首页 > 案例 > 基于 MATLAB 的锅炉水位自动控制系统设计及仿真

       锅炉作为一种把煤、石油或天然气等化石燃料所储藏的化学能转换成水或水蒸气的热能的重要设备,长期以来在工业生产和居民生活中都扮演着极其重要的角色,它已经有二百多年的历史了,但是锅炉工业的迅猛发展却是近几十年的事情。国外的锅炉控制工业50~60年代发展最快,70年代达到高峰。我国的锅炉工业是在新中国成立后才建立和发展起来的,1953年在上海首创了上海锅炉厂,从其在生产和生活中所起的作用不同,锅炉可分为电站锅炉,主要用于发电;工业锅炉,主要用于直接供给工农业生产或驱动机械能源;生产锅炉,主要用于为居民提供热水和供居民取暖。应该说锅炉控制问题伴随着锅炉的出现也就相应的出现了, 它长期以来就是控制领域的一个典型问题。伴随着控制理论和控制技术的发展,锅炉自动化控制的水平也在逐步提高。锅炉的自动化控制,经历了三四十年代单参数仪表控制, 四五十年代单元组合仪表综合参数仪表控制,以及六十年代初期的计算机过程控制几个阶段,随着六十年代第一台计算机在控制中的应用以及此后计算机和通信技术的迅猛发展, 计算机逐渐进入了锅炉控制领域并正在成为这一领域的主要角色。计算机很强的记忆功能,逻辑判断功能以及快速计算功能为实现任意的控制算法提供了可能,这样,先进的控制理论和控制算法进入锅炉控制已经有了可能性。


  对蒸汽锅炉来说,汽包水位是其正常运行的主要指标之一,是一个重要的被调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占首要地位,所以这类锅炉的生产自动化一般是从给水自动调节开始的。


  随着锅炉参数的提高和容量的扩大,对给水控制提出了更高的要求,其主要原因有:


  (1)汽包的个数和体积减小,使汽包的蓄水量和蒸发面积减少,从而加快了汽包水位的变化速度;


  (2)锅炉容量增大,显著的提高了锅炉蒸发受热面的热负荷,使锅炉负荷对水位的影响加剧了;


  (3)提高了锅炉的工作压力,使给水调节阀和给水管道系统相应复杂,调节阀的流量特性更不易满足控制系统的要求。


  由此可见,随着锅炉朝大容量、高参数的发展,给水系统采用自动控制是必不可少的,它可以大大减轻运行人员的劳动强度,保证锅炉的安全运行。


  1 汽包水位的动态特性


  影响汽包水位变化的因素很多,主要有燃煤量、给水量和蒸汽流量。燃煤量对水位变化的影响是非常缓慢的,比较容易克服。因此,我们主要考虑给水量和蒸汽流量对水位的影响。锅炉水位调节对象的原理结构如图1所示。


  

图 1 给水调节对象结构图

  1- 给水母管;2- 调节阀;3- 省煤器;4- 汽包;5- 管路;6- 过热器;7- 蒸汽管


  给水调节对象的动态特性是指各种扰动下的汽包水位随时间变化的特性。当扰动为阶跃扰动时,对象的动态特性称为阶跃响应曲线。影响水位变化的原因是很多的,其中锅炉的蒸发量和给水流量的变化是主要的,其它还有炉膛热负荷、汽包压力的变化等原因。


  水位在给水扰动下的传递函数可表示为:


  其扰动传递函数方框图如图2所示,可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。其扰动传递函数方框图如图2所示,可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。


  

图 2 给水扰动传递函数方框

图 3 串级三冲量给水控制系统原理方框图

  

  2 串极三冲量给水控制系统分析


  采用单回路控制系统是不能满足生产对控制品质的要求,所以电站汽包锅炉的给水控制普遍采用三冲量给水控制方案。三冲量给水系统又分为单级三冲量和串级三冲量给水系统。所谓单级三冲量给水系统,是指系统中用了一个调节器,而调节器的输入有三个,因此得名。这种系统与双冲量给水系统相比,多了一个流量反馈信号。给水量发生变化时,流量信号自然要比水位信号快得多,从而大大的改善了控制质量。但是,在系统参数整定时,内外回路相互关联相互影响,不容易确定参数,从而得不到希望的调节效果,且负荷变化时水位静态值是根据“静态对比”来进行整定的。所以,又出现了串级三冲量给水系统,此系统更进一步完善了结构,提高了控制质量。


  采用串级控制系统将具有更好的控制品质,调试整定也比较方便,故在大型汽包炉上可采用串级三冲量给水控制系统。


  串级三冲量给水控制系统的原理图如图3所示。


  这个系统有三个回路,Ⅰ为副回路,包括给水量W、副调节器 、执行器放大系数 、阀门系、给水流量变送器斜率 和给水流量分压系数 ;Ⅱ为主回路,包括水位被控对象 、水位变送器斜率 、主调节器 和副回路;Ⅲ位前馈通路,包括蒸汽流量变送器斜率和蒸汽流量分压系数、副回路和被控对象


  这个系统中使用了两个调节器,构成串级控制系统。为保证被调量无静差,主调节器采用PI控制规律,副调节器采用PI或P控制规律,副调节器接受三个输入信号,信号之间有静态配合问题,但系统的静态特性由主调节器决定,因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。


  副回路的作用主要为快速消除内扰,主回路用于校正水位偏差,而前馈通路则用于补偿外扰,主要用于克服虚假水位现象。


  3 前馈通路的设计


  在串级三冲量给水控制系统中,副回路是一个调节器,一般用试探法整定副回路 。主回路参数整定是把副回路等效成一个比例环节,然后用经验公式进行整定;前馈通路的选择是基于“虚假水位”而定的。它主要是为了补偿“虚假水位”现象。


       前馈通路的简化图见图4所示,通路中 的选择是基于“虚假水位”情况而定的。



  

图 4 前馈通路等效图


  前馈通路中完全补偿条件为:


  若前馈通路的设计只考虑静态补偿,且的静态比值为一常数 ,则有:


  其中 是虚假水位现象决定的常数,虚假水位现象严重时,K 值大,反之K 值小。负号表示前馈调节方向与虚假水位方向相反。


  在负荷开始变化时,为使蒸汽流量信号更好地补偿虚假水位现象,改善负荷扰动时调节过程的质量,一般使蒸汽流量信号大大高于给水流量信号,即令


  这时有 ,则


  4 串级三冲量给水控制系统的仿真


  利用MATLAB仿真工具和VB开发界面,建立DEH仿真平台,在不干扰生产的情况下,对DEH系统动态过程进行分析研究,从而避免了对系统参数调整的盲目性,使DEH系统各部分的动态过程完整地呈现出来。这对DEH系统优化运行中参数的整定、修改起到了预测和指导作用。实践证明,利用MATLAB对自动控制系统进行仿真,具有安全、可靠、节省人力、物力和财力等优点,它为加快大型火电机组热工自动控制系统的调试速度,提高火电厂热工自动控制系统的投入率,又提供了一个新的方法和手段。


  给水流量传递函数 :


  负荷从0~100t/h变化时,开方器输出0~100mA调节器输出从0~10mA变化时,阀门开度变化0%~100%,即执行器放大系数      。    阀门系数  ,给水量及蒸汽流量变送器斜率


  水位变送器:在最大的水位波动范围内 , 变送器输出电压是0~10V,所以,水位变送器斜率


  主回路的整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环节基础上的。主回路SINMULINK结构图及仿真图见图5和图6所示。


  

  图 5 主回路的 SIMULINK 结构图

  

  图 6 主回路的仿真图

  图6中纵坐标的表示相对水位,也就是期望达到的稳定水位,这里稳定值设为1。


  从主回路SIMULINK仿真图可以看出,虽然仿真曲线最终能达到稳定值1,但是并不理想,这是因为我们在整定主回路的时候把等效副回路中的给水流量信号的分压系数 的值取为了0.5,所以下面用试探法修改参数并进行仿真。


  修改参数后主回路的SIMULINK结构图如图7所示。


  

  图 7 主回路的 SIMULINK 结构图


  修改参数后的主回路仿真图如图8所示。


  


  图 8 主回路的仿真图


  修改参数后的主回路的仿真曲线是一波半,显示出很好的控制特性,并能稳定在稳定值1,这是因为在进行参数整定的时候,为了不降低副回路控制过程的快速性,同时要减小副调节器的比例带,为了配合方便,最好为整数(一般为2,即 =0.5),而在一般情况下,若要求在负荷不变的情况下,水位无静差,给水流量信号的分压系数 一般都取为1。


  5 仿真结果分析


  在上述的设计与仿真中,主回路是用于校正水位偏差的,前馈通路用于补偿外扰,克服虚假水位现象。在串级三冲量给水控制系统中给水流量扰动是内扰,串级三冲量给水控制系统中主调节器的任务是校正水位,这比单级三冲量给水控制系统的工作更为合理。当水位发生扰动时,汽包水位变化,系统立刻通过水位变送器将变化量反馈到主调节器, 使主调节器动作,进行调节,从而消除未进入副回路的扰动,稳态时保持汽包水位等于原来设定值,维持系统安全可靠的运行。但这种扰动发生后,系统是通过反馈作用来进行调节的,所以系统调节会存在一定的迟延,不如调节前馈扰动量及时。而蒸汽流量扰动是外扰,在串级三冲量给水控制系统中当蒸汽流量发生扰动时,蒸汽流量信号使给水调节阀一开始就向正方向移动,保持水和蒸汽平衡,即蒸汽流量增加,给水调节阀开大,抵消了由于“虚假水位”引起的反方向移动,因而减少了水位和给水流量的波动幅度。主调节器的作用是校正水位偏差,最后稳态时保持汽包水位等于原来设定值,维持系统安全可靠的运行。


  前馈控制系统被调量除了跟随给定量变化而应该变化外,被调量还会产生偏差,其原因是由于扰动作用引起的。倘若在扰动出现时,就能立即进行控制,而不是等到偏差发生后再进行控制,这样就可以有效地消除扰动对系统被调量的影响。


  前馈控制是将扰动信号经前馈控制器处理后用以消除扰动对被调量的影响,它是按扰动进行的补偿控制,所以前馈控制又叫作“扰动补偿”。扰动补偿属于开环控制。前馈控制对系统的稳定性无影响,只要原系统是稳定的,施以前馈控制后,系统仍然稳定。前馈控制只能对于可以测量的扰动作用进行扰动补偿。前馈控制器的结构、参数取决于被控制对象与扰动通道的特性。


  从仿真效果可知,串级三冲量给水控制系统对各种典型影响因素的干扰均能做出快速反应,具有较高的调节质量和调节精度,能够维持汽包水位的稳定,保障机组的安全稳定运行。