鍋爐汽包水位串級三沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）論文（設(shè)計）題目：鍋爐汽包水位串級三沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計摘 要 鍋爐是化工、煉油、發(fā)電、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。鍋爐往往成了不少工廠不可或缺的一部分。因而，對鍋爐設(shè)備中的自動控制系統(tǒng)進行分析研究是必要的。 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的動力設(shè)備。鍋爐水位控制系統(tǒng)是鍋爐生產(chǎn)控制系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)，對鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理往往會引起事故。這些事故中大部分是由于鍋爐水位控制不當(dāng)引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性；汽包水位過高或者過低的后果都非常嚴(yán)重，因此對汽包水位必須進行嚴(yán)格控制。 汽包水位的控制大多采用PID控制方式，PID控制器參數(shù)

2、的整定是在獲取對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定規(guī)則來確定的，能進行在線調(diào)整，以適應(yīng)鍋爐汽包水位這樣一個復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)。 本文應(yīng)用控制技術(shù)，設(shè)計了一種三沖量PID控制器，對鍋爐汽包水位進行控制，實現(xiàn)了鍋爐汽包水位的自動調(diào)節(jié)。并利用 MATLAB對控制系統(tǒng)進行仿真；結(jié)果表明，PID控制技術(shù)響應(yīng)速度快、精度高，同時對虛假水位有較好的控制效果。關(guān)鍵詞：PID控制；MATLAB；仿真；鍋爐汽包水位 TitleAbstract The boiler is the Power Plant that the whole factory,.Segment that the boiler water lev

3、el control system is the most significant in the boiler.The traditional control mode of the drum water level mostly uses PID.PID tuning parameters to obtain the object is based on the mathematical model,based on a tuning rules to determine,on-line can be adjusted to suit the boiler drum level contro

4、l such a complex system.In this paper,control technology,the design of a three impulse PID on boiler drum level control to achieve the automatic adjustment of boiler feed water.And control systems using MATLAB simulating;results show,PID technology,fast response,high accuracy,while false water level

5、 has good control effect.Keyword:PID;MATLA;boiler feed water;simulating目 錄 1、概述 .12、給水被控對象的動態(tài)特性.3 2.1 汽包水位的動態(tài)特性.3 2.2 各種擾動下水位變化的動態(tài)特性.3 2.2.1 給水流量擾動下對象的動態(tài)特性.3 蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性.43、串級三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計7 3.1 鍋爐給水設(shè)備及管路連接.7 3.2串級三沖量給水控制系統(tǒng).7 3.2.1 給水控制系統(tǒng)概況7 3.2.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理8 3.2.3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖9 3.3 調(diào)節(jié)器的

6、選擇.10 3.4 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定.10 3.4.1 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定.10 3.4.2 前饋通路的設(shè)計.134、串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真15 4.1 MATLAB概述.15 4.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真.15副回路的仿真16主回路的仿真17外擾下的仿真分析20 4.3仿真結(jié)果分析.235、結(jié) 論.25參考文獻26附錄27致謝28引言電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。其中，汽包鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動的方式加以控制，在不需要操作人員干預(yù)的情況下，可以很好的完成生產(chǎn)過程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率

7、。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。只有保證汽包水位的波動在允許范圍內(nèi)，才能實現(xiàn)機組安全經(jīng)濟運行。因此，汽包水位是影響整個機組安全經(jīng)濟運行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實現(xiàn)汽包水位的控制。 目前工業(yè)汽包鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，串級三沖量調(diào)節(jié)方式，采用主、副兩個調(diào)節(jié)器。兩調(diào)節(jié)器任務(wù)分工明確，整定相對容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時給水流量信號與蒸汽流量信號完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場多采用此控制方式。在串級控制系統(tǒng)中，參數(shù)的整定也是非常重要的，

8、由于在系統(tǒng)中所設(shè)計的對象是確定的，所以只有對調(diào)節(jié)器進行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標(biāo)，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特征，通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設(shè)定值；而工程整定法，則是源于理論分析，結(jié)合實驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計中體現(xiàn)。本設(shè)計的目的是采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運行，并通過MATLAB仿真，證明所設(shè)計的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)外擾動，實現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。 第一章 概 述電能由于其固有的優(yōu)點而成為國民經(jīng)濟各領(lǐng)域最廣泛使用的能量，從而成為人類社會生產(chǎn)和生活中時刻不能離開的二次

9、能源。熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分,我國的火力發(fā)電占70%左右，目前的大型燃煤電廠都已經(jīng)有了非常先進的自動控制系統(tǒng).電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。從系統(tǒng)角度看，現(xiàn)代工業(yè)鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1-1：鍋爐汽包水位是鍋爐安全運行的一個主要參數(shù)，水位過高會使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水

10、循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運行.隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以大大減輕運行人員的勞動強度，保證鍋爐的安全運行。給水自動調(diào)節(jié)也叫水位自動調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是：(1)維持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)于蒸發(fā)量。水位過高會影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時會導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機葉片結(jié)垢，造成事故。水位過低，則會破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。所以，正常運行時汽包水位應(yīng)在給

11、定值的15mm上下范圍波動。(2)保持給水量穩(wěn)定。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運行。上述兩個任務(wù)中，第一個任務(wù)尤為重要。實踐證明，無論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟，其最有效的方法是實現(xiàn)給水自動調(diào)節(jié)。第二章給水被控對象的動態(tài)特性水位調(diào)節(jié)對象是沒有自平衡能力的，而影響汽包水位變化的因素主要有：蒸汽流量D,給水量W，爐膛熱負(fù)荷（燃料量M）,汽包壓力P等。2.1 汽包水位的動態(tài)特性影響汽包水位變化的因素很多，主要有燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是非常緩慢的，比較容易克服。因此，我們主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對象

12、的原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 給水調(diào)節(jié)對象結(jié)構(gòu)圖1-給水母管；2-調(diào)節(jié)閥；3-省煤器；4-汽包；5-管路；6-過熱器；7-蒸汽管給水調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指各種擾動下的汽包水位隨時間變化的特性。當(dāng)擾動為階躍擾動時，對象的動態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。2.2 各種擾動下水位變化的動態(tài)特性2.2.1 給水流量擾動下對象的動態(tài)特性圖2-2為給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線。圖2-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性，曲線2為非沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性。圖2-2 給水量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)可表示為：其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一

13、個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。其擾動傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。圖2-3 給水?dāng)_動傳遞函數(shù)方框圖2.2.2 蒸汽流量擾動下對象的動態(tài)特性蒸汽流量擾動下水位的階躍起反應(yīng)曲線如圖2-4所示。當(dāng)蒸汽流量突然增加（假定供熱量及時跟上）時，鍋爐的蒸發(fā)量大于給水流量，汽包的貯水量應(yīng)等速下降，又因為汽包是無自平衡對象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線H1所示：實際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強度也將成比例的增大，使汽水混合物中汽泡的容積增大；又因爐膛內(nèi)的發(fā)熱量并不能及時增加，從而使汽包壓力不斷下降，降低了飽和溫度，促使蒸發(fā)速度

14、加快，汽泡膨脹，加大了汽水混合物的總體積，使水位變化過程如圖中曲線H2所示。水位實際變化曲線是H1和H2 之和。 圖2-4 蒸汽流量擾動下水位階躍響應(yīng)曲線H1-只考慮貯水量變化的水位反應(yīng)曲線；H2-只考慮水面下汽泡容積變化的水位反應(yīng)曲線；H-實際水位反應(yīng)曲線（H=H1+H2）兩曲線的疊加，即圖中的曲線H，由圖可知，負(fù)荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)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(fù)

15、荷突然減小時（如汽輪機甩負(fù)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(fù)荷達到的最低值的時間基本相同。汽輪機甩負(fù)荷擾動下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)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(fù)荷的一次變動量及負(fù)荷變化速度加以限制。從各種擾動下水位的動態(tài)特性可估計到水位調(diào)節(jié)的一些缺點：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進行調(diào)節(jié)，水位必然會有較大的變化（尤其是水位反應(yīng)快的鍋爐），水位的偏差也大；在負(fù)荷變化時，由于“虛假水位”現(xiàn)象，水位將迅速變化，這種變化幅度不可能用調(diào)節(jié)給水量來減小。為維持水位在允許的范圍內(nèi)，必須限制負(fù)荷的

16、一次改變量和負(fù)荷變化速度；在負(fù)荷變化后的開始階段，給水流量和負(fù)荷的變化方向相反，如果忽視“虛假水位”現(xiàn)象的存在，盲目根據(jù)“水位”來調(diào)節(jié)給水量，將會擴大鍋爐進出流量的不平衡，使水位波動加劇，實際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。第三章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計3.1 鍋爐給水設(shè)備及管路連接典型的鍋爐給水母管連接如圖3-1所示。圖3-1 母管制鍋爐給水系統(tǒng)示意圖在圖3-1中，#1門是主給水調(diào)節(jié)閥，#2門是備用主給水調(diào)節(jié)閥，這兩個閥門允許通過100%負(fù)荷的給水量；#3門是旁路給水調(diào)節(jié)閥，允許通過25%30%左右負(fù)荷的給水量。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時漏流，各條管路上都安裝了電動截止門#4，#5和#6。為了檢修方便

17、，在主給水管路上又安裝了總的電動截門#7。此外還裝有鍋爐點火時省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動截止門#8和#9。3.2串級三沖量給水控制系統(tǒng)3.2.1 給水控制系統(tǒng)概況鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負(fù)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。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口的蒸汽水分含量過多，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。汽包水位過低，可能破壞鍋爐水循環(huán)，導(dǎo)致水冷壁管被燒壞。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)地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

18、汽包中儲水量和水面下汽包容積的綜合體現(xiàn)，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流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力、爐膛熱負(fù)荷等，其對水位的影響各不相同。其中給水流量和蒸汽流量是影響汽包水位的2種主要擾動，前者來自調(diào)節(jié)側(cè)，稱為內(nèi)擾，后者來自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。3.2.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理國產(chǎn)300MW火力發(fā)電機組大型汽包鍋爐的控制對象具有給水內(nèi)擾動態(tài)特性延遲和慣性大的特點，且無自平衡能力，給水流量波動較大，因此，應(yīng)采用三沖量給水控制系統(tǒng)方案。另外，控制對象在蒸汽負(fù)荷擾動（外擾）時，存在“虛假水位”現(xiàn)象，應(yīng)此在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流

19、量向與負(fù)荷變化相反的方向變化，加劇了鍋爐的進、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(yán)重程度來適當(dāng)加強蒸汽流量信號的作用強度，以改善蒸汽負(fù)荷擾動下的水位控制品質(zhì)。串級三沖量給水控制系統(tǒng)的原理圖如圖3-2和所示。圖3-2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖這個系統(tǒng)有三個回路，為副回路，包括給水量W、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器放大系數(shù)、閥門系數(shù)、給水流量變送器斜率和給水流量分壓系數(shù)；為主回路，包括水位被控對象、水位變送器斜率、主調(diào)節(jié)器和副回路；位前饋通路，包括蒸汽流量變送器斜率和蒸汽流量分壓系數(shù)、副回路和被控對象。這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控制

20、系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。3.2.3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖 下圖為串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖：圖4-3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖3.3 調(diào)節(jié)器的選擇調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關(guān)系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，也就是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)

21、規(guī)律。比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差。積分作用可以實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化，這表明系統(tǒng)達到再次穩(wěn)定狀態(tài)時，被調(diào)量的偏差必然為零.微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用。比例作用貫徹于整個調(diào)節(jié)過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期，用于消除靜態(tài)偏差，微分調(diào)節(jié)作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。主、副回路

22、調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則：（1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。（2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。（3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定的要求，這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。3.4 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定3.4.1 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個調(diào)節(jié)器，一般用試探法整定副回路的和。主回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗公式進行整定；前饋通路的選擇是基于“虛假水位

23、”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現(xiàn)象。下面分別對它們進行參數(shù)整定。副回路可看作一個隨動系統(tǒng)，如圖3-4所示。圖3-4 副回路等效圖把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。若采用型如的調(diào)節(jié)規(guī)律，則 （3-1）式中-副調(diào)節(jié)器比例帶； -副調(diào)節(jié)器積分時間。調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間 都應(yīng)該取得很小，給水流量信號和蒸汽流量信號的分壓系數(shù)、 一般均取為1。當(dāng)給水被控對象“虛假水位”嚴(yán)重時，需加大蒸汽流量信號的作用強度，以改善控制過程品質(zhì)，此時可取，并通過試驗來減小，/ 最好為整數(shù)（一般為2，即=0.5）。由于內(nèi)回路快速隨動，故副調(diào)節(jié)器也可用純比例型調(diào)節(jié)器。 式（3-1）

24、表明，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 （3-2）副回路的對象為，可近似為比例環(huán)節(jié)，所以調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都可以整定得很小，實際應(yīng)用中，、可通過試驗獲得；因此副回路也是整定和的問題，一般也用試探法求得。主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上的。它的示意圖如圖3-5所示，其中為等效副回路。圖3-5 主回路等效圖把看成是被控對象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等效調(diào)節(jié)器。若： 也是一個PI調(diào)節(jié)器。 （3-3）和為已知，所以回路只要整定、和的問題，用以下經(jīng)驗公式整定： 所以 由式（3-2）和式（3-3）兩式可知：即當(dāng)增加時，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強，反之相反。

25、一般取=1，則只需整定、和。則有 3.4.2 前饋通路的設(shè)計 前饋通路的簡化圖見圖4-6，通路中的選擇是基于“虛假水位”情況而定的。圖3-6 前饋通路等效圖前饋通路中完全補償條件為： （3-4）若前饋通路的設(shè)計只考慮靜態(tài)補償，且與的靜態(tài)比值為一常數(shù)，則有：其中是虛假水位現(xiàn)象決定的常數(shù)，虛假水位現(xiàn)象嚴(yán)重時，值大，反之值小。負(fù)號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。由式（3-4）可得量的關(guān)系在負(fù)荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好地補償虛假水位現(xiàn)象，改善負(fù)荷擾動時調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令。這時有 若，則 第四章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真4.2 串級三沖量給水控制

26、系統(tǒng)的仿真系統(tǒng)參數(shù)：給水流量傳函 ： 蒸汽流量傳函 ： 負(fù)荷從0100t/h變化時，開方器輸出0100mA調(diào)節(jié)器輸出從010mA變化時，閥門開度變化0%100%，即執(zhí)行器放大系數(shù) 。閥門系數(shù)=2 t/h/%，給水量及蒸汽流量變送器斜率= 0.083V/t/h，水位變送器：在最大的水位波動范圍mm內(nèi)，變送器輸出電壓是010V，所以，水位變送器斜率=0.033（V/mm）4.2.1副回路的仿真由第三章的分析結(jié)果可知，可以把副回路作為一般的回路來分析，由于執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥和都可以認(rèn)為是一個比例環(huán)節(jié)，將第四章圖4-4中的KZ、看作被控對象，這樣副回路由調(diào)節(jié)器和廣義被控對象K=KZ組成，所以可進一步等效為

27、圖5-1：圖4-1 等效方框圖由圖我們可以算得：=10210.083=1.6根據(jù)經(jīng)驗法，將、取的很小，一般情況下積分時間，試探過程中，可以任意設(shè)置值，就可以得到一個滿意的比例帶值:=副回路SINMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖4-2和圖4-3。圖4-2 副回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-3 副回路的仿真圖由仿真曲線可知，將副回路整定成快速隨動系統(tǒng)。4.2.2主回路的仿真主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上的。它的示意圖如圖5-4所示，其中為等效副回路。圖4-4 主回路等效圖根據(jù)第三章的參數(shù)整定過程，帶入數(shù)據(jù)可以求得： 主回路SINMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖4-5和圖4

28、-6。圖4-5 主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-6 主回路的仿真圖上圖中縱坐標(biāo)的表示相對水位，也就是期望達到的穩(wěn)定水位，這里穩(wěn)定值設(shè)為1。從主回路SIMULINK仿真圖可以看出，雖然仿真曲線最終能達到穩(wěn)定值1，但是并不理想，這是因為我們在整定主回路的時候把等效副回路 中的給水流量信號的分壓系數(shù)的值取為了0.5，所以下面用試探法修改參數(shù)，并進行仿真。修改參數(shù)后主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖如圖4-7所示：圖4-7 主回路的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖修改參數(shù)后的主回路仿真圖如圖5-8所示：圖4-8 主回路的仿真圖修改參數(shù)后的主回路的仿真曲線是一波半，顯示出很好的控制特性，并能穩(wěn)定在穩(wěn)定值1，這是因

29、為在進行參數(shù)整定的時候，為了不降低副回路控制過程的快速性，同時要減小副調(diào)節(jié)器的比例帶 ，為了配合方便，/ 最好為整數(shù)（一般為2，即=0.5），而在一般情況下，若要求在負(fù)荷不變的情況下，水位無靜差，給水流量信號的分壓系數(shù)一般都取為1。動態(tài)性能分析：穩(wěn)態(tài)是控制系統(tǒng)能夠運行的首要條件，因此只有當(dāng)動態(tài)過程收斂時，研究系統(tǒng)的動態(tài)性能才有意義。從圖4-8可看出，系統(tǒng)能夠收斂于固定值，所以我們計算下圖的性能指標(biāo)。圖4-9 主回路仿真圖從圖4-9可知：延遲時間：響應(yīng)曲線第一次到達其終值一半所需的時間=25s上升時間：響應(yīng)從終值10%上升到終值90%所需的時間=40s峰值時間：響應(yīng)超過其終值到達第一個峰值所需的

30、時間=77s調(diào)節(jié)時間：響應(yīng)到達并保持在終值內(nèi)所需的時間=300s超調(diào)量：響應(yīng)的最大偏離量與終值的差與終值比的百分?jǐn)?shù)，即從求得的性能指標(biāo)看，參數(shù)修改后的系統(tǒng)性能要更好。4.2.3外擾下的仿真分析下面對整個系統(tǒng)進行仿真實驗，并分析在各種擾動下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖4-10和4-11分別為在給水流量擾動下，系統(tǒng)的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖和仿真圖，從物質(zhì)平衡的觀點來看，加大了給水量G，水位應(yīng)該立即上升，但實際上并不是這樣，而是經(jīng)過一段遲延，甚至先下降后再上升，而仿真曲線說明了系統(tǒng)在克服了給水量擾動下的水位變化特性，系統(tǒng)在給水流量擾動下能回到期望水位0，（這里表示給水流量擾動下的相對水位）所以系統(tǒng)的的性能良好。

31、圖4-10 給水流量擾動下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-11 給水量擾動下的水位變化仿真圖圖4-12和圖4-13分別為在蒸汽流量擾動下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖和仿真圖，由仿真曲線可以看出，系統(tǒng)在蒸汽流量擾動下存在虛假水位現(xiàn)象被很好的克服。產(chǎn)生虛假水位的原因是由于負(fù)荷增加時，在汽水循環(huán)回路中的蒸發(fā)強度也將成比例的增加，水面下汽泡的容積增加得也很快，此時燃料量M還來不及增加，汽包中汽壓下降，汽包膨脹，使汽泡體積增大而水位上升，同給水?dāng)_動一樣，在經(jīng)歷了一段的波動后，回到了期望值，并逐漸趨于平穩(wěn)。圖4-12 蒸汽流量擾動下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-13 蒸汽流量擾動下水位變化仿真圖串級三沖量系統(tǒng)的

32、SIMULINK結(jié)構(gòu)圖如圖5-14所示：圖4-14 串級三沖量系統(tǒng)的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖串級三沖量系統(tǒng)的仿真圖如圖5-15所示：圖4-15 串級三沖量系統(tǒng)仿真圖從圖中我們可以看出，系統(tǒng)能夠很快的穩(wěn)定于期望的值，并且波形符合一波半，系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，說明參數(shù)整定合理，符合設(shè)計要求。4.3仿真結(jié)果分析在上述的設(shè)計與仿真中，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。當(dāng)水位發(fā)生擾動時，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通

33、過水位變送器將變化量反饋到主調(diào)節(jié)器，使主調(diào)節(jié)器動作，進行調(diào)節(jié)，從而消除未進入副回路的擾動，穩(wěn)態(tài)時保持汽包水位等于原來設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運行。前饋控制是將擾動信號經(jīng)前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，串級三沖量給水控制系統(tǒng)對各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機組的安全穩(wěn)定運行。第五章 結(jié) 論鍋爐的汽包水位能夠間接反映鍋爐蒸汽負(fù)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。汽包水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口的蒸汽水分過多，導(dǎo)致過熱器管壁結(jié)垢