控制系统仿真课程设计

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1、控制系统仿真课程设计（2010级）题 目控制系统仿真课程设计学 院自动化专 业自动化班 级 学 号 学生姓名 指导教师王永忠/刘伟峰完成日期2013年7月控制系统仿真课程设计（一）锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真1.1 设计目的本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。1.2 设计原理锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带

2、水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。常见的锅炉汽水系统如图1-1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。图1-1 锅炉汽水系统图在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分别对应的传递函数如下所示：（1）汽包

3、水位在给水流量作用下的动态特性汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 （1.1）（2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包

4、内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 （1.2）常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等

5、扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图1-2所示。图中LC表示水位控制器（主回路），FC表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。图1-2 三冲量调节系统图锅炉水位的三冲量调节系统是一种前馈-串级符合调节系统，调节系统框图如图1-3所示，其中G3为给水系统传递函数，a1、a2、a3分别为汽包液位传感器、给水流量传感器及蒸汽流量传感器转换系数。图1-3 三冲量调节系统框图在仿真实验中，以200t/H蒸汽锅炉汽包水位控制为例，参数设置如下：初始时刻加入单位

6、阶跃响应，t=550s时加入给水流量25%内扰，在1200s时加入水位25%干扰，1600s加入蒸汽流量25%外扰1.3 设计内容1.掌握汽包水位的单冲量、双冲量及三冲量控制的原理及优缺点；单冲量：以液位为被控变量，对给水流量进行调整。优点：结构简单，设计方便；缺点：易受虚假水位的影响。双冲量：以液位为被控变量，对蒸汽量进行前馈控制，构成的前馈反馈控制系统，从而对给水流量进行调整。优点：可以克服虚假水位的影响；缺点：对给水流量的影响不能进行调节。三冲量：以液位为主被控变量，给水流量为副被控变量，对蒸汽量进行前馈控制，构成的前馈串级控制系统，从而对给水流量进行调整。优点：可以克服虚假水位和给水流

7、量波动的影响；缺点：结构较为复杂。2.利用Matlab实现汽包水位的三冲量控制仿真；参数结果：主环：Kp=3.3175 ；KI=0.0036 ；Kd=0.0012 副环：Kp=15； Ki=0； kd=03.完成对锅炉水位三冲量控制系统的参数整定，要求超调小、调节时间短，对扰动的抑制效果好；在t=550s时加入给水流量25%内扰，在1200s时加入水位25%干扰（此处放大了4倍），1600s加入蒸汽流量25%外扰。调节结果较好，在300秒左右就稳定了，上升时间较快，超调量较小。4.分析:(1)蒸汽扰动下的汽包水位动态特性;显然，蒸汽对汽包液位的影响具有反向特性，即当蒸汽增加时，汽包水位先升后降

8、。(2)不同扰动下系统的调节性能：a.蒸汽流量发生扰动时的调节性能；如图，蒸汽的波动对也为影响也通过前馈调节器较为快速的克服了。说明前馈可以快速克服扰动。b.给水压力（流量）发生扰动时的调节性能。从图中可以看出来，给水量可以快速地通过副环进行调节。速度相当快，若没有副环，调节结果如下图所示，过程相当慢，而且超调量和调节时间都增加了。也由此可见，副环可以减小了响应时间，快速克服环内干扰。1.4 设计问题回答1. 根据单冲量调节系统原理，说明单冲量调节系统不能克服“虚假水位”影响；答：当蒸汽流量突然增加时，汽包水位不降反升；而当蒸汽流量突然减小时，汽包水位不先反降，这即为虚假水位。而单冲量以汽包液