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1、 论文题目：锅炉汽包水位控制系统研究 姓 名: 谢振祥 学 号： 2010010297 专业班级： 10电气自动化技术 指导老师： 刘宝玲 目录摘要IIAbstractIII第一章 绪论11.1选题背景及意义11.2国内外研究现状11.2.1过程控制的特点11.2.2液位控制系统的发展现状21.2.3锅炉汽包水位控制系统流程简介31.2.4水位控制系统的意义31.3本门研究内容4第二章 锅炉汽包水位控制对象数学建模42.1 数学建模的建立方法42.1.1机理法52.1.2 实验法52.2虚假水位的介绍62.3虚假水位的影响7第三章 单冲量、双冲量、三冲量控制策略83.1单冲量控制系统83.2双
2、冲量控制系统93.3三冲量控制系统103.4 SAMA图介绍及特定实例分析113.4.1 汽包水位控制系统SAMA图介绍113.4.2特定实例分析：14第四章 系统仿真154.1系统仿真简介154.1.1基本概念154.1.2 系统仿真的实质15第五章 全文总结17参考资料18谢辞19摘要汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位的过高过低都将影响锅炉的正常运行，因此对汽包水位必须进行严格控制。影响汽包水位的因数主要有锅炉蒸发量、给水量、炉膛负荷、汽包压力。给水调节的任务就是使汽包水位维持在一个允许范围内。本文从影响汽包水位的各种因数出发，分析了汽包水位的假水位现象。设计出低负荷时采用
3、单冲量控制及高负荷时采用三冲量控制给水控制系统，并进行了仿真测试。从而实现锅炉给水的自动化控制。关键词： 汽包水位 单冲量 三冲量 Abstract The drum water level is an essential parameter for the boilers safe operation. Both low and high level will influence boilers normal operation; therefore, it must be controlled seriously. The main factors which will influence
4、 the level are the evaporating 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. Based on the analysis of all kinds of factors influencing the drum water level, false water level
5、phenomenons analyzed. Low load adopting single impulse control and high load using three impulse are carried out for the feedwater control system, and simulation testing is done.Thus, automatic control of boiler feedwater is achieved.Keywords: Drum water level Single impulse Three impulse第一章 绪论1.1选题
6、背景及意义液位是工业生产过程控制中很重要的被控变量。工业生产中的润滑油、冷却水、调速油、油质加工、液态燃料供应、废油净化、溶液加工与传输等场合，常需对容器中液位进行有效可靠的控制，否则将不能使液体循环系统乃至整个机组正常运行。另外，在这些生产领域里，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。工业生产过程中的液位系统通常是时变的，具有明显的滞后特性。在热工生产与传输质量或能量的过程中，存在着各种形式的容积和阻力，加上对象多具
7、有分布参数，好像被不同的阻力和容积相互分隔着一样。生产实际中的被控对象往往是由多个容积和阻力构成的多容对象。两个串连的单容对象构成的双容对象就比较典型。液位控制设计依赖的自动控制理论，经历了经典控制理论、现代控制理论两个发展阶段，现在已进入了非线性智能控制理论发展时期。从控制理论解决的问题而论，很多重大的、根本的问题，如可控性、可观测性、稳定性等系统的基本性质，控制系统的综合方法等在传统控制中都建立了比较完善的理论体系。应用传统控制理论基本能够满足工程技术及各种其它领域的需要。但是随着工业和现代科学技术的发展，各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性与适应能力的要求越来越高，应用
8、范围也更加广泛。特别是本世纪80年代以来，电子计算机的快速更新换代和计算技术的高速度发展，推动了控制理论研究的深入开展，并进入了一段新的历程。控制理论的迅速发展，出现了许多先进的控制算法。变结构控制系统在50年代就有了相当的研究，随着人们逐渐认识到它的一些优点，如对摄动的某种完全适应性，并可用来设计日益复杂对象的控制规律，近年来又受到较大重视并获得巨大的发展。人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，因此液位是工业控制过程中一个重要的参数。特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的生产效果。由于液位检测应用领域的不同，性能指标和技术要求也有差异，但适用有效
9、的测量成为共同的发展趋势，随着电子技术及计算机技术的发展，液位检测的自动控制成为其今后的发展趋势，控制过程的自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性。随着计算机控制技术应用的普及、可靠性的提高及价格的下降，液位检测的微机控制必将得到更加广泛的应用。1.2国内外研究现状1.2.1过程控制的特点液位控制系统一般指工业生产过程中自动控制系统的被控变量为液位的系统。在生产过程中，对液位的相关参数进行控制，使其保持为一定值或按一定规律变化，以保证质量和生产安全，使生产自动进行下去。液位过程参数
10、的变化不但受到过程内部条件的影响，也受外界条件的影响，而且影响生产过程的参数一般不止一个，在过程中的作用也不同，这就增加了对过程参数进行控制的复杂性，或者控制起来相当困难，因此形成了过程控制的下列特点：1)对象存在滞后热工生产大多是在庞大的生产设备内进行，对象的储存能力大，惯性也较大，设备内介质的流动或热量传递都存在一定的阻力，并且往往具有自动转向平衡的趋势。因此，当流入(流出)对象的质量或能量发生变化时，由于存在容量、惯性、阻力，被控参数不可能立即产生响应，这种现象叫做滞后。2)对象特性的非线性对象特性大多是随负荷变化而变化，当负荷改变时，动态特性有明显的不同。大多数生产过程都具有非线性，弄
11、清非线性产生的原因及非线性的实质是极为重要的。3)控制系统较复杂从生产安全方面考虑，生产设备的设计制造都力求生产过程进行平稳，参数变化不超出极限范围，也不会产生振荡，作为被控对象就具有非振荡环节的特性。过程的稳定被破坏后，往往具有自动趋向平衡的能力，即被控量发生变化时，对象本身能使被控量逐渐稳定下来，这就具有惯性环节的特性。也有不能趋向平衡，被控量一直变化而不能稳定下来的，这就是具有积分的对象。任何生产过程被控制的参数都不是一个，这些参数又各具有不同的特性，因此要针对这些不同的特性设计相应不同的控制系统。1.2.2液位控制系统的发展现状目前在实际生产中应用的液位控制系统，主要以传统的PID控制
12、算法为主。PID控制是以对象的数学模型为基础的一种控制方式。对于简单的线性、时不变系统，数学模型容易建立，采用PID控制能够取得满意的控制效果。但对于复杂的大型系统，其数学模型往往难以获得，通过简化、近似等手段获得数学模型不能正确地反映实际系统的特性。对于此类问题，传统的PID控制方式显得无能为力。液位控制由于其应用极其普遍，种类繁多，其中不乏一些大型的复杂系统。但由于其时滞性很大、具有时变性和非线性等因素，严重影响PID控制的效目前，已经开发出来的控制策略（算法）很多，但其中许多算法仍然只是停留在计算机仿真或实验装置的验证上，真正能有效地应用在工业过程中的并有发展潜力的仍为数不多。随着生产水
13、平和科学技术的发展，现代控制系统的控制的规模日趋大型化，复杂化，对设备和被控系统的安全性，可靠性，有效性的要求也越来越高，为了确保工业生产过程高效，安全的进行，保证并提高产品的质量,对生产过程进行在线监测,及时准确地把握生产运行状况,已成为目前过程控制领域的一个研究热点。 近几十年来，液位控制系统已被广泛使用，在其研究和发展上也已趋于完备。在轻工行业中，液位控制的应用非常普遍，从简单的浮球液位开关、非接触式的超声波液位检测一直到高精度的同位素液位检测系统到处都可以见到他们的身影。而控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物上。而且液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的元件。凡举蓄水池,污水处理场等
14、都需要液位元的控制.如果能通过一定的系统来自动维持液位的高度那么操作人员便可轻易地在操作时获知真个设备的储水状况,如此不但工作人员工作的危险性,同时更提升了工作的效率及简便性.液位控制系统在国内各行各业的应用已经十分广泛，但从国内生产的液位控制器来讲，同国外的日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有差距。目前，我国液位控制主要以常规的 PID 控制器为主，它只能适应一般系统控制，难于控制滞后、复杂、时变温度系统控制。而适应于较高控制场合的智能化、自适应控制仪表，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制仪表较少。由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理
15、论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的液位控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。1.2.3锅炉汽包水位控制系统流程简介控制系统一般由以下几部分组成 图1 自动控制系统简易图锅炉控制系统流程图如图2所示 图2 锅炉控制系统流程图1.2.4水位控制系统的意义锅炉汽包水位自动调节的任务是使给水量跟踪锅炉的蒸发量，并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。维持汽包水位在给定范围内是保证锅护和汽轮机安全运行的必要条件，也是锅炉正常运行的主要指标之一。水位过高，会影响汽
16、包内汽水分离效果，使汽包出口的饱和蒸汽带水增多，蒸汽带水会使汽轮机产生水冲击，引起轴封破损、叶片断裂等事故。同时会使饱和蒸汽中含盐量增高，降低过热蒸汽品质，增加在过热器管壁和汽轮机叶片上的结垢。水位过低，则可能破坏自然循环锅炉汽水循环系统中某些薄弱环节，以致局部水冷管壁被烧坏，严重时会造成爆炸事故。这些后果都是十分严重的。随着锅炉容量的增加，水位变化速度愈来愈快，人工操作愈来愈繁重，因此对汽包水位实现自动调节提出了迫切的要求。1.3本门研究内容液位控制系统是以液位为控制对象的控制系统，它在工业中的各个领域都有广泛的应用。液位控制一般指对某控制对象的液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。在
17、工业生产的过程中，很多场合都要对液位进行控制，使其高精度、快速度地到达并保持给定的数值。如在化工生产过程中，锅炉液位的稳定性及快速性将直接影响到成品的质量；在建材行业中，玻璃炉窑液位的稳定性对炉窑的使用寿命及产品的质量起着决定性的作用；民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精馏塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在本文中，液位控制系统中的水箱为控制对象，液位为控制量。为了使液位的控制达到一定的精度，并且具有较好的动态性能，采用了区别于传统控制方式的串级控制。
18、这样使控制系统能够达到更好的控制要求，提高了系统的控制性能。本文主要研究内容：汽包水位控制；数学模型；单冲量、双冲量、三冲量控制策略；MATLAB软件仿真。 第二章 锅炉汽包水位控制对象数学建模2.1 数学建模的建立方法系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种，机理法建模主要用于生产过程的机理已经被人们充分掌握，并且可以比较确切的加以数学描述的情况；测试法建模是根据工业过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，实验法建模一般较机理法建模简单，故采用实验法建模。2.1.1机理法用机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程如：物质平衡方程；能量平衡方程；动量平
19、衡方程；相平衡方程以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程；物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。2.1.2 实验法实验法一般只用于建立输入输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的主要特点是把被研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质，因此不需要深入掌握其内部机理。然而，这并不意味着可以对内部机理毫无所知。为了有效地进行这种动态特性测试，仍然有必要对过程内部的机理有明确的定性了解，例如究竟有哪些主要因素在起作用，它们之间的因果关系如何等等。用实验法建模一般比用机理法建模要简单和省力，尤其
20、是对于那些复杂的工业过程更为明显。如果机理法和实验法两者都能达到同样的目的，一般采用实验法建模。对于某些生产过程的机理，人们往往还未充分掌握，有时也会出现模型中有些参数难以确定的情况。这时就需要用实验测试方法把数学模型估计出来。许多工业对象内部的工艺过程复杂，使得按对象内部的物理、化学过程寻求对象的微分方程很困难。工业对象通常是由高阶非线性微分方程描述的复杂对象，因此对这些方程式也较难求解。根据加入的激励信号和结果的分析方法不同，测试对象动态特性的实验方法也不同，主要有以下几种：1) 测定动态特性的时域方法该方法是对被控对象施加阶跃输入，测绘出对象输出变量随时间变化的响应曲线，或施加脉冲输入测
21、绘出输出的脉冲响应曲线。由响应曲线的结果分析，确定出被控对象的传递函数。这种方法测试设备简单，测试工作量小，因此应用广泛，缺点是测试精度不高。该方法是在被控对象上，人为地加非周期信号后，测定被控对象的响应曲线，然后再根据响应曲线，求出被控对象的传递函数，测试原理如图2-1。 图2-1 测试过程响应曲线的原理图对象的阶跃响应曲线比较直观地反映对象的动态特性，因此阶跃输入信号是时域法首选的输入信号。但有时生产现场运行条件受到限制，不允许被控对象的被控参数有较大幅度变化，或无法测出一条完整的阶跃响应曲线，则可改用矩形脉冲作为输入信号，得到脉冲响应后，再将其转换成一条阶跃响应曲线。为了得到可靠的测试结
22、果，应注意以下事项：a 合理选择阶跃扰动信号的幅度。过小的阶跃扰动幅度不能保证测试结果的可靠性，而过大的扰动幅度则会使正常生产受到严重干扰甚至危及生产安全。b 试验开始前确保被控对象处于某一选定的稳定工况。试验期间应设法避免发生偶然性的其它扰动。c 考虑到实际被控对象的非线性，应选取不同负荷，在被控变量的不同设定值下，进行多次测试。即使在同一负荷和被控变量的同一设定值下，也要在正向和反向扰动下重复测试，以求全面掌握对象的动态特性。 2) 测定动态特性的频域方法该方法是对被控对象施加不同频率的正弦波，测出输入量与输出量的幅值比和相位差，从而获得对象的频率特性，来确定被控对象的传递函数。这种方法在
23、原理和数据处理上都比较简单，测试精度比时域法高，但此法需要用专门的超低频测试设备，且测试工作量较大。被控对象的动态特性也可用频率特性 (2-1)来描述，它与传递函数及微分方程一样，同样表征了系统的运动规律。一般动态特性测试中，幅频特性较易测得，而相角信息的精确测量比较困难。由于一般工业控制对象的惯性都比较大，因此要测试对象的频率特性，需要持续很长时间。而测试时，将有较长的时间使生产过程偏离正常运行状态，这在生产现场往往不允许，故用测频率的方法在线来求对象的动态特性受到一些限制。2.2虚假水位的介绍 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
24、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，促使水位很快上升，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，促使水位很快下降，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。2.3虚假水位的影响 虚假水位”现象的影响：锅炉运行中，汽包水位调节中常存在的“虚假水位”现象实际上时汽包内实实在在的真水位，人们称之为“虚假水位”原因是：它不是由于汽水不平衡引起
25、的持续的飞升变化，而是由于汽包压力急剧变化使炉水中汽泡含量瞬间增减而造成的汽包水位瞬间变化，而且达到一定值后，将不再变化，待压力恢复正常时，水位又会恢复到原先状态。在目前大多单元机组采用的直接能量平衡控制策略中，一般用汽包压力来表示锅炉蓄热。因而从能量平衡的角度说，“虚假水位”是由于锅炉蓄热量的改变而出现的。在汽包汽水循环系统中，与压力有关的蓄热量必须是能导致蒸汽流量变化的那部分热量。对于温度较低的过冷水，压力降低导致的焓变化不可能使水变为蒸汽，只有温度十分接近饱和部分过冷水才有可能在压力降低时变化成蒸汽，而这部分水主要在上升管中，总量不是很多；对于饱和水，压力降低导致相对应的饱和水焓降低，会
26、有一部分饱和水变为饱和蒸汽，所以饱和水参加蓄热；而对于饱和蒸汽，在锅炉压力升高的情况下会有一部分蒸汽变为饱和水，但总体上量还是很少。在前文的叙述中，我们知道省煤器、下降管中主要是过冷水，上升管中过冷水、饱和水、饱和蒸汽都存在，汽包中主要为饱和水和饱和蒸汽。所以对于汽包锅炉，锅炉的蓄热主要集中在汽包、水冷壁中。压力变化会导致水饱和温度发生变化，致使相近的金属中的热量发生改变，所以汽包和水冷壁的金属也参加蓄热。综上所述，“虚假水位”是由于汽包、水冷壁中的饱和水、饱和蒸汽、金属的蓄热量改变而导致的，是实实在在的真实水位。当“虚假水位”超过汽包水位紧急停炉水位值时，同样也会造成炉水被带入过热器，甚至汽
27、轮机中，轻则造成蒸汽品质恶化、含盐量增加，重则进入主蒸汽管道和汽轮机的蒸汽中含水造成水冲击，因此，不应当认为“虚假水位”是可以不予关注的“假”的水位。正是由于“虚假水位”的这种机理，会对汽包水位保护造成两个不利因素：1. “虚假水位”的测量问题。当汽包中出现“虚假水位”时，到目前为止还不能把其的真正水面测量出来。这主要是因为，目前还没有一种直接观察汽包内水位的测量仪表，而都是采用联通管式和差压式间接方法测量汽包水位的。当汽包压力急剧降低，汽包内的水容积中出现汽包和水冷壁管内汽泡增加导致水位抬高时，在测量仪表中的反应是不一样的。当水冷壁管内汽泡增加抬高汽包水位时，测量仪表将可以真实反映出来，但是
28、当汽包内的水由于汽压突降而一部分水汽化生成汽泡而抬高水位时，联通管式水位计的显示值、差压式水位计的差压实际上变化是不大的。因为汽泡的比重远远小于其饱和水的比重，所以由于汽泡增加抬高的水位在联通管式水位计和差压式水位计中基本上是反映不出来的。因此，当汽包压力急剧变化引起汽包出现“虚假水位”时，汽包内的实际水位偏差要大于测量仪表上反映出的偏差值。2. 汽包水位保护的延迟问题。由于汽包压力急剧变化引起的“虚假水位”的升降方向总是与汽水不平衡引起的水位升降方向相反，因此，“虚假水位”最大值的出现时间比较短，而且，锅炉停炉保护的汽包水位动作值还留有一定余地。因此，由于“虚假水位”而短时达到保护动作值时，
29、一般不会酿成事故。为了防止不必要的停炉，设计中一般会考虑在汽包水位事故停炉信号回路中增加一个延迟回路，但必须注意的是，该延迟只设计在汽包压力变化率超过一定值才发挥作用，而且延时回路的延时时间不宜过大，一般根据安全门动作实验时“虚假水位”的飞升曲线确定。最高值，而下一次因负荷增大造成的“虚假水位”使水位还得上升，因此，锅炉的运行观点看单冲量纯比例调节系统的这种下降的静态特性将造成极大地水位波动，因而是不合适的，采用比例积分调节规律，可以消除水位的静态偏差，因而使水位的波动幅度减少。 第三章 单冲量、双冲量、三冲量控制策略3.1单冲量控制系统所谓单冲量就是指锅炉汽包水位为被控参数，给水量作为控制变
30、量可构成的单回路控制系统，如图3-1所示。当蒸汽用量突然增加时，应该加大给水量以满足负荷需求；但是由于假水位现象，导致控制器会先减小给水量来抑制瞬间的水位升高，随着假水位消失，汽包水位会在负荷增加和给水量减少的双重作用下，产生严重的水位下降，甚至发生危险。对于小型锅炉，由于蒸汽负荷变化时假水位的现象不明显，如果再配上一些联锁报警装置，这种单冲量控制系统能满足要求。对于负荷变动较大的大，中型锅炉，单冲量控制系统不能保证水位稳定，难以满足水位控制要求和生产安全。因此，该控制方案不适用于负荷变动较大的情况。图3-1单冲量控制系统3.2双冲量控制系统蒸汽流量是影响汽包水位最主要的扰动，也是造成假水位的
31、主要因素。如果将蒸汽流量这一可测不可控的干扰作为前馈引入单冲量系统，就可以有效避免假水位引起的误动作，并及时控制水位，减小水位波动。由此，构成如图3-2所示的双冲量控制系统，其本质为前馈-反馈复合控制系统，即给水量不仅取决于汽包水位，还受到蒸汽用量影响。可见，该控制方案能有效适应负荷需求变化，但对给水系统中的水压等干扰因素造成的波动不能及时抑制。 3-2双冲量控制系统3.3三冲量控制系统为进一步改善控制品质，引入给水流量信号，构成三冲量控制系统，如图3-3所示。所谓三冲量，值得是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。三冲量控制本质上时前馈-串级复合控制系统：主回路实现水位调节，副回
32、路使给水流量能适应负荷和水位要求。在稳定状态下,液位测量信号为给定值，液位调节器的输出，蒸汽流量及给水流量三个信号通过加法器得到输出电流。若在某一时刻，蒸汽负荷突然增加，蒸汽流量变送器的输出电流增加，加法器的输出电流减少，从而会开大给水调节阀，与此同时出现了虚假液位现象，液位调节器输出电流将增大。由于进入加法器的两个信号相反，蒸汽流量变送器的输出电流会抵消一部分虚假液位输出电流，所以虚假液位所带来的影响将局部或全部被抵消。待虚假液位过去,水位开始下降，液位调节器输出电流开始减小，此时它与蒸汽流量信号变化的方向相反，因此加法器的输出电流减小，此时要求增加给水量以适应新的负荷需要并补充液位的不足。
33、调节过程进行到液面重新稳定在给定值，给水量和蒸发量达到新的平衡为止。当蒸汽负荷不变，给水量本身因压力波动而变化时，加法器的输出相应变化，调节阀门开度直至给水量恢复到所需的数值为止。由于引进了蒸汽流量和给水流量两个辅助冲量，起到了“超前信号”的作用，使给水阀一开始就向正确的方向移动，因而可减小液位的波动幅度，抵消虚假液位的影响，并可缩短过渡过程时间。图3-4为三冲量液位调节方框图。三冲量调节系统能及时克服负荷(蒸汽量)和给水流量的干扰作用，调节精度较高，适用于汽包容积较小、负荷和给水干扰较大的场合。目前已得到了应用，实践证明效果良好。3-3三冲量控制系统 3-4三冲量控制系统连接关系 蒸汽流量D
34、 图3-5 三冲量液位控制系统框图3.4 SAMA图介绍及特定实例分析3.4.1 汽包水位控制系统SAMA图介绍串级三冲量水位控制系统工艺流程图在该调节系统中：调节器接受汽包水位、蒸汽流量和给水流量三个测量信号，控制系统说明如下：1) 水位H是主信号，任何扰动引起的水位变化，都会使调节器输信号发生变化，改变给水流量，使水位恢复到给定值。2) 主汽流量信号D做前馈信号，其作用是削弱由于“虚假水位”而使调节器产生的误动作，用以改善蒸汽流量扰动时的调节质量。3) 控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。主回路由主调节对象Gp(s)、水位测量变送器Kh、主调节Gc1(s)和副回路组成；副回路由给水流
35、量W、给水流量变送器Kw、副调节器Gc2(s)、执行器K组成；前馈部分由蒸汽流量信号D、蒸汽流量变送器Kd构成。4) 副调节器的任务是当给水量扰动时，迅速动作使给水量保持不变；当蒸汽量扰动时，副调节器迅速改变给水量，保持给水量和蒸汽量平衡。主调节器的作用是校正水位，维持稳定水位不变。3-4-1汽包水位控制系统SAMA图SAMA图中操作器要保证手自动的无扰切换：主调节器跟踪是为了保证副调节器无偏差；副调节器跟踪保证执行机构无偏差。切手动的条件：除了测量信号故障及调节器的输入偏差大，又加入了蒸汽流量变化幅度过大的要求，因为前馈的引入，虽然减小了“虚假水位”期间调节机构的误动作，但是并不能完全消除该
36、现象，切水位H对蒸汽流量扰动D的响应速度比对内部扰动的响应速度要快得多，所以当蒸汽流量变化过大时还是会引起误动作，故加入了蒸汽流量变化幅度的限制。3.4.2特定实例分析：如图3-4-2为一个带前馈的流量单回路调节系统，测量变送器测得的差压值，通过阻尼运算，消去信号的高频干扰，然后进行开方运算，使其转化为流量信号，送往调节器的偏差入口。流量设定值由数值设定块设定，它与实际流量的偏差值由调节器进行比例积分运算，然后加上前馈信号，作为调节运算输出值。调节器处于手动状态时，调节器的输出由手动操作，当调节器处于自动状态时，调节运算输出值经过限幅模块，送往执行机构。输出信道上的函数模块用于阀门非线性的矫正
37、，而回馈信道上的函数模块则是为了实现无忧切换，其函数值为输出信道上的函数模块的反函数。图3-4-2带前馈的流量单回路调节系统第四章 系统仿真4.1系统仿真简介系统仿真是20世纪40年代末以来伴随着计算机技术的发展而逐步形成的一门新兴学科。仿真就是通过建立实际系统模型并利用所建模型对实际系统进行试验研究的过程。最初仿真技术主要用于航空、航天、原子反应堆等价格昂贵、周期长、危险性大，试验系统实验难以实现的少数领域。后来逐步发展到电力、化工、冶金、机械等一些主要工业部门。可以说现代系统仿真技术和综合性仿真系统已经成为任何复杂系统，特别是高技术产业不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段
38、。其运用范围在不断扩大，应用效益也日益显著。4.1.1基本概念所谓系统仿真（system simulation），就是根据系统分析的目的，在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上，建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型，据此进行试验或定量分析，以获得正确决策所需的各种信息。系统仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和计算机初等理论基础上的，以计算机和其他专用物理效应设备为工具，利用系统模型对真是或假设的系统进行试验，并借助于专家的经验知识、统计数据忽然信息资料对实验结果进行分析研究，进而做出决策的一门综合的实验性学科。从广义而言，系统仿真的方法适用于任何领
39、域。4.1.2 系统仿真的实质它是一种对系统问题求数值解的计算技术。尤其当系统无法通过建立数学模型求解时，仿真技术能有效来处理。仿真是一种人为的实验手段，它是和现实系统实验的差别在于，仿真试验不是依据实际环境，而是作为世纪系统映像的系统模型以及相应的“人造”环境下进行的。这是仿真的主要功能。仿真可以比较真实的描述系统的运行、演变及其发展过程。系统仿真的基本方法是建立系统的结构模型和量化分析模型，并将其转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真实验。由于连续系统和离散(事件)系统的数学模型有很大差别，所以系统仿真方法基本上分为两大类，即连续系统仿真方法和离散系统仿真方法。在以上两类基
40、本方法的基础上，还有一些用于系统(特别是社会经济和管理系统)仿真的特殊而有效的方法，如系统动力学方法、蒙特卡洛法等。 系统动力学方法通过建立系统动力学模型(流图等)、利用DYNAMO仿真语言在计算机上实现对真实系统的仿真实验，从而研究系统结构、功能和行为之间的动态关系。第五章 全文总结本文介绍了锅炉汽包水位控制系统。锅炉汽包水位的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。经分析后采用三冲量的控制方式，这是基于串前馈-串级复合控制系统，副回路调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对汽包水位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值，使系统工作在良好的状态下，可满足系统的控制要
41、求。建立数学模型，在MATLAB软件环境下，对汽包水位的控制算法进行仿真研究。经过这段时间的认真学习，得出以下结论：1）通过本次设计，学会了系统建模的一般步骤，掌握了分析简单系统特性的一般方法，并对系统中的控制器、执行器、控制对象等各个部分有了更加直观的认识。2）了解到串级控制就应应用于锅炉汽包水位的三冲量控制系统中，“假水位”产生的原因就是无法做到蒸汽压力保存绝对不变。3)通过仿真验证了串级控制对干扰的强烈抑制能力，仿真过程中也熟悉了控制系统中MATLAB仿真的基本方法，相信对以后的学习会有所帮助。参考资料1刘吉臻 协调控制与给水全程控制 中国电力出版社 19952李遵基 热工自动控制系统
42、华北电力大学出版社 19993金以慧 过程控制 清华大学出版社 19934OVATION说明书上海爱默生控制工程有限公司 20045600MW 协调控制系统 SAMA图. 20066 H.bruns,Vendor-independent integration of filed devices into power plant control systems based on DCS,VGB KraftwerksTechnik,20027 TAKEO IMANAKA，A study on locational configuration of DCS,Electrical engineerin
43、g in Japan, 2000 8 MATLAB程序设计与实例应用 张铮 中国铁道出版社谢辞此次毕业设计的内容涉及了大学期间的许多科目，这是对即将参加工作的我再一次的准备。使我对汽包水位控制有了深刻地影响，并深刻体会到了自动化控制在水位控制实际运行所发挥的巨大作用，加深了冲量控制系统基本原理的认识。让我更深刻地认识到自动化的优越性，感谢所有在设计过程中帮助我的老师。刘宝玲老师是我毕业设计的指导老师，我的毕业设计是在她的精心指导下完成的，我不仅从她那里学到了许多书本上的知识，而且还学到了她治学严谨，勤于思索，敢于创新的精神，我想这更会使我受益终生。最后，十分感谢评审我论文的各位老师，感谢你们在百忙之中聆听我的毕业答辩。辛苦了谢谢
