基于Matlab锅炉仿真

内蒙古科技大学MATLAB课程设计任务书2012
题目：锅炉汽包水位控制系统
学生姓名：***
学号：**********
专业：测控技术与仪器
班级：2009-1
指导教师：梁*
锅炉是化工、炼油、发电、造纸和制糖等工业生产过程中必不可少的重要动力设备。

锅炉往往成了不少工厂不可缺少的一部分，因而，对锅炉设备中的自动控制系统进行分析研究是必要的。

锅炉是全厂重要的动力设备，其要求是供给合格蒸汽，使锅炉蒸汽量适应负荷的需要。

为此，生产过程的各个主要工艺参数必须严格控制。

锅炉水位控制系统是过路生产控制系统中最重要的环节。

锅炉是一种特种设备，是工业生产中的常用设备。

对锅炉生产操作如果不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故。

这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

而对水位的控制不当，往往是汽包受到蒸汽负荷干扰后，产生虚假水位，使控制器反向动作。

本文在分析了锅炉汽包水位特性的基础上，梳理了控制系统的几种方案，对其中的第三种方案进行了Matlab仿真。

关键词：锅炉；汽包水位控制；仿真；控制策略
I
绪论 (1)
0.1锅炉的简介 (1)
0.2虚假水位的形成及对策 (2)
第一章锅炉汽包水位的动态特性 (3)
1.1给水流量作用下的动态特性 (3)
2.2蒸汽流量作用下的动态特性 (3)
第二章汽包锅炉水位控制系统的设计 (5)
2.1概述 (5)
2.2单冲量控制系统 (5)
2.3双冲量控制系统 (6)
2.4三冲量控制系统 (7)
第三章锅炉汽包水位的MATLAB仿真 (8)
3.1仿真软件功能概述 (8)
3.2汽包锅炉水位控制系统的仿真 (8)
3.2.1 参数设定 (9)
3.2.2 仿真结果 (10)
3.2.3 仿真结果分析 (10)
总结 (11)
参考文献 (12)
绪论
0.1 锅炉的简介
21世纪自动控制技术在工程和科学发展中起着极为重要的作用，热力发电厂的生产过程中也毫无例外的采用了自动控制技术。

在热力发电厂的生产过程中采用的热工自动控制系统，是伴随着社会对电能需求的日益增加、单机容量的日益扩大和自动控制技术在热力发电厂中应用的深度与广度与日俱增而逐步发展起来的。

锅炉是一种既受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。

对过滤生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。

工业锅炉中常见的事故有：锅炉缺水，锅炉超压，锅炉满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二次燃烧，锅炉灭火等。

其中以锅炉缺水事故比例最高。

这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要参数，同时锅炉汽包水位高度关系着汽水分离的速度和生产蒸汽的质量。

随着科学技术的飞速发展，现代锅炉要向蒸发量大，汽包容积相对减小的方向发展。

这样，要使锅炉的蒸发量随时适应负载设备的需要量，汽包水位的变化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包满水，或者烧成干锅。

在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。

无论满水或缺水都会造成事故。

因此，必须对汽包水位进行自动调节，将水位严格控制在规定的范围之内。

维持锅炉水位在一定的范围内变化，是汽机和锅炉安全经济运行的重要条件。

若水位过高，会影响汽包的汽水分离装置的正常工作，导致锅炉出口蒸汽带水和含盐量过大，使过热器受热面结垢甚至破坏，影响机组的正常运行和经济性指标。

若汽包水位过低，会使锅炉水循环工况破坏，造成水冷壁供水不足而烧坏。

随着锅炉参数的提高和容量的扩大，对给水控制提出了更高的要求。

随着锅
炉容量的增大，锅炉负荷变化对水位的影响加剧了。

另外，锅炉工作压力的提高，使给水调节阀和给水管道系统相应复杂，调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。

因此，随着汽包锅炉朝着大容量、高参数的发展，给水系统采用自动控制是必不可少的，它可以保证水位控制的准确性，保证锅炉运行的安全可靠，而且大大减轻运行工作人员的工作强度，减少人为因素的影响。

0.2 虚假水位的形成及对策
虚假水位是锅炉运行时不真实的水位。

虚假水位的产生是由于当汽包压力突降时，炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度，使炉水大量放出热量来进行蒸发。

于是炉水内的汽泡增加，汽水混合物体积膨胀，使水位不是下降而是很快上升，形成虚假水位。

当汽包压力突升时，则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水，而用来蒸发炉水的热量则减少，炉水中汽泡量减少，使汽水混合物的体积收缩，使水位不是上升而是很快下降，形成虚假水位。

此外当锅炉内热负荷增加或骤减时，水的比容将增大或减小，也会形成虚假水位。

锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时，都会产生虚假水位。

在负荷突然变化时，汽压也相应变化，这时将会出现虚假水位。

负荷变化速度越快，虚假水位越明显。

如遇汽轮机甩负荷，汽压突然升高，水位将瞬时下降；运行中燃烧突然增强或减弱，引起汽泡量突然增大或减少，使水位瞬时升高或下降；安全阀起座时，由于压力突然下降，水位瞬时明显升高；锅炉灭火时，由于燃烧突然停止，锅水中汽泡产量迅速减少，水位也将瞬时下降。

在输入端引入蒸汽流量信号，设置水位系统的前馈调节，于是当蒸汽流量增大时，给水量随之增大，给水量增多，水温又较低，有利于克服“虚假水位”的影响。

第一章 锅炉汽包水位的动态特性
1.1给水流量作用下的动态特性
根据物料不平衡和热平衡的关系，锅炉汽包水位调节对象的动态特性方程经推导，可简化成：⎪⎭⎫ ⎝⎛+-⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+D D D D W W W W U K dt dU T U K dt dU T dt dh T dt h
d T T 1222
1 （2-1） 式中：h 为汽包水位的高度；
W T 为给水流量项的时间常数；
D T 为蒸汽流量项的时间常数；
D K 为蒸汽流量项的放大倍数； 1T 、2T 为时间常数。

同时D U 、W U 的式子如下：MAX D D D U ∆=MAX W D W U ∆= （2-2） 式中：D 为锅炉蒸汽流量；
W 为锅炉给水流量。

可见，引起汽包水位变化的扰动主要是蒸汽流量（称为外扰动）和给水流量（称为外扰动），因此，在给水流量作用下的汽包水位调节对象的运动方程式可表示为：W W W W U K dt
dU T dt dh T dt h d T T +=+12221 （2-3） 两边取拉氏变换，结合工程实际忽略较小的，并考虑到汽包水位在较长一段时间里不随给水量的增加而增加。

因此，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型如下：()()()()
S T S K S U S H S G a W W +==11 （2-4） 通过现场数据的采集和数据的分析处理，最终，可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型为：()()()()()S S S T S K S U S H S G a W W 15105.011+=+==
（2-5）
2.2蒸汽流量作用下的动态特性
同理，可得到在外扰动下，汽包水位调节对象的动态特性方程为：
⎪⎭
⎫ ⎝⎛+-=+D D D D U K dt dU T dt dh T dt h d T T 12221 （2-6） 对上式方程进行拉氏变换，并令()12T T T K K D D -=、D K T T 1= 得到锅炉汽包水位
在蒸汽流量作用下的动态数学模型如下：()()()TS
S T K S U S H S G D D 112-+== （2-7） 经过对现场数据的分析和处理，最终可得到锅炉汽包水位在蒸汽流量作用下的动态数学模型为：()()()S
S TS S T K S U S H S G D D 05.01155112-+=-+==
（2-8）
第二章汽包锅炉水位控制系统的设计
2.1概述
汽包水位的控制问题伴随着锅炉的出现而出现，长久以来一直是控制领域的一个典型的难问题。

随着控制理论、控制技术和现代控制方法的发展，锅炉自动化控制的水平也在逐渐提高。

其间主要经历了上世纪三四十年代单参数仪表控制，四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制，以及六十年代兴起的计算机控制等几个阶段。

通常有如下几种方案：
(1)单冲量控制系统。

即汽包水位的单回路水位控制系统；
(2)双冲量控制系统。

即在单冲量系统的基础上引入了蒸汽流量信号；
(3)三冲量控制系统。

是在双冲量系统的基础上再引入给水流量信号而构成。

2.2单冲量控制系统
单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号，冲量即变量。

水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值H与给定值H
的
偏差，通过执行器去控制给水调节阀以改变给水量，保持汽包水位在允许的范围内。

系统框图为图2-1所示。

图2-1 单冲量控制系统框图
这种控制系统结构简单，是典型的单回路定制控制系统。

对于水在汽包内的停留时间较长，且负荷又比较稳定，“虚假水位”现象不严重的情况下，采用单冲量控制系统，进行PID调节一般就能满足生产要求。

单冲量汽包水位调节的优点是：系统结构简单，在汽包容量比较大、水位在受到扰动后的反应速度比较慢、“虚假水位”现象不很严重的场合，采用单冲量
水位调节时能够满足生产要求。

单冲量汽包水位调节存在着一些缺点，主要有：
（1）单冲量控制方案只根据水位信号控制给水量，在锅炉负荷变化大，即阶跃扰动很大时，由于锅炉的“虚假水位”现象，例如负荷蒸汽增加时，水位一开始先上升，调节器只根据水位作为控制信号，就去关小阀门减少给水量，这个动作对锅炉流量平衡是错误的，从而在过程一开始就扩大蒸汽流量和给水流量的波动幅度，扩大了进出流量的不平衡。

（2）从给水扰动下水位变化的动态特性可以看出，由于给水压力变化等原因造成给水量变化时，调节器要等到水位变化后才开始动作，而在调节器动作后又要经过一段滞后时间才能对汽包水位发生影响，因此必将导致汽包水位波动幅度大，过程时间长。

2.3双冲量控制系统
在汽包的水位控制中，最主要的扰动是负荷的变化。

双冲量控制系统是以锅炉汽包水位测量信号作为主控信号，以蒸汽流量信号作为前馈信号构成的“前馈-反馈”控制系统。

系统框图为图2-2所示。

图2-2 双冲量控制系统框图
双冲量控制系统的优点是：引入蒸汽流量前馈信号可以消除“虚假水位”所引起的不良影响。

当蒸汽量变化时，就有一个给水量与蒸汽量同方向变化的信号，可以减少或抵消由于“虚假水位”现象引起的假水位；引入蒸汽流量前馈信号，能够改善控制系统的静态特性，提高控制质量。

双冲量控制系统存在的问题是：对于给水系统的扰动不能直接补偿，当给水量发生扰动时，要等到汽包水位信号变化时才能通过调节器操作执行调节，滞后时间长，水位波动大。

2.4三冲量控制系统
三冲量锅炉汽包给水自动控制系统，是以汽包水位H为主控制信号，蒸汽流量D为前馈控制信号，给水流量W为反馈控制信号组成的控制系统。

三冲量控制系统采用蒸汽量进行前馈控制。

当负荷（蒸汽流量）突然发生变化，蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正方向移动，即当蒸汽流量增加时，给水调节阀开大，抵消了由于“虚假水位”引起的方向误动作。

如给水流量减少，调节器立即根据给水流量减少的信号，开大给水阀，从而使给水量保持不变。

另外，给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号，能使调节器及早知道控制的效果，所以使用三冲量控制系统，能使调节器动作加快，还可以避免调解过量，减少水位波动，防止失控。

系统框图为图2-3所示。

图2-3单级三冲量控制系统框图
从系统框图可以看出，单级三冲量控制系统有两个闭合回路：一个是由给水流量W、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路；另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。

蒸汽流量D及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内。

但它的引入可以改善控制质量，且不影响闭合回路工作的稳定性。

所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。

单级三冲量控制系统具有如下优点：相对单冲量和双冲量控制系统，其控制品质最好，能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求，能有效地避免“虚假水位”现象。

与单冲量和双冲量相比，最大的不足是，系统成本高，系统复杂，不容易整定。

第三章锅炉汽包水位的Matlab仿真
3.1仿真软件功能概述
Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。

在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上优点Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。

同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被要求应用于Simulink。

Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。

Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。

为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。

对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。

.
构架在Simulink基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。

Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义
3.2汽包锅炉水位控制系统的仿真
仿真分析涉及到高次微分方程的求解，因此系统的仿真必须选用一个好的软
件。

MATLAB 具有强大的矩阵运算能力和完美的图形可视化功能，成为国内外控制界首选的计算机工具，其控制系统工具箱（Control system Toolbox ）可进行锅炉汽包水位控制系统仿真。

因此，本课题在建模后选择使用MATLAB 软件进行仿真。

MATLAB 的构件Simulink 直接对动态系统模型仿真，其图形化设计界面使得建立系统模型的工作更直观和方便。

它是一个用于动态系统建模、仿真和分析的软件包，它可以完成连续、离散和混合的线性或非线性系统的仿真，也能完成多种采样数率的系统仿真。

Simulink 为用户提供了用方块图进行建模的图形接口，与传统仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更大的优势，它不但可以用于系统仿真、分析和设计，也实现了与MATLAB 、C 或者Fortran 甚至硬件之间的数据传递，大大地扩展了其功能。

在数字仿真方面，Simulink 给出了多种仿真算法。

3.2.1 参数设定
仿真模型采用蒸发量为670t/ h 的锅炉汽包对象，
给水流量W 与水位L 的传递函数为)15.8(0529.0)()(+=
s s s W s L ；
蒸汽流量D 与水位L 的传递函数为
s s s D s L 0747.0)17.6(613.2)()(2-+=； 执行器传递函数为13895.05
.4)(+=s s G ； 给水流量变送器传递函数为
13.005
.0)(+=s s G W ； 汽包水位变送器传递函数为136.005
.1)(+=s s G l ； 动态前馈补偿器传递函数为
136.005
.0)(+=
s s D f ； 给定水位为0.3米。

3.2.2 仿真结果
针对锅炉汽包水位控制系统的汽包水位的输出进行仿真分析，所建立的系统Simulink仿真框图如图3-1所示。

图3-1 系统Simulink仿真框图
所建立的系统Simulink仿真曲线如图3-1所示。

图3-2 系统Simulink仿真曲线
3.2.3 仿真结果分析
从响应曲线可以看出，单冲量控制系统超调大，响应较慢，快速性差，抗干扰能力较差。

控制性能远不及三冲量控制系统。

而串级三冲量控制系统在快速性、抗干扰性上也较单级三冲量控制系统更加优越，响应曲线更加平稳，对蒸汽流量扰动的抑制也更强。

总结
通过这一学期对这门课的不断学习和深入了解，使我真正的明白这门课对系统的设计的重要性。

如果经过模拟仿真实验就进行直接实验，不但提高系统的研发效率，减少系统设计中的调试时间，增强系统的安全稳定性，以至于减少在系统研发中的资金投入。

因此我们学习这门课对我们以后的发展有很大的帮助，做课程设计不仅巩固了课本所学过的知识，增加实践经验，同时还学到了很多在书本上所没有学到过的内容。

这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，理论的知识有时候比较抽象，使我们很难理解，如果把两者结合起来，这样理解一些知识就比较容易了。

通过本次课程设计提高了自己的实际动手能力和独立思考的能力。

这为以后的工作打下了良好的基础，做设计也可以发现自己的很多不足之处，我们在以后的学习中要时刻的弥补自己的缺点。

参考文献
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