石門電廠給水自動控制系統(tǒng)及其仿真

1、電廠給水自動控制系統(tǒng)及其仿真電廠中普遍采用的給水自動控制系統(tǒng)，主要為三沖量給水自動控制系統(tǒng)。具控制任務(wù)是維持鍋爐汽包水位一定的范圍內(nèi)變化，是保持汽機(jī)和鍋爐安全運(yùn)行的重要條件。為適應(yīng)機(jī)組容量的增加，對給水控制高質(zhì)量要求，計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用對自動控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性、可靠性的綜合研究分析是一種很有效的手段?，F(xiàn)在大學(xué)計算機(jī)仿真教育應(yīng)用比較廣泛是矩陣實(shí)驗(yàn)室MATLAB而大唐集團(tuán)很多電廠則依托于新華XDPS（統(tǒng)。兩套軟件系統(tǒng)互有優(yōu)劣，在實(shí)際的研究工作中，把兩者結(jié)合起來應(yīng)用更有參考意義和價值o過熱器Haw圖1-1串級三沖量給水控制系統(tǒng)圖?paD汽包鍋爐給水自動調(diào)節(jié)的任務(wù)主要包括兩方面：一是維持汽包水位在規(guī)

2、定的范圍內(nèi)波動，水位過高會影響蒸氣品質(zhì)，水位過低會影響鍋爐的壽命甚至安全；二是及時調(diào)整給水流量，維持其與蒸汽流量間的平衡關(guān)系，以適應(yīng)負(fù)荷變化的要求。在鍋爐給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位是被調(diào)量，而引起汽包水位變化的主要擾動是鍋爐的蒸汽流量（蒸發(fā)量）和給水流量。為了使鍋爐運(yùn)行時把汽包水位控制在較小的范圍內(nèi)變化，生產(chǎn)上常采用以蒸汽流量、給水流量為前饋信號，而以被調(diào)量汽包水位進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，組成一個前饋一反饋系統(tǒng)。由于調(diào)節(jié)系統(tǒng)接收三個調(diào)節(jié)信號：水位H,蒸汽流量D和給水流量G,故常稱為三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前電廠三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要用審級調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)，其控制系統(tǒng)圖和方框圖分別如圖1-1和圖1-2所示

3、。這一調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：水位調(diào)節(jié)器接受水位、蒸汽流量、給水流量這三個變量（所以成為三沖量），依據(jù)這三個信號的綜合來調(diào)整給水流量。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是：由于前饋通道的引入，能夠克服“虛假水位”的影響；由于內(nèi)回路使用了給水流量反饋信號，能夠迅速克服水泵壓力變化、閥門蠕動等引起的給水流量擾動的影響；由于主調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，以保證水位無靜態(tài)偏差，主調(diào)節(jié)器的輸出信號和給水、蒸汽流量信號都作用到副調(diào)節(jié)器。這樣，系統(tǒng)就具有更好的動態(tài)、靜態(tài)特性。下面將介紹給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)模塊中的用級三沖量給水自動調(diào)節(jié)的參數(shù)整定過程。根據(jù)控制原理圖1.2在MATLAB7.0F的Simulink里做出的控制器仿真結(jié)構(gòu)圖如

4、圖1.3所示。圖1-3串級三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真圖其中Step、Stepl、Step2為階躍函數(shù)模塊，它們可分別對系統(tǒng)施加定制和擾動；PIDController為比例加積分運(yùn)算模塊，構(gòu)成系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器；PIDControlled為比例運(yùn)算模塊構(gòu)成副調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)審級控制；TransferFcn1、TransferFcn分別代表對象調(diào)節(jié)通道和對象外擾通道；Gain-Gain6為增益模塊；Scope為示波器模塊，用來顯示水位變化的曲線。在系統(tǒng)仿真模型建立后，對PIDController、PIDControlled所代表的控制系統(tǒng)的主副調(diào)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)解，觀察控制系統(tǒng)的控制效果。在上圖所示的仿真環(huán)境下，

5、對象調(diào)節(jié)通道和對象外擾通道的數(shù)學(xué)模型分別為：G調(diào)節(jié)通道s2-和G外擾通道(s)=2"°10s4s2s3s3在系統(tǒng)仿真模型建立之后，對PIDController、PIDControlled所代表的控制系統(tǒng)的主副調(diào)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)解，觀察控制系統(tǒng)的控制效果。(1)調(diào)節(jié)比例增益給水流量、蒸汽流量不變，即W=0D=0,汽包水位定值H施加20漸躍擾動時，對控制系統(tǒng)施加不同的比例增益，通過仿真，得到控制系統(tǒng)的一組響應(yīng)曲線如圖1-4。1.61V 1-HKp=30；Kp=5kpi=6Kpl=7Kp=4Kpl=5Kpl=5):Kp=3I0.5 05101520253035404550圖1.4主副

6、調(diào)節(jié)器比例增益（Kp）不同時的仿真曲線圖從圖1-10的仿真曲線圖可以看出，主、副調(diào)節(jié)器的比例增益對控制系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都有影響。分析上圖得到不同的主、副調(diào)節(jié)器比例增益（kp）對鍋爐給水控制系統(tǒng)的影響，見下表1-1所示。表1-1主、副調(diào)節(jié)器比例增益（kp）不同時對給水系統(tǒng)的影響主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)kp副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)kp1超調(diào)量調(diào)節(jié)時可（s）30649%315716%25458%23353%29從以上仿真曲線圖可以看出，用級三沖量給水控制系統(tǒng)在進(jìn)行比例增益（Kp）調(diào)節(jié)時，系統(tǒng)控制效果比較好，能穩(wěn)定運(yùn)行，但比例（P）調(diào)節(jié)器只適合于干擾小，對象的滯后較小而時間常數(shù)并不太小，調(diào)節(jié)精度要求不高的場合。

7、當(dāng)主調(diào)節(jié)器比例增益為3,副調(diào)節(jié)器比例增益（Kp2）為5時，控制效果比較理想，其仿真曲線如圖1.5所示。.25圖1.5Kp=3,Kp1=5時的仿真曲線圖(2)調(diào)節(jié)比例、積分增益PID控制規(guī)律中，積分控制的作用主要是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷積累，因此只要有足夠的時間，積分控制將能完全消除誤差，但積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；所以在整定控制系統(tǒng)的控制參數(shù)時，對于積分作用的適當(dāng)應(yīng)用，將會改善系統(tǒng)的控制效果，提高控制系統(tǒng)的控制精度。給水流量擾動和蒸汽流量擾動保持不變，汽包水位定值Hffi加20漸躍擾動時，進(jìn)行主副調(diào)節(jié)器比例、積分(PI)調(diào)節(jié)的仿真,其控

8、制效果如表1-2,仿真曲線如圖1.6所示。表1-2主副調(diào)節(jié)器(PI)參數(shù)不同時對串級三沖量給水控制系統(tǒng)的影響主調(diào)節(jié)器副調(diào)節(jié)器超調(diào)量控制過程時間(s)KPKiKp130.4753%752.50.3647%7820.1526%6330.08516%1255.80.051.810%1505.80.0751.88%1801CBB.Ioiriir_；-kp=3Ki=04kp仁7Kp=2Ki=O3Kp1=6ijiI,4Jfl4114MKj=0.1Kp1=5：Kp=3Ki=006Kp1=6i1,lQe|WKp=56Ki=0.075Kp1=1.siji°'e；6LL-><305K

9、p1=1.3_Jj；04jj：i：CJ.二1niiiii0SO100150200250300圖1.6串級三沖量控制主副調(diào)節(jié)器參數(shù)不同時對給水定值擾動的仿真曲線圖1.41,218B040.200Kp-/=5.8Ki0751加1=1E干_,_.-I'',jr*-".II50100150200250300350400450500圖 1.7 Kp=5.8 , Ki1=0.075 ; Kp1=1.8 時的仿真曲線圖從以上仿真曲線圖1.6分析可知，用級三沖量控制在改變主副PI調(diào)節(jié)器參數(shù)時，系統(tǒng)的控制效果將在很大程度上有所改變，為了得出主副調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)，我們需要經(jīng)過大量仿真實(shí)驗(yàn)

10、進(jìn)行試探。當(dāng)Kp=5.8,Ki=0.075;Kp1=1.8時,系統(tǒng)超調(diào)量為8%控制過程時間為180s,控制效果較好，能穩(wěn)定運(yùn)行，具仿真曲線如圖1.7所示。通過以上仿真試驗(yàn)，得出了給水定值擾動時用級三沖量控制主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，系統(tǒng)超調(diào)量小、控制過程時間短、能較好地滿足給水控制的要求。(3)擾動對水位的影響汽包水位保持定值，蒸汽流量不變，即H=QD=0,加入內(nèi)擾，通過仿真，得到控制系統(tǒng)的一組抗內(nèi)擾曲線系統(tǒng)在不同階躍擾動時的抗內(nèi)擾能力如表1-3,仿真曲線如圖1.8、1.9所示。表1-3系統(tǒng)在不同階躍擾動時抗內(nèi)擾能力的比較階躍擾動最大波動量控制時間(S)5%0.02835010%0.05735015

11、%0.08435030%0.16435050%0.256350100%0.560350圖1.8給水流量施加5%10%15漸躍擾動時的仿真曲線圖n7.U.r0.6-0.5-0.4-0.3-0.2,0-1j)11卜/碗。學(xué)內(nèi)擾50%/j；,：內(nèi)就30%-ii上一U'J'10601001502C)0250300350400460500圖1.9給水流量施加30%50%100%T躍擾動時的仿真曲線圖通過以上仿真曲線圖可知，用級三沖量給水控制系統(tǒng)抗內(nèi)擾能力非常強(qiáng)，且最大波動量小、控制過程時間較短，滿足給水控制的要求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。汽包水位定值和給水流量保持不變，即H=0,W=0主副調(diào)節(jié)器參

12、數(shù)不變，蒸汽流量施加不同階躍擾動的仿真。系統(tǒng)在不同階躍擾動時的抗外擾能力如表1-4,仿真曲線如圖1.10、1.11所示：表1-4系統(tǒng)在不同階躍擾動時抗外擾能力的比較階躍擾動最大波動量控制過程時間(S)5%0.0174010%0.0334015%0.0514030%0.114050%0.1740100%0.33400.060.050.040.030.02LI.01-0.01“卜制15%I11LJI-一L _T小L“卜擾10%，卜擾5%JLi102050607080901003040圖i.i0蒸汽流量施加5%io%i5%r躍擾動時的仿真曲線圖n尸noii111nli：夕卜擾Moo%X!lU.o0.

13、250.20.1501005-0-nn二_/j;1IL_：外擾60%J：_1I_j_yI_L11卜優(yōu)30%1I一；1dL111b«iHI11-ULUO0102030405060708090100圖1.11蒸汽流量施加30%50%100%T躍擾動時的仿真曲線圖通過以上仿真曲線圖可知，隨著外擾的增加，控制系統(tǒng)的最大波動量越來越大，控制時間不變。保持汽包水位不變，加入內(nèi)、外擾通過仿真，得到控制系統(tǒng)的一組抗內(nèi)、外擾曲線，如圖1-12圖1-12控制系統(tǒng)內(nèi)、外擾實(shí)驗(yàn)仿真圖隨著內(nèi)、外擾的加入，給水控制系統(tǒng)的控制時間變長，而且最大波動量也變化較大，見表1-5:表1-5抗內(nèi)外擾實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的影響內(nèi)擾外擾

14、最大波動量控制時間(s)10%10%0.05835030%30%0.17235050%50%0.29035070%70%0.408350100%100%0.585350在審級三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)整定過程中，可以將副回路處理為具有近似比例特性的快速隨動系統(tǒng)，以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟蹤蒸汽流量的能力。整定主回路時，可將副回路近似看作比例環(huán)節(jié)，把主調(diào)節(jié)回路等效為一個單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，再將主回路按單回路系統(tǒng)的整定方法進(jìn)行整定。因?yàn)樯昙壢龥_量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來校正，使靜態(tài)水位總是等于給定值。在上面的仿真圖1.7中，我們給出的主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為Kp=5.8,Ki=0.0

15、75,Kd=0;Kp1=1.8,Kd1=Q上面我們通過矩陣實(shí)驗(yàn)室MATLA的真了用級三沖量給水自動調(diào)節(jié)的參數(shù)整定過程，那么在實(shí)際的生產(chǎn)現(xiàn)場，我們又是通過什么方式來完成這一步么？以石門電廠所采用的是XDPS（統(tǒng)為例，這套系統(tǒng)是一個融計算機(jī)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、信息技術(shù)和自動控制技術(shù)為一體的工業(yè)信息技術(shù)系列產(chǎn)品。它有比MATLAIM更強(qiáng)大的功能，具有開放式結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計技術(shù)、合理的軟硬件功能配置和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電廠的分散控制、電廠調(diào)度、電網(wǎng)自動化等。這么一個強(qiáng)大的軟件系統(tǒng)是如何運(yùn)行的呢？我們以仿真為例，XDPS系統(tǒng)仿真是建立在虛擬DPUB礎(chǔ)上的，所謂DPU旨的是分布式處理單元，它是WDP高

16、速數(shù)據(jù)公路上的一個站。有時，DPU又被稱為多用途控制器MAC（MultiApplicationController）。它能執(zhí)行工程師組態(tài)的控制策略，它既可實(shí)現(xiàn)離散梯形邏輯控制，也能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)控制。DPUW執(zhí)行70多種特殊功能及150多種過程控制算法；止匕外，它還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、標(biāo)度變換、報警限值檢查、操作記錄、順序事件記錄等功能。虛擬DPU顧名思義，即通過計算機(jī)模擬，來實(shí)現(xiàn)控制單元的仿真過程。下面將側(cè)重論述XDP繇統(tǒng)虛擬DPUS我們工作和生活的應(yīng)用，具體解讀它是怎么實(shí)現(xiàn)仿真的。第一步：安裝虛擬網(wǎng)卡1 .打開控制面板，切換到經(jīng)典模式2 .雙擊“添加硬件”，打開“添加硬件向?qū)А? .點(diǎn)擊“下一步

17、”4 .選擇“是，我已經(jīng)連接了此硬件”5 .選擇“添加新的硬件設(shè)備”，然后點(diǎn)擊“下一步”6 .選擇“安裝我手動從列表選擇的硬件（高級）（M）”，點(diǎn)“下一步”7 .選擇“網(wǎng)絡(luò)適配器”，點(diǎn)“下一步”8,左側(cè)框里選擇“Microsoft”，右側(cè)框里選擇“MicrosoftLoopbackAdapter”，點(diǎn)擊“下一步”10 .點(diǎn)擊“下一步”11 .點(diǎn)“完成”，完成虛擬網(wǎng)卡的安裝第二步：配置虛擬網(wǎng)卡IP1 .右鍵點(diǎn)擊桌面上“網(wǎng)上鄰居”，打開網(wǎng)絡(luò)連接對話框2 .右鍵點(diǎn)擊新安裝的虛擬網(wǎng)卡，選擇“屬性”，打開屬性對話框3 .雙擊“Internet協(xié)議（TCP/IP）”選項(xiàng)，打開IP配置的對話框4 .填入IP

18、地址222.222.221.1（隨意，只要符合IP地址的一般規(guī)則就行，也可以照圖做），子網(wǎng)掩碼是255.255.255.05 .點(diǎn)“確定”-“確定”完成虛擬網(wǎng)卡的IP配置第三步：配置xnet.ini文件在電腦的C:windowssystem32目錄下，找到xnet.ini文件，雙擊用記事本打開（或者開始-運(yùn)行一輸入xnet.ini-即用記事本打開了xnet.ini文件），修改里面的虛擬網(wǎng)卡IP地址，改為222.222.221.1,子網(wǎng)掩碼是255.255.255.0。第四步：設(shè)置虛擬DPU（VDPU打開D:xdps6.0bin復(fù)制VDPUfc件夾，粘貼兩次,分別命名為VDPU16VDPU1衲個

19、文件夾，再分別打開這兩個文件夾，修改其中的Vdpu.cfg文件（用記事本打開修改），把NOD敢據(jù)改為對應(yīng)的16、17。這樣就完成了虛擬DPUB設(shè)置了，當(dāng)然如果你需要使用到更多虛擬DPU勺話，可以多復(fù)制幾次，不過要記得修改其中的Vdpu.cfg文件。第五步：導(dǎo)入項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件1 .將電廠的項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件復(fù)制到D:xdps6.0文件夾下，例如，我電腦上的某電廠的數(shù)據(jù)文件夾就叫“data”；2 .“data”項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件夾里一般至少含有如下三個文件夾（ENGFIG、LIB）;3 .其中我電腦上這個電廠的ENGt件夾里有如下文件，其中畫圈的兩個文件是對初學(xué)者來說比較重要的，Mminode.cfg為netwin軟件啟動設(shè)置的配置文件，show.ini為DCS!面顯示的配置文件；4 .放置好項(xiàng)目數(shù)據(jù)文件以后，打開“開始”一“運(yùn)行”一輸入“xdb.ini"-打開xdb.ini文件，其中的UserPath=D:xdps6.0data是項(xiàng)目數(shù)據(jù)的路徑，這里根據(jù)你電腦上項(xiàng)目數(shù)據(jù)放置的。第六步：使用虛擬DPU習(xí)XDPS（統(tǒng)1 .打開D:xdps6.0bin中VDPU16VDPU1新個文件夾其中的一個，我們打開VDPU16;2 .開啟Vdpu程序（對應(yīng)16號Vdpu）;3 .開啟XDPSNetWin主程序，現(xiàn)在看到網(wǎng)絡(luò)A通了；4 .點(diǎn)擊DPU&態(tài)，我們用的是16號Vdpu,因此DPU