蒸汽发生器液位控制系统课程设计.docx
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蒸汽发生器液位控制系统课程设计
学号：
课内实践
题目
蒸汽发生器液位控制系统
学院
自动化学院
专业
班级
姓名
指导教师
李向舜
年
月
日
课内实践任务书
学生姓名：
专业班级：
指导教师：
李向舜工作单位：
自动化学院
题目:
蒸汽发生器液位控制系统
初始条件：
1.先修课程:
“调节仪表与过程控制系统”、“计算机控制技术”、“传感与检测技术”、“自动控制理论”等。
2.熟练使用MATLAB软件、Protel软件等。
3.主要涉及的知识点：
控制系统分析与设计、过程对象建模、仿真等。
4.课程设计参考资料：
“过程控制系统及仪表”、“计算机过程控制系统”、“PID控制原理及应用”、“MATLAB应用宝典”。
要求完成的主要任务:
（包括课内实践工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.课内实践时间：
8学时。
2.课内实践内容:
根据指导老师给定的题目，按规定选择其中一套完成；至少应包括：
1）过程数学模型（2学时）
能够对生产某一过程进行特性分析和建模。
2）执行器、检测仪表（2学时）
根据生产需要对用到的调节阀和检测仪表进行选型。
3）控制系统设计（2学时）
根据工艺需求，完成整个控制系统结构设计，原理分析。
4）控制器参数整定（2学时）
根据和工艺需求和控制方案设计控制器，并对控制器参数整定，应用MATLAB完成仿真验证，完成实践报告。
3.本课内实践统一技术要求：
研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目进行理论分析，针对具体设计部分的原理分析、建模、必要的推导和可行性分析，画出系统设计框图，具体设计控制系统软硬件组成，记录实验结果（仿真结果），并对实验结果进行分析和总结。
具体设计要求包括：
1复习过程控制系统设计的相关技术与方法；
2针对被控对象的工艺特点，设计工业流程框图。
3根据工艺特点，分析并设计控制系统原理。
4分析并设计系统各个组成部分的结构原理以及组成，并对结果进行验证或仿真。
2.课内实践说明书按学校“课内实践工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：
1目录；
2该过程对象的工艺特点与需求分析；
3结合该过程对象特点及系统功能要求完成系统控制方案的选择。
4设计整个控制系统原理框图，并对各个组成部分进行选型、设计、分析；
5重点设计出系统的控制器，并对系统的控制参数进行整定；
6给出系统示意框图、工艺流程图、仿真运行结果和图表、以及对结果分析和总结；
7课程设计的心得体会（至少500字）；
8参考文献；
9其它必要内容等。
指导教师签名：
年月日
摘要
蒸汽发生器俗称锅炉，是发电炼油与化工等工业部门利用燃料或其他能源的热能把水加热成为热水或蒸汽的重要能源与热源机械动力设备。
蒸汽发生器按照燃料分类可分为电蒸汽发生器、燃油蒸汽发生器、燃气蒸汽发生器等；按照出口压力可分为低压蒸汽发生器、中压蒸汽发生器、高压蒸汽发生器、超高压蒸汽发生器、亚临界压力蒸汽发生器、超临界压力蒸汽发生器等。
不同的蒸汽发生器蒸气发生系统和处理系统工作原理基本相同。
蒸汽发生器是一个较为复杂的控制过程，为保证提供合格的蒸气适应负荷需要以及安全运行，工艺参数必须严格控制。
被控参数有水位，蒸气压力，蒸气温度，炉膛负压和燃-空配比等；被控变量有给水量，燃料量和送风量等。
这些被控参数与控制变量间相互影响。
工业上将蒸汽发生器控制主要分为液位控制系统，过热蒸气温度控制系统和燃烧控制系统。
本次课内实践对蒸汽发生器液位控制系统进行研究，并利用matlab对液位控制系统进行仿真验证。
关键词：
蒸汽发生器；液位控制系统；仿真
蒸汽发生器液位控制系统
1.需求分析
液位控制的任务是使给水量与蒸汽发生器蒸发量相适应，维持液位在工艺规定的范围内。
蒸汽发生器液位体现了蒸气流量与给水量的平衡关系，是一个重要监控参数。
液位过高，会使蒸气带液，过热器结垢，影响过热器效率；同时带液蒸气进入汽轮机，会损害汽轮机叶片。
水位过低，会破坏水循环而损坏蒸汽发生器。
对于大型蒸汽发生器，若停止给水，令存水短时间内完全气化会引起重大事故，甚至爆炸。
因此，必须将蒸汽发生器液位控制在工艺允许范围内。
蒸汽发生器工艺流程图如图1.1所示。
图1.1蒸汽发生器工艺流程图
2.被控参数和控制变量的选择
蒸汽发生器液位控制系统可直接选择液位作为被控参数。
影响液位变化的因素有给水量变化，蒸气流量变化，燃料量变化，蒸汽发生器压力变化等。
蒸汽发生器压力变化并不直接影响水位，而是通过压力升高时的“自凝结”和压力下降是的“自蒸发”过程影响水位。
压力变化通常是由蒸气流量变化引起的，因此可将压力变化归入蒸气流量变化因素。
蒸气流量是应用户需要改变的不可控因素，因此蒸气流量不能作为液位的控制变量。
燃料量变化要经过燃烧系统变成热量后，才被水吸收，然后影响汽化量以改变液位。
该过程传输滞后和容量滞后都很大，燃烧过程又有专门的调节系统，因此燃料量不能作为液位控制系统的控制变量。
综上所述，可作为蒸汽发生器液位控制变量的因素只有给水量。
3.被控过程的数学模型
3.1蒸气流量对水位的影响
在其他条件不变的情况下，蒸气流量突然增加，会使蒸汽发生器物料平衡发生变化，瞬间流出量大于流入量，存水量减少。
存水量瞬时减少必然使液位下降。
图3.1蒸气流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线
图3.1中的ΔH1（t）表示将蒸汽发生器当作非自衡单容对象看待时，汽包水位对蒸气流量的阶跃响应曲线。
但当蒸气流量突然增加，将导致压力瞬间下降，在蒸发管内的水沸腾突然加剧，水中气泡数量迅速增加，气泡体积增大，使液位升高。
上述现象称为“虚假水位”现象。
该现象对应曲线如图3.1ΔH2（t）所示。
蒸气流量增加ΔD时，水位变化实际阶跃曲线如图3.1中ΔH（t）所示。
由曲线分析得，实际水位变化ΔH（t）为ΔH1（t）与ΔH2（t）的叠加。
即ΔH（t）=ΔH1（t）+ΔH2（t）。
用传递函数表示为
式中，
为蒸气流量作用下，阶跃响应曲线稳定时的斜率；K2，T2分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2（t）的放大倍数与时间常数。
3.2给水流量对水位的影响
图3.2给水流量阶跃干扰下蒸汽发生器水位响应曲线
在给水流量增大时，水位阶跃响应曲线如图3.2中ΔH（t）所示。
若将液位对给水的响应看作无自衡单容过程，水位的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH1（t）所示。
由于给水温度比发生器内饱和水的温度低，给水会从饱和水中吸收一部分热量，故当给水量增大后，水中气泡总体积减小，导致水位下降。
以上过程的阶跃响应曲线如图3.2中ΔH2（t）所示。
实际水位变化ΔH（t）是ΔH1（t）与ΔH2（t）的叠加，即ΔH（t）=ΔH1（t）+ΔH2（t）。
用传递函数可表示为
式中，
为给水流量作用下，阶跃响应曲线稳定时的斜率；K1，T1分别为只考虑水面下气泡体积变化所引起的液位变化ΔH2（t）的放大倍数与时间常数。
4.方案设计与选择
4.1单冲量水位控制系统
以液位为被控参数，给水量作为控制变量构成的单回路液位控制系统，工程上也称单冲量控制系统，系统框图如图4.1所示。
图4.1单冲量液位控制系统框图
4.2双冲量水位控制系统
液位的主要干扰是蒸气流量变化。
利用蒸气流量变化信号对给水量进行补偿控制，就可以消除或减小“虚假水位”对液位的影响。
该双冲量液位控制系统的框图如图4.2所示。
图4.2双冲量液位控制系统框图
4.3方案选择
单冲量液位控制系统的优点是所用设备少，结构简单，参数整定和使用维护方便。
但缺点明显，当蒸气流量突然增加时，由于虚假水位现象，调节器不但不及时开大给水阀来增加给水量，反而去关小调节阀的开度，减小给水量。
因此，这样当蒸气量增加，给水量减小使存水量减小。
等到虚假水位消失后，水位会严重下降，甚至可能会下降到危险程度，引起事故。
双冲量液位控制系统相对单冲量控制系统增加了针对蒸气流量扰动的补偿通道，使调节阀及时按照蒸气流量扰动进行给水量补偿，而其他干扰对水位的影响有反馈控制回路克服。
这是一个前馈-反馈复合控制系统。
可以消除或减小“虚假水位”现象对液位的影响。
经由上述比较，这里选择双冲量液位控制系统作为使用方案。
5.变送器的选择
5.1蒸气流量变送器的选择
流量一般指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。
把某一段时间内流过管道的流体数量的总和，即瞬时流量在某一段时间内的累计值，称为总量。
可利用流量计获得一段时间内通过的物料总体积或总质量。
常用的流量检测仪表有差压式流量计，转子流量计，靶式流量计，椭圆齿轮流量计，涡轮流量计，电磁流量计，旋涡式流量计和超声波流量计等。
差压流量计使用时有诸多因素制约，因此要查阅相关手册；转子流量计主要适合于小管径，小流量的测量；靶式流量计能测量有悬浮物，沉淀物的流体流量；椭圆齿轮流量计可能因热胀冷缩发生齿轮卡死；涡轮流量计只能在清洁流体中使用；电磁流量计特别适合测量测量含有纤维和固体颗粒的流体；旋涡式流量计要求流体的流速分布均匀；超声波流量计要求流体清洁且测量管前后有足够长的直管段。
经由上述比较，最终选择涡轮流量计作为蒸气流量变送器。
5.2液位变送器的选择
通过物位测量可以获知容器内物质的体积或质量，还可以监视或控制容器内介质物位，使它保持在工艺要求的高度上，使过程正常进行。
蒸汽发生器可通过液位变送器检测液位以保证安全。
常用物位检测仪表有差压式液位变送器，电容式物位变送器和超声波液位计等。
由于蒸汽发生器使用的水含有杂质，可能会损坏直接接触液体的变送器，又因为蒸汽发生器内液体温度变化较大，使用超声波液位计会产生较大误差。
综上所述，最后选择法兰式差压变送器作为蒸汽发生器的液位变送器。
6.调节器的选择
调节器常用比例积分微分调节装置。
比例控制P的优点是控制及时，反应灵敏，偏差越大控制力度越大；缺点是控制结果存在余差。
积分控制I的优点是控制结果可以无余差；缺点是控制作用是随着时间积累逐渐增强的，控制动作缓慢，控制不及时。
微分控制D的特点是能起到超前控制的作用，即按照偏差变化的速度控制，能在偏差很小时，提前增大控制作用，改善控制品质。
比例积分微分控制可以组合使用。
比例积分控制PI可以减小P或I单独使用的缺点，提高系统的控制精度。
比例微分控制PD可提高系统的控制速度，对惯性大的对象用PD，可以改善控制质量，减小最大偏差，缩短控制时间。
比例积分微分控制PID既能快速控制，又能消除余差，具有较好的控制性能。
比例积分微分控制PID的传递函数可以表示为
微分控制D通常不用于液位控制系统，由于进入水箱的液体的飞溅和湍流，液位测量往往是嘈杂的。
故蒸汽发生器液位控制系统的调节器可以选择P或PI。
这里选择PI控制，即令上述PID传递函数中的
。
7.执行器的选择
蒸汽发生器液位控制系统的执行器是给水调节阀，因此蒸汽发生器液位控制系统执行器的选择是调节阀的选型。
过程控制中使用最多执行器的是自动调节阀。
自动调节阀是能够按照输入信号自动改变开度的阀门，它可以分为气动，电动，液动三大类。
气动调节阀用压缩空气作为工作能源，能在易燃易爆的环境中工作，广泛应用于化工，炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。
蒸汽发生器由于使用了燃气，故其液位控制系统给水调节应避免使用使用电动调节阀；且给水调节不需要很大的推力，故不必使用液动调节阀。
调节阀固有流量特性有直线流量特性，等百分比（对数）流量特性和快开特性。
由于蒸汽发生器内液位变化应尽量平缓，需要选用具有等百分比（对数）流量特性的调节阀。
调节阀有气关式与气开式。
从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障，信号中断时，调节阀开关状态应能保证设备与人员安全。
若控制信号中断，阀处于打开位置危害性小，则选择气关式调节阀；反之，若阀处于关闭位置危害性小，则应选择气开式调节阀。
蒸汽发生器给水管道当控制信号中断时应开大进水阀，以避免蒸汽发生器烧干，因此选择气关式调节阀。
作用于给水调节阀的信号是电压信号，故需要调节阀安装有电/气转换器，电/气阀门定位器。
综上所述，蒸汽发生器液位控制系统执行器应选择安装有电/气转换器与电/气阀门定位器的，具有等百分比（对数）流量特性的，气关式的气动调节阀。
8.控制系统示意图
蒸汽发生器双冲量液位控制系统示意图如图8.1所示。
图8.1蒸汽发生器双冲量液位控制系统示意图
图8.1中加法器的具体运算功能为：
式中，u为调节器的输出值；u1为蒸气流量变送器输出的蒸气流量值；c0为初始偏置，c1为加法器的系数；U为加法器的输出值。
c1取正号或负号取决于气关式或气开式而定，确定原则是蒸气流量增加，给水量加大，气关式调节阀取负号，气开式取正号。
由于执行器选择的是气关式调节阀，故c1取负号。
c1值的确定还要考虑到静态补偿，将c1调整到只有蒸气流量扰动时，蒸汽发生器液位基本不变即可。
设置c0的目的是为了在正常蒸气流量下，使调节器和加法器的输出比较适中。
9.仿真程序设计与仿真结果
9.1仿真程序设计
simulink仿真程序图如图9.1.1所示。
图9.1.1simulink仿真程序图
图9.1.1中各部分表示：
setpoint：
系统输入（水位设定值）；
disturbance：
扰动（蒸气流量）；
Gc（s）：
调节器（PI）的传递函数；
Gv（s）：
执行器（调节阀）的传递函数；
Go（s）：
被控过程（给水流量对液位的影响）的传递函数；
Gb（s）：
前馈控制器的传递函数；
Gd（s）：
干扰通道（蒸气流量对液位的影响）的传递函数；
Gm1（s）：
变送器1（液位变送器）的传递函数；
Gm2（s）：
变送器2（蒸气流量变送器）的传递函数；
c1：
加法器的系数；
c0：
初始偏置；
scope：
示波器。
simulink不含前馈控制器的仿真程序图如图9.1.2所示。
图9.1.2simulink不含前馈控制器的仿真程序图
调节器Gc（s）的仿真程序图如图9.1.3所示。
图9.1.3调节器Gc（s）的仿真程序图
被控过程Go（s）的仿真程序图如图9.1.4所示。
图9.1.4被控过程Go（s）的仿真程序图
前馈控制器Gb（s）的仿真程序图如图9.1.5所示。
图9.1.5前馈控制器Gb（s）的仿真程序图
其中num1与num2的值如下所示：
干扰通道Gd（s）的仿真程序图如图9.1.6所示。
图9.1.6干扰通道Gd（s）的仿真程序图
matlab仿真程序代码如下所示：
Ef=1.5
K2=3
T2=1
E0=6
K1=5
T1=1
Kc=0.8
Ti=1000
num1=Ef*T2-K2
num2=E0*T1-K1
sim（'liquid_level_control_system.mdl',80）
9.2仿真结果
取c0=0；
t=0s时，设定水位（setpoint）为15，蒸气流量（disturbance）为5；
t=20s时，设定水位（setpoint）阶跃为25，蒸气流量（disturbance）不变；
t=40s时，设定水位（setpoint）不变，蒸气流量（disturbance）阶跃为10。
仿真结果分别如图9.2.1与图9.2.2所示：
不含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果如图9.2.1所示。
图9.2.1不含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果
含有前馈控制器的液位控制系统的仿真结果如图9.2.2所示。
图9.2.2包含前馈控制器的液位控制系统的仿真结果
10.调节器参数整定
调节器参数整定常用的方法有稳定边界法，衰减曲线法，响应曲线法，经验法等。
本次课内实践蒸汽发生器液位控制系统调节器为比例积分控制（PI）的参数整定选择经验法。
对于PI调节器，先置Ti=∞，将比例系数Kc放在较大经验数值上，然后逐步增大Kc，观察被控参数的过渡过程曲线，使过渡过程达到4:
1衰减比；然后，将Kc减小10%~20%，将积分时间由大到小逐步增加，直至获得衰减比为4:
1过渡过程。
PI调节器参数整定过程如下所示：
（1）保持Ti=1000不变，改变Kc的值：
Kc=0.4
图10.1Ti=1000，Kc=0.4时的液位变化曲线
Kc=0.6
图10.2Ti=1000，Kc=0.6时的液位变化曲线
Kc=0.8
图10.3Ti=1000，Kc=0.8时的液位变化曲线
Kc=1
图10.4Ti=1000，Kc=1时的液位变化曲线
由图10.3得，当Kc=1时，衰减比为4:
1。
然后将Kc适当减小，选择Kc=0.8。
（2）保持Kc=0.8不变，改变Ti的值：
Ti=1000
图10.5Kc=0.8，Ti=1000时的液位变化曲线
Ti=100
图10.6Kc=0.8，Ti=100时的液位变化曲线
Ti=10
图10.7Kc=0.8，Ti=10时的液位变化曲线
Ti=1
图10.8Kc=0.8，Ti=1时的液位变化曲线
通过观察图10.5至图10.8可以得出，当Kc=0.8时，选择Ti=1000会使液位变化曲线的衰减比最接近4:
1。
综上所述，蒸汽发生器液位控制系统的PI调节器参数整定结果取Kc=0.8，Ti=1000。
结论
相对于单冲量液位控制，双冲量液位控制控制品质有很大提高。
双冲量液位控制系统在单冲量液位控制系统基础上，利用蒸气流量变化信号对给水量进行补偿控制，减小甚至消除了“虚假水位”现象对于液位的影响，是一个前馈-反馈复合控制系统。
但双冲量液位控制系统存在以下问题：
调节阀的工作特性不一定为线性特性，要做到完全静态补偿比较困难；给水压力扰动对于液位的影响不能及时消除。
因此，可在双冲量液位控制系统的基础上，将给水流量信号作为副参数，构成三冲量液位控制系统。
三冲量液位控制系统的主冲量是液位，副参数是给水流量，前馈补偿的主要扰动是蒸气流量。
它是一个前馈-串级复合控制系统。
副调节器通过副回路快速消除给水环节的扰动对液位的影响，主调节器通过副调节器对水位进行校正，使水位保持在设定值。
心得体会
自动化技术在工业，农业，科技以及人们的日常生活中发挥着重要的作用。
作为信息科学的重要分支，自动化技术本身及其应用领域得到了迅速的提高和发展。
过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术最重要的组成部分之一。
过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的前提下，使连续型生产过程自动地进行下去。
大型的连续生产过程是一个十分复杂的大系统，存在不确定性，时变性以及非线性因素，控制相当困难。
实际的生产过程千变万化，要解决生产过程中各种控制问题必须采用有针对性的特殊方法与途径。
例如本次课内实践的内容蒸汽发生器的生产过程控制影响因素有很多，该系统主要分为液位控制系统，过热蒸气温度控制系统和燃烧控制系统。
由于控制对象的特殊性，过程控制系统相对于其他控制系统有以下特点：
控制对象复杂，控制要求多样；控制方案丰富；控制过程多属于慢过程参数控制；定值控制是过程控制的一种主要控制形式；过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成。
蒸汽发生器液位控制系统被控对象是液位，生产要求液位变化过程应快速且稳定；该液位控制方案可以有单冲量，双冲量，三冲量等；实际生产过程中，蒸汽发生器液位变化可能需要几百秒；液位控制的目的是使液位保持在设定值；该液位控制系统的调节器，执行器与变送器等仪表选型都需要精确分析。
经过本次课内实践，学生进一步学习并实际运用了过程控制系统的设计与优化等专业知识，也进一步接触使用了精密的检测仪表，控制仪表与调节阀等装置，达到了理论结合实践的目的。
参考文献
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[6]黄忠霖.控制系统MATLAB计算机仿真[M].北京.国防工业出版社，2003：
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附录
附录A包含前馈控制器的仿真程序图
附录B不含前馈控制器的仿真程序图
附录C仿真程序代码
matlab仿真程序代码如下所示：
Ef=1.5
K2=3
T2=1
E0=6
K1=5
T1=1
Kc=0.8
Ti=1000
num1=Ef*T2-K2
num2=E0*T1-K1
sim（'liquid_level_control_system.mdl',80）
本科生课内实践成绩评定表
姓名
性别
专业、班级
课程实践题目：
课程实践答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
序号
评定项目
评分成绩
1
选题合理、目的明确（10分）
2
设计方案正确，具有可行性、创新性（20分）
3
设计结果可信（例如：
系统建模、求解，仿真结果）（25分）
4
态度认真、学习刻苦、遵守纪律（15分）
5
设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（10分）
6
答辩（20分）
总分
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
指导教师签字：
年月日
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