串级三冲量锅炉给水控制系统的设计

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书1引言电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术的先进与否和企业现代化的重要标志。锅炉作为电厂中的一个重要设备�起着重要的作用。其中�汽包锅炉给水及水位的调节已经完全采用自动的方式加以控制。影响水位的因素主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛热负荷�除此之外�还有给水压力、汽包压力、汽轮机调节汽门开度、二次风分配等。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉蒸发量�并使汽包中水位保持在一定的范围内。保证水位控制在给定的范围内�对提高蒸汽品质、减少设备损耗、运行损耗和确保整个网络安全运行具有重要意义。因此�汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素�所以就要有一整套较好的控制方案�来实现汽包锅炉给水水位的自动控制。本设计在分析给水控制对象和各种扰动下水位变化的动态特性后�提出了在低负荷时采用单冲量给水控制系统�在高负荷时采用串级三冲量给水控制系统控制汽包水位的方法�并且通过MATLAB仿真�证明了所设计的系统可以很好地克服系统的内外扰动�实现汽包锅炉给水水位自动控制的要求。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书2第一章单回路控制系统在热工生产过程控制中�最基本的且应用最多的是单回路控制系统�其他各种复杂控制系统都是在单回路系统的基础上发展起来的�而且许多复杂控制系统的整定都利用了单回路系统的整定方法�可以说单回路控制系统是过程控制系统的基础。1.1单回路控制系统分析1.1.1单回路控制系统的组成单回路控制系统的组成原理方框图如图1-1所示。它是仅有一个测量变送器和一个执行器(包括调节阀)�连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。图1-1单回路控制系统组成原理方框图(一)被调量的选择在图1-1中�被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量�在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下�欲维持的工艺参数就是系统的被调量�如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度�所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。但是生产过程中�有些工艺参数目前还没有获得直接的快速测量手段�如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。这种情况下往往采用间接测量手段�如采用磨煤机入口介质的温度来代表原煤的干燥程度。以间接参数作为系统的被调量�要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系�否则要采取相应的补偿措施。对于那些虽有直接测量手段�但所测得的信号过于微弱或迟延较大的情况�不如选用间接参数作为系统的被调量。为提高测量的灵敏度�减小迟延�应采用先进的测量方法�选择合理的取样点�正确合理地安装检测元件。(二)控制量的选择c_μue对象调节器执行器d变送器r内蒙古工业大学本科毕业设计说明书3选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢?原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量�一般不应选择工艺上的主要物料或不可控的变量作为控制量。例如�火力发电厂锅炉负荷控制系统�其被调量是主蒸汽压力�而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量�前者是电力生产要求所确定的�因而不能作为控制量而只能选择燃料量作为系统的控制手段。(三)控制通道和扰动通道单回路控制系统传递方框图如图1-2所示。图中)(sW为对象的传递函数�它是包括了检测元件、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性�)(sWT为调节器的传递函数�D为扰动信号�)(sWZ为被调量与扰动信号间的传递函数。扰动信号D经)(sWZ影响被调量的信号通道称为扰动通道�调节器输出的控制信号U通过)(sW影响被调量的信号通道称为控制通道。图1-2单回路控制系统的传递方框图(四)影响系统控制质量的主要因素由单回路控制系统的组成可知�影响控制系统的控制质量的主要因素来源于调节器的特性和受控对象的特性�因为调节器和对象是该系统的组成部分。因不同的调节规律有着不同的特点�应根据不同的对象和生产过程工艺要求来确定�调节器的参数对调节过程的质量有着很重要的作用。1.1.2对象特性对控制过程的影响由自动控制理论知�控制过程的品质指标一般用衰减率、动态偏差、稳态偏差、过渡过程时间来衡量�它们描述了控制系统过渡过程的稳定性、准确性和快速性。描述对象动态特性的特征参数有对象的放大系数K�时间常数T和迟延时间�。(一)对象放大系数对控制过程的影响图1-2所示的单回路控制系统传递方框图中�设调节器为比例调节器,即WZ(s)_D(s)C(S)U(s)E(S)R(s)W(s)WT�s�内蒙古工业大学本科毕业设计说明书4�1)(��PTKsW(1-1)控制对象的传递函数为1)(��TsKsW(1-2)扰动通道的传递函数为)1)(1()(21���sTsTKsWZZ(1-3)由图1-2求出)()(1)()()(sWsWsWsDsETZ���(1-4)当系统受到单位阶跃扰动作用下�控制系统过渡过程结束时�静态偏差为KKKssWsWsWsePZTZs�������11)()(1)(lim)(0(1-5)式(1-5)表明�干扰通道的放大系数ZK越大�系统的稳态误差(又称静态偏差)越大�而控制通道的放大系数KKP越大�稳态误差越小。对于线性控制系统�PK与K是一种互补关系�即总可以通过改变调节器的比例增益PK(或比例带�)来满足K和PK的乘积要求�这就是说对象的放大系数K对控制过程的质量没有什么影响。当然�对非线性对象其K值随负荷变化而变化�要利用PK来补偿�则要求PK也随负荷变化而变化�即需要参数可变调节器。(二)对象时间常数对控制过程的影响1�干扰通道设图1-2中各环节的放大系数均为1�即�K�1�ZK�1�PK�l。干扰通道为一阶惯性环节�即11)(��sTsWZZ(1-6)则)()(1)()()(sWsWsWsDsCZZ��(1-7))]()(1)[1(1sWsWsTTZ���系统的闭环特征方程0)]()(1)[1(���sWsWsTTZ(1-8)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书5式(1-8)表明�干扰通道的存在使系统的持征方程式产生变化�且干扰通道惯性阶次增加一阶�系统就增加一个负实数闭环极点。当干扰通道的时间常数ZT增大时�该新增加的极点就向坐标原点靠近。由自动控制理论可知�这将使控制过程的动态偏差减小。实际上�具有惯性的干扰通道相当于低通滤波器�从而减弱了干扰信号对系统工作的影响。如果干扰通道还存在迟延��则sesCsC����)()((1-9)式中�)(sC为干扰通道不存在延时的被调量�即sTZesDsWsWsWsC�����)()()(1)()((1-10)由延迟定理知)()(����tctc(1-11)上式表明�干扰通道迟延的存在并小影响控制过程的质量�只不过是使被调量在时间轴上顺延一个时间�而已。2�控制通道控制通道的时间常数T如果增加�系统的工作频率下降�反映速度变慢�过渡过程的时间将加长。时间常数T过小�系统反映则过于灵敏�又会使系统的稳定下降。这就是说�在保证控制系统有一定的稳定程度下�应尽量减小控制通道的时间常数。实际系统中�控制通道是由执行器、变送器、对象串联组成的广义对象。广义对象内部各环节的时间常数之间应相互错开�要求它们之间有一个良好的匹配关系。控制通道如果存在迟延�(包括纯迟延和容积迟延)�将会使控制过程质量变坏。因为控制作用不能及时影响被调量�从而使系统的动态偏差加大�控制过程时间加长。然而在控制通道的时间常数较大时�迟延时间的影响将会减小。控制通道存在迟延��调节过程的质量与T/�比值有关�比值越大质量越差。综上所述�对象的特征参数T、K、�对调节过程质量的影响是不同的。干扰通道的放大系数ZK大�意味着干扰对被调量的影响大�即增加系统的静差。控制通道的放大系数K�由于可由调节器的比例带来补偿�因而不影响调节质量。干扰通道的时间常数ZT大�对干扰的滤波作用大�从而有利于调节器克服干扰的影响。控制通道时间常数小�调节及时�但容易引起系统的振荡而趋于不稳定。干扰通道的迟延对调节过程无影响�而控制通道的迟延总是有害的。内蒙古工业大学本科毕业设计说明书61.2单回路控制系统的参数整定单回路控制系统仅由调节器和对象两部分组成�对象的动态特性是不容易改变的�要取得满意的调节效果�就要设置合适的调节器参数�因此单回路控制系统的参数整定实际上就是调节器的参数整定问题。合理地设置调节器的各个参数�是针对控制系统某一质量指标而言的。在热工生产过程中�通常要求控制系统具有一定的稳定裕量�即要求过程有一定的衰减率��在这一前提下�要求调节过程有一定的快速性和准确性�换言之稳定性是首要的。所谓准确性就是要求控制过程的动态偏差(以超调量%�表示)和静态偏差�sse�尽量地小�而快速性则是要求控制过程的时间尽可能地短。然而�控制过程的稳定性、快速性、准确性三者之间常常是互相矛盾相互制约的�所以应结合具体生产过程及其要求来综合考虑。控制系统的参数整定有理论计算方法和工程整定方法�理论计算方法是基于一定的性能指标�结合组成系统各环节的动态特性�通过理论计算求得调节器的动态参数设定值�而工程整定法�则是源于理论分析�结合试验、工程实际经验等一套工程上的方法。1.2.1广义频率特性法广义频率特性法是通过调整调节器的动态参数�使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性�从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。图1-3系统传递方框图图1-3是由调节器和广义被控对象组成的单回路控制系统的传递方框图。对大多数热工控制对象来说�系统的开环传递函数)(sWK=)()(sWsWOT的极点都落在负实轴上。据控制理论中稳定判据�要使系统响应具有规定的衰减率��只需选择调节器的参数�并使开环频率特性)(��jmWK��轨迹通过(-1�j0)点�用数学式表示。�������jOTKejmWjmWjmW����������1)()()((1-12)式中�()()TOWmjWmj��������、分别为调节器和广义对象相对稳定度为m时的C(s)Z(s)U(s)E(s)R(s)_WO(s)WT(s)内蒙古工业大学本科毕业设计说明书7广义频率特性�()()TOWmjWmj��������、可表示为),(),()(����mjImRjmWTTT����),(),(���mjTTemM�(1-13)),(),()(����mjImRjmWOOO����),(),(���mjOOemM�据式(1-12)的关系�则有1(,)(,)(,)(,)'(,)'(,)TTRmjImRomjIomRomjIom�������������(1-14)式中1'(,)'(,)(,)(,)RomjIomRomjIom�������)],([),(),(),(),(),(�����������mjOmjOjmjTOOTemMemMeemM�����(1-15)其中),()],([),(1),(�������mjOmjOOOemMemM����(1-16)由上式可得到以下两组关系式(,)'(,)(,)'(,)ToToRmRmImIm�����������(1-17)(,)'(,)(,)'(,)ToToMmMmmm�������������(1-18)用广义频率特性法整定调节器的参数�就是在已知广义对象的传递函数后�计算出具有规定的衰减率��即相对稳定度m�下调节器的整定参数值。利用广义频率特性法计算调节器的参数�其前提是获得对象的传递函数�这一点给工程实际应用带来困难。另外�该方法计算工作量也大�因此常用工程整定方法加以实现。1.2.2工程整定法(1)临界比例带法临界比例带法又称边界稳定法�其要点是将调节器设置成纯比例作用�将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变�直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态�记下此状态下的比例带值�即K�及振荡周期KT�然后根据经验公内蒙古工业大学本科毕业设计说明书8式计算出调节器的各个参数。可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性�直接在闭环系统中进行参数整定。临界比例带法在实际运用中有一定的局限性�有些生产过程根本不允许产生等幅振