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单级三冲量给水控制系统的设计及仿真研究.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.52M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 引 言 电厂热工自动化水平的高低是衡量电厂生产技术先进与否和企业现代化的重要 标志。其中，汽包锅炉给水及水位的调节已完全采用自动的方式加以控制，这大大提 高了生产效率。汽包锅炉给水控制系统的任务是使给水量适应锅炉的蒸发量，以维持 汽包水位在允许的范围内。汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会 破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁 上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破 坏水循环，引起水冷壁的破裂。汽包水位过高或过低的后果都极为严重，所以必须严 格加以控制。只有保证汽包水位的波动在允许范围内，才能实现机组安全经济运行。 因此，汽包水位是影响整个机组安全经济运行的重要因素，所以就需要有一套较好的 控制方案，来实现汽包水位的控制。本设计将采用单级三冲量控制系统，其特点是： 控制系统所用的设备少，结构简单，给水流量调节动作平稳，整定方法容易掌握，一 般情况下能满足锅炉生产控制的要求。 在单级控制系统中，参数的整定也是非常重要的，由于在系统中所设计的对象是 确定的，所以只有对调节器进行参数整定才能符合条件。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 节的动态特征，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，结合实验、工程实际经验等一套工程上的方法，其具体方法将在本设计 中体现。 本设计的目的是采用单级三冲量给水控制系统控制汽包水位，使其平稳运行,并 通过 MATLAB 仿真，证明所设计的系统可以很好的克服系统的内、外扰动，实现汽 包锅炉水位控制的要求。 1
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 第一章 概述 1.1 自动控制技术在热力发电厂的应用及发展 自动控制，是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装 置或控制器），使机器、设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即 被控量）自动地按照预定的规律运行。在现代科学技术的众多领域包括工农业生产、 交通运输和国防建设等方面，自动控制技术起着越来越重要的作用。 电能由于其固有的优点而成为国民经济各领域最广泛使用的能量，从而成为人类 社会生产和生活中时刻不能离开的二次能源，电能具有可转换成机械能、热能、光能、 化学能等各种能量形式以及方便输送等特点，因此电能的应用已经深入到社会生产和 生活的各个领域，一个国家的电气化程度已成为国民经济现代化的一个重要标志。只 有电力工业的迅速发展才有可能保证整个国民经济的迅速而稳定的发展。 热力发电厂是电力工业的重要组成部分。热力发电厂包括燃化石燃料（煤、油、 气）的火力发电厂与使用核燃料的核动力电厂。迄今为止，热力发电厂在世界大多数 国家中仍占着各种发电形式中的主导地位，我国的火力发电占 70%左右，而且根据我 国国情，火力发电厂基本是燃煤电厂。在电力行业中电厂热工生产过程自动化技术相 对于其它民用工业部门有较长的历史和较高的自动化水平，电厂热工自动化水平的高 低是衡量电厂生产技术先进与否和企业现代化的重要标志。 早期的自动控制系统因热力发电机组单机容量小，对控制系统要求也不高，结构 非常简单，因此只需对给水、汽温、汽压和汽机的转速作简单的控制即可。这些控制 系统大多分散在锅炉和汽机车间就地安装，整个电厂的机、电、炉也是分散控制的。 随着现代科学技术的发展，发电机组已由中温、中压、中小容量发展到今天的大容量、 高参数的单元机组。而具有提高系统的安全性，可靠性以及使系统更容易灵活操作的 集散控制系统 DCS(Distributed Control System)，是作为计算机控制系统的后起之秀， DCS 为生产过程的自动控制提供了强有力的控制手段，因此它广泛应用于电力行业。 1.2 锅炉的概述 汽轮机，电气设备，锅炉设备并称为火力发电厂三大主体设备。锅炉在电厂整个 能量转换过程中占有重要地位。首先，燃料的燃烧过程就是在锅炉的炉膛内完成的。 在燃烧过程中，储存于燃料中的化学能急剧大量地被释放出来，并伴有各种不同的生 成物——烟气，这时的烟气具有很高的温度（1600～1900℃）。在一般火力发电厂中， 我们利用具有一定特性的工质来完成作功。因此在烟气和工质之间存着一个传热过 2
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 程，这一过程是在锅炉设备里进行的。从电厂生产过程来讲，锅炉的基本任务就在于 要生产出具有一定数量和参数的蒸汽，以推动汽轮机完成后续的能量转换过程。因此 概括来讲，锅炉设备主要完成热能转换得两个过程：燃烧过程和传热过程。所以说维 持汽包水位在一定的范围内是决定锅炉安全运行的重要因素，因此汽包锅炉给水控制 系统的安全性、可靠性显得尤为重要。 3
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 第二章 调节器的调节规律 调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系，从理论上说可有各 种形式的函数关系，然而在实践中总结出三种基本调节规律，广为采用。这三种基本 调节规律就是比例调节规律、积分调节规律、微分调节规律。三种调节规律的组合可 设计出多种调节规律的调节器，如比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节 器等。调节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有着很大的影响， 因为对象的特性是不容易改变的。本章内容的重点是分析和比较不同调节规律的调节 器的控制效果。 2.1 比例控制对控制性能的影响 所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用 )(tu 与其偏差输入信号 )(te 之间 成比例关系，即 其中 PK ——比例增益。 比例调节器的传递函数为 )( tu P )( teK )( sW P  )( sU )( sE  K P 工程中，常用比例带来描述其控制作用的强弱，即 1 PK （2-1） （2-2） （2-3） 其物理意义是在调节机构的位移改变 100%时，被调量应有的改变量。如 则表明调节器输出变化 100%时，需要其输入信号变化 20%。 %20 ， 比例调节的阶跃响应图如图 2-1 所示。从图中看出，在 0t 时刻前，系统处于稳定 状态； 0t 时刻偏差信号 )(te 发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调量产生阶跃变 化，调节输出控制作用 )(tu 将成比例地变化，而且几乎是同时产生的。控制作用的变 化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量回到原来的值上。从这 一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。 由图 2-1 还可看出，在 t 时调节过程结束，但偏差信号 )(te 仍存在；换言之， 调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。因为采用比例调节规律的调节器，其输出 的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消扰动的影响、使 4
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 系统重新稳定下来的保证。在系统受到扰动后，被调量偏离了其给定值，而出现偏差； 调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小还要存在，否则偏差为零， 控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系统稳定下来。调节过程结束，被 调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规律的又一特点。 2.2 积分控制对控制性能的影响 图 2-1 比例调节的阶跃响应 比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基本的 调节作用。然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制（定值调 节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。 积分调节规律是调节器输出控制作用 )(tu 与其偏差输入信号 )(te 随时间的积累值 成正比，即 其传递函数形式为 式中 iT 为积分时间。 )( tu  1 T i )( te dt  sW )(  I 1 sT i （2-4） （2-5） 积分调节器的阶跃响应如图 2-2 所示。由图可以看出，当被调量出现偏差并呈阶 跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线性增长。 5
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输出旨在消除对 系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速度。由式可 )(  tdu dt )( te iT （2-6） 上式表明，控制作用在积分时间 iT 越小时越强。 从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差为零 时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差必然为零。 积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制作用体现在调节 过程的后期。 不过在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成为比 例积分调节规律，以发扬各自的特长，弥补对方的不足。 描述比例积分调节规律的动态方程是 )( tu  )( teK P  P K T i )( te dt  式中， PK 为比例增益； iT 为积分时间。 比例积分调节器的传递函数为 )( sW PI  K P    1  1 sT i     11     1 sT i    （2-7） （2-8） 图 2-2 积分作用曲线 比例积分调节器的飞升特性如图 2-3 所示。由图可以看出，当被调量一旦偏离给 定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结 6
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制 作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。由此可见，比例积分 调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而克服了单纯比例作用时 不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。 2.3 微分控制对控制性能的影响 图 2-3 比例积分响应曲线 无论是比例调节规律，还是积分调节规律，一个共同特点就是控制作用只有在偏 差出现后才能产生。这对存在延迟或惯性较大的对象来说，要获得满意的调节效果是 很困难的，这就需要引入微分调节规律。 微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对 于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即 )( tu  T d )( tde dt  T d )( tdc dt （2-9） 式中 dT 称为微分时间。 传递函数式为 （2-10） 由于受控对象总存在一定的容量，调节器也存在一定的不灵敏区，因此使调节器 sW D )( sT d 动作的偏差信号在时间上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变 化速度）信号又称超前信号。被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间 的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节， 无疑将大大改善调节过程。 7
    内蒙古工业大学本科毕业设计说明书 微分调节作用的大小仅于偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。因此 对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时 由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作；这样，经过一段时间后，偏差将积累 成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例 作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。 式（2-9）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差作阶跃变化时的瞬间， 控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。实际的微分调节规律具 有惯性，其传递函数为 )(' sW D  K D sT  d 1  sT d  K D sT  d 1  )( sW D 式中 dT ——微分时间； DK ——微分增益。 由初值定理有 由终值定理知 U )0(  lim s  sTKs  dD sT  d 1  E s  EK D U (  ) lim 0 s  sTKs  dD sT  d 1  E s  0 由上述两式可以得出微分调节的阶跃响应曲线，如图 2-4 所示。 （2-11） （2-12） （2-13） 图 2-4 微分调节的阶跃响应 8
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