鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上內(nèi)蒙古科技大學本科生課程設(shè)計論文 題 目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 學生姓名：xxx 學 號： 專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器 班 級：2012-1 指導教師：xxx 年 月 日內(nèi)蒙古科技大學課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱控制系統(tǒng)仿真設(shè)計題目鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真指導教師xxx時間2015.11.242013.11.28一、教學要求1、理解鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的組成及的工作原理；2、掌握使用Matlab/Simulink軟件對控制系統(tǒng)的建模與仿真的方法；3、掌握控制器的設(shè)計方法，以及控制器參數(shù)整定和優(yōu)化的方法。二、設(shè)計資料及參數(shù) 設(shè)計資料詳見過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真（劉文

2、定主編）9.2.2節(jié)。 本設(shè)計涉及到的控制原理、過程控制系統(tǒng)等內(nèi)容參考相關(guān)專業(yè)課教學內(nèi)容。設(shè)計參數(shù)：見過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真（劉文定主編）9.2.2節(jié)。三、設(shè)計要求及成果1、利用Simulink建立鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)的仿真模型，采用3種不同的控制方案。2、設(shè)計以上系統(tǒng)中控制器的參數(shù)，觀察仿真結(jié)果，比較各種參數(shù)下的系統(tǒng)響應(yīng)曲線，內(nèi)容驗證仿真結(jié)果的正確性，比較不同方案的優(yōu)劣;3、撰寫不少于3000字的設(shè)計報告。設(shè)計報告要求提交紙質(zhì)文檔，設(shè)計報告包括設(shè)計背景、設(shè)計原理、設(shè)計過程、結(jié)果分析等幾個部分，要求給出設(shè)計模型圖以及仿真結(jié)果圖。相關(guān)Matlab/Simulink設(shè)計文件要求提交電

3、子文檔。四、進度安排收集和查閱資料（一天）Matlab/Simulink建模（兩天）控制系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化（一天）編寫技術(shù)設(shè)計書（一天）五、評分標準課程設(shè)計成績評定依據(jù)包括以下幾點：1）工作態(tài)度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的設(shè)計是否可行和優(yōu)化(40%)；4）課程設(shè)計技術(shù)設(shè)計書編寫水平(占30%)。分為優(yōu)、良、中、合格、不合格五個等級。考核方式：設(shè)計期間教師現(xiàn)場檢查；評閱設(shè)計報告。六、建議參考資料1、控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD，李國勇，電子工業(yè)出版社，2011年1月第2版2、過程控制系統(tǒng)的Matlab仿真,劉文定，機械工業(yè)出版社，2009年2月第1版專心-專注-專業(yè) 目錄

4、2.1.1 單沖量控制方式462.2.1 調(diào)節(jié)規(guī)律選擇42.2.2 調(diào)節(jié)器正反方式的選擇4 第1章 概述 1.1鍋爐汽包水位控制概述 鍋爐是火電廠重要的動力設(shè)備，其任務(wù)就是根據(jù)生產(chǎn)負荷的不同需求，提供相應(yīng)規(guī)格（壓力和溫度）的蒸汽，同時應(yīng)保證鍋爐經(jīng)濟和安全的進行。鍋爐的主要的控制要求主要包括供給滿足負荷需求的蒸汽量、過熱蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)、汽包水位保持在一定范圍之內(nèi)、爐膛負壓保持在一定范圍之內(nèi)、保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性、保證鍋爐安全穩(wěn)定運行。 汽包水位控制的任務(wù)是使鍋爐給水量始終跟著蒸發(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

5、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行控制，將其嚴格控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。1.2鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)分析鍋爐是火電廠重要的動力設(shè)備，其任務(wù)就是根據(jù)生產(chǎn)負荷的不同需求，提供相應(yīng)規(guī)格（壓力和溫度）的蒸汽，同時應(yīng)保證鍋爐經(jīng)濟和安全的進行。鍋爐的主要的控制要

6、求主要包括供給滿足負荷需求的蒸汽量、過熱蒸汽壓力保持在一定范圍內(nèi)、過熱蒸汽溫度保持在一定范圍內(nèi)、汽包水位保持在一定范圍之內(nèi)、爐膛負壓保持在一定范圍之內(nèi)、保持鍋爐燃燒的經(jīng)濟性、保證鍋爐安全穩(wěn)定運行。其中鍋爐汽包是鍋爐運行的重要指標，本次設(shè)計是針對鍋爐汽包水位控制的設(shè)計，維持汽包水位在一定的范圍之內(nèi)是保證鍋爐安全正常運行的首要條件。如果水位過高則會影響汽包內(nèi)的汽水分離，出現(xiàn)蒸汽帶液的現(xiàn)象，這會使過熱器管壁結(jié)垢，并使過熱蒸汽溫度急劇下降，如以該過熱蒸汽作為汽輪機動力，將會損壞汽輪機葉片，影響安全運行；相反如果水位過低，則當負荷很大時，水將加快汽化速度，此時，如不及時補水，則會導致汽包內(nèi)的水全部汽化，

7、燒毀水冷壁甚至引起爆管事故。因此必須對汽包水位進行嚴格控制。鍋爐汽包水位特性：影響汽包水位變化的因素很多，但主要是鍋爐蒸發(fā)量（蒸汽流量D）、給水流量W和燃料B,下面重點介紹在給水流量和蒸汽流量的擾動下汽包水位變化的動態(tài)特性。圖1.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖中的線。圖1.1 給水流量作用下水位階躍響應(yīng)但是考慮到給水溫度低于汽包內(nèi)的飽和水溫度，所以當給水進入汽包后就會吸收原有飽和水中的一部分熱量，水面以下的汽包總體積就相應(yīng)減少，從而導致水位下降，固水位的實際響應(yīng)曲線是曲線H。由以上分析可知，當給水流量擾動做階躍變化時

8、，汽包水位起初并不立即上升，而是呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這近似一個積分環(huán)節(jié)和時滯環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可以用一個傳遞函數(shù)來表示，故水位的動態(tài)特性1可表示為： (1-1) 式中，表示給水流量做單位變化時水位的變化速度；表示延遲時間，對非沸騰式省煤器的鍋爐，這時為30-100 S；對于沸騰式省煤器的鍋爐，為100-200 S；給水溫度越低，時滯亦越大。汽包水位在蒸汽流量D作用下的動態(tài)特性在蒸汽流量D擾動作用下，水位的階躍響應(yīng)曲線如圖1.4所示。當蒸汽流量突然增加時，改變了汽包內(nèi)的物料平衡關(guān)系，蒸汽量大于給水量，因此水位下降，如圖中曲線H1，但實際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導致汽包壓力的下降。汽包內(nèi)水的沸

9、騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的線。因此，實際的水位曲線為+，即為圖中的。從圖中可以看出，當蒸汽負荷增加時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升)，這種現(xiàn)象稱之為虛假水位。所以當蒸汽流量擾動時，水位變化的動態(tài)特性1可表示為: (1-2)式中， -響應(yīng)速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)；-響應(yīng)曲線的放大系數(shù)；-響應(yīng)曲線的時間常數(shù)圖1.2蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)虛假水位現(xiàn)象屬于反向特性，其變化的幅度不僅與蒸汽量有關(guān)，還與鍋爐的氣壓有關(guān)，這會給汽包水位控制帶來一定的難

10、度，設(shè)計控制方案時必須重點考慮。1.3仿真軟件功能概述 Simulink是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復雜的系統(tǒng)。Simulink具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于Simulink。Simulink可以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有

11、不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。 第2章 總體方案設(shè)計 控制方式結(jié)合鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的動態(tài)特性可知，要想讓鍋爐汽包水位維持在一定的范圍內(nèi)，必須克服虛假水位和給水流量對汽包水位的影響，所以在設(shè)計鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)時，必須考慮給水流量、蒸汽流量以及汽包液位等三個沖量的控制。根據(jù)控制系統(tǒng)輸入變量的多少，可將鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)分為單沖量控制系統(tǒng)，雙沖量控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)。在鍋爐汽包生產(chǎn)蒸汽的過程中，汽

12、包水位對蒸汽的產(chǎn)量、質(zhì)量、安全生產(chǎn)、經(jīng)濟運行和環(huán)境保護等具有決定性的作用并且可直接測量，所以選擇水位作為鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的被控參數(shù)來設(shè)計一個單回路控制系統(tǒng)。其設(shè)計的儀表圓圈圖和系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。它是汽包水位自動調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。這種方式將液位測量信號經(jīng)變送器送到液位調(diào)節(jié)器，液位調(diào)節(jié)器根據(jù)液位測量值與給定值的偏差去控制調(diào)節(jié)閥的閥門開度，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。這種控制方式，結(jié)構(gòu)簡單，適用于汽包容量較大，負荷變化小且虛假水位現(xiàn)象不太嚴重的小型鍋爐。但是，它克服給水自發(fā)性干擾和負荷干擾的能力差，當負荷突然大幅度的變化時，鍋爐汽包會產(chǎn)生虛假水位的現(xiàn)象，會使

13、調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生誤動作。所以為確保生產(chǎn)安全，實際工業(yè)中往往不采用這種方法。圖2.1鍋爐汽包水位單沖量控制系統(tǒng)在汽包水位的控制中，虛假水位現(xiàn)象是控制系統(tǒng)必須克服，而引起虛假水位現(xiàn)象的主要干擾量為負荷蒸汽流量，所以引入蒸汽流量作為系統(tǒng)的校正信號，就可以有效地糾正由虛假水為引起的誤動作，從而減少水位的波動，提高控制品質(zhì)。所以選取汽包水位為被控變量，蒸汽流量為干擾量，給水量作為操縱變量來設(shè)計一個雙沖量控制系統(tǒng)。其設(shè)計的儀表圓圈圖和系統(tǒng)方框圖如圖2.2所示。 圖2.2鍋爐汽包雙沖量控制系統(tǒng)如圖2.2所示，LY為加法器，LC為液位控制器，其輸出為： (2-1)式中：PC為液位控制器的輸出；PF為蒸汽流量（一般經(jīng)

14、開放器）的輸出；C0為初始值偏置值；C1，C2為加法器系數(shù)。其中由于C1是與調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的乘積，相當于簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)的作用，一般取C11。即 (2-3)假設(shè)給水閥的流量特性具有線性特性，可用KV表示，即 (2-4)式中，I為閥門輸入信號的變化量。檢測變送環(huán)節(jié)的增益Km可由式2-5來計算。 （2-5）式中Zmax-Zmin為蒸汽流量變送器的最大變化范圍，Dmax為蒸汽流量變送器量程。結(jié)合（2-2）（2-3）（2-4）（2-5），得加法器系數(shù)C2為 （2-6）初始值C0是一個恒定值，設(shè)置C0的目的是在正常負荷下，使調(diào)節(jié)器和加法器的輸出都能有一個比較適中的值。在正常負荷下C0值與C

15、2PF項恰好抵消。 加法器進行加法運算還是減法運算，要根據(jù)調(diào)節(jié)閥的特性是氣開閥還是氣關(guān)閥，若選氣關(guān)閥，當蒸汽流量加大時，給水量宜加大，則加法器進行減法運算，反之進行加法運算。雙沖量控制系統(tǒng)實質(zhì)上就是前饋反饋控制系統(tǒng)，這里的前饋系統(tǒng)僅為靜態(tài)前饋，如需要考慮控制通道和擾動通道之間的動態(tài)特性的差異，需要加入超前滯后的動態(tài)補償環(huán)節(jié)。雙沖量控制系統(tǒng)考慮了蒸汽流量擾動對汽包水位的影響，但對給水流量擾動的影響未加考慮，因此適用于給水波動較小的場合。雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是:調(diào)節(jié)作用不能及時反映給水側(cè)的擾動，當給水量擾動時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常

16、時，不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。同時調(diào)節(jié)閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態(tài)補償就比較困難。為了使汽包水位得到更好的控制，考慮雙沖量控制中存在的問題，在雙沖量的基礎(chǔ)上再引入一個給水流量，就形成了一個三沖量控制系統(tǒng)，其設(shè)計的儀表圓圈圖和儀表方框圖如圖2.3, 圖2.4所示。本質(zhì)上，三沖量控制系統(tǒng)是前饋串級控制系統(tǒng)，汽包水位是主被控變量，蒸汽流量是干擾量，給水流量既是是副被控變量，又是操縱變量。利用前饋控制克服虛假水位的現(xiàn)象，利用串級克服給水量對鍋爐汽包液位的影響。如圖2.3所示，將蒸汽流量信號、給水流量信號和汽包水位信號一起送加法器，加法器輸出作為給水控制器的測量信號，構(gòu)成采用一個控制器的三沖量控

17、制方案。主控制器采用比例度為100%的比例控制器即Gc(s)=1,副控制器是給水控制器，前饋控制為蒸汽流量控制，副控制器和前饋控制器的比例系數(shù)設(shè)置分別為W和D。由于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，當給水流量與蒸汽流量達到物料平衡及控制器具有積分作用時，水位可達到無余差。圖2.3鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)儀表圓圈圖圖2.4鍋爐汽包水位三沖量控制系統(tǒng)方框圖該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：當負荷變化時，它能先于水位偏差進行前饋控制，及時調(diào)節(jié)給水，以跟蹤蒸汽流量的變化，維持汽包內(nèi)的物料平衡，克服虛假水位，減少水位的動態(tài)偏差；由給水流量為副被控變量構(gòu)成的副回路，可及時消除給

18、水流量的自身干擾（主要由給水壓力的波動引起的）對水流的影響。這種控制方式彌補了單沖量控制系統(tǒng)和雙沖量控制系統(tǒng)的缺點，所以是實際工程中常用到的汽包水位控制方案。2.2汽包水位控制規(guī)律 2.2.1 調(diào)節(jié)規(guī)律選擇本設(shè)計主調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，其特點為當給定值或擾動變化時，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，被控參數(shù)沒有靜差。但卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，為了保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例度必須適當加大。它適用于對象純滯后時間不長，時間常數(shù)也不大，而又不允許被控參數(shù)有靜差的場合4。由于主被控參數(shù)是汽包水位。副調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)規(guī)律由于副被控參數(shù)是給水流量。（1）主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇 在鍋爐汽包水位控制系

19、統(tǒng)中，主回路的被控參數(shù)是汽包液位，其控制通道的時間常數(shù)較小，負荷變化也不大，所以不需要引入微分作用，即控制規(guī)律應(yīng)選擇P或PI調(diào)節(jié)規(guī)律；副回路的被控參數(shù)為給水流量，其控制通道的時間常數(shù)常數(shù)較小，負荷變化也不大，工藝要求無靜差，所以控制規(guī)律應(yīng)選擇PI調(diào)節(jié)規(guī)律，利用這一控制規(guī)律，可以使系統(tǒng)消除靜差，進而有效的控制被控參數(shù)。（2）控制閥的開閉形式選定 控制閥的選取一般要從生產(chǎn)安全角度來考慮，如果高壓蒸汽是供給蒸汽透平機等的，為保護這些設(shè)備以選擇氣開閥為宜。如果蒸汽作為加熱及工藝生產(chǎn)中的熱源，應(yīng)考慮采用氣關(guān)閥，以防止燒干鍋，保護鍋爐設(shè)備安全。（3）LC控制器的正反作用選擇 將控制系統(tǒng)看成負反饋系統(tǒng)，若控

20、制閥為氣關(guān)閥時控制器為正作用，若控制閥為氣開閥時控制器為反作用。 2.2.2 調(diào)節(jié)器正反方式的選擇關(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。副環(huán):調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，符號為“+”；當調(diào)節(jié)閥開度增大時，流量增大，因而副對象符號為“+”；副變送器符號為“+”，副調(diào)節(jié)器符號應(yīng)為“-”，故選擇正作用。主環(huán)：富被控參數(shù)流量增大時，主控制參數(shù)液

21、位上升，因此主對象符號為“+”，故主調(diào)節(jié)器應(yīng)該選反作用。第3章 simulink建模 假設(shè)某供汽量為120t/H的鍋爐，其被控對象的傳遞函數(shù)分別為 若采用三沖量控制方案，如圖2.2.3b所示，其中蒸汽流量變送器D=0.0667，Gm3(s)=3,給水流量檢測變送器WGm2=0.0667，差壓變送器的轉(zhuǎn)換系數(shù)Gm1=0.0333。參數(shù)整定過程如下：串級控制部分副回路的控制器采用比例控制,主回路控制器采用PID控制，采用臨界振蕩法確定其參數(shù)，其仿真框圖如圖3.1所示。圖3.1鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真框圖第4章 simulink仿真與優(yōu)化設(shè)計 如圖3.1所示，畫完鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的仿真框圖后，首

22、先需要進行參數(shù)整定，按照第三章所述給主、副調(diào)節(jié)器的P、I、D參數(shù)分別賦值，然后采用臨界振蕩法確定參數(shù)，增大主調(diào)節(jié)器的P參數(shù),發(fā)現(xiàn)階躍響應(yīng)出現(xiàn)衰減的趨勢。 通過觀察鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線可知，當鍋爐工作穩(wěn)定且給水無擾動時，通過調(diào)節(jié)主控制器的P、I、D參數(shù)，響應(yīng)曲線可以慢慢衰減最后穩(wěn)定下來，因此，在外部波動較小的情況下，串級控制系統(tǒng)基本可以滿足系統(tǒng)要求。如圖3.2所示，在蒸汽干擾可測的情況下，為了克服干擾對控制系統(tǒng)的影響，就可以構(gòu)成前饋加串級的三沖量控制，其中Kp=9;Ki=0.0045;Kd=0,主調(diào)節(jié)器的P、I、D參數(shù)和串級控制時一樣，點擊運行按鈕，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.1所示。 圖4.1 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線不加PID控制后系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖4.2所示。圖4.2 不加PID系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線通過觀察圖4.1可知，在蒸汽干擾可測的情況下，通過調(diào)節(jié)控制器的P、I、D參數(shù)，就可以使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，即在由外部干擾的情況下，三沖量控制系統(tǒng)可以滿足控制系統(tǒng)的要求。第5章 總結(jié) 本次設(shè)計，在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，由于控制器的參數(shù)選的不是很恰當，所以仿真波形不是很理想，但三沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果還可以。剛開始設(shè)計時，在主、副控制器選擇上，考慮到主被控變量是鍋爐汽包水位，允許波動的范圍很小，要求無余差，主控制器選了PI控制。副