畢業(yè)設(shè)計(jì)---鍋爐水位系統(tǒng)控制的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，而汽包水位是工業(yè)鍋爐安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，保證水位控制在給定范圍內(nèi)，對于提高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運(yùn)行損耗、確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行具有重要意義。</p><p>　　模糊控制是建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的，它能將熟練操作員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)和描述，并用語言表達(dá)

2、出來，得到定性的、不精確的控制規(guī)則，不需要被控對象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制易于被人們接受，構(gòu)造容易，魯棒性和適應(yīng)性好。</p><p>　　本文分析了汽包水位對象的動(dòng)態(tài)特性，介紹傳統(tǒng)的控制方式。由于鍋爐水位控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器輸入端常加有三個(gè)輸入量，極易引起水位控制偏差，本文提出了兩種消除水位偏差的方法：（1）輔助信號自消方法（2）輔助信號對消方法。根據(jù)三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位誤差,設(shè)計(jì)采用了三沖量PID串級控制方式采

3、用輔助信號蒸汽流量和給水流量對消方法消除水位偏差。</p><p>　　根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀，提出了參數(shù)自整定模糊控制規(guī)則，設(shè)計(jì)了二輸入三輸出自適應(yīng)模糊PID控制器對汽包水位進(jìn)行控制，克服了傳統(tǒng)控制方式的控制效果不精確和參數(shù)難以調(diào)整等缺點(diǎn)。利用MATLAB對傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)和三沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明后者的自適應(yīng)能力更強(qiáng)，抗干擾能力和魯棒性更好，保證水位的穩(wěn)定。</p><p&

4、gt;　　關(guān)鍵詞：汽包水位； 三沖量； 串級系統(tǒng)； PID控制； 模糊控制；</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The problem of modeling and control is a attention focus of people .The boiler water lever is importance inde

5、x of industry boiler safety and satabilization.it is importance meanimg to ensure water level in definite range for increasing quality of steam and reducing wastage of equipment and insuring safety of whole hert-power-ne

6、t. </p><p>　　The fuzzy control based on foundation of manpower experience,it is summarize and describe of skill woker’s practise experience,it is giverd expression to using vocabulary,it’s gained mathematics

7、 model of nonprecise object.The fuzzy control is facility to be accepted and structure.</p><p>　　This article analyses dynamic characteristic of water level object and introduces traditional control method.B

8、ecause there are three inputs accede to adister of water lever control system of boiler,it is easy to bring error of water lever controlling.This iartice puts forward two methods to dispel error of water lever:(1)assista

9、nt signal self-disappear.(2)assistant signals each other dispel.According to three impulse control water lever error,designing three impulse PID cascade control system.</p><p>　　A ccording to actuality of bo

10、iler control,putting forward fuzy control rule of paramete self-adaptability,designing The Self-Adaptability Fuzz PID Control System.This system gets over disadvantage of no precision and difficulting to adjust parameter

11、 for using tradition control methods.This article designes cascade PIDcontrol system and self-adaptability fuzzy PID three impulse control system for controlling water level.The simulatiom results show that fuzzy control

12、ler is better than the traditio</p><p>　　Key words:Water Level; Three Impulse; Cascade System; PID Controller; Fuzzy Controller；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b&g

13、t;　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractIIII</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 鍋爐的工作過程簡介1</p><p>　　1.2 課題背景及本文研究內(nèi)容2</p><p>　　2 汽包水位特性及其控制4

14、</p><p>　　2.1 鍋爐汽包水位的特性4</p><p>　　2.1.1汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性5</p><p>　　2.1.2汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性8</p><p>　　3 鍋爐水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 PID控制原理11</p>

15、<p>　　3.2 PID對控制的影響12</p><p>　　3.3 串級控制系統(tǒng)14</p><p>　　3.4 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)17</p><p><b>　　4 模糊控制32</b></p><p>　　4.1 模糊控制的產(chǎn)生與發(fā)展32</p><p>　　

16、4.2 模糊控制的基本原理33</p><p>　　4.3 模糊PID控制器37</p><p>　　5 鍋爐汽包水位三沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)40</p><p>　　5.1 自適應(yīng)模糊PID控制器的設(shè)計(jì)40</p><p>　　5.2 三沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)46</p><p>　　5.3

17、 三沖量自適應(yīng)模糊PID控制與傳統(tǒng)PID控制仿真結(jié)果比較50</p><p><b>　　結(jié) 論53</b></p><p><b>　　致 謝55</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)56</b></p><p><b>　　1 緒 論</b&

18、gt;</p><p>　　1.1 鍋爐的工作過程簡介</p><p>　　鍋爐是一種承受一定工作壓力的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備.其作用就是有效地把燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能,或再通過相應(yīng)設(shè)備將熱能轉(zhuǎn)化為其它生產(chǎn)和生活所需的能量形式,長期以來在生產(chǎn)和居民生活中都起很重要的作用。</p><p>　　鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動(dòng)力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負(fù)荷的變化，輸送一定質(zhì)量(

19、汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠?yàn)檎麴s、化學(xué)反應(yīng)、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、泵類驅(qū)動(dòng)透平的動(dòng)力源。</p><p>　　鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。“鍋”就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如圖1-1所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調(diào)節(jié)閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下

20、的沸點(diǎn)，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進(jìn)入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進(jìn)入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內(nèi)火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進(jìn)入下降管參加循環(huán)，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達(dá)到規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。</p><p>　　圖1-1鍋爐的汽水

21、系統(tǒng)</p><p>　　“爐”就是鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預(yù)熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風(fēng)機(jī)送入，通過空氣預(yù)熱器，在空氣預(yù)熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進(jìn)入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，產(chǎn)生飽和蒸汽。然后經(jīng)過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負(fù)荷設(shè)備使用。與此同時(shí)，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量

22、余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預(yù)熱鍋爐給水和空氣，最后經(jīng)煙囪排入大氣。</p><p>　　經(jīng)上介紹，鍋爐系統(tǒng)的主要包括燃燒系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等。其主要工藝流程如圖1-2：(附：系統(tǒng)框圖見大圖)</p><p>　　圖1-2鍋爐主要工藝流程圖</p><p>　　1燃燒嘴；2爐膛；3汽包；4減溫器；5爐墻；6過熱器；7省煤器；8空氣預(yù)熱器&

23、lt;/p><p>　　1.2 課題背景及本文研究內(nèi)容</p><p>　　由前述可知，在鍋爐的幾個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運(yùn)行的必要條件，是鍋爐正常運(yùn)行的主要標(biāo)志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務(wù)之一，在鍋爐的安全生產(chǎn)、降低能耗、蒸汽產(chǎn)量和品質(zhì)等方面起著重要作用。</p><p>　　汽包水位水位過高會導(dǎo)致蒸汽帶水進(jìn)入過熱器并在過熱管內(nèi)結(jié)

24、垢，影響傳熱效率，嚴(yán)重的引起過熱器爆管；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而爆管。汽包水位的動(dòng)態(tài)特性主要有：非線性、不確定性、時(shí)滯和負(fù)荷干擾、非最小相位特征等。對鍋爐汽包水位控制方法大多采用傳統(tǒng)的PID控制方式，由于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的參數(shù)是固定不變，在穩(wěn)定的工況下一般可以投入自動(dòng)，但在系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)大幅度變化的情況下，系統(tǒng)不能適應(yīng)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至失控。在實(shí)際運(yùn)行中常常需要手工操作。</p><

25、;p>　　鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，鍋爐的復(fù)雜特性使得采用常規(guī)方法難以獲得良好效果，近年來鍋爐的建模和控制融入了智能化的手段。自從1965年加得福尼亞大學(xué)的查德ZADEH教授創(chuàng)建模糊集理論和1974年英國的E.H.Mamdani成功地將模糊控制應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機(jī)控制以來，模糊控制得到廣泛發(fā)展并在現(xiàn)實(shí)中得以成功應(yīng)用。</p><p>　　模糊控制在70年代才引入中國，研究起步較晚，但發(fā)展較快，

26、目前在模糊控制、模糊辨識、模糊聚類、模糊模式識別等領(lǐng)域取得很大成就。我國是最早把模糊理論引入氣象預(yù)報(bào)、地震預(yù)測和高爐冶煉控制方面的國家。在自適應(yīng)模糊PID控制器方面，我國的許多學(xué)者研究提出了采用模糊邏輯的非常規(guī)的PID控制器，研究表明自適應(yīng)、自調(diào)整以及模糊PID不僅可以解決簡單線性問題，而且對于許多復(fù)雜非線性、高階、時(shí)延等系統(tǒng)具有很好的效果。最近幾年對于經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的改善、模糊集成控制、模糊自適應(yīng)控制與多變量模糊控制的研究，

27、特別是針對復(fù)雜系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)與參數(shù)自調(diào)整模糊系統(tǒng)方面的研究受到學(xué)者的關(guān)注。</p><p>　　自適應(yīng)模糊控制就是運(yùn)用模糊的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊表來表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息作為知識存入知識庫中，然后根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理即可自動(dòng)調(diào)整最佳參數(shù)。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)了汽包水位三沖量PID串級控制系統(tǒng)和三沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)。提出

28、了三沖量輔助信號對消方法消除水位偏差。根據(jù)鍋爐控制現(xiàn)狀及本人的仿真結(jié)果，提出三維PID自整定規(guī)則。仿真結(jié)果表明三沖量自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)提高系統(tǒng)抗干擾能力及魯棒性，改善控制效果。</p><p>　　2 汽包水位特性及其控制</p><p>　　2.1 鍋爐汽包水位的特性</p><p>　　鍋爐汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水

29、位在工藝允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　維持汽包水位在給定范圍內(nèi)是保證鍋?zhàn)o(hù)和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件，也是鍋爐正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一。水位過高，會影響汽包內(nèi)汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機(jī)產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時(shí)會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質(zhì)，增加在過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢。水位過低，則可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局

30、部水冷管壁被燒壞，嚴(yán)重時(shí)會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴(yán)重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負(fù)荷、蒸汽壓力、爐膛熱負(fù)荷等有關(guān)。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發(fā)量即蒸汽流量和給水流量。</p><p>　　綜上，引起水位變化的主要擾動(dòng)是蒸汽

31、流量的變化和給水流量的變化。如果只考慮主要擾動(dòng)，那么根據(jù)汽包物質(zhì)平衡,則汽包水位的動(dòng)態(tài)特性可表示為如下平衡方程式：</p><p>　　F(t)= Qw(t)- QD(t) (2-1)</p><p>　　其中Qw(t)、QD(t)分別為給水流量與進(jìn)出汽包的蒸汽，F(xiàn)(t)為汽包水位的變化量。</p><p>　　通過檢測儀器（

32、蒸汽流量變送器、水流量變送器、水位變送器）可得到Qw(t)、QD(t)、F(t)的信號,則從(2-1)式可得到:</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中為c鍋爐截面積，ρ為鍋爐水重度，H(t)為水位;α為水量流量系數(shù)，Δpw為流經(jīng)水流量的節(jié)流裝置的差壓;β為蒸汽流量系數(shù)，ΔpD為流經(jīng)蒸汽流量節(jié)流裝置的差壓。對式(2-2)取泰勒級數(shù)經(jīng)化

33、簡可近似得到如下方程：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中，TD、KD、TW、KW、分別與流量變送器的流量轉(zhuǎn)換系數(shù)及展開的系數(shù)有關(guān)，T1、T2為水位變送器及汽包截面積有關(guān)的系數(shù)。</p><p>　　下面我們著重討論在給水和蒸汽流量兩種主要擾動(dòng)下水位對象的動(dòng)態(tài)特性。</p><p>

34、　　2.1.1 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么在給水流量產(chǎn)生變化時(shí)，汽包水位的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p><b>　　經(jīng)拉氏變換后可得，</b></p><p><

35、b>　　(2-5)</b></p><p>　　從式(2-4)，可以方便地得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　對于中壓鍋爐，上式中TW的數(shù)值很小，常?？梢院雎圆挥?jì)，因此式(2-6)可以進(jìn)一步改寫為：</p><p><b&

36、gt;　　(2-7)</b></p><p>　　其中 -------反應(yīng)速度，即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度，單位為毫米／秒·(噸／小時(shí))。</p><p>　　從式(2-7)可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)所組成,ε、T2的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水量增加時(shí)，在較長

37、的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式(2-7)來表示它的動(dòng)態(tài)待性，誤差較大，這時(shí)可選用下面(2-8)式近似計(jì)算：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　τ----給水量擾動(dòng)下的純滯后時(shí)間，對于非沸騰式省煤器的鍋爐，τ為0-100秒，對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ＝100-200秒；Ta=1/ε----水位的反

38、應(yīng)時(shí)間，它也與鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)。</p><p>　　反應(yīng)速度ε及反應(yīng)時(shí)間Ta都用相對量來表示：ε定義為：當(dāng)擾動(dòng)量為100%(從滿負(fù)荷突然變化到零)，水位(以允許變化的范圍為100%)的變化速度，單位為每秒。Ta定義為：擾動(dòng)量為100%，水位變化100%所經(jīng)歷的時(shí)間，單位為秒，例如：一臺230噸／小時(shí)的鍋爐，假設(shè)汽包的正常水位力200毫米，水位的反應(yīng)時(shí)間Ta為30鈔。這就是說，當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停止供水，

39、則由于出汽和進(jìn)水流量的不平衡，水位將等速度下降，30秒鐘下降200毫米，如果給水量減少10%(23噸／小時(shí))，則將在30秒鐘水位下降20毫米。如果用反應(yīng)速度ε表示，則當(dāng)對于中壓多汽包鍋爐，Ta為300秒；一般中壓鍋爐，Ta＝30-100秒；高壓鍋爐Ta＜30秒。</p><p>　　圖2-1給水量擾動(dòng)下的水位飛升曲線</p><p>　　根據(jù)式(2-7)在階躍輸入下作給水?dāng)_動(dòng)(假定在一定范

40、圍內(nèi)汽包的橫截面積不變，或變化不大)。可以得到如圖2-1所示的反應(yīng)曲線。由曲線可知：當(dāng)突然加大給水量后(這時(shí)假定蒸汽量不變)，給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段，這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補(bǔ)由于汽水管路中汽泡減少所讓出的空間，這時(shí)，雖然給水量增加，但水位基本不變。當(dāng)水面下汽泡

41、容積變化過程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于貯水量的增加而逐漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來時(shí)，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。對于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能出現(xiàn)“假水位”現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　式中：

42、 , </p><p>　　圖2-2采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線</p><p>　　圖2-2是給水作用下汽包水位的反應(yīng)曲線。hl是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，它由式(2-9)個(gè)的1／Ta這一項(xiàng)所確定，其特性表現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，無自平衡能力；h2是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。h是由h1(t)

43、為h2(t)迭加而成的．它的特性實(shí)際上是兩個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)。由此可見，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性可以有三種形式：反應(yīng)曲線變化最快的可用式(2-7)表示，這時(shí)的動(dòng)態(tài)特性可以等效為一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)；其次是用式(2-8)表示，相當(dāng)于一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)；在有“假水位”的情況下，需要用式(2-9)來表示其動(dòng)態(tài)特性。對于不同的鍋爐設(shè)備，究竟采用何種形式的傳遞函數(shù)來表示它的動(dòng)態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來定，原則是：表達(dá)特性最

44、符合實(shí)際情況、傳遞函數(shù)式盡可能地簡單。</p><p>　　2.1.2 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性</p><p>　　汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，可以直接從式(2-3)導(dǎo)出(假定給水量不變)：</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p><b>　　拉氏變換后可得：<

45、;/b></p><p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　則：</b></p><p><b>　　(2-12)</b></p><p>　　上式可以用兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即：</p><p><b>

46、　　(2-13)</b></p><p>　　其中 ， </p><p>　　圖2-3蒸汽流量擾動(dòng)下時(shí)的水位飛升曲線</p><p>　　在蒸汽流量擾動(dòng)下水位的階躍反應(yīng)曲線如圖2-3所示。對大部分調(diào)節(jié)對象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位對象，除上述對象具有的特性以

47、外．還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加△D(假定供熱量及時(shí)跟上)，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖2-3中h1所示，相當(dāng)于式(2-13)中的1／Ta這一項(xiàng)，是直線下降的。但是實(shí)際水位不是h1而是h，在擾動(dòng)的初始瞬間水位不但沒有下降而且是上升的。這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面以下和水管系統(tǒng)中蒸汽容積隨負(fù)荷的變化而改變所致。在蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在，是由于蒸發(fā)過程的連續(xù)性，在蒸汽向汽水分界面移動(dòng)的過程中，會有一

48、部分蒸汽在某一段時(shí)間內(nèi)處于水中．在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個(gè)確定的對應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示：</p><p><b>　　(2-14) </b></p><p>　　式中，Vs----蒸發(fā)面以下的蒸汽容積；</p><p>　　k----比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異；</p>&

49、lt;p>　　W1----汽化強(qiáng)度；</p><p>　　γ----飽和蒸汽重度；</p><p>　　τ----汽泡在水中平均停留時(shí)間。</p><p>　　當(dāng)蒸汽流量D階躍增加時(shí)，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強(qiáng)度W1加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積VS增加。汽泡體積膨脹而使水位變化的曲線如圖2-3中h2所示，實(shí)際水位變化曲線h就是h1和h2的迭加。<

50、/p><p>　　從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式，負(fù)荷階躍增大時(shí)，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加。此時(shí)雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不僅不下降，反而迅速上升。這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。</p><p>　　應(yīng)該指出，當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2-

51、3中h2的時(shí)間常數(shù)只有10-20秒。由于“假水位”而出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波動(dòng)不能太大，只有限制負(fù)荷D的變化速度或限制負(fù)荷一次變化量。“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對于—般100-230噸／小時(shí)的中高壓鍋爐．加負(fù)荷階躍變化10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá)30-40毫米。從以上動(dòng)態(tài)特性分析中可以得到如下結(jié)論：</p><p>　　(1)汽包水位調(diào)節(jié)對象在給水量作

52、用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用三種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據(jù)鍋爐結(jié)構(gòu)和汽化強(qiáng)度來定。</p><p>　　(2)汽包水位調(diào)節(jié)對象在蒸汽流量擾動(dòng)下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“假水位”現(xiàn)象,“假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發(fā)量擾動(dòng)大小成正比．也與壓力變化速度成正比，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)必須考慮。</p><p>　　3 鍋爐水位PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p

53、><p>　　3.1 PID控制原理</p><p>　　在控制系統(tǒng)中,控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。</p><p>　　圖3-1 PID控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)

54、=r(t)-y(t)。</p><p>　　將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控制對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　或?qū)懗蓚鬟f函數(shù)形式：</p><p><b>　　(3-2)</b>

55、;</p><p>　　式中，KP---比例系數(shù)；TI---積分時(shí)間常數(shù)；TD---微分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是時(shí)間離散控制系統(tǒng)，對式(3-1)進(jìn)行離散化，即為數(shù)字PID控制器，得到數(shù)字控制算法即位置式PID控制算法：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　數(shù)字PID

56、控制器的z傳遞函數(shù)為:</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　其中，KP為為比例系數(shù)； 為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)。</p><p>　　位置式PID控制算法是全量輸出，計(jì)算時(shí)要對e(k)進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大，而且，計(jì)算機(jī)輸出的u(t)對應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如計(jì)算機(jī)

57、出現(xiàn)故障，u(t)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的。</p><p>　　目前比較廣泛應(yīng)用的是增量式PID控制算法，其算式如式(3-5)，其輸出是控制量的增量Δu(k)。</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　增量式PID算法與位置式PID算法比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：&l

58、t;/p><p>　?。?）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。</p><p>　?。?）手動(dòng)/自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故仍能保持原值。</p><p>　?。?）算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)的確定，僅與最近次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理

59、而獲得比較好的控制效果。</p><p>　　但增量式控制也有其不足之處：積分截?cái)嘈?yīng)大，有靜態(tài)誤差，溢出的影響大。</p><p>　　3.2 PID對控制的影響</p><p><b>　　一、比例P調(diào)節(jié)</b></p><p>　　在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 。 </p&

60、gt;<p>　　比例調(diào)節(jié)是有差調(diào)節(jié)，比例調(diào)節(jié)的殘差隨著比例帶的加大而加大。 稱為比例帶，其中KP為比例系數(shù)。人們希望盡量減小比例帶，然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)的激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。比例帶具有一個(gè)臨界值，此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小比例帶系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。</p><p>

61、;<b>　　二、積分I調(diào)節(jié)</b></p><p>　　在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)的輸出信號的變化速度 與偏差信號e成正比，即</p><p>　　或 。 稱為積分速度，其中TI為積分時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直至出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。</p><p

62、>　　I調(diào)節(jié)是無差調(diào)節(jié)，只有當(dāng)被調(diào)量偏差為零時(shí)，I調(diào)節(jié)的輸出才保持不變。I調(diào)節(jié)的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差,如果只采用I調(diào)節(jié)不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)，且振蕩頻率較低。</p><p><b>　　三、微分D調(diào)節(jié)</b></p><p>　　D調(diào)節(jié)中的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 。TD為微分時(shí)間。微分的作用在于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單純的微分調(diào)

63、節(jié)器是不能工作的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，與P結(jié)合PD或與PI構(gòu)成PID調(diào)節(jié)。</p><p>　　總之，PID控制器中，比例環(huán)節(jié)主要減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度；微分調(diào)節(jié)能加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。</p><p>　　四、PID控制器的參數(shù)整定</p><p>　　控制器的參數(shù)整定對系統(tǒng)的控制質(zhì)量起到了決定性的作用。確定

64、控制器最佳過渡過程中的比例帶δ，積分時(shí)間TI和微分時(shí)間TD的數(shù)值稱為控制器參數(shù)整定。</p><p>　　控制器參數(shù)整定的方法，在工程上常用的有以下幾種工程整定法。</p><p>　　1、經(jīng)驗(yàn)法：其整定參數(shù)的順序是，先整定比例帶δ，待過渡過程穩(wěn)定后再加入積分作用以消除余差，最后加入微分，以加快過渡過程，進(jìn)一步提高控制質(zhì)量。PID控制器的經(jīng)驗(yàn)法整定：先將TD置為0，置TI為∞，先整定比例帶

65、使之達(dá)到4：1衰減過程，然后將比例帶放大（10%-20%），而積分時(shí)間TI由大到小逐步加入，直至達(dá)到4：1的衰減過程，然后將比例帶減小到比原值小（10%-20%）的位置，而積分時(shí)間也適當(dāng)減小，再把TD由小到大加入，觀察曲線，直到滿意的過程為止。</p><p>　　2、穩(wěn)定邊界法：這是一種閉環(huán)的整定方法。具體步驟如下：置控制器積分時(shí)間到最大值，微分時(shí)間為0，比例帶最大，使系統(tǒng)投試運(yùn)行。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，逐漸減小比

66、例帶，直到系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩，即臨界振蕩過程如圖3-2。記錄此時(shí)的臨界比例帶δK及兩個(gè)波峰的時(shí)間TK利用δK和TK值，按穩(wěn)定邊界法計(jì)算表給出的相應(yīng)公式求出控制器的穩(wěn)定參數(shù)δ、TI、TD。</p><p>　　3、衰減曲線法：它是在經(jīng)驗(yàn)法和穩(wěn)定邊界潛藏顧慮，針對它們的不足，反復(fù)實(shí)驗(yàn)而得出的一種參數(shù)整方法。具體步驟如下：將控制器積分時(shí)間TI為最大值，微分時(shí)間為0，在純比例作用下，系統(tǒng)試運(yùn)行。待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾

67、動(dòng)，并觀察系統(tǒng)響應(yīng)如圖3-3。若系統(tǒng)響應(yīng)衰減太快，則減小比例帶，反之，則增大比例帶。直到系統(tǒng)出現(xiàn)4：1的衰減振蕩過程，記下此時(shí)的比例帶和TS的數(shù)值。利用4：1衰減整定參數(shù)表求得控制器的PID數(shù)值。將比例帶放到比計(jì)算值大一些的數(shù)值上，然后把積分時(shí)間按計(jì)算值加入，再把微分時(shí)間加入，最后把比例帶減小到計(jì)算值，觀察過渡過程曲線，調(diào)整到滿意的結(jié)果。</p><p>　　圖3-2穩(wěn)定邊界法曲線 圖3-3衰

68、減曲線法曲線</p><p>　　3.3 串級控制系統(tǒng)</p><p><b>　　一、串級控制系統(tǒng)</b></p><p>　　串級控制是改善控制系統(tǒng)品質(zhì)的有效方法之一，在工業(yè)過程控制中應(yīng)用很廣泛。串級系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成兩個(gè)閉環(huán)。串級系統(tǒng)的計(jì)算順序是先主環(huán)后副環(huán)。副環(huán)在控制過程中起著“粗調(diào)”作用，主環(huán)用來完成“細(xì)調(diào)”的任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足

69、工藝要求。串級控制系統(tǒng)如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4串級控制系統(tǒng)圖</p><p>　　串級控制系統(tǒng)具有以下較好的控制性能：</p><p>　?、賹Χ胃蓴_有很強(qiáng)的克服能力。</p><p>　?、诟纳屏藢ο蟮膭?dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作能力。</p><p>　?、蹖ω?fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能

70、力。</p><p>　　二、串級控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題</p><p>　　1、副參數(shù)的選擇應(yīng)使副環(huán)的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。副環(huán)應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。</p><p>　　2、為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，取Td1>3Td2，一般Td1=(3-10)Td2。</p><p>　　3、串級系統(tǒng)控制方式有兩種：一

71、種是異步采樣控制，即主環(huán)的采樣控制周期是副環(huán)采樣控制周期的整數(shù)倍。另一種是同步采樣控制，即是主、副環(huán)的采樣控制周期相同，這時(shí)，應(yīng)根據(jù)副環(huán)選擇采樣周期，因?yàn)楦杯h(huán)的受控對象的響應(yīng)速度快。</p><p>　　4、串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對于它們的選型有不同的考慮。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng)，而且副參數(shù)則并不要求無差，所以一般情況選項(xiàng)P調(diào)節(jié)器，如主副環(huán)頻率相差很大，也可

72、采用PI調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用串級調(diào)節(jié)的場合，工藝上對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量存在偏差，因此，主調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，如副環(huán)外面的容積數(shù)目較多，同時(shí)有主要擾動(dòng)落在副環(huán)外面的話，采用PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　三、串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定</p><p>　　串級控制系統(tǒng)從主回路來看是一個(gè)定值控制系統(tǒng)，對主變量有較高的質(zhì)量要求

73、，其控制質(zhì)量指標(biāo)與單回路定值控制系統(tǒng)是一樣的。從副回路看，是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)，對副變量的控制質(zhì)量一般要求不高，只要能快速準(zhǔn)確地跟隨主控制器的輸出變化就行。因此串級控制系統(tǒng)兩個(gè)回路參數(shù)的整定根據(jù)各自的作用和對主、副變量的要求確定主、副控制器的參數(shù)。</p><p>　　在工程實(shí)踐中，串級控制系統(tǒng)的主要整定方法有：逐步逼近法、兩步整定法。</p><p>　　逐步逼近法的具體步驟如下：<

74、/p><p>　?。?）首先整定副回路。此時(shí)斷開主回路，按單回路控制系統(tǒng)整定方法確定副回路參數(shù)，記第一次整定值[WC2]1。</p><p>　　（2）然后整定主回路。把剛整定好的副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按單回路控制整定方法，確定主控制器的整定參數(shù)，記為[WC1]1，此時(shí)，主副回路都閉合。</p><p>　?。?）再次整定副回路。在主回路閉合，主控制器整定參數(shù)

75、為[WC1]1及[WC2]2。至此，完成一個(gè)逼近循環(huán)。若控制質(zhì)量達(dá)到要求，主副控制的整定參數(shù)分別取[WC1]1和[WC2]2。</p><p>　　（4）若控制質(zhì)量仍不能達(dá)要求，按步驟2繼續(xù)整定求取[WC1]2，循環(huán)進(jìn)行直至達(dá)到要求。</p><p>　　兩步整定法具體步驟如下：</p><p>　?。?）先整定副回路。在主、副回路均閉合，主、副控制器都置于純比例作

76、用的條件下，先將主控制器的比例帶放在100%處。按單回路控制系統(tǒng)整定副回路：逐漸降低副控制器的比例帶，得到副變量在4：1遞減比下的副控制器的比例帶δ2s和副變量振蕩周期T2s。</p><p>　　（2）然后整定主回路。主、副回路仍閉合，將副控制器的比例帶置于值上，將副回路看作是主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，用同樣的方法整定主控制器：即逐漸降低主控制器的比例帶，得到主變量4：1遞減比下的主控制器比例帶δ1s和主變量振蕩周期T

77、1s。</p><p>　?。?）按上面得到的值，結(jié)合控制器的選型，利用單回路控制系統(tǒng)衰減曲線法的整定計(jì)算公式，分別計(jì)算主、副控制器的整定參數(shù)值：比例帶δ、積分時(shí)間TI、微分時(shí)間TD。</p><p>　?。?）先副后主，先比例次積分后微分的順序，將計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)置到相應(yīng)的控制器上。</p><p>　?。?）然后再作一些擾動(dòng)試驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)控制過程曲線不夠理想，可再

78、進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直到控制品質(zhì)符合要求。</p><p>　　應(yīng)用兩步整定參數(shù)法，其結(jié)果比較準(zhǔn)確，而且整定步驟大為簡化，因而獲得廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.4 汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　一、單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　單沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)如圖3-5所示。它是汽包水位自動(dòng)調(diào)節(jié)中最簡單、最基本的一種形式。水位測量

79、信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，水位調(diào)節(jié)器根據(jù)水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內(nèi)。</p><p>　　圖3-5單沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　從單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性看，單沖量調(diào)節(jié)器宜選用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，如選用純比例調(diào)節(jié)則：</p><p><b>　　(3-6)</b></p>

80、<p>　　式中h----汽包水位；</p><p>　　H0----水位的給定值；</p><p>　　δ----調(diào)節(jié)器比例度；</p><p>　　u----調(diào)節(jié)閥開度。</p><p>　　調(diào)節(jié)結(jié)果水位必定有余差。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性如圖3-6所示，圖中虛線表示在蒸汽流量變化時(shí)“虛假水位”所能達(dá)到的極限位置。</p>

81、;<p>　　圖3-6單沖量純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)靜特性</p><p>　　增負(fù)荷后，調(diào)節(jié)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，新的穩(wěn)定水位就比原來的穩(wěn)定水位要低。當(dāng)蒸汽負(fù)荷穩(wěn)定在最大值DM時(shí)，穩(wěn)定水位達(dá)到靜態(tài)特性的最低值。下一步發(fā)生的負(fù)荷變化只會使負(fù)荷降低，而不可能再提高，由于降負(fù)荷引起的“虛假水位”必然是使水位進(jìn)一步下降。反之，當(dāng)蒸汽負(fù)荷穩(wěn)定在最小值D0時(shí)，則穩(wěn)定水位達(dá)到了最高值，而下一次因負(fù)荷增大造成的“虛假水位” 使水

82、位還得上升，因此．從鍋爐的運(yùn)行觀點(diǎn)看單沖量純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的這種下降的靜特性將造成極大的水位波動(dòng)，因而是不合適的，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，可以消除水位的靜態(tài)偏差，因而使水位的波動(dòng)幅度減少。</p><p>　　單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)是；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動(dòng)后的反應(yīng)速度比較慢、“假水位”現(xiàn)象不很嚴(yán)重的場合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)是能夠滿足生產(chǎn)要求的。</p><p>　　

83、單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點(diǎn)，主要有(1)這種調(diào)節(jié)方案只根據(jù)水位調(diào)節(jié)給水量，在負(fù)荷變化時(shí)，由于“虛假水位”現(xiàn)象，在調(diào)節(jié)過程一開始，給水量的變化將與負(fù)荷變化的方向相反，擴(kuò)大了進(jìn)出流量的不平衡。(2)從給水?dāng)_動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性可以估計(jì)到，當(dāng)水位已經(jīng)偏離給定值后再調(diào)節(jié)給水量，因給水量改變后要經(jīng)過一定遲延時(shí)間τ才能影響到水位，因此必將導(dǎo)致水位波動(dòng)幅度大、調(diào)節(jié)時(shí)間長。</p><p>　　二、雙沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)&l

84、t;/p><p>　　對于存在在擾動(dòng)的系統(tǒng),可以直接按照擾動(dòng)進(jìn)行控制,稱作前饋控制,在理論上,它可以消除擾動(dòng)引起的偏差。在汽包水位雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入蒸汽流量為前饋信號，構(gòu)成如圖3-7所示的雙沖量水位自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：(1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調(diào)節(jié)的不良影響，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，就有一個(gè)使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變

85、化的誤動(dòng)作，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向移動(dòng)。因而大大減小了給水量和水位的波動(dòng)，縮短了過渡過程的時(shí)間。(2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靜特性，提高調(diào)節(jié)質(zhì)量如調(diào)節(jié)器選用純比例調(diào)節(jié)規(guī)律。則：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　圖3-7汽包水位雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　式中: --

86、--靜態(tài)前饋系數(shù);</p><p>　　D----蒸汽流量。</p><p>　　在加有前饋控制的系統(tǒng)中，一旦出現(xiàn)擾動(dòng)，前饋調(diào)節(jié)器就直接根據(jù)擾動(dòng)的大小和方向，按照前饋調(diào)節(jié)規(guī)律，補(bǔ)償擾動(dòng)對被控量的影響。由于慣性和純滯后，擾動(dòng)作用到系統(tǒng)上，被控量尚未發(fā)生變化，前饋調(diào)節(jié)器就進(jìn)行了了補(bǔ)償，可以使被控量不會因擾動(dòng)作用而產(chǎn)生偏差。根據(jù)前饋原理，有如下關(guān)系式：</p><p>　

87、　,則 </p><p>　　在穩(wěn)定條件下 D=W=u</p><p>　　代入式(3-7)可得:</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　圖3-8雙沖量純比例水位凋節(jié)系統(tǒng)靜特性</p><p>　　從(3-8)式可以看出，在雙

88、沖量水位調(diào)節(jié)中，若加大蒸汽沖量的靜態(tài)前饋系數(shù)使αD>δ，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就具有向上傾斜的靜特性,如圖(3-8)所示這種向上傾斜的靜特性當(dāng)蒸汽負(fù)荷穩(wěn)定在最大值Dm時(shí)，穩(wěn)定水位達(dá)到靜特件的最高值，降負(fù)荷時(shí)“虛假水位”信號與之有相反的方向．這樣既使汽包水位的波動(dòng)范圍大為減小。從式(3-8)可以看出，當(dāng)時(shí)αD=δ時(shí)，雖然調(diào)節(jié)器選用純比例規(guī)律，系統(tǒng)的靜特性是無差的，呈一條水平線。由此可見，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無差特性并非一定要用積分調(diào)節(jié)規(guī)律，采用多沖量調(diào)節(jié)用

89、純比例調(diào)節(jié)規(guī)律，也可以得到系統(tǒng)無差的靜特性。</p><p>　　雙沖量調(diào)節(jié)由于有以上特點(diǎn)，所以能在負(fù)荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位調(diào)節(jié)任務(wù)。在給水壓力比較平穩(wěn)時(shí)，采用雙沖量調(diào)節(jié)是能夠達(dá)到調(diào)節(jié)要求的。</p><p>　　雙沖量調(diào)節(jié)存在的問題是：調(diào)節(jié)作用不能及時(shí)反映給水側(cè)的擾動(dòng)．當(dāng)給水量擾動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)等于單沖量調(diào)節(jié)。因此，如果給水母管壓力經(jīng)常有波動(dòng)，給水調(diào)節(jié)閥前后壓差不易保持正常時(shí)，

90、不宜采用雙沖量調(diào)節(jié)。</p><p>　　三、三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　近代鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動(dòng)的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-30秒內(nèi)就會發(fā)生危險(xiǎn)水位，如僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應(yīng)，在一分鐘到幾分鐘內(nèi)也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運(yùn)行中經(jīng)常會有自發(fā)性的變化，當(dāng)幾臺鍋爐

91、并列運(yùn)行時(shí),還可能發(fā)生幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當(dāng)某一臺鍋爐負(fù)荷和給水量改變時(shí)，引起給水母管壓力波動(dòng)，而使其它鍋爐的給水量受到擾動(dòng)。在雙沖量水位調(diào)節(jié)中,對于給水量這種自發(fā)變化不能及時(shí)反映出來，要經(jīng)過一定的遲延時(shí)間τ之后，給水量的擾動(dòng)才能通過汽包水位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動(dòng)時(shí)，幾臺鍋爐的水位調(diào)節(jié)又互相影響，使得調(diào)節(jié)過程非常復(fù)雜。</p><p>　　針對上述情況，為了把水位控制穩(wěn)定，鍋爐水位調(diào)節(jié)常輔助

92、有蒸汽流量和給水流量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖3-9所示。在這個(gè)系統(tǒng)里，汽包水位H是被調(diào)量，是主沖量信號，蒸汽流量D、給水流量W是兩個(gè)輔助沖量信號。D、W引入系統(tǒng)的符號，根據(jù)各自信號的增減對水位H的影響來定。如蒸汽流量D，當(dāng)D＞W(wǎng)時(shí)，水位H降低，要使水位H不變就必須在原有給定值上加上由于蒸汽流量加大而引起水位下降的值,所以D引入系統(tǒng)的符號為“+”。H、W引入系統(tǒng)的符號可用同樣的方法來確定

93、。由于三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調(diào)節(jié)品質(zhì)都比單沖量、雙沖量調(diào)節(jié)要好，因此應(yīng)用也最多。</p><p>　　圖3-9三沖量汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)</p><p>　　(一)三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析</p><p>　　圖3-10是三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的原理圖。從方塊圖上可以看出，這個(gè)系統(tǒng)有兩個(gè)閉合回路；(1)是由給水流量W、給水分流器αw、調(diào)節(jié)器Gc、調(diào)節(jié)閥Kv組成的內(nèi)回路.

94、(2)由水位調(diào)節(jié)對象Go1和內(nèi)回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D、分流器αD、對象GF2均在閉合回路之外它的引入可以改善調(diào)節(jié)質(zhì)量，但不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)是前饋加反饋的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。</p><p>　　圖3-10三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖</p><p>　　在這個(gè)系統(tǒng)里，內(nèi)回路相當(dāng)于串級調(diào)節(jié)的副環(huán)，當(dāng)給水流量產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)(給水流量的擾動(dòng)也稱內(nèi)擾)，由于副回路的快速調(diào)節(jié)作用，

95、將對水位影響較小。在分析內(nèi)回路時(shí)可認(rèn)為主回路是開路，內(nèi)回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。內(nèi)回路的方塊圖可表示為圖3-11。如果把調(diào)節(jié)器以外的環(huán)節(jié)都看作是調(diào)節(jié)對象，那么調(diào)節(jié)對象的動(dòng)態(tài)特性近似為比例環(huán)節(jié)，這樣調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間T可設(shè)置得較小。</p><p>　　圖3-11水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)回路方塊圖</p><p><b>　　,因此可認(rèn)為：</b></p><

96、p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　則圖3-11進(jìn)一步簡化為圖3-12，在內(nèi)回路分折基礎(chǔ)上，可以畫出主回路的簡化方塊圖3-l3，從圖3-13可以看出，主回路也是一個(gè)單回路系統(tǒng)。調(diào)節(jié)對象以給水量W作為輸入，以水位H作為對象的輸出。等效調(diào)節(jié)器是比例調(diào)節(jié)器，等效比例帶 。</p><p>　　圖3-12水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)回路等效方塊圖&l

97、t;/p><p>　　圖3-13水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)主回路簡化方塊圖</p><p>　?。ǘ┱羝髁糠至飨禂?shù)αD的選擇</p><p>　　蒸汽流量信號不在調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉合回路之內(nèi)，因此它的大小不影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣來定,當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，就利用這個(gè)擾動(dòng)信號作為調(diào)節(jié)信號，通過調(diào)整αD按水位H變化很小或基本不變。</p><

98、;p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　這樣就要求αD取值(3-10)式值時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)蒸汽流量擾動(dòng)下水位不變的設(shè)想。但這時(shí)的αD就不是一個(gè)簡單的系數(shù)，而是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。要實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)是有困難的，而且生產(chǎn)上也沒有這樣的必要。一般情況，αD要是一個(gè)比例環(huán)節(jié)，在負(fù)荷變化時(shí)就能把鍋爐水位控制在允許的范圍內(nèi)。通常都根據(jù)蒸汽流量信號與給水流量信號靜態(tài)配合的原則來選擇

99、αD、如果要求在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，水位的穩(wěn)定值不變，則取：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　即蒸汽流量信號的前饋系數(shù)等于給水流量信號的分流系數(shù)。</p><p>　　四、汽包水位的三沖量PID串級控制系統(tǒng)</p><p>　　由于在采用三沖量，在系統(tǒng)中控制器的輸入端有三個(gè)輸入信號，這就

100、水位極易引起偏差，因此，本文根據(jù)汽包水位控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，提出了消除三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除水位控制偏差的兩個(gè)方法：</p><p>　?。?）輔助信號自消的方法。所謂自消就是輔助信號x(t)經(jīng)一個(gè)不完全微分環(huán)節(jié)（或帶濾波器的微分環(huán)節(jié)）得到信號 再加至控制器,當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)有：</p><p><b>　　(3-12) </b></p><p>

101、;　?。?）輔助信號對消的方法。所謂對消就是輔助信號滿足對消條件。設(shè)有兩輔助信號x1(t)和x2(t)，滿足對消條件：</p><p><b>　　(3-13) </b></p><p>　　本文汽包水位控制系統(tǒng)采用三沖量PID串級控制系統(tǒng)如圖3-14所示。與一般串級系統(tǒng)不同的是引入了蒸汽流量作為靜態(tài)前饋信號，是一個(gè)帶有靜態(tài)前饋的串級控制系統(tǒng)。串級系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用

102、了一個(gè)調(diào)節(jié)器,但它對信號的靜態(tài)配合要求不很嚴(yán)格,這是因?yàn)橹髡{(diào)節(jié)器能自動(dòng)校正信號配合不準(zhǔn)所引起的誤差。水位偏差控制采用蒸汽流量與給水流量對消的方式來消除偏差，即取 。</p><p>　　圖3-14汽包水位串級控制系統(tǒng)</p><p>　　其中，KD、KW、KH分別為蒸汽流量、給水流量、水位變送器的傳遞系數(shù)。</p><p><b>　　為靜

103、態(tài)前饋系數(shù)。</b></p><p>　　五、鍋爐汽包水位的三沖量串級PID控制系統(tǒng)仿真</p><p>　　課題的控制對象為中壓鍋爐。</p><p>　　1、試驗(yàn)得到下列近似傳遞函數(shù)及系數(shù)</p><p>　?。?）水流量的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(3-14)</b>

104、;</p><p>　　（2）汽流量的傳遞函數(shù)：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p>　?。?）變送器的比例系數(shù)：</p><p>　　水位變化范圍為±50mm，水位變送器的電流變化為0-10mA，所以水位變送器的比例系數(shù)為： 。</p>

105、<p>　　水流量和汽流量變送器的比例系數(shù)為： 。</p><p>　　2、通過估算及仿真實(shí)驗(yàn)得到：根據(jù) ，給水流量信號和汽流量信號的分流系數(shù)為：0.21。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)采用逐步逼近法，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到：</p><p>　?。?）主控制器的PID參數(shù)為：

106、 </p><p>　?。?）副控制器的PID參數(shù)為： </p><p>　　3、汽包水位三沖量串級PID控制系統(tǒng)</p><p>　　控制系統(tǒng)如圖3-15所示，在水位傳遞函數(shù)為 仿真結(jié)果如圖3-16所示。在水位傳遞函數(shù)為 的仿

107、真結(jié)果如圖3-17所示。</p><p>　　4、汽包水位雙沖量PID控制系統(tǒng)</p><p>　　若汽包水位采用雙沖量單級PID控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)如圖3-18所示。對其在無、有干擾情況下進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果與三沖量PID進(jìn)行比較如圖3-19、3-20所示。</p><p>　　從控制系統(tǒng)仿真曲線圖可以看出（1）采用PID控制器，系統(tǒng)的靜態(tài)特性較好。（2）三沖量控制與

108、雙沖量，采用三沖量系統(tǒng)對干擾有很好有控制能力（3）串級系統(tǒng)對系統(tǒng)內(nèi)的干擾有較強(qiáng)的控制能力。（4）當(dāng)對象參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生巨大響應(yīng)，超調(diào)量明顯變大，上升時(shí)間變長，系統(tǒng)振蕩加劇，可以看出當(dāng)控制對象不明確時(shí)，PID控制效果不好。</p><p>　　圖3-15汽包水位三沖量串級PID控制系統(tǒng)圖</p><p>　　(a)水位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p&

109、gt;　　(b)在500秒加入蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　(c)在500秒加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　圖3-16 (a)(b)(c)在水位傳遞函數(shù)為 時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　(a)水位給定值階躍跟蹤響應(yīng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　(b)汽流量通道在1700秒

110、加入擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　(c)在1700秒加入給水流量擾動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　圖3-17(a)(b)(c)在水位傳遞函數(shù)為 時(shí)的仿真結(jié)果</p><p>　　圖3-18汽包水位雙沖量單級PID控制系統(tǒng)圖</p><p>　　3-19系統(tǒng)無擾動(dòng)時(shí)仿真結(jié)果比較圖</p>