【正文】 目 錄引言 1第一章 第一章 給水控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性 3 3 給水控制對(duì)象和各種擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性 3 給水控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 3 各種擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 5第二章 給水自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求和基本結(jié)構(gòu) 9 給水控制系統(tǒng)的基本要求 9 給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分析 9 單沖量給水控制系統(tǒng) 9 前饋反饋三沖量給水控制系統(tǒng) 10 串極三沖量給水控制系統(tǒng)分析 16第三章 給水控制系統(tǒng)的無擾切換 20 測(cè)量信號(hào)的自動(dòng)校正 20 水位信號(hào)的壓力校正 20 過熱蒸汽氣流信號(hào)的壓力、溫度校正 22 給水流量信號(hào)的溫度校正 23 給水控制系統(tǒng)的切換 24 給水流量測(cè)量裝置切換系統(tǒng) 24 大小給水調(diào)節(jié)閥門的切換 28 系統(tǒng)的無擾切換 29第四章 系統(tǒng)的參數(shù)整定及MATLAB仿真 32 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法 32 廣義頻率特性法 32 工程整定法 33 調(diào)節(jié)器的選取 35 參數(shù)整定及MATLAB仿真 36 單沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定及MATLAB仿真 36 串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)整定 37 整個(gè)系統(tǒng)和各種擾動(dòng)量下的SIMULINK結(jié)構(gòu)圖和仿真圖 41結(jié)論 45參考文獻(xiàn) 46謝辭 47 引 言自動(dòng)控制技術(shù)在工程和科學(xué)發(fā)展中起著極為重要的作用，在火電廠的生產(chǎn)過程中也采用了自動(dòng)控制技術(shù)。在火電廠的生產(chǎn)過程中采用的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)，是伴隨著社會(huì)對(duì)電能需求的日益增加、單機(jī)容量的日益擴(kuò)大和自動(dòng)控制技術(shù)在火力發(fā)電廠中應(yīng)用的深度與廣度與日俱增而逐步發(fā)展起來的。電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。其中，汽包鍋爐給水及水位的調(diào)節(jié)已經(jīng)完全采用自動(dòng)的方式加以控制，在不需要操作人員干預(yù)的情況下，可以很好的完成生產(chǎn)過程中的給水及水位控制，大大提高了生產(chǎn)效率。汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中水位保持在一定的范圍內(nèi)。只有保證汽包水位的波動(dòng)在允許范圍內(nèi)，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，汽包水位是影響整個(gè)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素，所以就要有一套較好的控制方案，來實(shí)現(xiàn)汽包水位的控制。 從傳統(tǒng)的控制方式來看，它們要么系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，卻不能有效的控制鍋爐汽包“虛假水位”現(xiàn)象，要么能夠在一定程度上控制“虛假現(xiàn)象”，系統(tǒng)卻過于復(fù)雜，成本投入過大。目前工業(yè)控制急需一種系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并且能夠控制“虛假水位”，具有高性價(jià)比的控制系統(tǒng)。汽包鍋爐的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螞_量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，低負(fù)荷階段，由于疏水和鍋爐排污等因素的影響，給水和蒸汽流量存在著嚴(yán)重的不平衡，而且流量太小時(shí)，測(cè)量誤差大，故在低負(fù)荷階段，很難采用三沖量調(diào)節(jié)方式，一般均采用單沖量調(diào)節(jié)方式。負(fù)荷達(dá)到一定值以上時(shí)，疏水和排污閥逐漸關(guān)閉，汽、水趨于平衡，流量逐漸增大，測(cè)量誤差逐漸減小，這時(shí)原則上可采用三沖量調(diào)節(jié)方式。但由于單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)要求蒸汽流量和給水流量信號(hào)在穩(wěn)態(tài)時(shí)必須相等，否則汽包水位存在靜態(tài)偏差，而且由于測(cè)量裝置及變送器的誤差等因素的影響，實(shí)際上現(xiàn)場(chǎng)這兩個(gè)信號(hào)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，經(jīng)常難以做到完全相等，而且單級(jí)三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定需兼顧的因素多。因此單級(jí)三沖量事實(shí)上一般也難以采用。串級(jí)三沖量調(diào)節(jié)方式，采用主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。兩調(diào)節(jié)器任務(wù)分工明確，整定相對(duì)容易，而且不要求穩(wěn)態(tài)時(shí)給水流量信號(hào)與蒸汽流量信號(hào)完全相等，易于得到較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，因此現(xiàn)場(chǎng)多采用此控制方式。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，參數(shù)的整定也是非常重要的，由于在系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的對(duì)象是確定的，所以只有對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行整定，控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計(jì)算方法和工程整定方法，理論計(jì)算方法是基于一定的性能指標(biāo)，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特征，通過理論計(jì)算求得調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)定值；而工程整定法，則是源于理論分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)、工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等一套工程上的方法，其具體方法將在本設(shè)計(jì)中體現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的目的是采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運(yùn)行，并通過MATLAB仿真，證明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)外擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。第一章 概 述 自動(dòng)控制技術(shù)在電廠的應(yīng)用電能由于其固有的優(yōu)點(diǎn)而成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域最廣泛使用的能量，從而成為人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中時(shí)刻不能離開的二次能源，電力已經(jīng)深入到社會(huì)生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域，一個(gè)國(guó)家的電氣化程度已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的一個(gè)重要標(biāo)志。只有電力產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展才有可能保證整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速而穩(wěn)步的發(fā)展。熱力發(fā)電廠是電力工業(yè)的重要組成部分。熱力發(fā)電廠包括燃化石燃料（煤、油、氣）的火力發(fā)電廠與使用核燃料的核動(dòng)力電廠，迄今為止，熱力發(fā)電廠在世界大多數(shù)國(guó)家中仍占著各種發(fā)電形式中的主導(dǎo)地位，我國(guó)的火力發(fā)電占70%左右，而且根據(jù)我國(guó)國(guó)情，火力發(fā)電廠基本是燃煤電廠。目前的大型燃煤電廠都已經(jīng)有了非常先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制水平的高低是衡量一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)水平先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)于其它民用工業(yè)部門有較長(zhǎng)的歷史和較高的自動(dòng)化水平，電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。早期的自動(dòng)控制系統(tǒng)因熱力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量小，對(duì)控制系統(tǒng)要求也不高，所以非常簡(jiǎn)單，只需對(duì)給水、汽溫、汽壓和汽機(jī)的轉(zhuǎn)速作簡(jiǎn)單的控制。這些控制系統(tǒng)大多分散在鍋爐和汽機(jī)車間就地安裝，整個(gè)電廠的機(jī)、爐、電也是分散控制的。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)電機(jī)組已由中溫、中壓、中小容量發(fā)展到今天的大容量、高參數(shù)的單元機(jī)組。 鍋爐概述鍋爐由汽鍋和爐子組成。爐子是指燃燒設(shè)備，為化石烯料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成熱能提供必要的燃燒空間。汽鍋是為汽水循環(huán)和汽水吸熱以及汽水分離提供必要的吸熱和分離空間。鍋爐作為一種把煤、石油或天然氣等化石燃料所儲(chǔ)藏的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成水或水蒸氣的熱能的重要設(shè)備，長(zhǎng)期以來在工業(yè)生產(chǎn)和居民生活中都扮演著極其重要的角色，它已經(jīng)有二百多年的歷史了，但是鍋爐工業(yè)的迅猛發(fā)展卻是近幾十年的事情。國(guó)外的鍋爐控制工業(yè)50～60年代發(fā)展最快，70年代達(dá)到高峰。我國(guó)的鍋爐工業(yè)是在新中國(guó)成立后才建立和發(fā)展起來的，1953年在上海首創(chuàng)了上海鍋爐廠,從其在生產(chǎn)和生活中所起的作用不同，鍋爐可分為電站鍋爐，主要用于發(fā)電；工業(yè)鍋爐，主要用于直接供給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或驅(qū)動(dòng)機(jī)械能源；生產(chǎn)鍋爐，主要用于為居民提供熱水和供居民取暖。應(yīng)該說鍋爐控制問題伴隨著鍋爐的出現(xiàn)也就相應(yīng)的出現(xiàn)了，它長(zhǎng)期以來就是控制領(lǐng)域的一個(gè)典型問題。伴隨著控制理論和控制技術(shù)的發(fā)展，鍋爐自動(dòng)化控制的水平也在逐步提高。鍋爐的自動(dòng)化控制，經(jīng)歷了三四十年代單參數(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，以及六十年代初期的計(jì)算機(jī)過程控制幾個(gè)階段，隨著六十年代第一臺(tái)計(jì)算機(jī)在控制中的應(yīng)用以及此后計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)逐漸進(jìn)入了鍋爐控制領(lǐng)域并正在成為這一領(lǐng)域的主要角色。計(jì)算機(jī)很強(qiáng)的記憶功能，邏輯判斷功能以及快速計(jì)算功能為實(shí)現(xiàn)任意的控制算法提供了可能，這樣，先進(jìn)的控制理論和控制算法進(jìn)入鍋爐控制已經(jīng)有了可能性。從系統(tǒng)角度看，鍋爐包括燃燒負(fù)荷控制系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和輔助控制系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖11：圖11 鍋爐控制系統(tǒng)總圖鍋爐汽包水位是鍋爐安全運(yùn)行的一個(gè)主要參數(shù)，水位過高會(huì)使蒸汽帶水帶鹽，嚴(yán)重的將引起整體品質(zhì)下降，嚴(yán)重影響生產(chǎn)和安全；水位過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)，引起水冷壁局部過熱而損壞，尤其是大型鍋爐，一旦控制不當(dāng)，容易使汽包滿水或汽包內(nèi)的水全部汽化，造成重大事故。故鍋爐汽包給水控制系統(tǒng)的任務(wù)是保證汽包水位在允許的范圍內(nèi)，并兼顧鍋爐的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)蒸汽鍋爐來說，汽包水位是其正常運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)重要的被調(diào)節(jié)參數(shù)。由于汽包水位在鍋爐運(yùn)行中占首要地位，所以這類鍋爐的生產(chǎn)自動(dòng)化一般是從給水自動(dòng)調(diào)節(jié)開始的。隨著鍋爐參數(shù)的提高和容量的擴(kuò)大，對(duì)給水控制提出了更高的要求，其主要原因有：（1）汽包的個(gè)數(shù)和體積減小，使汽包的蓄水量和蒸發(fā)面積減少，從而加快了汽包水位的變化速度；（2）鍋爐容量增大，顯著的提高了鍋爐蒸發(fā)受熱面的熱負(fù)荷，使鍋爐負(fù)荷對(duì)水位的影響加劇了；（3）提高了鍋爐的工作壓力，使給水調(diào)節(jié)閥和給水管道系統(tǒng)相應(yīng)復(fù)雜，調(diào)節(jié)閥的流量特性更不易滿足控制系統(tǒng)的要求。由此可見，隨著鍋爐朝大容量、高參數(shù)的發(fā)展，給水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制是必不可少的，它可以大大減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證鍋爐的安全運(yùn)行。 主要設(shè)備介紹汽包：一般汽包采用夾層結(jié)構(gòu)，并且汽包上、下兩半部采用不等壁厚，以減輕汽包重量，節(jié)約鋼材。來自水冷壁的汽水混合物從汽包頂部?jī)蓚?cè)進(jìn)入汽包的內(nèi)夾層，沖刷汽包上半部?jī)?nèi)壁，然后再進(jìn)入渦流式分離器，在分離器做第一次分離，每只分離器頂部都裝有立式波形板分離器，作為二次分離元件。汽包頂部還配有立式波形板分離器，作為三次分離元件，經(jīng)三次分離的飽和蒸汽由汽包頂部的引出管送到過熱器去，下降管安置于汽包最底部，在下降管入口處還裝有十字架，用來消除由于入口產(chǎn)生旋渦而將蒸汽帶入下降管的現(xiàn)象。此外，汽包內(nèi)還裝有給水管和連續(xù)排污管。變速泵：變速泵又分為電動(dòng)變速泵和氣動(dòng)變速泵。電動(dòng)變速泵的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)經(jīng)液力聯(lián)軸器與水泵相連接，通過改變液力聯(lián)軸器中勺管的徑向行程，改變聯(lián)軸器的工作油量，實(shí)現(xiàn)給水泵轉(zhuǎn)速的改變，氣動(dòng)給水泵由小汽輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，通過控制小汽輪機(jī)的進(jìn)氣量，改變氣動(dòng)泵的轉(zhuǎn)速。氣動(dòng)給水泵可直接將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，有較高的效率。但由于驅(qū)動(dòng)小汽輪機(jī)的蒸汽一般采用主汽輪機(jī)的抽汽，在機(jī)組啟動(dòng)和低負(fù)荷時(shí)，汽輪機(jī)抽汽氣壓太低，無法維持氣動(dòng)泵運(yùn)行，因此采用氣動(dòng)給水泵的系統(tǒng)，一般都配有一定容量的電動(dòng)泵，作為機(jī)組啟停和低負(fù)荷時(shí)使用以及氣動(dòng)泵故障時(shí)的備用泵。圖12 變速泵的壓力流量特性變速泵的壓力流量特性如圖12所示，為了保證鍋爐和泵的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，泵必須工作在泵的上限特性、下限特性、鍋爐允許最高給水壓力和最低給水壓力以及泵的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速包圍的區(qū)域，該區(qū)域稱為泵的安全工作區(qū)。泵的上限特性曲線亦稱為最小流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下必須滿足的最小流量，正如前所述，低于這個(gè)流量，不但運(yùn)行效率很低，而且還會(huì)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。這是由于低流量時(shí)，泵內(nèi)機(jī)械能做功產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)帶走，使得給水加熱并汽化，導(dǎo)致汽蝕。泵的下限特性曲線，亦稱為最大流量曲線，它表示給水泵在不同轉(zhuǎn)速下允許的最大流量，大于這個(gè)流量，泵的工作效率降低，而且可能使泵內(nèi)靜壓最低值低于給水溫度下的飽和壓力，在流道靜壓最低值部分給水將發(fā)生汽化，導(dǎo)致汽蝕。因此采用變速泵的給水控制系統(tǒng)，在控制給水流量的過程中必須保證泵的工作點(diǎn)在安全工作區(qū)內(nèi)。一般采用的保護(hù)措施是：當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入上限特性曲線之外時(shí)，打開泵出口至除氧器再循環(huán)管路上的最小流量再循環(huán)閥，稱之為最小流量保護(hù)；當(dāng)工作點(diǎn)進(jìn)入下限特性之外時(shí)，關(guān)小管路的給水調(diào)節(jié)閥或提高水泵轉(zhuǎn)速，稱之為最大流量保護(hù)，從而保證泵的工作點(diǎn)始終在泵的安全經(jīng)濟(jì)工作區(qū)內(nèi)。 給水調(diào)節(jié)的任務(wù)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)也叫水位自動(dòng)調(diào)節(jié)，其主要任務(wù)是：(1)維持鍋爐水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)于蒸發(fā)量。鍋爐的水位是影響安全運(yùn)行的重要因素。水位過高會(huì)影響汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和氣輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故；對(duì)于工業(yè)鍋爐，蒸汽帶水量過多，也要影響用戶的某些工藝過程。水位過低，則會(huì)破壞汽水正常循環(huán)，以致燒壞受熱面。水位過高或過低，都是不允許的。所以，正常運(yùn)行時(shí)汽包水位應(yīng)在給定值的15mm上下范圍波動(dòng)。(2)保持給水量穩(wěn)定。給水量穩(wěn)定，有助于省煤器和給水管道的安全運(yùn)行。上述兩個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無論是電站鍋爐，或者是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也