【正文】 特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率 。 如圖 425，主回路液位輸出始終保持在給定值上，幾乎沒受到給水干擾的影響。 當(dāng)給水 流量突然增加 20%， 仿真結(jié)果 如圖 424， 在 副回路 調(diào)節(jié)下 ， 經(jīng)過約 4 秒，給水流量輸出 就 完全跟蹤了副回路輸入 ， 而且 給水流量干擾對(duì)副回路輸出幅值影響也非常小，約為 。仿真程序如圖 423 所示。 副 PID 控制器參數(shù) 取 為： P=1000， I=1000， D=0。經(jīng)過多次各種試驗(yàn)，得到的結(jié)果都與單沖量控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果 基本一樣， 很難調(diào)出更好的控制效果。 25 圖 422 20%蒸汽流量 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當(dāng)蒸汽流量突然增加 20%，仿真結(jié)果如圖 422，與圖 412 基本相同。 第二種雙沖量控制系統(tǒng)的仿真 圖 421雙沖量控制系統(tǒng) 第二種 接法的仿真程序 仿真程序 如圖 421 所示。 圖 420 20%蒸汽流量和 給水流量 反向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當(dāng) 蒸汽流量突然增加 20%， 同時(shí) 給水流量突然 減小 20%， 如圖 420，約經(jīng)過 800秒，液位穩(wěn)定到 給 定值，其最大超調(diào)約為 85%。 圖 419 20%蒸汽流量和 給水流量 同向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當(dāng) 蒸汽流量和給水流量同時(shí)突然增加 20%，由于 雙沖量控制系統(tǒng)對(duì) 蒸汽流量 干擾的克服增強(qiáng)，而對(duì)給水干擾的克服基本沒變，從而使 二者相互抵消 的作用減小 。 圖 418 20%給水流量干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 當(dāng)給水 流量突然增加 20%時(shí) ，如圖 418，約經(jīng)過 800 秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 65%，與圖 413 相比 ，它的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)都沒有變化。 仿真結(jié)果 如圖 417，約經(jīng)過 700 秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 40%，與圖 412 相比 ，它的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)均明顯 減小 。 引入蒸汽流量的前饋信號(hào)，加法器系數(shù) 取 C1=1， 在只有負(fù)荷干擾的條件下， 經(jīng)過湊試 C2取 ， C0取 。 PID 控制器參數(shù)為： P=， I=， D=。此時(shí)，這個(gè)單沖量控制系統(tǒng)已不適用于這個(gè)鍋爐汽包液位系統(tǒng)的控制。 圖 414 20%蒸汽流量和 給水流量 同向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 取 Step1=， Step2=，即 蒸汽流量突然增加 20%， 同時(shí) 給水流量突然 減小20%， 這時(shí) 蒸汽 流量增加使液位下降，給水流量 減小也使 液位 下降 ，二者同時(shí)作用 使干擾增強(qiáng)，則調(diào)節(jié)器輸出變化量較大，調(diào)節(jié)閥開度也較大。 如圖 414， 可以看出 在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下，約經(jīng)過 700 秒，液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 40%。液位輸出曲線 同樣達(dá)到了比較令人滿意的效果 。 20 圖 412 20%蒸汽流量干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 仿真研究 取 Step1=0， Step2=， 看一下 給水流量突然增加 20%時(shí)， 控制效果如何。在 100 秒時(shí)刻系統(tǒng)受到 20%蒸汽流量干擾， 約經(jīng)過 800 秒 時(shí)間（即調(diào)整時(shí)間約 800 秒） ， 在約 900 秒時(shí)刻 液位穩(wěn)定到設(shè)定值，其最大超調(diào)約為 80%，衰減比約為 9:1。 圖 411 在 20%蒸汽流量干擾 下 P=， I=， D= 再經(jīng)過 I 和 D 微調(diào)湊試，得到最佳曲線參數(shù)為： P=， I=， D=。 仿真結(jié)果如圖 411。此時(shí)系統(tǒng)輸出 在給定值附近衰減振蕩 ，但衰減速度太慢，應(yīng)再引入微分作用。再給定 P=， I=， D=0。仿真結(jié)果如圖 49。系統(tǒng)輸出振蕩減弱，但是余差很大。 圖 47 在 20%蒸汽流量干擾 下 P=1， I=0， D=0時(shí)仿真結(jié)果 圖 48在 20%蒸汽流量干擾 下 P=， I=0， D=0時(shí)仿真結(jié)果 圖 49在 20%蒸汽流量干擾 下 P=， I=， D=0時(shí)仿真結(jié)果 19 再給定 P=， I=0， D=0。 由圖看出 系統(tǒng)輸出振蕩 嚴(yán)重 。 a） 主程序 b） 子程序 圖 46 單沖量控制系統(tǒng)仿真程序 18 最佳 PID 參數(shù)整定 過程 取 Step1=， Step2=0， 即 引入 20%蒸汽流量 干擾 ， 首先 給定 P=1， I=0， D=0。 為了明顯看出干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響和分析的方便，干擾信號(hào)和輸出信號(hào)同時(shí)顯示在 Scope 中 。 P為比例系數(shù) kp， I為積分系數(shù) ki=kp/TI， D為微分系數(shù) kd=kpTD。 液位給定值 為一個(gè) 常數(shù)，蒸汽流量干擾和給水流量干擾分別用階躍信號(hào) Step1 和 Step2 表示。 用 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 編制 汽包 水位 單沖量控制系統(tǒng) 仿 真程序如圖 46 所示 。對(duì)于參數(shù) ? ，? 越大，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。 在一定范圍內(nèi)， T 越小，假液位上升越快，假 17 液位現(xiàn)象也越嚴(yán)重。 K 對(duì)假水位現(xiàn)象影響最為明顯， K 越大假液位現(xiàn)象越嚴(yán)重且持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。由 圖可知 ? 越大，滯后時(shí)間越長(zhǎng)，反之越短。 當(dāng) T 小于 1 時(shí)， 假液位 對(duì)輸出幅值 和 液位上升 速度 的影響沒有太大區(qū)別。 在 T 小于 100 大于 1 的范圍內(nèi)較明顯。 a)K=100時(shí) 仿真結(jié)果 b)K=1時(shí) 仿真結(jié)果 圖 43 改變 K值的 仿真結(jié)果 改變 T 值 分別 取 T=100、 T= T=1 和 T=，仿真結(jié)果如圖 44 所示 。與 42 b） 比較， 可 以發(fā)現(xiàn) K 越大假液位現(xiàn)象越嚴(yán)重且 持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。 圖 42 b） 是干擾通道 階躍響應(yīng) 仿真結(jié) 果 ， 蒸汽流量突然增加 20%，在開始階 段水位不但不下降，反而先上升，然后下降，這 是虛假液位現(xiàn)象 。 仿真結(jié)果如圖 42。為了使輸出 統(tǒng)一在 2～ 2 范圍內(nèi)，把系統(tǒng)輸出用 Gain（增益）模塊進(jìn)行調(diào)整。在仿真實(shí)驗(yàn)中， 加入 20%的干擾 ，即 干擾值 為 ，表示實(shí)際的 。用 Scope 顯示 仿真結(jié)果 。干擾通道傳遞函數(shù) f()( ) 1S KHSS S T S?? ? ? ?Q （ 42） 道用兩個(gè) Transfor F(傳遞函數(shù) )模塊，分別設(shè)置 Transfor F(傳遞函數(shù) )模塊參數(shù)成一個(gè)一階 慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)比例積分環(huán)節(jié)求和 實(shí)現(xiàn) 。 a） 控制通道仿真程序 b） 干擾通道仿真程序 圖 41 鍋爐汽包水位的仿真程序 14 用 MATLAB 環(huán)境下的 SIMULINK 編 制 汽包 水位 對(duì)象的 仿真程序。 定值控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的最佳曲線一般是三個(gè)半波，且衰 減比為 10:1 到 4:1。 由于來(lái)自外界的各種擾動(dòng)不斷產(chǎn)生，要想達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)控制對(duì)象值保持恒定的目的，控制作用就必須不斷的進(jìn)行。有時(shí)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(qiáng)一些。 也是本文所使用的方法。經(jīng)驗(yàn)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。按液位、流量、壓力、溫度來(lái)分。常用的有經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰減振蕩法和響應(yīng)曲線法。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。積分作用越強(qiáng)，余差越小，穩(wěn)定性越低。 比例作用的特點(diǎn)是控制及時(shí)，具有自適應(yīng)性，但是存在余差。 控 制器是控制系統(tǒng)的心臟 。此外， SIMULINK 還包括線性化和平衡點(diǎn)分析等模型分析工具 [4]。除此之外，用戶還可以改變參數(shù)來(lái)迅速觀察系統(tǒng)中發(fā)生的變化。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(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。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。仿真過程是交互的，可以隨時(shí)修改參數(shù)，并且能夠立即看到仿真結(jié)果。 SIMULINK 的使用對(duì)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)。隨著該軟件的發(fā)展，模型庫(kù)不斷得到豐富和發(fā)展。System（信號(hào)與系統(tǒng)）、 Math（數(shù)學(xué)模塊）和 Functionsamp。 SIMULINK 提供了一個(gè)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(lái)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(diǎn)。他有兩個(gè)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(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析，從而使一 12 個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)模型的建立和仿真變得相當(dāng)簡(jiǎn)單和直觀。 MATLAB 的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。意為“矩陣實(shí)驗(yàn)室” 。這樣 既 方便快捷，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。 在實(shí)際中，控制系統(tǒng)及設(shè)備在投運(yùn)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(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量。 雖然人們很早就采用了模型來(lái)分析與研究真實(shí)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(jì)算機(jī) (模擬計(jì)算機(jī)及數(shù)字計(jì)算機(jī) )的問世 ,才為建立模型及對(duì)模型進(jìn)行試驗(yàn)提供了強(qiáng)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(dú)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(shí)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用 物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合技術(shù)。 11 第 4章 鍋爐汽包 水位 控制 系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì)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(gè)曾經(jīng)用過的譯名是 “ 模擬 ” 。 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(jiǎn)單的三沖量控制系統(tǒng) ，只用一臺(tái)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(shí)現(xiàn) 。 C0的設(shè)置與雙沖量控制系統(tǒng)相同。 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。為此，可再引入給水流量信號(hào)，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(shí)現(xiàn)加減和控制的功能 [2]。 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。 C0 是個(gè)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(gè)比較適中的數(shù)值。 C1的設(shè)置比較簡(jiǎn)單，可取 1，也可小于 1。如果在現(xiàn)場(chǎng)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。因?yàn)樵谡羝髁考哟髸r(shí)，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(hào)；如果采用氣開閥，P0應(yīng)增加，即應(yīng)取正號(hào)。控制閥的氣開與氣關(guān)的選用，一般從生產(chǎn)安全角度考慮。 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。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(dòng)態(tài)上的差異，須加入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償環(huán)節(jié)。將蒸汽流量信號(hào)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 。 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。 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。單沖量控制系統(tǒng) 原理圖及方 塊 圖 如圖 31 所示。 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)。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。 根據(jù)鍋爐汽包水位蒸汽流量和給水流量對(duì)水位影響的動(dòng)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