華北電力大學(xué)過程控制課設(shè)報(bào)告全解

課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告課程設(shè)計(jì)(綜合實(shí)驗(yàn))報(bào)告(2014--2015 年度第2學(xué)期)名 稱： 過程控制技術(shù)與系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)題 目： 汽包鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院班 級： 自動化學(xué) 號：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)周數(shù)： 一 周成 績：日期：年 月 日1課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告一、控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求汽包水位是工業(yè)蒸汽鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器，并在過熱管內(nèi)結(jié)垢，影響傳熱效率，嚴(yán)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(chǎn)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(nèi)就可能達(dá)到危險(xiǎn)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(diào)節(jié)，嚴(yán)格控制汽包水位在規(guī)定范圍內(nèi)。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(shè)計(jì)的主要任務(wù)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(nèi)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(yīng)曲線給水?dāng)_動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：10.037s30s+1StepIntegratorTransferFcnScope運(yùn)行結(jié)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(yīng)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(yīng)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(diào)節(jié)回路中，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告蒸汽流量擾動Simulink中系統(tǒng)連接圖如下：3.615s+1StepTransferFcnAddScope10.037sIntegratorGain運(yùn)行結(jié)果如下：543210-1-2-3-4-51020304050607080901000由仿真結(jié)果看出對象在蒸發(fā)量D擾動下，水位階躍反應(yīng)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(dāng)負(fù)荷突然增加，蒸汽流量增加，汽包的壓強(qiáng)變小，導(dǎo)致水氣化，導(dǎo)致水位升高，同樣的，當(dāng)負(fù)荷突然減小，蒸汽流量減小，汽包的壓強(qiáng)變大，導(dǎo)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(yīng)速度比內(nèi)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(yīng)考慮引入蒸汽流量的補(bǔ)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?yàn)榇壪到y(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(zhǔn)確性，改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，此外，串級系統(tǒng)對負(fù)荷的變化有一定的自適應(yīng)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(fù)荷變化（蒸汽流量變化）帶來的“虛假水位”現(xiàn)象，當(dāng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)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(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)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(diào)節(jié)控制。并取 W 1副回路的MATLAB仿真如下：5課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)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(jié)果如下:從仿真結(jié)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(nèi)回路快速準(zhǔn)確的要求。6課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)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(jìn)行主回路的參數(shù)整定，當(dāng)衰減率達(dá)到10:1時，仿真結(jié)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(jì)算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為 KP=0.76，TI=0.006147課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)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(diào)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(diào)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(yán)重情況來確定，從而改善符合擾動是控制過程的質(zhì)量，一般蒸汽流量信號大于給水流量信號，即DDKWW，K應(yīng)當(dāng)為在靜態(tài)下：KWh1。又因?yàn)椋篕1，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(yīng)曲線：8課程設(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告給水流量W階躍擾動下汽包水位 H的響應(yīng)曲線：五、設(shè)計(jì)總結(jié)此次課程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)（綜合實(shí)驗(yàn)）報(bào)告汽流量和水位三個參數(shù)進(jìn)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(jīng)過給水流量和蒸汽流量擾動下的仿真實(shí)驗(yàn)，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