鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、曲要文n科技人等課程設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)班級： 自動化1002 學生姓名：馬千云 指導教師（簽名）： MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB MB , 一、課程設(shè)計(論文)題目鍋爐汽包液彳空制二、本次課程設(shè)計（論文）應(yīng)達到的目的本次課程設(shè)計是自動化專業(yè)學生在學習了計算機控制技術(shù)與系統(tǒng)和過程控制及儀表兩門專業(yè)必修課程及單片機原理與應(yīng)用、可編程控制器等相關(guān)專業(yè)選修課程之后進行的一次全面的綜合訓練，其主要目的是加深學生對計算機控制技術(shù)相關(guān)理論和知識的理解，進一步熟悉計算機控制系統(tǒng)工程設(shè)計的

2、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)課程的理論知識和方法，做到理論聯(lián)系實際；培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力和獨立完成系統(tǒng)設(shè)計的能力，并按要求編寫相關(guān)的設(shè)計說明書、技術(shù)文棒口總結(jié)報告等。三、本次課程設(shè)計（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)計要求等）鍋爐汽包液位的階躍響應(yīng)曲線如下表所示，控制量階躍變化=5。試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量與,25%的無差控制系統(tǒng)。時間/min0510152025被控量0.6500.6510.6520.6680.7350.817時間/min303540455055被控量0.8810.9791.0751.1511.2131

3、.239時間/min606570758085被控量1.2621.3111.3291.3381.3501.351具體要求如下：(1)(2)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；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)的控制儀表；對設(shè)計的控制系統(tǒng)進行仿真，整定運行參數(shù)。(4 )撰寫課程設(shè)計報告一份,要求字數(shù)3000 5000字。四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻：1 .王再英等.過程控制系統(tǒng)與儀表.機械工業(yè)出版社,20062 .潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術(shù)高等教育出版社,20013 .王錦標.計算機控制系統(tǒng).清華大學出版社,20

4、08五、審核批準意見教研室主任(簽字)摘要鍋爐是典型的復雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺，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，增加了鍋爐的 燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，而汽包 水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于高 蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運行損耗、確保整個網(wǎng)絡(luò)安全運行具有要意義。 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)，對現(xiàn)代工業(yè)生 產(chǎn)來說尤其是這樣。因為現(xiàn)代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相 對變小，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

5、鍋。在現(xiàn) 代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影 響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯， 致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格 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)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐 正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口 的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷 裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器 管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水

6、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，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果 都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來 愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位的控制是鍋爐控制的一個難點，目前，對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)控制對象的數(shù)學模型建立，由于 鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時滯和負荷干擾、非最小相位特征等，其精 確的數(shù)學模型往往無法獲得而且常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各 種擾動及對象變化，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，

7、仿真目錄1. 緒論11.1 鍋爐的工作過程簡介11. 2鍋爐汽包水位自動控制的意義21.3鍋爐液位控制的難點22.汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計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) 51. 4. 1單級三沖量控制系統(tǒng)52. 4. 2申級三沖量控制系統(tǒng)63.鍋爐汽包水位的動態(tài)特性的數(shù)學建模73.1 給水流量作用下的動態(tài)特性73.2 蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性83. 3根據(jù)所給數(shù)據(jù)進行曲線擬合93. 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

8、擇124.3電機的選擇124. 4接觸器的選擇135. 5閥的開閉選擇形式136. PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真136.1 串級三沖量仿真電路圖的搭建135. 2串級三沖量PID參數(shù)的整定145. 3 仿真分析15總結(jié)16參考文獻171. 緒論1.1 鍋爐的工作過程簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負荷的變 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 為蒸儲、化學反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風機、壓縮機、泵 類驅(qū)動透平的動力源。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。山省煤器3、汽包4

9、、下降管8、過熱器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，成為飽和水然后引入汽 包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，乂經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入 上聯(lián)箱，隨即乂回入汽包。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，水和給水一起再進入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子 引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達到規(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)燃燒室“爐”就是鍋爐的燃燒

10、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機送入，通過空氣預(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)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽, 匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負荷設(shè)備 使用。與此同時，燃燒過程中產(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 鍋爐汽包水位自動控制的意義鍋爐汽包水位自動調(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

11、在給定范圍內(nèi)是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋 爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包 出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、 葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加 在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結(jié)垢。水位過低，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，嚴重時會造成爆炸事 故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快, 人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。1.3 鍋爐液位控制的難點液位的控制技術(shù)是通過控制進水或

12、出水閥門的開度，改變水流量來實現(xiàn)的, 而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實現(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。由于在鍋爐運行過程中存在進水量和出水 量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制器參數(shù)來滿足所有的運行條件，獲得理 想的控制效果。調(diào)整過量會導致流量回路動作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額 外的干擾。這樣就導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，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能及時抑制大擾動，這就 可能引起鍋爐運行的安全問題。另外，液位的波動也會破壞鍋爐運行過程的穩(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

13、 口流量和混合燃料的進料量。各變量都有各自不同的擾動。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，使得過程 暫時改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導致發(fā)生事故。2汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1概述汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領(lǐng)域 的一個典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐 自動化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)歷了上世紀三四十年代單參數(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 算機控制等幾個階段。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

14、)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；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，沖量即變量。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H與給定值Ho 的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，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)簡單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對于水在汽包內(nèi) 的停留時間較長，且負荷乂比較穩(wěn)定，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴重的情況下，采用 單沖量控制系統(tǒng)，進行PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要

15、求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在汽包容量比較大、水位 在受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴重的場合，采用單沖 量水位調(diào)節(jié)時能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點，主要有：(1)單沖量控制方案只根據(jù)水位信號控制給水量，在鍋爐負荷變化大，即 階躍擾動很大時，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負荷蒸汽增加時，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，就去關(guān)小閥門減少給水量， 這個動作對鍋爐流量平衡是錯誤的，從而在過程一開始就擴大蒸汽流量和給水 流量的波動幅度，擴大了進出流量的不平衡。(2)從給水擾動下水位變化的動態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原

16、因造成給水量變化時，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動作，而在調(diào)節(jié)器動作 后乂要經(jīng)過一段滯后時間才能對汽包水位發(fā)生影響，因此必將導致汽包水位波 動幅度大，過程時間長。3. 3雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以 鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構(gòu)成的“前 饋-反饋”控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖2. 2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)點是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位” 所引起的不良影響。當蒸汽量變化時，就有一個給水量與蒸汽量同方向變化的 信號，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

17、 饋信號，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 的問題是：對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償，當給水量發(fā)生擾動時.，要等到 汽包水位信號變化時才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動大。4. 4三沖量控制系統(tǒng)2.4.1 單級三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)，是以汽包水位H為主控制信號，蒸汽 流量D為前饋控制信號，給水流量W為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進行前饋控制。當負荷（蒸汽流量）突然發(fā)生 變化，蒸汽流量信號能使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動，即當蒸汽流量增 加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的方向誤動作。如給水

18、流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥，從而使給水量 保持不變。另外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，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)器動作加快，還可以 避免調(diào)解過量，減少水位波動，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖2.3所示。圖2. 3單級三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給 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：另一個是由汽包水位 對象和內(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質(zhì)

19、是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對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)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求，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)復雜，不容易整定。2.4.2 串級三沖量控制系統(tǒng)隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化的方向發(fā)展，對操作的要求更加嚴格, 參數(shù)間相互關(guān)系更加復雜，對控制的精度和功能提出新的要求。為此，需要在 單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復雜控制系統(tǒng)。如圖所示的三沖量串級 控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)器接受水位信號作為主控信號和蒸汽流量信號去控制 副調(diào)節(jié)器的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了接受

20、主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號外，還接受給 水流量信號。蒸汽流量信號作為前饋信號對給水流量進行前饋控制，當蒸汽負 荷突然發(fā)生變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動，即當 蒸汽流量增加時，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幅度。給水流量信號作為調(diào)節(jié)閥動作后的反 饋信號，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串級三沖量控制系統(tǒng)框圖在實際應(yīng)用中，由于選定的控制閥門不一樣，串級三沖量作為控制系統(tǒng)的 設(shè)計也就不一樣。3.鍋爐汽包水位的動態(tài)特性的數(shù)學建模3.1 給水流量作用下的動態(tài)特性在給水流量突然增加的瞬

21、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，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循 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。事實上也就是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即 給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，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 入省煤器內(nèi)的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng) 過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進入汽包而使水位上升。 在此過程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢

22、。由 H曲線可以清楚地看出給水被控對象內(nèi)擾的特點是：給水擾動剛剛加入時，由 于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過一段時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。下面簡單介紹一下水位在給 水擾動下的傳遞函數(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)對象的動態(tài)特性方程 經(jīng)推導，可簡化成：(3. 1)等+KM at式中：h為汽包水位的高度；Tw為給水流量項的時間常數(shù)；行為蒸汽流量項的時間常數(shù)；K”為蒸汽流量項的放大倍數(shù)；刀、G為時間常數(shù)。同時必、5丫的式子如下：Ud=AD/Dmax Uw =

23、AW/Dmax（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主要是蒸汽流量（稱為外擾動）和給水流 量（稱為外擾動），因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對象的運動方程式 可表示為：d h dh dUtiz/ q o TxTy- + TX = TW + KwUw（33）dr dt dt兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實際忽略較小的，并考慮到汽包水位在較長一 段時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 用下的動態(tài)數(shù)學模型如下：4 S（+TaS）（3 4）3.2 蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性負荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負荷增加時.，蒸發(fā)

24、量大于 給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負荷突然減小時，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（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內(nèi)即達到最低 值。在外部負荷突然減小時（如汽輪機甩負荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達 到最低值，并且，“虛假水位”達到最低值的時間和負荷達到的最低值的時間基 本相同。汽輪機甩負荷擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當嚴重的，這給組成水 位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運行中應(yīng)對負荷 的一次變動量及負荷變化速度加以限制。同理，可得到在外擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程為：

25、 TE 粵+rD。+K dU（3.5）dr dt V diJ對上式方程進行拉氏變換，并令k = （k“2-2）/4、T = T【Kd得到鍋爐汽包水位 在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學模型如下：G-K 1川）u（s） T2S+1 ts3. 3根據(jù)所給數(shù)據(jù)進行曲線擬合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. 15

26、1, 1. 2 13, 1. 239, 1. 262, 1. 311, 1. 329, 1. 338, 1. 350, 1. 351 figure (1); subplot (2, 1, 1); plot (x, y, o); aa=polyf it (x, y, 5); f_x二vpa (poly2sym (aa, 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

27、(aa, x), lo); axis(0 85 0 1.500)-igurw I! Eda|nwft loclt Qvaldcp |rdow 班 g l= o,助監(jiān)現(xiàn) 25,30, J, 3 W,他 0B, TO,落 W, 86】; *0.6,0.1.0.65X0.663,0.：35,0.ai：.0.eaL(L27P,l.7U.l5l.l.213U.23I.J.3n,l.3Coltans I thsauch 100.4W00.CT100. (25200.4W0 0.HW O.BITO O,8lO 0. P7W .：ll thrwh 181.2H0 J.nw l.52OI.3H01.52901.

28、3J8 L7W0 1.3510 fxtUC4(l)； ukolt plot lx, y1 polyf xt , yr, 6l f.-xpB. 43. R4e-10-x5 - 5.795*-3x 4 - aW0TW?iZ - O.OMWTi 0.4WI 1=0曲員: 5Ut91t： plot lx. polyvalv* i-oz 35 0 I.MOJ)35 0.660A jKMdlft 25 0.560 MSin U d j 0 0 s 口W GO 70 W102030855Plm2,1,21；plot lx,polr/aliiA,il, r-o* I UK 1(0 為 0 I.SCO)0 0.

29、660 l.3Gluib(0 K 0.650 l.4Gl， 一 一圖3.1擬合曲線3. 3. 2控制變的確定0.08通過現(xiàn)場數(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 水流量作用下的動態(tài)數(shù)學模型為：(3.7)G一”.K,I ； Uw(S) S( + TaS) 5(1 + 255)經(jīng)過對現(xiàn)場數(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 用下的動態(tài)數(shù)學模型為：G “號=上%(3.8)，UD(S) T2S + TS 25S + 1 S4. 4串級三沖量的框圖圖3. 2汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖圖3. 3單級三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：

30、一個是由給 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：另一個是由汽包水位 對象和內(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質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對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)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求，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量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號 可以

31、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 時每小時蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時供水量為: 35 m3/h。上海正博自動化儀表有限公司生產(chǎn)的LUGB-99型渦街流量計是一種基于卡門渦街原理流體振動式新型流量計，它具有測量范圍廣、壓損小、性能 穩(wěn)定、準確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點，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)量流量的測量。4. 2水位傳感器選擇由于該設(shè)計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對水位的準確測 量，因此水位能否準確測量直接關(guān)系到控

32、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)計中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在30010mm, 根據(jù)過程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測量參數(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,因此選擇該測量精 度才可以滿足要求。4. 3電機的選擇電機是鍋爐汽包供水的動力設(shè)備，電機的準確選型關(guān)系到汽包能否準確供 水進而影響到汽包水位的穩(wěn)定?？刂频腻仩t蒸發(fā)量為：35t/h,汽包壓力0. 5MP, 管道直徑50mm因此可以對正常工作時電機的功率作如下估算：c

33、35000 X10/7?/ X 500000x 3.14 x 2.52 八P =、95 Kw(4. 1)36005x10000由計算結(jié)果可以知道選用功率為lOOKw的三相異步電動機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機，選用鼠籠型電機就可以滿 足要求。濟南華力貝爾機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機專門為 變頻調(diào)速設(shè)計可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380V,額定功率為lOOkwo4. 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 機能夠準確及時的啟動、停止。根據(jù)分析三相交流異步電機的最高工作電流是 工作于50Hz交流電壓下

34、，其工作電流為：lOOKw/3 x380v1524(4. 2)因此根據(jù)設(shè)計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時額 定電流至40A電路中，適用于起動和控制三相交流電動機（壓縮機）及其它三相 負載，選擇五套該類型接觸器同時帶動一臺電機可以滿足設(shè)計要求。5. 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)過程的調(diào)節(jié)閥 絕大部分為氣動調(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

35、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 串級三沖量仿真電路圖的搭建圖5.1串級三沖量仿真電路圖6. 2串級三沖量PID參數(shù)的整定PID Cent toilet:I his block iiipleaents continuous- and discrete-tixie PID control ale。匕 ithns and includes adviced features sue? as anti-vixidup, external reset, Mid signal tracking.

36、 You c皿 tune the PED gains witoaatically usixig the , Tune. . z but-tan (requites Sixiul ink Cent rol Design).圖5.2主控制器PIDThis block inplements continuous- and discceie-tin.e PID control algocilhns and includes advanced features sucl as 2Lnti-windup. cxlcinal tcsel, and signal tracking. Tou can tunc the PH gains au-tonatically u5ing the funcbutton (requires Sinulink Control Dcsisn). Fotn; Parallel；onttollec;PIPPine doaain:。C ont inuous_12neMain PID Advanced Dat a Types State Atiribut ea Controller par and er 5Prop