过程控制系统之《给水三冲量控制》.doc

科技学院
课程设计报告
( 2012 -- 2013 年度第 一 学期)

名 称： 过程控制课程设计
题 目： 给水控制系统
院 系： 自动化
设计周数： 1周

姓名
学号
分工
成绩
成员

日期： 年 月 日

一、课程设计的目的与要求
“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。
二、 设计正文
1、对象特性分析：
汽包锅炉给水自动控制的任务是使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，维持汽包水位在规定的范围内。
汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数，它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系，维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器。汽包出口蒸汽中水分过多，也会使过热汽温产生急剧变化，直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，则可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管烧坏而破裂。汽包水位控制的任务就是使给水流量适应锅炉蒸发量，以维持汽包水位在允许范围内。
汽包水位被控对象的扰动有四个来源：一是给水方面的扰动，二是蒸汽负荷的扰动，三是燃料量的变化，四是汽包压力的的变化。
1）给水量扰动下水位变化的动态特性：
给水量扰动是来自控制侧的扰动，由称内扰。给水量刚刚加入时，由于给水的过冷度影响，水位H变化慢，经过一段时间之后其变化速度才逐渐增加，最后变为按一定速度直线上升，这时就是物质不平衡在起主要作用了，如果给水量和蒸汽量不能平衡，水位将不能稳定。
0
H2

H

H
H1
H
t

0
t
W

2）蒸汽量扰动下水位变化的动态特性：
蒸汽量主要来自汽轮机发电机组的负荷变化，属于外部扰动。当负荷增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在一开始水位不仅不下降，反而迅速上升，这种现象称为虚假水位，这时由于符合增加是水面下气泡的容积增加得很快。当气泡的容积已与符合相适应而达到稳定后，水位就主要随物质不平衡的关系的变化而下降 。

0
H2

H
H1
H
t

0
t
D

3）燃料量扰动下水位变化的动态特性：
燃料量的扰动必引起蒸汽量的变化，也同样有“虚假水位“现象，但蒸汽量增加时燃料量只能缓慢增大，使汽泡体积减小，因此虚假水位比负荷扰动时缓和的多。

由以上分析可知，给水量扰动下水为响应过程具有纯迟延；负荷扰动下的水位响应过程具有假水位现象；燃料量扰动下也会出现假水位现象。这些特性使控制汽包水位的任务变得比较困难和复杂。

2、根据对象特性设计系统自动控制方案
从以上分析可知，汽包水位的调节应根据汽包水位H，蒸汽流量D，和给水量W三个信号变化快的量进行调节。因为燃料量对水位变化影响较弱且变换缓慢故暂不考虑。其中给水量是来自控制侧的扰动，是内扰；蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变换，属于外部扰动。从控制原理知识可知，克服内扰用串级控制系统；克服外扰用前馈控制系统。而H是主信号，用一般的反馈调节系统。因此汽包水位的控制应用串级三冲量控制系统。

SP
—
—
W
D
Gc1（s）
K
GHD(s)
GHW(s)
Gc2（s）
Kp
Kz
γH
γw
γD
系统原理图：

H

工艺流程图：

系统SAMA图：

3、对所选对象进行仿真
使用MATLAB搭建系统模型
内回路整定如下：

内回路组态图
内回路是一个比例环节，仿真图如下

外回路整定：

系统组态图
系统为串级控制，外回路调节器参数P=0.45，I=0.0035
系统仿真曲线如下：

有内扰的情况下：

有外扰的情况下：

系统满足无扰调节，超调量小于20%。满足要求

三、设计总结
通过本次课程设计，学习并认识了过程控制在实际生产中的应用，对于给水控制系统的设计和整定也有了深入的理解，对于串级控制、反馈控制、前馈控制系统的知识有了进一步的理解，同时巩固了对matlab的应用操作，将平时学习内容系统地联系在一起，为将来将所学知识运用到工程实际打下了基础。在与同学的共同讨论研究中，培养了团队精神和协作能力。
四、参考资料
[1]《MATLAB实用教程》 郑阿奇 主编 曹弋 赵阳 编著 电子工业出版社
[2]《过程控制》 金以慧 主编 方崇智 审校 清华大学出版社

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