华北电力大学过程控制课设报告全解

课程设计(综合实验)报告
( 2014 -- 2015 年度第 2学期)
名 称： 过程控制技术与系统课程设计 题 目： 汽包锅炉三冲量给水控制系统设计 院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 自动化 学 号： 学生姓名： 指导教师：
设计周数： 一 周
成 绩：
日期：年 月 日
一、控制系统的基本任务和要求
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。

本设计的主要任务即是保证给水流量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。

二、被控对象动态特性分析
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
1)给水扰动
Simulink中系统连接图如下：
运行结果如下：
010203040
5060708090100
2)蒸汽流量扰动
Simulink中系统连接图如下：
运行结果如下：
102030405060708090100
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：1) 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。

2) 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。

三、系统框图、控制系统流程图及SAMA图
系统框图：
工艺流程图：
系统SAMA图：
四、控制系统的仿真及参数整定
a)副回路的整定
副回路的主要作用是消除二次扰动即给水阀的扰动，要求副回路的快速性和稳定性，保证给水流量的稳定。

整定时，断开主回路，把副回路看成是一个单回路，并采用比例
α=
调节控制。

并取1
W
副回路的MATLAB仿真如下：
为了防止比例增益太大，影响到系统稳定性，所以规定偏差的范围：1.0
e，
≤则12
K
≥
p
这里取13
K=，仿真结果如下:
p
从仿真结果可以看出，输出可以快速跟随输入，且稳态误差很小，可以满足内回路快速准确的要求。

b)主回路的整定
整定主回路时，可以把副回路的整体看成一个比例环节，用衰减曲线法整定主回路。

主回路MATLAB仿真如下：
这时采用衰减曲线法进行主回路的参数整定，当衰减率达到10:1时，仿真结果如
下图，且KP=0.91，TR=61.9
由图可获取参数，并有查表按公式计算等效主调节器的整定参数为KP=0.76，TI=0.00614
c) D α值的确定
在串级三冲量给水控制系统中，水位偏差完全由主调节器来校正，使静态水位值总是等于给定值。

因此，就不要求送到副调节器的蒸汽流量信号D V 等于给水流量信号W V ，所以前馈装置的传递函数D α选择将不受静态特性误差条件的限制。

而根据锅炉虚假水位的严重情况来确定，从而改善符合扰动是控制过程的质量，一般蒸汽流量信号大于给水流量信号，即D D W W K γαγα=，K 应当为在静态下：
1h
d
W K W =
= 。

又因为： 1K >，这里取5K =，则 55D W αα== d) 仿真曲线
蒸汽流量D 阶跃扰动下汽包水位H 的响应曲线：
给水流量W阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：
五、设计总结
此次课程设计的题目是汽包水位的控制系统, 三冲量控制系统利用给水流量、蒸
汽流量和水位三个参数进行液面控制。

该系统中汽包水位是主冲量信号，给水流量、蒸汽流量是辅助冲量信号，该控制系统经过给水流量和蒸汽流量扰动下的仿真实验，能有效地克服虚假水位和给水干扰对控制系统的影响。

从仿真效果可知，串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应，具有较高的调节质量和调节精度，能够维持汽包水位的稳定，保障机组的安全稳定运行，改善了高压汽包的运行状况，极大地提高
了控制系统的性能，使高压汽包的液位波动很小，液位控制非常平稳。