电厂锅炉水位的串级控制

1、串级控制锅炉水位系统电厂锅炉水位的串级控制目录1、前 言12、系统的概述及其动态特性22.1 系统概述22.2 锅炉汽包的动态特性32.2.1 给水扰动42.2.2 负荷扰动42.2.3燃料量扰动53、汽包水位的控制方案63.2 串级控制系统控制方案63.2.1 副回路控制分析73.2.2 主回路控制分析84.3 系统影响分析105、仪表的选择125.1 测量元件及变送器的选择125.2 调节阀的选择125.3 调节器的选择126、系统参数的整定136.1 汽包水位串级控制原理图136.2 调节器的参数整定136.2.1 两步整定法概述146.2.2 两步法的整定步骤157、实例参数整定及其仿

2、真168、结论199、设计体会20参考文献211、前 言在火力发电厂，最基本的工艺过程是用锅炉生产蒸汽，使汽轮运转，进而带动发电机发电。锅炉控制是火力发电生产过程自动化的重要组成部分，它的主要任务是根据负荷设备（汽轮机）的需要，供应一定规格（压力、流量、温度和纯度）的蒸汽。锅炉是生产蒸汽的主要设备，是工业生产中几乎不可缺少的设备，应用十分广泛。保证锅炉内的水位在一定范围内波动对系统的安全运行是非常重要的。如果水位过低，锅炉可能被烧干，引起设备的损坏，甚至爆炸；如果水位过高，会导致生产的蒸汽含水量大，而且水还可能溢出，从而使生产过程中断，造成经济损失。因此对水位进行控制是保证锅炉正常运行所必不可

3、少的。当锅炉的给水量与蒸汽的蒸发量保持平衡时，锅炉的水位保持不变，此时，锅炉工作状态良好。如果锅炉的给水量和蒸汽量不平衡，水位就会发生波动。因此，我们必须根据水位的变化，调整给水量，使它跟随蒸汽的负荷的大小而增减，以达到保持水位在规定的范围内的目的。水位的变化量由液位传感器检测，并由液位变送器转换为统一的标准信号后送到调节器（即控制器），与水位的设定值进行比较和运算以后由调节器发出控制指令，执行器（电动或气动执行机构）改变调节阀阀门的开度，调节给水流量，以保持给水量与蒸发量之间的平衡，这就是锅炉水位自动控制过程。2、系统的概述及其动态特性2.1 系统概述电厂锅炉是一个复杂的被控过程，它的被控参

4、数和控制参数众多，不易很好的对其进行控制。通常的设计思想是，在可能的情况下，将其划分为几个相互独立的控制区域。这里，我们将与研究对象关联较小的通道将其忽略，对锅炉汽包水位控制进行讨论。主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器二次扰动一次扰动副参数设定主参数串级控制系统是改善和提高锅炉汽包水位控制的一种极为有效的控制法案，串级控制系统具备较好的抗干扰能力、快速性、适应性和控制质量,因此在工业生产自动化控制中得到了广泛的应用。其适用范围是：被控对象的控制通道纯滞后时间较长，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采用串级控制系统；对象容量滞后比较大，用单回路控制系统不能满足质量指标时，可采

5、用串级控制系统。方框图如下所示：图3-1 串级控制系统的一般结构框图由此可见，实现锅炉水位控制需要以下设备：检测水位变化的传感器与变送器、比较水位变化并进行控制运算的调节器、实施控制命令、改变给水量的调节阀等。2.2 锅炉汽包的动态特性汽包水位不但是锅炉安全运行的重要参数，同时，它还是衡量锅炉汽水系统物质是否平衡的标志。为了弄清楚系统的组成及工作原理，我们从分析水位的动态特性入手。锅炉给水调节对象如图所示。给水调节机构控制给水量W，汽轮机的耗气量D是由汽轮机的调节阀门来控制的。水冷壁与汽包存水部分构成了水循环系统。汽包水位的动态特性似乎与单容水槽一样，但是实际情况要比单容对象复杂得多。因为在水

6、循环系统中充满了夹带着大量蒸汽泡的水，而蒸汽泡的总体积Vs是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而改变的，如果有某种原因使蒸气泡的总体积改变了，即使水循环系统的总水量没有变化，汽包水位也会随之变化。影响汽包水位H的主要有给水量W，汽轮机的耗气量D和燃料量B等三个主要因素。2.2.1 给水扰动在给水量W的阶跃扰动作用下，水位H的相应曲线如图3-2(a)所示。从物质平衡的观点来看，水位的响应曲线应该如图中的直线呈直线上升。但当给水温度低于汽包内的饱和水温度时，当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的部分热量，使锅炉的蒸汽产量下降，水面以下的气泡总体积减少，导致水位下降。Vs对水位的影响可以用图中的曲线表示。

7、水位的实际响应曲线是、的总和。给水扰动下的传递函数可以近似表示为 （3-1） （3-2）将虚线1和2叠加后可得实线3，则总的传递函数为：= （3-3）2.2.2 负荷扰动在汽轮机耗气量D的阶跃扰动下，水位H的响应过程可以用图3-2(b)来说明。当汽轮机耗气量D突然阶跃增加时，一方面改变了汽包内的物质平衡状态，使水位下降，图中H1表示把汽包当作单容对象时水位应有的变化；另一方面，由于耗气量D的增加，使蒸汽的蒸发强度增加，迫使汽包内气泡增多。由于这是的燃料量还未改变，使水面以下的蒸汽泡膨胀，总体积Vs增大，从而导致汽包水位的上升，如图中H1所示。汽包水位H的实际响应过程是H=H1+H2.。对于大中

8、型锅炉来说，后者的影响要大于前者，因此在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升。这种反常现象通常称为“假水位”现象。WHH1H2H3tttDHtH2H1H图2-2 给水扰动(a) 负荷扰动（b）蒸汽量扰动下汽包水位的传递函数可以近似地表示为 式中，为反映物质平衡关系的水位飞升速度；和分别代表图13-6中曲线H2的时间常数和增益。2.2.3燃料量扰动燃料量B的扰动必须引起蒸汽量D的变化，因此也同样有假水位现象。但是由于汽包和水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定的热惯性。燃料量B的增大只能使D缓慢增大，而且汽包压力还会慢慢上升，它将使气泡体积减

9、小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要缓和的多。因此暂可以忽略，不考虑。由以上分析可知，给水量扰动下水位响应过程具有纯滞后；负荷扰动下水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位现象。这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂。3、汽包水位的控制方案3.2 串级控制系统控制方案串级控制系统与简单单回路控制系统的主要区别是，串级控制系统在结构上形成了两个闭环。内环称为副回路，在控制过程中起到“粗调”的作用；外环被称为主回路，用来完成“细调”任务，以最终是被控量满足工艺要求。无论主回路或者副回路都有各自的调节对象、测量变送器和调节器。在主回路内的调节对象、被测参数和调节器被称为

10、主调节对象、主参数和主调节器。在副回路里则相应地被称为副调节对象、副参数和副调节器。两个回路只有一个调节阀。主回路一般为定值控制，主调节器具有自己独立的设定值，它的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出信号则是以调节阀去控制生产过程，可见副回路为随动控制，其设定值是变动的。比较串级系统和单回路控制系统，前者只比后者多增加了一个测量变送器和一个调节器，增加的设备投资并不多，控制效果却得到显著的改善。主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器二次扰动一次扰动副参数设定主参数图3-3 串级回路控制系统的一般结构框图假设串级控制系统的各个环节的等效传递函数为：； ；为了便于分析，将上图所示串

11、级控制系统的各个环节分别用其相应的传递函数代替，习惯上把，构成的回路称为副回路；把主调节器，副回路等效传递函数，主被控对象，主检测变送器构成的回路称为主回路。图3-4 串级回路控制系统的传递函数框图3.2.1 副回路控制分析如图所示系统中，作用于副回路的扰动F2称为二次扰动，串级由于副回路存在，对于进入副回路的干扰具有较强的抗干扰能力根据串级调节系统的方块图，在干扰作用下F2与Y2的等效传递函数为： （4-5）而单回路控制中副环扰动的传递函数为 （3-6）可以看到，式中前者比后者多出一分母项，即。和单回路控制系统相比，进入副环扰动对主参数的影响减小了倍。这项乘积的数值一般是比较大的，因此说明串

12、级控制系统中进入副环扰动对控制通道的动态增益明显减小，当二次扰动出现时，分快就被副调节器所抑制，通常其影响往往可以减小10100倍。同样，串级控制系统在副环进入的扰动作用下，控制系统的余差也相应的减小为单回路控制系统余差的倍。因此，串级控制系统能迅速克服进入副回路扰动的影响，并使系统余差大大减小。比较分析单回路控制系统和串级控制系统的结构框图可以发现，串级控制系统中的副回路代替了单回路系统中的一部分过程，使系统抗干扰能力大大增强。若把整个副回路等效为一个被控过程，它的等效传递函数用表示，则可得 （3-7）假设副回路中各个环节的传递函数分别为；则上式可变为： = （3-8）式中，和分别为等效过程

13、的放大系数和时间常数。比较和，静态时，由于>>1,表明由于副回路的存在，改善了控制通道的动态特性，使等效过程的时间常数为原来的倍，而且副调节器比例增益越大，等效过程的时间常数将越小。通常情况下，副被控对象大多为单容过程和双容过程，因而副调节器的比例增益可以取得较大，导致等效时间常数可以减小到很小的数值，从而加快了副回路的响应速度。3.2.2 主回路控制分析由上面对副回路的分析可得，我们可以把副回路看做一个整体，则系统框图可以简化为下图：图3-5 串级回路控制系统的等效传递函数则由图分析可得，在给定信号X1(s)的作用下，X1(s)与Y1(s)的等效传递函数为： （3-9）在干扰F2

14、的作用下，F2（s）与Y1(s)的等效传递函数为 （3-10）由控制理论可知，在给定信号的作用下，当X1(s)与Y1(s)的比值越接近于“1”时，则系统的控制性能越好；而在干扰作用下，当 F2（s）与Y1(s)的比值越接近于“0”时，则系统的抗干扰能力的能力越强。在工程上，通常将两者的比值作为衡量控制系统的控制能力和抗干扰能力的综合指标，即比值越大，系统的控制能力和抗干扰能力就越强。对以上两式，则有 （3-11）假设；，则上式可以写为 （3-12）由此可分析得，主、副调节器放大系数的乘积越大，抗干扰能力越强，控制质量就越好。比较式（3-4）和式（3-12），在一般情况下，有>可知由于串级

15、控制系统副回路的存在，能迅速克服进入副回路的二次干扰，从而大大减小了二次干扰对主参数的影响，并导致抗干扰能力和控制能力的综合指标比单回路控制系统均有了明显的提高。4.3 系统影响分析 （1）能对进入副回路的干扰有很强的抑制能力我们在对副回路的分析中已经详细介绍，这里我们不再赘述。（2）能改善控制通道的动态特性，提高系统的工作频率由于副回路改善了控制对象动态特性的作用，因此可以加大主调节器的增益，提高系统的工作频率，增强控制效果。 串级控制系统的工作频率的算法串级控制系统的工作频率同样依据闭环系统的特征方程式来进行计算。由相应串级系统的闭环传递函数可知，对应的闭环特征方程： 整理后得 （4-14

16、）标准二阶震荡系统为（为串级控制系统的阻尼系数；为串级控制系统的自然频率）相比，相应的可得到串级控制系统的工作频率：在相同的递减率下进行比较，即相同，由以上两式可得 = （4-15） 由于 即 。可见串级系统的工作频率高于单回路系统的工作频率。（3）对负荷和操作条件的剧烈变化有一定的适应能力实际的生产过程中往往包含一些非线性因素。因此，对于非线性过程，若采用单回路控制时，在负荷变化不大的情况下，按一定控制指标整定的调节器参数只适用于工作点附近的一个小范围。如果负荷变化过大，由于非线性因素的影响，广义被控过程的放大系数会随着负荷的变化而变化，此时若不重新整定调节器参数，则控制质量就难以得到保证。

17、但在串级控制系统中，由于副回路的等效放大系数为一般情况下，>>1，因此，当副被控过程中的放大系数或随负荷变化时，几乎不变，因而无需重新整定调节器的参数；此外，主调节器的输出作为副调节器的设定值，副调节器的输出信号则是以调节阀去控制生产过程，可见副回路为随动控制，其设定值是变动的。当负荷或操作条件改变时，主调节器将改变其输出，调整副调节器的设定值，使负荷或操作条件改变时能适应其变化而保持较好的控制性能。5、仪表的选择5.1 测量元件及变送器的选择可选用差压式传感器（如膜盒）与DDZ-III型差压式变送器以实现储槽液位的测量和变送。5.2 调节阀的选择根据生产工艺安全的原则，宜选用气关

18、式调节阀，这是因为当控制系统一旦出现故障，调节阀必须全开，以免使汽包水位过低导致生产事故，确保设备安全；根据过程特性与控制要求，宜选用对数流量特性的调节阀；根据被控介质流量的大小及调节阀流通能力与其尺寸的关系，选择调节阀的公称直径和阀芯的直径。5.3 调节器的选择根据过程特性与工艺要求，宜选用PI或PID控制规律，在这里我们选择PI控制；有控制理论的知识可知，要使一个控制系统能够正常稳定运行，必须采用负反馈，即保证系统总的开环放大系数为正。有工艺可知，调节阀为气关式，故为负；当被控过程的调节阀开度增大时，对系统的给水量增大，故为正；测量变送器的通常为正；为保证副回路为负反馈，则调节器应为负，即

19、为正作用调节器；当调节阀给水量增大时，汽包里的水位也随之升高，故也为正；为保证主回路为负反馈，则应为正，即为反作用调节器。以上分析可用下面两个表达式表示：副回路： 主回路： 6、系统参数的整定6.1 汽包水位串级控制原理图汽包水位串级控制系统流程图如下所示：LTLCFTFC汽包Q图6-1 汽包水位串级控制系统原理流程图6.2 调节器的参数整定 为了对串级控制系统的控制效果有一定量的概念，下面用一实例来进行估算。设串级系统的方框如图所示，图6-2 串级控制系统实例框图6.2.1 两步整定法概述两步整定法是一种先整定副回路，后整定主回路的方法，其思路如下：一个合理的串级控制系统，它的主、副对象的时

20、间常数有适当的匹配关系，要求 至少大于3，一般在310之间为宜.这样，主回路的工作周期远大于副回路的工作周期，避免引起系统的共振，从而使主、副回路间的动态联系较小，甚至可以忽略。因此，当副控制器参数整定好之后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主控制器参数，而不再考虑主控制器参数变化对副回路的影响。在多数情况下，副变量设置的目的是为了进一步地提高主变量的控制品质。因此，当副控制器参数整定好之后再去整定主控制器参数时，虽然会影响副变量的控制品质，但是，只要主变量控制品质得到保证，副变量的控制品质差一点也是可以接受的。在整定的过程中需要经常用到衰减曲线法整定参数，其具体计算过程如下

21、所示：a、 先置主调节器的积分时间 ，微分时间，比例带 置于较大数值，将系统投入运行。b 、 等系统运行稳定后，对设定值作阶跃变化，然后观察系统的响应。若响应振荡衰减太快，则减小比例度，反之，则减小比例度。如此反复，直到出现如图所示的衰减比为4：1的振荡过程。记录下此时的值（设为），以及值，图中为衰减振荡周期。c、 按表3-1所给的经验公式计算、及。图6-3 系统衰减曲线衰 减率（）调节规律整定参数TITD0.75PsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts0.90PsPI1.2s2TpPID0.8s1.2Tp0.4Tp表6-1 经验公式表按照“先副后主”、“先P次I后D”的顺

22、序，将计算出的参数值设置到控制器上，做一些扰动试验，观察过渡过程曲线，做适当的参数调整，直到控制品质最佳。6.2.2 两步法的整定步骤两步法的具体整定步骤如下：（1）整定副回路在主、副回路均闭合，主、副调节器都至于纯比例作用条件下，将主调节器的比例带放在100%处，按单回路整定法整定副回路，这时得到副调节器的衰减率时的比例带和副参数振荡周期。（2）整定主回路主、副回路仍然闭合，副调节器置于值上，用同样的方法整定主调节器，得到主调节器在4：1下的比例带和副参数振荡周期。（3）按已求得的、和、值，结合控制器的选型，按单回路控制系统“衰减曲线法”整定参数的经验公式（见表） 。计算求出主、副控制器的整

23、定参数值。7、实例参数整定及其仿真我们设系统中主、副对象的传递函数分别为： 主、副调节器的传递函数分别为： （PI调节） （比例调节）在条件，的条件下，对系统进行仿真，如下图：图7-1 串级控制系统实例仿真图仿真后，在单位阶跃响应的作用下，其响应曲线是发散振荡的，因此需要对此串级控制系统的主副回路进行参数整定。（1）按照两步整定法，先将副回路进行整定。待衰减曲线出现衰减率时的比例度时（如下图所示），记下副参数振荡周期=7.0s。调整后。图7-2 实例系统衰减振荡曲线（2）副回路调整好后，视其为主回路的一个环节，按单回路控制系统的方法整定主控制器参数。在这里，我们用临界比例度法来对系统参数进行调

24、整。使系统处在闭环稳定运行状态时，对设定值施加一个阶跃变化，并减少比例度，直至系统出现如图等幅振荡为止。记录下此时的临界比例度和等幅振荡周期=10s。参数调整后=0.68，=20s。图7-3 实例系统参数整定曲线串级控制系统主、副回路经参数整定后，对其进行仿真，其结果如图7-4所示：图7-4 参数整定后系统的仿真图像可见，整定后的系统大大改善了对象的动态特性，保证了系统对水位的有效控制，并对干扰有很强的克服能力，能很好的稳定汽包水位位置，基本满足生产工艺的需要。8、结论通过对串级控制系统在锅炉汽包水位控制中的学习和应用，对书本的知识进行了贯彻的梳理，在设计中加深了对过程控制这门专业课的认识，特

25、别是对串级控制系统有了更深的了解。在此次课程设计中，我把单回路控制系统和串级控制系统进行了有针对性的比较，发现单回路控制系统虽然简单，但性能并没有串级控制系统强，特别是抗干扰这一方面，远远不如后者。串级控制系统比较适用于容量滞后较大的过程、纯时延较大的过程、扰动变化激烈而且幅度大的过程、参数互相关联的过程和非线性过程。它对于改善了过程的动态特性，提高了系统控制质，能迅速克服进入副回路的二次扰动；提高了系统的工作频率；减小被控对象的时间常数，对消除副对象的非线性和提高对负荷变化的适应性起到了决定性的作用。此外，我进一步学习了系统调节器参数的整定这一部分知识，并运用刚学的MATLABE的仿真软件进行仿真，对系统参数的整定起到了很大的帮助，加深了对所学知识的熟练程度。整定后的系统大大改善了对象的动态特性，保证了系统对水位的有效控制，并对干扰有很强的克服能力，能很好的稳定汽包水位位置，在误差允许的范围内，串级控制系统基本满足生产工艺的需要。在学习的过程中，我发现仅仅掌握串级控制是远远不够的。在实际生活中，串级控制系统和其他控制系统的联合使用应用比较