基于MATLAB锅炉给水控制系统仿真设计

2012-09-06燕莎

山西电子技术 2012年5期

燕莎

（西安理工大学，陕西西安 710082）

现代大型锅炉的水位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，由于锅炉的水位同时受到锅炉侧和汽轮机侧的影响，因此，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，通过给水调节系统保持锅炉的水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的重要条件。水位必须要合适，水位过高可能会导致汽水分离器工作不正常，从而会影响蒸汽带水，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢，造成事故;锅炉出口蒸汽带水过多还会使过热蒸汽温度产生急剧变化。水位过低，则会破坏正常水循环，危及水冷壁受热面的安全。

本文运用MATLAB仿真软件对串级三冲量给水控制系统对汽包水位控制的研究，根据仿真结果，设计出能更好地克服系统的内、外扰动，实现汽包锅炉水位控制要求的串级三冲量控制系统。

1 汽包锅炉给水控制系统

汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个非常重要的被控量。其任务是使锅炉蒸发量适应给水量，且在一定的范围内使汽包中的水位基本不变，其要求包括以下两个方面:

（1）在一定范围内维持汽包水位。

（2）保持稳定的给水量。

上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。故给水控制系统应该符合以下基本要求:

（1）必须采用带比例作用的调节器以保证系统的稳定性。

（2）引入蒸汽流量的补偿信号来克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响。

（3）消除内扰。

2 串级三冲量给水控制系统

2.1 串级三冲量给水控制系统原理图

串级三冲量给水控制系统原理方框图如图1所示，控制系统由两个闭合回路及前馈调节部分组成。WD1（s）表示主回路中的调节对象、γH是水位测量变送器、WT1（s）是主调节器;G是副回路的给水流量、γG是给水流量变送器、nG是给水流量信号分压系数、WT2（s）是副调节器、KZ是执行器、Kf是调节阀;D是前馈部分蒸汽流量信号、γD蒸汽流量变送器、nD蒸汽流量信号的分压系数构成［2］。

图1 串级三冲量给水控制系统原理方框图

2.2 串级三冲量给水控制系统主回路的分析

在主回路中，当把副回路近似看作比例环节，主回路就等效为一个单回路控制系统，主回路的等效方框图如图2所示。

图2 主回路等效方框图

如果以给水流量G作为被控对象的输入信号，则可以把WT1（s）与副回路两者看作为等效主调节器，它的传递函数为:

由式（1）和（2）可得:

可见，等效主调节器仍是一个PI调节器，但等效的比例带为:

其中δ1是主调节器WT1（s）的比例带。

等效主调节器的积分时间T*i1就是主调节器WT1（s）的积分时间Ti1。

主回路仍按单回路系统的整定方法整定，如通过试验方法求取主回路被控对象的阶跃响应曲线，并由曲线上求得τ和ε，再按相应曲线整定法中给出的公式计算等效主调节器的整定参数为:

3 串级三冲量给水控制系统的MATLAB仿真

图3为有前馈装置串级三冲量给水控制系统在蒸汽流量扰动下SIMULINK结构图，对应仿真图为图4。图4说明对应有前馈通道的系统能够抵抗蒸汽流量扰动，系统最后达到稳定值0，该系统稳定。

图3 有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下SIMULINK结构图

图4 有前馈装置的串级三冲量蒸汽流量扰动下仿真图

4 串级三冲量给水控制系统的仿真结果分析

从上述的设计与仿真结果可以看出，该系统的前馈通路用于补偿外扰，克服虚假水位现象。主副回路主要是校正水位偏差和快速消除内扰。

给水流量扰动是串级三冲量给水控制系统的内扰，当水位有扰动时，首先变化的是汽包水位，主回路系统通过水位变送器将变化量立刻反馈到主调节器，主调节器及时进行调节，可以使未进入副回路的扰动消除，达到稳态时使汽包水位保持原来设定值，维持系统安全可靠的运行［4］。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，有扰动发生时，给水调节阀受蒸汽流量信号的影响，向正方向移动，蒸汽流量增加，给水调节阀开大，由于“虚假水位”引起的反方向移动被抵消了，从而使水位和给水流量的波动幅度减少。维持系统安全可靠的运行、校正水位偏差是主调节器的作用。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”。由自动控制原理知道，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不仅有较高的调节精度和调节质量，且能够维持汽包水位的稳定，保障锅炉机组的安全稳定运行［2］。