锅炉汽包液位的三冲量调节

《过程控制》课程设计报告

题目: 锅炉汽包液位的三冲量调节

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2010年12月10日

《过程控制》课程设计任务书

指导教师签字：系（教研室）主任签字：

2010年12 月4 日

1 问题重述

锅炉汽包液位是锅炉运行中一个重要的监控参数，反映了锅炉负荷与给水的平衡关系，要求汽包液位控制在一定范围内。锅炉汽水系统结构如图1 所示。

图1锅炉汽水系统

1—给水泵；2—给水母管；3—调节阀；4—省煤器

5—锅炉汽包；6—下降管；7—上升管；8—蒸汽母管汽包液位过高会造成蒸汽带水，影响汽水分离效果；水位过低容易使水全部被汽化烧坏锅炉。影响汽包液位的因素，除了加热汽化外，还有蒸汽负荷和给水流量的波动，当负荷突然增大、汽包压力突然降低时，水就会被急剧汽化，出现大量气泡，形成“虚假液位”。

单冲量控制系统的负荷一旦急剧变化就会出现虚假液位，因液位升高，调节器就会关小供水阀门而造成事故。双冲量控制系统，是在单冲量控制系统的基础上加上一个蒸汽冲量，以克服虚假液位。三冲量调节系统，它是在双冲量控制系统上再加上一个给水流量的冲量。由蒸汽流量、给水流量前馈与汽包液位反馈所组成的三冲量控制系统，如下图所示。

三冲量控制系统框图

D W H a a a 、、分别为蒸汽流量变送器、给水流量变送器、差压变送器的转换系数。已知某供汽量为120t/h 的锅炉，给水流量与水位的传递函数1()G S ，蒸汽流量与水位的传递函数2()G S 分别为：

1()0.0529()()(8.51)H S G S ==W S S S + (1)

22() 2.6130.0747()()(6.71)H S G S D S S S ==-+ (2)

D W H a a a 、、分别为：0.0667，0.0667及0.0333。调节阀采用线性阀，增益为15。

试用PID 、模糊PID 控制等方法实现对锅炉液位的控制。

要求：

1、超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好；

2、给出控制策略和选定参数，并详细说明参数整定过程；

3、给出MATLAB 下的仿真曲线。

4、给出硬件实现方案，包括控制器和检测回路芯片的具体型号。

2.采样周期T 的选择

采样周期在计算机控制中是一个重要的参数。从信号保真度看，采样周期不宜太长，即采样频率不应该过低。Shannon 采样定理给出了下限角频率ωs ≧2max ω，max ω为原信号的最高频率。采样周期应尽可

能的短，以使采样后的离散信号可以近似于连续信号，数字控制具有接近于连续控制系统的质量。但采样频率过高，将使得数据存数容量加大，计算工作量加大，并且采样频率高到一定程度，对系统性能的改善效果并不显著。所以，我们要找到一个最佳的采样周期。综合各种因素考虑，我们选择采样周期T=0.02s

3. 汽包锅炉水位控制系统的设计

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。

根据课程设计的要求，本文着重研究三冲量控制系统的方案设计。

如下图所示的三冲量串级控制系统框图中，主调节器接受水位信号作为主控信号和蒸汽流量信号去控制副调节器的给水设定值，副调节器除了接受主调节器的设定信号外，还接受给水流量信号。蒸汽流量信号作为前馈信号对给水流量进行前馈控制，当蒸汽负荷突然发生变化时，蒸汽流量信号使给水调节阀立即向正确的方向移动，即当蒸汽流量

增加时，给水调节阀开大，从而抵消了由于虚假水位引起的反向作用，因此减少了水位和给水流量的波动幅度。给水流量信号作为调节阀动作后的反馈信号，能使控制器及早知道控制的效果，做出相应的调整。

由题目我们可以得知上图中的参量：

给水量与水位的传递函数： 10.0529G ()(8.51)

s s s =+ 蒸汽流量与水位的传递函数：222.6130.0747()(6.71)G s s s =

-+ 蒸汽流量变送器的转换系数：0.0667D α=

给水流量变送器的转换系数：0.0667W α=

压差变送器的转换系数： 0.0333H α=

下面我们用衰减曲线法进行主回路中PID 控制器的参数整定。 将上面的系统框图进行简化，我们可以得到如下框图:

使用Matlab 进行系统仿真，置PID 调节器积分时间I T 为最大，微分时间D T 为零，比例带为较大值，使设定值为阶跃响应，观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则减小比列带；反之，系统响应衰减过慢，应增大比例带。如此反复，直到系统出现如下图所示的4:1衰减振荡过程。可以得到，此时的比列带s δ=0.05和振荡周期s T =70数值。

衰减率4:1的振荡响应过程曲线

根据经验，我们的控制器使用PI 控制规律，再由课本表3.4的衰减曲线法整定计算公式可得:

1.2 1.20.050.06s δδ==⨯=

0.50.57035I s T T s ==⨯=

所以我们得到： 1116.70.06p k δ=== 16.70.020.00135

p I I k T k T ⨯=

== 即差分方程： ()()(1)[()(1)]()16.7[()(1)]0.001()p I u k u k u k k e k e k k e k e k e k e k ∆=--=--+=--+

4. 锅炉汽包水位的Matlab 仿真

串级三冲量控制系统的SIMULINK 仿真模型如下图所示。

串级三冲量控制系统SIMULINK 仿真模型

主控制器参数为1

116.70.06p k δ===，16.70.4835p I I k k T ===，调节阀参数为=15，仿真时间设为1000s ，加单位阶跃信号，并分别在400s 和700s 分别加给水流量扰动和蒸汽流量扰动，最终得到的响应曲线如