基于Matlab鍋爐仿真

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)內(nèi)蒙古科技大學(xué)MATLABMATLAB 課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計任務(wù)書 20122012題題 目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)目：鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：林三彪學(xué)生姓名：林三彪學(xué)學(xué) 號：號：09671121270967112127專專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器業(yè)：測控技術(shù)與儀器班班 級：級：2009-12009-1指導(dǎo)教師：梁指導(dǎo)教師：梁 麗麗摘摘 要要鍋爐是化工、煉油、發(fā)電、造紙和制糖等工業(yè)生產(chǎn)過程中必不可少的重要動力設(shè)備。鍋爐往往成了不少工廠不可缺少的一部分，因而，對鍋爐設(shè)備中的自動控制系統(tǒng)進行分析研究是必要的。鍋爐是全廠重要的動力設(shè)備，其要求是供給合格蒸汽，使鍋爐蒸汽量適應(yīng)負荷的需要

2、。為此，生產(chǎn)過程的各個主要工藝參數(shù)必須嚴格控制。鍋爐水位控制系統(tǒng)是過路生產(chǎn)控制系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)。鍋爐是一種特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對鍋爐生產(chǎn)操作如果不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。而對水位的控制不當，往往是汽包受到蒸汽負荷干擾后，產(chǎn)生虛假水位，使控制器反向動作。本文在分析了鍋爐汽包水位特性的基礎(chǔ)上，梳理了控制系統(tǒng)的幾種方案，對其中的第三種方案進行了 Matlab 仿真。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：鍋爐；汽包水位控制；仿真；控制策略 目目 錄錄緒 論.10.1 鍋爐的簡介 .10.2 虛假

3、水位的形成及對策 .2第一章 鍋爐汽包水位的動態(tài)特性.31.1 給水流量作用下的動態(tài)特性 .32.2 蒸汽流量作用下的動態(tài)特性 .3第二章 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計.52.1 概述 .52.2 單沖量控制系統(tǒng) .52.3 雙沖量控制系統(tǒng) .62.4 三沖量控制系統(tǒng) .7第三章 鍋爐汽包水位的 MATLAB 仿真.83.1 仿真軟件功能概述 .83.2 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的仿真 .83.2.1 參數(shù)設(shè)定 .93.2.2 仿真結(jié)果 .103.2.3 仿真結(jié)果分析 .10總 結(jié).11參考文獻.120緒緒 論論0.1 鍋爐的簡介鍋爐的簡介21 世紀自動控制技術(shù)在工程和科學(xué)發(fā)展中起著極為重要的作用，

4、熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中也毫無例外的采用了自動控制技術(shù)。在熱力發(fā)電廠的生產(chǎn)過程中采用的熱工自動控制系統(tǒng)，是伴隨著社會對電能需求的日益增加、單機容量的日益擴大和自動控制技術(shù)在熱力發(fā)電廠中應(yīng)用的深度與廣度與日俱增而逐步發(fā)展起來的。鍋爐是一種既受壓又直接受火的特種設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中的常用設(shè)備。對過濾生產(chǎn)如果操作不合理，管理不善，處理不當，往往會引起事故，因此，鍋爐的安全問題是一項非常重要的問題，必須引起高度重視。工業(yè)鍋爐中常見的事故有：鍋爐缺水，鍋爐超壓，鍋爐滿水，汽水共騰，爐管爆破，爐膛爆破，二次燃燒，鍋爐滅火等。其中以鍋爐缺水事故比例最高。這些事故中的大部分是由于鍋爐水位控制不當引起的，可見鍋爐汽

5、包水位控制在鍋爐設(shè)備控制系統(tǒng)中的重要性。汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要參數(shù)，同時鍋爐汽包水位高度關(guān)系著汽水分離的速度和生產(chǎn)蒸汽的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代鍋爐要向蒸發(fā)量大，汽包容積相對減小的方向發(fā)展。這樣，要使鍋爐的蒸發(fā)量隨時適應(yīng)負載設(shè)備的需要量，汽包水位的變化速度必然很快，稍不注意就容易造成汽包滿水，或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故。因此，必須對汽包水位進行自動調(diào)節(jié)，將水位嚴格控制在規(guī)定的范圍之內(nèi)。維持鍋

6、爐水位在一定的范圍內(nèi)變化，是汽機和鍋爐安全經(jīng)濟運行的重要條件。若水位過高，會影響汽包的汽水分離裝置的正常工作，導(dǎo)致鍋爐出口蒸汽帶水和含鹽量過大，使過熱器受熱面結(jié)垢甚至破壞，影響機組的正常運行和經(jīng)濟性指標。若汽包水位過低，會使鍋爐水循環(huán)工況破壞，造成水冷壁供水不足1而燒壞。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴大，對給水控制提出了更高的要求。隨著鍋爐容量的增大，鍋爐負荷變化對水位的影響加劇了。另外，鍋爐工作壓力的提高，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。因此，隨著汽包鍋爐朝著大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動控制是必不可少的，它可以保證水位控制的準確性，保證鍋

7、爐運行的安全可靠，而且大大減輕運行工作人員的工作強度，減少人為因素的影響。0.2 虛假水位的形成及對策虛假水位的形成及對策虛假水位是鍋爐運行時不真實的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當汽包壓力突降時，爐水飽和溫度下降到壓力較低時的飽和溫度，使爐水大量放出熱量來進行蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。當汽包壓力突升時，則相應(yīng)的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下降，形成虛假水位。此外當鍋爐內(nèi)熱負荷增加或驟減時，水的比容將增大或減小，也會形成虛假水位。鍋爐

8、負荷突變、滅火、安全門動作、燃燒不穩(wěn)時，都會產(chǎn)生虛假水位。在負荷突然變化時，汽壓也相應(yīng)變化，這時將會出現(xiàn)虛假水位。負荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機甩負荷，汽壓突然升高，水位將瞬時下降；運行中燃燒突然增強或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時升高或下降；安全閥起座時，由于壓力突然下降，水位瞬時明顯升高；鍋爐滅火時，由于燃燒突然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時下降。在輸入端引入蒸汽流量信號，設(shè)置水位系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)，于是當蒸汽流量增大時，給水量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的影響。2第一章第一章 鍋爐汽包水位的動態(tài)特性鍋爐汽包水位的動態(tài)特性1.1

9、 給水流量作用下的動態(tài)特性給水流量作用下的動態(tài)特性根據(jù)物料不平衡和熱平衡的關(guān)系，鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡化成： （2-DDDDWWWWUKdtdUTUKdtdUTdtdhTdthdTT122211）式中：h 為汽包水位的高度； 為給水流量項的時間常數(shù)；WT 為蒸汽流量項的時間常數(shù)；DT 為蒸汽流量項的放大倍數(shù)；DK 、為時間常數(shù)。1T2T同時、的式子如下： （2-2） DUWUMAXDDDUMAXWDWU式中：D 為鍋爐蒸汽流量； W 為鍋爐給水流量。可見，引起汽包水位變化的擾動主要是蒸汽流量（稱為外擾動）和給水流量（稱為外擾動） ，因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對

10、象的運動方程式可表示為： WWWWUKdtdUTdtdhTdthdTT12221（2-3）兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實際忽略較小的，并考慮到汽包水位在較長一段時間里不隨給水量的增加而增加。因此，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： STSKSUSHSGaWW11（2-4）通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分析處理，最終，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為： （2- SSSTSKSUSHSGaWW15105. 0115）32.2 蒸汽流量作用下的動態(tài)特性蒸汽流量作用下的動態(tài)特性同理，可得到在外擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程為： （2-DDDDUKdtdUTdtdh

11、TdthdTT122216）對上式方程進行拉氏變換，并令、 得到鍋爐汽包水位12TTTKKDDDKTT1在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下： （2- TSSTKSUSHSGDD1127）經(jīng)過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析和處理，最終可得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為： SSTSSTKSUSHSGDD05. 01155112（2-8）4第二章第二章 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1 概述概述汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領(lǐng)域的一個典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的發(fā)展，鍋爐自動化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)歷了上世

12、紀三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計算機控制等幾個階段。通常有如下幾種方案：(1) 單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)；(2) 雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入了蒸汽流量信號；(3) 三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入給水流量信號而構(gòu)成。2.2 單沖量控制系統(tǒng)單沖量控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值 H 與給定值 H0的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的范圍內(nèi)。系統(tǒng)框圖為圖 2-1 所示

13、。5圖 2-1 單沖量控制系統(tǒng)框圖這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對于水在汽包內(nèi)的停留時間較長，且負荷又比較穩(wěn)定， “虛假水位”現(xiàn)象不嚴重的情況下，采用單沖量控制系統(tǒng)，進行 PID 調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動后的反應(yīng)速度比較慢、 “虛假水位”現(xiàn)象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)時能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點，主要有：（1）單沖量控制方案只根據(jù)水位信號控制給水量，在鍋爐負荷變化大，即階躍擾動很大時，由于鍋爐的“虛假水位”現(xiàn)象，例如負荷蒸汽增加時，水位一開始先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作

14、為控制信號，就去關(guān)小閥門減少給水量，這個動作對鍋爐流量平衡是錯誤的，從而在過程一開始就擴大蒸汽流量和給水流量的波動幅度，擴大了進出流量的不平衡。（2）從給水擾動下水位變化的動態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開始動作，而在調(diào)節(jié)器動作后又要經(jīng)過一段滯后時間 才能對汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動幅度大，過程時間長。2.3 雙沖量控制系統(tǒng)雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構(gòu)成的“前饋-反饋”控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖 2-2 所示。6圖 2-2

15、 雙沖量控制系統(tǒng)框圖雙沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”所引起的不良影響。當蒸汽量變化時，就有一個給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減少或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象引起的假水位；引入蒸汽流量前饋信號，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量控制系統(tǒng)存在的問題是：對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償，當給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動大。2.4 三沖量控制系統(tǒng)三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)，是以汽包水位 H 為主控制信號，蒸汽流量 D 為前饋控制信號，給水流量 W 為反饋控制信號組成的控制系統(tǒng)。

16、三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進行前饋控制。當負荷（蒸汽流量）突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號能使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動，即當蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于“虛假水位”引起的方向誤動作。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥，從而使給水量保持不變。另外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反饋信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以使用三沖量控制系統(tǒng)，能使調(diào)節(jié)器動作加快，還可以避免調(diào)解過量，減少水位波動，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖 2-3 所示。7圖 2-3 單級三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給水流量 W、給水變送器、調(diào)節(jié)器

17、和調(diào)節(jié)閥組成的內(nèi)回路；另一個是由汽包水位對象和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量 D 及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之內(nèi)。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反饋的控制系統(tǒng)。單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求，能有效地避免“虛假水位”現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的不足是，系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。第三章第三章 鍋爐汽包水位的鍋爐汽包水位的 Matlab 仿真仿真3.1 仿真軟件功能概述仿真軟件功能概述Simulink 是 MATLAB 最重要的組

18、件之一，它提供一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單直觀的鼠標操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。Simulink 具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和流程清晰及仿真精細、貼近實際、效率高、靈活等優(yōu)點，并基于以上優(yōu)點 Simulink已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計。同時有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于 Simulink。Simulink 是 MATLAB 中的一種可視化仿真工具， 是一種基于 MATLAB 的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿

19、真中。Simulink 可8以用連續(xù)采樣時間、離散采樣時間或兩種混合的采樣時間進行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型，Simulink 提供了一個建立模型方塊圖的圖形用戶接口(GUI) ，這個創(chuàng)建過程只需單擊和拖動鼠標操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。Simulink 是用于動態(tài)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的多領(lǐng)域仿真和基于模型的設(shè)計工具。對各種時變系統(tǒng)，包括通訊、控制、信號處理、視頻處理和圖像處理系統(tǒng)，Simulink 提供了交互式圖形化環(huán)境和可定制模塊庫來對其進行設(shè)計、仿真、執(zhí)行和測試。.構(gòu)架在

20、Simulink 基礎(chǔ)之上的其他產(chǎn)品擴展了 Simulink 多領(lǐng)域建模功能，也提供了用于設(shè)計、執(zhí)行、驗證和確認任務(wù)的相應(yīng)工具。Simulink 與 MATLAB緊密集成，可以直接訪問 MATLAB 大量的工具來進行算法研發(fā)、仿真的分析和可視化、批處理腳本的創(chuàng)建、建模環(huán)境的定制以及信號參數(shù)和測試數(shù)據(jù)的定義3.2 汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的仿真汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的仿真 仿真分析涉及到高次微分方程的求解，因此系統(tǒng)的仿真必須選用一個好的軟件。MATLAB 具有強大的矩陣運算能力和完美的圖形可視化功能，成為國內(nèi)外控制界首選的計算機工具，其控制系統(tǒng)工具箱（Control system Toolbox）可進

21、行鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)仿真。因此，本課題在建模后選擇使用 MATLAB 軟件進行仿真。MATLAB 的構(gòu)件 Simulink 直接對動態(tài)系統(tǒng)模型仿真，其圖形化設(shè)計界面使得建立系統(tǒng)模型的工作更直觀和方便。它是一個用于動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的軟件包，它可以完成連續(xù)、離散和混合的線性或非線性系統(tǒng)的仿真，也能完成多種采樣數(shù)率的系統(tǒng)仿真。Simulink 為用戶提供了用方塊圖進行建模的圖形接口，與傳統(tǒng)仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更大的優(yōu)勢，它不但可以用于系統(tǒng)仿真、分析和設(shè)計，也實現(xiàn)了與 MATLAB、C 或者Fortran 甚至硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞，大大地擴展了其功能。在數(shù)字仿真方面，S

22、imulink 給出了多種仿真算法。93.2.1 參數(shù)設(shè)定仿真模型采用蒸發(fā)量為 670t/ h 的鍋爐汽包對象，給水流量 W 與水位 L 的傳遞函數(shù)為；) 15 . 8(0529. 0)()(sssWsL蒸汽流量 D 與水位 L 的傳遞函數(shù)為；sssDsL0747. 0) 17 . 6(613. 2)()(2執(zhí)行器傳遞函數(shù)為； 13895. 05 . 4)(ssG給水流量變送器傳遞函數(shù)為；13 . 005. 0)(ssGW汽包水位變送器傳遞函數(shù)為 ；136. 005. 1)(ssGl動態(tài)前饋補償器傳遞函數(shù)為；136. 005. 0)(ssDf給定水位為 0.3 米。3.2.2 仿真結(jié)果 針對鍋

23、爐汽包水位控制系統(tǒng)的汽包水位的輸出進行仿真分析，所建立的系統(tǒng)Simulink 仿真框圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 系統(tǒng) Simulink 仿真框圖10所建立的系統(tǒng) Simulink 仿真曲線如圖 3-1 所示。圖 3-2 系統(tǒng) Simulink 仿真曲線3.2.3 仿真結(jié)果分析從響應(yīng)曲線可以看出，單沖量控制系統(tǒng)超調(diào)大，響應(yīng)較慢，快速性差，抗干擾能力較差?？刂菩阅苓h不及三沖量控制系統(tǒng)。而串級三沖量控制系統(tǒng)在快速性、抗干擾性上也較單級三沖量控制系統(tǒng)更加優(yōu)越，響應(yīng)曲線更加平穩(wěn)，對蒸汽流量擾動的抑制也更強。總總 結(jié)結(jié)通過這一學(xué)期對這門課的不斷學(xué)習和深入了解，使我真正的明白這門課對系統(tǒng)的設(shè)計的重要性。如果經(jīng)過模擬仿真實驗就進行直接實驗，不但