電廠鍋爐水位的串級控制

1、串級控制鍋爐水位系統(tǒng)電廠鍋爐水位的串級控制目錄1、前 言12、系統(tǒng)的概述及其動態(tài)特性22.1 系統(tǒng)概述22.2 鍋爐汽包的動態(tài)特性32.2.1 給水擾動42.2.2 負荷擾動42.2.3燃料量擾動53、汽包水位的控制方案63.2 串級控制系統(tǒng)控制方案63.2.1 副回路控制分析73.2.2 主回路控制分析84.3 系統(tǒng)影響分析105、儀表的選擇125.1 測量元件及變送器的選擇125.2 調節(jié)閥的選擇125.3 調節(jié)器的選擇126、系統(tǒng)參數(shù)的整定136.1 汽包水位串級控制原理圖136.2 調節(jié)器的參數(shù)整定136.2.1 兩步整定法概述146.2.2 兩步法的整定步驟157、實例參數(shù)整定及其仿

2、真168、結論199、設計體會20參考文獻211、前 言在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過程是用鍋爐生產蒸汽，使汽輪運轉，進而帶動發(fā)電機發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產過程自動化的重要組成部分，它的主要任務是根據(jù)負荷設備（汽輪機）的需要，供應一定規(guī)格（壓力、流量、溫度和純度）的蒸汽。鍋爐是生產蒸汽的主要設備，是工業(yè)生產中幾乎不可缺少的設備，應用十分廣泛。保證鍋爐內的水位在一定范圍內波動對系統(tǒng)的安全運行是非常重要的。如果水位過低，鍋爐可能被燒干，引起設備的損壞，甚至爆炸；如果水位過高，會導致生產的蒸汽含水量大，而且水還可能溢出，從而使生產過程中斷，造成經濟損失。因此對水位進行控制是保證鍋爐正常運行所必不可

3、少的。當鍋爐的給水量與蒸汽的蒸發(fā)量保持平衡時，鍋爐的水位保持不變，此時，鍋爐工作狀態(tài)良好。如果鍋爐的給水量和蒸汽量不平衡，水位就會發(fā)生波動。因此，我們必須根據(jù)水位的變化，調整給水量，使它跟隨蒸汽的負荷的大小而增減，以達到保持水位在規(guī)定的范圍內的目的。水位的變化量由液位傳感器檢測，并由液位變送器轉換為統(tǒng)一的標準信號后送到調節(jié)器（即控制器），與水位的設定值進行比較和運算以后由調節(jié)器發(fā)出控制指令，執(zhí)行器（電動或氣動執(zhí)行機構）改變調節(jié)閥閥門的開度，調節(jié)給水流量，以保持給水量與蒸發(fā)量之間的平衡，這就是鍋爐水位自動控制過程。2、系統(tǒng)的概述及其動態(tài)特性2.1 系統(tǒng)概述電廠鍋爐是一個復雜的被控過程，它的被控參

4、數(shù)和控制參數(shù)眾多，不易很好的對其進行控制。通常的設計思想是，在可能的情況下，將其劃分為幾個相互獨立的控制區(qū)域。這里，我們將與研究對象關聯(lián)較小的通道將其忽略，對鍋爐汽包水位控制進行討論。主調節(jié)器副調節(jié)器調節(jié)閥副對象主對象副變送器主變送器二次擾動一次擾動副參數(shù)設定主參數(shù)串級控制系統(tǒng)是改善和提高鍋爐汽包水位控制的一種極為有效的控制法案，串級控制系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應性和控制質量,因此在工業(yè)生產自動化控制中得到了廣泛的應用。其適用范圍是：被控對象的控制通道純滯后時間較長，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質量指標時，可采用串級控制系統(tǒng)；對象容量滯后比較大，用單回路控制系統(tǒng)不能滿足質量指標時，可采

5、用串級控制系統(tǒng)。方框圖如下所示：圖3-1 串級控制系統(tǒng)的一般結構框圖由此可見，實現(xiàn)鍋爐水位控制需要以下設備：檢測水位變化的傳感器與變送器、比較水位變化并進行控制運算的調節(jié)器、實施控制命令、改變給水量的調節(jié)閥等。2.2 鍋爐汽包的動態(tài)特性汽包水位不但是鍋爐安全運行的重要參數(shù)，同時，它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質是否平衡的標志。為了弄清楚系統(tǒng)的組成及工作原理，我們從分析水位的動態(tài)特性入手。鍋爐給水調節(jié)對象如圖所示。給水調節(jié)機構控制給水量W，汽輪機的耗氣量D是由汽輪機的調節(jié)閥門來控制的。水冷壁與汽包存水部分構成了水循環(huán)系統(tǒng)。汽包水位的動態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實際情況要比單容對象復雜得多。因為在水

6、循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量蒸汽泡的水，而蒸汽泡的總體積Vs是隨著汽包壓力和爐膛熱負荷的變化而改變的，如果有某種原因使蒸氣泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒有變化，汽包水位也會隨之變化。影響汽包水位H的主要有給水量W，汽輪機的耗氣量D和燃料量B等三個主要因素。2.2.1 給水擾動在給水量W的階躍擾動作用下，水位H的相應曲線如圖3-2(a)所示。從物質平衡的觀點來看，水位的響應曲線應該如圖中的直線呈直線上升。但當給水溫度低于汽包內的飽和水溫度時，當它進入汽包后吸收了原有的飽和水中的部分熱量，使鍋爐的蒸汽產量下降，水面以下的氣泡總體積減少，導致水位下降。Vs對水位的影響可以用圖中的曲線表示。

7、水位的實際響應曲線是、的總和。給水擾動下的傳遞函數(shù)可以近似表示為 （3-1） （3-2）將虛線1和2疊加后可得實線3，則總的傳遞函數(shù)為：= （3-3）2.2.2 負荷擾動在汽輪機耗氣量D的階躍擾動下，水位H的響應過程可以用圖3-2(b)來說明。當汽輪機耗氣量D突然階躍增加時，一方面改變了汽包內的物質平衡狀態(tài)，使水位下降，圖中H1表示把汽包當作單容對象時水位應有的變化；另一方面，由于耗氣量D的增加，使蒸汽的蒸發(fā)強度增加，迫使汽包內氣泡增多。由于這是的燃料量還未改變，使水面以下的蒸汽泡膨脹，總體積Vs增大，從而導致汽包水位的上升，如圖中H1所示。汽包水位H的實際響應過程是H=H1+H2.。對于大中

8、型鍋爐來說，后者的影響要大于前者，因此在負荷階躍增加后的一段時間內水位不但不下降，反而明顯上升。這種反?，F(xiàn)象通常稱為“假水位”現(xiàn)象。WHH1H2H3tttDHtH2H1H圖2-2 給水擾動(a) 負荷擾動（b）蒸汽量擾動下汽包水位的傳遞函數(shù)可以近似地表示為 式中，為反映物質平衡關系的水位飛升速度；和分別代表圖13-6中曲線H2的時間常數(shù)和增益。2.2.3燃料量擾動燃料量B的擾動必須引起蒸汽量D的變化，因此也同樣有假水位現(xiàn)象。但是由于汽包和水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁金屬管道也會儲存大量的熱量，因此有一定的熱慣性。燃料量B的增大只能使D緩慢增大，而且汽包壓力還會慢慢上升，它將使氣泡體積減

9、小。因而，燃料量擾動下的假水位比負荷擾動下要緩和的多。因此暫可以忽略，不考慮。由以上分析可知，給水量擾動下水位響應過程具有純滯后；負荷擾動下水位響應過程具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動下也會出現(xiàn)假水位現(xiàn)象。這些特性使控制汽包水位的任務變得比較困難和復雜。3、汽包水位的控制方案3.2 串級控制系統(tǒng)控制方案串級控制系統(tǒng)與簡單單回路控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是，串級控制系統(tǒng)在結構上形成了兩個閉環(huán)。內環(huán)稱為副回路，在控制過程中起到“粗調”的作用；外環(huán)被稱為主回路，用來完成“細調”任務，以最終是被控量滿足工藝要求。無論主回路或者副回路都有各自的調節(jié)對象、測量變送器和調節(jié)器。在主回路內的調節(jié)對象、被測參數(shù)和調節(jié)器被稱為

10、主調節(jié)對象、主參數(shù)和主調節(jié)器。在副回路里則相應地被稱為副調節(jié)對象、副參數(shù)和副調節(jié)器。兩個回路只有一個調節(jié)閥。主回路一般為定值控制，主調節(jié)器具有自己獨立的設定值，它的輸出作為副調節(jié)器的設定值，副調節(jié)器的輸出信號則是以調節(jié)閥去控制生產過程，可見副回路為隨動控制，其設定值是變動的。比較串級系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)，前者只比后者多增加了一個測量變送器和一個調節(jié)器，增加的設備投資并不多，控制效果卻得到顯著的改善。主調節(jié)器副調節(jié)器調節(jié)閥副對象主對象副變送器主變送器二次擾動一次擾動副參數(shù)設定主參數(shù)圖3-3 串級回路控制系統(tǒng)的一般結構框圖假設串級控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)為：； ；為了便于分析，將上圖所示串

11、級控制系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)分別用其相應的傳遞函數(shù)代替，習慣上把，構成的回路稱為副回路；把主調節(jié)器，副回路等效傳遞函數(shù)，主被控對象，主檢測變送器構成的回路稱為主回路。圖3-4 串級回路控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖3.2.1 副回路控制分析如圖所示系統(tǒng)中，作用于副回路的擾動F2稱為二次擾動，串級由于副回路存在，對于進入副回路的干擾具有較強的抗干擾能力根據(jù)串級調節(jié)系統(tǒng)的方塊圖，在干擾作用下F2與Y2的等效傳遞函數(shù)為： （4-5）而單回路控制中副環(huán)擾動的傳遞函數(shù)為 （3-6）可以看到，式中前者比后者多出一分母項，即。和單回路控制系統(tǒng)相比，進入副環(huán)擾動對主參數(shù)的影響減小了倍。這項乘積的數(shù)值一般是比較大的，因此說明串

12、級控制系統(tǒng)中進入副環(huán)擾動對控制通道的動態(tài)增益明顯減小，當二次擾動出現(xiàn)時，分快就被副調節(jié)器所抑制，通常其影響往往可以減小10100倍。同樣，串級控制系統(tǒng)在副環(huán)進入的擾動作用下，控制系統(tǒng)的余差也相應的減小為單回路控制系統(tǒng)余差的倍。因此，串級控制系統(tǒng)能迅速克服進入副回路擾動的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小。比較分析單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)的結構框圖可以發(fā)現(xiàn)，串級控制系統(tǒng)中的副回路代替了單回路系統(tǒng)中的一部分過程，使系統(tǒng)抗干擾能力大大增強。若把整個副回路等效為一個被控過程，它的等效傳遞函數(shù)用表示，則可得 （3-7）假設副回路中各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為；則上式可變?yōu)椋?= （3-8）式中，和分別為等效過程

13、的放大系數(shù)和時間常數(shù)。比較和，靜態(tài)時，由于>>1,表明由于副回路的存在，改善了控制通道的動態(tài)特性，使等效過程的時間常數(shù)為原來的倍，而且副調節(jié)器比例增益越大，等效過程的時間常數(shù)將越小。通常情況下，副被控對象大多為單容過程和雙容過程，因而副調節(jié)器的比例增益可以取得較大，導致等效時間常數(shù)可以減小到很小的數(shù)值，從而加快了副回路的響應速度。3.2.2 主回路控制分析由上面對副回路的分析可得，我們可以把副回路看做一個整體，則系統(tǒng)框圖可以簡化為下圖：圖3-5 串級回路控制系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)則由圖分析可得，在給定信號X1(s)的作用下，X1(s)與Y1(s)的等效傳遞函數(shù)為： （3-9）在干擾F2

14、的作用下，F(xiàn)2（s）與Y1(s)的等效傳遞函數(shù)為 （3-10）由控制理論可知，在給定信號的作用下，當X1(s)與Y1(s)的比值越接近于“1”時，則系統(tǒng)的控制性能越好；而在干擾作用下，當 F2（s）與Y1(s)的比值越接近于“0”時，則系統(tǒng)的抗干擾能力的能力越強。在工程上，通常將兩者的比值作為衡量控制系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力的綜合指標，即比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力就越強。對以上兩式，則有 （3-11）假設；，則上式可以寫為 （3-12）由此可分析得，主、副調節(jié)器放大系數(shù)的乘積越大，抗干擾能力越強，控制質量就越好。比較式（3-4）和式（3-12），在一般情況下，有>可知由于串級

15、控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進入副回路的二次干擾，從而大大減小了二次干擾對主參數(shù)的影響，并導致抗干擾能力和控制能力的綜合指標比單回路控制系統(tǒng)均有了明顯的提高。4.3 系統(tǒng)影響分析 （1）能對進入副回路的干擾有很強的抑制能力我們在對副回路的分析中已經詳細介紹，這里我們不再贅述。（2）能改善控制通道的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率由于副回路改善了控制對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率，增強控制效果。 串級控制系統(tǒng)的工作頻率的算法串級控制系統(tǒng)的工作頻率同樣依據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式來進行計算。由相應串級系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可知，對應的閉環(huán)特征方程： 整理后得 （4-14

16、）標準二階震蕩系統(tǒng)為（為串級控制系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；為串級控制系統(tǒng)的自然頻率）相比，相應的可得到串級控制系統(tǒng)的工作頻率：在相同的遞減率下進行比較，即相同，由以上兩式可得 = （4-15） 由于 即 ?？梢姶壪到y(tǒng)的工作頻率高于單回路系統(tǒng)的工作頻率。（3）對負荷和操作條件的劇烈變化有一定的適應能力實際的生產過程中往往包含一些非線性因素。因此，對于非線性過程，若采用單回路控制時，在負荷變化不大的情況下，按一定控制指標整定的調節(jié)器參數(shù)只適用于工作點附近的一個小范圍。如果負荷變化過大，由于非線性因素的影響，廣義被控過程的放大系數(shù)會隨著負荷的變化而變化，此時若不重新整定調節(jié)器參數(shù)，則控制質量就難以得到保證。

17、但在串級控制系統(tǒng)中，由于副回路的等效放大系數(shù)為一般情況下，>>1，因此，當副被控過程中的放大系數(shù)或隨負荷變化時，幾乎不變，因而無需重新整定調節(jié)器的參數(shù)；此外，主調節(jié)器的輸出作為副調節(jié)器的設定值，副調節(jié)器的輸出信號則是以調節(jié)閥去控制生產過程，可見副回路為隨動控制，其設定值是變動的。當負荷或操作條件改變時，主調節(jié)器將改變其輸出，調整副調節(jié)器的設定值，使負荷或操作條件改變時能適應其變化而保持較好的控制性能。5、儀表的選擇5.1 測量元件及變送器的選擇可選用差壓式傳感器（如膜盒）與DDZ-III型差壓式變送器以實現(xiàn)儲槽液位的測量和變送。5.2 調節(jié)閥的選擇根據(jù)生產工藝安全的原則，宜選用氣關

18、式調節(jié)閥，這是因為當控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，調節(jié)閥必須全開，以免使汽包水位過低導致生產事故，確保設備安全；根據(jù)過程特性與控制要求，宜選用對數(shù)流量特性的調節(jié)閥；根據(jù)被控介質流量的大小及調節(jié)閥流通能力與其尺寸的關系，選擇調節(jié)閥的公稱直徑和閥芯的直徑。5.3 調節(jié)器的選擇根據(jù)過程特性與工藝要求，宜選用PI或PID控制規(guī)律，在這里我們選擇PI控制；有控制理論的知識可知，要使一個控制系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行，必須采用負反饋，即保證系統(tǒng)總的開環(huán)放大系數(shù)為正。有工藝可知，調節(jié)閥為氣關式，故為負；當被控過程的調節(jié)閥開度增大時，對系統(tǒng)的給水量增大，故為正；測量變送器的通常為正；為保證副回路為負反饋，則調節(jié)器應為負，即

19、為正作用調節(jié)器；當調節(jié)閥給水量增大時，汽包里的水位也隨之升高，故也為正；為保證主回路為負反饋，則應為正，即為反作用調節(jié)器。以上分析可用下面兩個表達式表示：副回路： 主回路： 6、系統(tǒng)參數(shù)的整定6.1 汽包水位串級控制原理圖汽包水位串級控制系統(tǒng)流程圖如下所示：LTLCFTFC汽包Q圖6-1 汽包水位串級控制系統(tǒng)原理流程圖6.2 調節(jié)器的參數(shù)整定 為了對串級控制系統(tǒng)的控制效果有一定量的概念，下面用一實例來進行估算。設串級系統(tǒng)的方框如圖所示，圖6-2 串級控制系統(tǒng)實例框圖6.2.1 兩步整定法概述兩步整定法是一種先整定副回路，后整定主回路的方法，其思路如下：一個合理的串級控制系統(tǒng)，它的主、副對象的時

20、間常數(shù)有適當?shù)钠ヅ潢P系，要求 至少大于3，一般在310之間為宜.這樣，主回路的工作周期遠大于副回路的工作周期，避免引起系統(tǒng)的共振，從而使主、副回路間的動態(tài)聯(lián)系較小，甚至可以忽略。因此，當副控制器參數(shù)整定好之后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主控制器參數(shù)，而不再考慮主控制器參數(shù)變化對副回路的影響。在多數(shù)情況下，副變量設置的目的是為了進一步地提高主變量的控制品質。因此，當副控制器參數(shù)整定好之后再去整定主控制器參數(shù)時，雖然會影響副變量的控制品質，但是，只要主變量控制品質得到保證，副變量的控制品質差一點也是可以接受的。在整定的過程中需要經常用到衰減曲線法整定參數(shù)，其具體計算過程如下

21、所示：a、 先置主調節(jié)器的積分時間 ，微分時間，比例帶 置于較大數(shù)值，將系統(tǒng)投入運行。b 、 等系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，對設定值作階躍變化，然后觀察系統(tǒng)的響應。若響應振蕩衰減太快，則減小比例度，反之，則減小比例度。如此反復，直到出現(xiàn)如圖所示的衰減比為4：1的振蕩過程。記錄下此時的值（設為），以及值，圖中為衰減振蕩周期。c、 按表3-1所給的經驗公式計算、及。圖6-3 系統(tǒng)衰減曲線衰 減率（）調節(jié)規(guī)律整定參數(shù)TITD0.75PsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts0.90PsPI1.2s2TpPID0.8s1.2Tp0.4Tp表6-1 經驗公式表按照“先副后主”、“先P次I后D”的順

22、序，將計算出的參數(shù)值設置到控制器上，做一些擾動試驗，觀察過渡過程曲線，做適當?shù)膮?shù)調整，直到控制品質最佳。6.2.2 兩步法的整定步驟兩步法的具體整定步驟如下：（1）整定副回路在主、副回路均閉合，主、副調節(jié)器都至于純比例作用條件下，將主調節(jié)器的比例帶放在100%處，按單回路整定法整定副回路，這時得到副調節(jié)器的衰減率時的比例帶和副參數(shù)振蕩周期。（2）整定主回路主、副回路仍然閉合，副調節(jié)器置于值上，用同樣的方法整定主調節(jié)器，得到主調節(jié)器在4：1下的比例帶和副參數(shù)振蕩周期。（3）按已求得的、和、值，結合控制器的選型，按單回路控制系統(tǒng)“衰減曲線法”整定參數(shù)的經驗公式（見表） 。計算求出主、副控制器的整

23、定參數(shù)值。7、實例參數(shù)整定及其仿真我們設系統(tǒng)中主、副對象的傳遞函數(shù)分別為： 主、副調節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為： （PI調節(jié)） （比例調節(jié)）在條件，的條件下，對系統(tǒng)進行仿真，如下圖：圖7-1 串級控制系統(tǒng)實例仿真圖仿真后，在單位階躍響應的作用下，其響應曲線是發(fā)散振蕩的，因此需要對此串級控制系統(tǒng)的主副回路進行參數(shù)整定。（1）按照兩步整定法，先將副回路進行整定。待衰減曲線出現(xiàn)衰減率時的比例度時（如下圖所示），記下副參數(shù)振蕩周期=7.0s。調整后。圖7-2 實例系統(tǒng)衰減振蕩曲線（2）副回路調整好后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主控制器參數(shù)。在這里，我們用臨界比例度法來對系統(tǒng)參數(shù)進行調

24、整。使系統(tǒng)處在閉環(huán)穩(wěn)定運行狀態(tài)時，對設定值施加一個階躍變化，并減少比例度，直至系統(tǒng)出現(xiàn)如圖等幅振蕩為止。記錄下此時的臨界比例度和等幅振蕩周期=10s。參數(shù)調整后=0.68，=20s。圖7-3 實例系統(tǒng)參數(shù)整定曲線串級控制系統(tǒng)主、副回路經參數(shù)整定后，對其進行仿真，其結果如圖7-4所示：圖7-4 參數(shù)整定后系統(tǒng)的仿真圖像可見，整定后的系統(tǒng)大大改善了對象的動態(tài)特性，保證了系統(tǒng)對水位的有效控制，并對干擾有很強的克服能力，能很好的穩(wěn)定汽包水位位置，基本滿足生產工藝的需要。8、結論通過對串級控制系統(tǒng)在鍋爐汽包水位控制中的學習和應用，對書本的知識進行了貫徹的梳理，在設計中加深了對過程控制這門專業(yè)課的認識，特

25、別是對串級控制系統(tǒng)有了更深的了解。在此次課程設計中，我把單回路控制系統(tǒng)和串級控制系統(tǒng)進行了有針對性的比較，發(fā)現(xiàn)單回路控制系統(tǒng)雖然簡單，但性能并沒有串級控制系統(tǒng)強，特別是抗干擾這一方面，遠遠不如后者。串級控制系統(tǒng)比較適用于容量滯后較大的過程、純時延較大的過程、擾動變化激烈而且幅度大的過程、參數(shù)互相關聯(lián)的過程和非線性過程。它對于改善了過程的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質，能迅速克服進入副回路的二次擾動；提高了系統(tǒng)的工作頻率；減小被控對象的時間常數(shù)，對消除副對象的非線性和提高對負荷變化的適應性起到了決定性的作用。此外，我進一步學習了系統(tǒng)調節(jié)器參數(shù)的整定這一部分知識，并運用剛學的MATLABE的仿真軟件進行仿真，對系統(tǒng)參數(shù)的整定起到了很大的幫助，加深了對所學知識的熟練程度。整定后的系統(tǒng)大大改善了對象的動態(tài)特性，保證了系統(tǒng)對水位的有效控制，并對干擾有很強的克服能力，能很好的穩(wěn)定汽包水位位置，在誤差允許的范圍內，串級控制系統(tǒng)基本滿足生產工藝的需要。在學習的過程中，我發(fā)現(xiàn)僅僅掌握串級控制是遠遠不夠的。在實際生活中，串級控制系統(tǒng)和其他控制系統(tǒng)的聯(lián)合使用應用比較