【正文】 個(gè)控制目的 ，控制手段也有三個(gè)， 即燃料量、送風(fēng)量和引風(fēng)量。維持爐膛負(fù)壓一是為了防止一氧化碳等有毒物質(zhì)排除，產(chǎn)生人體傷害。 （ 4） 過熱蒸汽系統(tǒng)的控制。受控變量一般是過熱器出口溫度，操縱變量是減溫器的噴水量。用實(shí)驗(yàn)測定法建立數(shù)學(xué)模型是對(duì)系統(tǒng)施加一定的激勵(lì)（輸入），測得它的輸出，根據(jù)輸入輸出的數(shù)據(jù)（或曲線）結(jié)果，通過一定的處理方法，得到反映系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系的數(shù)學(xué)模式。蒸汽流量、給水流量、 鍋爐排污、吹灰等對(duì)水位 都會(huì) 有影響。 蒸汽流量和給水流量是鍋爐汽包水位最主要的干擾。在燃料量不變 的情況下，蒸汽用量突然增 加，瞬時(shí)間必然導(dǎo)致汽包壓力下降，汽包內(nèi)水的沸騰突然加劇，水中汽泡 迅速增加，將整個(gè)水位抬高，形成虛假的水位上升現(xiàn)象，即所謂假水位現(xiàn)象。 圖 21 蒸汽流量干擾下水位的階段響應(yīng)曲線 5 當(dāng)蒸汽流量突然增加時(shí)，由于假水位現(xiàn)象，在開始階段水位不僅不會(huì)下降，反而先上升 ，然后下降（反之，當(dāng)蒸汽流量突然減少時(shí)，則水位先下降 ，然后上升）。 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(shí)，假水位可達(dá) 30~40mm。 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(duì)象，水位響應(yīng)曲線如圖 中 H1 線。因此實(shí)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。 給水溫度越低，純滯后時(shí)間 ? 越大。如采用省煤器，則由于省煤器本身的延遲，會(huì)使 ? 增加到 100 200 秒之間。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(shí)控制，就會(huì)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(huì)影響汽包的汽水分離，產(chǎn)生汽帶液現(xiàn)象，會(huì)使過熱器管壁結(jié)垢導(dǎo)致破壞，同時(shí)過熱蒸汽溫度急劇下降，該蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，還會(huì)損壞氣輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全與經(jīng)濟(jì)性。 鍋爐 汽包水位 控制 系統(tǒng)主要有以下三種。 這里指的單沖量即汽包水位。 這種控制系統(tǒng)是典型的單回路控制系統(tǒng)。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(dòng)很厲害， 這種情況 嚴(yán)重時(shí)會(huì)使汽包水位降到危險(xiǎn)程度以致 發(fā)生事故。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(dòng)作，而且使控制閥的動(dòng)作十分及時(shí)，從而減少水位的波動(dòng)，改善控制品質(zhì)。 這是一個(gè)前饋（蒸汽流量）加單回路反饋控制的復(fù)合控制系統(tǒng)。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)。 C2項(xiàng)取正號(hào)還是負(fù)號(hào)，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。如果高壓蒸汽是供給 蒸汽透平壓縮機(jī)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(shí)，為保護(hù)鍋爐以采用氣關(guān)閥為宜。 C2的數(shù)值應(yīng)考慮達(dá)到穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償。如果有閥門特性數(shù)據(jù)， 也可進(jìn)行計(jì)算 。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。最好在正常負(fù)荷下 C0值與 C2PF項(xiàng)正好抵消。 由于 水位上升與蒸汽流量增加時(shí)，閥門動(dòng)作方向相反，所以一定是信號(hào)相減。 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(gè)弱點(diǎn)：控制閥的工作特性不一定是 線性 的 ，要做到靜態(tài)補(bǔ)償比較困難；對(duì)于給水系統(tǒng)的干擾仍不能克服。這是前饋與串級(jí)控制組成的復(fù)合控制系統(tǒng)。假設(shè)采用氣開閥 ，C2就去正值。水位控制器和流量控制器的參數(shù)整定方法與一般串級(jí)控制系統(tǒng)相同。 第三種接法 加法器 接在控制器之后如圖 35 b） 所示 [3]。 從字面上解釋 “ 仿真 ” 和 “ 模擬 ” 都是表示 “ 模擬仿真世界 ” 的意思 。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)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(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的。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(shí)際設(shè)備及控制器上 ，再經(jīng)過 對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，從而得到 實(shí)際控制的 最佳參數(shù)。 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(gè)字母組合而成。目前， MATLAB 已成為國際上最流行的科學(xué)與工程計(jì)算的軟件工具，現(xiàn)在的 MATLAB 已經(jīng)不僅僅是“矩陣實(shí)驗(yàn)室”了，它已經(jīng)成為一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語言，有人稱它為“第四代”計(jì)算機(jī)語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要角色。 MATLAB環(huán)境 下的 SIMULINK是 Mathworks 公司開發(fā)的一個(gè)有重要影響力的軟件產(chǎn)品。 SIMULINK 不能獨(dú)立運(yùn)行，只能在 MATLAB 環(huán)境中運(yùn)行。 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。Tables（函數(shù)和查詢表）等模型庫。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。 使用 SIMULINK 可以很容易地創(chuàng)建一個(gè)新的模型，或者是修改舊的模型。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。用戶可以從最高級(jí)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(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)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。通過 Scope 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，可以觀察仿真結(jié)果。仿真的結(jié)構(gòu)可以同時(shí)存放到 MATLAB 的工作空間內(nèi)，供以后的計(jì)算、分析之用。 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。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(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器。積分作用的特點(diǎn)是可以清除余差，但會(huì)降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。微分作用的特點(diǎn)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(qiáng)，否則反而使系統(tǒng)不穩(wěn)定。 控制器參數(shù)有很多整定方法。 此法是將控制系統(tǒng)分類。屬同一 13 類別的系統(tǒng)對(duì)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。這種方法最簡單方便。對(duì)于串級(jí)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。整定主控制器的的方法與單回路 控制時(shí)相同。若擾動(dòng)出現(xiàn)使得現(xiàn)場控制對(duì)象值 (被控參數(shù) )發(fā)生變化，現(xiàn)場檢測元件就會(huì)將這種變化記錄并傳送給 PID 控制器，改變過程變量值，經(jīng)變送器送至 PID 控制器的輸入端，并與其給定值進(jìn)行比較得到偏差值，調(diào)節(jié)器按此偏差并以我們預(yù)先設(shè)定的整定參數(shù)控制規(guī)律發(fā)出控制信號(hào)，去改變調(diào)節(jié) 閥 的開度，使調(diào)節(jié) 閥的開度增加或減少，從而使現(xiàn)場控制對(duì)象值發(fā)生改變，并趨向于給定值，以達(dá)到控制目的。 鍋爐汽包水位對(duì)象 程序設(shè)計(jì)與 仿真研究 對(duì)象模擬程序的設(shè)計(jì) 在本文中，對(duì)于 鍋爐 汽包 水位對(duì)象 數(shù)學(xué)模型，選取如下一組數(shù)據(jù)作 為 特性參數(shù) ：?0 =(mm/s)/(t/h)， ? =100s， ?f =(mm/s)/(t/h)， K=50， T=20s（為了方便在以下論述中省略數(shù)據(jù)單位）。 如圖 41 所示 ，控制通道傳遞函數(shù) 0() e() sWHSSS?? ??Q （ 41） 用一個(gè) Integrator(積分 )模塊 和一個(gè) Transport Delay(傳遞延遲 )模塊 串聯(lián) 實(shí)現(xiàn) 。 蒸汽流量和給水流量的擾動(dòng)分別用兩個(gè)階躍信號(hào)實(shí)現(xiàn)。 在 實(shí)際的 控制系統(tǒng) 中， 干擾信號(hào)是電信號(hào)，給定值是電信號(hào) ， 測量液位儀表 的 輸出 也是電 信號(hào) ，其電 信號(hào) 的范圍都轉(zhuǎn)換成 1～5V，它 們 的變化范圍 都 是 4V。在本文中液位輸出顯示范圍都統(tǒng)一為 2～ 2，表示的 變化范圍是 4V。如 圖 41 a） 是控制通道仿真程序，圖 41 b） 是干擾通道仿真程序。圖 42 a） 是控制通道 階躍響應(yīng) 仿真結(jié)果， 當(dāng) 給水流量突然增加 20%，汽包水位并不立即增加，而是延遲一段時(shí)間 （ 100 秒 ） ，這個(gè)時(shí)間 是純滯后時(shí)間 ? 。 a） 給水 流量干 擾下水位的階段響應(yīng) b) 蒸汽流量干擾下水位的階段響應(yīng) 圖 42 鍋爐汽包水位 對(duì)象特性 的仿真結(jié)果 15 改變 K 值 分別 取 K=100 和 K=1，仿真結(jié)果如圖 43 所示。當(dāng) K 小于 1 時(shí)，假液位現(xiàn)象基本消失。與 圖 42 b）比較 ，可 以看出 T 越小，假液位上升越快 ， 假液位 現(xiàn)象也越嚴(yán)重 。內(nèi) 當(dāng) T 大于 等 于 100 時(shí)，假液位現(xiàn)象基本消失。 a)T=100時(shí) 仿真結(jié)果 b)T=5時(shí) 仿真結(jié)果 16 c)T=1時(shí) 仿真結(jié)果 d)T= 仿真結(jié)果 圖 44 改變 T值的 仿真結(jié)果 改變 ? 值 分別 取 ? =150 和 ? =50，仿真結(jié)果如圖 45 所示。 a)? =150時(shí) 仿真結(jié)果 b)? =50時(shí) 仿真結(jié)果 圖 45 改變 ? 值的 仿真結(jié)果 經(jīng)過以上研究可知，影響鍋爐汽包液位特性的 參數(shù)主要是 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) K 和時(shí)間常數(shù) T 和 純滯后時(shí)間 ? 。 T 對(duì)假水位幅值影響較小，而對(duì)假水位上升速度影響很大。 當(dāng) T 大于某一值時(shí)，假水位現(xiàn)象消失，當(dāng) T 小于某一值時(shí)，達(dá)到假水位時(shí)間最短，假水位最嚴(yán) 重，但是 T 再小，液位輸出將基本不變。 鍋爐汽包 水位 控制系統(tǒng) 程序設(shè)計(jì)與 仿真 研究 單沖量控制系統(tǒng)的仿真 研究 單沖量控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì) 選取 對(duì)象參數(shù)為： ?0 =， ? =100， ?f =， K=50， T=20。 仿真中的對(duì)象為 廣義對(duì)象 ， 調(diào)節(jié)閥和測量變送環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)都 可為 1。 PID 控制器封裝子程序如圖 46（ b） 所示。其中 TI 是積分時(shí)間常數(shù)， TD 是微分時(shí)間常數(shù)。 在仿真實(shí)驗(yàn)中， 取 液位給定值為 0， 引入 20%的干擾 。仿真結(jié)果如圖 47 所示 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn) 應(yīng)減小比例作用。 仿真結(jié)果如圖 48。下面加入積分調(diào)節(jié)作用，給定 P=， I=， D=0。余差有 減小 趨勢 ，但 還不夠小 。仿真結(jié)果如圖410。 圖 410在 20%蒸汽流量干擾 下 P=， I=， D=0時(shí)仿真結(jié)果 下面給定 P=， I=， D=。系統(tǒng)衰減 加快，且能夠穩(wěn)定到給定值上，但還沒達(dá)到最佳。最佳曲線 仿真結(jié)果如圖 412 所示。 由于后面的討論還是這個(gè)對(duì)象，其對(duì)象特性沒變，所以此最佳 PID 參數(shù)也可參考使用。 如圖413， 在控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下， 約經(jīng)過 800 秒，液位穩(wěn)定到 給 定值，其最大超調(diào)約為 65%，衰減比約為 8:1。 圖 413 20%給水流量干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 有時(shí) 蒸汽流量和給水流量 干擾是 同時(shí) 產(chǎn)生， 取 Step1=， Step2=，即 蒸汽流量和給水流量同時(shí)突然增加 20%， 這時(shí) 蒸汽流量增加使液位下降， 而 給水流量增加 使液位上升，二者同時(shí)作用使干擾相互 抵消。 與圖 412 和圖 413 相比， 21 它的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)均有所減小。這時(shí)是干擾最嚴(yán)重的時(shí)候，如圖 415， 超調(diào) 超過 100%， 液位輸出最小值低于液位允許波動(dòng)范圍下限。 圖 415 20%蒸汽流量和 給水流量 反向共同 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 22 雙沖量控制系統(tǒng)的仿真 研究 第一種雙沖量控制系統(tǒng)的仿真 研究 圖 416雙沖量控制系統(tǒng)的仿真 程序 鍋 爐 汽包 水位對(duì)象參數(shù)為： ?0 =， ? =100， ?f =， K=50， T=20。仿真程序如圖 416 所示。 圖 417 20%蒸汽流量 干擾仿真結(jié)果 P=， I=， D= 23 當(dāng) 蒸汽流量突然增加 20%， 由于雙沖量控制系統(tǒng) 引入 了 蒸汽流量信號(hào) ， 根據(jù)蒸汽流量 來起校正作用 ， 糾正 了 虛假水位引起的誤動(dòng)作 ，從而能夠明顯克服 蒸汽流量 的干擾。由此可見，雙沖量控制系統(tǒng)對(duì) 蒸汽流量 干擾的克服能力明顯增強(qiáng)。可見雙沖量控制 系統(tǒng)對(duì)給水干擾仍不能克服，與單沖量控制系統(tǒng)是相同的。如圖419，約經(jīng)過 800 秒，液位穩(wěn)定到 給 定值，其最大超調(diào)約為 65%，與圖 414 相比， 24 它的調(diào)整時(shí)間和超調(diào)均有所 增加。與 圖 415 相比 ，在干擾最嚴(yán)重的時(shí)候它仍能夠控制液位輸出在允許波動(dòng)范圍內(nèi)，表明雙沖量控制系統(tǒng)克服干擾的能力比單沖量控制系統(tǒng)明顯增強(qiáng)，這主要體現(xiàn)在對(duì)蒸汽流量干擾的克服上。這個(gè)程序與第一