过程控制课程设计.docx
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过程控制课程设计
课程设计报告
(2013--2014年度第一学期)
名称:
过程控制课程设计
题目:
汽包水位控制系统设计
院系:
自动化
设计周数:
1周
姓名
学号
分工
成绩
成员
王桐
201002020416
控制设计
潘颖娣
201002020413
仿真整定
乔鑫
201002020414
报告撰写
张宇
201009010327
参数整定
日期:
2013年12月30日
《过程控制》课程设计
任务书
一、目的与要求
“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。
通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写,培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识,完成工程师基本技能训练。
二、主要内容
1.根据对被控对象进行的分析,确定系统自动控制结构,给出控制系统原理图;
2.根据确定控制设备和测量取样点和调节机构,绘制控制系统工艺流程图(PID图);
3.根据确定的自动化水平和系统功能,选择控制仪表,完成控制系统SAMA图(包括系统功能图和系统逻辑图);
4.对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定;
5.编写设计说明书。
三、进度计划
序号
设计(实验)内容
完成时间
备注
1
下达任务,查找资料
周一、周二
2
制定控制方案,绘制控制系统SAMA图
周二、周三
3
仿真试验、撰写设计说明
周三、周四
4
答辩
周五
四、设计(实验)成果要求
1.绘制所设计热工控制系统的的SAMA图;
2.根据已给对象,用MATABL进行控制系统仿真整定,并打印整定效果曲线;
3.撰写设计报告
五、考核方式
提交设计报告及答辩
学生姓名:
王桐、潘颖娣、乔鑫、张宇
指导教师:
马平
2013年12月30日
正文
1、设计综述
1.1汽包水位调节的任务
给水自动调节也叫水位自动调节,其主要任务是:
(1)维持锅炉水位在允许的范围内,使锅炉的给水量适应于蒸发量。
锅炉的水位是影响安全运行的重要因素。
水位过高会影响汽水分离装置的正常工作,严重时会导致蒸汽带水增加,使过热器管壁和气轮机叶片结垢,造成事故。
水位过低,则会破坏汽水正常循环,以致烧坏受热面。
水位过高或过低,都是不允许的。
所以,正常运行时汽包水位应在给定值的
30mm上下范围波动。
(2)保持给水量稳定。
给水量稳定,有助于省煤器和给水管道的安全运行。
实践证明,无论是电站锅炉,或者是工业锅炉,用人工操作调节水位,既不安全,也不经济,其最有效的方法是实现给水自动调节。
(3)有效克服虚假水位。
虚假水位”是锅炉运行时不真实的水位。
“虚假水位”的产生是由于当汽包压力突降时,炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度,使炉水大量放出热量来进行蒸发。
于是炉水内的汽泡增加,汽水混合物体积膨胀,使水位不是下降而是很快上升,形成“虚假水位”。
当汽包压力突升时,则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水,而用来蒸发炉水的热量则减少,炉水中汽泡量减少,使汽水混合物的体积收缩,使水位不是上升而是很快下降,形成“虚假水位”。
此外当锅炉内热负荷增加或骤减时,水的比容将增大或减小,也会形成虚“假水位”。
锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时,都会产生“虚假水位”。
在负荷突然变化时,汽压也相应变化,这时将会出现“虚假水位”。
负荷变化速度越快,“虚假水位”越明显。
如遇汽轮机甩负荷,汽压突然升高,水位将瞬时下降;运行中燃烧突然增强或减弱,引起汽泡量突然增大或减少,使水位瞬时升高或下降;安全阀起座时,由于压力突然下降,水位瞬时明显升高;锅炉灭火时,由于燃烧突然停止,锅水中汽泡产量迅速减少,水位也将瞬时下降。
在输入端引入蒸汽流量信号,设置水位系统的前馈调节,于是当蒸汽流量增大时,给水量随之增大,给水量增多,水温又较低,有利于克服“虚假水位”的影响。
1.2本设计的主要工作
本次设计的主要工作有:
(1)被控对象动态特性分析
分析被动对象的动态特性并得出传递函数,了解与汽包水位相关的因素,并分析其对被控量的影响,为后面设计控制方案做铺垫。
(2)设计锅炉汽包水位控制方案
从锅炉汽包水位的动态性能入手,分析影响锅炉汽包水位的主要因素,并对这些因素对锅炉汽包水位动态性能的影响进行理论研究。
根据各个因素对锅炉汽包水位的影响采用汽包水位三冲量方案,达到控制锅炉汽包水位稳定的目的。
(3)控制算法的参数整定与仿真
根据被控对象的特点以及它的静态、动态特性按照工程整定的方法进行控制器的参数整定,设计调节器的各个参数。
在此基础之上对整定结果进行仿真,并对整定结果进行进一步调整判断其可行性,为后续的软件设计工作打下基础。
(4)撰写报告
根据上述工作以及得出的结论,整理思路并撰写报告。
2、被控对象的动态分析
2.1虚假水位的形成及对策
“虚假水位”是锅炉运行时不真实的水位。
“虚假水位”的产生是由于当汽包压力突降时,炉水饱和温度下降到压力较低时的饱和温度,使炉水大量放出热量来进行蒸发。
于是炉水内的汽泡增加,汽水混合物体积膨胀,使水位不是下降而是很快上升,形成“虚假水位”。
当汽包压力突升时,则相应的饱和温度提高一部分热量被用于加热炉水,而用来蒸发炉水的热量则减少,炉水中汽泡量减少,使汽水混合物的体积收缩,使水位不是上升而是很快下降,形成“虚假水位”。
此外当锅炉内热负荷增加或骤减时,水的比容将增大或减小,也会形成虚“假水位”。
锅炉负荷突变、灭火、安全门动作、燃烧不稳时,都会产生“虚假水位”。
在负荷突然变化时,汽压也相应变化,这时将会出现“虚假水位”。
负荷变化速度越快,“虚假水位”越明显。
如遇汽轮机甩负荷,汽压突然升高,水位将瞬时下降;运行中燃烧突然增强或减弱,引起汽泡量突然增大或减少,使水位瞬时升高或下降;安全阀起座时,由于压力突然下降,水位瞬时明显升高;锅炉灭火时,由于燃烧突然停止,锅水中汽泡产量迅速减少,水位也将瞬时下降。
在输入端引入蒸汽流量信号,设置水位系统的前馈调节,于是当蒸汽流量增大时,给水量随之增大,给水量增多,水温又较低,有利于克服“虚假水位”的影响。
2.2汽包水位的影响因素
首先应该从分析汽包水位的动态特性入手。
锅炉给水调节对象如图2.1所示。
给水调节机构为变频器调节给水量W,汽轮机耗汽量D是由汽轮机阀门开度来控制的。
图2.1锅炉给水调节对象
初看起来,汽包水位的动态特性似乎和单容水槽一样,给水量和蒸汽流量影响汽包水位的高低[4]。
但实际情况并非如此,最突出的一点就是水循环系统中充满了夹杂着大量蒸汽汽泡的水,而蒸汽泡的体积V是随着汽包压力和炉膛热负荷的变化而变化的。
如果有某种原因使汽泡的总体积变化了,即使水循环系统的总水量没有发生变化,汽包水位也会因此随之发生改变从而影响水位的稳定。
影响汽包水位H的主要因素有给水量W,蒸汽流量D和燃料量B三个主要因素。
(1)给水扰动的影响
如果把汽包及其水循环系统看作一个单容水槽,那么水位的给水阶跃扰动响应曲线应该为图2.2所示的曲线H1所示。
但考虑到给水的温度低于汽包内饱和的水温度,当它进入汽包后吸收了原有的饱和水中的一部分热量使得锅炉内部的蒸汽产量下降,水面以下的汽泡的总体积V也就会相应的减小,从而导致水位下降如图2.2所示的曲线H2所示。
水位的实际响应曲线应是曲线H1和H2之和,如图2.2所示的曲线H所示。
它是一个具有延迟时间的积分环节,水的过冷度越大则响应延迟时间就会越长。
其传递函数可以近似表示为:
(2.1)
式2.1中
表示汽包水位的飞升速度,
表示延迟时间。
图2.2给水扰动响应曲线
(2)蒸汽流量扰动的影响
当汽轮机耗汽量D突然做阶跃增加时,一方面改变了汽包内的物质平衡状态,使汽包内液体蒸发量变大从而使水位下降,如图2.3所示的曲线H1所示,另一方面由于汽轮机耗汽量D的突然增加,将迫使锅炉内汽泡增多,同时由于燃料量维持不变,汽包压力下降,从而导致汽包水位上升,如图2.3所示曲线H2所示。
水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和,如图2.3所示曲线H所示。
对于大中型锅炉来说,后者的影响要大于前者,因此负荷做阶跃增加后的一段时间内会出现水位不但没有下降反而明显升高的现象,这种反常现象通常被称为“假水位现象”。
可以认为这是一个惯性加积分环节,其传递函数可以近似的表示为:
(2.2)
式2.2中
表示汽包水位对于蒸汽流量的飞升速度,
表示“假水位现象”的延迟时间。
图2.3汽轮机耗汽量扰动响应曲线
(3)燃料量扰动的影响
当燃料增加时,炉膛热负荷随着增加,水循环系统内的汽水混合物的气泡比例增加,形成水位升高的虚假现象.如图2.4中H1曲线所示.如果负荷设备的进气阀不加调节,则汽包饱和压力升高,蒸汽流出量增加,蒸发量大于给水量,水位应该下降。
随着汽包压力的升高,汽水混合物中汽泡的比例将减小,又使得汽水总容积下降.如图2.4中H2曲线所示.水位的实际响应曲线应该是曲线H1和H2之和,如图2.4所示曲线H所示。
由图知在燃料量扰动下,汽包水位也会因汽包容积的增加水位先上升,因此也会出现“虚假水位”现象,至蒸发量与燃料量相适应时,水位才开始下降,即经过了Tm时间后水位开始下降。
但由于汽包水循环系统中有大量的水,汽包和水冷壁管道也会存储大量的热量,因此具有一定的热惯性。
燃料量的增大只能使蒸汽量缓慢增大,而且同时汽压也会缓慢上升,它将使汽泡体积减小,因此燃料量扰动下的“假水位现象”比负荷扰动下要缓和的多。
图2.4燃料量扰动响应曲线
由以上分析可知道给水量扰动下的水位响应有迟滞性,负荷扰动下的水位响应有“假水位现象”。
这些特性使得汽包水位的变化受到多种因素影响,因而对它的控制变得比较复杂和困难。
3汽包水位的控制方案设计
3.1单冲量控制系统
从反馈的思想出发很容易想到以汽包水位信号作为反馈量,给水流量作为被控量,构成单回路反馈控制系统,即水位单冲量控制系统。
如图3.1所示,这是一个基本的控制方案其方框图如图3.2所示。
对于小容量锅炉来说由于它的储水容量较大,水面以下的汽泡体积并不占有非常大的比重,因此水容积延迟和假水位现象并不是非常明显,因此可以采用汽包水位单冲量控制系统来控制汽包水位。
但对于大中型锅炉来说这种控制方案就不能满足控制要求,因为汽轮机蒸汽量的负荷扰动引起的假水位现象将引起给水调节机构的误动作,导致汽包水位激烈的上下振荡而不稳定,严重的影响设备的运行寿命和安全,所以大中型锅炉不宜仅仅只采用汽包水位单冲量控制系统,必须寻找其他的解决办法来控制汽包水位。
图3.1汽包水位单冲量控制系统
图3.2汽包水位单冲量控制系统框图
3.2随动控制系统
如果从物质平衡的角度出发,只要能够保证给水量永远等于蒸汽蒸发量就可以保证汽包水位大致不变。
因此可以采用图3.3所示的蒸汽流量随动控制系统,其中流量调节器采用PI调节器,使汽轮机的蒸汽量作为系统的给定使给水流量跟踪蒸汽流量的变化,构成了一个以蒸汽量作为给定的随动系统从而保证汽包水位的恒定。
该方案的结构框图如图3.4所示。
图3.3蒸汽流量随动控制系统
图3.4蒸汽流量随动控制系统框图
3.3双冲量控制系统
采用该方案的优点是系统完全根据物质平衡条件工作,给水量的大小只取决于汽轮机的蒸汽流量,假水位现象不会引起给水调节机构的误动作。
但是这个系统对于汽包水位来说只是开环控制系统。
由于给水量和蒸汽量的测量不准确以及锅炉系统引入的其他扰动使得给水量和蒸汽量并非准确的比值关系而保持水位恒定。
由于水位对于二者的偏差是积分关系,微小的偏差长时间积累也会形成很大的水位差,因此不宜采用随动控制系统。
如果把以上所述两种方案结合起来,就构成了汽包水位双冲量控制系统如图3.5所示,其结构框图如图3.6所示。
双冲量指的是同时引入两个测量信号:
汽包水位和蒸汽流量。
这个系统对以上所分析的两种方案取长补短,可以极大的提高汽包水位的控制质量。
当汽轮机耗汽量出现阶跃增大时,一方面由于“假水位现象”汽包水位会暂时有所升高,将使调节机构做出误动作错误的减少给水量;另一方面汽轮机耗汽量的增大又通过比值控制系统指挥调节机构增大给水量,实际给水量的增减情况要根据实际情况通过参数整定来确定。
当假水位现象消失后水位和蒸汽信号都能正确的指挥调节机构动作。
只要参数整定合适,给水量必然等于蒸汽量从而保证水位恒定。
图3.5汽包水位双冲量控制系统
图3.6汽包水位双冲量控制系统框图
3.4三冲量控制系统
三冲量控制方案之一:
如图3.7、3.8所示,该方案实质上是前馈(蒸汽流量)加反馈控制系统。
这种三冲量控制方案结构简单,只需要一台多通道调节器,整个系统亦可看作三冲量的综合信号为被控变量的单回路控制系统,所以投运和整定与单回路一样,但是如果系统设置不能确保物料平衡,当负荷变化时,水位将有余差。
图3.7汽包水位三冲量控制系统(方案一)
图3.8汽包水位三冲量控制系统框图(方案一)
三冲量控制方案二:
如图3.9、3.10所示,该方案与方案一相类似,仅是加法器位置从调节器前移至调节器后。
该方案相当于前馈--串级控制系统,而副回路的调节器比例度为100%,该方案当负荷变化时,液位可以保持无差。
图3.9汽包水位三冲量控制系统(方案二)
图3.10汽包水位三冲量控制系统框图(方案二)
三冲量控制方案三:
考虑蒸汽流量的扰动造成“虚假水位”的影响,可以在方案二的基础上在蒸汽扰动上引入前馈微分补偿环节。
微分作用具有预测的功能,所以蒸汽流量信号引入微分后,这样动态补偿可以获得较好的效果。
如图3.11所示的三冲量控制系统。
即前馈—反馈—串级复合控制系统。
系统框图为图3.12。
该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道,实质上是蒸汽流量前馈与水位-流量串级系统组成的复合控制系统。
串级控制系统的主参数是汽包水位,副参数是给水流量,主调节器是液位流量调节器,副调节器是给水流量调节器。
图3.11汽包水位三冲量控制系统(方案三)
图3.12汽包水位三冲量控制系统框图(方案三)
三冲量控制方案三,一方面可以克服给水扰动,使给水流量自行调节,另一方面可以有效地抑制“假水位现象”。
微分作用使其动态补偿可以获得较好的效果。
当蒸汽流量发生变化时,锅炉汽包水位控制系统中的给水流量控制回路可迅速改变进水量的大小以完成粗调,然后再由汽包水位调节器完成水位的细调维持汽包水位的稳定。
该方案适用于大容量高压锅炉,而且要求水位控制严格的场合。
因此该系统选用这种控制方案。
4、控制方案设计及仿真
4.1控制方案最终设计
考虑蒸汽流量的扰动造成“虚假水位”的影响,在蒸汽扰动上引入前馈微分补偿环节。
微分作用具有预测的功能,所以蒸汽流量信号引入微分后,这样动态补偿可以获得较好的效果。
即前馈—反馈—串级复合控制系统。
该三冲量控制系统包含给水流量控制回路和汽包水位控制回路两个控制回路以及一个蒸汽流量前馈通道,实质上是蒸汽流量前馈与水位-流量串级系统组成的复合控制系统。
串级控制系统的主参数是汽包水位,副参数是给水流量,主调节器是液位流量调节器,副调节器是给水流量调节器。
在机组负荷小于30%时,采用单冲量,等于30%时,切换为三冲量。
4.1.1控制系统控制结构(visio作图)
4.1.2控制原理图
图4.2控制原理图
4.1.3控制系统方框图
图4.3控制系统方框图
其中
其中Md、Mw、Mh分别表示蒸汽流量测量变送器、水位测量变送器、给水流量测量变送器的系数,Gw(S)、Gp(S)、Gd(S)分别表示给水阀扰动动态特性、汽包动态特性、蒸汽扰动动态特性。
其中,由老师给出的参考资料看:
Md、Mw、Mh的大小与具体系统中使用的测量变送器的硬件结构有关,选用不同的测量变送器,系数是不一样的,为了系统仿真,取
Md=0.065、Mw=0.085、Mh=0.01;
图4.4系统整定方框图
其中:
4.1.4控制系统SAMA图
图4.5控制系统SAMA图
4.2仿真实验
(1)副回路参数整定
由于该设计采用了串级控制方式,首先应该从副回路开始对流量调节器进行参数整定,然后由内而外,再对主回路水位调节器进行参数整定,通过两步整定的方法完成系统的参数整定。
由于副回路调节器的任务是快速动作以消除进入副回路的扰动,而且副参数并不要求无差,所以选用P调节器就可以满足要求了。
先断开主回路、前馈回路,单独整定副回路,利用衰减曲线法,不断调整整定值,由于副回路中减温水扰动的动态特性为一节惯性环节,适当改变P的取值,使响应延迟时间较小,闭环增益基本无差,仿真时间为10s,得到P2=25;
仿真图结构图与仿真曲线如图所示:
图4.5副回路仿真结构图
图4.6副回路仿真图
(2)主回路参数整定
副回路整定完毕以后,整定主回路,由于汽包的特性曲线是无自平衡对象,因此,主回路加比例作用即可,最终整定参数为P=19。
性能指标为:
衰减率=87.5%、超调量=18.3%、无稳态误差、调节时间在两个波内。
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