机械自动化毕业论文设计串级三冲量给水控制系统的仿真及分析.docx

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机械自动化毕业论文设计串级三冲量给水控制系统的仿真及分析

机械自动化毕业论文（设计）--串级三冲量给水控制系统的仿真及分析

摘要

现代大型锅炉的水位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了给水系统的安全可靠，有多种设计方案，三冲量给水系统包括单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统，设计中重点针对串级三冲量给水系统进行了详细的设计及仿真研究。

本次设计是根据实验给定的参数，用理论计算的方法整定调节器的参数，同时借助MATLAB应用软件整定调节器的参数，并与单冲量给水控制系统进行分析比较。

理论计算时，副回路需要用试探法，只能在仿真中进行整定；而主回路要结合所学的专业课知识，用经验公式计算主、副调节器的参数；再用结合实际的工程整定法也就是衰减曲线法来选择调节器参数并进行仿真。

设计中介绍了串级三冲量给水系统的结构组成及工作原理，接着根据理论计算，并结合工程整定方法，详细论述了系统的参数整定问题。

参数整定后要使串级三冲量系统的副回路成为一个快速随动系统，主回路成为一个衰减率为四分之一的衰减振荡系统。

最后分析了水位扰动、蒸汽流量扰动下的系统的性能和蒸汽流量信号丢失后的水位变化情况。

关键词：

汽包锅炉水位；串级三冲量给水控制系统；MATLAB应用软件

Abstract

Thedynamiccharacteristicofmodernlarge-scaleboilerwaterleveliscomplicated,thevaporisexisting"thefalsewaterlevel"phenomenon,inordertokeepwatersupplysystemreliableandsafe,wecanadoptthreemethodstocompletethisdesign,WaterLevelControlSystemofCascadeThreeParametersControlBoilerincludessinglestagethreeimpulseswatersupplysystemandcascadethreeimpulseswatersupplysystem,inmystudy,IhavemadeadetailedintroductionofwaterLevelControlSystemofCascadeThreeParametersControlBoilerandhascarriedoutsimulatedcurve.

Thisdesignusetheoreticalmethodtoadjustthecontrollerparameterbasingonparameterofexperiment.ItchoosesthecontrollerparameterbyusingMATLABapplicationsoftwareandmakesacomparationwithwaterLevelControlSystemofCascadeSingleParametersControlBoilerDrum.Intheprocessoftheoreticalcalculating,theinnercircuitneedstouseheuristicapproach,itcancarryoutadjustingprocessonlyinsimulation;But,theoutsidecircuitneedstocombinewithspecializedcourseknowledgethatwehavelearned,theparameterwascalculatedbyusingEmpiricalformula.Subsidiarycontroller;Adjusterparameterischoosedandsimulatedbypracticalengineeringmethod.

DesignhasmadeaintroductionofthestructureandprincipleofWaterLevelControlSystemofCascadeThreeParametersControlBoiler,adjustingmethodcombiningwithaprojecthasdiscussedsystematicparameterindetailed.Thewaterlevelhavinganalyzedwaterlevelperturbationmotion,lowersystematicsteamrateofflowperturbationmotionfunctionandsteamrateofflowsignalfinallyafterbeinglostwaterlevelthatchangescondition.

Keywords:

waterlevelofsteamdrumboiler;seriesthreeelementswatersupplycontrolsystem;MATLABapplicationsoftware

引言1

第一章电厂热工自动化控制的发展2

1.1自动控制理论的发展2

“经典控制理论”阶段2

“现代控制理论”阶段2

“大系统理论和先进控制理论”阶段2

1.2控制系统规模、组成结构和硬件的发展3

1.3国外一些主要的DCS系统4

第二章调节器的调节规律5

2.1比例调节对控制性能的影响5

2.2积分调节对控制性能的影响6

2.3微分调节对控制性能的影响8

第三章单回路控制系统的介绍11

3.1单回路控制系统的概述11

3.2单回路控制系统各组成部分的选择11

3.3对象特性对控制过程的影响12

对象放大系数对控制过程的影响12

对象时间常数对控制过程的影响13

3.4单回路控制系统参数整定方法14

广义频率特性法15

工程整定法16

经验法17

动态参数法17

第四章汽包锅炉给水控制系统19

4.1汽包锅炉简介19

4.2汽包锅炉给水控制系统的任务及基本要求20

4.3汽包水位的动、静态特性21

给水流量扰动下水位的动态特性22

蒸汽流量扰动下水位对象的动态特性23

炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性24

静态特性分析25

4.4锅炉给水控制系统的方案25

汽包水位单冲量给水控制系统25

汽包水位双冲量给水控制系统27

汽包水位三冲量给水控制系统29

第五章串级三冲量给水控制系统及整定方法31

5.1串级三冲量给水控制系统结构和工作原理31

5.2串级三冲量控制系统的特点32

5.3串级三冲量给水控制系统的分析32

副回路的分析32

主回路的分析33

5.4蒸汽流量前馈装置的传递函数的选择34

第六章串级三冲量给水控制系统的仿真及分析36

6.1MATLAB的概述36

MATLAB的特点36

热工自动控制中MATLAB的应用38

6.2单冲量给水控制系统参数整定和仿真38

单冲量给水控制系统的参数整定38

单冲量给水控制系统模型及仿真图39

6.3串级三冲量给水控制系统参数整定和仿真40

副回路的仿真40

主回路的仿真42

6.4整个系统和各种扰动量下的SIMULINK结构图和仿真图45

整个系统的仿真分析45

各种扰动下系统SIMULINK结构图和仿真图46

6.5串级三冲量给水控制系统的仿真结果分析48

参考文献50

谢辞52

引言

随着电子产品的降价及自动化生产线工艺控制连续稳定优势的凸现，越来越多的企业准备将自己的核心生产线改成全自动化生产线或者对个别关键工艺参数采用自动控制。

工业应用自控技术在中国的推广使用较晚，但近年来发展较快。

国内现在做汽包水位自动控制系统方面的设计公司很多，但由于能够集工艺要求、自动化技术和电气技术三者于一体的设计不多，所以人们清楚地认识到自动控制技术在工业应用中的重要地位和作用，在水位控制系统中，主要采用“三冲量控制”方案来实现锅炉汽包水位控制更是重中之重。

本设计是通过了解锅炉汽包水位控制的发展并在具体分析其动、静特性的基础上从单冲量控制到双冲量控制最后到三冲量控制的设计方案中择优选择了“三冲量”控制，具体的方案设计存在的优缺点详见下文解析。

本课题的目的及意义：

锅炉汽包水位控制是维持锅筒水位在允许的范围内，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量。

由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和汽轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的重要条件。

水位过高或过低，都是不允许的。

水位过高会影响汽水分离器的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增加，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢，造成事故；锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。

水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。

本设计的目的是采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行,并通过MATLAB仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内、外扰动，实现汽包锅炉水位控制的要求。

第一章电厂热工自动化控制的发展

自动控制理论及工程应用的发展至今已有100多年的历史，随着现代科学技术的飞速发展，自动控制系统应用范围也越来越广泛。

电厂热工系统更不例外主要表现在系统越来越大，高参数大容积，除了对控制硬件提出了高可靠性要求之外，对控制理论也不断提出新要求，希望能不断解决新出现的控制难题，自动控制的发展主要包括两个方面：

（1）控制理论的发展；

（2）控制系统规模及组成结构和硬件的发展；

1.1自动控制理论的发展

“经典控制理论”阶段

上世纪50年代前发展的控制理论被称为“古典控制理论”。

它主要研究的自动控制系统为线性定常系统，被控对象集中于SISO系统。

经典控制理论所采用的方法通常是以传递函数、频率特性、根轨迹分布为基础的波德图法和根轨迹法，包括各种稳定性判据和对数频率特性。

“现代控制理论”阶段

60年代以后发展起来的现代控制理论主要研究MIMO系统。

系统可以是线性或非线性的，定常或时变的。

它采用状态方程代替经典理论中的一个高阶微分方程式来描述系统，并且系统中各个变量均为时间t的函数，因而属于时域分析方法。

采用状态方程的好处是可以研究系统的内部特性，可以分析系统的本质。

主要内容包括：

（1）系统运动状态的描述和能控性、能观性分析；

（2）李亚谱诺夫稳定性理论和李亚谱诺夫函数，系统识别和卡尔曼滤波理论；

（3）非线性系统控制；

（4）系统最优控制及自适应控制

“大系统理论和先进控制理论”阶段

前两个阶段的控制理论的发展与应用，主要讨论存在数学模型的自动控制系统，但是对于那些不具有数学模型或很难找到数学模型的被控对象，应用经典控制理论的方法等无法解决。

但是，由于计算机技术的快速发展和价格的下降，使计算机的应用领域越来越宽，先进控制日益发展和应用起来了。

先进控制主要包括自适应控制、预测控制、智能控制、鲁棒控制等。

人工智能学科的发展促进了自动控制理论向着智能控制方向发展，而智能控制和具有智能化的自动控制系统又是人工智能的一个既有广泛应用前景的研究领域。

70年代末开始的智能控制理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制论在深度上和广度上的开拓，因此在控制工程界受到极大的关注，主要包括：

专家系统、神经网络和模糊控制、学习控制等。

智能控制具有如下特点：

以专家和熟练操作工人的知识为基础进行推理、判断、预测和规划，采用符号信息处理、启发式程序设计，知识表示和自学习、推理与决策的智能化技术，实现问题的综合性求解。

先进控制离不开前两个阶段的控制理论，只是把自动控制理论推向一个更深化的崭新阶段。

1.2控制系统规模、组成结构和硬件的发展

（1）初级阶段

本世纪50年代前后，热工生产过程主要是凭生产实践经验，局限于一般的控制元件和机电式控制仪器，采用较笨重的基地式仪表实现机、炉、电各自独立的分散的局部自动控制。

各控制系统之间没有或很少有联系，应用的理论是“经典控制理论”。

（2）常规仪表阶段

50年代末及以后十年间，随着仪表工业大力发展，先后出现了电动单元仪表和巡回监测装置，这些高性能的仪表广泛应用于热工过程，且机组容量增大，对效率及安全的要求越来越突出，因此热工控制的要求和精度变得越来越高。

要求实现把机、炉作为一单元整体来进行集中控制，仪表盘表装在一起监视，从而使机、炉启停更为协调，对提高设备效率和强化生产过程有所促进。

此时所用的仪表有电动及组装仪表。

理论发展主要是处于“经典控制理论”阶段，但也开始考虑最优控制等，各种DDZ型仪表广泛应用于水位控制中。

（3）大型自动化阶段

70年代至今，由于集成电路及计算机技术的飞速发展，实现了过程控制最优化与管理调度自动化相结合的分散计算机控制，目前火电发电厂都发展到了管理、决策、财务、生产过程一体化的（CIPS）DCS它把各系统之间、厂级管理、调度等用大型计算机进行集中管理，而各个子回路分散控制，充分发挥了集中控制和分散控制各自的优点，是一种比较合理的新型计算机控制系统。

随着这个过程，控制理论的应用有了新的发展，各种先进控制技术也能广泛应用于热工过程。

水位控制的模式主要是三冲量，但是先进控制技术也应用到水位控制中来，如自适应控制、预测控制、模糊控制、还有可以用神经网络进行控制。

甚至应用建模技术，可以对过程实时建模，更加提高了控制效果。

1.3国外一些主要的DCS系统

国外DCS系统经过几十年的发展，计算机集散控制系统已被广泛应用于包括电厂在内的诸多工业部门。

目前，世界上约有40多家公司生产近百种简单控制系统的商业产品。

比较有名的如美国的ABB、Honeywell、Tayler、FoxboroSiemens等多跨国公司。

这些成熟的DCS系统都有可靠的性能，都有对于专门的生产过程发展的DCS系统，可以很方便、任意的组态，里面都包含了几乎所有的控制算法，用户可以根据现场情况实现自己的控制策略。

由于这些系统的良好的开放性，用户可以在此基础上作二次开发，把最新的技术应用到自己的系统中来，增强原系统的功能。

第二章调节器的调节规律

调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系，从理论上说可有各种形式的函数关系，然而在实践中总结出比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律三种基本调节规律，广为采用。

三种调节规律的组合可设计出多种调节规律的调节器，如比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器等。

调节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有着很大的影响，因为对象的特性是不容易改变的。

本章内容的重点是分析和比较不同调节规律的调节器的控制效果。

2.1比例调节对控制性能的影响

所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用与其偏差输入信号之间成比例关系，即

（2-1）

其中――比例增益。

比例调节器的传递函数为

（2-2）

工程中，常用比例带来描述其控制作用的强弱，即

（2-3）

其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量。

如，则表明调节器输出变化100%时，需要其输入信号变化20%。

比例调节的阶跃响应图如图2-1所示。

从图中看出，在时刻前，系统处于稳定状态；时刻偏差信号发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调量产生阶跃变化，调节输出控制作用将成比例地变化，而且几乎是同时产生的。

控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量回到原来的值上。

从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。

由图2-1还可看出，在时调节过程结束，但偏差信号仍存在；换言之，调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。

因为采用比例调节规律的调节器，其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消扰动的影响、使系统重新稳定下来的保证。

在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差；调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。

调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。

图2-1比例调节的阶跃响应

2.2积分调节对控制性能的影响

比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的调节作用。

然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。

积分调节规律是调节器输出控制作用与其偏差输入信号随时间的积累值成正比，即

（2-4）

其传递函数形式为

（2-5）

式中为积分时间。

积分调节器的阶跃响应如图2-2所示。

由图可以看出，当被调量出现偏差并呈阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。

从这一点看，积分调节作用是不及时的。

只要偏差信号存在，调节器输出值在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。

（2-6）

上式表明，控制作用在积分时间越小的时候越强。

从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零时，积分作用才停止变化。

这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。

积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节过程的后期。

不过在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成为比例积分调节规律，以发扬各自的特长，弥补对方的不足。

描述比例积分调节规律的动态方程是

（2-7）

式中，为比例增益；为积分时间。

比例积分调节器的传递函数为

（2-8）

图2-2积分作用曲线

比例积分调节器的飞升特性如图2-3所示。

由图可以看出，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。

由此可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。

图2-3比例积分响应曲线

2.3微分调节对控制性能的影响

无论是比例调节规律，还是积分调节规律，一个共同特点就是控制作用只有在偏差出现后才能产生。

这对存在延迟或惯性较大的对象来说，要获得满意的调节效果是很困难的，这就需要引入微分调节规律。

微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。

对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即

（2-9）

式中称为微分时间。

传递函数式为

（2-10）

由于受控对象总存在一定的容量，调节器也存在一定的不灵敏区，因此使调节器动作的偏差信号在时间上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变化速度）信号又称超前信号。

被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节，无疑将大大改善调节过程。

微分调节作用的大小仅于偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。

因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作；这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。

就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。

式（2-9）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差作阶跃变化时的瞬间，控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。

实际的微分调节规律具有惯性，其传递函数为

（2-11）

式中――微分时间；――微分增益。

由初值定理有

（2-12）

由终值定理知

（2-13）

由上述两式可以得出微分调节的阶跃响应曲线，如图2-4所示。

图2-4微分调节的阶跃响应

由图2-4可以看出，当偏差作幅度为的阶跃变化时，微分作用将立即产生，其值为偏差的倍。

从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。

在时间较长后，微分作用消失，直到为零。

可见微分作用主要在调节过程的初期，和积分作用恰好相反。

通过前两节和本节对比例调节规律、积分调节规律和微分调节规律的分析，可以看出它们对调节过程的影响是不同的。

比例调节作用是按比例反映系统的偏差系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。

比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例作用，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分作用使系统消除稳态误差，提高无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数，越小，积分作用就越强，反之大，则积分作用就弱。

加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。

微分调节作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，从而改善系统的动态性能。

在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。

微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。

综上所述，比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微分作用为辅助调节作用，比例作用贯穿于整个调节过程之中，积分作用则体现在调节过程后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在调节过程的初期。

实际应用中，应根据具体情况选择调节规律，同时设置适当的比例带，积分时间，微分时间，才能收到满意的调节效果。

对于一阶惯性环节，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例控制，如压力、液位控制。

对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制。

因为热力火电厂，工作环境较复杂，对于调节质量要求高，所以本文所设计的将采用调节器。

第三章单回路控制系统的介绍

3.1单回路控制系统的概述

单回路反馈控制系统又称简单控制系统，它是仅由一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。

其组成原理方框图如图3-1所示。

单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，因此在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后、惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或是控制质量要求不太高的场合。

在热工生产过程中，最基本的且应用最多的是单回路控制系统。

即使在高水平的自动化控制方案中，单回路控制系统目前仍占控制回路的绝大多数。

而且各种复杂控制系统都是在单回路控制系统的基础上发展起来的，因此熟练掌握了单回路系统的设计方法稍加拓展就可以设计复杂系统。

图3-1单回路控制系统组成原理方框图

3.2单回路控制系统各组成部分的选择

（1）被调量的选择

被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。

一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽