汽包水位自动控制系统设计

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

1)给水流量W

2)主蒸汽流量D

3)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

1)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。

2)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D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:

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。

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：

1)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。

2)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。

3)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。

4)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。

ﻬSAMＡ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:

1)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，为保证其快速灵活的特性,此处采用比例调节。

副回路整定Mａtｌａb仿真:

图8：副回路整定

其中设置PID调节器于比例调节，P=3０。仿真时,在２0S时加入幅度为0．5的阶跃扰动。

图９：副回路扰动测试仿真结果

从仿真结果可以看出,在20S加入扰动后，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。

2)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。

主回路整定Ｍatlaｂ仿真：

图10:主回路整定

主回路采用PI控制，其中P=0.9,Ｉ=０.0１5，微调副回路的比例P=35．