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（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。

2.1.1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2.1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。

2.1.2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2.2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。

2.2锅炉汽包水位特性

工业锅炉汽水系统结构见图2-1。

汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和水,储藏量的多少是以被控量水位来表征的。

汽包的流入量是给水量,流出量是蒸汽量,当给水量等于蒸发量时,汽包水位就能恒定不变。

引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。

如果只考虑主要扰动,那么,汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为:

式中:

T1,T2为时间常数;

Tw为给水流量项时间常数;

TD为蒸汽流量项时间常数;

Kw为给水流量项的放大系数;

KD为蒸汽流量项的放大系数。

图2-3锅炉汽水系统

2.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性

给水量是锅炉的输入量,如果蒸汽负荷不变,那么在给水流量发生变化时,汽包水位对象的微分方程式可以表示为:

从而可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函数:

Tw的数值一般很小常常以忽略不计,对于一些锅炉,在给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,存在一段较长的起始惯性段,用下式近似表示,其响应曲线图见图2-4。

图2-4给水流量阶跃变化时的汽包响应曲线

（4）

由图3-2可知,在给水流量阶跃输入作用下,当突然加大给水量（蒸汽量不变）,使给水量大于蒸发量,汽包水位一开始并不立即增加,而呈现出一段起始惯性段。

这是因为温度较低的更多的给水进入了水循环系统,使它从原有的饱和汽水中吸取了一部分热量,汽包和汽水管路中由于热量的损失,汽泡体积减少经省煤器进入汽包的给水,首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间。

这时,虽然给水量增加,但水位基本不变但水面下汽包容积变化过程逐渐平静时,汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升当水面下汽泡容积不再变化,完全稳定下来时,水位就随着贮水量的增加而直线上升。

2.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性

汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性（给水量不变）可用下式表示为：

（5）

:

则其传递函数可以用两个动态环节的并联来等效,其汽包的阶跃响应曲线见图2-5。

图2-5汽包水位在蒸汽流量阶跃作用下的响应曲线

（6）

图2-5可知,当负荷蒸汽流量增加时,汽包水位开始不但不降反而上升,即先上升后下降;

当蒸汽负荷量突然减小时,则汽包水位变化的情况相反,先降后升。

造成“虚假液位”的原因有:

一是锅炉蒸汽负荷增加使炉管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化（汽容积增加）而引起汽包水位上升,这是引起汽“虚假液位”的主要原因。

二是蒸汽流量增加,汽包气压下降,炉水沸点下降。

由于炉水位饱和水的气化,使汽包水位随压力下降而升高。

第3章系统设计

3.1给水流量扰动下的水位动态特性实验

3.1.1方案论证

所谓单容指只有一个贮蓄容器。

自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或设备等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。

图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F2-14和F1-6全开，设上水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。

液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。

图3-1单容自衡水箱特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

根据动态物料平衡关系有

Q1-Q2=A

（1）

将式（2-1）表示为增量形式

ΔQ1-ΔQ2=A

（2）

式中：

ΔQ1，ΔQ2，Δh——分别为偏离某一平衡状态的增量；

A——水箱截面积。

在平衡时，Q1=Q2，

＝0；

当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。

但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-9的阻力R成反比，即

ΔQ2=

或R=

（3）

R——阀F1-9的阻力，称为液阻。

将式（2-2）、式（2-3）经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

W0（s）＝

＝

=

（4）

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；

K为放大系数，K＝R；

C为水箱的容量系数。

若令Q1（s）作阶跃扰动，即Q1（s）=

，x0=常数，则式（2-4）可改写为

H（s）=

×

=K

-

对上式取拉氏反变换得h（t）=Kx0（1-e-t/T）（5）

当t—>

∞时，h（∞）-h（0）=Kx0，因而有

K=

（6）

当t=T时，则有h（T）=Kx0（1-e-1）=0.632Kx0=0.632h（∞）（7）

式（2-5）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。

图3-2单容水箱的阶跃响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图2-2（b），在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。

图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间常数T，所得的传递函数为：

H（S）=

（8）

3.1.2过程论证

本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。

（1）．将“SA-12智能调节仪控制”挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线说明连接实验系统。

文字部分

强电

接通电源控制柜电源总开关，打开钥匙开关，

控制屏上单相Ⅰ的L、N端接到智能调节仪电源的L、N端

弱电

上水箱液位LT1信号250欧姆（1-5V）的+、-端对应接到智能调节仪1、2端

调节仪输出7、5端对应接到SA-13A电动调节阀控制信号输入+、-端

表3-1仪表控制单容水箱特性测试实验接线说明

●本实验为开环控制，不需要设置PID参数，其他参数为：

Sn=33；

CF=0；

ADDR=1；

diH=50;

dil=0;

上水箱出水阀开度40%-70%

（2）．接通总电源空气开关和钥匙开关，直流电压指示24V，给压力变送器上电，按下启动按钮，合上单相Ⅰ空气开关，给智能仪表上电。

（3）．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验一、单容自衡水箱对象特性测试”，进入实验一的监控界面。

（4）．将智能仪表输出值设置为一个合适的值（40%-70%），此操作需通过调节仪表实现。

（5）．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位处于某一平衡位置，记录此时的仪表输出值和液位值。

（6）．待液位平衡后，突增（或突减）智能仪表输出量的大小，使其输出有一个正（或负）阶跃增量的变化（即阶跃干扰，此增量不宜过大，以免水箱中水溢出），于是水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段时间后，水箱液位进入新的平衡状态，记录下此时的仪表输出值和液位值，液位的响应过程曲线将如图3-3所示。

图3-3单容液位阶跃响应曲线

（7）．根据前面记录的液位值和仪表输出值，按公式（3-6）计算K值，再根据图3-2中的实验曲线求得T值，写出对象的传递函数。

3.1.3结果分析

图3-4给水流量扰动实验结果

（9）

3.2单冲量控制系统

3.2.1方案论证

单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号,冲量即变量。

单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成,单冲量水位控制系统信号管路见图3-5，原理图见3-6

图3-5单冲量水位控制系统信号管路图

图3-6单冲量水位控制系统信号原理图

其特点为：

结构简单，投资少，适用于气泡容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。

该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当符合变化较大时，会造成控制器输出误动作，严重影响设备的运行寿命和安全，影响控制系统的控制品质。

蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此控制不及时。

这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。

对于水在汽包内的停留时间较长,且负荷又比较稳定的情况,“虚假水位”现象不严重,采用单冲量控制系统,进行PID调节一般就能满足生产要求然而,在其他的场合,尤其是在水停留时间较短,且负荷变化较大的锅炉中,由于控制作用缓慢,不能及时克服干扰,采用单冲量控制系统就不太合适。

3.2.2过程论证

本实验选择作上水箱为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-6、F2-14全开，将出水阀门F1-9开至适当开度（40%-70%），其余阀门均关闭。

（1）.将SA-12挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线插头插入屏内RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面控制屏接线说明连接实验系统。

表3-3仪表单容液位定值控制接线说明

（3）．打开上位机MCGS组态环境，打开“智能仪表控制系统”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、单容液位定值控制”，进入实验三的监控界面。

（4）．设置智能仪表的各个参数（见参考参数）,在监控界面中点击启动仪表。

（5）．按下电源控制柜启动按钮，打开磁力泵电源旋钮开关，磁力驱动泵上电打水，适当增加/减少智能仪表的输出量，使上水箱的液位趋于设定值。

（6）．按本章第一节中的经验法或动态特性参数法整定调节器参数，选择PI控制规律，并按整定后的PI参数进行调节器参数设置。

（7）．待液位稳定于给定值后，将调节器切换到“自动”控制状态，待液位平衡后，通过以下几种方式加干扰：

突增（或突减）仪表设定值的大小，使其有一个正（或负）阶跃增量的变化；

（此法推荐，后面二种仅供参考）

将电动调节阀的旁路阀F1-2（同电磁阀）开至适当开度,同时打开直流电磁阀的钮子开关；

将进水阀F1-6开至适当开度；

（改变负载）

以上几种干扰均要求扰动量为控制量的5％～15％，干扰过大可能造成水箱中水溢出或系统不稳定。

加入干扰后，水箱的液位便离开原平衡状态，经过一段调节时间后，水箱液位稳定至新的设定值（采用后面三种干扰方法仍稳定在原设定值），记录此时的智能仪表的设定值、输出值和仪表参数，液位的响应过程曲线将如图3-7所示。

图3-7单容水箱液位的阶跃响应曲线

（8）．分别适量改变调节仪的P及I参数，重复步骤7，用计算机记录不同参数时系统的阶跃响应曲线。

（9）．分别用P、PD、PID三种控制规律重复步骤4～8，用计算机记录不同控制规律下系统的阶跃响应曲线。

3.2.3结果分析

图3-8单冲量水位控制实验结果

系统传递函数应为水箱与PID控制器串联所得，经实验结果图形分析，结果符合，验证了理论的正确性

3.3串级三冲量控制系统

3.3.1方案论证

三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号,蒸汽流量为前馈控制信号,给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。

当负荷（蒸汽流量）突然发生变化,蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动,即当蒸汽流量增加时,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。

当水压变化使给水流量改变时,调节器能迅速消除干扰。

如给水流量减少,调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀,从而使给水量保持不变。

另外,给水流量信号也是调节器动作后的反馈信号,能使调节器及早知道控制的效果,所以使用三冲量控制系统能使调节器动作加快,还可以避免调节过量,减少水位波动,防止失控。

串级三冲量水位控制系统信号管路图3-9，原理图3-10。

图3-9串级三冲量水位控制系统信号管路图

图3-10串级三冲量水位控制系统信号原理图

从图3-9可以看出,三冲量水位控制系统有两个闭合回路:

一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路;

另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。

蒸汽流量及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内,但它的引入可以改善控制质量,且不影响闭合回路工作的稳定性,所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。

内回路可看做单回路系统,其动态特性可理解为快速随动系统,即内回路随动于主回路产生的变量。

由于内回路的快速响应,当给水流量发生扰动时,水位信号还未发生变化时内扰就被消除,所以整定内回路时可不考虑水位变化,将外回路断开,调节器内给定为零。

外回路也可看做一个单回路系统。

以给水流量的变化（内回路）作为调节对象的输入量,以水位测量信号（电流）做为调节对象的输出,等效为一个比例调节器。

最后,由于2个回路是在分别看做单回路系统时整定的,在正式投入运行时还要视情况对2个回路的PID进行相应的调整。

三冲量控制系统具有如下优点:

一是相对单冲量和双冲量控制系统,其控制品质最好,能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。

二是能有效地避免“虚假水位”现象。

3.3.2过程论证

本实验选择锅炉汽包作为被控对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，确保汽包中有一定的水，然后打开阀F1-1、F2-14、F1-7、F2-1,、F2-2、F2-4，F2-15开至适当的开度。

（1）、将SA-12、SA-13A挂件挂到屏上，并将挂件的通讯线接头插入屏内相应的RS485通讯口上，将控制屏右侧RS485通讯线通过RS485/232转换器连接到计算机串口1，并按照下面的控制屏接线说明连接实验系统。

接线部分

单相Ⅰ的L、N并联接到调节仪1、调节仪2和调节仪3的L、N端；

汽包液位（1~5V）输入端对应接至调节仪1的1、2输入端，其7、5端并联250欧姆的电阻后，接到调节仪2的1、2输入端，电动阀支路流量（1~5V）输入端对应接至调节仪2的3、2输入端，调节仪2的7、5输出端并联250欧姆的电阻后对应接到前馈-反馈补偿器的电压输入2端，变频器支路流量（1~5V）输入端对应接至调节仪3的1、2输入端，其7、5输出端并联250欧姆的电阻后对应接到前馈-反馈补偿器的电压输入1端，前馈-反馈补偿器电流输出对应接到电动阀的信号输入端，调节仪3的7、5输出端接到变频器1控制信号输入端

表3-5三冲量控制实验说明

●参考参数：

调节器1：

P=20，I=50，D=0，CF=0,ADDR=1,CTRL=1,SV=10CMdil=0dih=50

调节器2：

P=55，I=0，D=0，CF=0,ADDR=2,CTRL=1,SN=32,dil=0dih=50

调节器3：

P=0，I=0，D=0，CF=0,ADDR=3,CTRL=1,SN=33dil=0dih=100

变频器频率F=25HZ，

（2）、接通实验控制屏总电源空气开关和钥匙开关，给压力变送器上电，按下启动按钮，打开单相I空气开关给智能仪表上电。

（3）、打开上位机MCGS组态环境，打开“锅炉汽包特性测试”工程，然后进入MCGS运行环境，在主菜单中点击“实验三、三冲量控制”，进入实验三的监控界面。

（4）、在不加扰动时，先用手动使系统的输出量液位接近于稳态值，然后投入自动运行。

（5）、加一适量扰动（变频器支路定值打水），观察并记录被控制量H的变化过程。

（6）、引入前馈补偿器后，再加同样大小的扰动，观察并记录被控制量H的变化过程。

3.3.3结果分析

图3-11串级三冲量水位控制实验结果

系统传递函数应为水箱与主PID控制器和副PID调节器组成的三冲量控制系统相同，经实验结果图形分析，相对单冲量和双冲量控制系统,其控制品质最好,能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要求。

结果符合，验证了理论的正确性

第4章结论

4.1实验总结

通过这次课程设计，我不但巩固了以前在课本中所学到的理论知识，更重要的是通过对锅炉水位控制系统的分析，我学到了许多课本之外的知识，为以后参加工作打下了良好的基础。

以下是我的具体收获：

1.了解锅炉水位控制的概念、任务和要求。

2.掌握了串级PID控制器的原理及设计，明白串级三冲量给水控制的内外回路和前馈通路的作用。

3.了解锅炉给水控制系统方案及控制过程，能够对给水全程控制系统进行分析及整定。

能够独立分析给水全程控制系统的单、三冲量系统的切换以及三冲量系统与单冲量调节系统之间的切换与跟踪问题。

4.能够对全程给水控制系统SAMA图进行分析，并掌握了使用Visio画图工具绘制SAMA图。

5.增强了我自己动手、动脑以及独立思考问题的能力，通过和同学一起思考讨论问题，我还增长了见识，深化了团队合作和互相帮助的理念。

4.2问题分析

在本设计中，我们针对锅炉汽包水位三冲量控制系统,提出了控制系统设计原则与要求,将串级三冲量PID控制技术应用到给水控制系统,提高了给水调节系统的可靠性。

从仿真模拟结果可以看出,三冲量串级给水控制系统可以及时消除蒸汽量变化和给水流量波动的干扰,快速地控制汽包水位使之达到稳定运行的要求,而且该具有较高的调节质量和调节精度,能够保障机组的安全稳定运行,从而延长了锅炉的使用寿命。

对于大型设备的工业生产过程中，汽包水位是锅炉安全运行的重要参数之一，三冲量的引进很好地避免了“虚假