鍋爐汽包水位串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：鍋爐汽包水位串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(guò)程中必不可少的重要?jiǎng)恿υO(shè)備。鍋爐往往成了不少工廠不可或缺的一部分。因而，對(duì)鍋爐設(shè)備中的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究是必要的。 鍋爐是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中重要的動(dòng)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(duì)鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理往往會(huì)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(jiàn)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(guò)高或者過(guò)低的后果都非常嚴(yán)重，因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)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(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)某一整定規(guī)則來(lái)確定的，能進(jìn)行在線調(diào)整，以適應(yīng)鍋爐汽包水位這樣一個(gè)復(fù)雜多變的控制系統(tǒng)。 本文應(yīng)用控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種三沖量PID控制器，對(duì)鍋爐汽包水位進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了鍋爐汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。并利用 MATLAB對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)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(shí)對(duì)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.3 2.1 汽包水位的動(dòng)態(tài)特性.3 2.2 各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性.3 2.2.1 給水流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.3 蒸汽流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性.43、串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)7 3.1 鍋爐給水設(shè)備及管路連接.7 3.2串級(jí)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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理8 3.2.3 串級(jí)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(jí)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(jì).134、串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真15 4.1 MATLAB概述.15 4.2 串級(jí)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(xiàn)26附錄27致謝28引言電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)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(dòng)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(guò)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(dòng)在允許范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，汽包水位是影響整個(gè)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來(lái)實(shí)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)：?jiǎn)螞_量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)方式，采用主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。兩調(diào)節(jié)器任務(wù)分工明確，整定相對(duì)容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場(chǎng)多采用此控制方式。在串級(jí)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(jì)的對(duì)象是確定的，所以只有對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計(jì)算方法和工程整定方法，理論計(jì)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(dòng)態(tài)特征，通過(guò)理論計(jì)算求得調(diào)節(jié)器的動(dòng)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(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的目的是采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運(yùn)行，并通過(guò)MATLAB仿真，證明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)外擾動(dòng)，實(shí)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(diǎn)而成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域最廣泛使用的能量，從而成為人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中時(shí)刻不能離開(kāi)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(guó)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(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng).電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)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(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過(guò)高會(huì)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(guò)低又將破壞部分水冷壁的水

10、循環(huán)，引起水冷壁局部過(guò)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(yùn)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(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。給水自動(dòng)調(diào)節(jié)也叫水位自動(dòng)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(guò)高會(huì)影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過(guò)熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故。水位過(guò)低，則會(huì)破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。所以，正常運(yùn)行時(shí)汽包水位應(yīng)在給

11、定值的15mm上下范圍波動(dòng)。(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(yùn)行。上述兩個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無(wú)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(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)。第二章給水被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性水位調(diào)節(jié)對(duì)象是沒(méi)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(dòng)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(duì)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(duì)水位的影響。鍋爐水位調(diào)節(jié)對(duì)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(duì)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(guò)熱器；7-蒸汽管給水調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指各種擾動(dòng)下的汽包水位隨時(shí)間變化的特性。當(dāng)擾動(dòng)為階躍擾動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性稱為階躍響應(yīng)曲線。2.2 各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性2.2.1 給水流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性圖2-2為給水量擾動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，曲線2為非沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性。圖2-2 給水量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可表示為：其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一

13、個(gè)慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)或串聯(lián)的兩種形式。其擾動(dòng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2-3所示，可近似認(rèn)為是一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)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(dòng)傳遞函數(shù)方框圖2.2.2 蒸汽流量擾動(dòng)下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性蒸汽流量擾動(dòng)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(shí)跟上）時(shí)，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?yàn)槠菬o(wú)自平衡對(duì)象，所以水位的變化曲線應(yīng)如圖中曲線H1所示：實(shí)際上當(dāng)蒸發(fā)量突然增加時(shí)，在汽水循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)強(qiáng)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(shí)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(guò)程如圖中曲線H2所示。水位實(shí)際變化曲線是H1和H2 之和。 圖2-4 蒸汽流量擾動(dòng)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(shí)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(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，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(shí)，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(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在24分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)

15、荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來(lái)了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。從各種擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性可估計(jì)到水位調(diào)節(jié)的一些缺點(diǎn)：由于存在延遲，等到水位偏離規(guī)定值后再去進(jìn)行調(diào)節(jié)，水位必然會(huì)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(shí)，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(lái)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(kāi)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(lái)調(diào)節(jié)給水量，將會(huì)擴(kuò)大鍋爐進(jìn)出流量的不平衡，使水位波動(dòng)加劇，實(shí)際工作中應(yīng)當(dāng)防止和避免。第三章 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)閥門允許通過(guò)100%負(fù)荷的給水量；#3門是旁路給水調(diào)節(jié)閥，允許通過(guò)25%30%左右負(fù)荷的給水量。為了防止調(diào)節(jié)閥全閉時(shí)漏流，各條管路上都安裝了電動(dòng)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(dòng)截門#7。此外還裝有鍋爐點(diǎn)火時(shí)省煤器用再循環(huán)門和事故放水電動(dòng)截止門#8和#9。3.2串級(jí)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(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高，會(huì)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(guò)多，導(dǎo)致過(guò)熱器管壁結(jié)垢而被燒壞，也使過(guò)熱蒸汽溫度急劇變化，直接影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。汽包水位過(guò)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(dòng)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(dòng)。汽包水位H是

18、汽包中儲(chǔ)水量和水面下汽包容積的綜合體現(xiàn)，不僅受汽包儲(chǔ)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(dòng)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(duì)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(dòng)，前者來(lái)自調(diào)節(jié)側(cè)，稱為內(nèi)擾，后者來(lái)自負(fù)荷側(cè)，稱為外擾。3.2.2 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作原理國(guó)產(chǎn)300MW火力發(fā)電機(jī)組大型汽包鍋爐的控制對(duì)象具有給水內(nèi)擾動(dòng)態(tài)特性延遲和慣性大的特點(diǎn)，且無(wú)自平衡能力，給水流量波動(dòng)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(duì)象在蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)（外擾）時(shí)，存在“虛假水位”現(xiàn)象，應(yīng)此在擾動(dòng)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(jìn)、出流量的不平衡。因此應(yīng)采用以蒸汽流量D為前饋信號(hào)的前饋控制，從而能夠根據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以改善蒸汽負(fù)荷擾動(dòng)下的水位控制品質(zhì)。串級(jí)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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖這個(gè)系統(tǒng)有三個(gè)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(duì)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(duì)象。這個(gè)系統(tǒng)中使用了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級(jí)控制

20、系統(tǒng)。為保證被調(diào)量無(wú)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(gè)輸入信號(hào)，信號(hào)之間有靜態(tài)配合問(wèn)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(hào)并不要求與給水流量信號(hào)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(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。3.2.3 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖 下圖為串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的SAMA圖：圖4-3 串級(jí)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(hào)與其輸入信號(hào)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從理論上說(shuō)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(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)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(wú)差。積分作用可以實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)，積分作用才停止變化，這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，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(hào)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(hào)的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無(wú)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(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)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(shí)在對(duì)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(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。（2）要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時(shí)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(shí)主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。3.4 串級(jí)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(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè)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(gè)比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)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(bǔ)償“虛假水位”現(xiàn)象。下面分別對(duì)它們進(jìn)行參數(shù)整定。副回路可看作一個(gè)隨動(dòng)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(duì)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(shí)間。調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間 都應(yīng)該取得很小，給水流量信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)的分壓系數(shù)、 一般均取為1。當(dāng)給水被控對(duì)象“虛假水位”嚴(yán)重時(shí)，需加大蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以改善控制過(guò)程品質(zhì)，此時(shí)可取，并通過(guò)試驗(yàn)來(lái)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(dòng)，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(gè)PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 （3-2）副回路的對(duì)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(shí)間都可以整定得很小，實(shí)際應(yīng)用中，、可通過(guò)試驗(yàn)獲得；因此副回路也是整定和的問(wèn)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(gè)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(duì)象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等效調(diào)節(jié)器。若： 也是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器。 （3-3）和為已知，所以回路只要整定、和的問(wèn)題，用以下經(jīng)驗(yàn)公式整定： 所以 由式（3-2）和式（3-3）兩式可知：即當(dāng)增加時(shí)，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強(qiáng)，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(jì) 前饋通路的簡(jiǎn)化圖見(jiàn)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(bǔ)償條件為： （3-4）若前饋通路的設(shè)計(jì)只考慮靜態(tài)補(bǔ)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(shí)，值大，反之值小。負(fù)號(hào)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(kāi)始變化時(shí)，為使蒸汽流量信號(hào)更好地補(bǔ)償虛假水位現(xiàn)象，改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程的質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號(hào)大大高于給水流量信號(hào)，即令。這時(shí)有 若，則 第四章 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真4.2 串級(jí)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(shí)，開(kāi)方器輸出0100mA調(diào)節(jié)器輸出從010mA變化時(shí)，閥門開(kāi)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(dòng)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(lái)分析，由于執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥和都可以認(rèn)為是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，將第四章圖4-4中的KZ、看作被控對(duì)象，這樣副回路由調(diào)節(jié)器和廣義被控對(duì)象K=KZ組成，所以可進(jìn)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(yàn)法，將、取的很小，一般情況下積分時(shí)間，試探過(guò)程中，可以任意設(shè)置值，就可以得到一個(gè)滿意的比例帶值:=副回路SINMULINK結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見(jiàn)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(dòng)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(gè)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(guò)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(jiàn)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(duì)水位，也就是期望達(dá)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(dá)到穩(wěn)定值1，但是并不理想，這是因?yàn)槲覀冊(cè)谡ㄖ骰芈返臅r(shí)候把等效副回路 中的給水流量信號(hào)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(jìn)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(jìn)行參數(shù)整定的時(shí)候，為了不降低副回路控制過(guò)程的快速性，同時(shí)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(wú)靜差，給水流量信號(hào)的分壓系數(shù)一般都取為1。動(dòng)態(tài)性能分析：穩(wěn)態(tài)是控制系統(tǒng)能夠運(yùn)行的首要條件，因此只有當(dāng)動(dòng)態(tài)過(guò)程收斂時(shí)，研究系統(tǒng)的動(dòng)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(jì)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(shí)間：響應(yīng)曲線第一次到達(dá)其終值一半所需的時(shí)間=25s上升時(shí)間：響應(yīng)從終值10%上升到終值90%所需的時(shí)間=40s峰值時(shí)間：響應(yīng)超過(guò)其終值到達(dá)第一個(gè)峰值所需的

30、時(shí)間=77s調(diào)節(jié)時(shí)間：響應(yīng)到達(dá)并保持在終值內(nèi)所需的時(shí)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并分析在各種擾動(dòng)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(dòng)下，系統(tǒng)的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖和仿真圖，從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量G，水位應(yīng)該立即上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至先下降后再上升，而仿真曲線說(shuō)明了系統(tǒng)在克服了給水量擾動(dòng)下的水位變化特性，系統(tǒng)在給水流量擾動(dòng)下能回到期望水位0，（這里表示給水流量擾動(dòng)下的相對(duì)水位）所以系統(tǒng)的的性能良好。

31、圖4-10 給水流量擾動(dòng)下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-11 給水量擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)，在汽水循環(huán)回路中的蒸發(fā)強(qiáng)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(shí)燃料量M還來(lái)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(dòng)一樣，在經(jīng)歷了一段的波動(dòng)后，回到了期望值，并逐漸趨于平穩(wěn)。圖4-12 蒸汽流量擾動(dòng)下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖圖4-13 蒸汽流量擾動(dòng)下水位變化仿真圖串級(jí)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(jí)三沖量系統(tǒng)的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖串級(jí)三沖量系統(tǒng)的仿真圖如圖5-15所示：圖4-15 串級(jí)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(shuō)明參數(shù)整定合理，符合設(shè)計(jì)要求。4.3仿真結(jié)果分析在上述的設(shè)計(jì)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(bǔ)償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動(dòng)是內(nèi)擾，串級(jí)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(jí)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(dòng)時(shí)，汽包水位變化，系統(tǒng)立刻通

33、過(guò)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(dòng)作，進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而消除未進(jìn)入副回路的擾動(dòng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)保持汽包水位等于原來(lái)設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行。前饋控制是將擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，它是按擾動(dòng)進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動(dòng)補(bǔ)償”。由自動(dòng)控制原理知道，擾動(dòng)補(bǔ)償屬于開(kāi)環(huán)控制。前饋控制對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無(wú)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(duì)于可以測(cè)量的擾動(dòng)作用進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對(duì)象與擾動(dòng)通道的特性。從仿真效果可知，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)對(duì)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高，會(huì)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(guò)多，導(dǎo)致過(guò)熱器管壁結(jié)垢