模拟汽包水位控制系统

1、目录1题目背景与意义12理论基础22.1锅炉控制的流程22.2锅炉汽包水位的控制32.3锅炉水位控制系统的重要性33设计题目介绍33.1影响汽包水位的影响因素33.2锅炉汽包水位特性43.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性43.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性54汽包水位控制64.1 单冲量控制系统64.2 三冲量控制系统75汽包水位控制系统的MATLAB仿真95.1控制系统的分析和整定95.2汽包水位控制系统Simulink 模型设计105.3汽包水位控制系统仿真106控制系统程序设计126.1控制系统流程图126.2梯形图程序127设计总结14参考文献15 161题目背景与意义

2、水位是锅炉运行中一个常重要的参数。保持锅炉汽包水位在正常范围内是锅炉运行的一项重要的安全性能指标，由于水流量、燃烧状况及给负荷等因素的变化，汽包水位会经常发生变化。过高的水位会影响汽水分离的效果,使用电气设备发生故障;而过低水位,则会破坏汽水正常循环,严重时导致锅炉爆炸。炉汽包水位应当根据设备的运行状况进行实时调节加以严格控制以保证锅炉的安全运行。锅炉水位自动控制的任务,就是控制给水流量与蒸发量的动态平衡,维持汽包内水位在允许的范围内变化。同时，汽包水位在正常范内波动是保证锅炉安全生产运行的必要条件。锅炉汽包水位是锅炉运行中的一个重要监控参数，它间接地体现了锅炉负荷和给水之间的平衡关系。传统的

3、控制方法是基于各种分立器件，利用多种检测器对被控参数进行实时检测并反馈给控制器件，再根据自动控制理论的有关算法完成相应的运算并驱动调节机构完成相应的动作，从而达到自动控制的目的。这种控制方式受分立器件的性能影响大，系统各部分之间影响较大，自动化水平不高，控制效果并非十分理想，并且易出现故障，不利于系统的长期安全、高效运行。现在广泛使用的控制技术还有DCS集散控制系统，DCS系统适合有多个控制回路同时工作的复杂系统，而且集散控制系统往往价格昂贵，对于像汽包水位这样的控制系统来说性价比太高，因此对于汽包水位控制系统来说并非理想的选择。PLC是上世纪70年代发展起来的一种中大规模的控制器，是集RAM

4、、ROM、I/O接口、CPU与中断系统于一体的器件，已经被广泛应用于各种行业。随着计算机在应用软件、操作系统、通信能力上的飞速发展，增强了PLC过程控制能力和通信能力，丰富了PLC编程软件和编程技巧。因此，无论是单机还是多机控制、生产流水线控制及过程控制都可以采用PLC技术。PLC控制锅炉技术是近年来开发的一项新技术。它是PLC软、硬件、自动控制、锅炉节能等几项技术紧密结合的产物。作为锅炉控制装置，其主要任务是保证锅炉的安全、稳定、经济运行，减轻操作人员的劳动强度。采用PLC控制技术，能实现对锅炉运行过程的自动检测、自动控制等多项功能。它的被控量是汽包水位，而调节量则是汽包给水流量，通过对汽包

5、水位的实时检测并进行反馈，PLC对反馈信号和给定信号进行比较，然后根据控制算法对二者的偏差进行相应的运算，运算结果输出给执行机构从而实现给水流量的调节，使汽包内部的物料达到动态平衡，汽包水位变化在允许范围之内。2理论基础2.1锅炉控制的流程蒸汽锅炉汽包水位控制的任务是控制给水流量与蒸发量保持动态平衡，维持汽包水位在工艺允许的范围内，是保证锅炉安全生产运行的必要条件，也是锅炉正常生产运行的主要指标之一。所有各种锅炉，虽然燃料种类各不相同，但蒸汽发生系统和但蒸汽发生系统和蒸汽处理系统是基本相同的。 图2-1工业锅炉工艺流程工艺流程的步骤：除氧水通过给水泵进入给水调节阀，通过给水调节阀进入省煤器，冷

6、水在经过省煤器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成温水进入汽包，在汽包内加热至沸腾产生蒸汽，为了保证有最大的蒸发面因此水位要保持在锅炉上汽包的中线位置，蒸汽通过主蒸汽阀输出。空气经过鼓风机进入空气预热器，在经过空气预热器的过程中被由炉膛排出的烟气预热，变成热空气进入炉膛。煤经过煤斗落在炉排上，在炉排的缓慢转动下煤进入炉膛被前面的火点燃，在燃烧过程中发出热量加热汽包中的水，同时产生热烟气。在引风机的抽吸作用下经过省煤气和空气预热器，把预热传导给进入锅炉的水和空气。通过这种方式使锅炉的热能得到节约。降温后的烟气经过除尘器除尘，去硫等一系列净化工艺通过烟囱排出。 2.2锅炉汽包水位的控制锅炉包水位控

7、制的主要被控变量是汽包水位，操纵变量是给水流量。主要考虑的是汽包内部的物料平衡，使给水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包水位在工艺允许范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅炉、气轮机安全运行的必要条件之一，是锅炉正常运行的指标。2.3锅炉水位控制系统的重要性锅炉是一种受压又直接受火的特种设备，是工业生产中的常用设备。对锅炉生产如果操作不合理，管理不善，处理不当，往往会引起事故，轻则停炉影响生产，重则造成爆炸，造成人身伤亡，损坏厂房、设备，后果十分严重。因此，锅炉的安全问题是一项非常重要的问题，必须引起高度重视。工业锅炉中最常见的事故有：锅内缺水，锅炉超压，锅内满水，汽水共腾，炉管爆破，炉膛爆破，二

8、次燃烧，锅炉灭火等。其中以锅炉缺水事故比例最高。这些事故中的大部分是由于锅炉水位控制不当引起的，可见锅炉汽包水位控制在锅炉设备控制系统中的重要性。3设计题目介绍3.1影响汽包水位的影响因素在控制系统中，扰动量有，蒸汽流量，给水流量等，当蒸汽流量增加时，气泡温度上升，气泡压力减小，气泡蒸发变快气泡增多，出现虚假水位现象，反之也同样会有虚假水位的现象，虚假水位打破了系统原有的平衡状态，破换了洗头的稳定性，如果调解不及时，严重者会导致干锅现象，损坏锅炉设备，降低了谁把诶诶的寿命。当给水量增加时液位升高，导致液位温度下降，造成蒸发温度低，出现蒸汽带液，供给动力不足，设备生产效率降低，同时由于温度降低气

9、泡内压力增大，使用于蒸发水的热量减小，气泡减少，炉水体积收缩，产生虚假水位现象。此外他是一个具有延时时间的积分环节，水的温度越低延时时间就会越长，系统衰减比增大，俞差为零，最大偏差减小，系统达到稳态的时间变长，控制作用下降。此外还有汽轮机耗气量的多少，汽轮机耗气量变大时，使供给炉水加热的温度减小，打破了系统原有的物料平衡，还会导致虚假液位的现象产生。由以上分析可知，给水量扰动下的水位相应有迟滞性，负荷扰动下的水位有“假水位”现象，这些特性使得气泡水位的变化受到多种因素的影响，因而对他的控制就变得比较复杂。3.2锅炉汽包水位特性工业锅炉汽水系统结构见图2-1。汽包及蒸发管系统中储藏着蒸汽和水,储

10、藏量的多少是以被控量水位来表征的。汽包的流入量是给水量,流出量是蒸汽量, 当给水量等于蒸发量时, 汽包水位就能恒定不变。引起水位变化的主要扰动是蒸汽流量的变化和给水流量的变化。如果只考虑主 要扰动,那么,汽包水位对象的动态特性可用方程式表示为:式中: T1,T2为时间常数;Tw为给水流量项时间常数;TD为蒸汽流量项时间常数;Kw为给水流量项的放大系数;KD为蒸汽流量项的放大系数。图3-1锅炉汽水系统3.2.1汽包水位在给水流量作用下的动态特性 给水量是锅炉的输入量,如果蒸汽负荷不变 ,那么在给水流量发生变化时, 汽包水位对象的微分方程式可以表示为: 从而可以得到汽包水位在给水流量作用下的传递函

11、数:Tw的数值一般很小常常以忽略不计,对于一些锅炉,在给水量增加时,在较长的一段时间里,汽包水位并不增加,存在一段较长的起始惯性段,用下式近似表示,其响应曲线图见图3-2。图3-2给水流量阶跃变化时的汽包响应曲线 （4）由图3-2可知,在给水流量阶跃输入作用下,当突然加大给水量(蒸汽量不变),使给水量大于蒸发量,汽包水位一开始并不立即增加,而呈现出一段起始惯性 段。这是因为温度较低的更多的给水进入了水循环系统,使它从原有的饱和汽 水中吸取了一部分热量,汽包和汽水管路中由于热量的损失,汽泡体积减少经省煤器进入汽包的给水,首先必须填补由于汽水管路中蒸汽减少让出的空间。这时,虽然给水量增加,但水位基

12、 本不变但水面下汽包容积变化过程逐渐平静时,汽包水位才由于贮水量的增加而逐渐上升当水面下汽泡容积不再变化,完全稳定下来时,水位就随着贮水量的增加而直线上升。 3.2.2包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性(给水量不变)可用下式表示为：: （5）则其传递函数可以用两个动态环节的并联来等效,其汽包的阶跃响应曲线见图2-3。图3-3 汽包水位在蒸汽流量阶跃作用下的响应曲线（6）图3-3可知,当负荷蒸汽流量增加时,汽包水位开始不但不降反 而上升,即先上升后下降;当蒸汽负荷量突然减小时,则汽包水位变化的情况相反,先降后升。造成“虚假液位”的原因有:一是锅炉蒸汽负荷增加使炉

13、管和汽包中汽水混合物的汽水比例发生变化( 汽容积增加) 而引起汽包水位上升,这是引起汽“虚假液位”的主要原因。二是蒸汽流量增加, 汽包气压下降,炉水沸点下降。由于炉水位饱和水的气化,使汽包水位随压力下降而升高。4汽包水位控制汽包水位控制的目的是要克服锅炉负荷变化所引起的“虚假液位”的影响和各种干扰对水位的影响, 维持汽包水位在允许的范围内变化。在工业汽包水位的自动控制中, 针对不同的控制信号有单冲量控制系统、双冲量控制系统和三冲量控制系统。4.1 单冲量控制系统单冲量水位控制系统以汽包水位作为唯一的控制信号, 冲量即变量。单冲量水位控制系统由汽包、变送器、调节器、执行器及调节阀等组成, 单冲量

14、水位控制系统信号管路见图4-1，原理图见4-2图4-1 单冲量水位控制系统信号管路图图4-2 单冲量水位控制系统信号原理图其特点为：结构简单，投资少，适用于气泡容量较大，虚假水位不严重，负荷较平稳的场合。该过程具有虚假水位的反向特性，因此，当符合变化较大时，会造成控制器输出误动作，严重影响设备的运行寿命和安全，影响控制系统的控制品质。蒸汽负荷变化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因此控制不及时。这种控制系统是典型的单回路定值控制系统。对于水在汽包内的停留时间较长,且负荷又比较稳定的情况,“虚假水位”现象不严重,采用单冲量控制系统, 进行PID调节一般就能满足生产要求然而,在其他的场合,尤其是

15、在水停留时间较短, 且负荷变化较大的锅炉中,由于控制作用缓慢,不能及时克服干扰,采用单冲量控制系统就不太合适。4.2 三冲量控制系统三冲量锅炉汽包给水自动控制系统是以汽包水位为主控制信号, 蒸汽流量为前馈控制信号, 给水流量为反馈控制信号组成的控制系统。当负荷( 蒸汽流量) 突然发生变化, 蒸汽流量信号能使给水调节阀一开始就向正确方向移动, 即当蒸汽流量增加时, 给水调节阀开大, 抵消了由于“虚假水位”引起的反向误动作。当水压变化使给水流量改变时, 调节器能迅速消除干扰。如给水流量减少, 调节器立即根据给水流量减少的信号开大给水阀, 从而使给水量保持不变。另外, 给水流量信号也是调节器动作后的

16、反馈信号, 能使调节器及早知道控制的效果,所以使用三冲量控制系统能使调节器动作加快, 还可以避免调节过量, 减少水位波动, 防止失控。串级三冲量水位控制系统信号管路图3-3，原理图3-4。图4-3 串级三冲量水位控制系统信号管路图图4-4 串级三冲量水位控制系统信号原理图从图4-4可以看出,三冲量水位控制系统有两个闭合回路:一个是由给水流量、给水变送器、调节器和调节阀组成的内回路; 另一个是由汽包水位对象和内回路构成的主回路。蒸汽流量及其蒸汽变送器未包含在这两个闭合回路之内, 但它的引入可以改善控制质量, 且不影响闭合回路工作的稳定性, 所以三冲量控制的实质是前馈加反馈的控制系统。内回路可看做

17、单回路系统,其动态特性可理解为快速随动系统,即内回路随动于主回路产生的变量。由于内回路的快速响应,当给水流量发生扰动时,水位信号还未发生变化时内扰就被消除,所以整定内回路时可不考虑水位变化,将外回路断开,调节器内给定为零。外回路也可看做一个单回路系统。以给水流量的变化(内回路)作为调节对象的输入量,以水位测量信号(电流)做为调节对象的输出,等效为一个比例调节器。最后,由于2个回路是在分别看做单回路系统时整定的,在正式投入运行时还要视情况对2个回路的PID进行相应的调整。三冲量控制系统具有如下优点: 一是相对单冲量和双冲量控制系统, 其控制品质最好, 能有效地满足系统对快速性、稳定性、准确性的要

18、求。二是能有效地避免“虚假水位”现象。5汽包水位控制系统的MATLAB仿真根据三冲量串级给水控制系统的工作原理,整定系统控制参数,设Simulink 系统仿真模型,在MATLAB 环境中进行控制系统模拟仿真。5.1控制系统的分析和整定1）内回路的分析和整定根据串级控制系统的分析整定方法,应将内回路处理为具有近似比例特性的快速随动系统,以使内回路具有快速消除内扰及快速跟踪蒸汽流量的能力。用试探的方法选择副调节器的比例带,以保证内回路不振荡为原则。在试探时,给水流量反馈装置的传递函数可设置为任意数值,以得到满意的比例带值。如果传递函数以后需要改变,则应相应地改变比例带值,使传递函数与比例带的比值保

19、持为试探时的值,以保证内回路的稳定性。2) 主回路的分析和整定在主回路中,如果把内回路近似看作为比例环节,则主回路等效为一个单回路控制系统。如果以给水流量作为被控对象的输入信号,水位变送单元的输出为输出信号,可以把主调节器与内回路两者看作为等效主调节器。主回路仍按单回路系统的整定方法整定,如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线,并由曲线求得等效调节器的整定参数。3) 蒸汽流量前馈装置传递函数的选择三冲量串级给水控制系统中的水位偏差完全由主调节器来校正,不要求送到副调节器的蒸汽流量信号等于给水流量信号。因此,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,而可根据锅炉“虚假水位”的严

20、重程度来确定。通常使蒸汽流量信号大于给水流量信号,从而改善负荷扰动时控制过程的质量,缩短控制过程的时间。为了获得满意的调节效果,选择合适的调节器参数,选取的参数为:主调节器Tp = 0. 9 , Ti = 0. 08 ,Td = 0. 2 ;副调节器Tp = 4 , Ti = 0. 005 , Td = 0. 1 。5.2汽包水位控制系统Simulink 模型设计经过系统分析和整定,合理选取系统的调节参数,经过拟定后的三冲量串级汽包水位控制系统仿真模型如图5-1所示。图5-2汽包水位控制系统Simulink 设计图5.3汽包水位控制系统仿真设定汽包水位的高度为2 ,通过仿真,得到的锅炉汽包水位

21、控制曲线如图5-3 所示;在系统运行到600s时,给系统设置一个阶跃扰动,得到锅炉汽包水位控制曲线,如图5-4所示。图5-3 汽包水位控制系统仿真图图5-4 汽包水位控制系统外扰仿真图从图5-3可知,一旦设定了锅炉汽包水位高度,三冲量串级汽包水位控制系统能做出快速反应并到达平稳状态,维持汽包水位的稳定;从图5-4可知,对影响因素的干扰使三冲量串级汽包水位控制系统也能快速调整,达到稳定平衡状态。6控制系统程序设计6.1控制系统流程图图6-1 控制系统总流程图6.2梯形图程序7设计总结通过这次的设计使我认识到计算机控制技术、单片机等方面的知识的重要性，本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。本次课程设计应用到了多个所学的课程知识，综合性较大，虽然挑战巨大，经过同学们的共同努力，最终完成了本次设计。通过本次设