锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真课程设计.doc

内蒙古科技大学本科生课程设计论文题 目：锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真学生姓名：xxxx学 号：xxxx专 业：xxxx班 级：xxxx指导教师：李x时 间：2013年12月8日目录 第一章 汽包水位控制的概述2 锅炉汽包水位的动态特性3 给水流量W对汽包水位H的影响3汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响4第二章 三冲量串级给水控制系统设计5 单冲量水位控制系统的介绍5 双冲量水位控制系统的介绍6 三冲量汽包水位控制原理6 三冲量控制方案之一7三冲量控制方案之二8三冲量控制方案之三9第三章 汽包三冲量控制算法的MATLAB仿真设计11 控制系统模型图的绘制11 Simulink模块的调用11 PID子系统的建立以及封装11 PID控制器的参数整定13第四章 总结16参考文献17第一章 汽包水位控制的概述 在锅炉控制工艺中，保持汽包水位在一定范围内是锅炉稳定运行的重要指标。炉膛负压保持在一定范围内。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。汽包水位控制的任务是使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，我们有必要对汽包的水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。 锅炉汽包水位的动态特性 锅炉汽水系统如图所示，锅炉在运行的过程中，由于负荷、燃烧状况、给水流量等诸多干扰因素的影响；所以锅炉汽包水位是经常变化的。其中影响汽包水位的主要因素有：（1）来自给水管道和给水泵方面的压力，包括给水压力以及调节阀开度等的变化；（2）来自蒸汽负荷的扰动，包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。分析汽包水位的动态特性，确定给水自动控制系统设时如何考虑这些扰动因素，是设计给水自动控制系统的主要依据。1.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素，它来自控制侧，属于内部扰动。给水流量W作阶跃变化时，锅炉的水位H变化的阶跃响应曲线如图所示。图 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线图中当给水量增大时，由于给水温度必然低于锅炉内的汽包饱和水温度，所以需要从饱和水中吸取一部分的热量，因此导致汽包内液体温度的下降，进而使水位下的气泡减少。只有在水位下气泡容积变化达到平衡后，管道给水量的增加才与水位成正比例地增大。在图中阶跃响应曲线的初始阶段中，水位的增加比较缓慢，可用实验特性来近似描述，因为当给水量的突变使得汽包水位经过一定的时间滞后才会增加，所以用来表示滞后时间。根据上面的分析，若给水温度过低，则从饱和水中吸收的热量要多些，所以时间滞后也会相应的变得大一些。1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响 蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化，属于外部扰动，所以汽包水位在外部蒸汽流量干扰下变化的阶跃响应曲线如图所示。图 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线当负荷设备的用汽量突然增加时，单从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量大于给水量，汽包水位的变化应如图中H1所示直线下降。但实际显示出的水位变化如图中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，这就是我们常说的“虚假水位”现象。这种情况是由于当炉的蒸发量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，沸腾加剧，水面下的汽泡容积增加得很快，汽包水位上升，当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位就随物的不平衡关系的变化而开始下降。其中H2曲线代表着水面下汽泡容积的增加而使水位的变化，实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。当蒸汽流量突然减小时，水位变化则是先下降再上升。在实际的工业锅炉中，虚假水位的变化幅度与锅炉的规模有着直接的关系，例如一般的100-300T/H高压锅炉来说，当负荷变化10%的时候，其虚假水位可达30-40mm左右，因此在实际的控制方案当中应该将其考虑在内。第二章 三冲量串级给水控制系统设计在设计锅炉汽包水位控制系统时，其中的变量为汽包水位，操纵变量是管道的给水流量。主要的干扰变量有以下四个：（1） 给水方面的干扰。如给水压力、减温器控制阀开度变化。（2） 蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度的变化等。（3） 燃料量的干扰。即包括燃料热值、燃料压力、含水量。（4） 汽包压力变化。通过汽包内部汽水系统在压力升高时自凝结和压力降低时的自蒸发影响水位。 单冲量水位控制系统的介绍 汽包水位控制系统的操纵变量为给水量，可构成如图所示的单冲量控制系统。单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证系统的有效运行。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。其中的原因有以下几个： 负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，即负荷增大时调节器不但不能开大给水给水阀的开度增加给水量，反而会关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度，以致发生事故。 负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。因此，对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不适合，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些连锁报警装置，也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。 双冲量水位控制系统的介绍 在汽包水位控制系统中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。如果引入蒸汽流量来起校正的作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀及时动作，从而减少水位的波动，能改善控制品质。图中就是双冲量控制系统的原理图，这是一个前馈加单回路反馈控制的负荷控制系统。 但是双冲量控制系统也有其弱点，因为控制阀的工作特性要做到静态补偿比较困难，还有就是此系统不能克服给水系统的干扰。所以，我们就要将给水流量信号引入到双冲量控制系统中，构成三冲量水位控制系统。 三冲量汽包水位控制原理三冲量控制中串级系统主、副控制器的任务不同，副控制器的任务不同，副控制器的任务不同，副控制器用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的扰动以及蒸汽负荷变化迅速调整给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡；主控制器的任务是修正汽包水位的偏差。这样，当负荷变化时，汽包水位稳定值是靠主控制器来维持的，可以根据对象在外扰下虚假水位的程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，从而改变负荷变化的水位控制品质。 而且这种控制系统能够有效地维持汽包水位在工艺的允许范围内，也有效地克服了系统存在的“虚假水位”的现象。我们在设计三冲量控制系统时，设计出了三种控制方案，下面我们逐个分析这三种控制方案。2.3.1 三冲量控制方案之一 引入给水流量信号的三冲量水位控制系统将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级控制系统，如图所示。图 方案二的三冲量水位控制系统原理图 根据原理图我们可以绘制方案一的控制系统的框图，如图所示。中，我们可以看出在图的主回路中，如果把副回路近似看做比例环节，则主回路等效为一个单回路控制系统，主控制器通常采用比例积分控制，其参数整定仍按单回路系统的方法。图 方案一的三冲量水位控制系统框图2.3.2三冲量控制方案之二 此方案是将蒸汽信号、给水流量和汽包水位信号一起送加法器，加法器输出作为控制器的测量信号，从而构成一个采用一个控制器的三冲量的控制方案，如下图所示。图方案二的三冲量水位控制系统原理图其中的主控制器采用的是比例为100%的比例控制器，副控制器是给水控制器，前馈控制汽流量控制，副控制器和前馈控制器的比利系数分别设置为w和D。因为汽包水位控制器的测量值是蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号的代数和，当给水流量与蒸汽流量达到物料平衡及控制器具有积分作用时，水位可达到无余差。但通常情况下，实施该控制方案的水位存在余差。图 方案二的三冲量水位控制系统框图2.3.3三冲量控制方案之三为了使水位实现无余差，将水位控制器前移至加法器前，组成如图所示的此方案。在该控制方案中，水位控制器输出信号、蒸汽流量信号、给水流量信号送加法器，加法器输出送给给水控制阀。在该方案中，主控制器是水位控制器，副控制器是比例度为100%的比例控制器。由于水位控制器测量值是汽包水位信号，因此当水位控制器具有积分控制作用时，可实现汽包水位的无余差调节的要求。其方案三的控制系统原理图以及方框图分别如下图和所示。图 方案三的三冲量水位控制系统原理图图 方案三的三冲量水位控制系统框图 在设计三冲量锅炉汽包水位控制系统之前，我们在这之前也设计出了单冲量和双冲量汽包水位控制系统，由于这两种控制系统都存在缺陷所以最终使用了三冲量控制系统。第三章 汽包三冲量控制算法的MATLAB仿真设计 我们设计所做的是锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真设计，所以本章所述内容均与仿真有关。而我们所用的MATLAB仿真软件Simulink是正好是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。这种软件包也能像传统的用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单的操作，而且能够在设计的示波器中实现仿真结果的功能。 控制系统模型图的绘制根据前面章节所说的汽包三冲量水位控制系统的结构框图，我们可以利用MATLAB仿真软件中的simulink软件设计出控制系统的模型图。首先我们打开MATLAB仿真软件，找到菜单栏的simulink图标，单击鼠标左键之后会弹出一个Simulink 库浏览窗口（Simulink Library Browser）。然后点击File菜单中的New新建出来一个模型的编辑窗口，然后我们就可以在这个窗口画系统的方框图了。3.1.1 Simulink模块的调用 根据前面章节所述的控制系统框图，我们主要用到的模块库主要有Continuous(连续模块库)、Math(数学模块库)、Sources(输入源模块库)、Sinks(接收器模块库)，在这些模块中主要用到的是Add(加法模块)、Gain(比例运算模块)、Sum(求和模块)、Zero-Pole(零极点函数模块)、Derivative(微分器模块)、Scope(示波器模块)等模块。然后我们把这些模块调用出来之后就可以进行连接即可。在设计模型图时，因为我们建立的系统含有PID控制器的模块，所以我们有必要通过菜单法建立起PID系统，此子系统方便后面PID参数的设置与调整。3.1.2 PID子系统的建立以及封装 已知PID控制器模块组如下图所示，在设计将画好的的PID控制器的模块组表示成子系统的步骤如下：（1）用鼠标选定图子系统的图中虚线框的全部内容后，执行EditCreat Subsystem命令，则就会变成所示的子系统模块的形式； 图 PID Controller 子系统（2）用鼠标右键单击子系统模块的标题“Subsystem”,待反向显示后，输入字符“PID Controller”,图将变成图中图所示的形式；设计完子系统之后，我们就可以对其进行封装了。用鼠标单击选定的PID Controller子系统后，在选择EditMask system命令，这时将会出现一个如图所示的封装子系统编辑器对话框。封装的主要步骤如下：Paraments页面的填写；Icon 页面的填写。(3)Documents页面的填写。其中具体的操作内容可参考李国勇的仿真技术技术与CAD的教材。 当以上工作完成以后，单击【OK】按钮，于是PID Controller子系统就结束了封装，封装后的新模块图标如图所示。用鼠标左键双击图中的PID Controller新模块图标，会弹出封装后的的PID Controller新模块对话框。如下图所示。图 子系统封装后的新模块图标图 封装后PID控制器的对话框 PID控制器的参数整定 假设某供气量为120/H的锅炉，其被控对象的传递函数分别为Gp1(s)=1,Gp2(s)=e-5s，Gd(s)=- 若采用三冲量控制方案。蒸汽流量变送器D=,Gm3(s)=3,给水流量检测变送器wGm2=,差压变送器的转换系数Gm1=，调节阀采用线性阀Gv=15。串级控制部分副回路的控制器采用比例控制Gc2（s）=Kp2=1, 然后在画好的模型图中把上面的数据加入相应的模块中。主回路控制器采用临界振荡法来确定其参数，并且经过多次调节其参数整定之后取得的参数为Kp=，Ti=195,TD =10,当设定值为50时，系统相应的阶跃响应曲线如下图所示。图 串级控制控制系统的阶跃响应曲线经过对上图的观察，当锅炉工作稳定而且给水无扰动时，串级控制方案的超调量为25%，响应时间为450s,均比较小，可以满足系统的要求。在蒸汽干扰可以测量的情况下，构成前馈串级的三冲量控制系统，其仿真框图如所示，经过控制器的参数整定为DGm3KD=,Gff=(10s+1)/(6s+1)。图 三冲量锅炉汽包串级控制系统仿真图当系统稳定运行在1000s时突加一大小为供气量10%的蒸汽干扰，系统的响应曲线如下图所示。图 控制系统在干扰作用下的阶跃响应曲线图第四章 总结在本设计中，我们针对锅炉汽包水位三冲量控制系统, 提出了控制系统设计原则与要求,将串级三冲量PID控制技术应用到给水控制系统,提高了给水调节系统的可靠性。从仿真模拟结果可以看出, 三冲量串级给水控制系统可以及时消除蒸汽量变化和给水流量波动的干扰, 快速地控制汽包水位使之达到稳定运行的要求, 而且该具有较高的调节质量和调节精度, 能够保障机组的安全稳定运行, 从而延长了锅炉的使用寿命。对于大型设备的工业生产过程中，汽包水位是锅炉安全运行的重要参数之一，三冲量的引进很好地避免了“虚假水位”对水位控制的影响。而且通过仿真软件的仿真，可以系统地对锅炉汽包水位控制系统进行研究，并且设计出更加准确的PID控制参数。经过一周紧张的课程设计，我们终于把锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真设计弄完了，虽然设计不太复杂，但是对于我们来说，对于MATLAB的掌握与之操作就是一个难点。所以需要我们认真地去做和仔细查阅资料，这样才会设计出而且对于该更加的完美的控制系统的仿真设计。由于该控制系统仿真在工业生产过程中占有重要的地位，所以对该课程设计的学习对于我们来说是相当重要的，而且对于我们日后工作也会有一定的帮助。参考文献1 李国勇,谢克明等编著.控制系统数字仿真与CAD.北京:清华大学出版社，20072 张晓华.控制系统数字仿真与CADM.2版.北京：机械工业出版社，20053 黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M.2版.北京：国防工业出版社，20014 刘元杨.自动检测和过程控制M.北京：冶金工业出版社，20055 胡寿松.自动控制原理M.北京：科学出版社，20056 何离庆.过程控制系统与装置M.重庆：重庆大学出版社，20037 林德杰.过程控制仪表及控制系统M. 北京：机械工业出版社，20058 徐兵.过程控制M.北京：机械工业出版社，20069 邵裕森，等.过程控制工程M.北京：机械工业出版社，200610 蒋慰孙，余金寿.过程控制工程M.2版.北京：中国石化出版社，200411 J斯特纳森.工业自动化及过程控制M.北京：科学出版社，200512 陈夕松.汪木兰过程控制系统M.北京：科学出版社，2005