过程控制课程设计报告汽包锅炉给水控制

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一． 基本任务和要求

任务：1.维持汽包水位在一定的范围内。 2.维持稳定的给水量。

要求： 1.了解实现给水全程控制的关键技术；

2. 能够进行汽包锅炉给水控制系统的设计、仿真与工程实现(画出SAMA图)。

二．给水控制对象的动态特性

给水量扰动下水位变化的动态特性 ：

蒸汽流量扰动下水位的动态特性：

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炉膛热负荷扰动下水位变化的动态特性：

三． 设计内容和要求

1.了解实现给水全程控制的关键技术 2.了解单元制锅炉给水全程控制方案

某汽包锅炉，根据给水流量W做单位阶跃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知

H(s)sWhW(s)0.037

s(30s1) 根据蒸汽流量D做单位阶跃扰动时的汽包水位H的响应曲线可知

H(s)sWdD(s)3.60.037-

15s1s已知：给水流量测量变送器的传递函数为 w0.014（mAt） h） h 蒸汽流量测量变送器的传递函数为 D0.014（mAt3mA 水位测量变送器的传递函数为 H0.03（ 执行器系数为：Kz=10(%）

mm） %mA)；阀门放大系数为：Kf=6.4（t

3.设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI调节），叙述控制系统整定过程对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线。

4.设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；

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5.对比分析单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统。

四． 设计正文

1. 设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI调节），叙述控制系统整定过程对系

统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线。

单级三冲量控制系统原理图：

DD

WD(s) WT(s)KfKzWh(s)

ww

H

PID图：

Gain40.893Gain50.014Step2Transfer Fcn13.045s-0.037215s +sPID(s)StepAddPID Controller110Gain6.4Gain60.037230s +sTransfer FcnAdd1ScopeStep1Gain20.8930.014Gain1Scope10.033Gain3

SAMA图附后

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系统整定过程：

调节器使用比例积分控制规律，其传递函数为WTsKp1Ts，且给水流量反馈

1i装置和蒸汽流量前馈装置w，D均为比例环节，整定Kp、Ti、w、D，得到满意曲线即可得到较为合适的PI控制器。

（1）内回路的整定 内回路的方框图如下：

Gcs Kz Kf w w

PID图：

如果把调节器、分压系数以外的环节看作是调节对象，那么广义调节对象：

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*WD内s=VGsKfKzKG

VTs是一个近似的比例环节，因此调节器的比例带和积分时间都可以取得很小，他们的具体值可以通过试凑法来决定，以保证内回路不振荡为目的。一般取积分时间Ti10s，试探过程中，可将w设为1，调节比例带的值。

整定过后的参数：w1, Kp6,/w=1/6 , Ti3 ,Kp/Ti2 整定后的阶跃响应曲线：

（2）外回路的整定 外回路等效方框图如下

PID图：

H2 1wwWh (s) H1 H H 6

Step10.0125SubtractTransfer Fcn0.037230s +sTransfer Fcn1AddScope0.033Gain

在整定外回路时保证w与比例带的比值不变，以保证内外回路的稳定性。用试凑法，得到ww=0.0125时，调节过程最佳，整定后响应曲线如下：

当w确定后，调整Kp，使ww不变，保持内回路整定效果；所以w=0.893，w=0.014，

Kpw=6，Kp=6.719

前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以独立考虑，一般按静态特性进行整定：DDww，所以D=0.893

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对系统进行仿真，蒸汽流量D阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：

给水流量W阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：

汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：

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2. 设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系统

整定过程； 对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；

串级三冲量给水控制系统原理图：

PID图 ：

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Step1Gain50.014Gain6Transfer Fcn13.045s-0.03715s +s2PIDPID(s)106.40.03730s +s2Step1PID Controller2SubtractPID ControllerGainGain1Transfer Fcn2Step210.014Scope1Gain2Gain30.033Gain4SAMA图附后

1主调节器采用PI控制规律，其传递函数为WT1s1Ts； 副调节器采用P调节规律，其传递函数为W1T2；

2给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置w，D均为比例环节，整定1、2、T、w、D过程如下(一般取w=1)：

采用两步整定法，首先整定副环，主环、副环都闭合，主副调都为P调节器，主调1=100%，整定副调得到2s和Ts2(=0.9)

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Scope

PID(s)PID Controller1SubtractPID(s)PID Controller10Gain6.4Gain10.037230s +sTransfer Fcn2AddStep2Scope11Gain20.014Gain30.033Gain4

试凑结果为2s=1/8，整定后的阶跃曲线为:

下一步进行主环的整定，主环副环都闭合，主副调都为P调节器，副调2=2s，整定主调得到1s和Ts1（=0.9）

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PI(s)Step2PID Controller1SubtractP(s)PID Controller10Gain6.4Gain10.037230s +sTransfer Fcn2AddScope1Gain20.014Gain30.033Gain4

试凑结果为1s=0.9,整定后的阶跃曲线:

由图得，Ts1=68s

查表。求主副调参数，并修正。

11.21S1.08,Ti2Tr136s ,Ki10.00681，20.125,

TiK28 ,代入PID中。根据静态补偿原理得，D蒸汽流量D阶跃扰动对汽包水位的响应曲线

KwD1。仿真结果如下：

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给水流量W阶跃扰动对汽包水位的响应曲线

汽包水位设定值阶跃扰动对汽包水位的响应曲线

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3. 对比分析单级三冲量给水系统与串级三冲量给水控制系统。 （1）整定：串级：整定回路相对独立，容易整定； 单级：内外回路相互影响，兼顾内外回路。 （2）w在单级，串级中的作用不同；

w是单级中的等效比例带，在串级中可为w=1

（3）静态配合：单级需要需要考虑，串级不需要考虑。 （4）串级可附加前馈冲量。

（5）汽机甩负荷，锅炉仍要维持低负荷运行时，水位H要保持给定值，串级调节时间长

五． 思考题

1. 实现给水全程控制的关键技术是什么？

引入三冲量信号，即汽包水位H，蒸汽流量D，给水流量W。D信号为前馈信号，直接克服虚假水位现象，W信号为反馈信号，克服因给水阀自发扰动对H（t）影响，并保持稳定，可以增强调节过程的稳定性（使阀门动作不过调）。H信号为反馈信号，起校正作用，使汽包水位为给定值。从而保持锅炉水位保持在一定范围。 2.什么是三冲量？什么是虚假水位现象？

三冲量是指汽包水位H，蒸汽流量D，给水流量W。

虚假水位，即暂时不真实的水位。当汽包压力突然降低，由于炉水饱和温度下降到相对应压力下的饱和温度而放出大量热量用于蒸发，使炉内气泡增加，体积膨胀，水位上升，形成虚假水位。当汽包压力突然升高，则对应饱和温度提高，一部分热量被用于炉水加热，使蒸发量减小，炉内气泡减少，体积收缩，水位下降，亦形成虚假水位。 3.如何整定单级三冲量参数？ （1）根据快速消除内扰以及保证给水量稳定的要求，先采用试凑法，一般先设定αw=1，调节器积分时间Ti≤10，比例系数Kp≥3.

（2）按照给水扰动下的动态特性，整定外回路，得到等效比例带δ外 即αw，并在过程中保证δ/αw不变。

（3）最后根据无静差要求，整定D。即DD=ww。 4如何整定单串级三冲量参数？ （1） 一般取αw=1 （2） 整定内外回路按串级控制系统整定（内外回路相对独立）。

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六． 设计总结 七．参考文献

1. 《过程控制.》 金以慧 主编 清华大学出版社 2. 《热工自动控制系统》 李遵基 主编 中国电力出版社

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