放的熱能或工業(yè)生產(chǎn)中的余熱傳遞給容器內(nèi)的水，使水達到所需要的溫度或一 定壓力蒸汽的熱力設(shè)備。鍋爐在“鍋”與“爐”兩部分同時進行，水進入鍋爐以后，在汽水系統(tǒng)中鍋爐受熱面將吸收的熱量傳遞給水，使水加熱成一定溫度和壓力的 熱水或生成蒸汽，被引出應(yīng)用。在燃燒設(shè)備部分，燃料燃燒不斷放出熱量，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣通過熱的傳播，將熱量傳遞給鍋爐受熱面，而本身溫度逐漸降低，最后由煙囪排出。1.2串級控制系統(tǒng)簡介串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即

7、工藝控制指標；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動。系統(tǒng)特點及分析* 改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)量。* 能迅速克服進入副回路的二次擾動。* 提高了系統(tǒng)的工作頻率。* 對負荷變化的適應(yīng)性較強1.3 進水流量控制系統(tǒng)概況鍋爐的汽包水位能

8、夠間接反映鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關(guān)系, 維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。進水流量過快，汽包水位將會升高, 會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作造成出口蒸汽水分含量過多, 導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢而被燒壞, 也使過熱蒸汽溫度急劇變化, 直接影響機組的穩(wěn)定運行。進水流量過慢，則汽包水位降低低, 可能破壞鍋爐水循環(huán), 導(dǎo)致水冷壁管被燒壞。汽包鍋爐進水流量控制系統(tǒng)的作用是使鍋爐的給水量自動適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量, 維持汽包水位在規(guī)定的范圍內(nèi)波動。汽包水位H 是汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合反映, 不僅受汽包儲水量變化的影響, 還受汽水混合物中汽包容積變化的影響。其中主要的擾動為給水

9、壓強P、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力、爐膛熱負荷等, 其對水位的影響各不相同。其中給水壓強和蒸汽流量是影響汽包水位的2 種主要擾動。二、系統(tǒng)分析課題中只給出了鍋爐進水流量的矩形脈沖響應(yīng)實驗結(jié)果，要想進一步研究系統(tǒng)就需要將脈沖響應(yīng)轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的階躍響應(yīng)，其對應(yīng)關(guān)系值如下表表一、脈沖響應(yīng)與階躍響應(yīng)對應(yīng)關(guān)系值t/ min01020406080100120140160180y000.20.61.21.61.82.01.91.71.6y1000.20.82.03.65.47.49.311.012.6t/ min200220240260280300320340360380400y10.80.70.70.60.60

10、.40.20.20.150.15y113.614.415.115.816.417.017.417.617.817.9518.1根據(jù)表中的對應(yīng)數(shù)據(jù)使用Matlab繪出相應(yīng)的響應(yīng)曲線圖1、階躍響應(yīng)曲線由圖可知： 得出 由于=0.53 根據(jù)表二可以近似得出此系統(tǒng)為三階系統(tǒng)表二、慣性對象中階數(shù)n與的關(guān)系n123456780.320.460.530.580.620.650.670.685其模型形式為：其中放大系數(shù)：根據(jù)進行擬合可以得出：T=52.7所以其傳遞函數(shù)表達式為：在simulink中，建模觀察對象的階躍響應(yīng)曲線：圖2、階躍響應(yīng)建模圖3、對象的階躍響應(yīng)曲線 由仿真結(jié)果可以看出，對象為自穩(wěn)定系統(tǒng)，無

11、超調(diào)，但調(diào)節(jié)時間較長。故所選擇的控制器應(yīng)具有快速性的特點，使系統(tǒng)盡快達到期望值。三、調(diào)節(jié)器的設(shè)計及整定3.1系統(tǒng)的設(shè)計在該系統(tǒng)中給水壓強P和蒸汽流量D為主要的擾動，鍋爐中的液位L作為被控量。給水控制系統(tǒng)若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng), 控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差, 給水流量波動較大。因此應(yīng)考慮將給水流量作為副控對象，另外,控制對象在蒸汽負荷擾動(外擾)時,存在“虛假水位”現(xiàn)象,因此在擾動的初始階段,調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負荷變化相反的方向變化,加劇了鍋爐進、出流量的不平衡。因此應(yīng)采用以蒸汽流量D為前饋信號的前饋控制,從而能夠根據(jù)對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號的作

12、用強度,以改善蒸汽負荷擾動下的水位控制品質(zhì)。這樣將系統(tǒng)組成一個串級三沖量控制系統(tǒng)。其原理框圖及其仿真圖如下。圖4 、鍋爐進水流量原理框圖圖5、進水流量控制器的仿真原理圖3.2系統(tǒng)整定過程按4:1衰減曲線法整定運行參數(shù)。兩步整定法進行整定：整定主環(huán)。主副回路閉合，并將主調(diào)比例帶設(shè)為100%，按單回路整定得到衰減率=0.75時的比例帶和副被調(diào)量的振蕩周期。整定副環(huán)。主副回路閉合，副調(diào)參數(shù)設(shè)為上述值，按單回路整定得到衰減率=0.75時的主調(diào)比例帶和被調(diào)量的振蕩周期。按上述計算按所選調(diào)節(jié)器類型，用衰減曲線法計算出調(diào)節(jié)器參數(shù)值。由于對象為二階，所以在整定副環(huán)時總是穩(wěn)定，不起振。故斷開主回路，單獨整定副回

13、路，保證副回路的輸出速度快即可。然后再連接主回路按照進行整定。圖6、主PID調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置圖7、副PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置4、 仿真結(jié)果按照上述設(shè)計的進水流量仿真原理圖進行仿真，其中在450秒處加入外部擾動，得到如下圖所示結(jié)果。圖8、仿真結(jié)果圖由圖中可以得出以下數(shù)據(jù)（1）超調(diào)量：（2）峰值時間：（3）過渡過程時間：4.1結(jié)果分析主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用則是快速消除內(nèi)擾，前饋通路用于補償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動是內(nèi)擾，串級三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。 前饋控制是將擾動信號經(jīng)前

14、饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進行的補償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補償”。由自動控制原理知道，擾動補償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。 前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進行擾動補償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。 從仿真效果可知，系統(tǒng)超調(diào)量符合課題要求，且當有擾動時系統(tǒng)可以很好的克服擾動對系統(tǒng)的干擾，及時的自動調(diào)節(jié)到原來的平衡位置，實現(xiàn)了無差控制。五、總結(jié)通過這次過程控制技術(shù)課程設(shè)計使我對所學的計算機控制技術(shù)理論知識有了深層次的理解和掌握，增強了自己對所學計算

15、機控制技術(shù)理論知識的靈活運用，增強了自己的獨立思考和創(chuàng)新綜合素質(zhì)能力，尤其是運用理論知識解決實際問題的能力。通過本次課程設(shè)計把自己所學的計算機控制技術(shù)分散理論知識聯(lián)系起來，使自己所學的計算機控制技術(shù)理論知識形成了一個體系。這次課程設(shè)計，也讓我更加清楚的認識到理論與實踐的關(guān)系-只有把理論與實踐緊密結(jié)合起來，理論知識才能變成有應(yīng)用價值的靈活知識。認識到理論知識只有運用于實踐才能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟利潤和社會價值，而實踐只有在科學正確理論指導(dǎo)下才能取得成功和碩果?？茖W正確的理論知識是推動人類實踐活動前進的強大精神武器，而實踐活動是檢驗理論正確與否的唯一標準也是理論產(chǎn)生的源泉。理論與實踐緊密聯(lián)系，相互依存。同時這次課程設(shè)計，更是增強了自己的實踐動手能力，尤其遇到問題而深入實際生活加深了對理論的認識，對實際生活的體會有助于以后專業(yè)知識的學習和研究，明白了科學理論的重要性。當然在這次課程設(shè)計，也