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1、南華大學(xué) 過程控制儀表課程設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)題目 鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 _________歐鵬___________ 專業(yè)班級(jí) _______自動(dòng)化1201________ 學(xué) 號(hào) ________20124460140______ 指導(dǎo)老師 __ ____劉沖______________ 摘 要 鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國(guó)各種類型的鍋爐有幾十萬(wàn)臺(tái)，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而

2、汽包水位是工鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對(duì)于高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有要意義。 鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對(duì)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因?yàn)楝F(xiàn)代鍋爐的特點(diǎn)之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對(duì)變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險(xiǎn)的，這是因?yàn)樗贿^低，就會(huì)影響自然循環(huán)的正常進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使個(gè)別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動(dòng)停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會(huì)造成事故，因此，必須嚴(yán)格控制水位在規(guī)定范圍之內(nèi)。

3、 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 汽包水位的控制是鍋爐控制的一個(gè)難點(diǎn)，目前

4、，對(duì)汽包水位控制大多采用常規(guī)PID控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是根據(jù)控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得而且常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種擾動(dòng)及對(duì)象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。 目錄 1． 緒論 1 1.1鍋爐的工作過程簡(jiǎn)介 1 1.2鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的意義 2 1.3鍋爐液位控制的難點(diǎn) 2 2. 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3 2.1概述 3 2.2單沖量控制系統(tǒng) 3 2.3雙沖量控制系統(tǒng) 4 2.4三沖量控制系

5、統(tǒng) ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.4.1單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 2.4.2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 3. 鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模 7 3.1給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 7 3.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 8 3.4串級(jí)三沖量的框圖 9 4.硬件選擇 4.1流量傳感器選擇 10 4.2水位傳感器選擇 10 4.3電機(jī)的選擇 10 4.4接觸

6、器的選擇 10 4.5閥的開閉選擇形式 10 5. PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真 11 5.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建 12 5.2串級(jí)三沖量PID參數(shù)的整定 13 5.3仿真分析 14 總結(jié). 15 參考文獻(xiàn). 16 1． 緒論 1.1鍋爐的工作過程簡(jiǎn)介 鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。 鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的?！板仭本褪清仩t的汽水系統(tǒng)

7、，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。 圖1.1 鍋爐的汽水系統(tǒng)

8、 “爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。 1.2鍋爐汽包水位自動(dòng)控制的意義 鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內(nèi)

9、。 維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會(huì)使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會(huì)使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對(duì)汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 1.3 鍋爐液位控制的難點(diǎn) 液位的控制技術(shù)是通

10、過控制進(jìn)水或出水閥門的開度，改變水流量來實(shí)現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實(shí)現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比較難于控制的一項(xiàng)。由于在鍋爐運(yùn)行過程中存在進(jìn)水量和出水量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制器參數(shù)來滿足所有的運(yùn)行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過量會(huì)導(dǎo)致流量回路動(dòng)作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額外的干擾。這樣就導(dǎo)致液位控制器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)允許液位在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能及時(shí)抑制大擾動(dòng)，這就可能引起鍋爐運(yùn)行的安全問題。另外，液位的波動(dòng)也會(huì)破壞鍋爐運(yùn)行過程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水流量，蒸汽出口流

11、量和混合燃料的進(jìn)料量。各變量都有各自不同的擾動(dòng)。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的“假水位”現(xiàn)象，使得過程暫時(shí)改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。 2 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1概述 汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長(zhǎng)久以來一直是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)歷了上世紀(jì)三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計(jì)算機(jī)控制等幾個(gè)階段。通常有如下幾種方案： (1) 單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制

12、系統(tǒng)； (2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號(hào)； (3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號(hào)而構(gòu)成。 2.2單沖量控制系統(tǒng) 單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號(hào)，沖量即變量。水位測(cè)量信號(hào)經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測(cè)量值H與給定值H0的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖2.1所示。 圖2.1單沖量控制系統(tǒng)框圖 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對(duì)于水在汽包內(nèi)的停留時(shí)間較長(zhǎng)，且負(fù)荷又比較穩(wěn)定，“虛假水位”現(xiàn)象不嚴(yán)重的情況下，采用單沖量控制系統(tǒng)

13、，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。 單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“虛假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場(chǎng)合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)時(shí)能夠滿足生產(chǎn)要求。 單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點(diǎn)，主要有： （1）單沖量控制方案只根據(jù)水位信號(hào)控制給水量，在鍋爐負(fù)荷變化大，即階躍擾動(dòng)很大時(shí)，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負(fù)荷蒸汽增加時(shí)，水位一開始先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號(hào)，就去關(guān)小閥門減少給水量，這個(gè)動(dòng)作對(duì)鍋爐流量平衡是錯(cuò)誤的，從而在過程一開始就擴(kuò)大蒸汽流量和給水流量的波動(dòng)幅度，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。 （2）從給水?dāng)_動(dòng)下水位變化的動(dòng)

14、態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時(shí)，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動(dòng)作，而在調(diào)節(jié)器動(dòng)作后又要經(jīng)過一段滯后時(shí)間 才能對(duì)汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動(dòng)幅度大，過程時(shí)間長(zhǎng)。 2.3雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包的水位控制中，最主要的擾動(dòng)是負(fù)荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測(cè)量信號(hào)作為主控信號(hào)，以蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)構(gòu)成的“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖2.2所示。 圖2.2雙沖量控制系統(tǒng)框圖 雙沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：引入蒸汽流量前饋信號(hào)可以消除“虛假水位”所引起的不良影響。當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)給水量與蒸汽量同方向變化的信號(hào)，可以減少或抵消由于“虛

15、假水位”現(xiàn)象引起的假水位；引入蒸汽流量前饋信號(hào)，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量控制系統(tǒng)存在的問題是：對(duì)于給水系統(tǒng)的擾動(dòng)不能直接補(bǔ)償，當(dāng)給水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，要等到汽包水位信號(hào)變化時(shí)才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，水位波動(dòng)大。 2.4三沖量控制系統(tǒng) 2.4.1單級(jí)三沖量控制系統(tǒng) 三沖量鍋爐汽包給水自動(dòng)控制系統(tǒng)，是以汽包水位H為主控制信號(hào)，蒸汽流量D為前饋控制信號(hào)，給水流量W為反饋控制信號(hào)組成的控制系統(tǒng)。 三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進(jìn)行前饋控制。當(dāng)負(fù)荷（蒸汽流量）突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號(hào)能使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了

16、由于“虛假水位”引起的方向誤動(dòng)作。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號(hào)，開大給水閥，從而使給水量保持不變。另外，給水流量信號(hào)也是調(diào)節(jié)器動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以使用三沖量控制系統(tǒng)，能使調(diào)節(jié)器動(dòng)作加快，還可以避免調(diào)解過量，減少水位波動(dòng)，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖2.3所示。 圖2.3單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖 從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工

17、作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。 單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對(duì)快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。 2.4.2串級(jí)三沖量控制系統(tǒng) 隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化的方向發(fā)展，對(duì)操作的要求更加嚴(yán)格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對(duì)控制的精度和功能提出新的要求。為此，需要在單回路的基礎(chǔ)上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。如圖所示的三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)器接受水位信號(hào)作為主控信號(hào)和蒸汽流量信號(hào)去控制副調(diào)節(jié)器

18、的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了接受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號(hào)外，還接受給水流量信號(hào)。蒸汽流量信號(hào)作為前饋信號(hào)對(duì)給水流量進(jìn)行前饋控制，當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然發(fā)生變化時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動(dòng)，即當(dāng)蒸汽流量增加時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動(dòng)幅度。給水流量信號(hào)作為調(diào)節(jié)閥動(dòng)作后的反饋信號(hào)，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。系統(tǒng)框圖為圖2.4所示。 圖2.4串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)框圖 在實(shí)際應(yīng)用中，由于選定的控制閥門不一樣，串級(jí)三沖量作為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也就不一樣。 3.鍋爐汽包水位的動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模 3.1給水流

19、量作用下的動(dòng)態(tài)特性 在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開始并不立即增加，這是因?yàn)闇囟容^低的給水進(jìn)入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一部分熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實(shí)上也就是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位上升。在此過程中，負(fù)荷還未變化，汽包中水仍

20、在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢(shì)。由H曲線可以清楚地看出給水被控對(duì)象內(nèi)擾的特點(diǎn)是：給水?dāng)_動(dòng)剛剛加入時(shí)，由于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過一段時(shí)間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時(shí)就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡(jiǎn)單介紹一下水位在給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)。 根據(jù)物料不平衡和熱平衡的關(guān)系，鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡(jiǎn)化成： （3.1） 式中：h為汽包水位的高度； 為給水流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽流量項(xiàng)的時(shí)間常數(shù)； 為蒸汽流量項(xiàng)的放

21、大倍數(shù)； 、為時(shí)間常數(shù)。 同時(shí)、的式子如下： 式中：D為鍋爐蒸汽流量； W為鍋爐給水流量。 可見，引起汽包水位變化的擾動(dòng)主要是蒸汽流量（稱為外擾動(dòng)）和給水流量（稱為外擾動(dòng)），因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方程式可表示為： （3.3） 兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實(shí)際忽略較小的，并考慮到汽包水位在較長(zhǎng)一段時(shí)間里不隨給水量的增加而增加。因此，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：

22、 ?。?.4） 3.2 蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 負(fù)荷變化時(shí)汽包水位的動(dòng)態(tài)特性具有特殊的形式：負(fù)荷增加時(shí)，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負(fù)荷突然減小時(shí)，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是“虛假水位”現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時(shí)（如鍋爐滅火），“虛假水位”約在2～4分鐘內(nèi)即達(dá)到最低值。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷），“虛假水位”約在20秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且，“虛假水位”達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本相同。汽輪機(jī)甩負(fù)荷擾動(dòng)下的“虛假水位”現(xiàn)象是相當(dāng)嚴(yán)重的，

23、這給組成水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。為了維持水位在允許的范圍內(nèi)，運(yùn)行中應(yīng)對(duì)負(fù)荷的一次變動(dòng)量及負(fù)荷變化速度加以限制。 同理，可得到在外擾動(dòng)下，汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性方程為： （3.5） 對(duì)上式方程進(jìn)行拉氏變換，并令、 得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： （3.6) 3.3 控制變量的確定 由于現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)比較困難，這里我們?cè)O(shè)定鍋爐的噸位為35t，并且取，，于是可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)

24、數(shù)學(xué)模型為：　 　　　　　　　　　　　　　　　　?。?.7） 　　　　最終可得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為： 　　　　　　　 　 (3.8) 　　　　　　　　　 3.4串級(jí)三沖量的框圖 給水流量 給定液位 蒸汽流量 給水流量調(diào)節(jié)器 電機(jī) 汽包 給水流量變送器 蒸汽流量變送器 蒸汽管道 液位 液位變送器 變頻器 液位調(diào)節(jié)器 圖3.2汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖 從系統(tǒng)框圖可以看出，單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路：一個(gè)是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；

25、另一個(gè)是由汽包水位對(duì)象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個(gè)閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。 4 硬件選擇 4.1流量傳感器選擇 根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測(cè)量給水流量和蒸汽流量，這兩個(gè)信號(hào)可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制質(zhì)量。上海正博自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的LUGB-99型渦街流量計(jì)是一種基于卡門渦街原理流體振動(dòng)式新型流量計(jì)，它具有測(cè)量范圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、

26、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測(cè)量。 4.2水位傳感器選擇 由于該設(shè)計(jì)的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個(gè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)水位的準(zhǔn)確測(cè)量，因此水位能否準(zhǔn)確測(cè)量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有關(guān)鍵作用。假設(shè)汽包水位應(yīng)該控制在30010 mm，根據(jù)過程控制儀表量程選擇原則：儀表量程應(yīng)該為被測(cè)量參數(shù)的4/3～3/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400～450 mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在30010 mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=2.2%FS，因此選擇該測(cè)量精度才可以滿足要求。 4.3電機(jī)的選擇 電機(jī)是鍋爐汽包供水的動(dòng)力設(shè)備，

27、電機(jī)的準(zhǔn)確選型關(guān)系到汽包能否準(zhǔn)確供水進(jìn)而影響到汽包水位的穩(wěn)定。假設(shè)控制的鍋爐蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5MP，管道直徑50mm因此可以對(duì)正常工作時(shí)電機(jī)的功率作如下估算： (4.1) 由計(jì)算結(jié)果可以知道選用功率為100Kw的三相異步電動(dòng)機(jī)完全可以滿足工作要求，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動(dòng)機(jī)，選用鼠籠型電機(jī)就可以滿足要求。濟(jì)南華力貝爾機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機(jī)專門為變頻調(diào)速設(shè)計(jì)可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380V,額定功率為100kw。 4.4接觸器的選擇 接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動(dòng)機(jī)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的

28、啟動(dòng)、停止。根據(jù)分析三相交流異步電機(jī)的最高工作電流是工作于50Hz交流電壓下，其工作電流為： (4.2) 因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求浙江宏立電器有限公司生產(chǎn)的HLC-3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50Hz或60Hz、在AC-7b使用類別額定工作電壓為230V或480V時(shí)額定電流至40A電路中，適用于起動(dòng)和控制三相交流電動(dòng)機(jī)(壓縮機(jī))及其它三相負(fù)載，選擇五套該類型接觸器同時(shí)帶動(dòng)一臺(tái)電機(jī)可以滿足設(shè)計(jì)要求。 4.5閥的開閉選擇形式 關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從安全角度考慮的，人員安全、生產(chǎn)安全、系統(tǒng)設(shè)備安全的需要為首要依據(jù)

29、。由于工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)閥絕大部分為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，所以要選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)方式。 鍋爐給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)節(jié)閥處于全開位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，避免爆炸等事故的發(fā)生。 5 PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真 5.1串級(jí)三沖量仿真電路圖的搭建 圖5.1 串級(jí)三沖量仿真電路圖 5.2串級(jí)三沖量PID參數(shù)的整定 根據(jù)工程整定及經(jīng)驗(yàn)公式法粗略估算主控制器的P=20，I=1，D=60，副控制器根據(jù)階躍擾動(dòng)信號(hào)粗略計(jì)算得到P=16，I=30，D=0.5.按照上述參數(shù)輸入控制器。得到的控制圖像如下圖5.2所示:

30、 圖5.2 控制圖像 通過圖像可以看出在該參數(shù)控制下，系統(tǒng)存在較大的超調(diào)和震蕩，因此我采用增大微分作用和減弱積分時(shí)間的方法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)參數(shù)如下圖5.3和5.4所示： 圖5.3 主控制器PID 圖5.4 副控制器PID 改進(jìn)控制參數(shù)后控制圖像如下圖5.2所示： 圖5.5改進(jìn)后控制圖像 5.3仿真分析 主回路是用于校正水位偏差的，副回路的作用則是快速消除內(nèi)擾，前饋通路用于補(bǔ)償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中給水流量擾動(dòng)是

31、內(nèi)擾，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。 前饋控制是將擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響，它是按擾動(dòng)進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動(dòng)補(bǔ)償”。由自動(dòng)控制原理知道，擾動(dòng)補(bǔ)償屬于開環(huán)控制。前饋控制對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。 前饋控制只能對(duì)于可以測(cè)量的擾動(dòng)作用進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對(duì)象與擾動(dòng)通道的特性。 從仿真效果可知，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)對(duì)各種典型影響因素的干擾均能做出快速反應(yīng)，具有較高的調(diào)節(jié)質(zhì)量和調(diào)節(jié)精度，能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障機(jī)

32、組的安全穩(wěn)定運(yùn)行 總 結(jié) 鍋爐汽包水位控制的任務(wù)是控制給水流量使其與蒸發(fā)量保持動(dòng)態(tài)平衡，從而維持汽包水位在工藝允許的范圍內(nèi)，是保證鍋爐安全生產(chǎn)運(yùn)行的必要條件。汽包水位控制系統(tǒng)是控制理論和過程控制技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的一個(gè)典型應(yīng)用案例，當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所應(yīng)用的控制方法也多是本文所論述的三沖量控制方案。大量的實(shí)踐證明三沖量控制方案在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中是切實(shí)可行的，并且取得了理想的控制效果，滿足了控制要求，對(duì)于企業(yè)提高生產(chǎn)效率、節(jié)約資源起到了明顯的作用。 通過這次過程控制課程設(shè)計(jì)，我們感觸頗深，不僅對(duì)書上學(xué)習(xí)的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)與鞏固，而且還培養(yǎng)了我獨(dú)立思考與解決問題的能力。通過將近一周的努力

33、，我終于在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了任務(wù)。是我更加深刻地理解了鍋爐液位的三沖量控制，而且將我在眾多專業(yè)課程上所學(xué)到的知識(shí)相結(jié)合，更進(jìn)一步提高了我們綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。通過課程設(shè)計(jì)將所學(xué)到的專業(yè)知識(shí)聯(lián)系在一起，我們明白了理論知識(shí)的重要性和應(yīng)用范圍的寬廣，加深了對(duì)專業(yè)、對(duì)工程設(shè)計(jì)的理解。讓我更加明白了在生產(chǎn)實(shí)際中，不能對(duì)書面的知識(shí)生搬硬套，要具體問題具體分析，才能正確快速的解決問題。另外，還讓我懂得了在設(shè)計(jì)制造的道路上，需要不斷地探索與創(chuàng)造，堅(jiān)持不懈，持之以恒。這次的設(shè)計(jì)經(jīng)歷讓我受益匪淺。 參考文獻(xiàn) 1．黃德先等.過程控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社 2．潘新民,王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù).高等教育出版社 3．王錦標(biāo).計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng).清華大學(xué)出版社 4.李士勇.智能控制論.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 5.阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社 6.李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ).清華大學(xué)出版社 第 16 頁(yè)