课程设计(综合实验)报告
( 2011 -- 2012年度第 2 学期)
名称：过程控制技术与系统
题目：汽包锅炉给水控制系统设计与仿真
院系：控制与计算机工程学院自动化系
班级：自动0902班
学号：1091190220
学生姓名：王建春
指导教师：张建华
设计周数：1 周
成绩：
日期：2012 年6月28日
一、课程设计(综合实验)的目的与要求
通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统的分析与综合。要求学生：
1）了解过程控制技术与系统设计与分析的关键技术；
2）了解过程控制方案的组成；
3）能够进行控制系统的设计与仿真及工程实现。
二、主要内容
1.了解实现给水全程控制的关键技术
2.了解单元制锅炉给水全程控制方案
3. 设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行
仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；
4.设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系统整定过程对
系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；
5.对比分析单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统。
三、课设要求
某汽包锅炉，由给水流量 W 做单位阶跃扰动时的汽包水位 H 的响应曲线可知：
W?(s)=H(s)
W(s)
=
0.037
s(30s+1)
根据蒸汽流量 D 做单位阶跃扰动时的汽包水的 H 的响应曲线可知：
W d(s)=H(s)
D(s）
=
3.6
15s+1
?
0.037
s
已知：给水流量测量变送器的传递函数为γ
w
=0.014(mA t/?)
蒸汽流量测量变送器的传递函数为γ
d
=0.014(mA t/?)
水位测量变送器的传递函数为γ
?
=0.033(mA mm)
执行器系数为: kz
=10(%mA ) 阀门放大系数为: Kf
=6.4(t % )
四、单级三冲量给水控制系统
1.设计单级三冲量给水控制系统（其中调节器采用PI 调节），叙述控制系统整定过程；对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D 、给水流量W 和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H 的响应曲线；单级三冲量给水自动控制原理框图如下：
D
1I W H
控制系统组态图如下：
调节器采用PI 控制规律，其传递函数为1
1()(1)T i W s T s
δ
=
+
控制对象的传递函数为()0.037()()
(1)
(301)
h H s W s W s s s s s ετ=
=
=
++
W d (s)=H (s )= 3.6?0.037=3.045s ?0.037
给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为γ
w
=
γ
d
=0.014(mA t /? )
水位测量变送器的斜率为γ
?
=0.033(mA mm )
执行器和调节阀传递函数的乘积为kz ?
kf =64t/mA
给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置w α、D α均为比例环节，整定δ、i T 、w α、D α过程如下：
2. 内回路的整定
按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求，用试凑法整定内回路PI 调节器的比例带δ/w α和积分时间Ti 。内回路方框图如下图所示，在这个回路中，把调节器、分流系数除外的环节近似为广义调节对象W
内
，则
W
内
为近似比例环节，故δ和i T 都可以取得很小，一般取i T 10s ≤。取s i 8=T ，然后试凑δ。先设定
w α，找合适的δ。经试凑，内回路参数为，s i 8=T ，1=w α，10/1=δ，10/=δαw
级三冲量给水控制系统内回路框图
整定后响应曲线如下：
满足快速消除内扰要求
3. 主回路的分析整定是在内回路PI 调节器参数已经完全整定好的基础上进行的。内回路可变成一纯比例环节，等效为
W
W 1
γα。
外回路整定框图：
输入H 扰动信号时，示波器的输出波形如下：
用试凑法求得δ外
=
120
,所以58.3=w
α，358.010
==
w αδ,79.21
==
δ
K ,ki=0.35
4.根据无静差的要求，整定d α值。使W W D D γαγα=，得58.3==w D
αα
5. 仿真曲线如下：
蒸汽流量D 阶跃扰动下汽包水位H 的响应曲线：
给水流量W阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：
汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线：
五、串级三冲量给水控制系统
1、设计串级三冲量给水控制系统（其中主副调节器分别采用PI和P调节），叙述控制系统整定过程；
对系统进行仿真，分别给出在蒸汽流量D、给水流量W和汽包水位设定值阶跃扰动下汽包水位H的响应曲线；串级三冲量给水自动控制原理框图如下：
控制系统组态图如下：
主调节器采用PI 控制规律，其传递函数为11
11()(1)T W s T s
δ=
+
副调节器位P 控制规律，其传递函数为221
()T W s δ=
控制对象的传递函数为()0.037()()
(1)
(301)
h H s W s W s s s s s ετ=
=
=
++
W d (s)=H (s )W (s )= 3.615s +1?0.037s =3.045s ?0.037
15S 2+s
给水流量测量变送器和蒸汽流量测量变送器的斜率为γ
w
=
γ
d
=0.014(mA t /? )
水位测量变送器的斜率为γ
?
=0.033(mA mm )
执行器和调节阀传递函数的乘积为kz ?kf =64t/mA
给水流量反馈装置和蒸汽流量前馈装置w α、D α均为比例环节，整定1δ、2δ、T 、w α、D α过程如下：内外回路相对独立，可分别整定。
2、副回路的分析与整定 使用两步整定法，在主副环均闭合，主副调节器都置于比例作用条件下，将主调节器的比例带δ放在100%处，按单回路整定法整定副环,一般取1w α=，试探取得满意的2δ。
副回路整定图如下：
试探结果：2δ= 0.1 w α=1 整定后响应曲线如下
满足快速消除内扰要求
3. 主回路的分析与整定
整定主环：主副环仍然和闭合，副调节器置于δ2s=0.1上，从小到大取1s k 值,得到主调节器在ψ=0.9下的比例带δ1s 值和被调量的上升时间Tr. 系统控制组态图如下
阶跃响应曲线如图所示,由此得1s δ=1,1s k =1,Tr=67s 。
由衰减曲线法得调节器参数2.11.211==s δδ,k1=0.83,Ti=2*Tr=134S,ki=k1/Ti=0.0062, δ2=0.1,k2=10
4.而根据静态补偿原理，1==W D αα。
5.分别做H 、D 和W 单位阶跃扰动输入下汽包水位H 的扰动响应曲线如下：
（1）H 单位阶跃扰动输入下时的汽包水位的扰动响应曲线
（1） D 单位阶跃扰动输入下时的汽包水位的扰动响应曲线:
（2） W 单位阶跃扰动输入下时的汽包水位的扰动响应曲线:
六、单级三冲量给水控制系统与串级三冲量给水控制系统的对比分析
本次实验调节对象是汽包水位。分别采用了单级和串级两种形式的三冲量调节系统。 1）整定方面：
串级：整定回路相对独立，容易整定； 单级：内外回路相互影响，兼顾内外回路。
2) w α在单级/串级中的作用不同：单级中的等效比例带；串级中可为w α=1 3）静态配合时：单级需要考虑；串级不要考虑。
4) 串级可附加前馈冲量,
5) 汽机甩负荷，锅炉仍要维持低负荷运行时，H 要保持给定值，串级调节时间长。
汽包水位调节方法有单级三冲量给水控制与串级三冲量给水调控两种。工业上一搬采用串级三冲量给水控制方法。其中三冲量是指：给水量，蒸汽流量和汽包水位。进行整定的系统中，副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏差，前馈通路用于补偿外扰。整个实验的前提是要使副回路满足快速性和稳定性要求。由于整个实验是用试凑法和经验公式法来完成的，所以参数不一定准确，会存在一定的偏差仍然要进一步调整。
七、课程设计总结或结论
（1）本次实验调节对象是汽包水位。分别采用了单级和串级两种形式的三冲量调节系统。通过复习课本及参考相关书籍，我进一步掌握了过程控制课程的主要内容，并深入理解过程控制系统。同时，了解到实现给水全程控制的关键技术以及单元制锅炉给水全程控制方案。而且对控制系统PID调节器的整定方法有了更加深刻的了解。
（2）什么是三冲量？所谓三冲量，指的是引入了三个测量信号：汽包水位、给水流量和蒸汽流量。什么是虚假水位现象？在负荷阶跃增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上升的反常现象通常称为“虚假水位”现象
（3）在单级三冲量调节系统中，在整定外回路时，外回路等效比例带不能取太大，否则响应曲线振荡太剧烈，太小则响应曲线响应太慢。主回路和前馈通路的参数主要通过经验公式求得。然后将所有参数代入系统中，在此基础上进一步调整参数，是系统运行后的曲线满足要求。总的来说，在设计的过程中参数是通过：试凑—经验公式—试凑得出，所以由于某些原因及不可避免的误差使调节的参数有可能不是最佳的参数。
八、参考文献
1. 李遵基热工自动控制系统北京：中国电力出版社；1993
2. 杨献忠热工自动控制系统北京：清华大学出版社；1993
3. 薛定宇控制数学问题的MA TLAB求解北京：清华大学出版社2007
4 李颖simulingk动态系统建模与仿真西安：西安电子科技大学出版社2009
九、附录
单级三冲量给水控制系统SAMA图：
汽包水位A 汽包水位B 汽包压力A 汽包压力B
给水流量
给水泵A 转速
给水泵B 转速
串级三冲量给水控制系统SAMA 图：
给水泵A转速给水泵B转速