1、1工业锅炉汽包水位控制系统工业锅炉汽包水位控制系统 班级：自动化班级：自动化065班班 学号：学号：060601140513姓名：张进姓名：张进2第第1章章 概述概述 锅炉是工业过程中不可缺少的动力设备。汽包水位是锅炉运行的主要指标，汽包水位过高过低都会影响运行的安全与经济性，必须严格加以控制。 本文主要是用Matlab对锅炉汽包水位控制系统进行仿真研究。建立了锅炉汽包水位对象的数学模型和控制系统，并用Matlab语言在计算机上编制锅炉汽包水位控制系统的仿真程序。最终了解了汽包水位对象特性、整定出了最佳PID参数、总结出了各种控制方案的特点与适用场合。 3锅炉设备的主要工艺流程图锅炉设备的主要
2、工艺流程图 4给水流量作用下水位阶跃响应给水流量作用下水位阶跃响应 控制通道数学模型为控制通道数学模型为 0( )e( )ssWH SSQ 式中式中 0 给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞给水流量作用下，阶跃响应曲线的飞升速度；升速度； 纯滞后时间。纯滞后时间。 给水温度越低， 纯滞后时间给水温度越低， 纯滞后时间越越大。大。 把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线把汽包和给水看作单容无自衡对象，水位响应曲线如图中如图中 H1线线 第第2章章 锅炉汽包水位特性及其控制系统分析锅炉汽包水位特性及其控制系统分析2.1 锅炉汽包水位特性分析2.1.1汽包水位给水量作用下的动态特性5蒸汽流量扰动下
3、水位阶跃响应蒸汽流量扰动下水位阶跃响应 H1：考虑水面下汽泡容积变化时水位变化曲线H2：只考虑水面下汽泡容积变化所引起水位变化曲线12HHH12( )( )( )( )( )( )SSSH SHSH SSSSQQQf1KsT s 干干扰扰通通道道的的数数学学模模型型为为： f( )( )s1SKH SSTsQ 式式中中 f在在蒸蒸汽汽流流量量作作用用下下， 阶阶跃跃响响应应曲曲线线的的飞飞升升速速度度； K、T分分别别为为只只考考虑虑水水面面下下汽汽泡泡容容积积变变化化所所引引起起水水位位变变化化H2的的放放大大倍倍数数和和时时间间常常数数。 2.1.2 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性6单
4、冲量控制系统原理图及方块图 典型的单回路定值控制系统。 单冲量汽包水位调节的特点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动时反应速度比较慢、 “虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量水位调节是能满足生产要求的。 2.2 锅炉给水控制系统分析7双冲量控制系统原理图及方块图双冲量控制系统原理图及方块图 在汽包水位的控制中，最主要的干扰是负荷的变在汽包水位的控制中，最主要的干扰是负荷的变化。如果根据蒸汽流量来化。如果根据蒸汽流量来起校正作用，就可以纠正假水起校正作用，就可以纠正假水位引起的误动作，而且使控制阀的动作更加位引起的误动作，而且使控制阀的动作更加及时，从而及时，从而减少水位的波动
5、， 改善控制品质。 将蒸汽流量信号引入，减少水位的波动， 改善控制品质。 将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统，上图是典型的双冲量控制系统就构成双冲量控制系统，上图是典型的双冲量控制系统原理及方块图。原理及方块图。 a）原理图）原理图b）方块图）方块图8a）原理图）原理图 b）方块图）方块图 三冲量控制系统原理图及方块图三冲量控制系统原理图及方块图 三冲量控制系统原理图和方框图如上图所示。这是前馈与串级控制组成的复合控制系统。 9MATLAB仿真软件简介仿真软件简介 MATLAB环境下的SIMULINK是Mathworks公司开发的一个有重要影响力的软件产品。可以方便地利用鼠标在模型窗口上
6、画出所需系统模型图，来对系统进行建模、仿真和分析，从而使一个复杂系统模型的建立和仿真变得相当简单和直观。 在本文中的实际控制系统中，干扰信号、给定值以及测量液位仪表的输出都是电信号，其范围都转换成15V，变化范围是4V。在仿真实验中，加入25%的干扰，即干扰值为1，表示实际的1V。在本文中液位输出显示范围都统一为-22。 下面首先是对锅炉汽包水位对象的仿真研究。10TransportDelayTransfer Fcn0.5sStepScopeGain1/70a）控制通道仿真程序Transfer Fcn5020s+1StepScopeIntegrator1sGain 10.6Gain1/70b）
7、干扰通道仿真程序由 控 制 通 道 传 递 函 数0()e()sWHSSsQ 干 扰 通 道 传 递 函 数f()()s1SKH SST s Q 得 到 了 上 面 的 仿 真 程 序 。 选 取 如 下 一 组 数 据 作 为 特 性 参 数 ：0 =0.5(mm/s)/(t/h)，=100s，f =0.6(mm/s)/(t/h)， K=50， T=20s 11a）给水流量干扰下水位的阶跃响应 b) 蒸汽流量干扰下水位的阶跃响应图 a）是控制通道阶跃响应仿真结果，当给水流量突然增加 25%，汽包水位并不立即增加，而是延迟一段时间（100 秒） ，这个时间是纯滞后时间。图 b）是干扰通道阶跃响
8、应仿真结果，蒸汽流量突然增加 25%，在开始阶段水位不但不下降，反而先上升，然后下降，这是虚假液位现象。 12a)K=100时仿真结果 b)K=50时仿真结果C)K=5时仿真结果 d)K=1时仿真结果分别取K=100，K=50，K=5和K=1，仿真结果左图所示。4个个图比较，可以发图比较，可以发现现K越大假液位越大假液位现象越严重且持现象越严重且持续时间越长。续时间越长。当K小于1时，假液位现象基本消失。13a)T=150时仿真结果 b)T=100时仿真结果c)T=1时仿真结果 d)T=0.1时仿真结果可以看出T越小，假液位上升越快，假液位现象也越严重。在T 小于100大于 1的范围内较明显。
9、当T大于等于100时，虚假液位现象基本消失。当T小于1时，假液位对输出幅值和液位上升速度的影响没有太大区别。 14由此可知，影响锅炉汽包液位特性的参数主要K和T和纯滞后时间。K对假水位现象影响最为明显对假水位现象影响最为明显，K越大假液位现象越严重且持续时间越长。T对假水位幅值影响较小，而对假水位上升速度影响很大。对于滞后时间，越大，滞后时间越长，反之越短。a)=150 时仿真结果 b)=50 时仿真结果 15TransportDelayTransfer Fcn 10.5sTransfer Fcn5020s+1Step2Step1ScopePID ControllerPIDMuxMuxInte
10、grator 11sGain 10.02Gain0.6Constant0单冲量控制系统仿真程序 16a）在25%蒸汽流量干扰下P=1，I=0，D=0时仿真结果 b)在25%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0，D=0时仿真结果 c)在25%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00001，D=0时仿真结果 d)在25%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00005，D=0时仿真结果17a)在25%蒸汽流量干扰下P=0.0165，I=0.00005，D=0.6时仿真结果b) 25%给水流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 C)25%蒸汽流量和给水流量同向共同干扰
11、仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 d)25%蒸汽流量和给水流量反向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 18TransportDelayTransfer Fcn 10.5sTransfer Fcn5020s+1Step2Step1ScopePID ControllerPIDMuxMuxIntegrator 11s0.020.6Constant110C20.85C11C00.85双冲量控制系统的仿真程序 相比单冲量控制系统，将蒸汽流量信号引入，就构成双冲量控制系统 19a）25%蒸汽流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 c
12、)25%给水流量干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 c)25%蒸汽流量和给水流量同向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 d)25%蒸汽流量和给水流量反向共同干扰仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 20TransportDelayTransfer Fcn 10.5sTransfer Fcn5020s+1Step2Step1Scope2Scope1PID Controller 1PIDPID ControllerPIDMuxMuxMuxMuxIntegrator 11sGain10.02Gain0.6Constant 11Co
13、nstant0C31C21C11C01三冲量控制系统的仿真程序相比双冲量控制系统引入了给水流量信号，构成三冲量控制系统 21a)25%给水流量干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0 b)25%给水流量干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.6 c)25%蒸汽流量干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0d)25%蒸汽流量干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001， D=0.6 22a)25%给水流量和蒸汽流量同向共同干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0 b)25%给水流量和蒸汽流量同向共同干扰主回路仿真结果P=0.0165
14、，I=0.0001，D=0.6c) 25%给水流量和蒸汽流量反向共同干扰副回路仿真结果P=1000，I=1000，D=0 d)25%给水流量和蒸汽流量反向共同干扰主回路仿真结果P=0.0165，I=0.0001，D=0.623 由以上对单、双、三冲量控制系统的仿真研究，可知：（1）单冲量控制系统不能克服给水流量和蒸汽流量的干扰。（2）双冲量控制系统引入蒸汽流量的前馈信号，能够克服蒸汽流量的干扰，改善了系统的控制品质。（3）三冲量控制系统克服了上述缺点，在蒸汽流量和给水流量共同影响下，能得到令人满意的控制效果。24本文从仿真的角度出发，系统地对锅炉汽包液位控制系统进行了研究。得出以下结论： （1
15、）对于汽包水位的动态特性，特别是在蒸汽流量干扰时，产生虚假水位现象。K 越大，虚假水位现象越严重且持续时间越长。在一定范围内，T 越小，虚假水位上升越快，虚假水位现象也越严重。越大，滞后时间越长，反之越短。 （2）用经验凑试法整定 PID 控制器参数简单易行。可以整定出最佳 PID 参数。 （3）单冲量控制系统不能克服给水流量和蒸汽流量的干扰。它只适用于汽包停留时间较长， 虚假水位现象不显著的小型锅炉。 双冲量控制系统可以及时纠正负荷干扰下的假水位引起的调节阀的误动作， 减小汽包水位的波动。 但是仍不能克服给水流量的干扰。 三冲量控制系统克服了上述缺点， 对于给水的扰动也能够及时克服，在蒸汽流量和给水流量共同影响下，能得到令人满意的控制效果。 结结 论论25谢谢谢谢请各位老师批评指正
