基于MATLAB鍋爐給水控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

燕 莎

（西安理工大學(xué)，陜西西安 710082）

現(xiàn)代大型鍋爐的水位動態(tài)特性復(fù)雜，汽包存在著嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象，由于鍋爐的水位同時(shí)受到鍋爐側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機(jī)用汽量變化時(shí)，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。水位必須要合適，水位過高可能會導(dǎo)致汽水分離器工作不正常，從而會影響蒸汽帶水，使過熱器管壁和汽輪機(jī)葉片結(jié)垢，造成事故;鍋爐出口蒸汽帶水過多還會使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。

本文運(yùn)用MATLAB仿真軟件對串級三沖量給水控制系統(tǒng)對汽包水位控制的研究，根據(jù)仿真結(jié)果，設(shè)計(jì)出能更好地克服系統(tǒng)的內(nèi)、外擾動，實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位控制要求的串級三沖量控制系統(tǒng)。

1 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)

汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個非常重要的被控量。其任務(wù)是使鍋爐蒸發(fā)量適應(yīng)給水量，且在一定的范圍內(nèi)使汽包中的水位基本不變，其要求包括以下兩個方面:

（1）在一定范圍內(nèi)維持汽包水位。

（2）保持穩(wěn)定的給水量。

上述兩個任務(wù)中，第一個任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無論是電站鍋爐，或是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動調(diào)節(jié)。故給水控制系統(tǒng)應(yīng)該符合以下基本要求:

（1）必須采用帶比例作用的調(diào)節(jié)器以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）引入蒸汽流量的補(bǔ)償信號來克服“虛假水位”現(xiàn)象對控制系統(tǒng)的不利影響。

（3）消除內(nèi)擾。

2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)

2.1 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理圖

串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖如圖1所示，控制系統(tǒng)由兩個閉合回路及前饋調(diào)節(jié)部分組成。WD1（s）表示主回路中的調(diào)節(jié)對象、γH是水位測量變送器、WT1（s）是主調(diào)節(jié)器;G是副回路的給水流量、γG是給水流量變送器、nG是給水流量信號分壓系數(shù)、WT2（s）是副調(diào)節(jié)器、KZ是執(zhí)行器、Kf是調(diào)節(jié)閥;D是前饋部分蒸汽流量信號、γD蒸汽流量變送器、nD蒸汽流量信號的分壓系數(shù)構(gòu)成［2］。

圖1 串級三沖量給水控制系統(tǒng)原理方框圖

2.2 串級三沖量給水控制系統(tǒng)主回路的分析

在主回路中，當(dāng)把副回路近似看作比例環(huán)節(jié)，主回路就等效為一個單回路控制系統(tǒng)，主回路的等效方框圖如圖2所示。

圖2 主回路等效方框圖

如果以給水流量G作為被控對象的輸入信號，則可以把WT1（s）與副回路兩者看作為等效主調(diào)節(jié)器，它的傳遞函數(shù)為:

由式（1）和（2）可得:

可見，等效主調(diào)節(jié)器仍是一個PI調(diào)節(jié)器，但等效的比例帶為:

其中δ1是主調(diào)節(jié)器WT1（s）的比例帶。

等效主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間T*i1就是主調(diào)節(jié)器WT1（s）的積分時(shí)間Ti1。

主回路仍按單回路系統(tǒng)的整定方法整定，如通過試驗(yàn)方法求取主回路被控對象的階躍響應(yīng)曲線，并由曲線上求得τ和ε，再按相應(yīng)曲線整定法中給出的公式計(jì)算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為:

3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB仿真

圖3為有前饋裝置串級三沖量給水控制系統(tǒng)在蒸汽流量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖，對應(yīng)仿真圖為圖4。圖4說明對應(yīng)有前饋通道的系統(tǒng)能夠抵抗蒸汽流量擾動，系統(tǒng)最后達(dá)到穩(wěn)定值0，該系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖3 有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下SIMULINK結(jié)構(gòu)圖

圖4 有前饋裝置的串級三沖量蒸汽流量擾動下仿真圖

4 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析

從上述的設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)的前饋通路用于補(bǔ)償外擾，克服虛假水位現(xiàn)象。主副回路主要是校正水位偏差和快速消除內(nèi)擾。

給水流量擾動是串級三沖量給水控制系統(tǒng)的內(nèi)擾，當(dāng)水位有擾動時(shí)，首先變化的是汽包水位，主回路系統(tǒng)通過水位變送器將變化量立刻反饋到主調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使未進(jìn)入副回路的擾動消除，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)使汽包水位保持原來設(shè)定值，維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行［4］。但這種擾動發(fā)生后，系統(tǒng)是通過反饋?zhàn)饔脕磉M(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以系統(tǒng)調(diào)節(jié)會存在一定的遲延，不如調(diào)節(jié)前饋擾動量及時(shí)。而蒸汽流量擾動是外擾，有擾動發(fā)生時(shí)，給水調(diào)節(jié)閥受蒸汽流量信號的影響，向正方向移動，蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，由于“虛假水位”引起的反方向移動被抵消了，從而使水位和給水流量的波動幅度減少。維持系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行、校正水位偏差是主調(diào)節(jié)器的作用。前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對被調(diào)量的影響，它是按擾動進(jìn)行的補(bǔ)償控制，所以前饋控制又叫作“擾動補(bǔ)償”。由自動控制原理知道，擾動補(bǔ)償屬于開環(huán)控制。前饋控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響，只要原系統(tǒng)是穩(wěn)定的，施以前饋控制后，系統(tǒng)仍然穩(wěn)定。前饋控制只能對于可以測量的擾動作用進(jìn)行擾動補(bǔ)償。前饋控制器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)取決于被控制對象與擾動通道的特性。

從仿真效果可知，串級三沖量給水控制系統(tǒng)不僅有較高的調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)質(zhì)量，且能夠維持汽包水位的穩(wěn)定，保障鍋爐機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行［2］。

5 總結(jié)

通過仿真曲線可以看出汽包給水的串級三沖量控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、抗擾性、快速性。可以達(dá)到理想的控制效果。

［1］王文蘭.控制系統(tǒng)MATLAB仿真與設(shè)計(jì)［M］.呼和浩特:內(nèi)蒙古教育出版社，2009.

［2］黎兵，李夔寧.汽包鍋爐串級三沖量給水控制系統(tǒng)的MATLAB 仿真［J］.東北電力技術(shù)，2006（6）:21-23.

［3］王正林，郭陽寬.過程控制與Simulink應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［4］陳學(xué)俊，陳聽寬.鍋爐原理［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.