xxxx大学本科生课程设计论文题 目：锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真学生姓名： 学 号：专 业： 班 级： 指导教师： 时 间：2013年12月8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三冲量控制系统仿真指导教师xx时间2013.12.022013.12.06一、教学要求1、理解锅炉汽包水位三冲量系统的组成及的工作原理；2、掌握使用Matlab/Simulink软件对控制系统的建模与仿真的方法；3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。二、设计资料及参数 设计资料详见过程控制系统的Matlab仿真（刘文定主编）9.2.2节。 本设计涉及到的控制原理、过程控制系统等内容参考相关专业课教学内容。设计参数：见过程控制系统的Matlab仿真（刘文定主编）9.2.2节。三、设计要求及成果1、利用Simulink建立锅炉汽包水位三冲量控制系统的仿真模型，采用3种不同的控制方案。2、设计以上系统中控制器的参数，观察仿真结果，比较各种参数下的系统响应曲线，内容验证仿真结果的正确性，比较不同方案的优劣;3、撰写不少于3000字的设计报告。设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部分，要求给出设计模型图以及仿真结果图。相关Matlab/Simulink设计文件要求提交电子文档。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、评分标准课程设计成绩评定依据包括以下几点：1）工作态度（占10%）；2）基本技能的掌握程度（占20%）；3）方案的设计是否可行和优化(40%)；4）课程设计技术设计书编写水平(占30%)。分为优、良、中、合格、不合格五个等级。考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告。六、建议参考资料1、控制系统数字仿真与CAD，李国勇，电子工业出版社，2011年1月第2版2、过程控制系统的Matlab仿真,刘文定，机械工业出版社，2009年2月第1版目录第一章 汽包水位控制的概述- 1 -1.1 锅炉汽包水位的动态特性- 1 -1.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响- 1 -1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响- 2 -第二章 三冲量串级给水控制系统设计- 4 -2.1 单冲量水位控制系统的介绍- 4 -2.2 双冲量水位控制系统的介绍- 5 -2.3 三冲量汽包水位控制原理- 5 -2.3.1 三冲量控制方案之一- 5 -2.3.2三冲量控制方案之二- 7 -2.3.3三冲量控制方案之三- 8 -第三章 汽包三冲量控制算法的MATLAB仿真设计- 10 -3.1 控制系统模型图的绘制- 10 -3.1.1 Simulink模块的调用- 10 -3.1.2 PID子系统的建立以及封装- 10 -3.2 PID控制器的参数整定- 12 -第四章 总结- 15 -参考文献- 16 -第一章 汽包水位控制的概述 在锅炉控制工艺中，保持汽包水位在一定范围内是锅炉稳定运行的重要指标。炉膛负压保持在一定范围内。如果水位过低，则由于汽包内的水量较少，而负荷却很大，水的汽化速度又快，因而汽包内的水量变化速度很快，如不及时控制，就会使汽包内的水全部汽化，导致锅炉烧坏或爆炸；水位过高会影响汽包的汽水分离，产生蒸汽带水现象，会使过热器管壁结构导致破坏。汽包水位控制的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允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，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。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象，此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，我们有必要对汽包的水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。1.1 锅炉汽包水位的动态特性 锅炉汽水系统如图所示，锅炉在运行的过程中，由于负荷、燃烧状况、给水流量等诸多干扰因素的影响；所以锅炉汽包水位是经常变化的。其中影响汽包水位的主要因素有：（1）来自给水管道和给水泵方面的压力，包括给水压力以及调节阀开度等的变化；（2）来自蒸汽负荷的扰动，包括主蒸汽调节阀开度、蒸汽管道阻力等的变化。分析汽包水位的动态特性，确定给水自动控制系统设时如何考虑这些扰动因素，是设计给水自动控制系统的主要依据。1.1.1 给水流量W对汽包水位H的影响汽包水位在给水流量W扰动下的动态特性给水流量W的扰动是影响汽包水位的主要因素，它来自控制侧，属于内部扰动。给水流量W作阶跃变化时，锅炉的水位H变化的阶跃响应曲线如图1.1所示。图1.1 给水流量扰动下水位的阶跃响应曲线图中当给水量增大时，由于给水温度必然低于锅炉内的汽包饱和水温度，所以需要从饱和水中吸取一部分的热量，因此导致汽包内液体温度的下降，进而使水位下的气泡减少。只有在水位下气泡容积变化达到平衡后，管道给水量的增加才与水位成正比例地增大。在图1.1中阶跃响应曲线的初始阶段中，水位的增加比较缓慢，可用实验特性来近似描述，因为当给水量的突变使得汽包水位经过一定的时间滞后才会增加，所以用来表示滞后时间。根据上面的分析，若给水温度过低，则从饱和水中吸收的热量要多些，所以时间滞后也会相应的变得大一些。1.1.2汽包水位在蒸汽流量D扰动下的影响 蒸汽流量D的扰动主要来自汽轮发电机组功率或外界用汽负荷的变化，属于外部扰动，所以汽包水位在外部蒸汽流量干扰下变化的阶跃响应曲线如图1.2所示。图1.2 蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线当负荷设备的用汽量突然增加时，单从物料不平衡的角度考虑，汽包中的蒸发量大于给水量，汽包水位的变化应如图1.2中H1所示直线下降。但实际显示出的水位变化如图1.2中H所示水位不但不下降，反而迅速上升，这就是我们常说的“虚假水位”现象。这种情况是由于当炉的蒸发量突然增加时，瞬间导致汽包压力下降，沸腾加剧，水面下的汽泡容积增加得很快，汽包水位上升，当汽泡容积与负荷相适应达到稳定后，水位就随物的不平衡关系的变化而开始下降。其中H2曲线代表着水面下汽泡容积的增加而使水位的变化，实际的液位变化曲线H相当于是H1和H2合成的。当蒸汽流量突然减小时，水位变化则是先下降再上升。在实际的工业锅炉中，虚假水位的变化幅度与锅炉的规模有着直接的关系，例如一般的100-300T/H高压锅炉来说，当负荷变化10%的时候，其虚假水位可达30-40mm左右，因此在实际的控制方案当中应该将其考虑在内。第二章 三冲量串级给水控制系统设计在设计锅炉汽包水位控制系统时，其中的变量为汽包水位，操纵变量是管道的给水流量。主要的干扰变量有以下四个：（1） 给水方面的干扰。如给水压力、减温器控制阀开度变化。（2） 蒸汽用量的干扰。包括管路阻力变化和负荷设备控制阀开度的变化等。（3） 燃料量的干扰。即包括燃料热值、燃料压力、含水量。（4） 汽包压力变化。通过汽包内部汽水系统在压力升高时自凝结和压力降低时的自蒸发影响水位。2.1 单冲量水位控制系统的介绍 汽包水位控制系统的操纵变量为给水量，可构成如图所示的单冲量控制系统。单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即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与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许范围内。单冲量水位控制系统，是汽包水位控制系统中最简单最基本的一种形式。这种控制系统结构简单，对于汽包内水的停留时间长，负荷变化小的小型锅炉，单冲量水位控制系统可以保证系统的有效运行。然而，在停留时间较短，负荷变化较大时，采用单冲量水位控制系统就不能适用。其中的原因有以下几个： 负荷变化时产生的“虚假水位“将使调节器反向错误动作，即负荷增大时调节器不但不能开大给水给水阀的开度增加给水量，反而会关小给水调节阀，一到闪急汽化平息下来，将使水位严重下降，波动厉害，动态品质很差，严重时甚至会使汽包水位降到危险程度，以致发生事故。 负荷变化时，控制作用缓慢。即使”虚假水位“现象不严重，从负荷变化到水位下降要有一个过程，再有水位变化到阀动作已滞后一段时间。如果水位过程时间常数很小，偏差必然相当显著。因此，对于停留时间短、负荷变动较大的情况，这样的系统不适合，水位不能保证。然而对于小型锅炉，由于汽包停留时间较长，在蒸汽负荷变化时假水位的现象并不显著，配上一些连锁报警装置，也可以保证安全操作，故采用这种单冲量控制系统尚能满足生产的要求。2.2 双冲量水位控制系统的介绍 在汽包水位控制系统中，最主要的干扰是蒸汽负荷的变化。如果引入蒸汽流量来起校正的作用，就可以纠正虚假水位引起的误动作，而且使控制阀及时动作，从而减少水位的波动，能改善控制品质。图中就是双冲量控制系统的原理图，这是一个前馈加单回路反馈控制的负荷控制系统。 但是双冲量控制系统也有其弱点，因为控制阀的工作特性要做到静态补偿比较困难，还有就是此系统不能克服给水系统的干扰。所以，我们就要将给水流量信号引入到双冲量控制系统中，构成三冲量水位控制系统。2.3 三冲量汽包水位控制原理三冲量控制中串级系统主、副控制器的任务不同，副控制器的任务不同，副控制器的任务不同，副控制器用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量的扰动以及蒸汽负荷变化迅速调整给水流量，以保证给水流量和蒸汽流量平衡；主控制器的任务是修正汽包水位的偏差。这样，当负荷变化时，汽包水位稳定值是靠主控制器来维持的，可以根据对象在外扰下虚假水位的程度来适当加强蒸汽流量信号的作用强度，从而改变负荷变化的水位控制品质。 而且这种控制系统能够有效地维持汽包水位在工艺的允许范围内，也有效地克服了系统存在的“虚假水位”的现象。我们在设计三冲量控制系统时，设计出了三种控制方案，下面我们逐个分析这三种控制方案。2.3.1 三冲量控制方案之一 引入给水流量信号的三冲量水位控制系统将汽包水位作为主被控变量，给水流量作为副被控变量的串级控制系统与蒸汽流量作为前馈信号的前馈-串级控制系统，如图2.1所示。图2.1 方案二的三冲量水位控制系统原理图 根据原理图我们可以绘制方案一的控制系统的框图，如图2.2所示。中，我们可以看出在图2.2的主回路中，如果把副回路近似看做比例环节，则主回路等效为一个单回路控制系统，主控制器通常采用比例积分控制，其参数整定仍按单回路系统的方法。图2.2 方案一的三冲量水位控制系统框图2.3.2三冲量控制方案之二 此方案是将蒸汽信号、给水流量和汽包水位信号一起送加法器，加法器输出作为控制器的测量信号，从而构成一个采用一个控制器的三冲量的控制方案，如下图2.3所示。图2.3方案二的三冲量水位控制系统原理图其中的主控制器采用的是比例为100%的比例控制器，副控制器是给水控制器，前馈控制汽流量控制，副控制器和前馈控制器的比利系数分别设置为w和D。因为汽包水位控制器的测量值是蒸汽流量信号、给水流量信号和汽包水位信号的代数和，当给水流量与蒸汽流量达到物料平衡及控制器