【文章內(nèi)容簡介】 變化曲線2可以認為是曲線1和3的合成。通過上面對水位調(diào)節(jié)對象在給水流量擾動下的階躍響應曲線分析，可以把水位調(diào)節(jié)對象以方框圖33（a）表示，即把對象看成為是一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的并聯(lián)。經(jīng)過變換也可把它看作為積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)如圖33（b）所示。+H W(a)HW(b)（a) 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)并聯(lián) (b) 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)圖33給水流量擾動時水位調(diào)節(jié)對象方框圖因此,給水流量擾動下的汽包水位的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為：公式中 τ— 遲延時間(s)ε— 給水流量改變一個單位流量時,水位變化的響應速度τ和ε可由水位響應曲線上求得?？傊?，當給水流量擾動時，水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性表現(xiàn)為有慣性的無自平衡能力特征。也就是說，當給水流量改變后水位并不立即變化。動態(tài)特性參數(shù)τ和ε的數(shù)值將用來說明水位響應遲延時間的長短和響應速度的快慢。 給水流量的調(diào)節(jié)方式在蒸汽流量D擾動下水位變化的階躍響應曲線如圖34所示。 D △D O t H H2 HH1 O t 圖34蒸汽流量D擾動下水位變化的階躍響應曲線當蒸汽流量突然階躍增加時，此時鍋爐蒸發(fā)量大于給水量，只從物料守恒考慮，由于汽包水位對象是無自平衡能力的，這時水位應按積分規(guī)律下降，如圖中H1曲線所示。但從能量守恒看，先假定當鍋爐蒸發(fā)量突然增加時，燃料量能及時跟上，由于燃燒強度增加，鍋爐的蒸發(fā)強度增強，汽水混合物中的汽泡數(shù)量增加，水容積也迅速增大，使得汽水混合物體積膨脹，水位升高。如果負荷變化時，燃料量來不及增加，由于蒸汽量的增加，使汽包內(nèi)的汽壓下降，相應地降低了汽水混合物的飽和溫度，汽化加快，同樣使汽水混合物體積膨脹，水位升高。所以不管燃燒強度是否增加，都會使水面下汽泡容積增大導致水位上升。因蒸發(fā)強度的增加是有一定限度的，當蒸發(fā)量滿足負荷要求后，汽包壓力不再變化，容積增大速度減慢而達到穩(wěn)定，故汽泡容積的增大而引起的水位變化可用慣性環(huán)節(jié)特性來描述，如圖中曲線H2所示。實際上水位變化曲線H如圖34所示，它是曲線H1和H2的合成。由圖中可以看出，當鍋爐蒸汽負荷變化時，汽包水位的變化具有特殊的形式：（1）在負荷突然增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)流量，但開始階段的水位不僅不下降，反而迅速上升，過一段時間后再下降。（2）反之，鍋爐負荷下降時，水位反而先下降。這種現(xiàn)象稱為“虛假水位”現(xiàn)象。這是因為在負荷變化的初始階段，水面下汽泡的體積變化很快，它對水位變化起著主要影響作用的緣故。因此，汽包水位隨汽泡體積的增大而上升，只有當汽泡容積與負荷適應而不再變化時，水位的變化就僅由物料的平衡關系來決定，這時水位就隨負荷的增大而下降，呈現(xiàn)無自平衡特性。 汽包水位的動態(tài)特性 D + H 圖35汽包水位的動態(tài)特性 蒸汽流量擾動下，汽包水位的動態(tài)特性可用圖35方框圖來表示，其傳遞函數(shù)為: 式中T2—H2變化的時間常數(shù)；K2—H2變化的傳遞函數(shù)；ε—H2的響應速度。 上面所討論的蒸汽流量擾動下的水位調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性，只是從蒸發(fā)強度變化對汽泡容積的影響方面定性的說明水位變化的特點。 實際上，改變汽輪機的用汽量引起的蒸汽流量的階躍擾動，必定引起汽壓的變化，汽壓變化也會影響到水面下汽泡的體積變化，所以實際的虛假水位現(xiàn)象會更嚴重些。 虛假水位的變化幅值與鍋爐負荷的大小有關，根據(jù)100—230 t/h中高壓鍋爐的資料，當負荷階躍擾動10%時，虛假水位的變化幅值可達3040mm?？梢?，虛假水位的幅值是相當大的。 虛假液位的原因 在鍋爐運行過程中，當蒸汽負荷突然增加時，單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，水位應下降。但因蒸汽流量與給水流量產(chǎn)生不平衡的初始階段，水位下降存在時間上的延遲，所以實際上，當蒸汽負荷增加時，雖然鍋爐的給水流量小于蒸汽流量，水位不但不下降，反而迅速上升，這是由于汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加造成的。這種現(xiàn)象常稱為“虛假液位”現(xiàn)象。造成“虛假液位”的原因有兩個，:h2H h2’ h2’’外擾動作用 “虛假液位”圖(1) 鍋爐蒸汽負荷增加使爐管和汽包中汽水混合物的汽、 水 比例發(fā)生變化(汽容積增加)而引起汽包水位上升，’曲線所示。這是引起汽包“虛假液位”的主要原因。(2) 蒸汽流量增加，汽包汽壓下降，爐水沸點下降，由于爐水為飽和水汽化，使汽包水位隨壓力下降而升高，如圖36 曲線所示。虛假液位等于與之和 ?？傊?，由于存在“虛假液位”現(xiàn)象，當負荷蒸汽流量增加時，汽包水位開始不但不降反而上升，即先上升后下降；當蒸汽負荷量突然減小時，則汽包水位變化的情況相反，先降后升。根據(jù)汽包鍋爐給水控制對象動態(tài)特性的特點，我們可以提出確定給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些基本思想：(1)由于對象的內(nèi)擾動動態(tài)特性存在一定的遲延和慣性，所以給水控制系統(tǒng)若采用以水位被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則控制過程中水位將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差，給水流量波動較大。因此，對給水內(nèi)擾動態(tài)特性遲延和慣性大的鍋爐主要考慮采用串級或其他控制方案。(2) 由于對象在蒸汽負荷擾動(外擾)時，有“虛假水位”現(xiàn)象。因此給水控制若采用以水位為被調(diào)量的單回路系統(tǒng)，則在擾動的初始階段，調(diào)節(jié)器將使給水流量向與負荷變化方向相反的方向變化，從而擴大了鍋爐進、出流量的不平衡。 正是因為用常規(guī)PID無法很好解決“虛假水位”現(xiàn)象，所以人們經(jīng)過多年積累的經(jīng)驗，總結(jié)出把模糊控制算法加入在常規(guī)PID中去解決現(xiàn)實中無法解決的“虛假水位”問題，使鍋爐汽包水位達到人們期望水平。 鍋爐汽包水位控制 汽包水位控制的目的就是要克服鍋爐負荷變化所引起的“虛假液位”的影響和各種干擾對水位的影響，維持汽包水位在允許的范圍內(nèi)變化。在工業(yè)汽包水位的自動控制中，針對不同的控制信號可以有單沖量控制系統(tǒng)、雙沖量控制系統(tǒng)和三沖量控制系統(tǒng)。其中，單沖量控制系統(tǒng)以汽包水位測量為唯一的控制信號。雙沖量控制系統(tǒng)在汽包水位信號為主要控制信號的基礎上，加入蒸汽流量作為前饋信號。三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎上，又引進給水量控制信號作為內(nèi)環(huán)控制。 單沖量控制系統(tǒng)是以汽包水位測量信號為唯一的控制信號，即調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位測量值與給定值的偏差去控制給水調(diào)節(jié)閥，改變給水量來保持汽包水位在允許范圍內(nèi)。 單沖量汽包水位控制系統(tǒng)存在兩個主要問題:(1)當鍋爐蒸汽負荷變化很大時，受“虛假液位”現(xiàn)象的影響，在調(diào)節(jié)過程一開始水位“虛假”上升而減少給水量，這個錯誤舉動反而擴大了汽包進出流量的不平衡，使汽包水位和給水量的波動幅度增大，降低了調(diào)節(jié)質(zhì)量。(2) 在給水擾動時，調(diào)節(jié)器要等到水位改變了以后才動作，又經(jīng)過一段時間延遲后才能影響到水位，導致汽包水位發(fā)生較大變化，調(diào)節(jié)時間長。 在單沖量控制系統(tǒng)的基礎上，加入蒸汽流量作為前饋信號。引入的蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假液位”對控制的不良影響。當蒸汽負荷變化時，使調(diào)節(jié)閥一開始就向正確的方向動作，同時有助于改善控制系統(tǒng)的靜態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。 三沖量控制系統(tǒng) 一般而言，鍋爐容量越大，汽包容水量相對就越小，允許的蓄水量就更小，這就要求提高對汽包水位的控制。在雙沖量控制系統(tǒng)中，對于給水量的自發(fā)變化不能及時調(diào)節(jié)，只有在延遲一段時間后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化反映出來。對于幾臺鍋爐并列運行時，幾臺鍋爐的汽包水位控制會相互影響，使得控制過程非常復雜。針對這個問題，三沖量控制系統(tǒng)在雙沖量控制系統(tǒng)的基礎上，又引進了給水量信號控制。這個調(diào)節(jié)器接受三個輸入調(diào)節(jié)信號:汽包水位作為主沖量信號，蒸汽流量作為前饋信號，給水流量作為內(nèi)反饋信一號。因此，對中小型鍋爐，由于汽包相對負荷而言，容量較大，水位受到擾動后的轟應速度比較慢，虛假水位現(xiàn)象不很嚴重。因此一般采用單沖量調(diào)節(jié)方式就可以滿足生產(chǎn)運行的要求，但是單沖量調(diào)節(jié)方法不能克服虛假水位對水位控制的不良影響，當蒸汽量大幅度增加時，由于假水位上升，調(diào)節(jié)器輸出信號不但不去開大調(diào)節(jié)閥增大給水流量，以維持物料平衡，反而去關小調(diào)節(jié)閥，減小給水流量，等到虛假水位消失后，水位將更加迅速下降，顯然這是幫倒忙，在外擾作用下必將引起水位發(fā)生較大幅度波動。為了克服虛假水位對控制的不良影響，可以引入蒸汽流量作為前饋信號，所以雙沖量控制比單沖量控制更好些。然而雙沖量控制方法不能迅速克服給水壓力變化對水位的影響，因為當給水壓力波動時，給水流量將相應變化，此時只有待水位發(fā)生變化后調(diào)節(jié)器才能起作用。為此再引入給水流量信號，即采用三沖量水位控制回路。所以，通過分析我們發(fā)現(xiàn)三沖量控制要比單沖量控制和雙沖量控制要優(yōu)越些。本文就是采用這種三沖量的控制方式，將蒸汽流量作為前饋信號，把給水流量作為控制信號，組成汽包水位的三沖量控制系統(tǒng)，同時考慮到傳統(tǒng)P工D控制對汽包運行中出現(xiàn)的“虛假水位”現(xiàn)象無能為力，所以將模糊自整定PID控制器應用到該三沖量控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)工業(yè)鍋爐汽包水位的定值控制。 本章小節(jié) 鍋爐汽包水位控制特性與鍋爐的給水流量和蒸汽流量有關。本章通過對鍋爐汽包水位動態(tài)特性的研究，得出傳遞函數(shù)以及特性曲線。當蒸汽流量與給水流量不平衡時，會產(chǎn)生“虛假液位”現(xiàn)象。并通過對鍋爐汽包水位的單沖量控制、雙沖量控制和三沖量控制的分析，本文打算用三沖量的控制系統(tǒng)來研究鍋爐汽包水位的控制。 第四章鍋爐汽包水位控制方法設計與仿真研究 關于MATLABMATLAB語言是由美國的 Clever Moler博士于 1980年開發(fā)，以后又經(jīng)多位專家加以補充、添加，成為功能強大、內(nèi)容廣泛的計算機輔助設計的軟件工具。MATLAB語一言設計者的初衷是為了解決數(shù)學中“線性代數(shù)”課程的矩陣運算問題而進行開發(fā)的。之后控制學者們注意到了它特有的矩陣處理功能，并發(fā)現(xiàn)了用于控制理論研究的功能豐富的控制系統(tǒng)專用工具箱和結(jié)構(gòu)圖程序設計的SIMULINK仿真環(huán)境，使得MATLAB語言成為控制界計算機輔助設計的有利工具。其他諸如信號處理、應用數(shù)學等學科，也紛紛向MATLAB中加入了各種實用的專用工具，使得MATLAB語言越來越完善，功能越來越強大。例如在信息與控制學科中相當活躍的模糊邏輯、小波分析、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡技術、ARMA模型技術等，迄今為止MATLAB語言的擴展開發(fā)遠遠沒有結(jié)束，各學科的相互促進、相互滲透使得M尤TLAB語言的應用越來越廣泛，越來越實用。MATLAB語言的主要特點如下:(1)強大的矩陣運算功能(MATTICS)(2)廣泛的符號運算功能(SYMBOLIC)(3)高級與低級兼?zhèn)涞膱D形功能(FIGURE)(4)圖形化控制仿真程序設計功能(SIMULINK)(5)可靠的容錯功能 (ERROR COMPATIBILITY)(6)應用靈活的兼容與接口功能(INTERFACE)(7)信息量豐富的聯(lián)機檢索功能(INFORMATION)SIMULINK是MATLAB環(huán)境下的數(shù)字仿真工具，是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的集成環(huán)境。它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)仿真，也支持具有多種采樣速率的多速率系統(tǒng)仿真。SIMULINK提供了用鼠標“畫”出系統(tǒng)框圖的方式，可以進行圖形建模。與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程或差分方程建模相比，它具有直觀、方便、靈活的優(yōu)點。SIMULINK還提供了封裝和模塊化工具，尤其適用幣復雜、多層次、高非線性的系統(tǒng)仿真。它簡化了設計過程，減輕了設計負擔，提高了仿真的集成化和可視化程度。在SIMULINK環(huán)境中，用戶將擺脫理論演繹時需做理想化假設的無奈，觀察到現(xiàn)實世界中摩擦、風阻、齒隙、飽和、死區(qū)等非線性因素和各種隨機因素對系統(tǒng)行為的影響。在SIMULINK環(huán)境中，用戶可以在仿真進程中改變感興趣的參數(shù)，實時地觀察系統(tǒng)行為的變化。由于SIMULINK環(huán)境使川戶擺脫了深奧數(shù)學推演的壓力和煩瑣過程的困擾，囚此用廠，在此環(huán)境中會產(chǎn)生濃厚的探索興趣，引發(fā)活躍的思