【文章內(nèi)容簡介】 的研究與應(yīng)用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學(xué)習(xí)控制等。先進(jìn)控制離不開前兩個(gè)階段 的控制理論，只是把自動(dòng)控制理論推向一個(gè)更深化的嶄新階段。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 控制系統(tǒng)的發(fā)展 近年來 DCS 系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，世界上約有 40 多家公司生產(chǎn)近百種簡單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國的 ABB、 Honeywell、 Tayler、 Foxboro；以及日本的橫河 —— 北辰、日立、東芝；德國的 Siemens 等多跨國公司。這些成熟的 DCS 系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對(duì)于專門的生產(chǎn)過程發(fā)展的 DCS 系統(tǒng)，可以很方便、任意的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況實(shí)現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的 開放性，用戶可以在此基礎(chǔ)上作二次開發(fā)，把最新的技術(shù)應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中來，增強(qiáng)原系統(tǒng)的功能。 本章小結(jié) 本章主要介紹了自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，前期為 “經(jīng)典控制理論”階段 和后期的 “現(xiàn)代控制理論”階段 以及大系統(tǒng)和先進(jìn)理論控制階段，及 DCS 系統(tǒng)在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 3 章 汽包鍋爐簡介 汽包的分類及工作原理 汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動(dòng)控制的任務(wù)與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個(gè)方面：（ 1）保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；（ 2）保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性；（ 3）保持爐膛負(fù)壓在一定范圍內(nèi)；（ 4）運(yùn)行中保證氣輪機(jī)所需的蒸汽量，過熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。無論上一自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務(wù)都是為了保證鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運(yùn)行方式、鍋爐的結(jié)構(gòu)、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實(shí)現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。 汽包鍋爐的工作原理：汽包鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)有汽包、下降管、分配水管、下聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器組成，這種與直流鍋爐結(jié)構(gòu)的不同的最大優(yōu)點(diǎn)是：這個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)是閉合的，在所有時(shí)候都有工質(zhì)在這個(gè)閉合的蒸發(fā)管 道系統(tǒng)中不斷循環(huán)。鍋爐的蒸發(fā)受熱面是有比較明顯的分界線的。無論是自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐只是工質(zhì)的循環(huán)方式不同，并不改變汽包鍋爐的工作原理。當(dāng)鍋爐壓力工作在 ~ 范圍內(nèi)時(shí)，汽水密度差可以自行推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，因此可以采用自然循環(huán)；當(dāng)鍋爐工作壓力≥16MPa 時(shí)，一般可以采用強(qiáng)制循環(huán)。 1— 給水母管 2— 給水調(diào)節(jié)閥 3— 省煤器 4— 汽包 5— 下降管 6— 上升管 7 — 過熱器 8— 蒸汽母管圖 31 自然循環(huán)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 影響水位的因素 影響汽包水位的因素有：流出 汽包 的蒸汽流量、放水或排污量、進(jìn)入 汽包 的給水流量以及汽包的壓力等。 從質(zhì)量平衡角度看，當(dāng)流出 汽包 的蒸汽流量、排污、放水量和進(jìn)入 汽包 的給水量不平衡時(shí)， 汽包 水位將發(fā)生變化。 汽包 壓力的變化可能會(huì)導(dǎo)致“虛假”水位現(xiàn)象。例如 ：當(dāng) 汽包 壓力 Pd 下降時(shí)， 汽包 中的飽和水就會(huì)大量汽化，產(chǎn)生大量汽泡，使得水位升高，往往是由于汽輪機(jī)用汽量 D 增加導(dǎo)致 Pd 下降，水位上升，而從質(zhì)量平衡角度看，流出 汽包的質(zhì)量增加，應(yīng)使水位下降，所以這種水位上升現(xiàn)象是一種“虛假”水位現(xiàn)象。同樣由于用汽量 D減少， Pd 升高，將導(dǎo)致水位暫時(shí)下降（也是虛假水位現(xiàn)象）。 上述幾種主要因素中，蒸汽量取決于外界負(fù)荷的要求，汽壓的變化則是燃料量、蒸汽量等綜合影響的結(jié)果，而只有給水量是一個(gè)可控制的量，可以用作 汽包水位調(diào)節(jié)的手段。 調(diào)節(jié)過程 汽包水位成為給水控制的唯一標(biāo)志， 因此汽包水位： （ 1）反映了鍋爐負(fù)荷與給水的平衡關(guān)系； （ 2）汽包水位影響蒸發(fā)面的改變，影響鍋爐的安全運(yùn)行。 因此在汽包鍋爐中，給水控制比直流鍋爐的給水控制簡單，其對(duì)象可以看成是帶有可測(cè)擾動(dòng)的兩輸入輸出系統(tǒng)，其指標(biāo)是單一的，也即把水位維持在一個(gè)范圍內(nèi)即可。 本章小結(jié) 本章介紹了汽包的分類自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)兩種 ，在水位控制系統(tǒng)中，目前“三沖量控制”方案已成為經(jīng)典控制方案，用該方案實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位控制是過路控制中的重中之重。 汽包的組成部分跟工作原理等等，用圖解的方法讓大家更加全面的了解自動(dòng)控制系統(tǒng) 在鍋爐汽包水位調(diào)節(jié)中的使用。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 4 章 汽包水位調(diào)節(jié)對(duì)象的特性 水位對(duì)象靜態(tài)特性分析 對(duì)于一臺(tái)固定容量的汽包鍋爐，當(dāng)設(shè)計(jì)完成后，其汽包、蒸發(fā)管道容量是固定的。汽包及蒸發(fā)管道系統(tǒng)中貯藏著蒸汽、水，貯藏量的多少，是以汽包水位H 表征的，其大小受到汽包的流入量（給水量），流出量（蒸發(fā)量）之間平衡關(guān)系的影響，同時(shí)還受到在給水循環(huán)、管道中汽水混合物內(nèi)汽水容積變化的影響。系統(tǒng)輸入輸出之間的靜態(tài)關(guān)系式為： H=f (W,D) (41) 其中： H—— 汽包水位； W—— 給水流量； D—— 蒸汽流量； 系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，給水量和蒸發(fā)量之間保持平衡，汽水容積也保持不變，水位 H保持穩(wěn)定 △ H=0。 汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性 給水量是鍋爐的輸入量，如果蒸汽負(fù)荷不變，那么給水流量變化時(shí)，汽包水位的運(yùn)動(dòng)方程式可以表示為： WWWW ukdtduTdtdhTdt hdTT ??? 12221 (42) 經(jīng)拉氏變換后可得： )()()()( 1221 SVkSSVTSSHTSHSTT WWWW ??? (43) 可以得到汽包水位在給水流量作用下的傳遞函數(shù)為： )1()()( 21)(01 ???? STST KSTV SHSG WWSW (44) 對(duì)于中壓鍋爐，上式中 Tw 的數(shù)值很小，常常可以忽略不計(jì)，因此可以進(jìn)一步改寫為： )1()()( 2)(01 ??? STSV SHSG SW ? (45) 式中： —— 反應(yīng)速度 即給水流量改變單位流量時(shí)水位的變化速度。從上式可知，汽包水位在給水流量作用下的動(dòng)態(tài)特性由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)一階滯后環(huán)節(jié)組成， T? 的數(shù)值可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試求得，數(shù)值的大小同鍋爐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。有些鍋爐當(dāng)給水增加時(shí)，1TK?哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 在較長的一段時(shí)間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對(duì)于這種鍋爐，用上式來表示它的動(dòng)態(tài)特性，誤差較大，這時(shí)可選用下面近似計(jì)算公式： SaSWeSTV SHSG ???? 1)()()(01 (46) 式中： ——? 給水量擾動(dòng)下的純滯后時(shí)間，對(duì)于非沸騰式省煤器的鍋爐， ? =30～100 秒；對(duì)沸騰式省煤器的鍋爐， ? =100～ 200 秒； ?1?aT —— 水位的反應(yīng)時(shí)間，它也與鍋爐結(jié)構(gòu)有關(guān)，對(duì)于本設(shè)計(jì)中鍋爐，Ta=30～ 100 秒。 計(jì)算上式在階躍輸入下的響應(yīng)，可知：當(dāng)突然加大給水量后（假定蒸汽量不變），給水量大于蒸發(fā)量，但汽包水位一開始 并不立即增加，而呈現(xiàn)出一段起始慣性段， 這是因?yàn)闇囟容^低的更多的給水進(jìn)入水循環(huán)系統(tǒng)，它從原有飽和汽水中吸取一部分熱量，汽包和汽水管路中由于熱量的“損失”汽泡體積減少。進(jìn)入省煤器的給水，首先必須填補(bǔ)由于熱量的“損失”汽泡體積減少所讓出的空間，這時(shí)，雖然給水量增加，但水位基本不變。當(dāng)水面下汽泡容積變化過程逐漸平靜時(shí)，汽包水位才由于貯水量的增加而愛漸上升。當(dāng)水面下汽泡容積不再變化、完全穩(wěn)定下來時(shí)，水位變化就隨著貯水量的增加而直線上升。 對(duì)于采用沸騰式省煤器的鍋爐，給水作用下的慣性段要比上述情況嚴(yán)重得多，甚至還可能 出現(xiàn)“假水位”現(xiàn)象，在這種情況下，水位變化的特性應(yīng)該采用如下傳遞函數(shù)： 11)()( 2 2)(01 ???? ST KSTV SHSG aSW (47) 式中： Wa KTT 1? 122 /)( TTTKK WW ?? 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 tu WW?thh 1hh 2 圖 41 采用沸騰式省煤器給水作用下的水位飛升曲線 上圖是給水作用下汽包水位的反應(yīng)曲線。 h1是只考慮物料不平衡，即給水量大于蒸發(fā)量而產(chǎn)生的上升曲線，其特性表 現(xiàn)為積分環(huán)節(jié)，不自衡能力； h2是由于給水量增加，蒸發(fā)面以下汽泡容積的變化引起的。 h是由 h1(t)和 h2(t)迭加而成的，它的特性實(shí)際上是兩個(gè)環(huán)節(jié)的并聯(lián)。在有“假水位”的情況下，需要用上式來表示其動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于不同的鍋爐設(shè)備，究竟采用何種形式的傳遞函數(shù)來表示它的動(dòng)態(tài)特性，還要根據(jù)具體條件來定，原則是：表達(dá)特性最符合實(shí)際情況，傳遞函數(shù)式盡可能地簡單。 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 汽包水位在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，可以用下式表示（假定給水量不變）： )(12221 DDDD ukdtduTdtdhTdt hdTT ???? (48) 拉氏變換后可得： )]()([)()( 1221 SVkSSVTSSHTSHSTT DDDD ???? (49) 則： )1()()( 21)(2 ????? STST KSTV SHSG DDSDF (410) 上式可通知兩個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)的并聯(lián)來等效，即： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 11)()(239。39。)(2 2????? STKSTVSHSGaSDF (411) 式中： Da KTT 139。 ? 1239。2 /)( TTTKK DD ?? 對(duì)大部分調(diào)節(jié)對(duì)象而言，平衡受到破壞的主要影響因素是系統(tǒng)中物料或能量的不平衡。鍋爐汽包水位除上述對(duì)象具有的特性以外，還有它特有的性質(zhì)。當(dāng)負(fù)荷設(shè)備的用汽量突然增加 D? （假定供熱量及時(shí)跟上），單從物料不平衡考慮，汽包中蒸發(fā)量大于給水量，汽包水位應(yīng)如圖中 h1 所示，相當(dāng)于上式中 STa39。1?這一項(xiàng)，是直線下降的。 thtu DD?h 2hh 1 圖圖 42 蒸蒸 汽汽 流流 量量 擾擾 動(dòng)動(dòng) 時(shí)時(shí) 的的 水水 位位 飛飛 升升 曲曲 線線 實(shí)際水位 h 在擾動(dòng)的初始瞬間水位不但沒有下降而且上長，這是由于鍋爐汽包蒸發(fā)面下的水中有蒸汽存在， 是由于蒸發(fā)過程的連續(xù)性，在蒸汽向汽分界面移動(dòng)的過程中，會(huì)有一部分蒸汽在某一段時(shí)間內(nèi)處于水中，在一定負(fù)荷和一定壓力下，蒸汽發(fā)生量與蒸發(fā)面以下蒸汽含量之間有一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)面以下的蒸汽容積可以用下式表示： ?? 1WKV SS ? (412) 式中： Vs—— 蒸發(fā)面以下的蒸汽容積； 哈爾濱工業(yè)大學(xué)成人高等教育本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 k—— 比例系數(shù)，隨負(fù)荷不同而異； W1—— 汽化強(qiáng)度； S? —— 飽和蒸汽重度； ? —— 汽泡在水中平均停留時(shí)間。 當(dāng)蒸汽流量 D 階躍增加時(shí)，汽包中壓力減小，汽水循環(huán)管路中水的汽化強(qiáng)度 W1增加，蒸發(fā)面以下蒸汽容積 Vs 增加。 從圖中可以看出，當(dāng)蒸汽量變化時(shí)，汽包水位的變化具有特殊的形式，負(fù)荷階躍增大時(shí)，汽水混合物中蒸汽的容積迅速增加，此時(shí)雖然蒸發(fā)量大于給水量，但水位不但不會(huì)下降，反而 迅速上長。這種特殊現(xiàn)象稱為“虛假水位”。當(dāng)汽水混合物中汽泡容積與負(fù)荷相適應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。 當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的。由于“假水位”而出現(xiàn)的水位最大偏差很難依靠調(diào)節(jié)來克服，如果要求水位波動(dòng)不能太大，只有限制負(fù)荷 D 的變化速度或限制負(fù)荷一次變化量。 “虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關(guān)，對(duì)一般的中高壓鍋爐，如負(fù)荷階躍變化 10%時(shí)，“虛假水位”現(xiàn)象可使水位變化達(dá) 30～ 40 毫米，從以上動(dòng)態(tài)特性分析中可以得到如