石门电厂给水自动控制系统及其仿真..doc

电厂给水自动控制系统及其仿真 电厂中普遍采用的给水自动控制系统，主要为三冲量给水自动控制系统。其控制任务是维持锅炉汽包水位一定的范围内变化，是保持汽机和锅炉安全运行的重要条件。为适应机组容量的增加，对给水控制高质量要求，计算机仿真技术的应用对自动控制系统进行稳定性、可靠性的综合研究分析是一种很有效的手段。现在大学计算机仿真教育应用比较广泛是矩阵实验室MATLAB，而大唐集团很多电厂则依托于新华XDPS系统。两套软件系统互有优劣，在实际的研究工作中，把两者结合起来应用更有参考意义和价值。 图1-1 串级三冲量给水控制系统图 汽包锅炉给水自动调节的任务主要包括两方面： 一是维持汽包水位在规定的范围内波动，水位过高会影响蒸气品质，水位过低会影响锅炉的寿命甚至安全；二是及时调整给水流量，维持其与蒸汽流量间的平衡关系，以适应负荷变化的要求。 在锅炉给水调节系统中，汽包水位是被调量，而引起汽包水位变化的主要扰动是锅炉的蒸汽流量（蒸发量）和给水流量。为了使锅炉运行时把汽包水位控制在较小的范围内变化，生产上常采用以蒸汽流量、给水流量为前馈信号，而以被调量汽包水位进行反馈调节，组成一个前馈一反馈系统。由于调节系统接收三个调节信号：水位H，蒸汽流量D和给水流量G，故常称为三冲量给水自动调节系统。 目前电厂三冲量给水调节系统主要用串级调节的方式来实现，其控制系统图和方框图分别如图1-1和图1-2所示。 图1-2 串级三冲量给水调节系统原理图 这一调节系统的主要特点是：水位调节器接受水位、蒸汽流量、给水流量这三个变量（所以成为三冲量），依据这三个信号的综合来调整给水流量。该系统的主要优点是：由于前馈通道的引入，能够克服”虚假水位”的影响；由于内回路使用了给水流量反馈信号，能够迅速克服水泵压力变化、阀门蠕动等引起的给水流量扰动的影响；由于主调节器采用PI调节规律，以保证水位无静态偏差，主调节器的输出信号和给水、蒸汽流量信号都作用到副调节器。这样，系统就具有更好的动态、静态特性。 下面将介绍给水自动调节系统模块中的串级三冲量给水自动调节的参数整定过程。根据控制原理图1.2在MATLAB7.0下的Simulink里做出的控制器仿真结构图如图1.3所示。 图1-3 串级三冲量给水调节系统仿真图 其中Step、Step1、Step2为阶跃函数模块，它们可分别对系统施加定制和扰动；PID Controller为比例加积分运算模块，构成系统的主调节器；PID Controller1为比例运算模块构成副调节器，实现串级控制；Transfer Fcn1、Transfer Fcn分别代表对象调节通道和对象外扰通道；Gain-Gain6为增益模块；Scope为示波器模块，用来显示水位变化的曲线。在系统仿真模型建立后，对PID Controller、PID Controller1所代表的控制系统的主副调的参数进行调解，观察控制系统的控制效果。在上图所示的仿真环境下，对象调节通道和对象外扰通道的数学模型分别为:和。 在系统仿真模型建立之后，对PID Controller、PID Controller1所代表的控制系统的主副调的参数进行调解，观察控制系统的控制效果。 （1）调节比例增益 给水流量、蒸汽流量不变，即W=0，D=0，汽包水位定值H施加20%阶跃扰动时，对控制系统施加不同的比例增益，通过仿真，得到控制系统的一组响应曲线如图1-4。 图1.4 主副调节器比例增益（Kp）不同时的仿真曲线图 从图1-10的仿真曲线图可以看出，主、副调节器的比例增益对控制系统的超调量和调节时间都有影响。分析上图得到不同的主、副调节器比例增益（kp）对锅炉给水控制系统的影响，见下表1-1所示。 表 1-1 主、副调节器比例增益（kp）不同时对给水系统的影响 主调节器比例系数kp 副调节器比例系数kp1 超调量 调节时间（s） 30 6 49% 31 5 7 16% 25 4 5 8% 23 3 5 3% 29 从以上仿真曲线图可以看出，串级三冲量给水控制系统在进行比例增益（Kp）调节时，系统控制效果比较好，能稳定运行，但比例（P）调节器只适合于干扰小，对象的滞后较小而时间常数并不太小，调节精度要求不高的场合。当主调节器比例增益为3，副调节器比例增益(Kp2)为5时，控制效果比较理想，其仿真曲线如图1.5所示 。 图1.5 Kp=3，Kp1=5时的仿真曲线图 （2）调节比例、积分增益 PID控制规律中，积分控制的作用主要是消除系统的稳态误差。只要系统存在误差，积分控制作用就不断积