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1、Dpro锅炉汽包水位前馈锅炉汽包水位前馈- -反馈控制反馈控制深入浅出过程控制深入浅出过程控制- -小锅带你学过控小锅带你学过控实实实实 验验验验 目目目目 的的的的v 掌握前馈控制系统的特点v 掌握前馈-反馈控制系统的结构与特点v 掌握锅炉汽包水位的双冲量控制2基基基基 础础础础 知知知知 识识识识3本 次 实 验 使 用Boiler工程，涉及到的内容是虚线圈起来的这一部分。基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v汽包汽包v经处理的软化水进入除氧器经处理的软化水进入除氧器V1101上部的除氧头，进行热力除氧。上部的除氧头，进行热力除氧。软化水在除氧器底部经由上水泵软化水在除氧器底部经由上水泵
2、P1101泵出，进入锅炉汽包。泵出，进入锅炉汽包。 锅锅炉上水流量为炉上水流量为FI1101，锅炉上水管线上设有调节阀，锅炉上水管线上设有调节阀FV1101，调节，调节阀有前、后阀以及旁路阀阀有前、后阀以及旁路阀HV1101。v锅炉上水流向省煤器，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管锅炉上水流向省煤器，燃料燃烧产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进间，与管内的锅炉上水换热，回收烟气中的余热并使锅炉上水进一步预热。一步预热。v被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包被烟气加热成饱和水的锅炉上水全部进入汽包V1102，再经过对，再经过对流管束和下降管进
3、入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变流管束和下降管进入锅炉水冷壁，吸收炉膛辐射热在水冷壁里变成汽水混合物，然后返回汽包成汽水混合物，然后返回汽包V1102进行汽水分离。进行汽水分离。v锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水锅炉上汽包为卧式圆筒形承压容器，内部装有给水分布槽、汽水分离器等，汽水分离是汽包的重要作用之一。分离器等，汽水分离是汽包的重要作用之一。v汽包汽包V1102顶部设放空阀顶部设放空阀XV1104，汽包压力为，汽包压力为PT1103。汽包中。汽包中部设水位检测点部设水位检测点LI1102。v分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛分离出的饱和蒸汽再次进入炉膛F1101进
4、行汽相升温，成为过热进行汽相升温，成为过热蒸汽，过热蒸汽流量为蒸汽，过热蒸汽流量为FI1105。 4基基基基 础础础础 知知知知 识识识识5 执行机构行机构说明明E开关开关阀说明明E检测仪表表说明明 手操手操阀说明明基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v 汽包水位的重要作用汽包水位是锅炉运行的重要指标，保证水位在一定范围内，是保证锅炉安全运行的首要条件。水位过高会影响汽包内的汽水分离，饱和水蒸汽将会带水过多，导致过热器管壁结垢并损坏，使过热蒸汽的温度严重下降。水位过低，使汽包内的水量变化速度很快，有可能汽包内的水将全部汽化，尤其对大型锅炉，水在汽包内的停留时间极短，从而导致水冷壁烧坏，甚至引
5、起爆炸。6基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v 汽包水位分类正常水位：标准线一般在汽包中心线下100150mm处，水位波动限制在标准水位上下50mm以内 报警水位：应采取紧急措施恢复正常水位。保护动作水位：保护装置动作，锅炉自动降低负荷直至机组停止运行。7汽包水位单冲量控制系统的设计汽包水位单冲量控制系统的设计汽包水位单冲量控制系统的设计汽包水位单冲量控制系统的设计8被控变量：汽包水位操纵变量：给水流量干扰变量：蒸汽流量控制器正反作用：反作用控制规律：比例-积分控制实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v打开锅炉工程。v确认FV1101为内控状态。v进行控制系统组态。设置数据采集点，采集汽
6、包水位LI1102实测值作控制器输入。PID控制器组态（见下页）。设置执行单元，阀门位号FV1101，数据输出类型为“绝对量”。进行信号连接。9实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤10实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v在趋势曲线画面添加所需曲线。v将阀门FV1105固定开度为30%，运行锅炉工程。v控制系统投运。LIC1102投运过程：在控制器手动状态下，不断修改控制器输出OP，观察控制器输入PV的变化（SP随之变化），当PV达到50%时，将控制器投自动11实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v施加扰动测试控制器性能。当LI1102稳定后，再将FV1105开度调回到30，等待LI11
7、02稳定。待系统稳定之后，手工将HV1101开度设置将LI1102设定值从50%变为60%，记录LI1102的响应曲线。待LI1102稳定后，将LI1102设定值从60%再变为50%，记录LI1102的响应曲线。稳定后，手工将FV1105开度设置为40，观察LI1102曲线的变化。待系统稳定之后，手工将HV1101开度设置为10，观察LI1102曲线的变化趋势。当LI1102稳定后，再将FV1105开度调回到0，等待LI1102稳定。12实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v单冲量控制扰动测试13基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v 汽包水位控制的任务使给水量和锅炉蒸发量相平衡，使锅炉汽
8、包水位维持在工艺规定的范围内。v 影响汽包水位的因素给水流量的调节蒸汽负荷变化的干扰燃料量变化的干扰14基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v给水流量对水位调节的动态特性给水流量对水位调节的动态特性v当突然加大给水量，给水量立即大于蒸发量，水位并当突然加大给水量，给水量立即大于蒸发量，水位并不立即上升，而是出现一段起始惯性段。不立即上升，而是出现一段起始惯性段。v因为大量低温水进入系统，吸收一部分热量，使得蒸因为大量低温水进入系统，吸收一部分热量，使得蒸发强度减弱，进水先要填补气泡减少让出的空间，直发强度减弱，进水先要填补气泡减少让出的空间，直至水位下的气泡容积变化平稳之后，水位才随着进水至
9、水位下的气泡容积变化平稳之后，水位才随着进水量的增加而上升。量的增加而上升。v起始惯性段的纯滞后时间约为起始惯性段的纯滞后时间约为15100s，水温越低纯，水温越低纯滞后时间越长。滞后时间越长。15基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位干扰的动态特性蒸汽负荷（蒸汽流量）对水位干扰的动态特性v当蒸汽流量突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅当蒸汽流量突然增加，在燃料量不变的情况下，从锅炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位变炉的物料平衡关系来看，蒸汽量大于给水量，水位变化应如图中曲线化应如图中曲线H1所示。但实际情况并非如此。所示。但实际情况并非如此。v由于蒸汽用
10、量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。由于蒸汽用量突然增加，瞬间必导致汽包压力下降。汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增汽包内水沸腾突然加剧，产生闪蒸，水中气泡迅速增加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图中的加，因气泡容积增加，而使水位变化的曲线如图中的H2。v而实际显示的水位响应曲线而实际显示的水位响应曲线H为为H1与与H2的叠加，即的叠加，即H= H1+ H2。v从图中可以看出：当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水从图中可以看出：当蒸汽量加大时，虽然锅炉的给水量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅量小于蒸发量，但在一开始，水位不仅不下降反而迅速上升，然后再下降；反之，蒸汽流量
11、突然减少时，速上升，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。这种现象称之为则水位先下降，然后再上升。这种现象称之为“虚假水虚假水位位”。v虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有虚假水位的变化大小与锅炉的工作压力和蒸发量等有关。对于一般关。对于一般100t/h300t/h的中高压锅炉，当负荷变的中高压锅炉，当负荷变化化10%时，虚假水位可达时，虚假水位可达3040mm。虚假水位现象属。虚假水位现象属于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设于反向特性，给控制带来一定的困难，在控制方案设计时，必须引起注意。计时，必须引起注意。16基基基基 础础础础 知知知知 识
12、识识识v燃料量对水位干扰的动态特性燃料量对水位干扰的动态特性v如果燃料量增加，水冷壁吸热增多，产汽量增大，水如果燃料量增加，水冷壁吸热增多，产汽量增大，水位以下汽容积增大，水位会上升。位以下汽容积增大，水位会上升。v但是由于汽包和水循环系统中有大量的水，汽包和水但是由于汽包和水循环系统中有大量的水，汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定的热冷壁金属管道也会储存大量的热量，因此有一定的热惯性，燃料量的增加只能使产气量缓慢增加，因此燃惯性，燃料量的增加只能使产气量缓慢增加，因此燃料量扰动下的水位变化要比蒸汽负荷扰动下的水位变料量扰动下的水位变化要比蒸汽负荷扰动下的水位变化缓和得多。化缓
13、和得多。17基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v对于小型锅炉对于小型锅炉v小型锅炉的汽包内，水的停留时间长、负荷变化小，小型锅炉的汽包内，水的停留时间长、负荷变化小，虚假水位现象不明显，单冲量控制系统可以保证锅炉虚假水位现象不明显，单冲量控制系统可以保证锅炉的安全运行。的安全运行。v对于大型超高压（接近临界压力）锅炉对于大型超高压（接近临界压力）锅炉v因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，虚假水位因为在超高压下，汽和水的密度相差不大，虚假水位现象并不显著，也可以采用单冲量控制。现象并不显著，也可以采用单冲量控制。v对于大量的大、中型锅炉对于大量的大、中型锅炉v单冲量控制不能满足要求。单冲量
14、控制不能满足要求。v因为蒸汽负荷的改变所产生的假水位将引起给水调节因为蒸汽负荷的改变所产生的假水位将引起给水调节机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重机构的误动作，致使汽包水位激烈地上下波动，严重影响设备的寿命和安全。影响设备的寿命和安全。18基基基基 础础础础 知知知知 识识识识v 单冲量控制系统的不足当负荷变化产生虚假水位时，将使控制器反向错误动作对负荷变化不灵敏对给水干扰不能及时克服19前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v认识前馈控制前馈控制是一种开环控制，它直接按照干扰量的变化，来补偿干扰量对被控变量的影响，从而达到被控变量完全不受干扰量影响的控制
15、方式。20前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v理想的过程控制要求被控变量在过程特性呈现大滞后理想的过程控制要求被控变量在过程特性呈现大滞后（包括容量滞后和纯滞后）和多干扰的情况下，持续（包括容量滞后和纯滞后）和多干扰的情况下，持续保持在工艺所要求的数值上。可是，反馈控制永远不保持在工艺所要求的数值上。可是，反馈控制永远不能实现这种理想控制。这是因为，反馈控制总是要在能实现这种理想控制。这是因为，反馈控制总是要在干扰已经形成影响，被控变量偏离设定值以后才产生干扰已经形成影响，被控变量偏离设定值以后才产生作用，控制作用总是不及时。特别是干扰频繁、对象作用，控制作用总是
16、不及时。特别是干扰频繁、对象有较大滞后时，控制质量较差。有较大滞后时，控制质量较差。v比如：蒸汽流量是汽包水位的主要干扰量，可通过蒸比如：蒸汽流量是汽包水位的主要干扰量，可通过蒸汽流量测量，通过前馈控制装置，直接用蒸汽流量控汽流量测量，通过前馈控制装置，直接用蒸汽流量控制上水阀，来调节汽包水位。当蒸汽流量变化时，它制上水阀，来调节汽包水位。当蒸汽流量变化时，它将对汽包水位有直接影响。但是，通过前馈作用，蒸将对汽包水位有直接影响。但是，通过前馈作用，蒸汽流量还将指挥给水阀动作，利用锅炉给水抵消蒸汽汽流量还将指挥给水阀动作，利用锅炉给水抵消蒸汽流量对汽包水位的影响。流量对汽包水位的影响。21前馈控
17、制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识22蒸汽流量变化时，将对汽包水位有直接影响蒸汽流量的大小送入前馈控制器，控制给水阀动作，使得锅炉给水流量发生变化，补偿蒸汽流量变化对汽包水位的影响前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v干扰到输出（被控变量）之间存在两个传递通道：干干扰到输出（被控变量）之间存在两个传递通道：干扰通道和控制通道。扰通道和控制通道。v控制作用和干扰作用对输出量的影响相反，这样就有控制作用和干扰作用对输出量的影响相反，这样就有可能使得控制作用抵消掉干扰对输出的影响，使得被可能使得控制作用抵消掉干扰对输出的影响，使得被控变量不随干扰的
18、变化而变化。控变量不随干扰的变化而变化。23前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v前馈控制的特点前馈控制属于开环控制系统前馈控制是一种按干扰大小进行补偿的控制前馈控制使用的是视对象特性而定的“专用”控制器一种前馈控制作用只能克服一种干扰前馈控制只能抑制可测不可控的干扰对被控变量的影响24前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v前馈控制的缺点实际生产过程，对被控变量的干扰很多，不可能针对每一个干扰设计和应用一套前馈控制系统对于不可测的干扰无法实施前馈控制决定前馈控制器控制规律的是过程动态特性，而动态特性很难实现25前馈控制系统知识前馈控制系统
19、知识前馈控制系统知识前馈控制系统知识v前馈控制的分类动态前馈控制：力求任何时刻都实现对干扰的补偿静态前馈控制：只需在稳定工况下实现对干扰量的补偿，控制规律采用比例特性，实施方便。26前馈前馈前馈前馈- - - -反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识v前馈-反馈控制系统的好处利用前馈控制有效地减少干扰对被控变量的动态影响 利用反馈控制使被控变量稳定在设定值上，保证了系统较高的控制质量 27前馈前馈前馈前馈- - - -反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识v前馈控制器参数整定 前馈控制器参数整定也就是对控制器的比例系数Kf进行整定。开环整定法
20、：将反馈回路断开，使系统处于单纯的静态前馈状态下。施加干扰，将Kf值由小逐步变大，直到被控变量回到给定值，此时对应的Kf值为最佳整定值。闭环整定法：分为在反馈系统运行下整定Kf和在前馈-反馈系统运行下整定Kf。 28前馈前馈前馈前馈- - - -反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识反馈控制系统知识v前馈控制器参数整定在反馈系统下整定Kf的方法：系统在反馈状态下运行首先整定反馈控制回路，达到4:1衰减比。待系统稳定后，记录干扰量变送器的输出电流ID0和反馈控制器的输出稳定值IC0。 对干扰量施加一个增量，等反馈系统被控变量重新回到给定值时，再记下干扰量变送器的输出电流ID以及反馈控制
21、器的输出稳定值IC。则前馈控制器的静态放大系数为：29汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计30双冲量控制系统：冲量1：汽包水位冲量2：蒸汽流量被控变量：汽包水位操作变量：给水流量主要干扰：蒸汽流量汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计31v双冲量控制系统：将蒸汽流量（蒸汽负荷）的变化作为一个冲量引入系统，使系统能按负荷变化来进行校正，比只按水位进行调整要及时得多，假液位现象对汽包水位影响可以得到有效抑制。被控变量汽包水位的信号，由系统输出端返回输
22、入端，构成反馈回路引入蒸汽流量，对调节阀按蒸汽流量变化的干扰量进行校正，具有前馈作用前馈作用对其它干扰无克服能力，其它干扰由反馈回路抑制汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计汽包水位双冲量控制系统的设计32v双冲量控制系统方块图 该双冲量控制系统是一个前馈-反馈控制系统。实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v复制锅炉工程，重新打开。v进行控制系统组态。组态画面中已经存在一个LI1102的单回路控制系统 ,添加一个数据采集点，配置位号FI1105；一个乘法器和一个加法器。 确定加法器符号。连接信号组成前馈-反馈控制系统 。33实实实实 验验验验 步
23、步步步 骤骤骤骤v将阀门FV1105固定开度为30 ，让锅炉工程运行起来。 v前馈-反馈控制系统的参数整定。暂停工程，断开前馈控制器。反馈控制器参数整定：设置LIC1102状态为手动，不断修改OP的值，观察SP和PV的值。当其值达到50%左右时，将控制器状态设置为自动。按照单回路控制PID参数的整定方法，对控制器LIC1102进行参数整定。34实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v前馈-反馈控制系统的参数整定。前馈控制器参数整定：35实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v前馈-反馈控制系统的参数整定。前馈控制器参数整定：在系统稳定运行时，记录FI1105的值和FV1101的值。将FV110
24、5开度增大至40，等LIC1102在该干扰增量作用下将LI1102重新调回50%时，再次记录FI1105的值和FV1101的值。计算前馈控制器的静态放大系数Kf=(IC-IC0)/(ID-ID0)。计算I0= -Kf IF，IF为正常时FI1105的值，即ID0。36实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v前馈-反馈控制系统的参数整定。配置加法器和乘法器的参数，将前馈加入到控制系统中。37实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v前馈-反馈控制系统投运。将控制器LIC1102置手动，确认FV1105开度为30。 确认乘法器的U10管脚设置为2.3，加法器的U30管脚设置为-24.6192。待汽包
25、水位LI1102稳定后，将控制器LIC1102投自动，将设定值设置为50%。v控制效果测试前馈控制效果测试：将LIC1102置手动，取消反馈回路的控制作用。38实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤将过热蒸汽出口管线阀FV1105开度由30变为40，待系统稳定后，再由40变为30。观察LI1102的响应情况。39实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤将汽包上水流量调节阀的旁路阀HV1101开度由0变为20，经过一段时间后，再由20变为0。观察LI1102的响应情况。40实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤前馈-反馈控制效果测试：将LIC1102投自动，将LI1102的SP设定为50%。待系统
26、稳定后，将FV1105的开度由30变为40，待LI1102稳定后，再将FV1105的开度由40变为30，观察LI1102的响应情况。待LI1102稳定后，将HV1101的开度由0变为20，待系统稳定后，再由20变为0。观察LI1102的响应情况。41实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤前馈-反馈控制效果测试42实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v对FV1105施加不同的干扰量，测试控制效果。将LIC1102置手动，使系统工作在前馈控制状态。将FV1105的开度由30变为60，经过一段时间后，再将FV1105的开度由60变为30，观察LI1102的响应情况。43实实实实 验验验验 步步步步
27、 骤骤骤骤v对FV1105施加不同的干扰量，测试控制效果。将LIC1102投自动，使系统工作在前馈-反馈控制状态。将LI1102的SP设定为50%。待系统稳定后，将FV1105的开度由30变为40，待LI1102稳定后，再将FV1105的开度由40变为30，观察LI1102的响应情况。待LI1102稳定后，将HV1101的开度由0变为20，待系统稳定后，再由20变为0。观察LI1102的响应情况。44实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v对FV1105施加扰动测试。45实实实实 验验验验 步步步步 骤骤骤骤v大家和我一起来算算，如果大家和我一起来算算，如果FV1105开度从开度从30变化到变化到60，前馈控制器的静态增益应该是多大吧，前馈控制器的静态增益应该是多大吧。46总总总总 结结结结47v前馈控制系统需要注意的地方：前馈控制是按扰动控制的，因此，扰动必须可测如果扰动易于控制，可直接采用反馈控制系统来控制，无需使用前馈控制前馈控制针对单一扰动进行控制，因此，扰动应是主要扰动为克服其它扰动，通常采用前馈-反馈控制系统主要扰动无法落在串级控制系统的副环时，用前馈-反馈控制可得到更好的控制效果Dpro
