课程设计锅炉给水控制系统设计与仿真.docx
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课程设计锅炉给水控制系统设计与仿真
课程设计报告
（2010–2011年度第2学期）
名称：
过程控制
题目：
锅炉给水控制系统设计与仿真
院系：
控制与计算机工程学院
班级：
自动0805班
学号：
学生姓名：
指导教师：
设计周数：
成绩：
2011年06月25日
《过程控制》课程设计
任务书
一、目的与要求
1．目的
通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统的分析与综合。
2．要求
要求学生：
1）了解实现给水全程控制的关键技术；2）了解单元制锅炉给水全程控制方案；3）能够进行给水控制系统的设计与仿真。
二、主要内容
1．了解单元制锅炉给水全程控制方案；
2．设计单级三冲量给水控制系统，并进行仿真；
3．设计串级三冲量给水控制系统，并进行仿真。
三、进度计划
序号
设计内容
完成时间
备注
1
了解实现给水全程控制的关键技术；了解单元制锅炉给水全程控制方案；
1天
2
设计串级三冲量给水控制系统，并进行仿真；
1.5天
3
设计单级三冲量给水控制系统，并进行仿真；
1.5天
4
整理仿真结果，写课程设计论文；准备答辩。
1天
四、设计（实验）成果要求
1．过程控制课程设计任务简介。
2．单级三冲量给水控制系统的设计与仿真。
2.1反馈控制器整定及前馈补偿器的设计过程；
2．2对设计的单级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰动、给水流量扰动及蒸汽流量扰动下，给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应曲线。
3．串级三冲量给水控制系统的设计与仿真。
3.1串级系统内外回路控制器的整定及前馈补偿器的设计过程；
3．2对设计的串级三冲量给水控制系统进行仿真，分别给出汽包水位设定值扰动、给水流量扰动及蒸汽流量扰动下，给水控制系统的输出（即汽包水位）的响应曲线。
4．比较单级三冲量给水控制系统和串级三冲量给水控制系统。
5．课程设计的体会
五、考核方式
结合学生提交的“过程控制”课程设计报告书，对学生进行口试。
2011年6月26日
设计正文
某汽包锅炉，根据给水流量W做单位阶跃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知
根据蒸汽流量D做单位阶跃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知
已知：
给水流量测量变送器的传递函数为
蒸汽流量测量变送器的传递函数为
水位测量变送器的传递函数为
执行器与阀门传递函数乘积为
一、设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽io流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；
单级三冲量给水控制系统原理图
单级三冲量Simulink组态图：
调节器采用PI控制规律，其传递函数为
控制对象的传递函数为
给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为
水位测量变送器的斜率为
执行器和调节阀传递函数的乘积为
给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、、、过程如下：
（1）内回路的整定
内回路方框图如下图所示：
可以把内回路作为一般的单回路系统进行分析。
如果把调节器以外的环节等效地看作被控对象，那么被控对象动态特性近似为比例环节（因为执行器、调节器、变送设备和给水流量反馈装置都可以近似认为是比例环节）。
因此调节器的比例带和积分的时间都可以取得很小。
和的具体数值可以用试探方法决定以保证内回路不振荡为原则，一般。
在试探时，给水流量反馈装置的传递函数（给水流量信号的灵敏度）可任意设置一个数值，得到满意的值，如果以后有必要改变，则应相应地改变值，使保持试探时的值，以保证内回路的开环放大倍数不变。
所以副回路整定对应的数据表格为：
比例增益Kp
积分时间Ti
积分增益Ki=Kp/Ti
峰值
调节时间Ts
9
9
1.0
0.25
70
12
9
1.33
0.20
60
20
9
2.22
0.13
53
25
9
2.78
0.13
49
6
5
1.2
0.33
45
12
5
2.4
0.20
35
15
5
3.0
0.16
33
30
5
6.0
0.15
30
12
3
4.0
0.20
21
15
3
5.0
0.17
20
21
3
7.0
0.13
18
30
3
10
0.11
18
6
2
3.0
0.33
18
12
2
6.0
0.20
15
20
2
10
0.09
13
30
2
15
0.09
11
则有数据表格中的数据选择最佳数据为：
Kp=20，Ti=2，Ki=10
则内回路整定的仿真曲线如下：
（2）主回路整定：
在内回路经过正确整定后，其控制过程是非常快的。
这是因为调节器为比例积分和设置非常得较小，故它能快速动作。
外来控制信号改变时，调节器几乎立即成比例地改变给水流量W，使,即是:
或
这样，上图中的内回路可用比例环节代替。
因此主回路可表示为下图：
可见，主回路也可看作一个单回路系统。
它的等效调节器是具有比例调节的调节器，等效比例带为。
根据以上的分析，整定主回路时，用试验方法求得对象的阶跃响应曲线，根据曲线的动态特性选择最优的等效比例带，求得相应的。
由此可见，当变送器的斜率已经确定时，增大给水流量的灵敏度，等于增加主回路调节器的比例带，因此使给水流量动作缓慢，增加主回路稳定性。
同时，必须相应增加调节
主回器比例带以保证不变。
即
得
在附近用试凑法对参数进行整定。
参数整定过程的数据表格为：
内回路等效比例环节
超调量σ
调节时间Ts
0.9
0.131
530
2.0
0.137
510
5.0
0.145
450
10.0
0.161
400
12.0
0.173
380
12.5
0.180
370
13.3
0.195
360
14
0.203
340
15
0.218
340
18
0.241
340
则选择最佳的为14。
则此时对应的=0.95对应的Kp=19Ki=10=0.053Ti=1.9
此时外回路参数整定的仿真图像为：
（3）按无静差要求，整定
根据，得出=0.95。
上述整定参数要经过现场投试的检验，如果在控制过程中主回路衰减率过高或过低，（观察水位记录曲线），应改变给水量反馈装置的参数值。
当主回路衰减率偏低时，应增加值；反之则减小值。
在整定值的数值时，应注意同时改变调节器的参数值，使/的比值保持不变，以保证内回路能够保持实验整定时所选定的稳定性裕量。
（4）仿真曲线如下：
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：
汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线:
二、设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线。
串级三冲量给水自动控制原理框图
串级三冲量Simulink组态图：
主调节器采用PI控制规律，其传递函数为
副调节器位P控制规律，其传递函数为
控制对象的传递函数为
给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为
水位测量变送器的斜率为
执行器和调节阀传递函数的乘积为
给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置、均为比例环节，整定、、、、过程如下：
内外回路相对独立，可分别整定。
（1）副回路的分析与整定
根据串级控制系统的分析与整定方法，应将副回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统，以使副回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。
一般取，选择副回路调节器的比例带，以保证内回路不振荡。
内回路整定的Simulink组态图为：
要求副回路有快速跟踪的能力，外来控制信号改变时，调节器几乎立即成比例地改变给水流量W，使,即是:
或
所以假设调节器给出给定值dV=1时，在给水量为单位阶跃扰动下，必有偏差e=0,算得输出W=13.3。
则有：
解得：
但此时比例增益太大，明显影响到系统稳态性，所以规定偏差的范围：
令，即示波器输出W=12，
即一定有：
解得：
此时取，进行仿真，可知示波器输出结果符合要求。
整定结果：
=1/24=0.042=1
整定后响应曲线如下：
满足快速消除内扰要求。
（2）主回路的分析与整定
在主回路中，如果把副回路等效成比例环节，则主回路等效方框图如下图所示。
这时，主回路等效为一个单回路控制系统。
如果把给水流量W作为被控对象的输入信号，水位变送单元的输出作为输出信号，则可以把主调节器与副回路两者看作为等效主调节器，它的传递函数为：
串级三冲量给水控制系统主回路等效图
可见，等效主调节器仍然是比例积分调节器，但等效的比例带为：
式中为主调节器的比例带,等效主调节器的积分时间就是主调节器的积分时间T。
主回路仍按单回路系统的整定方法整定，通过实验法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线，并由曲线上求得和，再按响应曲线整定法中给出的公式计算等效主调节器的整定参数为
则主调节器的参数为
则主调节器参数为
s
在求得的主调节器参数附近，用试凑法根据曲线的动态特性选择最优的等效比例带和积分时间Ti。
比例增益Kp
积分增益Ki=Kp/Ti
超调量σ
调节时间Ts
0.76
0.0083
0.556
900
0.86
0.0083
0.481
750
0.96
0.0083
0.444
620
1.10
0.0083
0.407
600
1.20
0.0083
0.370
600
1.30
0.0083
0.370
620
1.40
0.0083
0.370
650
1.20
0.0060
0.333
750
1.20
0.0070
0.348
620
1.20
0.0083
0.370
600
1.20
0.0090
0.407
600
1.20
0.010
0.422
600
进一步修正得,
（3）蒸汽流量前馈装置的传递函数的选择
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等于给水流量信号，所以前馈装置的传递函数选择将不受静态特性无差条件的限制。
而根据锅炉“虚假水位”的严重情况来确定，从而改善负荷扰动时控制过程的质量。
一般蒸汽流量信号大于给水流量信号，即，K应当为在静态下：
。
又因为:
K>1,一般K=2，则
（4）仿真曲线如下：
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：
汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：
三、单级与串级三冲量给水控制系统比较：
1）整定方面：
单级：
内外回路相互影响，兼顾内外回路；
串级：
整定回路相对独立，容易整定。
在单级/串级中的作用不同：
单级中的等效比例带；串级中可为=1
3）静态配合时：
单级需要考虑；串级不要考虑。
4）串级可附加前馈冲量,汽机甩负荷，锅炉仍要维持低负荷运行时，H
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