鍋爐給水自動化控制畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　汽包水位是影響鍋爐安全運行的一個重要參數(shù)，汽包水位的過高過低都將影響鍋爐的正常運行，因此對汽包水位必須進行嚴格控制。影響汽包水位的因數(shù)主要有鍋爐蒸發(fā)量、給水量、爐膛負荷、汽包壓力。給水調(diào)節(jié)的任務(wù)就是使汽包水位維持在一個允許范圍內(nèi)。</p><p>　　本文從影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，分析了汽包水位的假水

2、位現(xiàn)象。設(shè)計出低負荷時采用單沖量控制及高負荷時采用三沖量控制給水控制系統(tǒng)，并進行了仿真測試。從而實現(xiàn)鍋爐給水的自動化控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽包水位 單沖量 三沖量</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The drum water level is an essential paramete

3、r for the boiler's safe operation. Both low and high level will influence boiler's normal operation; therefore, it must be controlled seriously. The main factors which will influence the level are the evaporating

4、 capacity of boiler, the capacity of feedwater, the furnace load and the drum pressure. The mission of feedwater regulation is to make the level keep in acceptable ranges.</p><p>　　Based on the analysis of a

5、ll kinds of factors influencing the drum waterlevel, 'false water level phenomenon'is analyzed. Low load adopting single impulse control and high load using three impulse are carried out for the feedwater control

6、 system, and simulation testing is done. Thus, automatic control of boiler feedwater is achieved.Keywords: Drum water level Single impulse Three impulse</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><

7、p>　　1.1選題背景及意義</p><p>　　液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓龊?，常需對容器中液位進行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個機組正常運行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失。可見，在實際生產(chǎn)中，液位控制的準確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)

8、濟效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進的液位控制方法和策略。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實際中的被控對象往往是由多個容積和阻力構(gòu)成的多容對象。兩個串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。</p

9、><p>　　液位控制設(shè)計依賴的自動控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個發(fā)展階段，現(xiàn)在已進入了非線性智能控制理論發(fā)展時期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較完善的理論體系。應用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，各個領(lǐng)域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應速度

10、、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應能力的要求越來越高，應用范圍也更加廣泛。特別是本世紀80年代以來，電子計算機的快速更新?lián)Q代和計算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，并進入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當?shù)难芯?，隨著人們逐漸認識到它的一些優(yōu)點，如對攝動的某種完全適應性，并可用來設(shè)計日益復雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。</p><p&

11、gt;　　人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，因此液位是工業(yè)控制過程中一個重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。由于液位檢測應用領(lǐng)域的不同，性能指標和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機界面，操作人員在監(jiān)控計算機上能根據(jù)控制效果及時修運行

12、參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實時性、安全性。隨著計算機控制技術(shù)應用的普及、可靠性的提高及價格的下降，液位檢測的微機控制必將得到更加廣泛的應用。</p><p>　　1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1過程控制的特點</p><p>　　液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對液位的

13、相關(guān)參數(shù)進行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個，在過程中的作用也不同，這就增加了對過程參數(shù)進行控制的復雜性，或者控制起來相當困難，因此形成了過程控制的下列特點：</p><p><b>　　1)對象存在滯后</b></p><

14、p>　　熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進行，對象的儲存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當流入(流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應，這種現(xiàn)象叫做滯后。</p><p>　　2)對象特性的非線性</p><p>　　對象特性大多是隨負荷變化而變化，當負荷改變時，動態(tài)

15、特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實質(zhì)是極為重要的。</p><p><b>　　3)控制系統(tǒng)較復雜</b></p><p>　　從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計制造都力求生產(chǎn)過程進行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生

16、變化時，對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計相應不同的控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　目前在實際生產(chǎn)中應用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。

17、PID控制是以對象的數(shù)學模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對于簡單的線性、時不變系統(tǒng)，數(shù)學模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學模型不能正確地反映實際系統(tǒng)的特性。對于此類問題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復雜系統(tǒng)。但由于其時滯性很大、具有時變性和非線性等因素，嚴重影響PID控制的效目前，已經(jīng)開發(fā)出

18、來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計算機仿真或?qū)嶒炑b置的驗證上，真正能有效地應用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。</p><p>　　隨著生產(chǎn)水平和科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復雜化，對設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過程高效，安全的進行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對生產(chǎn)過程進行在線監(jiān)測,及時準確地把握生產(chǎn)運行狀況,已成為目前

19、過程控制領(lǐng)域的一個研究熱點。 近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應用非常普遍，從簡單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而控制的概念更是應用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池,污水處理場等都需要液位元的控制.如果能通過一定的系統(tǒng)來自動維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在

20、操作時獲知真?zhèn)€設(shè)備的儲水狀況,如此不但工作人員工作的危險性,同時更提升了工作的效率及簡便性.</p><p>　　液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來講，同國外的日本、美國、德國等先進國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復雜、時變溫度系統(tǒng)控制。而適應于較高控制場合的智能化、自適應控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十

21、分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。</p><p>　　1.2.3液位控制的前景</p>&

22、lt;p>　　在構(gòu)建液位控制系統(tǒng)的過程中，我們得知實際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調(diào)整及改良便是我們?nèi)蘸笏氐囊c。而在完成傳統(tǒng)的PID操作控制系統(tǒng)后，未來我們更將利用Genetic Algorithms 找出最好的參數(shù)并建構(gòu)在液位控制系統(tǒng)。且比較加入智能型控制后的系統(tǒng)與傳統(tǒng) PID是否會有性能上的差異。近年來液位控制系統(tǒng)取得了很大進步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達液位儀、光電液位開關(guān)等，這些控制器

23、利用無線電波的折射及反射原理。光線在兩種介質(zhì)的分接口將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。當被測液體處于高位時則被測液體與光電開關(guān)形成一種分界面，當被測液體處于低位時，則空氣與光電開關(guān)形成另一種分界面。這兩種分接口使光電開關(guān)內(nèi)部光接受晶體所吸收的反射光強度不同，即對應兩種不同的開關(guān)狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。</p><p><b>　　1.3本文研究內(nèi)容</b&g

24、t;</p><p>　　液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個領(lǐng)域都有廣泛的應用。液位控制一般指對某控制對象的液位進行控制調(diào)節(jié)，使其達到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場合都要對液位進行控制，使其高精度、快速度地到達并保持給定的數(shù)值。如在化工生產(chǎn)過程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性將直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民

25、用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水制得當與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。</p><p>　　在本文中，液位控制系統(tǒng)中的鍋爐為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達到更好的控制

26、要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。</p><p>　　本文主要研究內(nèi)容：汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)，水位控制方案 ，給水控制全程實例，MATLAB軟件仿真。</p><p>　　第二章 汽包鍋爐水位控制方案的設(shè)計</p><p>　　鍋爐是重要的動力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，如果水位過高，會破壞汽水分離裝置的正

27、常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。如果水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴重時會造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水位過高過低都可能造成重大事故。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過對給水流量的調(diào)節(jié), 使汽包內(nèi)部的物料達到動態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內(nèi)，保證鍋爐的安全運行，生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿足負荷的需要。</p>&

28、lt;p>　　本設(shè)計控制對象的主要參數(shù)有：</p><p>　　汽包水位控制在：300±10 mm</p><p>　　正常工作時的蒸發(fā)量：35t/h</p><p>　　水位穩(wěn)定時供水量為：35 m3/h</p><p>　　正常工作時汽包蒸汽壓力大約是0.5MP</p><p>　　2.1虛假水位的

29、形成及對策</p><p>　　虛假水位是鍋爐運行時不真實的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當汽包壓力突降時，爐水飽和溫度下降到壓力較低時的飽和溫度，使爐水大量放出熱量來進行蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。當汽包壓力突升時，則相應的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下

30、降，形成虛假水位。</p><p>　　此外當鍋爐內(nèi)熱負荷增加或驟減時，水的比容將增大或減小，也會形成虛假水位。鍋爐負荷突變、滅火、安全門動作、燃燒不穩(wěn)時，都會產(chǎn)生虛假水位。在負荷突然變化時，汽壓也相應變化，這時將會出現(xiàn)虛假水位。負荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機甩負荷，汽壓突然升高，水位將瞬時下降；運行中燃燒突然增強或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時升高或下降；安全閥起座時，由于壓力突然下降

31、，水位瞬時明顯升高；鍋爐滅火時，由于燃燒突然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時下降。</p><p>　　在輸入端引入蒸汽流量信號，設(shè)置水位系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)，于是當蒸汽流量增大時，給水量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的影響。</p><p>　　2.2汽包水位的影響因素</p><p>　　首先應該從分析汽包水位的動態(tài)特性入手。鍋爐給

32、水調(diào)節(jié)對象如圖 2.1所示。給水調(diào)節(jié)機構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量W，汽輪機耗汽量D是由汽輪機閥門開度來控制的。</p><p>　　圖 2.1鍋爐給水調(diào)節(jié)對象</p><p>　　初看起來，汽包水位的動態(tài)特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低[4]。但實際情況并非如此，最突出的一點就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積V是隨著汽包壓力和爐膛熱負荷的變化而

33、變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒有發(fā)生變化，汽包水位也會因此隨之發(fā)生改變從而影響水位的穩(wěn)定。</p><p>　　影響汽包水位H的主要因素有給水量W，汽輪機耗汽量D和燃料量B三個主要因素。</p><p>　?。?）給水擾動的影響</p><p>　　如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個單容水槽，那么水位的給水階躍擾動響應曲線應該為圖

34、2.2所示的曲線H1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和的水溫度，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內(nèi)部的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡的總體積V也就會相應的減小，從而導致水位下降如圖2.2所示的曲線H2所示。水位的實際響應曲線應是曲線H1和 H2之和，如圖2.2所示的曲線H所示。它是一個具有延遲時間的積分環(huán)節(jié)，水的過冷度越大則響應延遲時間就會越長。其傳遞函數(shù)可以近似表示為：</p><p>

35、<b>　　(2.1)</b></p><p>　　式2.1中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時間。</p><p>　　圖2.2給水擾動響應曲線</p><p>　?。?）汽輪機耗汽量擾動的影響</p><p>　　當汽輪機耗汽量D突然做階躍增加時，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降

36、，如圖2.3所示的曲線H1所示，另一方面由于汽輪機耗汽量D的突然增加，將迫使鍋爐內(nèi)汽泡增多，同時由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會導致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積V增大，從而導致汽包水位上升，如圖2.3所示曲線H2所示。水位的實際響應曲線應該是曲線H1和 H2之和，如圖2.3所示曲線H所示。對于大中型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此負荷做階躍增加后的一段時間內(nèi)會出現(xiàn)水位不但沒有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反常現(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)

37、象”?？梢哉J為這是一個慣性加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　式2.2中表示汽包水位對于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象”的延遲時間。</p><p>　　圖2.3汽輪機耗汽量擾動響應曲線</p><p>　?。?）燃料量擾動的影響</p

38、><p>　　燃料量的擾動必然也會引起蒸汽流量D的變化，因此也同樣會有“假水位現(xiàn)象”發(fā)生。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會存儲大量的熱量，因此具有一定的熱慣性。燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時汽壓也會緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動下的“假水位現(xiàn)象”比負荷擾動下要緩和的多。</p><p>　　由以上分析可知道給水量擾動下的水位響應有遲滯性，負荷擾動

39、下的水位響應有“假水位現(xiàn)象”。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對它的控制變得比較復雜和困難。</p><p>　　2.3汽包水位的控制方案設(shè)計</p><p>　　從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號作為反饋量，給水流量作為被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如圖2.4所示，這是一個基本的控制方案其方框圖如圖2.5所示。對于小容量鍋爐來說由于它的儲水容

40、量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延遲和假水位現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來控制汽包水位。但對于大中型鍋爐來說這種控制方案就不能滿足控制要求，因為汽輪機蒸汽量的負荷擾動引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作，導致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴重的影響設(shè)備的運行壽命和安全，所以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)，必須尋找其他的解決辦法來控制汽包水位。</p>

41、<p>　　圖2.4汽包水位單沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.5汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　如果從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠等于蒸汽蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖2.6所示的蒸汽流量隨動控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，使汽輪機的蒸汽量作為系統(tǒng)的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個以蒸汽量作為給定的隨

42、動系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.6蒸汽流量隨動控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.7蒸汽流量隨動控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　采用該方案的優(yōu)點是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大小只取決于汽輪機的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會引起給水調(diào)節(jié)機構(gòu)的誤動作。但是這個系統(tǒng)對于汽包水位來說只是開環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量

43、和蒸汽量的測量不準確以及鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動使得給水量和蒸汽量并非準確的比值關(guān)系而保持水位恒定。由于水位對于二者的偏差是積分關(guān)系，微小的偏差長時間積累也會形成很大的水位差，因此不宜采用隨動控制系統(tǒng)。</p><p>　　如果把以上所述兩種方案結(jié)合起來，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如圖2.8所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.9所示。雙沖量指的是同時引入兩個測量信號：汽包水位和蒸汽流量。這個系統(tǒng)對以上所分析的兩種方案取長補

44、短，可以極大的提高汽包水位的控制質(zhì)量。當汽輪機耗汽量出現(xiàn)階躍增大時，一方面由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會暫時有所升高，將使調(diào)節(jié)機構(gòu)做出誤動作錯誤的減少給水量；另一方面汽輪機耗汽量的增大又通過比值控制系統(tǒng)指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)增大給水量，實際給水量的增減情況要根據(jù)實際情況通過參數(shù)整定來確定。當假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號都能正確的指揮調(diào)節(jié)機構(gòu)動作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。</p><p>　　

45、圖2.8汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.9汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　此外考慮到給水流量的變化可以通過串級控制的方法讓給水量的擾動通過內(nèi)回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計如圖2.10所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.11所示。即前饋—反饋—串級復合控制系統(tǒng)。該三沖量控制系統(tǒng)包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個控制回路以及一個蒸汽流量前饋通道，實質(zhì)上是蒸汽流

46、量前饋與水位－流量串級系統(tǒng)組成的復合控制系統(tǒng)。串級控制系統(tǒng)的主參數(shù)是汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器是液位調(diào)節(jié)器。一方面可以克服給水擾動，使給水流量自行調(diào)節(jié)，另一方面可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象”。當蒸汽流量發(fā)生變化時，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進水量的大小以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細調(diào)維持汽包水位的穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.10汽包水

47、位三沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.11汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　水位控制系統(tǒng)實例</b></p><p>　　3.1給水全程控制的概述</p><p>　　顧名思義，“給水全程自動控制”是指鍋爐給水全程中部是自動的，即在控制設(shè)備正常的條件下，不需要操作人員的干涉。就能保持汽包水位在

48、允許的范圍內(nèi)。這比常規(guī)給水控制要復雜得多，因此，對給水全程自動控制系統(tǒng)提出以下要求：</p><p>　　(1)實現(xiàn)給水全程控制可以采用改變調(diào)節(jié)門開度，即改變給水管路阻力的方法來改變給水量v也可以采用改變給水泵轉(zhuǎn)速，即改變給水壓力的方法來改變給水量。前一種方法節(jié)流損失大，給水泵的消耗功率多，不經(jīng)濟，故在一被單元機組的大型鍋爐中都采用后一種方法。在給水全程控制系統(tǒng)中不僅要滿足給水量調(diào)節(jié)的要求，同時還要保證給水泵工作

49、在安全工作區(qū)內(nèi)。這往往需要有兩套控制系統(tǒng)來完成、即所謂兩段調(diào)節(jié)G</p><p>　　(2)由于機組在高、低負荷下呈現(xiàn)不同的對象持性，要求控制系統(tǒng)能適應這樣的特性。隨著負荷增長和下降，系統(tǒng)要從單沖量過渡到三沖量，或從三沖量過渡到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問題。并且必須有保證兩套系統(tǒng)相互無擾切換的控制線路。</p><p>　　(3)由于全程控制系統(tǒng)的工作范圍較寬，對各個信號的準確測量

50、提出了更嚴格的要求。</p><p>　　(4)在多種調(diào)節(jié)機構(gòu)的復雜切換過程中，給水全程控制系統(tǒng)都必須保證無干擾。高、低負荷需用不同的調(diào)節(jié)閥門，必須解決切換問題，調(diào)節(jié)閥門的切換伴隨著有關(guān)截門的切換，而裁門的切換過程需要一定的時間，導致了水位保持的困難。在低負荷時采用改變閥門的開度來保持泵的出口壓力，高負荷時用改變調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速保持水位，這又產(chǎn)生了閥門與調(diào)速泵間的過渡切換問題。點火后，升詛升壓過程中，由于鍛爐沒有輸出

51、蒸汽量，給水量及其變化量都很小，此時單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也不十分理想，就需要用開啟閥門的方法(觀位調(diào)節(jié)方式)進行水位調(diào)節(jié)。</p><p>　　(5)給水全程控制還必須適應機組定壓運行和滑壓運行工況，必須適應冷態(tài)啟動和熱態(tài)啟動情況。</p><p>　　3.2全程給水控制實例</p><p>　　下面以600MW單元機組的給水系統(tǒng)為例，介紹全程給水控制系統(tǒng)的運行原理及結(jié)構(gòu)

52、特點。給水控制系統(tǒng)中重要的組成部分為：汽包水位、主蒸汽流量、主給水流量及給水泵的控制?？偟腟AMA圖如下，但是為了方便理解，下面分別介紹每部分的功能及運行原理。 </p><p>　　3.2.1汽包水位的測量及校正</p><p>　　鍋爐從啟動到正常運行的過程中，汽包壓力不斷變化。由于汽包中飽和水及飽和汽水的密度隨壓力變化，影響了汽包水位測量的準確性，因此對于采用差壓原理測量飽和水的系

53、統(tǒng)，必須對壓差信號進行壓力、溫度修正才能代表真正的汽包水位。</p><p>　　差壓式水位計準確測量汽包水位的關(guān)鍵是水位與差壓之間的準確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過平衡容器形成參比水柱來實現(xiàn)的。目前，國內(nèi)外最常用的是通過平衡容器下的參比水柱形成壓差來測量汽包水位的。</p><p>　　差壓水位表式利用比較水柱高度差值的原理來測量汽包水位的，測量時將汽包水位對應的水柱產(chǎn)生的壓強與作為參比的平衡容

54、器中保持不變的水柱所產(chǎn)生的壓強進行比較，比較的基準點是水位表水側(cè)取樣孔的中心線，由于參比水柱的高度是保持不變的，測得的壓差就可以直接反映出汽包中的水位。參比水柱的高度就是平衡容器內(nèi)的水面到水位表水側(cè)取樣孔的中心線。在平衡容器安裝完以后，參比水柱的高度就是一個定值，而用來測量差壓的差壓變送器的量程也就等于參比水柱的高度。</p><p>　　圖3-1汽包水位的測量如下圖所示</p><p>

55、　　ρS?。撸摺∑鼉?nèi)飽和蒸汽密度，汽包壓力的單值函數(shù)</p><p>　　ρW —— 汽包內(nèi)飽和水密度，汽包壓力的單值函數(shù)</p><p>　　ρa —— 單室平衡容器內(nèi)非飽和水密度，它是壓力及溫度的函數(shù)（基準水柱）</p><p>　　L —— 差壓水位計的量程范圍</p><p>　　L yc —— 單室平衡容器引出管中心

56、距</p><p>　　H —— 汽包實際水位</p><p>　　△P —— 單室平衡容器所測量到的差壓</p><p>　　T —— 汽包壓力對應的飽和溫度</p><p>　　Ta ——單室平衡容器內(nèi)非飽和水的溫度</p><p>　　如圖所示，差壓變送器所測差壓：</p>&

57、lt;p>　　△P = （P+L×ρa）— ﹝P+（L－H）×ρS+H×ρW﹞ （3-1）</p><p>　　經(jīng)整理可得：H=﹝L(ρa－ρS) －△P﹞／(ρW－ρS) （3-2）</p><p>　　在上式中，水位計量程L為已知量，是一個常數(shù)，△P為差壓變送器的測量值，ρW、ρS為汽包壓力的單值函數(shù)，通過飽和水及飽

58、和蒸汽性質(zhì)表可查得，在控制中用函數(shù)模塊可以實現(xiàn)。ρa除了受壓力影響外，還和平衡容器的散熱條件與環(huán)境溫度有關(guān)，當汽壓和環(huán)境溫度改變時，其值也是會改變的。因此要對此兩個因素進行補償。</p><p>　　圖3-2 汽包水位的測量及修正</p><p>　　雙測量的處理算法即為圖中的2XMTR，表示的作用是二選一。2XMTR是WDPF中的一個文本算法，它監(jiān)視兩個模擬量變送器的輸入，檢查它們的質(zhì)量

59、以及兩者的偏差。該算法產(chǎn)生的輸出，根據(jù)所選擇的方式，可能是兩個輸入中的任意一個（A或B），也可能是其中的較大者、較小者或兩者的平均值。運行人員可通過WDPF所提供的圖形界面進行選擇。</p><p>　　3.2.2蒸汽流量信號的測量及校正</p><p>　　蒸汽流量為鍋爐出口蒸汽流量，鍋爐出口蒸汽流量是汽輪機入口流量與旁路流量之和。中、小型發(fā)電機組主蒸汽流量測量通常使用標注的節(jié)流元件 —

60、 標準噴嘴即用差壓法測量，但大型發(fā)電機組由于蒸汽流量大、管徑大，不僅要求噴嘴體積大，制造且安裝等的要求也高。因此不宜采用此方法測量流量。</p><p>　　弗留格流量計算公式是目前應用于蒸汽流量計算中較為普遍的方法。其測量原理是：當多級汽輪機各級組內(nèi)的級數(shù)足夠多時，各級組前蒸汽壓力、溫度與級組蒸汽的流量可以有如下關(guān)系：</p><p>　　D = f(P1)× （3-3）

61、</p><p>　　其中T1 為調(diào)速級溫度，T０1為額定工況下的調(diào)速級溫度，P1是調(diào)速級的壓力。</p><p>　　圖3-3蒸汽流量信號的測量及修正</p><p>　　3.2.3主給水流量信號的測量及校正</p><p>　　由于過熱器噴水減溫器的減溫水流量和再熱器噴水減溫水流量都最終也轉(zhuǎn)換為蒸汽流量，因此，經(jīng)修正后的鍋爐給水流量和過熱

62、器、再熱器的減溫水流量相加，才是主給水流量。本系統(tǒng)經(jīng)過熱器減溫水流量包含一、二級減溫器（每級A、B兩側(cè)）總有四個減溫水流量信號；還有再熱器的減溫水流量信號。</p><p>　　圖3-4給水流量信號的測量及校正</p><p>　　3.2.4 單沖量、三沖量控制圖</p><p>　　圖3-5單沖量三沖量控制切換圖</p><p>　　在低負

63、荷階段只用汽包水位信號來控制，是單沖量控制方式，而在高負荷時采用了三沖量控制方式。汽包水位信號作用于主調(diào)節(jié)器的入口，用以校正水位的偏差。蒸汽流量為前饋信號，作用于副調(diào)節(jié)器的入口，形成前饋控制通道，主要用于克服虛假水位。給水流量信號位于內(nèi)回路閉環(huán)之內(nèi)是反饋信號。</p><p>　　3.2.5給水泵的SAMA圖：</p><p>　　圖3-6 給水泵控制圖</p><p&

64、gt;　　本例是600MW發(fā)電機組，三臺水泵。分別為額定量30%的電動水泵，各為50%的汽動給水泵。電動給水泵一般是作為啟動泵和備用泵，正常運行時用兩臺汽動泵。</p><p>　　在低負荷時電動水泵運行，這時采用的是單沖量控制方式。當負荷升高時，汽動水泵開始運行，這時采用的是三沖量控制方式。當出現(xiàn)異常情況是，切到手動的方式。</p><p>　　手動、手動的切換條件：</p>

65、<p>　　汽包水位偏差大、汽包水位信號燈故障、電泵未運行、電泵入口流量信號故障、三沖量調(diào)節(jié)時，給水流量信號故障、三沖量調(diào)節(jié)時，蒸汽流量信號故障。</p><p>　　3.3 給水全程控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法</p><p>　　3.3.1給水控制系統(tǒng)的整定</p><p>　　給水控制系統(tǒng)包括給水三沖量串級控制系統(tǒng)、結(jié)水單沖量控制系統(tǒng)以及泵出口壓力控制

66、系統(tǒng)，投運時，需對這三個部分分別進行整定。</p><p>　　3.3.2給水三沖量串級控制系統(tǒng)的簽定</p><p>　　系統(tǒng)原型如圖3-7所示，其中有三個互相串聯(lián)的調(diào)節(jié)回路，它們是錄入口流量調(diào)節(jié)回路，(總的)給水量調(diào)節(jié)回路和水位調(diào)節(jié)回路。調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)組件)的整定參數(shù)是根據(jù)對象</p><p>　　的動態(tài)特性來決定的。一般串級控制系統(tǒng)中副回路的調(diào)節(jié)過程比主回路快得

67、多，因此，在副回路受到階躍擾動時，其調(diào)節(jié)過程在較短時間內(nèi)就能結(jié)束，此時，主回路基本上不參加動作c而當主回路進行調(diào)節(jié)時，副回路幾乎起理想隨動作用，即在主回路中副回路可近似看作一個比例環(huán)節(jié)。因此，兩個調(diào)節(jié)器的參數(shù)就可以分別獨立整定。</p><p>　　圖3-7； 給水控制系統(tǒng)原理框</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真</b></p><p>

68、　　4..1 MATLAB軟件基本功能介紹</p><p>　　MATLAB是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算，可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它是數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究，工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序語言的編輯

69、模式。代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點,使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。</p><p>　　4.2 MATLAB 軟件優(yōu)勢</p>

70、<p>　　1）友好的工作平臺和編程環(huán)境</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，

71、人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。 </p><p>　　2）簡單易用的程序語言</p><p>　　Matlab一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫?/p>

72、點。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C＋＋語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C＋＋語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。 </p><p&

73、gt;　　3）強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　　MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而前經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++ 。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)

74、集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。</p><p>　　4）出色的圖形處理功能</p><p>　　MATLAB自產(chǎn)生

75、之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，并且可以對圖形進行標注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動畫和表達式作圖。可用于科學計算和工程繪圖。新版本的MATLAB對整個圖形處理功能作了很大的改進和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對于一些其他軟件所沒有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣

76、表現(xiàn)了出色的處理能力。同時對一些特殊的可視化要求，例如圖形對話等，MATLAB也有相應的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。</p><p>　　5）應用廣泛的模塊集合工具箱</p><p>　　MATLAB對許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強大的模塊集和工具箱。一般來說，它們都

77、是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學習、應用和評估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學研究和工程應用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫接口、概率統(tǒng)計、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識、控制系統(tǒng)設(shè)計、LMI控制、魯棒控制、模型預測、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計、實時快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點仿真、DSP與通

78、訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 </p><p>　　6）實用的程序接口和發(fā)布平臺</p><p>　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學庫和圖形庫，將自己的MATLAB程序自動轉(zhuǎn)換為獨立于MATLAB運行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進行交互的C或C++語言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁服務(wù)程序還容許

79、在Web應用中使用自己的MATLAB數(shù)學和圖形程序。MATLAB的一個重要特色就是具有一套程序擴展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫，每一個工具箱都是為某一類學科專業(yè)和應用而定制的，主要包括信號處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應用。</p><p><b>　　7）應用軟件開發(fā) </b></p><p&

80、gt;　　在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。</p><p>　　4-3單沖量給水控制系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4-1單沖量控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　無自衡能力的廣義

81、過程的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　W0(s) = eτs (4-1)</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： </p><p>　　WT(s) = ( 1+) (4-2)</p><p>　　假設(shè)鍋爐水位對象的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　WD(s) =

82、 (4-3)</p><p>　　利用廣義頻率特性法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：</p><p>　　δ= 1.36ετ= 1.36×0.037×30= 1.5096 (4-4)</p><p>　　TI = 3.3τ= 3.3×30=99 (4-5)</p><

83、p>　　因此比例積分的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　WT(s)= (4-6)</p><p>　　對單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時進行仿真</p><p>　　4-2單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中：step為給定階躍信號，作用為產(chǎn)生一個階躍信

84、號；Gain為閥門系數(shù)；Scope為示波器，作用為顯示仿真結(jié)果。</p><p>　　4-3單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時的仿真曲線圖</p><p>　　4.3.2對單沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量擾動下進行仿真</p><p>　　單沖量給水控制在給水流量擾動下的Simulink結(jié)構(gòu)如圖4-4所示，4-5是仿真圖。</p><p>　　

85、4-4單沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量下的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-5單沖量給水控制系統(tǒng)在給水量擾動下的仿真曲線</p><p>　　4.3.3對單沖量給水控制系統(tǒng)在蒸汽流量擾動下進行仿真</p><p>　　單沖量給水控制在蒸汽流量擾動下的Simulink結(jié)構(gòu)圖中的參數(shù)與前面的介紹是一樣的。只是多了一個干擾通道的傳遞函數(shù)。</p>

86、<p><b>　　傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　WDZ(s) = - = - = (4-7)</p><p>　　單沖量給水控制在蒸汽流量擾動下的Simulink結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，4-7是仿真圖。</p><p>　　4-6單沖量給水控制在蒸汽流量擾動下的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

87、t;　　4-7單沖量給水控制在蒸汽流量擾動下的仿真曲線</p><p>　　從圖4-3可以看出，響應曲線峰值時間大約為80s左右，超調(diào)量大約為50%，調(diào)節(jié)時間在360s，系統(tǒng)能快速穩(wěn)定在相對水位上，有較好的控制特性，但是由于調(diào)節(jié)器參數(shù)是通過理論計算方法整定的，與在工程實際應用中要求的存在一定偏差。</p><p>　　從圖4-5可以看到，此系統(tǒng)能消除內(nèi)繞的影響</p><

88、;p>　　從圖4-7可以看到，第二個峰值比第一個峰幅值大，就是由于虛假水位造成的。</p><p>　　單沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，對于大容量，飛升速度小，負荷變換也不大，控制質(zhì)量要求不高的小容量鍋爐，在低負荷時采用三沖量給水控制系統(tǒng)控制鍋爐汽包水位。</p><p>　　4.4 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　給定的系統(tǒng)

89、參數(shù)：ε=0.037 ，τ=30s，閥門系數(shù)Kf =2，給水流量變送器系數(shù)γG =γD =0.083 ,水位變送器系數(shù)γH = 0.033</p><p>　　4.4.1 內(nèi)回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　內(nèi)回路的整定要求是：它能迅速消除內(nèi)擾，穩(wěn)定給水量。經(jīng)過整定后廣義調(diào)節(jié)對象為：WD(S) = Kf KZγG = 0.166 是一個近似的比例環(huán)節(jié)，因此調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都

90、可以取得很小，一般取積分時間Ti ≤10s。所以取Ti =6s，δ=0.025 、nG= 0.15 </p><p>　　WT(s) = ( 1+) = (1+) (4-8)</p><p>　　4-8內(nèi)回路的Simulink圖</p><p>　　4-9內(nèi)回路的仿真圖</p><p>　　由4-9仿真的圖可以看出，給水過渡過程曲

91、線能快速穩(wěn)定，而且沒有超調(diào)，可以看成是一個快速比例環(huán)節(jié)。所以內(nèi)回路是一個快速隨動系統(tǒng)，能快速穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。</p><p>　　4.4.2外回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　整定主回路的目的是進一步確定nG值。外回路的整定是建立在內(nèi)回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)上的。外回路等效圖如圖4-10所示：</p><p>　　4-10外回路等效圖</p&

92、gt;<p>　　其中1／nG γG為快速副回路的等效環(huán)節(jié)，把副回路和水位變送器看作一個等效環(huán)節(jié)器WT(s)，將其看作比例調(diào)節(jié)器。</p><p>　　WT(s) == = （4-9）</p><p>　　WD1(s) = （4-10）</p><p>　　δ外= 0.48τε= 0.48×0.037×30=

93、0.525 （4-11）</p><p>　　nG = ×δ外 = ×0.525 =0.21 （4-12）</p><p>　　δ= nG = 0.167×0.21=0.035 (4-13)</p><p>　　4-11外回路的Simulink圖</p><p>　　4-

94、12 外回路仿真的曲線圖</p><p>　　由圖4-12可見，增大給水流量的分壓系數(shù)nG，使給水流量動作減慢，增加了主回路的穩(wěn)定性。為了保持內(nèi)回路的穩(wěn)定性，必須相應地增加調(diào)節(jié)器的比例帶。</p><p>　　4.4.3 前饋回路的參數(shù)整定及仿真。</p><p>　　前饋回路的簡化圖如下4-13所示：</p><p>　　4-13前饋回路的

95、簡化圖</p><p>　　因為蒸汽流量前饋環(huán)節(jié)不在控制系統(tǒng)反饋回路之內(nèi)，它們的動態(tài)特性及取值大小不會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故：</p><p><b>　　根據(jù)無靜差原則：</b></p><p>　　nD = nG = 0.21 (4-14)</p><p>　　綜上，最后的整定結(jié)果為：</p>

96、<p>　　δ=0.035 (4-15)</p><p>　　Ti = 6s (4-16)</p><p>　　nD = nG = 0.21 (4-17)</p><p>　　4.4.4 單級三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖和仿真圖</p><p>　　(1)整個

97、單級三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖和仿真圖</p><p>　　在所有的待整定的參數(shù)被整定后，單級三沖量給水控制系統(tǒng)的方框圖4-14下所示：</p><p>　　4-14單級三沖量給水控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　4-15單級三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-16單級三沖量給水控制系統(tǒng)的

98、仿真圖</p><p>　　4.5串級三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　根據(jù)串級控制系統(tǒng)的分析整定方法，應將內(nèi)回路處理為具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng)，以使內(nèi)回路具有快速消除內(nèi)繞及快速跟蹤蒸汽流量的能力。其分析整定原理為單級三沖量給水控制系統(tǒng)完全相同。即用試探法選擇內(nèi)調(diào)節(jié)器的比例帶δ2的值，以保證內(nèi)回路不振蕩為原則，在試探時，給水流量反饋裝置的分壓系數(shù)nG可任意設(shè)置一

99、個數(shù)值，得到滿意的δ2的值。如果nG以后有必要改變，則應相應地改變δ2的值，使nG／δ2保持試探時的值，以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖4-17串級三沖量控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　內(nèi)回路參數(shù)的整定及仿真</p><p>　　4-18串級三沖量控制給水系統(tǒng)的內(nèi)回路的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-19串

100、級三沖量控制給水系統(tǒng)的內(nèi)回路的仿真曲線</p><p>　　2．外回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　在外回路中，如果把內(nèi)回路近似看作比例環(huán)節(jié)，則主回路的等效框圖如4-20 所示其中</p><p>　　1／nG γG為等效內(nèi)回路。</p><p>　　4-20三沖量串級給水控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　

101、這時，主回路等效為一個單回路控制系統(tǒng)，把WD1(s)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，它的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　WT1*（s）= (1+) （4-18）</p><p>　　用下列經(jīng)驗公式整定：</p><p>　　δ*1= 1.1ετ (4-19)</p><p>　　Ti1= 3

102、.3τγ (4-20）</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　δ1 = = = 0.486 （4-21）</p><p>　　Ti1 = 3.3τ= 3.3×30 = 99 （4-22）</p><p>　　

103、4-21串級三沖量控制給水系統(tǒng)的外回路的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-22串級三沖量控制給水系統(tǒng)的外回路的仿真曲線</p><p>　　通過對串級三沖量給水控制系統(tǒng)在主回路的分析，可以看出它與單級三沖量給水控制系統(tǒng)的不同特點：串級主、副回路的工作可以認為基本上是各自獨立的。給水流量G、給水流量反饋裝置的分壓系數(shù)nG也同時對主、副回路的工作產(chǎn)生影響。但它們在系統(tǒng)中的作用卻比

104、在單級系統(tǒng)中小的多。在單級三沖量控制系統(tǒng)中，外回路的等效調(diào)節(jié)器比例帶δ*= nGγG／γH，可以通過改變nG來調(diào)整δ*，但nG的選擇還必須同時兼顧內(nèi)回路的穩(wěn)定性。串級單沖量系統(tǒng)中的等效主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1*= γH／nGγG ，可以改變主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1來調(diào)整δ1*。因此，調(diào)整δ1*時并不會影響到內(nèi)回路的工作穩(wěn)定性，從而做到外、內(nèi)回路互不影響，即內(nèi)回路的穩(wěn)定性由改變nG來保證，外回路的穩(wěn)定性由改變δ1來保證。</p>&

105、lt;p>　　3．蒸汽流量前饋裝置的整定</p><p>　　在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來校正，使靜態(tài)水為值總是等于給定值。因此，就不要求送到副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號VD等于給水流量信號VG，所以前饋裝置的分壓系數(shù)nD選擇不受靜態(tài)性無差條件的限制。而可根據(jù)鍋爐“虛假水位”的嚴重程度來確定，從而改善負荷擾動時控制過程的質(zhì)量。一般使蒸汽流量信號大于給水流量信號，即：</p>

106、<p>　　γDnG = -γGnGK K＞1 （4-23）</p><p><b>　　因為 : </b></p><p>　　γD = γG (4-24)</p><p><b>　　則 :</b></p><p>　　nG = -nGK (4-25)

107、</p><p>　　4-23串級三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-24串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真圖</p><p>　　串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真曲線圖從仿真結(jié)果可看出，串級三沖量給水控制系統(tǒng)取得了比單級三沖量控制系統(tǒng)更好的控制結(jié)果。具體特點為調(diào)節(jié)時間短，響應速度快，超調(diào)小，系統(tǒng)的動態(tài)特性能得到了改善，被控對象特性參數(shù)變化不敏

108、感，能很好地克服給水流量擾動對汽包水位的影響，充分體現(xiàn)了串級系統(tǒng)的特點。</p><p>　　在高負荷時采用串級三沖量給水控制汽包水位是較理想的選擇</p><p><b>　　第五章 全文總結(jié)</b></p><p>　　本文介紹了雙容水箱液位串級控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過和其他控制算法比較，最終采用串級控制對雙容水箱實現(xiàn)液位控制，通過學習和了解P