..-..-可修遍-XX城建大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書2013-2014學(xué)年第2學(xué)期控制與機械工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)班級電氣12班：學(xué)號：課程設(shè)計名稱：過程控制設(shè)計題目：鍋爐汽包液位控制完成期限：自2014年6月20日至2014年6月26日共1周設(shè)計依據(jù)、要求及主要容：一、設(shè)計任務(wù)

加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)，測取溫度對象的過程為：當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時，在溫度調(diào)節(jié)閥上做3%變化，輸出溫度記錄如下：t/min024681012270.0270.0267.0264.7262.7261.0259.5t/min14161820222426258.4257.8257.0256.5256.0255.7255.4t/min28303234363840255.2255.1255.0255.0255.0255.0255.0試根據(jù)實驗數(shù)據(jù)設(shè)計一個超調(diào)量的無差控制系統(tǒng)。具體要求如下：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)選擇一定的辨識方法建立對象的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)辨識結(jié)果設(shè)計符合要求的控制系統(tǒng)〔控制系統(tǒng)原理圖、控制規(guī)律選擇等〕；根據(jù)設(shè)計方案選擇相應(yīng)的控制儀表；對設(shè)計的控制系統(tǒng)進展仿真，整定運行參數(shù)。二、設(shè)計要求

采用MATLAB仿真；需要做出以下結(jié)果：超調(diào)量峰值時間過渡過程時間余差第一個波峰值第二個波峰值衰減比衰減率振蕩頻率全部P、I、D的參數(shù)PID的模型設(shè)計思路三、設(shè)計報告課程設(shè)計報告要做到層次清晰，論述清楚，圖表正確，書寫工整；詳見"課程設(shè)計報告寫作要求〞。四、參考資料[1]何衍慶．工業(yè)生產(chǎn)過程控制〔1版〕．：化學(xué)工業(yè)，2004[2]邵裕森．過程控制工程．：機械工業(yè)2000[3]過程控制教材指導(dǎo)教師〔簽字〕：教研室主任〔簽字〕：批準日期：年月日摘要鍋爐是典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺，由于設(shè)備分散、管理不善或技術(shù)原因，使多數(shù)鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關(guān)注的焦點，而汽包水位是工鍋爐平安、穩(wěn)定運行的重要指標，保證水位控制在給定圍，對于高蒸汽品質(zhì)、減少設(shè)備損耗和運行損耗、確保整個網(wǎng)絡(luò)平安運行具有要意義。鍋爐汽包水位高度，是確保平安生產(chǎn)和提供優(yōu)質(zhì)蒸汽的重要參數(shù)，對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)來說尤其是這樣。因為現(xiàn)代鍋爐的特點之一就是蒸發(fā)量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現(xiàn)代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環(huán)的正常進展，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產(chǎn)生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規(guī)定圍之。維持汽包水位在給定圍是保證鍋護和汽輪機平安運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包汽水別離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時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葉片上的結(jié)垢。水位過低，那么可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。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，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。汽包水位的控制是鍋爐控制的一個難點，目前，對汽包水位控制大多采用常規(guī)PID控制方式，傳統(tǒng)的常規(guī)PID控制方式是根據(jù)控制對象的數(shù)學(xué)模型建立，由于鍋爐水位系統(tǒng)存在非線性、不確定性時滯和負荷干擾、非最小相位特征等，其準確的數(shù)學(xué)模型往往無法獲得而且常規(guī)PID控制的參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種擾動及對象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。關(guān)鍵詞：沖量，汽包水位控制，PID控制，仿真目錄1、緒論11.1鍋爐的工作過程簡介11.2鍋爐汽包水位自動控制的意義21.3鍋爐液位控制的難點22、汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計22.1概述22.2單沖量控制系統(tǒng)32.3雙沖量控制系統(tǒng)42.4三沖量控制系統(tǒng)42.4.1單級三沖量控制系統(tǒng)42.4.2串級三沖量控制系統(tǒng)53、鍋爐汽包水位的動態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模63.1給水流量作用下的動態(tài)特性63.2蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性83.3根據(jù)所給數(shù)據(jù)進展曲線擬合83.3.1相關(guān)MATLAB程序及結(jié)果83.3.2控制變量確實定103.4串級三沖量的框圖104、硬件選擇114.1流量傳感器選擇114.2水位傳感器選擇124.3電機的選擇124.4接觸器的選擇124.5閥的開閉選擇形式135、PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真135.1串級三沖量仿真電路圖的搭建135.2串級三沖量PID參數(shù)的整定135.3仿真分析15總結(jié)16參考文獻17...-可修遍-1、緒論1.1鍋爐的工作過程簡介鍋爐是工業(yè)過程中不可缺少的動力設(shè)備，鍋爐的任務(wù)是根據(jù)外界負荷的變化，輸送一定質(zhì)量(汽壓、汽溫)和相應(yīng)數(shù)量的蒸汽。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學(xué)反響、枯燥等過程提供熱源，而且還可以作為風(fēng)機、壓縮機、泵類驅(qū)動透平的動力源。鍋爐是由"鍋〞和"爐〞兩局部組成的。"鍋〞就是鍋爐的汽水系統(tǒng)，如下圖。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的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經(jīng)下降管進入鍋爐底部的下聯(lián)箱，又經(jīng)爐膛四周的水冷壁進入上聯(lián)箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一局部蒸發(fā)成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中別離成水和汽，水和給水一起再進入下降管參加循環(huán)，汽那么由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫到達規(guī)定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。圖1.1鍋爐的汽水系統(tǒng)"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，聚集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經(jīng)過負荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供負荷設(shè)備使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣，其中含有大量余熱，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。1.2鍋爐汽包水位自動控制的意義鍋爐汽包水位自動調(diào)節(jié)的任務(wù)是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，并維持汽包中的水位在工藝允許的圍。維持汽包水位在給定圍是保證鍋護和汽輪機平安運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包汽水別離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產(chǎn)生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時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葉片上的結(jié)垢。水位過低，那么可能破壞自然循環(huán)鍋爐汽水循環(huán)系統(tǒng)中某些薄弱環(huán)節(jié)，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。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，因此對汽包水位實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)提出了迫切的要求。1.3鍋爐液位控制的難點液位的控制技術(shù)是通過控制進水或出水閥門的開度，改變水流量來實現(xiàn)的，而水溫的控制是通過調(diào)節(jié)加熱的功率來實現(xiàn)的。鍋爐液位的控制是鍋爐控制系統(tǒng)較為重要和比擬難于控制的一項。由于在鍋爐運行過程中存在進水量和出水量的變化，所以很難通過調(diào)整PID控制器參數(shù)來滿足所有的運行條件，獲得理想的控制效果。調(diào)整過量會導(dǎo)致流量回路動作頻繁，從而給下游設(shè)備帶來了額外的干擾。這樣就導(dǎo)致液位控制器通常處于欠調(diào)正狀態(tài)允許液位在一定圍波動，以減小出水量的變化。然而，欠調(diào)正的PID不能及時抑制大擾動，這就可能引起鍋爐運行的平安問題。另外，液位的波動也會破壞鍋爐運行過程的穩(wěn)定，使得蒸汽輸送等不易控制。影響鍋爐液位的關(guān)鍵變量有給水流量，蒸汽出口流量和混合燃料的進料量。各變量都有各自不同的擾動。較冷的給水造成相應(yīng)的純滯后。蒸汽流出量的突然增加造成了典型的"假水位〞現(xiàn)象，使得過程暫時改變了方向，容易產(chǎn)生誤操作而導(dǎo)致發(fā)生事故。2、汽包鍋爐水位控制系統(tǒng)的設(shè)計2.1概述汽包水位的控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)而出現(xiàn)，長久以來一直是控制領(lǐng)域的一個典型的難問題。隨著控制理論、控制技術(shù)和現(xiàn)代控制方法的開展，鍋爐自動化控制的水平也在逐漸提高。其間主要經(jīng)歷了上世紀三四十年代單參數(shù)儀表控制，四五十年代單元組合儀表綜合參數(shù)儀表控制，以及六十年代興起的計算機控制等幾個階段。通常有如下幾種方案：單沖量控制系統(tǒng)。即汽包水位的單回路水位控制系統(tǒng)；雙沖量控制系統(tǒng)。即在單沖量系統(tǒng)的根底上引入了蒸汽流量信號；三沖量控制系統(tǒng)。是在雙沖量系統(tǒng)的根底上再引入給水流量信號而構(gòu)成。2.2單沖量控制系統(tǒng)單沖量水位控制系統(tǒng)以汽包水位作為唯一的控制信號，沖量即變量。水位測量信號經(jīng)變送器送到水位調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值H與給定值H0的偏差，通過執(zhí)行器去控制給水調(diào)節(jié)閥以改變給水量，保持汽包水位在允許的圍。系統(tǒng)框圖為圖2.1所示。圖2.1單沖量控制系統(tǒng)框圖這種控制系統(tǒng)構(gòu)造簡單，是典型的單回路定制控制系統(tǒng)。對于水在汽包的停留時間較長，且負荷又比擬穩(wěn)定，"虛假水位〞現(xiàn)象不嚴重的情況下，采用單沖量控制系統(tǒng)，進展PID調(diào)節(jié)一般就能滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)的優(yōu)點是：系統(tǒng)構(gòu)造簡單，在汽包容量比擬大、水位在受到擾動后的反響速度比擬慢、"虛假水位〞現(xiàn)象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調(diào)節(jié)時能夠滿足生產(chǎn)要求。單沖量汽包水位調(diào)節(jié)存在著一些缺點，主要有：〔1〕單沖量控制方案只根據(jù)水位信號控制給水量，在鍋爐負荷變化大，即階躍擾動很大時，由于鍋爐的"虛假水位〞現(xiàn)象，例如負荷蒸汽增加時，水位一開場先上升，調(diào)節(jié)器只根據(jù)水位作為控制信號，就去關(guān)小閥門減少給水量，這個動作對鍋爐流量平衡是錯誤的，從而在過程一開場就擴大蒸汽流量和給水流量的波動幅度，擴大了進出流量的不平衡?！?〕從給水?dāng)_動下水位變化的動態(tài)特性可以看出，由于給水壓力變化等原因造成給水量變化時，調(diào)節(jié)器要等到水位變化后才開場動作，而在調(diào)節(jié)器動作后又要經(jīng)過一段滯后時間才能對汽包水位發(fā)生影響，因此必將導(dǎo)致汽包水位波動幅度大，過程時間長。2.3雙沖量控制系統(tǒng)在汽包的水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。雙沖量控制系統(tǒng)是以鍋爐汽包水位測量信號作為主控信號，以蒸汽流量信號作為前饋信號構(gòu)成的"前饋-反響〞控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖為圖2.2所示。圖2.2雙沖量控制系統(tǒng)框圖雙沖量控制系統(tǒng)的優(yōu)點是：引入蒸汽流量前饋信號可以消除"虛假水位〞所引起的不良影響。當(dāng)蒸汽量變化時，就有一個給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減少或抵消由于"虛假水位〞現(xiàn)象引起的假水位；引入蒸汽流量前饋信號，能夠改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。雙沖量控制系統(tǒng)存在的問題是：對于給水系統(tǒng)的擾動不能直接補償，當(dāng)給水量發(fā)生擾動時，要等到汽包水位信號變化時才能通過調(diào)節(jié)器操作執(zhí)行調(diào)節(jié)，滯后時間長，水位波動大。2.4三沖量控制系統(tǒng)2.4.1單級三沖量控制系統(tǒng)三沖量鍋爐汽包給水自動控制系統(tǒng)，是以汽包水位H為主控制信號，蒸汽流量D為前饋控制信號，給水流量W為反響控制信號組成的控制系統(tǒng)。三沖量控制系統(tǒng)采用蒸汽量進展前饋控制。當(dāng)負荷〔蒸汽流量〕突然發(fā)生變化，蒸汽流量信號能使給水調(diào)節(jié)閥一開場就向正方向移動，即當(dāng)蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于"虛假水位〞引起的方向誤動作。如給水流量減少，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)給水流量減少的信號，開大給水閥，從而使給水量保持不變。另外，給水流量信號也是調(diào)節(jié)器動作后的反響信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，所以使用三沖量控制系統(tǒng)，能使調(diào)節(jié)器動作加快，還可以防止調(diào)解過量，減少水位波動，防止失控。系統(tǒng)框圖為圖2.3所示。圖2.3單級三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的回路；另一個是由汽包水位對象和回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反響的控制系統(tǒng)。單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求，能有效地防止"虛假水位〞現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的缺乏是，系統(tǒng)本錢高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。2.4.2串級三沖量控制系統(tǒng)隨著生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化的方向開展，對操作的要求更加嚴格，參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜，對控制的精度和功能提出新的要求。為此，需要在單回路的根底上，采取其它措施，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。如下圖的三沖量串級控制系統(tǒng)框圖中，主調(diào)節(jié)器承受水位信號作為主控信號和蒸汽流量信號去控制副調(diào)節(jié)器的給水設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器除了承受主調(diào)節(jié)器的設(shè)定信號外，還承受給水流量信號。蒸汽流量信號作為前饋信號對給水流量進展前饋控制，當(dāng)蒸汽負荷突然發(fā)生變化時，蒸汽流量信號使給水調(diào)節(jié)閥立即向正確的方向移動，即當(dāng)蒸汽流量增加時，給水調(diào)節(jié)閥開大，從而抵消了由于虛假水位引起的反向作用，因此減少了水位和給水流量的波動幅度。給水流量信號作為調(diào)節(jié)閥動作后的反響信號，能使調(diào)節(jié)器及早知道控制的效果，做出相應(yīng)的調(diào)整。系統(tǒng)框圖為圖2.4所示。圖2.4串級三沖量控制系統(tǒng)框圖在實際應(yīng)用中，由于選定的控制閥門不一樣，串級三沖量作為控制系統(tǒng)的設(shè)計也就不一樣。3、鍋爐汽包水位的動態(tài)特性的數(shù)學(xué)建模3.1給水流量作用下的動態(tài)特性在給水流量突然增加的瞬間，鍋爐的蒸發(fā)量還未改變，給水流量大于蒸發(fā)量，但水位一開場并不立即增加，這是因為溫度較低的給水進入省煤器及水循環(huán)系統(tǒng)的流量增加了，從原有的飽和汽水混合物中吸取了一局部熱量，使水面下的汽泡容積有所減少。事實上也就是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，使一局部汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器的沸騰度，省煤器汽泡總?cè)莘e減少，因此，進入省煤器的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水不斷從省煤器進入汽包而使水位上升。在此過程中，負荷還未變化，汽包中水仍在蒸發(fā)，因此水位也有下降趨勢。由H曲線可以清楚地看出給水被控對象擾的特點是：給水?dāng)_動剛剛參加時，由于給水的過冷度影響，水位H的變化很慢，經(jīng)過一段時間之后其變化速度才逐漸增加，最后變?yōu)榘匆欢ㄋ俣戎本€上升，這時就是物質(zhì)不平衡在起主要作用了，如果給水量和蒸汽量不能平衡，水位就不能確定。下面簡單介紹一下水位在給水?dāng)_動下的傳遞函數(shù)。根據(jù)物料不平衡和熱平衡的關(guān)系，鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程經(jīng)推導(dǎo)，可簡化成：〔3.1〕式中：h為汽包水位的高度；為給水流量項的時間常數(shù)；為蒸汽流量項的時間常數(shù)；為蒸汽流量項的放大倍數(shù)；、為時間常數(shù)。同時、的式子如下：〔3.2〕式中：D為鍋爐蒸汽流量； W為鍋爐給水流量。 可見，引起汽包水位變化的擾動主要是蒸汽流量〔稱為外擾動〕和給水流量〔稱為外擾動〕，因此，在給水流量作用下的汽包水位調(diào)節(jié)對象的運動方程式可表示為：〔3.3〕兩邊取拉氏變換，結(jié)合工程實際忽略較小的，并考慮到汽包水位在較長一段時間里不隨給水量的增加而增加。因此，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：〔3.4〕3.2蒸汽流量擾動下的動態(tài)特性負荷變化時汽包水位的動態(tài)特性具有特殊的形式：負荷增加時，蒸發(fā)量大于給水量，但水位不是下降反而迅速上升；負荷突然減小時，水位卻先下降，然后迅速上升，這就是"虛假水位〞現(xiàn)象。虛假水位的變化情況和鍋爐的特性有關(guān)，燃料突然減小時〔如鍋爐滅火〕，"虛假水位〞約在2～4分鐘即到達最低值。在外部負荷突然減小時〔如汽輪機甩負荷〕，"虛假水位〞約在20秒即到達最低值，并且，"虛假水位〞到達最低值的時間和負荷到達的最低值的時間根本一樣。汽輪機甩負荷擾動下的"虛假水位〞現(xiàn)象是相當(dāng)嚴重的，這給組成水位自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)帶來了困難。為了維持水位在允許的圍，運行中應(yīng)對負荷的一次變動量及負荷變化速度加以限制。同理，可得到在外擾動下，汽包水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性方程為：〔3.5〕對上式方程進展拉氏變換，并令、得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型如下：〔3.6)3.3根據(jù)所給數(shù)據(jù)進展曲線擬合3.3.1相關(guān)MATLAB程序及結(jié)果>>x=[0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30,32,34,36,38,40];>>y=[270.0,270.0,267.0,264.7,262.7,261.0,259.5,258.4,257.8,257.0,256.5,256.0,255.7,255.4,255.2,255.1,255.0,255.0,255.0,255.0,255.0]>>figure(1);>>subplot(2,1,1);>>plot(x,y,'o');>>aa=polyfit(x,y,5);>>f_x=vpa(poly2sym(aa,'x'),4)f_x=5.124e-10*x^5-3.795e-8*x^4-7.444e-6*x^3+0.0007902*x^2-0.008607*x+0.6594>>x=0:5:85;>>subplot(2,1,2);>>plot(x,polyval(aa,x),'r-o');>>axis([08501.500])圖3.1擬合曲線3.3.2控制變量確實定通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的分析處理，最終，可得到鍋爐汽包水位在給水流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：〔3.7〕經(jīng)過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析和處理，最終可得到鍋爐汽包水位在蒸汽流量作用下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為：〔3.8〕3.4串級三沖量的框圖給水流量給水流量給定液位蒸汽流量液位圖3.2汽包水位三沖量控制系統(tǒng)框圖圖3.3單級三沖量控制系統(tǒng)框圖從系統(tǒng)框圖可以看出，單級三沖量控制系統(tǒng)有兩個閉合回路：一個是由給水流量W、給水變送器、調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)閥組成的回路；另一個是由汽包水位對象和回路構(gòu)成的主回路。蒸汽流量D及其蒸汽變送器未包含在這兩個閉合回路之。但它的引入可以改善控制質(zhì)量，且不影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量控制的實質(zhì)是前饋加反響的控制系統(tǒng)。單級三沖量控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：相對單沖量和雙沖量控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)最好，能有效地滿足系統(tǒng)對快速性、穩(wěn)定性、準確性的要求，能有效地防止"虛假水位〞現(xiàn)象。與單沖量和雙沖量相比，最大的缺乏是，系統(tǒng)本錢高，系統(tǒng)復(fù)雜，不容易整定。4、硬件選擇4.1流量傳感器選擇根據(jù)控制方案可以知道流量傳感器用于測量給水流量和蒸汽流量，這兩個信號可以有效地改善控制質(zhì)量，因此合理的選擇流量傳感器能夠有效的改善整個系統(tǒng)的控制質(zhì)量。知道所要控制的是35t/h鍋爐的汽包水位，即該鍋爐正常工作時每小時蒸發(fā)35t蒸汽也就是有35t水被蒸發(fā)成為蒸汽，水位穩(wěn)定時供水量為：35m3/h。正博自動化儀表生產(chǎn)的LUGB-99型渦街流量計是一種基于卡門渦街原理流體振動式新型流量計，它具有測量圍廣、壓損小、性能穩(wěn)定、準確度高和安裝、使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于封閉工業(yè)管道中液體、汽體和蒸汽介質(zhì)體積和質(zhì)量流量的測量。4.2水位傳感器選擇由于該設(shè)計的目的是控制水位穩(wěn)定，而整個控制系統(tǒng)的根底是對水位的準確測量，因此水位能否準確測量直接關(guān)系到控制質(zhì)量的優(yōu)劣。合理的選擇水位傳感器在水位控制系統(tǒng)的設(shè)計中有關(guān)鍵作用。知道汽包水位應(yīng)該控制在300±10mm，根據(jù)過程控制儀表量程選擇原那么：儀表量程應(yīng)該為被測量參數(shù)的4/3～3/2倍。因此所選傳感器的最大量程為:400～450mm。而且汽包水位應(yīng)該控制在300±10mm，因此所選水位傳感器的精度應(yīng)該高于10/450=2.2%FS，因此選擇該測量精度才可以滿足要求。4.3電機的選擇電機是鍋爐汽包供水的動力設(shè)備，電機的準確選型關(guān)系到汽包能否準確供水進而影響到汽包水位的穩(wěn)定。控制的鍋爐蒸發(fā)量為：35t/h，汽包壓力0.5MP，管道直徑50mm因此可以對正常工作時電機的功率作如下估算：(4.1)由計算結(jié)果可以知道選用功率為100Kw的三相異步電動機完全可以滿足工作要求url=EwbK00Kml7RA2IbgKUttlnItj4IbXn0WRt-ThOklirXUESMvz5jr6YHhvb1Gm3HV-N4O1c81I_ElavXFKOpHwjJD4Ve6mliwkTjHn.7D_jQ7Nw8zC6dw4T_J-f.THvd4eEl0Znqnfj"，由于使用變頻調(diào)速不必選用繞線型異步電動機，選用鼠籠型電機就可以滿足要求。華力貝爾機電設(shè)備生產(chǎn)的YJTG三相變頻調(diào)速電機專門為變頻調(diào)速設(shè)計可以根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定其額定電壓為380V,額定功率為100kw。4.4接觸器的選擇接觸器是系統(tǒng)中用到的重要開關(guān)設(shè)備，接觸器的合理選擇能保證交流電動機能夠準確及時的啟動、停頓。根據(jù)分析三相交流異步電機的最高工作電流是工作于50Hz交流電壓下，其工作電流為：(4.2)因此根據(jù)設(shè)計的要求宏立電器生產(chǎn)的HLC-3X系列空調(diào)接觸器主要適用于50Hz或60Hz、在AC-7b使用類別額定工作電壓為230V或480V時額定電流至40A電路中，適用于起動和控制三相交流電動機(壓縮機)及其它三相負載，選擇五套該類型接觸器同時帶動一臺電機可以滿足設(shè)計要求。4.5閥的開閉選擇形式關(guān)于給水調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)的選擇，一般都是從平安角度考慮的，人員平安、生產(chǎn)平安、系統(tǒng)設(shè)備平安的需要為首要依據(jù)。由于工業(yè)生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)閥絕大局部為氣動調(diào)節(jié)閥，所以要選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣關(guān)方式。鍋爐給水調(diào)節(jié)閥一般采用氣關(guān)式，一旦事故發(fā)生，系統(tǒng)失控，供水調(diào)節(jié)閥處于全開位置，是鍋爐不致因給水中斷燒壞，防止爆炸等事故的發(fā)生。5、PID參數(shù)的整定和SIMULINK仿真5.1串級三沖量仿真電路圖的搭建圖5.1串級三沖量仿真電路圖5.2串級三沖量PID參數(shù)的整定圖5.2主控制器PID圖5.3副控制器PID無差控制，在運行300和450處加蒸汽擾動，抗干擾能力好圖5.4控制圖像超調(diào)量：響應(yīng)的最大偏離量與終值的差與終值比的百分數(shù)，即從圖5.4估讀：延遲時間：響應(yīng)曲線第一次到達其終值一半所需的時間=2.5s上升時間：響應(yīng)從終值10%上升到終值90%所需的時間=5s峰值時間：響應(yīng)超過其終值到達第一個峰值所需的時間=15s調(diào)節(jié)時間：響應(yīng)到達并保持在終值所需的時間=25s5.3