華北電力大學(xué)過程控制課設(shè)報告

1、課程設(shè)計（綜合實驗）報告（2014 - 2015 年度第2學(xué)期）名 稱：過程控制技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計題 目 汽包鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計院 系：控制與計算機工程學(xué)院班 級：自動化學(xué) 號：學(xué)生：指導(dǎo)教師：設(shè)計周數(shù)：一周成 績：日期：年 月 日一、控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)，水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水 進入過熱器，并在過熱管結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴重的將引起過熱器爆管；水位過低又將 破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過熱而爆管。高性能的鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對來說較小，水位的時間常數(shù)很小。大容量鍋爐若給水不及時，數(shù)秒之就 可能達到危險水位，所

2、以鍋爐汽包水位的控制顯得非常重要。因此，必須采取有效、精確 的自動調(diào)節(jié)，嚴格控制汽包水位在規(guī)定圍。影響汽包水位變化的因素很多，如燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變 化的影響是比較緩慢的，容易克服。因此，主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。本 設(shè)計的主要任務(wù)即是保證給水流量 W和主蒸汽流量D保持平衡，維持汽包水位 H在較小圍 波動。二、被控對象動態(tài)特性分析做各種主要影響因素的階躍擾動，記錄并分析汽包水位的響應(yīng)曲線1）給水?dāng)_動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：10.037Lmss30S+1StepIntegratorTran sfer Fen1L_1Scope運行結(jié)果如下:32 521.5

3、1U.500102030405060708090100席側(cè)b由被控對象在給水量擾動下的水位階躍響應(yīng)曲線， 可以看出該被控對象無自平衡 能力，且有較大的遲延，可近似的看作積分環(huán)節(jié)和遲延環(huán)節(jié)的串聯(lián)，因此應(yīng)采用串級控 制，將給水流量的擾動消除在采用帶比例作用的副調(diào)節(jié)回路中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2）蒸汽流量擾動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下:運行結(jié)果如下:由仿真結(jié)果看出對象在蒸發(fā)量 D擾動下，水位階躍反應(yīng)曲線有一段上升的過程， 表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，（出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象的原因：當(dāng)負荷突然增加，蒸汽流量增加, 汽包的壓強變小，導(dǎo)致水氣化，導(dǎo)致水位升高，同樣的，當(dāng)負荷突然減小，蒸汽流量減 小，汽包的壓強

4、變大，導(dǎo)致水中氣泡液化，水位降低，這兩種情況都會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn) 象。）這種現(xiàn)象的反應(yīng)速度比擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象對控制系統(tǒng)的不利影響， 應(yīng)考慮引入蒸汽流量的補償信號。通過上述對被控對象的動態(tài)特性分析，確定采用串級前饋三沖量控制系統(tǒng)：1） 因為串級系統(tǒng)可以有效克服二次干擾，尤其是本系統(tǒng)是有純遲延環(huán)節(jié)，可以有效提高系 統(tǒng)的快速性和準確性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，此外，串級系統(tǒng)對負荷的變化有一定的 自適應(yīng)能力。2）通過靜態(tài)前饋環(huán)節(jié)的加入，也可以有效改善負荷變化（蒸汽流量變化） 帶來的“虛假水位”現(xiàn)象，當(dāng)蒸汽流量 D突然階躍增加，由于虛假水位現(xiàn)象會使水位增 加，錯誤地使調(diào)節(jié)減小給水量，但引入前饋

5、后，D的增加通過副回路的比例作用又使得調(diào)節(jié)增加給水量，所以通過合適的參數(shù)整定，將會有效克服“虛假水位”現(xiàn)象。三、系統(tǒng)框圖、控制系統(tǒng)流程圖及 SAM/圖系統(tǒng)框圖工藝流程圖:系統(tǒng)SAM/圖:LIa四、控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定a）副回路的整定副回路的主要作用是消除二次擾動即給水閥的擾動，要求副回路的快速性和穩(wěn)定性,保證給水流量的穩(wěn)定。整定時，斷開主回路，把副回路看成是一個單回路，并采用比例調(diào)節(jié)控制。并取 w 1副回路的MATLA仿真如下:TT60403020a2356£從仿真結(jié)果可以看出，輸出可以快速跟隨輸入，且穩(wěn)態(tài)誤差很小，可以滿足回路快速 準 確的要求。PID CDfi-trollfi

6、rGsir為了防止比例增益太大，影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以規(guī)定偏差的圍：e 0.1，則 Kp 12這里取Kp 13，仿真結(jié)果如下：Cj4iri2GainlTime offset： 0QScope冒圏 pppe ab）主回路的整定整定主回路時，可以把副回路的整體看成一個比例環(huán)節(jié)，用衰減曲線法整定主回路。主回路MATLA仿真如下：這時采用衰減曲線法進行主回路的參數(shù)整定，當(dāng)衰減率達到10:1時，仿真結(jié)果如下圖，且 KP=0.91, TR=61.9QScope臬自戸QQ踰曙圍B fljg由圖可獲取參數(shù)，并有查表按公式計算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為KP=0.76, TI=0.00614351JSCOSOCc)

7、 D值的確定量信號Vw，所以前饋裝置的傳遞函數(shù)D選擇將不受靜態(tài)特性誤差條件的限制。而根據(jù)鍋爐虛假水位的嚴重情況來確定，從而改善符合擾動是控制過程的質(zhì)量，一般蒸汽流量信號大于給水流量信號，即d d K w W，K應(yīng)當(dāng)為在靜態(tài)下:K Wh 1。又因為：K 1,這里取K 5，貝U d 5 w 5Wd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d)仿真曲線蒸汽流量D階躍擾動下汽包水位H的響應(yīng)曲線:位值總是等于給定值。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1DQOScope Q昌自a対處 躊旦諳|0旨垢*5UT4Q100xoiOC500CJOa徑理.11 k . IL1；A；-I?1 1 1.l / JV-i a i i I I： i J1 :' : B ! q；：100給水流量W階躍擾動下汽包水位H的響應(yīng)曲線:五、設(shè)計總結(jié)此次課程設(shè)計的題目是汽包水位的控制系統(tǒng)，三沖量控制系統(tǒng)利用給水流量、蒸 汽流量和水位三個參數(shù)進行液面控制。該系統(tǒng)中汽包水位是主沖量信號，給水流量、蒸汽 流量是輔助沖量信號，該控制系統(tǒng)經(jīng)過給水流量和蒸汽流量擾動下的仿真實驗，能有效地 克服虛假水位和給水干擾對控制系統(tǒng)的影響。從仿真效果可知，串