1、學 號： 課內實踐題 目蒸汽發生器液位控制系統學 院自動化學院專 業班 級姓 名指導教師李向舜年月日課內實踐任務書學生姓名： 專業班級： 指導教師： 李向舜 工作單位： 自動化學院 題 目: 蒸汽發生器液位控制系統 初始條件：1.先修課程:“調節儀表與過程控制系統”、“計算機控制技術”、“傳感與檢測技術”、“自動控制理論”等。2.熟練使用MATLAB軟件、Protel軟件等。3. 主要涉及的知識點：控制系統分析與設計、過程對象建模、仿真等。4.課程設計參考資料：“過程控制系統及儀表”、“計算機過程控制系統”、“PID控制原理及應用”、“MATLAB應用寶典”。要求完成的主要任務: （包括課內實

2、踐工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 課內實踐時間：8學時。2. 課內實踐內容:根據指導老師給定的題目，按規定選擇其中一套完成；至少應包括：1）過程數學模型（2學時）能夠對生產某一過程進行特性分析和建模。2） 執行器、檢測儀表（2學時）根據生產需要對用到的調節閥和檢測儀表進行選型。3） 控制系統設計（2學時）根據工藝需求，完成整個控制系統結構設計，原理分析。4） 控制器參數整定（2學時）根據和工藝需求和控制方案設計控制器，并對控制器參數整定，應用MATLAB完成仿真驗證，完成實踐報告。3. 本課內實踐統一技術要求：研讀輔導資料對應章節，對選定的設計題目進行理論分析，針對具體設計

3、部分的原理分析、建模、必要的推導和可行性分析，畫出系統設計框圖，具體設計控制系統軟硬件組成，記錄實驗結果（仿真結果），并對實驗結果進行分析和總結。具體設計要求包括： 復習過程控制系統設計的相關技術與方法； 針對被控對象的工藝特點，設計工業流程框圖。 根據工藝特點，分析并設計控制系統原理。 分析并設計系統各個組成部分的結構原理以及組成，并對結果進行驗證或仿真。2. 課內實踐說明書按學校“課內實踐工作規范”中的“統一書寫格式”撰寫，具體包括： 目錄； 該過程對象的工藝特點與需求分析； 結合該過程對象特點及系統功能要求完成系統控制方案的選擇。 設計整個控制系統原理框圖，并對各個組成部分進行選型、設計

4、、分析； 重點設計出系統的控制器，并對系統的控制參數進行整定； 給出系統示意框圖、工藝流程圖、仿真運行結果和圖表、以及對結果分析和總結； 課程設計的心得體會（至少500字）； 參考文獻； 其它必要內容等。指導教師簽名： 年 月 日武漢理工大學儀表與過程控制系統課內實踐說明書摘要蒸汽發生器俗稱鍋爐，是發電煉油與化工等工業部門利用燃料或其他能源的熱能把水加熱成為熱水或蒸汽的重要能源與熱源機械動力設備。蒸汽發生器按照燃料分類可分為電蒸汽發生器、燃油蒸汽發生器、燃氣蒸汽發生器等；按照出口壓力可分為低壓蒸汽發生器、中壓蒸汽發生器、高壓蒸汽發生器、超高壓蒸汽發生器、亞臨界壓力蒸汽發生器、超臨界壓力蒸汽發生

5、器等。不同的蒸汽發生器蒸氣發生系統和處理系統工作原理基本相同。蒸汽發生器是一個較為復雜的控制過程，為保證提供合格的蒸氣適應負荷需要以及安全運行，工藝參數必須嚴格控制。被控參數有水位，蒸氣壓力，蒸氣溫度，爐膛負壓和燃-空配比等；被控變量有給水量，燃料量和送風量等。這些被控參數與控制變量間相互影響。工業上將蒸汽發生器控制主要分為液位控制系統，過熱蒸氣溫度控制系統和燃燒控制系統。本次課內實踐對蒸汽發生器液位控制系統進行研究，并利用matlab對液位控制系統進行仿真驗證。關鍵詞：蒸汽發生器；液位控制系統；仿真 目錄1.需求分析12.被控參數和控制變量的選擇23.被控過程的數學模型33.1蒸氣流量對水位

6、的影響33.2給水流量對水位的影響44.方案設計與選擇54.1單沖量水位控制系統54.2雙沖量水位控制系統54.3方案選擇65.變送器的選擇75.1蒸氣流量變送器的選擇75.2液位變送器的選擇76.調節器的選擇87.執行器的選擇98.控制系統示意圖109.仿真程序設計與仿真結果119.1仿真程序設計119.2仿真結果1410.調節器參數整定16結論20心得體會21參考文獻22附錄23附錄A 包含前饋控制器的仿真程序圖23附錄B 不含前饋控制器的仿真程序圖24附錄C 仿真程序代碼25本科生課內實踐成績評定表26蒸汽發生器液位控制系統1.需求分析液位控制的任務是使給水量與蒸汽發生器蒸發量相適應，維

7、持液位在工藝規定的范圍內。蒸汽發生器液位體現了蒸氣流量與給水量的平衡關系，是一個重要監控參數。液位過高，會使蒸氣帶液，過熱器結垢，影響過熱器效率；同時帶液蒸氣進入汽輪機，會損害汽輪機葉片。水位過低，會破壞水循環而損壞蒸汽發生器。對于大型蒸汽發生器，若停止給水，令存水短時間內完全氣化會引起重大事故，甚至爆炸。因此，必須將蒸汽發生器液位控制在工藝允許范圍內。蒸汽發生器工藝流程圖如圖1.1所示。圖1.1 蒸汽發生器工藝流程圖2.被控參數和控制變量的選擇蒸汽發生器液位控制系統可直接選擇液位作為被控參數。影響液位變化的因素有給水量變化，蒸氣流量變化，燃料量變化，蒸汽發生器壓力變化等。蒸汽發生器壓力變化并

8、不直接影響水位，而是通過壓力升高時的“自凝結”和壓力下降是的“自蒸發”過程影響水位。壓力變化通常是由蒸氣流量變化引起的，因此可將壓力變化歸入蒸氣流量變化因素。蒸氣流量是應用戶需要改變的不可控因素，因此蒸氣流量不能作為液位的控制變量。燃料量變化要經過燃燒系統變成熱量后，才被水吸收，然后影響汽化量以改變液位。該過程傳輸滯后和容量滯后都很大，燃燒過程又有專門的調節系統，因此燃料量不能作為液位控制系統的控制變量。綜上所述，可作為蒸汽發生器液位控制變量的因素只有給水量。3.被控過程的數學模型3.1蒸氣流量對水位的影響在其他條件不變的情況下，蒸氣流量突然增加，會使蒸汽發生器物料平衡發生變化，瞬間流出量大于

9、流入量，存水量減少。存水量瞬時減少必然使液位下降。圖3.1 蒸氣流量階躍干擾下蒸汽發生器水位響應曲線圖3.1中的H1(t)表示將蒸汽發生器當作非自衡單容對象看待時，汽包水位對蒸氣流量的階躍響應曲線。但當蒸氣流量突然增加，將導致壓力瞬間下降，在蒸發管內的水沸騰突然加劇，水中氣泡數量迅速增加，氣泡體積增大，使液位升高。上述現象稱為“虛假水位”現象。該現象對應曲線如圖3.1H2(t)所示。蒸氣流量增加D時，水位變化實際階躍曲線如圖3.1中H(t)所示。由曲線分析得，實際水位變化H(t)為H1(t)與H2(t)的疊加。即H(t)=H1(t)+H2(t)。用傳遞函數表示為式中，為蒸氣流量作用下，階躍響應

10、曲線穩定時的斜率；K2，T2分別為只考慮水面下氣泡體積變化所引起的液位變化H2(t)的放大倍數與時間常數。3.2給水流量對水位的影響圖3.2 給水流量階躍干擾下蒸汽發生器水位響應曲線在給水流量增大時，水位階躍響應曲線如圖3.2中H(t)所示。若將液位對給水的響應看作無自衡單容過程，水位的階躍響應曲線如圖3.2中H1(t)所示。由于給水溫度比發生器內飽和水的溫度低，給水會從飽和水中吸收一部分熱量，故當給水量增大后，水中氣泡總體積減小，導致水位下降。以上過程的階躍響應曲線如圖3.2中H2(t)所示。實際水位變化H(t)是H1(t)與H2(t)的疊加，即H(t)=H1(t)+H2(t)。用傳遞函數可

11、表示為式中，為給水流量作用下，階躍響應曲線穩定時的斜率；K1，T1分別為只考慮水面下氣泡體積變化所引起的液位變化H2(t)的放大倍數與時間常數。4.方案設計與選擇4.1單沖量水位控制系統以液位為被控參數，給水量作為控制變量構成的單回路液位控制系統，工程上也稱單沖量控制系統，系統框圖如圖4.1所示。圖4.1 單沖量液位控制系統框圖4.2雙沖量水位控制系統液位的主要干擾是蒸氣流量變化。利用蒸氣流量變化信號對給水量進行補償控制，就可以消除或減小“虛假水位”對液位的影響。該雙沖量液位控制系統的框圖如圖4.2所示。圖4.2 雙沖量液位控制系統框圖4.3方案選擇單沖量液位控制系統的優點是所用設備少，結構簡

12、單，參數整定和使用維護方便。但缺點明顯，當蒸氣流量突然增加時，由于虛假水位現象，調節器不但不及時開大給水閥來增加給水量，反而去關小調節閥的開度，減小給水量。因此，這樣當蒸氣量增加，給水量減小使存水量減小。等到虛假水位消失后，水位會嚴重下降，甚至可能會下降到危險程度，引起事故。雙沖量液位控制系統相對單沖量控制系統增加了針對蒸氣流量擾動的補償通道，使調節閥及時按照蒸氣流量擾動進行給水量補償，而其他干擾對水位的影響有反饋控制回路克服。這是一個前饋-反饋復合控制系統。可以消除或減小“虛假水位”現象對液位的影響。經由上述比較，這里選擇雙沖量液位控制系統作為使用方案。5.變送器的選擇5.1蒸氣流量變送器的

13、選擇流量一般指單位時間內流過管道某一截面的流體數量，即瞬時流量。把某一段時間內流過管道的流體數量的總和，即瞬時流量在某一段時間內的累計值，稱為總量。可利用流量計獲得一段時間內通過的物料總體積或總質量。常用的流量檢測儀表有差壓式流量計，轉子流量計，靶式流量計，橢圓齒輪流量計，渦輪流量計，電磁流量計，旋渦式流量計和超聲波流量計等。差壓流量計使用時有諸多因素制約，因此要查閱相關手冊；轉子流量計主要適合于小管徑，小流量的測量；靶式流量計能測量有懸浮物，沉淀物的流體流量；橢圓齒輪流量計可能因熱脹冷縮發生齒輪卡死；渦輪流量計只能在清潔流體中使用；電磁流量計特別適合測量測量含有纖維和固體顆粒的流體；旋渦式流

14、量計要求流體的流速分布均勻；超聲波流量計要求流體清潔且測量管前后有足夠長的直管段。經由上述比較，最終選擇渦輪流量計作為蒸氣流量變送器。5.2液位變送器的選擇通過物位測量可以獲知容器內物質的體積或質量，還可以監視或控制容器內介質物位，使它保持在工藝要求的高度上，使過程正常進行。蒸汽發生器可通過液位變送器檢測液位以保證安全。常用物位檢測儀表有差壓式液位變送器，電容式物位變送器和超聲波液位計等。由于蒸汽發生器使用的水含有雜質，可能會損壞直接接觸液體的變送器，又因為蒸汽發生器內液體溫度變化較大，使用超聲波液位計會產生較大誤差。綜上所述，最后選擇法蘭式差壓變送器作為蒸汽發生器的液位變送器。6.調節器的選

15、擇調節器常用比例積分微分調節裝置。比例控制P的優點是控制及時，反應靈敏，偏差越大控制力度越大；缺點是控制結果存在余差。積分控制I的優點是控制結果可以無余差；缺點是控制作用是隨著時間積累逐漸增強的，控制動作緩慢，控制不及時。微分控制D的特點是能起到超前控制的作用，即按照偏差變化的速度控制，能在偏差很小時，提前增大控制作用，改善控制品質。比例積分微分控制可以組合使用。比例積分控制PI可以減小P或I單獨使用的缺點，提高系統的控制精度。比例微分控制PD可提高系統的控制速度，對慣性大的對象用PD，可以改善控制質量，減小最大偏差，縮短控制時間。比例積分微分控制PID既能快速控制，又能消除余差，具有較好的控

16、制性能。比例積分微分控制PID的傳遞函數可以表示為微分控制D通常不用于液位控制系統，由于進入水箱的液體的飛濺和湍流，液位測量往往是嘈雜的。故蒸汽發生器液位控制系統的調節器可以選擇P或PI。這里選擇PI控制，即令上述PID傳遞函數中的。7.執行器的選擇蒸汽發生器液位控制系統的執行器是給水調節閥，因此蒸汽發生器液位控制系統執行器的選擇是調節閥的選型。過程控制中使用最多執行器的是自動調節閥。自動調節閥是能夠按照輸入信號自動改變開度的閥門，它可以分為氣動，電動，液動三大類。氣動調節閥用壓縮空氣作為工作能源，能在易燃易爆的環境中工作，廣泛應用于化工，煉油等生產過程中；電動調節閥用電源工作，能源取用方便，

17、信號傳遞迅速，但難以在易燃易爆環境中工作；液動調節閥用液壓推動，推力很大，一般生產過程中很少使用。蒸汽發生器由于使用了燃氣，故其液位控制系統給水調節應避免使用使用電動調節閥；且給水調節不需要很大的推力，故不必使用液動調節閥。調節閥固有流量特性有直線流量特性，等百分比（對數）流量特性和快開特性。由于蒸汽發生器內液位變化應盡量平緩，需要選用具有等百分比（對數）流量特性的調節閥。調節閥有氣關式與氣開式。從工藝生產安全考慮，一旦控制系統發生故障，信號中斷時，調節閥開關狀態應能保證設備與人員安全。若控制信號中斷，閥處于打開位置危害性小，則選擇氣關式調節閥；反之，若閥處于關閉位置危害性小，則應選擇氣開式調

18、節閥。蒸汽發生器給水管道當控制信號中斷時應開大進水閥，以避免蒸汽發生器燒干，因此選擇氣關式調節閥。作用于給水調節閥的信號是電壓信號，故需要調節閥安裝有電/氣轉換器，電/氣閥門定位器。綜上所述，蒸汽發生器液位控制系統執行器應選擇安裝有電/氣轉換器與電/氣閥門定位器的，具有等百分比（對數）流量特性的，氣關式的氣動調節閥。8.控制系統示意圖蒸汽發生器雙沖量液位控制系統示意圖如圖8.1所示。圖8.1 蒸汽發生器雙沖量液位控制系統示意圖圖8.1中加法器的具體運算功能為：式中，u為調節器的輸出值；u1為蒸氣流量變送器輸出的蒸氣流量值；c0為初始偏置，c1為加法器的系數；U為加法器的輸出值。c1取正號或負號

19、取決于氣關式或氣開式而定，確定原則是蒸氣流量增加，給水量加大，氣關式調節閥取負號，氣開式取正號。由于執行器選擇的是氣關式調節閥，故c1取負號。c1值的確定還要考慮到靜態補償，將c1調整到只有蒸氣流量擾動時，蒸汽發生器液位基本不變即可。設置c0的目的是為了在正常蒸氣流量下，使調節器和加法器的輸出比較適中。9.仿真程序設計與仿真結果9.1仿真程序設計simulink仿真程序圖如圖9.1.1所示。圖9.1.1 simulink仿真程序圖圖9.1.1中各部分表示：set point：系統輸入（水位設定值）；disturbance：擾動（蒸氣流量）；Gc(s)：調節器（PI）的傳遞函數；Gv(s)：執行

20、器（調節閥）的傳遞函數；Go(s)：被控過程（給水流量對液位的影響）的傳遞函數；Gb(s)：前饋控制器的傳遞函數；Gd(s)：干擾通道（蒸氣流量對液位的影響）的傳遞函數；Gm1(s)：變送器1（液位變送器）的傳遞函數；Gm2(s)：變送器2（蒸氣流量變送器）的傳遞函數；c1：加法器的系數；c0：初始偏置；scope：示波器。simulink不含前饋控制器的仿真程序圖如圖9.1.2所示。圖9.1.2 simulink不含前饋控制器的仿真程序圖調節器Gc(s)的仿真程序圖如圖9.1.3所示。圖9.1.3調節器Gc(s)的仿真程序圖被控過程Go(s)的仿真程序圖如圖9.1.4所示。圖9.1.4被控過

21、程Go(s)的仿真程序圖前饋控制器Gb(s)的仿真程序圖如圖9.1.5所示。圖9.1.5前饋控制器Gb(s)的仿真程序圖其中num1與num2的值如下所示：干擾通道Gd(s)的仿真程序圖如圖9.1.6所示。圖9.1.6干擾通道Gd(s)的仿真程序圖matlab仿真程序代碼如下所示：Ef=1.5K2=3T2=1E0=6K1=5T1=1Kc=0.8Ti=1000num1=Ef*T2-K2num2=E0*T1-K1sim(liquid_level_control_system.mdl,80)9.2仿真結果取c0=0；t=0s時，設定水位（set point）為15，蒸氣流量（disturbance）

22、為5；t=20s時，設定水位（set point）階躍為25，蒸氣流量（disturbance）不變；t=40s時，設定水位（set point）不變，蒸氣流量（disturbance）階躍為10。仿真結果分別如圖9.2.1與圖9.2.2所示：不含前饋控制器的液位控制系統的仿真結果如圖9.2.1所示。圖9.2.1不含前饋控制器的液位控制系統的仿真結果含有前饋控制器的液位控制系統的仿真結果如圖9.2.2所示。圖9.2.2包含前饋控制器的液位控制系統的仿真結果10.調節器參數整定調節器參數整定常用的方法有穩定邊界法，衰減曲線法，響應曲線法，經驗法等。本次課內實踐蒸汽發生器液位控制系統調節器為比例積

23、分控制（PI）的參數整定選擇經驗法。對于PI調節器，先置Ti=，將比例系數Kc放在較大經驗數值上，然后逐步增大Kc，觀察被控參數的過渡過程曲線，使過渡過程達到4:1衰減比；然后，將Kc減小10%20%，將積分時間由大到小逐步增加，直至獲得衰減比為4:1過渡過程。PI調節器參數整定過程如下所示：(1) 保持Ti=1000不變，改變Kc的值：Kc=0.4圖10.1 Ti=1000，Kc=0.4時的液位變化曲線Kc=0.6圖10.2 Ti=1000，Kc=0.6時的液位變化曲線Kc=0.8圖10.3 Ti=1000，Kc=0.8時的液位變化曲線Kc=1圖10.4 Ti=1000，Kc=1時的液位變化

24、曲線由圖10.3得，當Kc=1時，衰減比為4:1。然后將Kc適當減小，選擇Kc=0.8。(2) 保持Kc=0.8不變，改變Ti的值：Ti=1000圖10.5 Kc=0.8，Ti=1000時的液位變化曲線Ti=100圖10.6 Kc=0.8，Ti=100時的液位變化曲線Ti=10圖10.7 Kc=0.8，Ti=10時的液位變化曲線Ti=1圖10.8 Kc=0.8，Ti=1時的液位變化曲線通過觀察圖10.5至圖10.8可以得出，當Kc=0.8時，選擇Ti=1000會使液位變化曲線的衰減比最接近4:1。綜上所述，蒸汽發生器液位控制系統的PI調節器參數整定結果取Kc=0.8，Ti=1000。結論相對于

25、單沖量液位控制，雙沖量液位控制控制品質有很大提高。雙沖量液位控制系統在單沖量液位控制系統基礎上，利用蒸氣流量變化信號對給水量進行補償控制，減小甚至消除了“虛假水位”現象對于液位的影響，是一個前饋-反饋復合控制系統。但雙沖量液位控制系統存在以下問題：調節閥的工作特性不一定為線性特性，要做到完全靜態補償比較困難；給水壓力擾動對于液位的影響不能及時消除。因此，可在雙沖量液位控制系統的基礎上，將給水流量信號作為副參數，構成三沖量液位控制系統。三沖量液位控制系統的主沖量是液位，副參數是給水流量，前饋補償的主要擾動是蒸氣流量。它是一個前饋-串級復合控制系統。副調節器通過副回路快速消除給水環節的擾動對液位的

26、影響，主調節器通過副調節器對水位進行校正，使水位保持在設定值。心得體會自動化技術在工業，農業，科技以及人們的日常生活中發揮著重要的作用。作為信息科學的重要分支，自動化技術本身及其應用領域得到了迅速的提高和發展。過程控制通常是指連續生產過程的自動控制，是自動化技術最重要的組成部分之一。過程控制的主要任務是對生產過程中的有關參數進行控制，使其保持恒定或按一定規律變化，在保證產品質量和生產安全的前提下，使連續型生產過程自動地進行下去。大型的連續生產過程是一個十分復雜的大系統，存在不確定性，時變性以及非線性因素，控制相當困難。實際的生產過程千變萬化，要解決生產過程中各種控制問題必須采用有針對性的特殊方法與途徑。例如本次課內實踐的內容蒸汽發生器的生產過程控制影響因素有很多，該系統主要分為液位控制系統，過熱蒸氣溫度控制系統和燃燒控制系統。由于控制對象的特殊性，過程控制系統相對于其他控制系統有以下特點：控制對象復雜，控制要求多樣；控制方案豐富；控制過程多屬于慢過程參數控制；定值控制是過程控制的一種主要控制形式；過程控制系統由規范化的過程