杭电自动化短学期实验报告-控制系统仿真-三冲量部分.docVIP

控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真 一 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 二 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏。过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，。锅炉 锅炉汽水系统图 在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图2所示。图中LC表示水位控制器（主回路），FC表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。 图2.2 三冲量调节系统图 锅炉水位的三冲量调节系统是一种前馈-串级符合调节系统，调节系统框图如图3所示，其中G3为给水系统传递函数，a1、a2、a3分别为汽包液位传感器、给水流量传感器及蒸汽流量传感器转换系数。 图2.3 三冲量调节系统框图 在仿真实验中，以200t/H蒸汽锅炉汽包水位控制为例，参数设置如下：K1=0.037T1=30，K2=3.6，T2=15，Kf=0.037，G3=20 ,a1=0.033,a2=a3=0.0173。 三 设计内容 1.掌握汽包水位的单冲量、双冲量及三冲量控制的原理及优缺点； 单冲量: 以汽包水位为唯一控制信号，它是典型的单回路调节系统。它结构简单，适用于小型锅炉 ，但无法克服假水位现象。 双冲量： 被调参数水位的信号，从系统输出端返回到输入端，构成了反馈回路蒸汽流量的引入是使调节阀按此干扰量进行补偿校正，是前馈作用，而其他方面的干扰由反馈回路克服。它克服了假水位现象；但调节阀的工作特性不一定能成为线性特性，要做到静态补偿比较困难，而且对于给水系统的干扰仍旧不能克服。 三冲量： 引入给水流量信号，水位是主信号，蒸汽，给水为辅助冲量，这种方案是前馈-串级复合调节系统。它适合于汽包水位要求严格或变化频繁、虚假水位严重的系统；在拥有双冲量调节优点的同时可以克服给水系统的干扰；但系统的结构相对比较复杂；对于参数的整定比较复杂； 2.利用Matlab实现汽包水位的三冲量控制仿真； 3.完成对锅炉水位三冲量控制系统的参数整定，要求超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好； 主回路PID参数设置如下： 副回路PID参数设置如下： 4.分析:(1)蒸汽扰动下的汽包水位动态特性;(2)不同扰动下系统的调节性能：a.蒸汽流量发生扰动时的调节性能；b.给水压力（流量）发生扰动时的调节性能。画出Matlab仿真曲线，给出调节系统的暂态及稳态性能。 如图所示，t=550s时加入给水流量25%内扰，在1200s时加入水位25%干扰，1600s加入蒸汽流量25%外扰。效果显示，以上三冲量控制方法和相应参