计算机水位控制系统的设计与仿真探究

减小字体 增大字体 作者:张霞  来源:www.zhonghualunwen.com  发布时间:2012-08-04 12:16:09

  1.锅炉水位控制系统的结构与组成
  锅炉水位控制的任务是使给水量与蒸发量相适应,维持汽包水位在工艺规定的范围内。锅炉汽包水位控制也称给水控制,锅炉汽包水位是锅炉正常运行的一个非常重要的监控参数。
  假设锅炉液位控制系统如图1:
  图1 锅炉液位控制系统
  其中液位变送器将反映液位高低的检测信号送往液位控制器,改变进水阀门开度,调节进水流量以维持液位稳定。
  2.锅炉液位控制系统的被控参数与控制变量的选择
  锅炉汽包水位控制系统可以直接选择汽包水位作为被控参数。影响汽包水位变化的因素有给水量、燃料量变化、汽包压力变化等。
  汽包压力变化并不直接影响水位,而是通过汽包压力升高时的自凝结与压力降低时的自蒸发过程影响水位。燃烧量的变化要经过要经过燃烧系统变成热量后,才能被水吸收,继而影响汽化量并改变水位。这一扰动通道的传递滞后和容量滞后都很大,燃烧过程又有专门的调节系统进行控制,因此燃烧量也不能作为汽包水位的控制变量。
  只有给水量可作为汽包水位的控制变量。
  3.锅炉水位控制系统的数学模型
  锅炉水位控制系统在此采用机理法建模中的单容过程建模,由图1可知单容过程只有一个水箱。流入量为Q,有阀门1的开度控制的大小;流出量为Q,随下游工序的需要而变化,其大小由阀门2的开度控制;在阀门2开度不变的情况下,液位h越高,储液箱顶静压越大,蒸汽流出量越大。下面以阀门1的开度u为液位输入,水位h为被控参数输出,分析阀门1开度u与液位h之间的动态关系,建立该单容过程的数学模型。
  先定义各变量的符号如下:
  Q:输入流量;Q:输出流量;△Q:输入流量相对于稳态值的增量
  Q:输出流量;Q:输出稳态流量;△Q:输出流量相对于稳态值的增量
  h:液位;h:稳态液位;△h:液位相对于稳态值的增量
  u:阀门1得开度;△u:阀门1的开度相对于稳态值的增量
  v:储液箱中储存液体的体积;A:储液箱横截面积
  根据物料平衡关系,即在单位时间内储液箱的液体流入量与单位时间内储液箱的液体流量之差,应用于储液箱中液体存储量的变化率,故有
  =Q-Q
  式中,v=A*h;是液位储存量的变化率。因储液箱横截面积A是常量,故
  =A
  代入上式得:=(Q-Q)
  从上式看,液位变化决定于两个因素:一个是储液箱横截面积A,一个是流入量与流出量之差Q-Q。A越大越小。A是决定储液箱液位变化率大小的因素,称之为储液箱的容量系数,也称液容。它的物理意义是要使液位升高1m,储液箱应冲入液体的体积。
  一般来讲,被控过程都具有一定的储存物料或能量的能力,其储存能力用容量系数表征,用c表示。单容液位过程稳态时:
  Q=Q、Q=Q、h=h
  此时流入量与流出量保持平衡:Q=Q
  若以增量形式表示各变量相对于稳态的变化量,即:△h=h-h、△Q=Q-Q、△Q=Q-Q
  带入上式得:A=(△Q-△Q)
  根据物料动态平衡关系,图中储液箱在液位变化过程中,Q流出量始终保持不变,则△Q=0,代入(1)式得:
  A=△Q
  将△Q=k△u带入上式得:A=k△u
  对上式去拉氏变换得:=
  式中K=k;T=A。
  这就是无自衡单容过程的数学模型,它是一个积分过程,积分过程使变化量朝一个方向改变。所以这在锅炉控制过程中就需要设计控制器来改变这种趋势[2]。
  3.1水位在给水流量作用下的传输函数及系统的动态特性。
  通常可把汽包和给水看作无自衡过程。当给水流量增加后, 由于给水温度比汽包内饱和水的温度低, 就从原有饱和水中吸收部分热量, 这使得水位下汽泡容积有所减少, 当水位下汽泡容积的变化过程逐渐平衡时, 水位的变化就完全反映了由于汽包中储水量的增加而逐渐上升。当给水量作阶跃变化时, 汽包水位在起始状态不会立即增加, 而要呈现出起始惯性段, 水位与给水流量之间关系用传递函数G(s)表示, 它近似于一个积分环节和惯性环节的串联, 系统特性可表示为:
  G(s)==
  根据工艺要求并通过现场数据的采集和数据的分析处理,可得到锅炉汽包水位在给水流量作用下的动态数学模型。在此假定系统特性的开环传递函数为:
  G(s)==
  利用MATLAB编程求其阶跃响应并分析其性能指标: 得其响应曲线如下图:
  得其性能指标:
  sigma=27.0398;tp=0.0473;ts=0.1893。即:
  峰值时间:tp=0.0473s,超调量:sigma=27.0398,调节时间(由key=1确定误差带为5%):ts =0.1893s
  由此可以看出,本系统的阶跃响应出现了严重的超调,这是所不想看到的。下面采用传统与先进两种不同的控制算法来实现看看结果如何。
  图7 传统PID仿真阶跃曲线 图2 算法流程图
  3.2 先进的数字抗积分饱和PID控制算法及仿真
  针对该模拟系统,就可以采用连续系统设计方法,设计闭环控制系统的模拟控制器,然后将其离散化成数字控制器,即转化为计算机控制系统,进行采样时的周期要足够的小。
  采用抗积分饱和PID控制算法。所谓积分饱现象是指若系统存在一个方向的偏差△e(k),PID控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大,从而导致执行机构达到极限位置(例如阀门开度达到最大),若控制器输出u(k)继续增大,阀门开度不可能再大,此时就称计算机

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