锅炉汽包水位控制新版系统仿真设计.doc

内蒙古科技大学
本科生课程设计论文

题 目：锅炉汽包水位控制系统仿真设计
学生姓名：xxx
学 号：
专 业：测控技术与仪器
班 级：-1
指引教师：xxx

年 月 日

内蒙古科技大学课程设计任务书
课程名称
控制系统仿真
设计题目
锅炉汽包水位控制系统仿真
指引教师
xxx
时间
.11.24~.11.28
一、教学规定
1、理解锅炉汽包水位控制系统构成及工作原理；
2、掌握使用Matlab/Simulink软件对控制系统建模与仿真办法；
3、掌握控制器设计办法，以及控制器参数整定和优化办法。
二、设计资料及参数
设计资料详见《过程控制系统Matlab仿真》（刘文定主编）9.2.2节。
本设计涉及到控制原理、过程控制系统等内容参照有关专业课教学内容。
设计参数：见《过程控制系统Matlab仿真》（刘文定主编）9.2.2节。
三、设计规定及成果
1、运用Simulink建立锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真模型，采用3种不同控制方案。
2、设计以上系统中控制器参数，观测仿真成果，比较各种参数下系统响应曲线，内容验证仿真成果对的性，比较不同方案优劣;
3、撰写不少于3000字设计报告。
设计报告规定提交纸质文档，设计报告涉及设计背景、设计原理、设计过程、成果分析等几种某些，规定给出设计模型图以及仿真成果图。有关Matlab/Simulink设计文献规定提交电子文档。

四、进度安排
收集和查阅资料（一天）
Matlab/Simulink建模（两天）
控制系统设计与优化（一天）
编写技术设计书（一天）

五、评分原则
课程设计成绩评估根据涉及如下几点：1）工作态度（占10%）；2）基本技能掌握限度（占20%）；3）方案设计与否可行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。分为优、良、中、合格、不合格五个级别。
考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告。

六、建议参照资料
1、《控制系统数字仿真与CAD》，李国勇，电子工业出版社，1月第2版
2、《过程控制系统Matlab仿真》,刘文定，机械工业出版社，2月第1版

目录
第1章 概述 1
1.1锅炉汽包水位控制概述 1
1.2锅炉汽包水位控制系统分析 3
1.3仿真软件功能概述 3
第2章 总体方案设计 4
2.1汽包水位控制方式 4
2.1.1 单冲量控制方式 4
2.1.2 双冲量控制方式 4
2.1.3三冲量控制方式 6
2.2汽包水位控制规律 7
2.2.1 调节规律选取 4
2.2.2 调节器正反方式选取 4
第3章 simulink建模 9
第4章 simulink仿真与优化设计 10
第5章 总结 12
参照文献

第1章 概述
1.1锅炉汽包水位控制概述
锅炉是火电厂重要动力设备，其任务就是依照生产负荷不同需求，提供相应规格（压力和温度）蒸汽，同步应保证锅炉经济和安全进行。锅炉重要控制规定重要涉及供应满足负荷需求蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范畴内、过热蒸汽温度保持在一定范畴内、汽包水位保持在一定范畴之内、炉膛负压保持在一定范畴之内、保持锅炉燃烧经济性、保证锅炉安全稳定运营。
汽包水位控制任务是使锅炉给水量始终跟着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生产容许范畴内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量多少，是以被控制量水位表征，普通状况下汽包流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化重要扰动式蒸汽流量和给水量变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将迅速蒸发，使得饱和水中产生大量汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增长。这就是锅炉“虚假水位”现象，此时水位并不能代表锅炉中水位真实状况。因而，咱们有必要对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定范畴内。
1.2锅炉汽包水位控制系统分析
锅炉是火电厂重要动力设备，其任务就是依照生产负荷不同需求，提供相应规格（压力和温度）蒸汽，同步应保证锅炉经济和安全进行。锅炉重要控制规定重要涉及供应满足负荷需求蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范畴内、过热蒸汽温度保持在一定范畴内、汽包水位保持在一定范畴之内、炉膛负压保持在一定范畴之内、保持锅炉燃烧经济性、保证锅炉安全稳定运营。
其中锅炉汽包是锅炉运营重要指标，本次设计是针对锅炉汽包水位控制设计，维持汽包水位在一定范畴之内是保证锅炉安全正常运营首要条件。如果水位过高则会影响汽包内汽水分离，浮现蒸汽带液现象，这会使过热器管壁结垢，并使过热蒸汽温度急剧下降，如以该过热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片，影响安全运营；相反如果水位过低，则当负荷很大时，水将加快汽化速度，此时，如不及时补水，则会导致汽包内水所有汽化，烧毁水冷壁甚至引起爆管事故。因而必要对汽包水位进行严格控制。
锅炉汽包水位特性：影响汽包水位变化因素诸多，但重要是锅炉蒸发量（蒸汽流量D）、给水流量W和燃料B,下面重点简介在给水流量和蒸汽流量扰动下汽包水位变化动态特性。
汽包水位在给水流量W作用下动态特性
图1.1是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量无自衡过程，水位阶跃响应曲线如图中线。

图1.1 给水流量作用下水位阶跃响应
但是考虑到给水温度低于汽包内饱和水温度，因此当给水进入汽包后就会吸取原有饱和水中一某些热量，水面如下汽包总体积就相应减少，从而导致水位下降，固水位实际响应曲线是曲线H。
由以上分析可知，当给水流量扰动做阶跃变化时，汽包水位起初并不及时上升，而是呈现出一段起始惯性段，这近似一种积分环节和时滞环节串联，可以用一种传递函数来表达，故水位动态特性[1]可表达为：
(1-1)
式中，表达给水流量做单位变化时水位变化速度；表达延迟时间，对非沸腾式省煤器锅炉，τ 这时为30-100 S；对于沸腾式省煤器锅炉，τ 为100-200 S；给水温度越低，时滞τ 亦越大。
汽包水位在蒸汽流量D作用下动态特性
在蒸汽流量D扰动作用下，水位阶跃响应曲线如图1.4所示。当蒸汽流量突然增长时，变化了汽包内物料平衡关系，蒸汽量不不大于给水量，因而水位下降，如图中曲线H1，但实际并非如此，由于蒸汽用量增长，瞬间导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，水中汽泡迅速增长，由于汽泡容积增长而使水位变化曲线如图中线。因而，实际水位曲线为+，即为图中。从图中可以看出，当蒸汽负荷增长时，水位不但不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降，然后再上升)，这种现象称之为虚假水位。因此当蒸汽流量扰动时，水位变化动态特性[1]可表达为:
(1-2)
式中， --响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位变化速度，单位为毫米/秒或(吨/小时)；--响应曲线放大系数；--响应曲线时间常数

图1.2蒸汽流量扰动下水位阶跃响应
虚假水位现象属于反向特性，其变化幅度不但与蒸汽量关于，还与锅炉气压关于，这会给汽包水位控制带来一定难度，设计控制方案时必要重点考虑。
1.3仿真软件功能概述
Simulink是MATLAB最重要组件之一，它提供一种动态系统建模、仿真和综合分析集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简朴直观鼠标操作，就可构造出复杂系统。Simulink具备适应面广、构造和流程清晰及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活等长处，并基于以上长处Simulink已被广泛应用于控制理论和数字信号解决复杂仿真和设计。同步有大量第三方软件和硬件可应用于或被规定应用于Simulink。Simulink可以用持续采样时间、离散采样时间或两种混合采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中不同某些具备不同采样速率。为了创立动态系统模型，Simulink提供了一种建立模型方块图图形顾客接口(GUI) ，这个创立过程只需单击和拖动鼠标操作就能完毕，它提供了一种更快捷、直接明了方式，并且顾客可以及时看到系统仿真成果。

第2章 总体方案设计
2.1汽包水位控制方式
结合锅炉汽包水位控制系统动态特性可知，要想让锅炉汽包水位维持在一定范畴内，必要克服虚假水位和给水流量对汽包水位影响，因此在设计锅炉汽包水位控制系统时，必要考虑给水流量、蒸汽流量以及汽包液位等三个冲量控制。依照控制系统输入变量多少，可将锅炉汽包水位控制系统分为单冲量控制系统，双冲量控制系统，三冲量控制系统。
2.1.1 单冲量控制方式
在锅炉汽包生产蒸汽过程中，汽包水位对蒸汽产量、质量、安全生产、经济运营和环保等具备决定性作用并且可直接测量，因此选取水位作为锅炉汽包水位控制系统被控参数来设计一种单回路控制系统。其设计仪表圆圈图和系统方框图如图2.1所示。
它是汽包水位自动调节中最简朴、最基本一种形式。这种方式将液位测量信号经变送器送到液位调节器，液位调节器依照液位测量值与给定值偏差去控制调节阀阀门开度，变化给水量来保持汽包水位在容许操作范畴内。这种控制方式，构造简朴，合用于汽包容量较大，负荷变化小且虚假水位现象不太严重小型锅炉。但是，它克服给水自发性干扰和负荷干扰能力差，当负荷突然大幅度变化时，锅炉汽包会产生虚假水位现象，会使调节阀产生误动作。所觉得保证生产安全，实际工业中往往不采用这种办法。

图2.1锅炉汽包水位单冲量控制系统
2.1.2双冲量控制方式
在汽包水位控制中，虚假水位现象是控制系统必要克服，而引起虚假水位现象重要干扰量为负荷蒸汽流量，因此引入蒸汽流量作为系统校正信号，就可以有效地纠正由虚假水为引起误动作，从而减少水位波动，提高控制品质。因此选用汽包水位为被控变量，蒸汽流量为干扰量，给水量作为操纵变量来设计一种双冲量控制系统。其设计仪表圆圈图和系统方框图如图2.2所示。

图2.2锅炉汽包双冲量控制系统
如图2.2所示，LY为加法器，LC为液位控制器，其输出为：
(2-1)
式中：PC为液位控制器输出；PF为蒸汽流量（普通经开放器）输出；C0为初始值偏置值；C1，C2为加法器系数。其中由于C1是与调节器放大倍数乘积，相称于简朴调节系统中调节器放大倍数作用，普通取C1<=1。
再依照前馈控制原理，静态前馈时，应有给水流量等于蒸汽流量W=D。考虑锅炉排污等损失，W需稍不不大于D，即有：
(2-2)
式中：△W为给水流量变化量；△D为蒸汽流量变化量；α为排污系数，α>1。即
(2-3)
假设给水阀流量特性具备线性特性，可用KV表达，即
(2-4)
式中，△I为阀门输入信号变化量。检测变送环节增益Km可由式2-5来计算。
（2-5）

式中Zmax-Zmin为蒸汽流量变送器最大变化范畴，Dmax为蒸汽流量变送器量程。
结合（2-2）（2-3）（2-4）（2-5），得加法器系数C2为
（2-6）
初始值C0是一种恒定值，设立C0目是在正常负荷下，使调节器和加法器输出都能有一种比较适中值。在正常负荷下C0 值与C2PF项正好抵消。
加法器进行加法运算还是减法运算，要依照调节阀特性是气开阀还是气关阀，若选气关阀，当蒸汽流量加大时，给水量宜加大，则加法器进行减法运算，反之进行加法运算。
双冲量控制系统实质上就是前馈—反馈控制系统，这里前馈系统仅为静态前馈，如需要考虑控制通道和扰动通道之间动态特性差别，需要加入超前滞后动态补偿环节。
双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水位影响，但对给水流量扰动影响未加考虑，因而合用于给水波动较小场合。
双冲量调节存在问题是:调节作用不能及时反映给水侧扰动，当给水量扰动时，调节系统等于单冲量调节。因而，如果给水母管压力经常有波动，给水调节阀先后压差不易保持正常时，不适当采用双冲量调节。同步调节阀工作特性不一定是线性，这样要做到静态补偿就比较困难。
2.1.3 三冲量控制方式
为了使汽包水位得到更好控制，考虑双冲量控制中存在问题，在双冲量基本上再引入一种给水流量，就形成了一种三冲量控制系统，其设计仪表圆圈图和仪表方框图如图2.3，图2.4所示。本质上，三冲量控制系统是前馈—串级控制系统，汽包水位是主被控变量，蒸汽流量是干扰量，给水流量既是是副被控变量，又是操纵变量。运用前馈控制克服虚假水位现象，运用串级克服给水量对锅炉汽包液位影响。
如图2.3所示，将蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号一起送加法器，加法器输出作为给水控制器测量信号，构成采用一种控制器三冲量控制方案。主控制器采用比例度为100%比例控制器即Gc(s)=1,副控制器是给水控制器，前馈控制为蒸汽流量控制，副控制器和前馈控制器比例系数设立分别为αW和αD。由于汽包水位控制器测量值是蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号代数和，当给水流量与蒸汽流量达到物料平衡及控制器具备积分作用时，水位可达到无余差。

图2.3锅炉汽包水位三冲量控制系统仪表圆圈图

图2.4锅炉汽包水位三冲量控制系统方框图
该系统重要长处是：当负荷变化时，它能先于水位偏差进行前馈控制，及时调节给水，以跟踪蒸汽流量变化，维持汽包内物料平衡，克服虚假水位，减少水位动态偏差；由给水流量为副被控变量构成副回路，可及时消除给水流量自身干扰（重要由给水压力波动引起）对水流影响。这种控制方式弥补了单冲量控制系统和双冲量控制系统缺陷，因此是实际工程中惯用到汽包水位控制方案。
2.2汽包水位控制规律
2.2.1 调节规律选取
本设计主调节器选用PI调节规律，其特点为当给定值或扰动变化时，待系统稳定后，被控参数没有静差。但却减少了原有系统稳定性，因而，为了保持控制系统本来衰减率，PI调节器比例度必要恰当加大。它合用于对象纯滞后时间不长，时间常数也不大，而又不容许被控参数有静差场合[4]。由于主被控参数是汽包水位。副调节器选用PI调节规律由于副被控参数是给水流量。
（1）主副调节器调节规律选取
在锅炉汽包水位控制系统中，主回路被控参数是汽包液位，其控制通道时间常数较小，负荷变化也不大，因此不需要引入微分作用，即控制规律应选取P或PI调节规律；副回路被控参数为给水流量，其控制通道时间常数常数较小，负荷变化也不大，工艺规定无静差，因此控制规律应选取PI调节规律，运用这一控制规律，可以使系统消除静差，进而有效控制被控参数。
（2）控制阀开闭形式选定
控制阀选用普通要从生产安全角度来考虑，如果高压蒸汽是供应蒸汽透平机等，为保护这些设备以选取气开阀为宜。如果蒸汽作为加热及工艺生产中热源，应考虑采用气关阀，以防止烧干锅，保护锅炉设备安全。
（3）LC控制器正反作用选取
将控制系统当作负反馈系统，若控制阀为气关阀时控制器为正作用，若控制阀为气开阀时控制器为反作用。
2.2.2 调节器正反方式选取
关于给水调节阀气开气关选取，普通都是从安全角度考虑，人员安全、生产安全、系统设备安全需要为首要根据。由于工业生产过程调节阀绝大某些为气动调节阀，因此要选取调节阀气开气关方式。锅炉给水调节阀普通采用气关式，一旦事故发生，系统失控，供水调节阀处在全开位置，是锅炉不致因给水中断烧坏，避免爆炸等事故发生。
副环:调节阀为气关式，符号为“+”；当调节阀开度增大时，流量增大，因而副对象符号为“+”；副变送器符号为“+”，副调节器符号应为“-”，故选取正作用。
主环：富被控参数流量增大时，主控制参数液位上升，因而主对象符号为“+”，故主调节器应当选反作用。

第3章 simulink建模

假设某供汽量为120t/H锅炉，其被控对象传递函数分别为

若采用三冲量控制方案，如图2.2.3b所示，其中蒸汽流量变送器αD=0.0667，Gm3(s)=3,给水流量检测变送器αWGm2=0.0667，差压变送器转换系数Gm1=0.0333。参数整定过程如下：
串级控制某些副回路控制器采用比例控制,主回路控制器采用PID控制，采用临界振荡法拟定其参数，其仿真框图如图3.1所示。

图3.1锅炉汽包水位控制系统仿真框图

第4章 simulink仿真与优化设计

如图3.1所示，画完锅炉汽包水位控制系统仿真框图后，一方面需要进行参数整定，按照第三章所述给主、副调节器P、I、D参数分别赋值，然后采用临界振荡法拟定参数，增大主调节器P参数,发现阶跃响应浮现衰减趋势。
通过观测锅炉汽包水位控制系统阶跃响应曲线可知，当锅炉工作稳定且给水无扰动时，通过调节主控制器P、I、D参数，响应曲线可以慢慢衰减最后稳定下来，因而，在外部波动较小状况下，串级控制系统基本可以满足系统规定。
如图3.2所示，在蒸汽干扰可测状况下，为了克服干扰对控制系统影响，就可以构成前馈加串级三冲量控制，其中Kp=9;Ki=0.0045;Kd=0,主调节器P、I、D参数和串级控制时同样，点击运营按钮，观测系统响应曲线，系统响应曲线如图4.1所示。

图4.1 系统阶跃响应曲线
不加PID控制后系统响应曲线，系统响应曲线如图4.2所示。

图4.2 不加PID系统阶跃响应曲线

通过观测图4.1可知，在蒸汽干扰可测状况下，通过调节控制器P、I、D参数，就可以使系统达到稳定状态，即在由外部干扰状况下，三冲量控制系统可以满足控制系统规定。

第5章 总结

本次设计，在设计串级控制系统时，由于控制器参数选不是很恰当，因此仿真波形不是很抱负，但三冲量控制系统仿真成果还可以。刚开始设计时，在主、副控制器选取上，考虑到主被控变量是锅炉汽包水位，容许波动范畴很小，规定无余差，主控制器选了PI控制。副控制器直接采用了P控制，考虑到如果引入积分控制也许反而会减少副回路迅速性，减少控制效果，考虑到微分控制具备超前作用，因此日后主控制器选取了PID控制。在串级系统整定期，采用临界振荡法，用这种办法将系统调试到接近最优状态。
通过本次设计，使我真正明白这门课对系统设计重要性。先通过模仿仿真实验然后在进行直接实验，不但提高系统研发效率，减少系统设计中调试时间，还增强系统安全稳定性，减少在系统研发中资金投入。因而认真学习这门课对咱们后来发展有很大协助，做课程设计不但巩固了课本所学过知识，增长实践经验，同步还学到了诸多在课本上所没有学到过内容。
通过本次课程设计，让我对过程控制理论知识在实际应用中有了比较深刻结识，提高了理论知识学习，也检查了自己存在局限性之处。本次设计虽然设计思路大体上是对的，但在细节解决方面多多少少存在某些问题，但愿教师可以指教。

参照文献

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[2]张晓华.控制系统数字仿真与CAD[M].2版.北京：机械工业出版社，
[3]薛定宇.控制系记录算机辅助设计—MATLAB语言及应用[M].北京：清华大学出版社，1996
[4] 刘元杨.自动检测和过程控制[M].北京：冶金工业出版社，
[5]李文涛. 过程控制. 第1版 .北京：科学出版社，
[6]刘文定,王东林. 过程控制系统MTLAB仿真. 北京：机械工程出版社，.2
[7]郭阳宽，王正林. 过程控制工程及仿真. 北京：电子工业出版社，.4
[8] 徐兵.过程控制[M].北京：机械工业出版社，
[9]张静.MATLAB在控制系统中应用[M].北京.电子工业出版社..
[10]王芳.整PID控制在锅炉汽包水位控制中应用[D].济南：山东大学.