鍋爐給水自動(dòng)化控制畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，汽包水位的過(guò)高過(guò)低都將影響鍋爐的正常運(yùn)行，因此對(duì)汽包水位必須進(jìn)行嚴(yán)格控制。影響汽包水位的因數(shù)主要有鍋爐蒸發(fā)量、給水量、爐膛負(fù)荷、汽包壓力。給水調(diào)節(jié)的任務(wù)就是使汽包水位維持在一個(gè)允許范圍內(nèi)。</p><p>　　本文從影響汽包水位的各種因數(shù)出發(fā)，分析了汽包水位的假水

2、位現(xiàn)象。設(shè)計(jì)出低負(fù)荷時(shí)采用單沖量控制及高負(fù)荷時(shí)采用三沖量控制給水控制系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真測(cè)試。從而實(shí)現(xiàn)鍋爐給水的自動(dòng)化控制。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽包水位 單沖量 三沖量</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The drum water level is an essential paramete

3、r for the boiler's safe operation. Both low and high level will influence boiler's normal operation; therefore, it must be controlled seriously. The main factors which will influence the level are the evaporating

4、 capacity of boiler, the capacity of feedwater, the furnace load and the drum pressure. The mission of feedwater regulation is to make the level keep in acceptable ranges.</p><p>　　Based on the analysis of a

5、ll kinds of factors influencing the drum waterlevel, 'false water level phenomenon'is analyzed. Low load adopting single impulse control and high load using three impulse are carried out for the feedwater control

6、 system, and simulation testing is done. Thus, automatic control of boiler feedwater is achieved.Keywords: Drum water level Single impulse Three impulse</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><

7、p>　　1.1選題背景及意義</p><p>　　液位是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中很重要的被控變量。工業(yè)生產(chǎn)中的潤(rùn)滑油、冷卻水、調(diào)速油、油質(zhì)加工、液態(tài)燃料供應(yīng)、廢油凈化、溶液加工與傳輸?shù)葓?chǎng)合，常需對(duì)容器中液位進(jìn)行有效可靠的控制，否則將不能使液體循環(huán)系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)組正常運(yùn)行。另外，在這些生產(chǎn)領(lǐng)域里，極容易出現(xiàn)操作失誤，引起事故，造成廠家的損失?？梢?，在實(shí)際生產(chǎn)中，液位控制的準(zhǔn)確程度和控制效果直接影響工廠的生產(chǎn)成本、經(jīng)

8、濟(jì)效益甚至設(shè)備的安全系數(shù)。所以，為了保證安全、方便操作，就必須研究開發(fā)先進(jìn)的液位控制方法和策略。</p><p>　　工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位系統(tǒng)通常是時(shí)變的，具有明顯的滯后特性。在熱工生產(chǎn)與傳輸質(zhì)量或能量的過(guò)程中，存在著各種形式的容積和阻力，加上對(duì)象多具有分布參數(shù)，好像被不同的阻力和容積相互分隔著一樣。生產(chǎn)實(shí)際中的被控對(duì)象往往是由多個(gè)容積和阻力構(gòu)成的多容對(duì)象。兩個(gè)串連的單容對(duì)象構(gòu)成的雙容對(duì)象就比較典型。</p

9、><p>　　液位控制設(shè)計(jì)依賴的自動(dòng)控制理論，經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論兩個(gè)發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入了非線性智能控制理論發(fā)展時(shí)期。從控制理論解決的問(wèn)題而論，很多重大的、根本的問(wèn)題，如可控性、可觀測(cè)性、穩(wěn)定性等系統(tǒng)的基本性質(zhì)，控制系統(tǒng)的綜合方法等在傳統(tǒng)控制中都建立了比較完善的理論體系。應(yīng)用傳統(tǒng)控制理論基本能夠滿足工程技術(shù)及各種其它領(lǐng)域的需要。但是隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)控制精度、響應(yīng)速度

10、、系統(tǒng)穩(wěn)定性與適應(yīng)能力的要求越來(lái)越高，應(yīng)用范圍也更加廣泛。特別是本世紀(jì)80年代以來(lái)，電子計(jì)算機(jī)的快速更新?lián)Q代和計(jì)算技術(shù)的高速度發(fā)展，推動(dòng)了控制理論研究的深入開展，并進(jìn)入了一段新的歷程?？刂评碚摰难杆侔l(fā)展，出現(xiàn)了許多先進(jìn)的控制算法。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在50年代就有了相當(dāng)?shù)难芯?，隨著人們逐漸認(rèn)識(shí)到它的一些優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)攝動(dòng)的某種完全適應(yīng)性，并可用來(lái)設(shè)計(jì)日益復(fù)雜對(duì)象的控制規(guī)律，近年來(lái)又受到較大重視并獲得巨大的發(fā)展。</p><p&

11、gt;　　人們生活以及工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常涉及到液位和流量的控制問(wèn)題，因此液位是工業(yè)控制過(guò)程中一個(gè)重要的參數(shù)。特別是在動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下，采用適合的方法對(duì)液位進(jìn)行檢測(cè)、控制，能收到很好的生產(chǎn)效果。由于液位檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，性能指標(biāo)和技術(shù)要求也有差異，但適用有效的測(cè)量成為共同的發(fā)展趨勢(shì)，隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，液位檢測(cè)的自動(dòng)控制成為其今后的發(fā)展趨勢(shì)，控制過(guò)程的自動(dòng)化處理以及監(jiān)控軟件良好的人機(jī)界面，操作人員在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上能根據(jù)控制效果及時(shí)修運(yùn)行

12、參數(shù)，這樣能有效地減少工人的疲勞和失誤，提高生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)性、安全性。隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用的普及、可靠性的提高及價(jià)格的下降，液位檢測(cè)的微機(jī)控制必將得到更加廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1過(guò)程控制的特點(diǎn)</p><p>　　液位控制系統(tǒng)一般指工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控變量為液位的系統(tǒng)。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)液位的

13、相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持為一定值或按一定規(guī)律變化，以保證質(zhì)量和生產(chǎn)安全，使生產(chǎn)自動(dòng)進(jìn)行下去。液位過(guò)程參數(shù)的變化不但受到過(guò)程內(nèi)部條件的影響，也受外界條件的影響，而且影響生產(chǎn)過(guò)程的參數(shù)一般不止一個(gè)，在過(guò)程中的作用也不同，這就增加了對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行控制的復(fù)雜性，或者控制起來(lái)相當(dāng)困難，因此形成了過(guò)程控制的下列特點(diǎn)：</p><p><b>　　1)對(duì)象存在滯后</b></p><

14、p>　　熱工生產(chǎn)大多是在龐大的生產(chǎn)設(shè)備內(nèi)進(jìn)行，對(duì)象的儲(chǔ)存能力大，慣性也較大，設(shè)備內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)或熱量傳遞都存在一定的阻力，并且往往具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向平衡的趨勢(shì)。因此，當(dāng)流入(流出)對(duì)象的質(zhì)量或能量發(fā)生變化時(shí)，由于存在容量、慣性、阻力，被控參數(shù)不可能立即產(chǎn)生響應(yīng)，這種現(xiàn)象叫做滯后。</p><p>　　2)對(duì)象特性的非線性</p><p>　　對(duì)象特性大多是隨負(fù)荷變化而變化，當(dāng)負(fù)荷改變時(shí)，動(dòng)態(tài)

15、特性有明顯的不同。大多數(shù)生產(chǎn)過(guò)程都具有非線性，弄清非線性產(chǎn)生的原因及非線性的實(shí)質(zhì)是極為重要的。</p><p><b>　　3)控制系統(tǒng)較復(fù)雜</b></p><p>　　從生產(chǎn)安全方面考慮，生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)計(jì)制造都力求生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行平穩(wěn)，參數(shù)變化不超出極限范圍，也不會(huì)產(chǎn)生振蕩，作為被控對(duì)象就具有非振蕩環(huán)節(jié)的特性。過(guò)程的穩(wěn)定被破壞后，往往具有自動(dòng)趨向平衡的能力，即被控量發(fā)生

16、變化時(shí)，對(duì)象本身能使被控量逐漸穩(wěn)定下來(lái)，這就具有慣性環(huán)節(jié)的特性。也有不能趨向平衡，被控量一直變化而不能穩(wěn)定下來(lái)的，這就是具有積分的對(duì)象。任何生產(chǎn)過(guò)程被控制的參數(shù)都不是一個(gè)，這些參數(shù)又各具有不同的特性，因此要針對(duì)這些不同的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)不同的控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2液位控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　目前在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的液位控制系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)的PID控制算法為主。

17、PID控制是以對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的一種控制方式。對(duì)于簡(jiǎn)單的線性、時(shí)不變系統(tǒng)，數(shù)學(xué)模型容易建立，采用PID控制能夠取得滿意的控制效果。但對(duì)于復(fù)雜的大型系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型往往難以獲得，通過(guò)簡(jiǎn)化、近似等手段獲得數(shù)學(xué)模型不能正確地反映實(shí)際系統(tǒng)的特性。對(duì)于此類問(wèn)題，傳統(tǒng)的PID控制方式顯得無(wú)能為力。液位控制由于其應(yīng)用極其普遍，種類繁多，其中不乏一些大型的復(fù)雜系統(tǒng)。但由于其時(shí)滯性很大、具有時(shí)變性和非線性等因素，嚴(yán)重影響PID控制的效目前，已經(jīng)開發(fā)出

18、來(lái)的控制策略（算法）很多，但其中許多算法仍然只是停留在計(jì)算機(jī)仿真或?qū)嶒?yàn)裝置的驗(yàn)證上，真正能有效地應(yīng)用在工業(yè)過(guò)程中的并有發(fā)展?jié)摿Φ娜詾閿?shù)不多。</p><p>　　隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制系統(tǒng)的控制的規(guī)模日趨大型化，復(fù)雜化，對(duì)設(shè)備和被控系統(tǒng)的安全性，可靠性，有效性的要求也越來(lái)越高，為了確保工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程高效，安全的進(jìn)行，保證并提高產(chǎn)品的質(zhì)量,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),及時(shí)準(zhǔn)確地把握生產(chǎn)運(yùn)行狀況,已成為目前

19、過(guò)程控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。 近幾十年來(lái)，液位控制系統(tǒng)已被廣泛使用，在其研究和發(fā)展上也已趨于完備。在輕工行業(yè)中，液位控制的應(yīng)用非常普遍，從簡(jiǎn)單的浮球液位開關(guān)、非接觸式的超聲波液位檢測(cè)一直到高精度的同位素液位檢測(cè)系統(tǒng)到處都可以見到他們的身影。而控制的概念更是應(yīng)用在許多生活周遭的事物上。而且液位控制系統(tǒng)已是一般工業(yè)界所不可缺少的元件。凡舉蓄水池,污水處理場(chǎng)等都需要液位元的控制.如果能通過(guò)一定的系統(tǒng)來(lái)自動(dòng)維持液位的高度那么操作人員便可輕易地在

20、操作時(shí)獲知真?zhèn)€設(shè)備的儲(chǔ)水狀況,如此不但工作人員工作的危險(xiǎn)性,同時(shí)更提升了工作的效率及簡(jiǎn)便性.</p><p>　　液位控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，但從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的液位控制器來(lái)講，同國(guó)外的日本、美國(guó)、德國(guó)等先進(jìn)國(guó)家相比，仍然有差距。目前，我國(guó)液位控制主要以常規(guī)的 PID 控制器為主，它只能適應(yīng)一般系統(tǒng)控制，難于控制滯后、復(fù)雜、時(shí)變溫度系統(tǒng)控制。而適應(yīng)于較高控制場(chǎng)合的智能化、自適應(yīng)控制儀表，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不十

21、分成熟，形成商品化并廣泛應(yīng)用的控制儀表較少。由于工業(yè)過(guò)程控制的需要，特別是在微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及自動(dòng)控制理論和設(shè)計(jì)方法發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)外液位控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化、自適應(yīng)、參數(shù)自整定等方面取得成果，在這方面，以日本、美國(guó)、德國(guó)、瑞典等國(guó)技術(shù)領(lǐng)先，都生產(chǎn)出了一批商品化的、性能優(yōu)異的液位控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.2.3液位控制的前景</p>&

22、lt;p>　　在構(gòu)建液位控制系統(tǒng)的過(guò)程中，我們得知實(shí)際操作的變異性存在其中，因此如何分析、調(diào)整及改良便是我們?nèi)蘸笏氐囊c(diǎn)。而在完成傳統(tǒng)的PID操作控制系統(tǒng)后，未來(lái)我們更將利用Genetic Algorithms 找出最好的參數(shù)并建構(gòu)在液位控制系統(tǒng)。且比較加入智能型控制后的系統(tǒng)與傳統(tǒng) PID是否會(huì)有性能上的差異。近年來(lái)液位控制系統(tǒng)取得了很大進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新型的液位控制儀，如超聲波液位儀、雷達(dá)液位儀、光電液位開關(guān)等，這些控制器

23、利用無(wú)線電波的折射及反射原理。光線在兩種介質(zhì)的分接口將產(chǎn)生反射或折射現(xiàn)象。當(dāng)被測(cè)液體處于高位時(shí)則被測(cè)液體與光電開關(guān)形成一種分界面，當(dāng)被測(cè)液體處于低位時(shí)，則空氣與光電開關(guān)形成另一種分界面。這兩種分接口使光電開關(guān)內(nèi)部光接受晶體所吸收的反射光強(qiáng)度不同，即對(duì)應(yīng)兩種不同的開關(guān)狀態(tài)，這些控制器的出現(xiàn)大大提高了控制系統(tǒng)的精度，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的豐富多樣性。</p><p><b>　　1.3本文研究?jī)?nèi)容</b&g

24、t;</p><p>　　液位控制系統(tǒng)是以液位為控制對(duì)象的控制系統(tǒng)，它在工業(yè)中的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。液位控制一般指對(duì)某控制對(duì)象的液位進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，使其達(dá)到所要求的控制精度。在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，很多場(chǎng)合都要對(duì)液位進(jìn)行控制，使其高精度、快速度地到達(dá)并保持給定的數(shù)值。如在化工生產(chǎn)過(guò)程中，鍋爐液位的穩(wěn)定性及快速性將直接影響到成品的質(zhì)量；在建材行業(yè)中，玻璃爐窯液位的穩(wěn)定性對(duì)爐窯的使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量起著決定性的作用；民

25、用水塔的供水，如果水位太低，則會(huì)影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進(jìn)水制得當(dāng)與否，關(guān)系到車間的生產(chǎn)狀況；鍋爐汽包液位過(guò)低，會(huì)使鍋爐過(guò)熱，可能發(fā)生事故；精餾塔液位控制，控制精度與工藝的高低會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)量與成本等。</p><p>　　在本文中，液位控制系統(tǒng)中的鍋爐為控制對(duì)象，液位為控制量。為了使液位的控制達(dá)到一定的精度，并且具有較好的動(dòng)態(tài)性能，采用了區(qū)別于傳統(tǒng)控制方式的串級(jí)控制。這樣使控制系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的控制

26、要求，提高了系統(tǒng)的控制性能。</p><p>　　本文主要研究?jī)?nèi)容：汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)，水位控制方案 ，給水控制全程實(shí)例，MATLAB軟件仿真。</p><p>　　第二章 汽包鍋爐水位控制方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　鍋爐是重要的動(dòng)力設(shè)備，其任務(wù)是供給合格穩(wěn)定的蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，如果水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正

27、常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，增加在管壁上的結(jié)垢和影響蒸汽質(zhì)量。如果水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁管的破裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成干鍋，損壞汽包。所以鍋爐汽包水位過(guò)高過(guò)低都可能造成重大事故。在鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中被控量是汽包水位，而調(diào)節(jié)量則是給水流量，通過(guò)對(duì)給水流量的調(diào)節(jié), 使汽包內(nèi)部的物料達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而使汽包水位的變化在允許范圍之內(nèi)，保證鍋爐的安全運(yùn)行，生產(chǎn)出合格穩(wěn)定的高質(zhì)量蒸汽，以滿足負(fù)荷的需要。</p>&

28、lt;p>　　本設(shè)計(jì)控制對(duì)象的主要參數(shù)有：</p><p>　　汽包水位控制在：300±10 mm</p><p>　　正常工作時(shí)的蒸發(fā)量：35t/h</p><p>　　水位穩(wěn)定時(shí)供水量為：35 m3/h</p><p>　　正常工作時(shí)汽包蒸汽壓力大約是0.5MP</p><p>　　2.1虛假水位的

29、形成及對(duì)策</p><p>　　虛假水位是鍋爐運(yùn)行時(shí)不真實(shí)的水位。虛假水位的產(chǎn)生是由于當(dāng)汽包壓力突降時(shí)，爐水飽和溫度下降到壓力較低時(shí)的飽和溫度，使?fàn)t水大量放出熱量來(lái)進(jìn)行蒸發(fā)。于是爐水內(nèi)的汽泡增加，汽水混合物體積膨脹，使水位不是下降而是很快上升，形成虛假水位。當(dāng)汽包壓力突升時(shí)，則相應(yīng)的飽和溫度提高一部分熱量被用于加熱爐水，而用來(lái)蒸發(fā)爐水的熱量則減少，爐水中汽泡量減少，使汽水混合物的體積收縮，使水位不是上升而是很快下

30、降，形成虛假水位。</p><p>　　此外當(dāng)鍋爐內(nèi)熱負(fù)荷增加或驟減時(shí)，水的比容將增大或減小，也會(huì)形成虛假水位。鍋爐負(fù)荷突變、滅火、安全門動(dòng)作、燃燒不穩(wěn)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生虛假水位。在負(fù)荷突然變化時(shí)，汽壓也相應(yīng)變化，這時(shí)將會(huì)出現(xiàn)虛假水位。負(fù)荷變化速度越快，虛假水位越明顯。如遇汽輪機(jī)甩負(fù)荷，汽壓突然升高，水位將瞬時(shí)下降；運(yùn)行中燃燒突然增強(qiáng)或減弱，引起汽泡量突然增大或減少，使水位瞬時(shí)升高或下降；安全閥起座時(shí)，由于壓力突然下降

31、，水位瞬時(shí)明顯升高；鍋爐滅火時(shí)，由于燃燒突然停止，鍋水中汽泡產(chǎn)量迅速減少，水位也將瞬時(shí)下降。</p><p>　　在輸入端引入蒸汽流量信號(hào)，設(shè)置水位系統(tǒng)的前饋調(diào)節(jié)，于是當(dāng)蒸汽流量增大時(shí)，給水量隨之增大，給水量增多，水溫又較低，有利于克服“虛假水位”的影響。</p><p>　　2.2汽包水位的影響因素</p><p>　　首先應(yīng)該從分析汽包水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐給

32、水調(diào)節(jié)對(duì)象如圖 2.1所示。給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為變頻器調(diào)節(jié)給水量W，汽輪機(jī)耗汽量D是由汽輪機(jī)閥門開度來(lái)控制的。</p><p>　　圖 2.1鍋爐給水調(diào)節(jié)對(duì)象</p><p>　　初看起來(lái)，汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎和單容水槽一樣，給水量和蒸汽流量影響汽包水位的高低[4]。但實(shí)際情況并非如此，最突出的一點(diǎn)就是水循環(huán)系統(tǒng)中充滿了夾雜著大量蒸汽汽泡的水，而蒸汽泡的體積V是隨著汽包壓力和爐膛熱負(fù)荷的變化而

33、變化的。如果有某種原因使汽泡的總體積變化了，即使水循環(huán)系統(tǒng)的總水量沒(méi)有發(fā)生變化，汽包水位也會(huì)因此隨之發(fā)生改變從而影響水位的穩(wěn)定。</p><p>　　影響汽包水位H的主要因素有給水量W，汽輪機(jī)耗汽量D和燃料量B三個(gè)主要因素。</p><p>　?。?）給水?dāng)_動(dòng)的影響</p><p>　　如果把汽包及其水循環(huán)系統(tǒng)看作一個(gè)單容水槽，那么水位的給水階躍擾動(dòng)響應(yīng)曲線應(yīng)該為圖

34、2.2所示的曲線H1所示。但考慮到給水的溫度低于汽包內(nèi)飽和的水溫度，當(dāng)它進(jìn)入汽包后吸收了原有的飽和水中的一部分熱量使得鍋爐內(nèi)部的蒸汽產(chǎn)量下降，水面以下的汽泡的總體積V也就會(huì)相應(yīng)的減小，從而導(dǎo)致水位下降如圖2.2所示的曲線H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)是曲線H1和 H2之和，如圖2.2所示的曲線H所示。它是一個(gè)具有延遲時(shí)間的積分環(huán)節(jié)，水的過(guò)冷度越大則響應(yīng)延遲時(shí)間就會(huì)越長(zhǎng)。其傳遞函數(shù)可以近似表示為：</p><p>

35、<b>　　(2.1)</b></p><p>　　式2.1中表示汽包水位的飛升速度，表示延遲時(shí)間。</p><p>　　圖2.2給水?dāng)_動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　?。?）汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)的影響</p><p>　　當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量D突然做階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡狀態(tài)，使汽包內(nèi)液體蒸發(fā)量變大從而使水位下降

36、，如圖2.3所示的曲線H1所示，另一方面由于汽輪機(jī)耗汽量D的突然增加，將迫使鍋爐內(nèi)汽泡增多，同時(shí)由于燃料量維持不變，汽包壓力下降，會(huì)導(dǎo)致水面以下蒸汽泡膨脹，總體積V增大，從而導(dǎo)致汽包水位上升，如圖2.3所示曲線H2所示。水位的實(shí)際響應(yīng)曲線應(yīng)該是曲線H1和 H2之和，如圖2.3所示曲線H所示。對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，后者的影響要大于前者，因此負(fù)荷做階躍增加后的一段時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)水位不但沒(méi)有下降反而明顯升高的現(xiàn)象，這種反常現(xiàn)象通常被稱為“假水位現(xiàn)

37、象”?？梢哉J(rèn)為這是一個(gè)慣性加積分環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以近似的表示為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　式2.2中表示汽包水位對(duì)于蒸汽流量的飛升速度，表示“假水位現(xiàn)象”的延遲時(shí)間。</p><p>　　圖2.3汽輪機(jī)耗汽量擾動(dòng)響應(yīng)曲線</p><p>　?。?）燃料量擾動(dòng)的影響</p

38、><p>　　燃料量的擾動(dòng)必然也會(huì)引起蒸汽流量D的變化，因此也同樣會(huì)有“假水位現(xiàn)象”發(fā)生。但由于汽包水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁管道也會(huì)存儲(chǔ)大量的熱量，因此具有一定的熱慣性。燃料量的增大只能使蒸汽量緩慢增大，而且同時(shí)汽壓也會(huì)緩慢上升，它將使汽泡體積減小，因此燃料量擾動(dòng)下的“假水位現(xiàn)象”比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。</p><p>　　由以上分析可知道給水量擾動(dòng)下的水位響應(yīng)有遲滯性，負(fù)荷擾動(dòng)

39、下的水位響應(yīng)有“假水位現(xiàn)象”。這些特性使得汽包水位的變化受到多種因素影響，因而對(duì)它的控制變得比較復(fù)雜和困難。</p><p>　　2.3汽包水位的控制方案設(shè)計(jì)</p><p>　　從反饋的思想出發(fā)很容易想到以汽包水位信號(hào)作為反饋量，給水流量作為被控量，構(gòu)成單回路反饋控制系統(tǒng)，即水位單沖量控制系統(tǒng)。如圖2.4所示，這是一個(gè)基本的控制方案其方框圖如圖2.5所示。對(duì)于小容量鍋爐來(lái)說(shuō)由于它的儲(chǔ)水容

40、量較大，水面以下的汽泡體積并不占有非常大的比重，因此水容積延遲和假水位現(xiàn)象并不是非常明顯，因此可以采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)來(lái)控制汽包水位。但對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)這種控制方案就不能滿足控制要求，因?yàn)槠啓C(jī)蒸汽量的負(fù)荷擾動(dòng)引起的假水位現(xiàn)象將引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作，導(dǎo)致汽包水位激烈的上下振蕩而不穩(wěn)定，嚴(yán)重的影響設(shè)備的運(yùn)行壽命和安全，所以大中型鍋爐不宜僅僅只采用汽包水位單沖量控制系統(tǒng)，必須尋找其他的解決辦法來(lái)控制汽包水位。</p>

41、<p>　　圖2.4汽包水位單沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.5汽包水位單沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　如果從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，只要能夠保證給水量永遠(yuǎn)等于蒸汽蒸發(fā)量就可以保證汽包水位大致不變。因此可以采用圖2.6所示的蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)，其中流量調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器，使汽輪機(jī)的蒸汽量作為系統(tǒng)的給定使給水流量跟蹤蒸汽流量的變化，構(gòu)成了一個(gè)以蒸汽量作為給定的隨

42、動(dòng)系統(tǒng)從而保證汽包水位的恒定。該方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖2.7所示。</p><p>　　圖2.6蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.7蒸汽流量隨動(dòng)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　采用該方案的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)完全根據(jù)物質(zhì)平衡條件工作，給水量的大小只取決于汽輪機(jī)的耗汽量，假水位現(xiàn)象不會(huì)引起給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。但是這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于汽包水位來(lái)說(shuō)只是開環(huán)控制系統(tǒng)。由于給水量

43、和蒸汽量的測(cè)量不準(zhǔn)確以及鍋爐系統(tǒng)引入的其他擾動(dòng)使得給水量和蒸汽量并非準(zhǔn)確的比值關(guān)系而保持水位恒定。由于水位對(duì)于二者的偏差是積分關(guān)系，微小的偏差長(zhǎng)時(shí)間積累也會(huì)形成很大的水位差，因此不宜采用隨動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　如果把以上所述兩種方案結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)如圖2.8所示，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.9所示。雙沖量指的是同時(shí)引入兩個(gè)測(cè)量信號(hào)：汽包水位和蒸汽流量。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)以上所分析的兩種方案取長(zhǎng)補(bǔ)

44、短，可以極大的提高汽包水位的控制質(zhì)量。當(dāng)汽輪機(jī)耗汽量出現(xiàn)階躍增大時(shí)，一方面由于“假水位現(xiàn)象”汽包水位會(huì)暫時(shí)有所升高，將使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)做出誤動(dòng)作錯(cuò)誤的減少給水量；另一方面汽輪機(jī)耗汽量的增大又通過(guò)比值控制系統(tǒng)指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大給水量，實(shí)際給水量的增減情況要根據(jù)實(shí)際情況通過(guò)參數(shù)整定來(lái)確定。當(dāng)假水位現(xiàn)象消失后水位和蒸汽信號(hào)都能正確的指揮調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)動(dòng)作。只要參數(shù)整定合適，給水量必然等于蒸汽量從而保證水位恒定。</p><p>　　

45、圖2.8汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.9汽包水位雙沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　此外考慮到給水流量的變化可以通過(guò)串級(jí)控制的方法讓給水量的擾動(dòng)通過(guò)內(nèi)回路自行調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)如圖2.10所示的三沖量控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.11所示。即前饋—反饋—串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)。該三沖量控制系統(tǒng)包含給水流量控制回路和汽包水位控制回路兩個(gè)控制回路以及一個(gè)蒸汽流量前饋通道，實(shí)質(zhì)上是蒸汽流

46、量前饋與水位－流量串級(jí)系統(tǒng)組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)的主參數(shù)是汽包水位，副參數(shù)是給水流量，主調(diào)節(jié)器是給水流量調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器是液位調(diào)節(jié)器。一方面可以克服給水?dāng)_動(dòng)，使給水流量自行調(diào)節(jié)，另一方面可以有效地抑制“假水位現(xiàn)象”。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生變化時(shí)，鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)中的給水流量控制回路可迅速改變進(jìn)水量的大小以完成粗調(diào)，然后再由汽包水位調(diào)節(jié)器完成水位的細(xì)調(diào)維持汽包水位的穩(wěn)定。</p><p>　　圖2.10汽包水

47、位三沖量控制系統(tǒng)</p><p>　　圖2.11汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　水位控制系統(tǒng)實(shí)例</b></p><p>　　3.1給水全程控制的概述</p><p>　　顧名思義，“給水全程自動(dòng)控制”是指鍋爐給水全程中部是自動(dòng)的，即在控制設(shè)備正常的條件下，不需要操作人員的干涉。就能保持汽包水位在

48、允許的范圍內(nèi)。這比常規(guī)給水控制要復(fù)雜得多，因此，對(duì)給水全程自動(dòng)控制系統(tǒng)提出以下要求：</p><p>　　(1)實(shí)現(xiàn)給水全程控制可以采用改變調(diào)節(jié)門開度，即改變給水管路阻力的方法來(lái)改變給水量v也可以采用改變給水泵轉(zhuǎn)速，即改變給水壓力的方法來(lái)改變給水量。前一種方法節(jié)流損失大，給水泵的消耗功率多，不經(jīng)濟(jì)，故在一被單元機(jī)組的大型鍋爐中都采用后一種方法。在給水全程控制系統(tǒng)中不僅要滿足給水量調(diào)節(jié)的要求，同時(shí)還要保證給水泵工作

49、在安全工作區(qū)內(nèi)。這往往需要有兩套控制系統(tǒng)來(lái)完成、即所謂兩段調(diào)節(jié)G</p><p>　　(2)由于機(jī)組在高、低負(fù)荷下呈現(xiàn)不同的對(duì)象持性，要求控制系統(tǒng)能適應(yīng)這樣的特性。隨著負(fù)荷增長(zhǎng)和下降，系統(tǒng)要從單沖量過(guò)渡到三沖量，或從三沖量過(guò)渡到單沖量系統(tǒng)，由此產(chǎn)生了系統(tǒng)的切換問(wèn)題。并且必須有保證兩套系統(tǒng)相互無(wú)擾切換的控制線路。</p><p>　　(3)由于全程控制系統(tǒng)的工作范圍較寬，對(duì)各個(gè)信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量

50、提出了更嚴(yán)格的要求。</p><p>　　(4)在多種調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜切換過(guò)程中，給水全程控制系統(tǒng)都必須保證無(wú)干擾。高、低負(fù)荷需用不同的調(diào)節(jié)閥門，必須解決切換問(wèn)題，調(diào)節(jié)閥門的切換伴隨著有關(guān)截門的切換，而裁門的切換過(guò)程需要一定的時(shí)間，導(dǎo)致了水位保持的困難。在低負(fù)荷時(shí)采用改變閥門的開度來(lái)保持泵的出口壓力，高負(fù)荷時(shí)用改變調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速保持水位，這又產(chǎn)生了閥門與調(diào)速泵間的過(guò)渡切換問(wèn)題。點(diǎn)火后，升詛升壓過(guò)程中，由于鍛爐沒(méi)有輸出

51、蒸汽量，給水量及其變化量都很小，此時(shí)單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)也不十分理想，就需要用開啟閥門的方法(觀位調(diào)節(jié)方式)進(jìn)行水位調(diào)節(jié)。</p><p>　　(5)給水全程控制還必須適應(yīng)機(jī)組定壓運(yùn)行和滑壓運(yùn)行工況，必須適應(yīng)冷態(tài)啟動(dòng)和熱態(tài)啟動(dòng)情況。</p><p>　　3.2全程給水控制實(shí)例</p><p>　　下面以600MW單元機(jī)組的給水系統(tǒng)為例，介紹全程給水控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理及結(jié)構(gòu)

52、特點(diǎn)。給水控制系統(tǒng)中重要的組成部分為：汽包水位、主蒸汽流量、主給水流量及給水泵的控制?？偟腟AMA圖如下，但是為了方便理解，下面分別介紹每部分的功能及運(yùn)行原理。 </p><p>　　3.2.1汽包水位的測(cè)量及校正</p><p>　　鍋爐從啟動(dòng)到正常運(yùn)行的過(guò)程中，汽包壓力不斷變化。由于汽包中飽和水及飽和汽水的密度隨壓力變化，影響了汽包水位測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此對(duì)于采用差壓原理測(cè)量飽和水的系

53、統(tǒng)，必須對(duì)壓差信號(hào)進(jìn)行壓力、溫度修正才能代表真正的汽包水位。</p><p>　　差壓式水位計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量汽包水位的關(guān)鍵是水位與差壓之間的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是通過(guò)平衡容器形成參比水柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前，國(guó)內(nèi)外最常用的是通過(guò)平衡容器下的參比水柱形成壓差來(lái)測(cè)量汽包水位的。</p><p>　　差壓水位表式利用比較水柱高度差值的原理來(lái)測(cè)量汽包水位的，測(cè)量時(shí)將汽包水位對(duì)應(yīng)的水柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)與作為參比的平衡容

54、器中保持不變的水柱所產(chǎn)生的壓強(qiáng)進(jìn)行比較，比較的基準(zhǔn)點(diǎn)是水位表水側(cè)取樣孔的中心線，由于參比水柱的高度是保持不變的，測(cè)得的壓差就可以直接反映出汽包中的水位。參比水柱的高度就是平衡容器內(nèi)的水面到水位表水側(cè)取樣孔的中心線。在平衡容器安裝完以后，參比水柱的高度就是一個(gè)定值，而用來(lái)測(cè)量差壓的差壓變送器的量程也就等于參比水柱的高度。</p><p>　　圖3-1汽包水位的測(cè)量如下圖所示</p><p>

55、　　ρS　＿＿　汽包內(nèi)飽和蒸汽密度，汽包壓力的單值函數(shù)</p><p>　　ρW —— 汽包內(nèi)飽和水密度，汽包壓力的單值函數(shù)</p><p>　　ρa(bǔ) —— 單室平衡容器內(nèi)非飽和水密度，它是壓力及溫度的函數(shù)（基準(zhǔn)水柱）</p><p>　　L —— 差壓水位計(jì)的量程范圍</p><p>　　L yc —— 單室平衡容器引出管中心

56、距</p><p>　　H —— 汽包實(shí)際水位</p><p>　　△P —— 單室平衡容器所測(cè)量到的差壓</p><p>　　T —— 汽包壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度</p><p>　　Ta ——單室平衡容器內(nèi)非飽和水的溫度</p><p>　　如圖所示，差壓變送器所測(cè)差壓：</p>&

57、lt;p>　　△P = （P+L×ρa(bǔ)）— ﹝P+（L－H）×ρS+H×ρW﹞ （3-1）</p><p>　　經(jīng)整理可得：H=﹝L(ρa(bǔ)－ρS) －△P﹞／(ρW－ρS) （3-2）</p><p>　　在上式中，水位計(jì)量程L為已知量，是一個(gè)常數(shù)，△P為差壓變送器的測(cè)量值，ρW、ρS為汽包壓力的單值函數(shù)，通過(guò)飽和水及飽

58、和蒸汽性質(zhì)表可查得，在控制中用函數(shù)模塊可以實(shí)現(xiàn)。ρa(bǔ)除了受壓力影響外，還和平衡容器的散熱條件與環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)汽壓和環(huán)境溫度改變時(shí)，其值也是會(huì)改變的。因此要對(duì)此兩個(gè)因素進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　圖3-2 汽包水位的測(cè)量及修正</p><p>　　雙測(cè)量的處理算法即為圖中的2XMTR，表示的作用是二選一。2XMTR是WDPF中的一個(gè)文本算法，它監(jiān)視兩個(gè)模擬量變送器的輸入，檢查它們的質(zhì)量

59、以及兩者的偏差。該算法產(chǎn)生的輸出，根據(jù)所選擇的方式，可能是兩個(gè)輸入中的任意一個(gè)（A或B），也可能是其中的較大者、較小者或兩者的平均值。運(yùn)行人員可通過(guò)WDPF所提供的圖形界面進(jìn)行選擇。</p><p>　　3.2.2蒸汽流量信號(hào)的測(cè)量及校正</p><p>　　蒸汽流量為鍋爐出口蒸汽流量，鍋爐出口蒸汽流量是汽輪機(jī)入口流量與旁路流量之和。中、小型發(fā)電機(jī)組主蒸汽流量測(cè)量通常使用標(biāo)注的節(jié)流元件 —

60、 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴即用差壓法測(cè)量，但大型發(fā)電機(jī)組由于蒸汽流量大、管徑大，不僅要求噴嘴體積大，制造且安裝等的要求也高。因此不宜采用此方法測(cè)量流量。</p><p>　　弗留格流量計(jì)算公式是目前應(yīng)用于蒸汽流量計(jì)算中較為普遍的方法。其測(cè)量原理是：當(dāng)多級(jí)汽輪機(jī)各級(jí)組內(nèi)的級(jí)數(shù)足夠多時(shí)，各級(jí)組前蒸汽壓力、溫度與級(jí)組蒸汽的流量可以有如下關(guān)系：</p><p>　　D = f(P1)× （3-3）

61、</p><p>　　其中T1 為調(diào)速級(jí)溫度，T０1為額定工況下的調(diào)速級(jí)溫度，P1是調(diào)速級(jí)的壓力。</p><p>　　圖3-3蒸汽流量信號(hào)的測(cè)量及修正</p><p>　　3.2.3主給水流量信號(hào)的測(cè)量及校正</p><p>　　由于過(guò)熱器噴水減溫器的減溫水流量和再熱器噴水減溫水流量都最終也轉(zhuǎn)換為蒸汽流量，因此，經(jīng)修正后的鍋爐給水流量和過(guò)熱

62、器、再熱器的減溫水流量相加，才是主給水流量。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)熱器減溫水流量包含一、二級(jí)減溫器（每級(jí)A、B兩側(cè)）總有四個(gè)減溫水流量信號(hào)；還有再熱器的減溫水流量信號(hào)。</p><p>　　圖3-4給水流量信號(hào)的測(cè)量及校正</p><p>　　3.2.4 單沖量、三沖量控制圖</p><p>　　圖3-5單沖量三沖量控制切換圖</p><p>　　在低負(fù)

63、荷階段只用汽包水位信號(hào)來(lái)控制，是單沖量控制方式，而在高負(fù)荷時(shí)采用了三沖量控制方式。汽包水位信號(hào)作用于主調(diào)節(jié)器的入口，用以校正水位的偏差。蒸汽流量為前饋信號(hào)，作用于副調(diào)節(jié)器的入口，形成前饋控制通道，主要用于克服虛假水位。給水流量信號(hào)位于內(nèi)回路閉環(huán)之內(nèi)是反饋信號(hào)。</p><p>　　3.2.5給水泵的SAMA圖：</p><p>　　圖3-6 給水泵控制圖</p><p&

64、gt;　　本例是600MW發(fā)電機(jī)組，三臺(tái)水泵。分別為額定量30%的電動(dòng)水泵，各為50%的汽動(dòng)給水泵。電動(dòng)給水泵一般是作為啟動(dòng)泵和備用泵，正常運(yùn)行時(shí)用兩臺(tái)汽動(dòng)泵。</p><p>　　在低負(fù)荷時(shí)電動(dòng)水泵運(yùn)行，這時(shí)采用的是單沖量控制方式。當(dāng)負(fù)荷升高時(shí)，汽動(dòng)水泵開始運(yùn)行，這時(shí)采用的是三沖量控制方式。當(dāng)出現(xiàn)異常情況是，切到手動(dòng)的方式。</p><p>　　手動(dòng)、手動(dòng)的切換條件：</p>

65、<p>　　汽包水位偏差大、汽包水位信號(hào)燈故障、電泵未運(yùn)行、電泵入口流量信號(hào)故障、三沖量調(diào)節(jié)時(shí)，給水流量信號(hào)故障、三沖量調(diào)節(jié)時(shí)，蒸汽流量信號(hào)故障。</p><p>　　3.3 給水全程控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法</p><p>　　3.3.1給水控制系統(tǒng)的整定</p><p>　　給水控制系統(tǒng)包括給水三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)、結(jié)水單沖量控制系統(tǒng)以及泵出口壓力控制

66、系統(tǒng)，投運(yùn)時(shí)，需對(duì)這三個(gè)部分分別進(jìn)行整定。</p><p>　　3.3.2給水三沖量串級(jí)控制系統(tǒng)的簽定</p><p>　　系統(tǒng)原型如圖3-7所示，其中有三個(gè)互相串聯(lián)的調(diào)節(jié)回路，它們是錄入口流量調(diào)節(jié)回路，(總的)給水量調(diào)節(jié)回路和水位調(diào)節(jié)回路。調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)組件)的整定參數(shù)是根據(jù)對(duì)象</p><p>　　的動(dòng)態(tài)特性來(lái)決定的。一般串級(jí)控制系統(tǒng)中副回路的調(diào)節(jié)過(guò)程比主回路快得

67、多，因此，在副回路受到階躍擾動(dòng)時(shí)，其調(diào)節(jié)過(guò)程在較短時(shí)間內(nèi)就能結(jié)束，此時(shí)，主回路基本上不參加動(dòng)作c而當(dāng)主回路進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，副回路幾乎起理想隨動(dòng)作用，即在主回路中副回路可近似看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)。因此，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的參數(shù)就可以分別獨(dú)立整定。</p><p>　　圖3-7； 給水控制系統(tǒng)原理框</p><p><b>　　系統(tǒng)仿真</b></p><p>

68、　　4..1 MATLAB軟件基本功能介紹</p><p>　　MATLAB是由美國(guó)mathworks公司發(fā)布的主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算，可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境。它是數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境中，為科學(xué)研究，工程設(shè)計(jì)以及必須進(jìn)行有效數(shù)值計(jì)算的眾多科學(xué)領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序語(yǔ)言的編輯

69、模式。代表了當(dāng)今國(guó)際科學(xué)計(jì)算軟件的先進(jìn)水平。</p><p>　　MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來(lái)解算問(wèn)題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語(yǔ)言完成相同的事情簡(jiǎn)捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。</p><p>　　4.2 MATLAB 軟件優(yōu)勢(shì)</p>

70、<p>　　1）友好的工作平臺(tái)和編程環(huán)境</p><p>　　MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級(jí)，MATLAB的用戶界面也越來(lái)越精致，更加接近Windows的標(biāo)準(zhǔn)界面，

71、人機(jī)交互性更強(qiáng)，操作更簡(jiǎn)單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機(jī)查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡(jiǎn)單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過(guò)編譯就可以直接運(yùn)行，而且能夠及時(shí)地報(bào)告出現(xiàn)的錯(cuò)誤及進(jìn)行出錯(cuò)原因分析。 </p><p>　　2）簡(jiǎn)單易用的程序語(yǔ)言</p><p>　　Matlab一個(gè)高級(jí)的矩陣/陣列語(yǔ)言，它包含控制語(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫?/p>

72、點(diǎn)。用戶可以在命令窗口中將輸入語(yǔ)句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個(gè)較大的復(fù)雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運(yùn)行。新版本的MATLAB語(yǔ)言是基于最為流行的C＋＋語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，因此語(yǔ)法特征與C＋＋語(yǔ)言極為相似，而且更加簡(jiǎn)單，更加符合科技人員對(duì)數(shù)學(xué)表達(dá)式的書寫格式。使之更利于非計(jì)算機(jī)專業(yè)的科技人員使用。而且這種語(yǔ)言可移植性好、可拓展性極強(qiáng)，這也是MATLAB能夠深入到科學(xué)研究及工程計(jì)算各個(gè)領(lǐng)域的重要原因。 </p><p&

73、gt;　　3）強(qiáng)大的科學(xué)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力</p><p>　　MATLAB是一個(gè)包含大量計(jì)算算法的集合。其擁有600多個(gè)工程中要用到的數(shù)學(xué)運(yùn)算函數(shù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)用戶所需的各種計(jì)算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計(jì)算中的最新研究成果，而前經(jīng)過(guò)了各種優(yōu)化和容錯(cuò)處理。在通常情況下，可以用它來(lái)代替底層編程語(yǔ)言，如C和C++ 。在計(jì)算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會(huì)大大減少。MATLAB的這些函數(shù)

74、集包括從最簡(jiǎn)單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復(fù)雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問(wèn)題其大致包括矩陣運(yùn)算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號(hào)運(yùn)算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析、工程中的優(yōu)化問(wèn)題、稀疏矩陣運(yùn)算、復(fù)數(shù)的各種運(yùn)算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學(xué)運(yùn)算、多維數(shù)組操作以及建模動(dòng)態(tài)仿真等。</p><p>　　4）出色的圖形處理功能</p><p>　　MATLAB自產(chǎn)生

75、之日起就具有方便的數(shù)據(jù)可視化功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來(lái)，并且可以對(duì)圖形進(jìn)行標(biāo)注和打印。高層次的作圖包括二維和三維的可視化、圖象處理、動(dòng)畫和表達(dá)式作圖?？捎糜诳茖W(xué)計(jì)算和工程繪圖。新版本的MATLAB對(duì)整個(gè)圖形處理功能作了很大的改進(jìn)和完善，使它不僅在一般數(shù)據(jù)可視化軟件都具有的功能（例如二維曲線和三維曲面的繪制和處理等）方面更加完善，而且對(duì)于一些其他軟件所沒(méi)有的功能（例如圖形的光照處理、色度處理以及四維數(shù)據(jù)的表現(xiàn)等），MATLAB同樣

76、表現(xiàn)了出色的處理能力。同時(shí)對(duì)一些特殊的可視化要求，例如圖形對(duì)話等，MATLAB也有相應(yīng)的功能函數(shù)，保證了用戶不同層次的要求。另外新版本的MATLAB還著重在圖形用戶界面（GUI）的制作上作了很大的改善，對(duì)這方面有特殊要求的用戶也可以得到滿足。</p><p>　　5）應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱</p><p>　　MATLAB對(duì)許多專門的領(lǐng)域都開發(fā)了功能強(qiáng)大的模塊集和工具箱。一般來(lái)說(shuō)，它們都

77、是由特定領(lǐng)域的專家開發(fā)的，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評(píng)估不同的方法而不需要自己編寫代碼。目前，MATLAB已經(jīng)把工具箱延伸到了科學(xué)研究和工程應(yīng)用的諸多領(lǐng)域，諸如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)庫(kù)接口、概率統(tǒng)計(jì)、樣條擬合、優(yōu)化算法、偏微分方程求解、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、LMI控制、魯棒控制、模型預(yù)測(cè)、模糊邏輯、金融分析、地圖工具、非線性控制設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)快速原型及半物理仿真、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、定點(diǎn)仿真、DSP與通

78、訊、電力系統(tǒng)仿真等，都在工具箱（Toolbox）家族中有了自己的一席之地。 </p><p>　　6）實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺(tái)</p><p>　　新版本的MATLAB可以利用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫(kù)和圖形庫(kù)，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語(yǔ)言程序。另外，MATLAB網(wǎng)頁(yè)服務(wù)程序還容許

79、在Web應(yīng)用中使用自己的MATLAB數(shù)學(xué)和圖形程序。MATLAB的一個(gè)重要特色就是具有一套程序擴(kuò)展系統(tǒng)和一組稱之為工具箱的特殊應(yīng)用子程序。工具箱是MATLAB函數(shù)的子程序庫(kù)，每一個(gè)工具箱都是為某一類學(xué)科專業(yè)和應(yīng)用而定制的，主要包括信號(hào)處理、控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、小波分析和系統(tǒng)仿真等方面的應(yīng)用。</p><p><b>　　7）應(yīng)用軟件開發(fā) </b></p><p&

80、gt;　　在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個(gè)文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強(qiáng)大的圖形標(biāo)注和處理功能，包括對(duì)性對(duì)起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進(jìn)行連接。</p><p>　　4-3單沖量給水控制系統(tǒng)的仿真</p><p>　　4-1單沖量控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　無(wú)自衡能力的廣義

81、過(guò)程的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　W0(s) = eτs (4-1)</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)是： </p><p>　　WT(s) = ( 1+) (4-2)</p><p>　　假設(shè)鍋爐水位對(duì)象的傳遞函數(shù)為： </p><p>　　WD(s) =

82、 (4-3)</p><p>　　利用廣義頻率特性法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：</p><p>　　δ= 1.36ετ= 1.36×0.037×30= 1.5096 (4-4)</p><p>　　TI = 3.3τ= 3.3×30=99 (4-5)</p><

83、p>　　因此比例積分的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　WT(s)= (4-6)</p><p>　　對(duì)單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時(shí)進(jìn)行仿真</p><p>　　4-2單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時(shí)的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中：step為給定階躍信號(hào)，作用為產(chǎn)生一個(gè)階躍信

84、號(hào)；Gain為閥門系數(shù)；Scope為示波器，作用為顯示仿真結(jié)果。</p><p>　　4-3單沖量給水控制系統(tǒng)在給定值階躍增加時(shí)的仿真曲線圖</p><p>　　4.3.2對(duì)單沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量擾動(dòng)下進(jìn)行仿真</p><p>　　單沖量給水控制在給水流量擾動(dòng)下的Simulink結(jié)構(gòu)如圖4-4所示，4-5是仿真圖。</p><p>　　

85、4-4單沖量給水控制系統(tǒng)在給水流量下的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-5單沖量給水控制系統(tǒng)在給水量擾動(dòng)下的仿真曲線</p><p>　　4.3.3對(duì)單沖量給水控制系統(tǒng)在蒸汽流量擾動(dòng)下進(jìn)行仿真</p><p>　　單沖量給水控制在蒸汽流量擾動(dòng)下的Simulink結(jié)構(gòu)圖中的參數(shù)與前面的介紹是一樣的。只是多了一個(gè)干擾通道的傳遞函數(shù)。</p>

86、<p><b>　　傳遞函數(shù)為：</b></p><p>　　WDZ(s) = - = - = (4-7)</p><p>　　單沖量給水控制在蒸汽流量擾動(dòng)下的Simulink結(jié)構(gòu)如圖4-6所示，4-7是仿真圖。</p><p>　　4-6單沖量給水控制在蒸汽流量擾動(dòng)下的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

87、t;　　4-7單沖量給水控制在蒸汽流量擾動(dòng)下的仿真曲線</p><p>　　從圖4-3可以看出，響應(yīng)曲線峰值時(shí)間大約為80s左右，超調(diào)量大約為50%，調(diào)節(jié)時(shí)間在360s，系統(tǒng)能快速穩(wěn)定在相對(duì)水位上，有較好的控制特性，但是由于調(diào)節(jié)器參數(shù)是通過(guò)理論計(jì)算方法整定的，與在工程實(shí)際應(yīng)用中要求的存在一定偏差。</p><p>　　從圖4-5可以看到，此系統(tǒng)能消除內(nèi)繞的影響</p><

88、;p>　　從圖4-7可以看到，第二個(gè)峰值比第一個(gè)峰幅值大，就是由于虛假水位造成的。</p><p>　　單沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，對(duì)于大容量，飛升速度小，負(fù)荷變換也不大，控制質(zhì)量要求不高的小容量鍋爐，在低負(fù)荷時(shí)采用三沖量給水控制系統(tǒng)控制鍋爐汽包水位。</p><p>　　4.4 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　給定的系統(tǒng)

89、參數(shù)：ε=0.037 ，τ=30s，閥門系數(shù)Kf =2，給水流量變送器系數(shù)γG =γD =0.083 ,水位變送器系數(shù)γH = 0.033</p><p>　　4.4.1 內(nèi)回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　內(nèi)回路的整定要求是：它能迅速消除內(nèi)擾，穩(wěn)定給水量。經(jīng)過(guò)整定后廣義調(diào)節(jié)對(duì)象為：WD(S) = Kf KZγG = 0.166 是一個(gè)近似的比例環(huán)節(jié)，因此調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時(shí)間都

90、可以取得很小，一般取積分時(shí)間Ti ≤10s。所以取Ti =6s，δ=0.025 、nG= 0.15 </p><p>　　WT(s) = ( 1+) = (1+) (4-8)</p><p>　　4-8內(nèi)回路的Simulink圖</p><p>　　4-9內(nèi)回路的仿真圖</p><p>　　由4-9仿真的圖可以看出，給水過(guò)渡過(guò)程曲

91、線能快速穩(wěn)定，而且沒(méi)有超調(diào)，可以看成是一個(gè)快速比例環(huán)節(jié)。所以內(nèi)回路是一個(gè)快速隨動(dòng)系統(tǒng)，能快速穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　4.4.2外回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　整定主回路的目的是進(jìn)一步確定nG值。外回路的整定是建立在內(nèi)回路可以等效為一個(gè)快速比例環(huán)節(jié)上的。外回路等效圖如圖4-10所示：</p><p>　　4-10外回路等效圖</p&

92、gt;<p>　　其中1／nG γG為快速副回路的等效環(huán)節(jié)，把副回路和水位變送器看作一個(gè)等效環(huán)節(jié)器WT(s)，將其看作比例調(diào)節(jié)器。</p><p>　　WT(s) == = （4-9）</p><p>　　WD1(s) = （4-10）</p><p>　　δ外= 0.48τε= 0.48×0.037×30=

93、0.525 （4-11）</p><p>　　nG = ×δ外 = ×0.525 =0.21 （4-12）</p><p>　　δ= nG = 0.167×0.21=0.035 (4-13)</p><p>　　4-11外回路的Simulink圖</p><p>　　4-

94、12 外回路仿真的曲線圖</p><p>　　由圖4-12可見，增大給水流量的分壓系數(shù)nG，使給水流量動(dòng)作減慢，增加了主回路的穩(wěn)定性。為了保持內(nèi)回路的穩(wěn)定性，必須相應(yīng)地增加調(diào)節(jié)器的比例帶。</p><p>　　4.4.3 前饋回路的參數(shù)整定及仿真。</p><p>　　前饋回路的簡(jiǎn)化圖如下4-13所示：</p><p>　　4-13前饋回路的

95、簡(jiǎn)化圖</p><p>　　因?yàn)檎羝髁壳梆伃h(huán)節(jié)不在控制系統(tǒng)反饋回路之內(nèi)，它們的動(dòng)態(tài)特性及取值大小不會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故：</p><p><b>　　根據(jù)無(wú)靜差原則：</b></p><p>　　nD = nG = 0.21 (4-14)</p><p>　　綜上，最后的整定結(jié)果為：</p>

96、<p>　　δ=0.035 (4-15)</p><p>　　Ti = 6s (4-16)</p><p>　　nD = nG = 0.21 (4-17)</p><p>　　4.4.4 單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖和仿真圖</p><p>　　(1)整個(gè)

97、單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖和仿真圖</p><p>　　在所有的待整定的參數(shù)被整定后，單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的方框圖4-14下所示：</p><p>　　4-14單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　4-15單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-16單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的

98、仿真圖</p><p>　　4.5串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)的分析整定方法，應(yīng)將內(nèi)回路處理為具有近似比例特性的快速隨動(dòng)系統(tǒng)，以使內(nèi)回路具有快速消除內(nèi)繞及快速跟蹤蒸汽流量的能力。其分析整定原理為單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)完全相同。即用試探法選擇內(nèi)調(diào)節(jié)器的比例帶δ2的值，以保證內(nèi)回路不振蕩為原則，在試探時(shí)，給水流量反饋裝置的分壓系數(shù)nG可任意設(shè)置一

99、個(gè)數(shù)值，得到滿意的δ2的值。如果nG以后有必要改變，則應(yīng)相應(yīng)地改變?chǔ)?的值，使nG／δ2保持試探時(shí)的值，以保證內(nèi)回路的穩(wěn)定性。</p><p>　　圖4-17串級(jí)三沖量控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　內(nèi)回路參數(shù)的整定及仿真</p><p>　　4-18串級(jí)三沖量控制給水系統(tǒng)的內(nèi)回路的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-19串

100、級(jí)三沖量控制給水系統(tǒng)的內(nèi)回路的仿真曲線</p><p>　　2．外回路的參數(shù)整定及仿真</p><p>　　在外回路中，如果把內(nèi)回路近似看作比例環(huán)節(jié)，則主回路的等效框圖如4-20 所示其中</p><p>　　1／nG γG為等效內(nèi)回路。</p><p>　　4-20三沖量串級(jí)給水控制系統(tǒng)的方框圖</p><p>　　

101、這時(shí)，主回路等效為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)，把WD1(s)看成是被控對(duì)象，其余的環(huán)節(jié)可看成是等效調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為：</p><p>　　WT1*（s）= (1+) （4-18）</p><p>　　用下列經(jīng)驗(yàn)公式整定：</p><p>　　δ*1= 1.1ετ (4-19)</p><p>　　Ti1= 3

102、.3τγ (4-20）</p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　δ1 = = = 0.486 （4-21）</p><p>　　Ti1 = 3.3τ= 3.3×30 = 99 （4-22）</p><p>　　

103、4-21串級(jí)三沖量控制給水系統(tǒng)的外回路的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-22串級(jí)三沖量控制給水系統(tǒng)的外回路的仿真曲線</p><p>　　通過(guò)對(duì)串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)在主回路的分析，可以看出它與單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的不同特點(diǎn)：串級(jí)主、副回路的工作可以認(rèn)為基本上是各自獨(dú)立的。給水流量G、給水流量反饋裝置的分壓系數(shù)nG也同時(shí)對(duì)主、副回路的工作產(chǎn)生影響。但它們?cè)谙到y(tǒng)中的作用卻比

104、在單級(jí)系統(tǒng)中小的多。在單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)中，外回路的等效調(diào)節(jié)器比例帶δ*= nGγG／γH，可以通過(guò)改變nG來(lái)調(diào)整δ*，但nG的選擇還必須同時(shí)兼顧內(nèi)回路的穩(wěn)定性。串級(jí)單沖量系統(tǒng)中的等效主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1*= γH／nGγG ，可以改變主調(diào)節(jié)器的比例帶δ1來(lái)調(diào)整δ1*。因此，調(diào)整δ1*時(shí)并不會(huì)影響到內(nèi)回路的工作穩(wěn)定性，從而做到外、內(nèi)回路互不影響，即內(nèi)回路的穩(wěn)定性由改變nG來(lái)保證，外回路的穩(wěn)定性由改變?chǔ)?來(lái)保證。</p>&

105、lt;p>　　3．蒸汽流量前饋裝置的整定</p><p>　　在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，水位偏差完全由主調(diào)節(jié)器來(lái)校正，使靜態(tài)水為值總是等于給定值。因此，就不要求送到副調(diào)節(jié)器的蒸汽流量信號(hào)VD等于給水流量信號(hào)VG，所以前饋裝置的分壓系數(shù)nD選擇不受靜態(tài)性無(wú)差條件的限制。而可根據(jù)鍋爐“虛假水位”的嚴(yán)重程度來(lái)確定，從而改善負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)控制過(guò)程的質(zhì)量。一般使蒸汽流量信號(hào)大于給水流量信號(hào)，即：</p>

106、<p>　　γDnG = -γGnGK K＞1 （4-23）</p><p><b>　　因?yàn)?: </b></p><p>　　γD = γG (4-24)</p><p><b>　　則 :</b></p><p>　　nG = -nGK (4-25)

107、</p><p>　　4-23串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的Simulink結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-24串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真圖</p><p>　　串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真曲線圖從仿真結(jié)果可看出，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)取得了比單級(jí)三沖量控制系統(tǒng)更好的控制結(jié)果。具體特點(diǎn)為調(diào)節(jié)時(shí)間短，響應(yīng)速度快，超調(diào)小，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性能得到了改善，被控對(duì)象特性參數(shù)變化不敏

108、感，能很好地克服給水流量擾動(dòng)對(duì)汽包水位的影響，充分體現(xiàn)了串級(jí)系統(tǒng)的特點(diǎn)。</p><p>　　在高負(fù)荷時(shí)采用串級(jí)三沖量給水控制汽包水位是較理想的選擇</p><p><b>　　第五章 全文總結(jié)</b></p><p>　　本文介紹了雙容水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過(guò)和其他控制算法比較，最終采用串級(jí)控制對(duì)雙容水箱實(shí)現(xiàn)液位控制，通過(guò)學(xué)習(xí)和了解P