【正文】 ? ? ? 式中 f? —— 在蒸汽流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度； K、 T—— 分別為只考慮水面下汽泡容積變化所引起水位變化 H2的放大倍數(shù)和時間常數(shù)。 假水位變化的大小與鍋爐的工作壓力和蒸發(fā)量等有關(guān)，例如一般 100~300t/h 的中高壓鍋爐，當(dāng)負(fù)荷突然變化 10%時，假水位可達(dá) 30~40mm。 給水流量對水位的影響 給水流量對水位的影響，即控制通道的動態(tài)特性，在給水流量作用下，水位階躍響應(yīng)曲線如圖 22 所示。 圖 22 給水流量作用下水位的階躍響應(yīng)曲線 把汽包和給水看作單容無自 衡對象，水位響應(yīng)曲線如圖 中 H1 線。但由于給水溫 6 度比汽包 內(nèi)飽和水溫度 低，所以給水量變化后，使汽包中汽泡 含量減少，導(dǎo)致水位下降。因此實際水位響應(yīng)曲線如圖 中 H 線，即當(dāng)突然加大給水量后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現(xiàn)出一段起始慣性段。用傳遞函數(shù)來描述時，它相當(dāng)于一個積分環(huán)節(jié)和一個純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)，可表示為 0() e() sWHSSS?? ??Q （ 23） 式中 0? —— 給水流量作用下，階躍響應(yīng)曲線的飛生速度； ? —— 純滯后時間。 給水溫度越低，純滯后時間 ? 越大。 一般 ? 約在 15 100 秒之間。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會使 ? 增加到 100 200 秒之間。 根據(jù)鍋爐汽包水位蒸汽流量和給水流量對水位影響的動態(tài)特性可 歸納得出 控制通道數(shù)學(xué)模型為 0() e() sWHSSS?? ??Q （ 24） 干擾通道的數(shù)學(xué)模型為 f()( ) 1S KHSS S T S?? ? ? ?Q （ 25） 7 第 3章 鍋爐 汽包水位 控制系統(tǒng) 的方案 分析 汽包水 位是鍋爐運行的主要指標(biāo)。如果水位過低、則由于汽包內(nèi)的水量較少，而負(fù)荷卻很大，水的汽化速度又快，因而汽包內(nèi)的水量變化速度很快，如不及時控制，就會使汽包內(nèi)的水全部汽化，導(dǎo)致鍋爐燒壞和爆炸；水位過高會影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生汽帶液現(xiàn)象，會使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機動力的話，還會損壞氣輪機葉片，影響運行的安全與經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過高過低的后果極為嚴(yán)重，所以必須嚴(yán)格加以控 制。 鍋爐 汽包水位 控制 系統(tǒng)主要有以下三種。 單沖量控制系統(tǒng) 汽包水位的控制手段是控制給水，基于這一原理，可構(gòu)成單沖量控制系統(tǒng)。 這里指的單沖量即汽包水位。單沖量控制系統(tǒng) 原理圖及方 塊 圖 如圖 31 所示。 這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。 當(dāng)蒸汽負(fù)荷突然大幅度增加 ，由于假水位現(xiàn)象 ，控制器不但不能開大給水閥增加給水量，以維持鍋爐的物料平衡，反而 關(guān)小控制閥的開度，減少給水量。等到假水位消失后，由于蒸汽量增加，送水量減少， 使水位嚴(yán)重下降，波動很厲害， 這種情況 嚴(yán)重時會使汽包水位降到危險程度以致 發(fā)生事故。 a） 原理圖 b） 方塊圖 圖 31 單沖量控制系統(tǒng) 原理圖 及方塊圖 8 雙沖量控制系統(tǒng) 在汽包水位的控制中，最主 要的干擾是負(fù)荷的變化。如果根據(jù)蒸汽流量來起校正作用，就可以糾正 假水位引起的誤動作，而且使控制閥的動作十分及時，從而減少水位的波動，改善控制品質(zhì)。將蒸汽流量信號引入，就構(gòu)成雙沖量控制系統(tǒng)，圖 32 是典型 的雙沖量控制系統(tǒng) 原理 及方 塊 圖 。 這是一個前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。這里的前饋系統(tǒng)僅為靜態(tài)前 饋，若需要考慮兩條通道在動態(tài)上的差異，須加入動態(tài)補償環(huán)節(jié)。圖 32 所示的連接方式中，加法器的輸出是 0 1 2 0CFP C P C P C? ? ? （ 31） PC— 水位 控制器的輸出； PF— 蒸汽流量變送器（一般經(jīng)開方器）的輸出； C0— 初始偏置值 (閥位的初值 ) C1,C2— 加法器的系數(shù)。 a） 原理圖 b） 方塊圖 圖 32 雙沖量 控制系統(tǒng)原理圖 及方塊圖 現(xiàn)在分析這些系數(shù)的設(shè)置。 C2項取正號還是負(fù)號，即進(jìn)行加法還是減法，要看控制閥是氣開還是氣關(guān)而定?？刂崎y的氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。如果高壓蒸汽是供給 蒸汽透平壓縮機等，那么為保護(hù)這些設(shè)備選用氣開閥為宜；如果蒸汽作為加熱及工藝物料用時，為保護(hù)鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。因為在蒸汽流量加大時，給水流量亦要加大，如采用氣關(guān)閥， P0應(yīng)減小，即應(yīng)該取負(fù)號；如果采用氣開閥，P0應(yīng)增加，即應(yīng)取正號。 C2的數(shù)值應(yīng)考慮達(dá)到穩(wěn)態(tài)補償。如果在現(xiàn)場湊試，那么應(yīng)在只有負(fù)荷干擾的條件下，調(diào)整到水位基 本不變。如果有閥門特性數(shù)據(jù)， 也可進(jìn)行計算 。 C1的設(shè)置比較簡單，可取 1，也可小于 1。不難看出 C1與控制器的放大倍數(shù)的乘 9 積相當(dāng)于簡單控制系統(tǒng)中控制器放大倍數(shù) Kc的作用。 C0 是個恒值，設(shè)置 C0 的目的是在正常負(fù)荷下，是控制器和加法器的輸出都能有一個比較適中的數(shù)值。最好在正常負(fù)荷下 C0值與 C2PF項正好抵消。 還可以 采用另一種接法， 將加法器放在控制器之前，如圖 33 所示。 由于 水位上升與蒸汽流量增加時，閥門動作方向相反，所以一定是信號相減。這樣的接法好處是使用儀表少，一只雙通道的控制器就可以實現(xiàn)加減和控制的功能 [2]。 圖 33 雙沖量控制系統(tǒng)其它接法 三沖量控制系統(tǒng) 雙沖量控制系統(tǒng)還有兩個弱點：控制閥的工作特性不一定是 線性 的 ，要做到靜態(tài)補償比較困難；對于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。為此，可再引入給水流量信號，構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)， 三沖量控制系統(tǒng) 原理 圖和方 框圖 如圖 34 所示。這是前饋與串級控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。 a） 原理圖 b） 方塊圖 圖 34 三沖量控制系統(tǒng)原理圖 及方塊圖 10 系 數(shù) 設(shè)置是這樣的， 系數(shù) C1通?？扇?1 或稍小于 1 的數(shù)值。假設(shè)采用氣開閥 ，C2就去正值。 C0的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級控制系統(tǒng)相同。 a） 第二種接法 b） 第三種接法 圖 35 三沖量控制系統(tǒng)其它接法 還可以 采用比較簡單的三沖量控制系統(tǒng) ，只用一臺加法器， 第二種接法加法器 接在控制器之前如圖 35 a） 所示， 這種接法使用 儀表少 ， 容易實現(xiàn) 。 第三種接法 加法器 接在控制器之后如圖 35 b） 所示 [3]。 11 第 4章 鍋爐汽包 水位 控制 系統(tǒng) 程序設(shè)計與 仿真 研 究 仿真的 目的和 意義 “ 仿真 ” 一詞譯自英文 Simulation,另一個曾經(jīng)用過的譯名是 “ 模擬 ” 。 從字面上解釋 “ 仿真 ” 和 “ 模擬 ” 都是表示 “ 模擬仿真世界 ” 的意思 。 雖然人們很早就采用了模型來分析與研究真實世界的方法亦即 “ 仿真 ” 或 “ 模擬 ” 的方法 ,但嚴(yán)格地講 ,只有在世界 20 世紀(jì) 40 年代末計算機 (模擬計算機及數(shù)字計算機 )的問世 ,才為建立模型及對模型進(jìn)行試驗提供了強有力的支持 ,仿真技術(shù)也才獲得了迅速的發(fā)展并逐步成為一門獨立的學(xué)科 . 仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識為基礎(chǔ)，以計算機和各種專用 物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對真實系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的一門綜合技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實過程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識和改造實際系統(tǒng)的目的。 在實際中，控制系統(tǒng)及設(shè)備在投運使用之前其控制器的 最佳 參數(shù)是不知道的，若直接在線調(diào)整控制器參數(shù)，效率太低， 更主要的是 會影響產(chǎn)品質(zhì)量。為此，要用仿真的方法整定 出 它們的 最佳 參數(shù)，然后再 應(yīng)用到 實際設(shè)備及控制器上 ，再經(jīng)過 對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而得到 實際控制的 最佳參數(shù)。這樣 既 方便快捷，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。 仿真軟件 和 最佳 PID 參數(shù)整定 方法 MATLAB 仿真軟件 簡介 MATLAB 名字有 Matrix 和 Laboratory 兩詞的前三個字母組合而成。意為“矩陣實驗室” 。目前， MATLAB 已成為國際上最流行的科學(xué)與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的 MATLAB 已經(jīng)不僅僅是“矩陣實驗室”了，它已經(jīng)成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計算機高級編程語言，有人稱它為“第四代”計算機語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要角色。 MATLAB 的功能也越來越強大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。 MATLAB環(huán)境 下的 SIMULINK是 Mathworks 公司開發(fā)的一個有重要影響力的軟件產(chǎn)品。他有兩個顯著的功能： SIMU（仿真）和 LINK（連接），即可以方便地利用鼠標(biāo)在模型窗口上畫出所需系統(tǒng)模型圖，來對系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，從而使一 12 個復(fù)雜系統(tǒng)模型的建立和仿真變得相當(dāng)簡單和直觀。 SIMULINK 不能獨立運行，只能在 MATLAB 環(huán)境中運行。 SIMULINK 提供了一個圖形化的用戶界面，采用這種結(jié)構(gòu)化模型就像用筆和紙來畫一樣容易，與傳統(tǒng)的仿真軟件包用位分方程核差分方程建模相比具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。 SIMULINK 包含 Sink（輸出方 式）、 Sources（輸入源）、 Continuous（連續(xù)環(huán)節(jié)）、 Nonlinear（非線性）、 Discerte（離散環(huán)節(jié)）、 Signalsamp。System（信號與系統(tǒng)）、 Math（數(shù)學(xué)模塊）和 Functionsamp。Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫。隨著該軟件的發(fā)展，模型庫不斷得到豐富和發(fā)展。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。 SIMULINK 的使用對象廣泛，既支持連續(xù)與離散系統(tǒng)以及連續(xù)離散混合系統(tǒng)，也支持線性與非線性系統(tǒng)，還支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)，也就是不同的系統(tǒng)能夠以不同的采樣頻率進(jìn)行組合，以仿真 較大較復(fù)雜的系統(tǒng)。 使用 SIMULINK 可以很容易地創(chuàng)建一個新的模型，或者是修改舊的模型。仿真過程是交互的，可以隨時修改參數(shù)，并且能夠立即看到仿真結(jié)果。在 SIMULINK 中能夠直接訪問 MATLAB中所有的工具箱，并可得到可視化的分析結(jié)果。用 SIMULINK創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀察模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模型，來檢查下一級的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在模型創(chuàng)建以 后，用戶可以通過 SIMULINK 的菜單命令或MATLAB 的命令窗口輸入命令來對它進(jìn)行仿真。通過 Scope 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時，可以觀察仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以改變參數(shù)來迅速觀察系統(tǒng)中發(fā)生的變化。仿真的結(jié)構(gòu)可以同時存放到 MATLAB 的工作空間內(nèi)，供以后的計算、分析之用。此外， SIMULINK 還包括線性化和平衡點分析等模型分析工具 [4]。 最佳 PID 參數(shù)整定 方法 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 控 制器是控制系統(tǒng)的心臟 。數(shù)字 PID 控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，它將偏差的比例 （ P） 、 積分 （ I） 、微分（ D） 通過線形組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。 比例作用的特點是控制及時，具有自適應(yīng)性，但是存在余差。積分作用的特點是可以清除余差，但會降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。積分作用越強，余差越小，穩(wěn)定性越低。微分作用的特點是具有預(yù)見性，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但微分作用 也 不能太強，否則反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。PID 控制要取得較好的控制效果，必須通過調(diào)整好比例、積分和微分三種控制作用，形成控制量中既要相互配 合又相互制約的關(guān)系。 控制器參數(shù)有很多整定方法。常用的有經(jīng)驗湊試法、臨界比例度法、衰減振蕩法和響應(yīng)曲線法。 此法是將控制系統(tǒng)分類。按液位、流量、壓力、溫度來分。屬同一 13 類別的系統(tǒng)對象特性比較接近，其控制器形式和整定的參數(shù)均可相互參考。經(jīng)驗湊試法按受控變量的性質(zhì)提出控制器參數(shù)的合適范圍，按 P、 I、 D 的順序依次調(diào)試。這種方法最簡單方便。 也是本文所使用的方法。對于串級控制系統(tǒng)，副回路整定的要求較低，參數(shù)整定宜用先副后主的方式。有時欲更好的發(fā)揮副回路快速性作用，副回路控制可整定的偏強一些。整定主控制器的的方法與單回路 控制時相同。 由于來自外界的各種擾動不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場控制對象值保持恒定的目的，控制作用