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一、课程设计(综合实验)的目的与要求 锅炉是工业生产及人民生活的主要的动力及能源。汽包水位是工业蒸汽锅炉安全、稳定运行的重要指标,水位过高会导致蒸汽带水进入过热器,并在过热管内结垢,影响传热效率,严重的将引起过热器爆管;水位过低又将破坏部分水冷壁的水循环引起水冷壁局部过热而爆管。高性能的锅炉产生的蒸汽流量很大,而汽包的体积相对来说较小,水位的时间常数很小。大容量锅炉若给水不及时,数秒之内就可能达到危险水位,所以锅炉汽包水位的控制显得非常重要。因此,必须采取有效、精确的自动调节,严格控制汽包水位在规定范围内。 影响汽包水位变化的因素很多,如燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是比较缓慢的,容易克服。因此,主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。水位过高会影响汽包内汽水分离,饱和水蒸汽温度急剧下降,该过热蒸汽作为汽轮机动力的话,将会损坏汽轮机叶片,影响运行的安全性和经济性。水位过低,则由于汽包内的水量转少,而负荷很大时,如不及时调节就会使汽包内的水全部液化,导致水冷壁烧坏,甚至引起爆炸。因此,锅炉汽包水位必须严加控制。 二、设计(实验)正文 1控制系统的整体分析: 1.1影响汽包水位的主要因素 给水流量W 主蒸汽流量D 燃料量B 1.2控制指标 保证给水流量W和主蒸汽流量D保持平衡,维持汽包水位H在较小范围内波动。 1.3汽包水位控制对象的动态特性分析 做各种主要影响因素的阶跃扰动,记录并分析汽包水位的响应曲线 给水扰动: Matlab仿真如图1: 图1:给水扰动Matlab仿真 运行结果如图2: 图2:给水扰动下的水位响应曲线 由被控对象在给水量扰动下的水位阶跃响应曲线,可以看出该被控对象无自平衡能力,且有较大的迟延,因此应采用串级控制,将给水流量的扰动消除在采用带比例作用的副调节回路中,以保证系统的稳定性。 蒸汽扰动: Matlab仿真如图3: 图3:蒸汽扰动Matlab仿真 运行结果如图4: 图4:蒸汽扰动下的水位响应曲线 由仿真结果看出对象在蒸发量扰动下,水位阶跃反应曲线有一段上升的过程,表现有“虚假水位”现象,(出现虚假水位现象的原因:当负荷突然增加,蒸汽流量增加,汽包的压强变小,导致水气化,导致水位升高,同样的,当负荷突然减小,蒸汽流量减小,汽包的压强变大,导致水中气泡液化,水位降低,这两种情况都会出现虚假水位现象。)这种现象的反应速度比内扰快,为了克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响,应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。 通过上述对被控对象的动态特性分析,确定采用串级前馈三冲量控制系统: 因为串级系统可以有效克服二次干扰,尤其是本系统是有纯迟延环节,可以有效提高系统的快速性和准确性,改善了系统的动态特性,此外,串级系统对负荷的变化有一定的自适应能力。 通过静态前馈环节的加入,也可以有效改善负荷变化(蒸汽流量变化)带来的“虚假水位”现象,当蒸汽流量D突然阶跃增加,由于虚假水位现象会使水位增加,错误地使调节机构减小给水量,但引入前馈后,D的增加通过副回路的比例作用又使得调节机构增加给水量,所以通过合适的参数整定,将会有效克服“虚假水位”现象。 1.4,系统框图、控制系统流程图及SAMA图如下所示: 图5:控制系统框图 图6:串级三冲量水位控制系统工艺流程图 在该调节系统中:调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个测量信号,控制系统说明如下: 水位H是主信号,任何扰动引起的水位变化,都会使调节器输信号发生变化,改变给水流量,使水位恢复到给定值。 主汽流量信号D做前馈信号,其作用是削弱由于“虚假水位”而使调节器产生的误动作,用以改善蒸汽流量扰动时的调节质量。 控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由主调节对象Gp(s)、水位测量变送器Kh、主调节Gc1(s)和副回路组成;副回路由给水流量W、给水流量变送器Kw、副调节器Gc2(s)、执行器Kμ组成;前馈部分由蒸汽流量信号D、蒸汽流量变送器Kd构成。 副调节器的任务是当给水量扰动时,迅速动作使给水量保持不变;当蒸汽量扰动时,副调节器迅速改变给水量,保持给水量和蒸汽量平衡。主调节器的作用是校正水位,维持稳定水位不变。 SAMA图解析: SAMA图中操作器要保证手自动的无扰切换: 主调节器跟踪是为了保证副调节器无偏差;副调节器跟踪保证执行机构无偏差。 切手动的条件: 除了测量信号故障及调节器的输入偏差大,又加入了蒸汽流量变化幅度过大的要求,因为前馈的引入,虽然减小了“虚假水位”期间调节机构的误动作,但是并不能完全消除该现象,切水位H对蒸汽流量扰动D的响应速度比对内部扰动W的响应速度要快得多,所以当蒸汽流量变化过大时还是会引起误动作,故加入了蒸汽流量变化幅度的限制。 1.5控制系统的仿真及参数整定: 副回路的整定: 副回路的主要作用是消除二次扰动