華北電力大學過程控制課設報告全解

課程設計（綜合實驗）報告課程設計(綜合實驗)報告(2014--2015 年度第2學期)名 稱： 過程控制技術與系統(tǒng)課程設計題 目： 汽包鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)設計院 系： 控制與計算機工程學院班 級： 自動化學 號：學生姓名：指導教師：設計周數(shù)： 一 周成 績：日期：年 月 日1課程設計（綜合實驗）報告一、控制系統(tǒng)的基本任務和要求汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運行的重要指標，水位過高會導致蒸汽帶水進入過熱器，并在過熱管內結垢，影響傳熱效率，嚴重的將引起過熱器爆管；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)引起水冷壁局部過熱而爆管。高性能的鍋爐產生的蒸汽流量很大，而汽包的體積相對來說較小，水位的時間常數(shù)很小。大容量鍋爐若給水不及時，數(shù)秒之內就可能達到危險水位，所以鍋爐汽包水位的控制顯得非常重要。因此，必須采取有效、精確的自動調節(jié)，嚴格控制汽包水位在規(guī)定范圍內。影響汽包水位變化的因素很多，如燃煤量、給水量和蒸汽流量。燃煤量對水位變化的影響是比較緩慢的，容易克服。因此，主要考慮給水量和蒸汽流量對水位的影響。本設計的主要任務即是保證給水流量W和主蒸汽流量D保持平衡，維持汽包水位H在較小范圍內波動。二、被控對象動態(tài)特性分析做各種主要影響因素的階躍擾動，記錄并分析汽包水位的響應曲線給水擾動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：10.037s30s+1StepIntegratorTransferFcnScope運行結果如下：32.521.510.500102030405060708090100由被控對象在給水量擾動下的水位階躍響應曲線，可以看出該被控對象無自平衡能力，且有較大的遲延，可近似的看作積分環(huán)節(jié)和遲延環(huán)節(jié)的串聯(lián)，因此應采用串級控制，將給水流量的擾動消除在采用帶比例作用的副調節(jié)回路中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2課程設計（綜合實驗）報告蒸汽流量擾動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：3.615s+1StepTransferFcnAddScope10.037sIntegratorGain運行結果如下：543210-1-2-3-4-51020304050607080901000由仿真結果看出對象在蒸發(fā)量D擾動下，水位階躍反應曲線有一段上升的過程，表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，(出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象的原因：當負荷突然增加，蒸汽流量增加，汽包的壓強變小，導致水氣化，導致水位升高，同樣的，當負荷突然減小，蒸汽流量減小，汽包的壓強變大，導致水中氣泡液化，水位降低，這兩種情況都會出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。)這種現(xiàn)象的反應速度比內擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象對控制系統(tǒng)的不利影響，應考慮引入蒸汽流量的補償信號。通過上述對被控對象的動態(tài)特性分析，確定采用串級前饋三沖量控制系統(tǒng)：1)因為串級系統(tǒng)可以有效克服二次干擾，尤其是本系統(tǒng)是有純遲延環(huán)節(jié)，可以有效提高系統(tǒng)的快速性和準確性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，此外，串級系統(tǒng)對負荷的變化有一定的自適應能力。2)通過靜態(tài)前饋環(huán)節(jié)的加入，也可以有效改善負荷變化（蒸汽流量變化）帶來的“虛假水位”現(xiàn)象，當蒸汽流量D突然階躍增加，由于虛假水位現(xiàn)象會使水位增加，錯誤地使調節(jié)機構減小給水量，但引入前饋后，D的增加通過副回路的比例作用又使得調節(jié)機構增加給水量，所以通過合適的參數(shù)整定，將會有效克服“虛假水位”現(xiàn)象。3課程設計（綜合實驗）報告三、系統(tǒng)框圖、控制系統(tǒng)流程圖及 SAMA圖系統(tǒng)框圖：工藝流程圖：4課程設計（綜合實驗）報告系統(tǒng)SAMA圖：四、控制系統(tǒng)的仿真及參數(shù)整定副回路的整定副回路的主要作用是消除二次擾動即給水閥的擾動，要求副回路的快速性和穩(wěn)定性，保證給水流量的穩(wěn)定。整定時，斷開主回路，把副回路看成是一個單回路，并采用比例調節(jié)控制。并取 W 1副回路的MATLAB仿真如下：5課程設計（綜合實驗）報告為了防止比例增益太大，影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性，所以規(guī)定偏差的范圍： e 0.1，則Kp12這里取Kp 13，仿真結果如下:從仿真結果可以看出，輸出可以快速跟隨輸入，且穩(wěn)態(tài)誤差很小，可以滿足內回路快速準確的要求。6課程設計（綜合實驗）報告主回路的整定整定主回路時，可以把副回路的整體看成一個比例環(huán)節(jié)， 用衰減曲線法整定主回路。主回路MATLAB仿真如下：這時采用衰減曲線法進行主回路的參數(shù)整定，當衰減率達到10:1時，仿真結果如下圖，且KP=0.91，TR=61.9由圖可獲取參數(shù)，并有查表按公式計算等效主調節(jié)器的整定參數(shù)為 KP=0.76，TI=0.006147課程設計（綜合實驗）報告c)D值的確定在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，水位偏差完全由主調節(jié)器來校正，使靜態(tài)水位值總是等于給定值。因此，就不要求送到副調節(jié)器的蒸汽流量信號VD等于給水流量信號VW，所以前饋裝置的傳遞函數(shù)D選擇將不受靜態(tài)特性誤差條件的限制。而根據(jù)鍋爐虛假水位的嚴重情況來確定，從而改善符合擾動是控制過程的質量，一般蒸汽流量信號大于給水流量信號，即DDKWW，K應當為在靜態(tài)下：KWh1。又因為：K1，這里取K5，則D5W5Wd仿真曲線蒸汽流量D階躍擾動下汽包水位 H的響應曲線：8課程設計（綜合實驗）報告給水流量W階躍擾動下汽包水位 H的響應曲線：五、設計總結此次課程設計的題目是汽包水位的控制系統(tǒng) ,三沖量控制系統(tǒng)利用給水流量、蒸9課程設計（綜合實驗）報告汽流量和水位三個參數(shù)進行液面控制。該系統(tǒng)中汽包水位是主沖量信號，給水流量、蒸汽流量是輔助沖量信號，該控制系統(tǒng)經過給水流量和蒸汽流量擾動下的仿真實驗，能有效地克服虛假水位和給水干擾對控制系統(tǒng)的影響。從仿真效果