課程設(shè)計(jì)---鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　( 2010 – 2011 年度 第 2 學(xué)期)</p><p>　　名 稱： 過 程 控 制 </p><p>　　題 目：鍋爐給水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院

2、 </p><p>　　班 級(jí)： 自動(dòng)0805班 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p>

3、<p>　　設(shè)計(jì)周數(shù)： </p><p>　　成 績(jī)： </p><p>　　2011年06月25日</p><p>　　《過程控制》課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　任 務(wù) 書</b></p&

4、gt;<p><b>　　一、 目的與要求</b></p><p><b>　　目的</b></p><p>　　通過該課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握過程控制課程主要內(nèi)容，深入理解過程控制系統(tǒng)的分析與綜合。</p><p><b>　　2． 要求</b></p><p&g

5、t;　　要求學(xué)生：1）了解實(shí)現(xiàn)給水全程控制的關(guān)鍵技術(shù)；2）了解單元制鍋爐給水全程控制方案；3）能夠進(jìn)行給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。</p><p><b>　　二、 主要內(nèi)容</b></p><p>　　了解單元制鍋爐給水全程控制方案；</p><p>　　設(shè)計(jì)單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真；</p><p>　　設(shè)計(jì)

6、串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真。</p><p><b>　　三、 進(jìn)度計(jì)劃</b></p><p>　　四、 設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）成果要求</p><p>　　過程控制課程設(shè)計(jì)任務(wù)簡(jiǎn)介。</p><p>　　單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。</p><p>　　2. 1反饋控制器整定及前饋補(bǔ)償器

7、的設(shè)計(jì)過程；</p><p>　　2．2對(duì)設(shè)計(jì)的單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別給出汽包水位設(shè)定值擾動(dòng)、給水流量擾動(dòng)及蒸汽流量擾動(dòng)下，給水控制系統(tǒng)的輸出（即汽包水位）的響應(yīng)曲線。</p><p>　　3． 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真。</p><p>　　3. 1串級(jí)系統(tǒng)內(nèi)外回路控制器的整定及前饋補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)過程；</p><p>

8、;　　3．2對(duì)設(shè)計(jì)的串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別給出汽包水位設(shè)定值擾動(dòng)、給水流量擾動(dòng)及蒸汽流量擾動(dòng)下，給水控制系統(tǒng)的輸出（即汽包水位）的響應(yīng)曲線。</p><p>　　4．比較單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)和串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　5．課程設(shè)計(jì)的體會(huì)</b></p><p><b>　　五、 考核方式&l

9、t;/b></p><p>　　結(jié)合學(xué)生提交的“過程控制”課程設(shè)計(jì)報(bào)告書，對(duì)學(xué)生進(jìn)行口試。</p><p>　　2011 年 6 月 26 日</p><p><b>　　設(shè)計(jì)正文</b></p><p>　　某汽包鍋爐，根據(jù)給水流量W做單位階躍擾動(dòng)時(shí)的汽包水位H的響應(yīng)曲線可知</p>&l

10、t;p>　　根據(jù)蒸汽流量D做單位階躍擾動(dòng)時(shí)的汽包水位H的響應(yīng)曲線可知</p><p><b>　　已知：</b></p><p>　　給水流量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　蒸汽流量測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　水位測(cè)量變送器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　執(zhí)行器

11、與閥門傳遞函數(shù)乘積為 </p><p>　　一、 設(shè)計(jì)單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)（其中調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)），敘述控制系統(tǒng)整定過程；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別給出在蒸汽io流量D、給水流量W和汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線；</p><p>　　單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　單級(jí)三沖量Simulink組態(tài)圖：</p><p&

12、gt;　　調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，其傳遞函數(shù)為 </p><p>　　控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　給水流量測(cè)量變送器和蒸汽流量測(cè)量變送器的斜率為 </p><p>　　水位測(cè)量變送器的斜率為 </p><p>　　執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)的乘積為 </p><p>　　給水流量反饋裝置和蒸汽流量

13、前饋裝置、均為比例環(huán)節(jié)，整定、、、過程如下：</p><p><b>　?。?）內(nèi)回路的整定</b></p><p>　　內(nèi)回路方框圖如下圖所示：</p><p>　　可以把內(nèi)回路作為一般的單回路系統(tǒng)進(jìn)行分析。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)等效地看作被控對(duì)象，那么被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)（因?yàn)閳?zhí)行器、調(diào)節(jié)器、變送設(shè)備和給水流量反饋裝置都可以近似認(rèn)

14、為是比例環(huán)節(jié)）。因此調(diào)節(jié)器的比例帶和積分的時(shí)間都可以取得很小。和的具體數(shù)值可以用試探方法決定以保證內(nèi)回路不振蕩為原則，一般。在試探時(shí)，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)（給水流量信號(hào)的靈敏度）可任意設(shè)置一個(gè)數(shù)值，得到滿意的值，如果以后有必要改變，則應(yīng)相應(yīng)地改變值，使保持試探時(shí)的值，以保證內(nèi)回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。</p><p>　　所以副回路整定對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表格為：</p><p>　　則有數(shù)據(jù)表

15、格中的數(shù)據(jù)選擇最佳數(shù)據(jù)為：Kp=20，Ti=2，Ki=10</p><p>　　則內(nèi)回路整定的仿真曲線如下：</p><p><b>　　（2）主回路整定：</b></p><p>　　在內(nèi)回路經(jīng)過正確整定后，其控制過程是非常快的。這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)器為比例積分和設(shè)置非常得較小，故它能快速動(dòng)作。外來控制信號(hào)改變時(shí)，調(diào)節(jié)器幾乎立即成比例地改變給水流量

16、W ，使, 即是:</p><p><b>　　或 </b></p><p>　　這樣，上圖中的內(nèi)回路可用比例環(huán)節(jié)代替。因此主回路可表示為下圖：</p><p>　　可見，主回路也可看作一個(gè)單回路系統(tǒng)。它的等效調(diào)節(jié)器是具有比例調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)器，等效比例帶為。</p><p>　　根據(jù)以上的分析，整定主回路時(shí)，用試驗(yàn)方

17、法求得對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，根據(jù)曲線的動(dòng)態(tài)特性選擇最優(yōu)的等效比例帶，求得相應(yīng)的。</p><p>　　由此可見，當(dāng)變送器的斜率已經(jīng)確定時(shí)，增大給水流量的靈敏度，等于增加主回路調(diào)節(jié)器的比例帶，因此使給水流量動(dòng)作緩慢，增加主回路穩(wěn)定性。同時(shí)，必須相應(yīng)增加調(diào)節(jié)</p><p>　　主回器比例帶以保證不變。</p><p>　　即

18、 </p><p>　　得 </p><p>　　在 附近用試湊法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定。</p><p>　　參數(shù)整定過程的數(shù)據(jù)表格為：</p><p>　　則選擇最佳的 為14。</p><p>　　則此時(shí)對(duì)應(yīng)的=0.95 對(duì)應(yīng)的 Kp=19

19、 Ki=10 =0.053 Ti=1.9</p><p>　　此時(shí)外回路參數(shù)整定的仿真圖像為：</p><p>　?。?）按無靜差要求，整定</p><p>　　根據(jù) ，得出 =0.95。</p><p>　　上述整定參數(shù)要經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)投試的檢驗(yàn)，如果在控制過程中主回路衰減率過高或過低，（觀察水位記錄曲線），應(yīng)改變給水量反饋裝置的參數(shù)值。當(dāng)主

20、回路衰減率偏低時(shí)，應(yīng)增加值；反之則減小值。在整定值的數(shù)值時(shí)，應(yīng)注意同時(shí)改變調(diào)節(jié)器的參數(shù)值，使/的比值保持不變，以保證內(nèi)回路能夠保持實(shí)驗(yàn)整定時(shí)所選定的穩(wěn)定性裕量。</p><p>　?。?）仿真曲線如下：</p><p>　　蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　給水流量W階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p&g

21、t;　　汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線:</p><p>　　設(shè)計(jì)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)（其中主副調(diào)節(jié)器分別采用PI和P調(diào)節(jié)），敘述控制系統(tǒng)整定過程；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分別給出在蒸汽流量D、給水流量W和汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線。</p><p>　　串級(jí)三沖量給水自動(dòng)控制原理框圖</p><p>　　串級(jí)三沖量Simulink組態(tài)圖：

22、</p><p>　　主調(diào)節(jié)器采用PI控制規(guī)律，其傳遞函數(shù)為 </p><p>　　副調(diào)節(jié)器位P控制規(guī)律，其傳遞函數(shù)為 </p><p>　　控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 </p><p>　　給水流量測(cè)量變送器和蒸汽流量測(cè)量變送器的斜率為 </p><p>　　水位測(cè)量變送器的斜率為 </p>

23、<p>　　執(zhí)行器和調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)的乘積為 </p><p>　　給水流量反饋裝置和蒸汽流量前饋裝置、均為比例環(huán)節(jié)，整定、、、、過程如下：內(nèi)外回路相對(duì)獨(dú)立，可分別整定。</p><p>　　（1）副回路的分析與整定</p><p>　　根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的分析與整定方法，應(yīng)將副回路處理為具有近似比例特性的快速隨動(dòng)系統(tǒng)，以使副回路具有快速消除內(nèi)擾及快速跟

24、蹤蒸汽流量的能力。一般取，選擇副回路調(diào)節(jié)器的比例帶，以保證內(nèi)回路不振蕩。</p><p>　　內(nèi)回路整定的Simulink組態(tài)圖為：</p><p>　　要求副回路有快速跟蹤的能力，外來控制信號(hào)改變時(shí)，調(diào)節(jié)器幾乎立即成比例地改變給水流量 W ，使, 即是:</p><p><b>　　或 </b></p><p>

25、;　　所以假設(shè)調(diào)節(jié)器給出給定值dV=1時(shí)，在給水量為單位階躍擾動(dòng)下，必有偏差e=0,算得 輸出W=13.3。</p><p><b>　　則有： 解得：</b></p><p>　　但此時(shí)比例增益太大，明顯影響到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性，所以規(guī)定偏差的范圍：令，即示波器輸出W=12，</p><p>　　即一

26、定有： 解得： </p><p>　　此時(shí)取，進(jìn)行仿真，可知示波器輸出結(jié)果符合要求。</p><p>　　整定結(jié)果：=1/24= 0.042 =1</p><p>　　整定后響應(yīng)曲線如下：</p><p>　　滿足快速消除內(nèi)擾要求。</p><p>　?。?）主回路的分析與整定</p>&

27、lt;p>　　在主回路中，如果把副回路等效成比例環(huán)節(jié)，則主回路等效方框圖如下圖所示。這時(shí)，主回路等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)。如果把給水流量W作為被控對(duì)象的輸入信號(hào)，水位變送單元的輸出作為輸出信號(hào)，則可以把主調(diào)節(jié)器與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)主回路等效圖</p><p>　　可見，等效主調(diào)節(jié)器仍然是比例積分調(diào)節(jié)器，但等效的比

28、例帶為：,式中為主調(diào)節(jié)器的比例帶,等效主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間就是主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T。</p><p>　　主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定，通過實(shí)驗(yàn)法求取主回路被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，并由曲線上求得和，再按響應(yīng)曲線整定法中給出的公式計(jì)算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為</p><p><b>　　則主調(diào)節(jié)器的參數(shù)為</b></p><p><b&

29、gt;　　則主調(diào)節(jié)器參數(shù)為</b></p><p><b>　　s</b></p><p>　　在求得的主調(diào)節(jié)器參數(shù)附近，用試湊法根據(jù)曲線的動(dòng)態(tài)特性選擇最優(yōu)的等效比例帶和積分時(shí)間Ti。</p><p>　　進(jìn)一步修正得 , </p><p>　?。?）蒸汽流量前饋裝置的傳遞函數(shù)的選擇</p>

30、<p>　　在串級(jí)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(hào)等于給水流量信號(hào)，所以前饋裝置的傳遞函數(shù)選擇將不受靜態(tài)特性無差條件的限制。而根據(jù)鍋爐“虛假水位”的嚴(yán)重情況來確定，從而改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)控制過程的質(zhì)量。一般蒸汽流量信號(hào)大于給水流量信號(hào)，即 ， K 應(yīng)當(dāng)為在靜態(tài)下： 。</p><p>　　又因?yàn)?K>1,一般K=

31、2，則 </p><p>　?。?） 仿真曲線如下：</p><p>　　蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　給水流量W階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　單級(jí)與串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)比較：</p&

32、gt;<p><b>　　整定方面：</b></p><p>　　單級(jí)：內(nèi)外回路相互影響，兼顧內(nèi)外回路；</p><p>　　串級(jí)：整定回路相對(duì)獨(dú)立，容易整定。</p><p>　　在單級(jí)/串級(jí)中的作用不同：</p><p>　　單級(jí)中的等效比例帶；串級(jí)中可為=1</p><p>　

33、　3）靜態(tài)配合時(shí)：?jiǎn)渭?jí)需要考慮；串級(jí)不要考慮。</p><p>　　4）串級(jí)可附加前饋沖量,汽機(jī)甩負(fù)荷，鍋爐仍要維持低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，H要保持給定值，串級(jí)調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)。</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)總結(jié)</b></p><p>　　（1）本次實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)對(duì)象是汽包水位。分別采用了單級(jí)和串級(jí)兩種形式的三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過復(fù)習(xí)課本及參考相關(guān)書籍，我進(jìn)

34、一步掌握了過程控制課程的主要內(nèi)容，并深入理解過程控制系統(tǒng)。同時(shí)，了解到實(shí)現(xiàn)給水全程控制的關(guān)鍵技術(shù)以及單元制鍋爐給水全程控制方案。而且對(duì)控制系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的整定方法有了更加深刻的了解。</p><p>　　（2）什么是三沖量？所謂三沖量，指的是引入了三個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位、給水流量和蒸汽流量。什么是虛假水位現(xiàn)象？在負(fù)荷階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)水位不但不下降，反而明顯上升的反常現(xiàn)象通常稱為“虛假水位”現(xiàn)象</p

35、><p>　　（3）在串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)里，要求副環(huán)采用比例調(diào)節(jié)。理論上是比例帶取得越小越好，但考慮到其在范圍內(nèi)變化時(shí)，帶來得影響很小，從可實(shí)現(xiàn)性角度出發(fā)取0.83即可。在外環(huán)整定過程中，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的，T=99s。試湊時(shí)發(fā)現(xiàn)T太小，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)散。故調(diào)小到144.6s。這時(shí)也可以調(diào)小比例帶，但這樣做會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，在同樣時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到穩(wěn)定。</p><p>　?。?）在單級(jí)三沖量調(diào)

36、節(jié)系統(tǒng)中，在整定外回路時(shí)，外回路等效比例帶不能取太大，否則響應(yīng)曲線振蕩太劇烈，太小則響應(yīng)曲線響應(yīng)太慢。主回路和前饋通路的參數(shù)主要通過經(jīng)驗(yàn)公式求得。然后將所有參數(shù)代入系統(tǒng)中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)，是系統(tǒng)運(yùn)行后的曲線滿足要求?？偟膩碚f，在設(shè)計(jì)的過程中參數(shù)是通過：試湊—經(jīng)驗(yàn)公式—試湊得出，所以由于某些原因及不可避免的誤差使調(diào)節(jié)的參數(shù)有可能不是最佳的參數(shù)。</p><p><b>　　心得體會(huì)</b&

37、gt;</p><p>　　通過本次實(shí)驗(yàn)，我們加深了對(duì)課堂上所學(xué)理論知識(shí)的理解和認(rèn)識(shí)，對(duì)過程控制這門課的整體脈絡(luò)有了全面的認(rèn)識(shí)，尤其是三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法。而且，本次課設(shè)使我們熟練掌握了Simulink的使用。</p><p>　　在本次課程設(shè)計(jì)中，我們遇到了很多困難，例如對(duì)于性能指標(biāo)優(yōu)劣的把握，標(biāo)準(zhǔn)難以明確；可選擇的數(shù)據(jù)和資料過于多樣，選擇比較困難；試湊的步長(zhǎng)與范圍需多次實(shí)驗(yàn)

38、確定；對(duì)于Matlab中Simulink的使用，我們查了大量的資料，進(jìn)行了相關(guān)學(xué)習(xí)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 金以慧 《過程控制》 清華大學(xué)出版社 1993年4月 第一版</p><p>　　[2] 李遵基 《熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)》 中國電力出版社 1997年10月 第一版</p>&

39、lt;p>　　[3] 邊立秀 《熱工控制系統(tǒng)》 中國電力出版社 2002年1月 第一版</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　單級(jí)三沖量Simulink組態(tài)圖：</p><p>　　蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　給水流量W階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：&l

40、t;/p><p>　　汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線:</p><p>　　串級(jí)三沖量Simulink組態(tài)圖：</p><p>　　蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　給水流量W階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：</p><p>　　汽包水位設(shè)定值階躍擾動(dòng)下汽包水位H的響應(yīng)曲線：&l