《鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)研究》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)研究（26頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 論文題目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)研究 姓 名: 謝振祥 學(xué) 號： 2010010297 專業(yè)班級： 10電氣自動化技術(shù) 指導(dǎo)老師： 劉寶玲 目錄 摘要 II Abstract III 第一章 緒論 1 1.

2、1選題背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1過程控制的特點(diǎn) 1 1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.2.3鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)流程簡介 3 1.2.4水位控制系統(tǒng)的意義 3 1.3本門研究內(nèi)容 4 第二章 鍋爐汽包水位控制對象數(shù)學(xué)建模 4 2.1 數(shù)學(xué)建模的建立方法 4 2.1.1機(jī)理法 5 2.1.2 實(shí)驗(yàn)法 5 2.2虛假水位的介紹 6 2.3虛假水位的影響 7 第三章 單沖量、雙沖量、三沖量控制策略 8 3.1單沖量控制系統(tǒng) 8 3.2雙沖量控制系統(tǒng) 9 3.3三沖量控制系統(tǒng) 10 3.4 SAMA圖介紹及特定實(shí)例分析 11 3.

3、4.1 汽包水位控制系統(tǒng)SAMA圖介紹 11 3.4.2特定實(shí)例分析： 14 第四章 系統(tǒng)仿真 15 4.1系統(tǒng)仿真簡介 15 4.1.1基本概念 15 4.1.2 系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì) 15 第五章 全文總結(jié) 17 參考資料 18 謝辭 19 摘要 汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位的過高過低都將影響鍋爐的正常運(yùn)行，因此對汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。影響汽包水位的因數(shù)主要有鍋爐蒸發(fā)量、給水量、爐膛負(fù)荷、汽包壓力。給水調(diào)節(jié)的任務(wù)就是使汽包水位維持在一個(gè)允許范圍內(nèi)。 本文從影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，分析了汽包水位的假水位現(xiàn)象。設(shè)計(jì)出低負(fù)荷時(shí)采用單沖量控制及高負(fù)荷

4、時(shí)采用三沖量控制給水控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真測試。從而實(shí)現(xiàn)鍋爐給水的自動化控制。 關(guān)鍵詞： 汽包水位 單沖量 三沖量 Abstract The drum water level is an essential parameter for the boilers safe operation. Both low and high level will influence boilers normal operation; therefore, it must be controlled

5、seriously. The main factors which will influence the level are the evaporating capacity of boiler, the capacity of feedwater, the furnace load and the drum pressure. The mission of feedwater regulation is to make the level keep in acceptable ranges. Based on the analysis of all kinds of factors

6、influencing the drum water level, false water level phenomenons analyzed. Low load adopting single impulse control and high load using three impulse are carried out for the feedwater control system, and simulation testing is done.Thus, automatic control of boiler feedwater is achieved. Keywords:

7、Drum water level Single impulse Three impulse I 南昌工程學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 1.1選題背景及意義 液位是工業(yè)生產(chǎn)過程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓龊希Ｐ鑼θ萜髦幸何贿M(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢姡趯?shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、

8、經(jīng)濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。 工業(yè)生產(chǎn)過程中的液位系統(tǒng)通常是時(shí)變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對象往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成的多容對象。兩個(gè)串連的單容對象構(gòu)成的雙容對象就比較典型。 液位控制設(shè)計(jì)依賴的自動控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個(gè)發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入了非線性智能控制理論發(fā)展時(shí)期。從控制理論解決的問題而論，很多重大的、根本的問題，如可控性、可觀測性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性

9、質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較完善的理論體系。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動控制系統(tǒng)對控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。特別是本世紀(jì)80年代以來，電子計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計(jì)算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動了控制理論研究的深入開展，并進(jìn)入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當(dāng)?shù)难芯浚S著人們逐漸認(rèn)識到它的一些優(yōu)點(diǎn)，如對攝動的某種完全適應(yīng)性，并可用來設(shè)計(jì)日益復(fù)雜對象的控制規(guī)律，近年來又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展

10、。 人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問題，因此液位是工業(yè)控制過程中一個(gè)重要的參數(shù)。特別是在動態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對液位進(jìn)行檢測、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。由于液位檢測應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測量成為共同的發(fā)展趨勢，隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液位檢測的自動控制成為其今后的發(fā)展趨勢，控制過程的自動化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，液位檢測的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)

11、用。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1過程控制的特點(diǎn) 液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過程中，對液位的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動進(jìn)行下去。液位過程參數(shù)的變化不但受到過程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過程的參數(shù)一般不止一個(gè)，在過程中的作用也不同， 1 南昌工程學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文） 這就增加了對過程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性，或者控制起來相當(dāng)困難，因此形成了過程控制的下列特點(diǎn)： 1)對象存在滯后 熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對象的儲存能力大，慣性也較大，

12、設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動轉(zhuǎn)向平衡的趨勢。因此，當(dāng)流入(流出)對象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。 2)對象特性的非線性 對象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動態(tài)特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。 3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜 從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會產(chǎn)生振蕩，作為被控對象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生變化時(shí)，

13、對象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來的，這就是具有積分的對象。任何生產(chǎn)過程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。 1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。PID控制是以對象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對于簡單的線性、時(shí)不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過簡化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對于此類問

14、題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效目前，已經(jīng)開發(fā)出來的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。 隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過程高效，安全的進(jìn)行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對生產(chǎn)過程進(jìn)行在線監(jiān)測,及時(shí)準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況,已成為目前過程控制領(lǐng)域的

15、一個(gè)研究熱點(diǎn)。 近幾十年來，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應(yīng)用非常普遍，從簡單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測一直到高精度的同位素液位檢測系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池,污水處理場等都需要液位元的控制.如果能通過一定的系統(tǒng)來自動維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在操作時(shí)獲知真?zhèn)€設(shè)備的儲水狀況,如此不但工作人員工作的危險(xiǎn)性,同時(shí)更提升了工作的效率及簡便性. 液位控制系統(tǒng)在國內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來講，同

16、國外的日本、美國、德國等先進(jìn)國家相比，仍然有差距。目前，我國液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國內(nèi)技術(shù)還不十分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動下，國外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國、德國、瑞典等國技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。 1.2.3鍋爐汽包水位控制系

17、統(tǒng)流程簡介 控制系統(tǒng)一般由以下幾部分組成 圖1 自動控制系統(tǒng)簡易圖 鍋爐控制系統(tǒng)流程圖如圖2所示 圖2 鍋爐控制系統(tǒng)流程圖 1.2.4水位控制系統(tǒng)的意義 17 鍋爐汽包水位自動調(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)。 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)會使飽和蒸汽中含鹽量增高

18、，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，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。 1.3本門研究內(nèi)容 液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。液位控制一般指對某控制對象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，很多場合都要對液位進(jìn)行控制，使其高精度、快速度地到達(dá)并保持給定的數(shù)值。如在化工生產(chǎn)過程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性

19、及快速性將直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。 在本文中，液位控制系統(tǒng)中的水箱為控制對象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的控制要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。 本文主要研究內(nèi)容：汽包水位控制；數(shù)學(xué)模型；單沖量、雙沖量

20、、三沖量控制策略；MATLAB軟件仿真。 第二章 鍋爐汽包水位控制對象數(shù)學(xué)建模 2.1 數(shù)學(xué)建模的建立方法 系統(tǒng)建?；痉椒ㄓ袡C(jī)理法建模和測試法建模兩種，機(jī)理法建模主要用于生產(chǎn)過程的機(jī)理已經(jīng)被人們充分掌握，并且可以比較確切的加以數(shù)學(xué)描述的情況；測試法建模是根據(jù)工業(yè)過程的實(shí)際情況對其輸入輸出進(jìn)行某些數(shù)學(xué)處理得到，實(shí)驗(yàn)法建模一般較機(jī)理法建模簡單，故采用實(shí)驗(yàn)法建模。 2.1.1機(jī)理法 用機(jī)理法建模就是根據(jù)生產(chǎn)過程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理，寫出各種有關(guān)的平衡方程如：物質(zhì)平衡方程；能量平衡方程；動量平衡方程；相平衡方程以及反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等

21、基本規(guī)律的運(yùn)動方程；物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。 2.1.2 實(shí)驗(yàn)法 實(shí)驗(yàn)法一般只用于建立輸入輸出模型。它是根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到的模型。它的主要特點(diǎn)是把被研究的工業(yè)過程視為一個(gè)黑匣子，完全從外特性上測試和描述它的動態(tài)性質(zhì)，因此不需要深入掌握其內(nèi)部機(jī)理。然而，這并不意味著可以對內(nèi)部機(jī)理毫無所知。為了有效地進(jìn)行這種動態(tài)特性測試，仍然有必要對過程內(nèi)部的機(jī)理有明確的定性了解，例如究竟有哪些主要因素在起作用，它們之間的因果關(guān)系如何等等。 用實(shí)驗(yàn)法建模一般比用機(jī)理法建模要簡單和省力，尤其是對于那些復(fù)雜的工業(yè)過程更為明顯。如果機(jī)理法

22、和實(shí)驗(yàn)法兩者都能達(dá)到同樣的目的，一般采用實(shí)驗(yàn)法建模。 對于某些生產(chǎn)過程的機(jī)理，人們往往還未充分掌握，有時(shí)也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況。這時(shí)就需要用實(shí)驗(yàn)測試方法把數(shù)學(xué)模型估計(jì)出來。 許多工業(yè)對象內(nèi)部的工藝過程復(fù)雜，使得按對象內(nèi)部的物理、化學(xué)過程尋求對象的微分方程很困難。工業(yè)對象通常是由高階非線性微分方程描述的復(fù)雜對象，因此對這些方程式也較難求解。 根據(jù)加入的激勵(lì)信號和結(jié)果的分析方法不同，測試對象動態(tài)特性的實(shí)驗(yàn)方法也不同，主要有以下幾種： 1) 測定動態(tài)特性的時(shí)域方法 該方法是對被控對象施加階躍輸入，測繪出對象輸出變量隨時(shí)間變化的響應(yīng)曲線，或施加脈沖輸入測繪出輸出的脈沖響應(yīng)曲線。

23、由響應(yīng)曲線的結(jié)果分析，確定出被控對象的傳遞函數(shù)。這種方法測試設(shè)備簡單，測試工作量小，因此應(yīng)用廣泛，缺點(diǎn)是測試精度不高。 該方法是在被控對象上，人為地加非周期信號后，測定被控對象的響應(yīng)曲線，然后再根據(jù)響應(yīng)曲線，求出被控對象的傳遞函數(shù)，測試原理如圖2-1。 圖2-1 測試過程響應(yīng)曲線的原理圖 對象的階躍響應(yīng)曲線比較直觀地反映對象的動態(tài)特性，因此階躍輸入信號是時(shí)域法首選的輸入信號。但有時(shí)生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行條件受到限制，不允許被控對象的被控參數(shù)有較大幅度變化，或無法測出一條完整的階躍響應(yīng)曲線，則可改用矩形脈沖作為輸入信號，得到脈沖響應(yīng)后，再將其轉(zhuǎn)換成一條階躍響應(yīng)曲線。 為了得到可靠的測試結(jié)果，應(yīng)

24、注意以下事項(xiàng)： a 合理選擇階躍擾動信號的幅度。過小的階躍擾動幅度不能保證測試結(jié)果的可靠性，而過大的擾動幅度則會使正常生產(chǎn)受到嚴(yán)重干擾甚至危及生產(chǎn)安全。 b 試驗(yàn)開始前確保被控對象處于某一選定的穩(wěn)定工況。試驗(yàn)期間應(yīng)設(shè)法避免發(fā)生偶然性的其它擾動。 c 考慮到實(shí)際被控對象的非線性，應(yīng)選取不同負(fù)荷，在被控變量的不同設(shè)定值下，進(jìn)行多次測試。即使在同一負(fù)荷和被控變量的同一設(shè)定值下，也要在正向和反向擾動下重復(fù)測試，以求全面掌握對象的動態(tài)特性。 2) 測定動態(tài)特性的頻域方法 該方法是對被控對象施加不同頻率的正弦波，測出輸入量與輸出量的幅值比和相位差，從而獲得對象的頻率特性，來確定被控對象的傳遞函

25、數(shù)。這種方法在原理和數(shù)據(jù)處理上都比較簡單，測試精度比時(shí)域法高，但此法需要用專門的超低頻測試設(shè)備，且測試工作量較大。 被控對象的動態(tài)特性也可用頻率特性 (2-1) 來描述，它與傳遞函數(shù)及微分方程一樣，同樣表征了系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)律。 一般動態(tài)特性測試中，幅頻特性較易測得，而相角信息的精確測量比較困難。 由于一般工業(yè)控制對象的慣性都比較大，因此要測試對象的頻率特性，需要持續(xù)很長時(shí)間。而測試時(shí)，將有較長的時(shí)間使生產(chǎn)過程偏離正常運(yùn)行狀態(tài)，這在生產(chǎn)現(xiàn)場往往不允許，故用測頻率的方法在線來求對象的動態(tài)特性受到一些限制。 2.2虛假水位的介紹

26、 虛假水位是鍋爐運(yùn)行時(shí)不真實(shí)的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當(dāng)汽包壓力突降時(shí)，爐水飽和溫度下降到壓力較低時(shí)的飽和溫度，使?fàn)t水大量放出熱量來進(jìn)行蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，促使水位很快上升，形成虛假水位。當(dāng)汽包壓力突升時(shí)，則相應(yīng)的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，促使水位很快下降，形成虛假水位。此外當(dāng)鍋爐內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會形成虛假水位。鍋爐負(fù)荷突變、滅火、安全門動作、燃燒不穩(wěn)時(shí)，都會產(chǎn)生虛假水位。 2.3虛假水位的影響 虛假水位”現(xiàn)象的影響：鍋爐運(yùn)行中，汽包水位調(diào)節(jié)中

27、常存在的“虛假水位”現(xiàn)象實(shí)際上時(shí)汽包內(nèi)實(shí)實(shí)在在的真水位，人們稱之為“虛假水位”原因是：它不是由于汽水不平衡引起的持續(xù)的飛升變化，而是由于汽包壓力急劇變化使?fàn)t水中汽泡含量瞬間增減而造成的汽包水位瞬間變化，而且達(dá)到一定值后，將不再變化，待壓力恢復(fù)正常時(shí)，水位又會恢復(fù)到原先狀態(tài)。在目前大多單元機(jī)組采用的直接能量平衡控制策略中，一般用汽包壓力來表示鍋爐蓄熱。因而從能量平衡的角度說，“虛假水位”是由于鍋爐蓄熱量的改變而出現(xiàn)的。在汽包汽水循環(huán)系統(tǒng)中，與壓力有關(guān)的蓄熱量必須是能導(dǎo)致蒸汽流量變化的那部分熱量。對于溫度較低的過冷水，壓力降低導(dǎo)致的焓變化不可能使水變?yōu)檎羝挥袦囟仁纸咏柡筒糠诌^冷水才有可能在

28、壓力降低時(shí)變化成蒸汽，而這部分水主要在上升管中，總量不是很多；對于飽和水，壓力降低導(dǎo)致相對應(yīng)的飽和水焓降低，會有一部分飽和水變?yōu)轱柡驼羝?，所以飽和水參加蓄熱；而對于飽和蒸汽，在鍋爐壓力升高的情況下會有一部分蒸汽變?yōu)轱柡退?，但總體上量還是很少。在前文的敘述中，我們知道省煤器、下降管中主要是過冷水，上升管中過冷水、飽和水、飽和蒸汽都存在，汽包中主要為飽和水和飽和蒸汽。所以對于汽包鍋爐，鍋爐的蓄熱主要集中在汽包、水冷壁中。壓力變化會導(dǎo)致水飽和溫度發(fā)生變化，致使相近的金屬中的熱量發(fā)生改變，所以汽包和水冷壁的金屬也參加蓄熱。 綜上所述，“虛假水位”是由于汽包、水冷壁中的飽和水、飽和蒸汽、金屬的蓄熱量改

29、變而導(dǎo)致的，是實(shí)實(shí)在在的真實(shí)水位。當(dāng)“虛假水位”超過汽包水位緊急停爐水位值時(shí)，同樣也會造成爐水被帶入過熱器，甚至汽輪機(jī)中，輕則造成蒸汽品質(zhì)惡化、含鹽量增加，重則進(jìn)入主蒸汽管道和汽輪機(jī)的蒸汽中含水造成水沖擊，因此，不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為“虛假水位”是可以不予關(guān)注的“假”的水位。正是由于“虛假水位”的這種機(jī)理，會對汽包水位保護(hù)造成兩個(gè)不利因素： 1. “虛假水位”的測量問題。當(dāng)汽包中出現(xiàn)“虛假水位”時(shí)，到目前為止還不能把其的真正水面測量出來。這主要是因?yàn)?，目前還沒有一種直接觀察汽包內(nèi)水位的測量儀表，而都是采用聯(lián)通管式和差壓式間接方法測量汽包水位的。當(dāng)汽包壓力急劇降低，汽包內(nèi)的水容積中出現(xiàn)汽包和水冷壁管內(nèi)汽泡

30、增加導(dǎo)致水位抬高時(shí)，在測量儀表中的反應(yīng)是不一樣的。當(dāng)水冷壁管內(nèi)汽泡增加抬高汽包水位時(shí)，測量儀表將可以真實(shí)反映出來，但是當(dāng)汽包 內(nèi)的水由于汽壓突降而一部分水汽化生成汽泡而抬高水位時(shí)，聯(lián)通管式水位計(jì)的顯示值、差壓式水位計(jì)的差壓實(shí)際上變化是不大的。因?yàn)槠莸谋戎剡h(yuǎn)遠(yuǎn)小于其飽和水的比重，所以由于汽泡增加抬高的水位在聯(lián)通管式水位計(jì)和差壓式水位計(jì)中基本上是反映不出來的。因此，當(dāng)汽包壓力急劇變化引起汽包出現(xiàn)“虛假水位”時(shí)，汽包內(nèi)的實(shí)際水位偏差要大于測量儀表上反映出的偏差值。 2. 汽包水位保護(hù)的延遲問題。由于汽包壓力急劇變化引起的“虛假水位”的升降方向總是與汽水不平衡引起的水位升降方向相反，因此，“虛假

31、水位”最大值的出現(xiàn)時(shí)間比較短，而且，鍋爐停爐保護(hù)的汽包水位動作值還留有一定余地。因此，由于“虛假水位”而短時(shí)達(dá)到保護(hù)動作值時(shí)，一般不會釀成事故。為了防止不必要的停爐，設(shè)計(jì)中一般會考慮在汽包水位事故停爐信號回路中增加一個(gè)延遲回路，但必須注意的是，該延遲只設(shè)計(jì)在汽包壓力變化率超過一定值才發(fā)揮作用，而且延時(shí)回路的延時(shí)時(shí)間不宜過大，一般根據(jù)安全門動作實(shí)驗(yàn)時(shí)“虛假水位”的飛升曲線確定。 最高值，而下一次因負(fù)荷增大造成的“虛假水位”使水位還得上升，因此，鍋爐的運(yùn)行觀點(diǎn)看單沖量純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的這種下降的靜態(tài)特性將造成極大地水位波動，因而是不合適的，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，可以消除水位的靜態(tài)偏差，因而使水位的

32、波動幅度減少。 第三章 單沖量、雙沖量、三沖量控制策略 3.1單沖量控制系統(tǒng) 所謂單沖量就是指鍋爐汽包水位為被控參數(shù)，給水量作為控制變量可構(gòu)成的單回路控制系統(tǒng)，如圖3-1所示。 當(dāng)蒸汽用量突然增加時(shí)，應(yīng)該加大給水量以滿足負(fù)荷需求；但是由于假水位現(xiàn)象，導(dǎo)致控制器會先減小給水量來抑制瞬間的水位升高，隨著假水位消失，汽包水位會在負(fù)荷增加和給水量減少的雙重作用下，產(chǎn)生嚴(yán)重的水位下降，甚至發(fā)生危險(xiǎn)。 對于小型鍋爐，由于蒸汽負(fù)荷變化時(shí)假水位的現(xiàn)象不明顯，如果再配上一些聯(lián)鎖報(bào)警裝置，這種單沖量控制系統(tǒng)能滿足要求。對于負(fù)荷變動較大的大，中型鍋爐，單沖量控制系統(tǒng)不能保證水位穩(wěn)定，難以滿足水位

33、控制要求和生產(chǎn)安全。因此，該控制方案不適用于負(fù)荷變動較大的情況。 圖3-1單沖量控制系統(tǒng) 3.2雙沖量控制系統(tǒng) 蒸汽流量是影響汽包水位最主要的擾動，也是造成假水位的主要因素。如果將蒸汽流量這一可測不可控的干擾作為前饋引入單沖量系統(tǒng)，就可以有效避免假水位引起的誤動作，并及時(shí)控制水位，減小水位波動。由此，構(gòu)成如圖3-2所示的雙沖量控制系統(tǒng)，其本質(zhì)為前饋-反饋復(fù)合控制系統(tǒng)，即給水量不僅取決于汽包水位，還受到蒸汽用量影響。 可見，該控制方案能有效適應(yīng)負(fù)荷需求變化，但對給水系統(tǒng)中的水壓等干擾因素造成的波動不能及時(shí)抑制。 3-2雙沖量控制系統(tǒng) 3.3三沖量控

34、制系統(tǒng) 為進(jìn)一步改善控制品質(zhì)，引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)，如圖3-3所示。所謂三沖量，值得是引入了三個(gè)測量信號：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。三沖量控制本質(zhì)上時(shí)前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)：主回路實(shí)現(xiàn)水位調(diào)節(jié)，副回路使給水流量能適應(yīng)負(fù)荷和水位要求。 在穩(wěn)定狀態(tài)下,液位測量信號為給定值，液位調(diào)節(jié)器的輸出，蒸汽流量及給水流量三個(gè)信號通過加法器得到輸出電流。若在某一時(shí)刻，蒸汽負(fù)荷突然增加，蒸 汽流量變送器的輸出電流增加，加法器的輸出電流減少，從而會開大給水調(diào)節(jié)閥，與此同時(shí)出現(xiàn)了虛假液位現(xiàn)象，液位調(diào)節(jié)器輸出電流將增大。由于進(jìn)入加法器的兩個(gè)信號相反，蒸汽流量變送器的輸出電流會抵消一部分虛假液位

35、輸出電流，所以虛假液位所帶來的影響將局部或全部被抵消。 待虛假液位過去,水位開始下降，液位調(diào)節(jié)器輸出電流開始減小，此時(shí)它與蒸汽流量信號變化的方向相反，因此加法器的輸出電流減小，此時(shí)要求增加給水量以適應(yīng)新的負(fù)荷需要并補(bǔ)充液位的不足。調(diào)節(jié)過程進(jìn)行到液面重新穩(wěn)定在給定值，給水量和蒸發(fā)量達(dá)到新的平衡為止。當(dāng)蒸汽負(fù)荷不變，給水量本身因壓力波動而變化時(shí)，加法器的輸出相應(yīng)變化，調(diào)節(jié)閥門開度直至給水量恢復(fù)到所需的數(shù)值為止。由于引進(jìn)了蒸汽流量和給水流量兩個(gè)輔助沖量，起到了“超前信號”的作用，使給水閥一開始就向正確的方向移動，因而可減小液位的波動幅度，抵消虛假液位的影響，并可縮短過渡過程時(shí)間。圖3-4為三沖量液

36、位調(diào)節(jié)方框圖。 三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)能及時(shí)克服負(fù)荷(蒸汽量)和給水流量的干擾作用，調(diào)節(jié)精度較高，適用于汽包容積較小、負(fù)荷和給水干擾較大的場合。目前已得到了應(yīng)用，實(shí)踐證明效果良好。 3-3三沖量控制系統(tǒng) 3-4三沖量控制系統(tǒng)連接關(guān)系 蒸汽流量D 圖3-5 三沖量液位控制系統(tǒng)框圖 3.4 SAMA圖介紹及特定實(shí)例分析 3.4.1 汽包水位控制系統(tǒng)SAMA圖介紹 串級三沖量水位控制系統(tǒng)工藝流程圖 在該調(diào)節(jié)系統(tǒng)中：調(diào)節(jié)器接受汽包水

37、位、蒸汽流量和給水流量三個(gè)測量信號，控制系統(tǒng)說明如下： 1) 水位H是主信號，任何擾動引起的水位變化，都會使調(diào)節(jié)器輸信號發(fā)生變化，改變給水流量，使水位恢復(fù)到給定值。 2) 主汽流量信號D做前饋信號，其作用是削弱由于“虛假水位”而使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的誤動作，用以改善蒸汽流量擾動時(shí)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。 3) 控制系統(tǒng)由兩個(gè)閉合回路及前饋調(diào)節(jié)部分組成。主回路由主調(diào)節(jié)對象Gp(s)、水位測量變送器Kh、主調(diào)節(jié)Gc1(s)和副回路組成；副回路由給水流量W、給水流量變送器Kw、副調(diào)節(jié)器Gc2(s)、執(zhí)行器Kμ組成；前饋部分由蒸汽流量信號D、蒸汽流量變送器Kd構(gòu)成。 4) 副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是當(dāng)給水量擾動時(shí)，迅速動作

38、使給水量保持不變；當(dāng)蒸汽量擾動時(shí)，副調(diào)節(jié)器迅速改變給水量，保持給水量和蒸汽量平衡。主調(diào)節(jié)器的作用是校正水位，維持穩(wěn)定水位不變。 3-4-1汽包水位控制系統(tǒng)SAMA圖 SAMA圖中操作器要保證手自動的無擾切換： 主調(diào)節(jié)器跟蹤是為了保證副調(diào)節(jié)器無偏差；副調(diào)節(jié)器跟蹤保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)無偏差。 切手動的條件： 除了測量信號故障及調(diào)節(jié)器的輸入偏差大，又加入了蒸汽流量變化幅度過大的要求，因?yàn)榍梆伒囊?，雖然減小了“虛假水位”期間調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動作，但是并不能完全消除該現(xiàn)象，切水位H對蒸汽流量擾動D的響應(yīng)速度比對內(nèi)部擾動Ｗ的響應(yīng)速度要快得多，所以當(dāng)蒸汽流量變化過大時(shí)還是會引起誤動作，故加入了蒸

39、汽流量變化幅度的限制。 3.4.2特定實(shí)例分析： 如圖3-4-2為一個(gè)帶前饋的流量單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，測量變送器測得的差壓值，通過阻尼運(yùn)算，消去信號的高頻干擾，然后進(jìn)行開方運(yùn)算，使其轉(zhuǎn)化為流量信號，送往調(diào)節(jié)器的偏差入口。 流量設(shè)定值由數(shù)值設(shè)定塊設(shè)定，它與實(shí)際流量的偏差值由調(diào)節(jié)器進(jìn)行比例積分運(yùn)算，然后加上前饋信號，作為調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出值。 調(diào)節(jié)器處于手動狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器的輸出由手動操作，當(dāng)調(diào)節(jié)器處于自動狀態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)運(yùn)算輸出值經(jīng)過限幅模塊，送往執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 輸出信道上的函數(shù)模塊用于閥門非線性的矯正，而回饋信道上的函數(shù)模塊則是為了實(shí)現(xiàn)無憂切換，其函數(shù)值為輸出信道上的函數(shù)模塊的反函數(shù)。 圖3-

40、4-2帶前饋的流量單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng) 第四章 系統(tǒng)仿真 4.1系統(tǒng)仿真簡介 系統(tǒng)仿真是20世紀(jì)40年代末以來伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新興學(xué)科。仿真就是通過建立實(shí)際系統(tǒng)模型并利用所建模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的過程。最初仿真技術(shù)主要用于航空、航天、原子反應(yīng)堆等價(jià)格昂貴、周期長、危險(xiǎn)性大，試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的少數(shù)領(lǐng)域。后來逐步發(fā)展到電力、化工、冶金、機(jī)械等一些主要工業(yè)部門。可以說現(xiàn)代系統(tǒng)仿真技術(shù)和綜合性仿真系統(tǒng)已經(jīng)成為任何復(fù)雜系統(tǒng)，特別是高技術(shù)產(chǎn)業(yè)不可缺少的分析、研究、設(shè)計(jì)、評價(jià)、決策和訓(xùn)練的重要手段。其運(yùn)用范圍在不斷擴(kuò)大，應(yīng)用效益也日益顯著。 4.1.1基本概念

41、所謂系統(tǒng)仿真（system simulation），就是根據(jù)系統(tǒng)分析的目的，在分析系統(tǒng)各要素性質(zhì)及其相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立能描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或行為過程的、且具有一定邏輯關(guān)系或數(shù)量關(guān)系的仿真模型，據(jù)此進(jìn)行試驗(yàn)或定量分析，以獲得正確決策所需的各種信息。 系統(tǒng)仿真是建立在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)初等理論基礎(chǔ)上的，以計(jì)算機(jī)和其他專用物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對真是或假設(shè)的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，并借助于專家的經(jīng)驗(yàn)知識、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)忽然信息資料對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析研究，進(jìn)而做出決策的一門綜合的實(shí)驗(yàn)性學(xué)科。從廣義而言，系統(tǒng)仿真的方法適用于任何領(lǐng)域。 4.1.2 系統(tǒng)仿真的實(shí)質(zhì) 它是一種對系統(tǒng)問題求

42、數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí)，仿真技術(shù)能有效來處理。 仿真是一種人為的實(shí)驗(yàn)手段，它是和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于，仿真試驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境，而是作為世紀(jì)系統(tǒng)映像的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。 仿真可以比較真實(shí)的描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。 系統(tǒng)仿真的基本方法是建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型和量化分析模型，并將其轉(zhuǎn)換為適合在計(jì)算機(jī)上編程的仿真模型，然后對模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。由于連續(xù)系統(tǒng)和離散(事件)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型有很大差別，所以系統(tǒng)仿真方法基本上分為兩大類，即連續(xù)系統(tǒng)仿真方法和離散系統(tǒng)仿真方法。在以上兩類基本方法的基礎(chǔ)上，還有一些用于系統(tǒng)(特別

43、是社會經(jīng)濟(jì)和管理系統(tǒng))仿真的特殊而有效的方法，如系統(tǒng)動力學(xué)方法、蒙特卡洛法等。 系統(tǒng)動力學(xué)方法通過建立系統(tǒng)動力學(xué)模型(流圖等)、利用DYNAMO仿真語言在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對真實(shí)系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，從而研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和行為之間的動態(tài)關(guān)系。 第五章 全文總結(jié) 第五章 全文總結(jié) 本文介紹了鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)。鍋爐汽包水位的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提。經(jīng)分析后采用三沖量的控制方式，這是基于串前饋-串級復(fù)合控制系統(tǒng)，副回路調(diào)節(jié)器通過副回路快速消除給水環(huán)節(jié)的擾動對汽包水位的影響，主調(diào)節(jié)器通過副調(diào)節(jié)器對水位進(jìn)行校正，使水位保持在設(shè)定值，使系統(tǒng)工作在良好的狀態(tài)下，可滿足系統(tǒng)的控制要求。建立

44、數(shù)學(xué)模型，在MATLAB軟件環(huán)境下，對汽包水位的控制算法進(jìn)行仿真研究。經(jīng)過這段時(shí)間的認(rèn)真學(xué)習(xí)，得出以下結(jié)論： 1）通過本次設(shè)計(jì)，學(xué)會了系統(tǒng)建模的一般步驟，掌握了分析簡單系統(tǒng)特性的一般方法，并對系統(tǒng)中的控制器、執(zhí)行器、控制對象等各個(gè)部分有了更加直觀的認(rèn)識。 2）了解到串級控制就應(yīng)應(yīng)用于鍋爐汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)中，“假水位”產(chǎn)生的原因就是無法做到蒸汽壓力保存絕對不變。 3)通過仿真驗(yàn)證了串級控制對干擾的強(qiáng)烈抑制能力，仿真過程中也熟悉了控制系統(tǒng)中MATLAB仿真的基本方法，相信對以后的學(xué)習(xí)會有所幫助。 參考資料 [1]劉吉臻 《協(xié)調(diào)控制與給

45、水全程控制》 中國電力出版社 1995 [2]李遵基 《熱工自動控制系統(tǒng)》 華北電力大學(xué)出版社 1999 [3]金以慧 《過程控制》 清華大學(xué)出版社 1993 [4]《OVATION說明書》上海愛默生控制工程有限公司 2004 [5]600MW 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) SAMA圖. 2006 [6] H.bruns,Vendor-independent integration of filed devices into power plant control systems based on DCS,VGB KraftwerksTechnik,2002 [7] TA

46、KEO IMANAKA，A study on locational configuration of DCS,Electrical engineering in Japan, 2000 [8] 《MATLAB程序設(shè)計(jì)與實(shí)例應(yīng)用》 張錚 中國鐵道出版社 19 謝辭 謝辭 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容涉及了大學(xué)期間的許多科目，這是對即將參加工作的我再一次的準(zhǔn)備。使我對汽包水位控制有了深刻地影響，并深刻體會到了自動化控制在水位控制實(shí)際運(yùn)行所發(fā)揮的巨大作用，加深了沖量控制系統(tǒng)基本原理的認(rèn)識。讓我更深刻地認(rèn)識到自動化的優(yōu)越性，感謝所有在設(shè)計(jì)過程中幫助我的老師。 劉寶玲老師是我畢業(yè)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)是在她的精心指導(dǎo)下完成的，我不僅從她那里學(xué)到了許多書本上的知識，而且還學(xué)到了她治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，勤于思索，敢于創(chuàng)新的精神，我想這更會使我受益終生。 最后，十分感謝評審我論文的各位老師，感謝你們在百忙之中聆聽我的畢業(yè)答辯。辛苦了﹗謝謝﹗