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1、内蒙古科技大学本科生课程设计论文题 目：锅炉汽包水位控制系统仿真设计学生姓名：XXX学 号：12专 业：测控技术与仪器班 级：2012-1指导教师：XXX课程名称控制系统仿真设计题目锅炉汽包水位控制系统仿真指导教师XXX时间一、教学要求1、理解锅炉汽包水位控制系统的组成及的工作原理；2、掌握使用fat lab/Simulin软件对控制系统的建模与仿真的方法；3、掌握控制器的设计方法，以及控制器参数整定和优化的方法。二、设计资料及参数设计资料详见过程控制系统的tlab仿真（刘文定主编）节。本设计涉及到的控制原理、过程控制系统等内容参考相关专业课教学内容。设计参数：见过程控制系统的tlab仿真（刘
2、文定主编）节。三、设计要求及成果1、利用Simulink建立锅炉汽包水位三冲量控制系统的仿真模型，3采不同的控制方案。2、设计以上系统中控制器的参数，观察仿真结果，比较各种参数下的系统响应曲线，内容验证仿 确性，比较不同方案的优劣3、撰写不少于000字的设计报告。，要求给设计报告要求提交纸质文档，设计报告包括设计背景、设计原理、设计过程、结果分析等几个部1 出设计模型图以及仿真结果图。相关lab/Simulin设计文件要求提交电子文档。四、进度安排收集和查阅资料（一天）Matl ab/Simulin建 模（两天）控制系统设计与优化（一天）编写技术设计书（一天）五、评分标准课程设计成绩评定依据包
3、括以下几点）:工作态度（占0%）； 2）基本技能的掌握程度（占%）； 3）方案的设计是否可行和优化0%）； 4）课程设计技术设计书编写水占 30%）。分为优、良、中、合格、等级。考核方式：设计期间教师现场检查；评阅设计报告六、建议参考资料1、控制系统数字仿真与AD，李国勇，电子工业出版社2011年1月第2版2、过程控制系统的at lab仿真，刘文定，机械工业出版社2009年2月第1版目录第1章概述 -0-锅炉汽包水位控制概述 错误!未定义书签。锅炉汽包水位控制系统分析 -2-仿真软件功能概述 -2-第2章总体方案设计 -2-汽包水位控制方式 -2-单冲量控制方式 4双冲量控制方式 4三冲量控制
4、方式 6汽包水位控制规律 -6-调节规律选择 4调节器正反方式的选择 4第 3 章 simulink 建模7 第4章 simulink仿真与优化设计7 第5章总结 9 参考文献第 1 章 概述锅炉汽包水位控制概述锅炉是火电厂重要的动力设备，其任务就是根据生产负荷的不同需求，提供相 应规格（压力和温度）的蒸汽，同时应保证锅炉经济和安全的进行。锅炉的主要的控 制要求主要包括供给满足负荷需求的蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范围内、过热 蒸汽温度保持在一定范围内、汽包水位保持在一定范围之内、炉膛负压保持在一定范 围之内、保持锅炉燃烧的经济性、保证锅炉安全稳定运行。汽包水位控制的任务是使锅炉给水量始终跟
5、着蒸发量，维持汽包水位在锅炉生 产允许的范围内。汽包及蒸发管储存着蒸汽和水，储存量的多少，是以被控制量水位 表征的，通常情况下汽包的流入量是给水量，流出量是蒸汽量，当给水量等于蒸汽量 时，汽包水位就恒定不变。引起水位变化的主要扰动式蒸汽流量和给水量的变化。当 蒸汽流量突然增大，汽包压力将急剧下降，饱和水将快速蒸发，使得饱和水中产生大 量的汽包致使水位上升，而此时给水量并没有增加。这就是锅炉的“虚假水位”现象， 此时的水位并不能代表锅炉中水位真实情况。因此，我们有必要对汽包的水位进行控 制，将其严格控制在规定的范围内。锅炉汽包水位控制系统分析锅炉是火电厂重要的动力设备，其任务就是根据生产负荷的不
6、同需求，提供相应 规格（压力和温度）的蒸汽，同时应保证锅炉经济和安全的进行。锅炉的主要的控制 要求主要包括供给满足负荷需求的蒸汽量、过热蒸汽压力保持在一定范围内、过热蒸 汽温度保持在一定范围内、汽包水位保持在一定范围之内、炉膛负压保持在一定范围 之内、保持锅炉燃烧的经济性、保证锅炉安全稳定运行。其中锅炉汽包是锅炉运行的重要指标，本次设计是针对锅炉汽包水位控制的设 计，维持汽包水位在一定的范围之内是保证锅炉安全正常运行的首要条件。如果水位 过高则会影响汽包内的汽水分离，出现蒸汽带液的现象，这会使过热器管壁结垢，并 使过热蒸汽温度急剧下降，如以该过热蒸汽作为汽轮机动力，将会损坏汽轮机叶片， 影响安
7、全运行；相反如果水位过低，则当负荷很大时，水将加快汽化速度，此时，如 不及时补水，则会导致汽包内的水全部汽化，烧毁水冷壁甚至引起爆管事故。因此必 须对汽包水位进行严格控制。锅炉汽包水位特性：影响汽包水位变化的因素很多，但主要是锅炉蒸发量（蒸汽 流量D）、给水流量W和燃料B,下面重点介绍在给水流量和蒸汽流量的扰动下汽包水位 变化的动态特性。Q汽包水位在给水流量W作用下的动态特性 图是锅炉汽包水位在给水流量作用下，水位的阶跃响应曲线。把汽包水位看作单容量 无自衡过程，水位的阶跃响应曲线如图中的线。图 给水流量作用下水位阶跃响应但是考虑到给水温度低于汽包内的饱和水温度，所以当给水进入汽包后就会吸收
8、原有饱和水中的一部分热量，水面以下的汽包总体积就相应减少，从而导致水位下降， 固水位的实际响应曲线是曲线H。由以上分析可知，当给水流量扰动做阶跃变化时，汽包水位起初并不立即上升， 而是呈现出一段起始惯性段，这近似一个积分环节和时滞环节的串联，可以用一个传 递函数来表示，故水位的动态特性1可表示为：(1-1)H (s)k=-o e-stW (s)s式中，k o表示给水流量做单位变化时水位的变化速度；t表示延迟时间，对非沸腾式 省煤器的锅炉，t 这时为30-100 S；对于沸腾式省煤器的锅炉，t 为100-200 S； 给水温度越低，时滞t 亦越大。汽包水位在蒸汽流量D作用下的动态特性在蒸汽流量D
9、扰动作用下，水位的阶跃响应曲线如图所示。当蒸汽流量突然增加 时，改变了汽包内的物料平衡关系，蒸汽量大于给水量，因此水位下降，如图中曲线 H1,但实际并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬间导致汽包压力的下降。汽包内水的沸 腾突然加剧，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容积增加而使水位变化的曲线如图中的线。 因此，实际的水位曲线为+，即为图中的。从图中可以看出，当蒸汽负荷增加时，水 位不仅不下降反而上升，然后再下降（反之，蒸汽流量突然减少时，则水位先下降， 然后再上升），这种现象称之为虚假水位。所以当蒸汽流量扰动时，水位变化的动态 特性1可表示为:(1-2)H (s)f k=f +2D (s)s T S +12
10、式中，一响应速度，即蒸汽流量变化单位流量时，水位的变化速度，单位为毫米/秒或(吨/小时)；-响应曲线的放大系数；-响应曲线的时间常数图蒸汽流量扰动下水位阶跃响应虚假水位现象属于反向特性，其变化的幅度不仅与蒸汽量有关，还与锅炉的气压 有关，这会给汽包水位控制带来一定的难度，设计控制方案时必须重点考虑。仿真软件功能概述Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合 分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单直观的鼠标操 作，就可构造出复杂的系统。Simulink具有适应面广、结构和流程清晰及仿真精细、 贴近实际、效率高、灵活等优点，并基于以上
11、优点Simulink已被广泛应用于控制理 论和数字信号处理的复杂仿真和设计。同时有大量的第三方软件和硬件可应用于或被 要求应用于Simulink。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的 采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样 速率。为了创建动态系统模型， Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户接 口(GUI)，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、 直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。第2章总体方案设计汽包水位控制方式结合锅炉汽包水位控制系统的动态特性可知，要想让锅炉汽包水位维持在
12、一定的 范围内，必须克服虚假水位和给水流量对汽包水位的影响，所以在设计锅炉汽包水位 控制系统时，必须考虑给水流量、蒸汽流量以及汽包液位等三个冲量的控制。根据控 制系统输入变量的多少，可将锅炉汽包水位控制系统分为单冲量控制系统，双冲量控 制系统，三冲量控制系统。单冲量控制方式在锅炉汽包生产蒸汽的过程中，汽包水位对蒸汽的产量、质量、安全生产、经济 运行和环境保护等具有决定性的作用并且可直接测量，所以选择水位作为锅炉汽包水 位控制系统的被控参数来设计一个单回路控制系统。其设计的仪表圆圈图和系统方框图如图所示。它是汽包水位自动调节中最简单、最基本的一种形式。这种方式将液位测量信号 经变送器送到液位调节
13、器，液位调节器根据液位测量值与给定值的偏差去控制调节阀 的阀门开度，改变给水量来保持汽包水位在允许的操作范围内。这种控制方式，结构 简单，适用于汽包容量较大，负荷变化小且虚假水位现象不太严重的小型锅炉。但是， 它克服给水自发性干扰和负荷干扰的能力差，当负荷突然大幅度的变化时，锅炉汽包 会产生虚假水位的现象，会使调节阀产生误动作。所以为确保生产安全，实际工业中 往往不采用这种方法。汽 包省 煤 器图锅炉汽包水位单冲量控制系统双冲量控制方式在汽包水位的控制中，虚假水位现象是控制系统必须克服，而引起虚假水位现象 的主要干扰量为负荷蒸汽流量，所以引入蒸汽流量作为系统的校正信号，就可以有效 地纠正由虚假
14、水为引起的误动作，从而减少水位的波动，提高控制品质。所以选取汽包水位为被控变量，蒸汽流量为干扰量，给水量作为操纵变量来设计一个双冲量控制系统。其设计的仪表圆圈图和系统方框图如图所示。DPFC2GdGcG1GvPdWCOGplfGp2GmGm1图锅炉汽包双冲量控制系统如图所示，LY为加法器，LC为液位控制器，其输出为:P = CP 士CP +C1 C2 F 0(2-1)式中：P为液位控制器的输出；P为蒸汽流量(一般经开放器)的输出；C为初始值CF0偏置值；C，C为加法器系数。其中由于C1是与调节器放大倍数的乘积，相当于简 12单调节系统中的调节器放大倍数的作用，一般取C1l。即假设给水阀的流量特
15、性具有线性特性，可用K表示，即VK 二 AWV AI(2-3)(2-4)式中，为阀门输入信号的变化量。检测变送环节的增益Km可由式2-5来计算。“ dI Z - ZdD Dmax2-5)式中Zmax-Zmin为蒸汽流量变送器的最大变化范围，Dmax为蒸汽流量变送器量程。结合(2-2) (2-3) (2-4) (2-5)，得加法器系数C2为aDmax (Z- Z ) Kmax min v2-6)初始值C是一个恒定值，设置C的目的是在正常负荷下，使调节器和加法器的输出00都能有一个比较适中的值。在正常负荷下C值与CP项恰好抵消。0 2 F加法器进行加法运算还是减法运算，要根据调节阀的特性是气开阀还
