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SIMULINK在船用辅锅炉控制系统仿真中的应用研究

2020/8/29    来源:互联网    作者:王琪  陆虎      
关键字:船用辅锅炉  控制系统  仿真  Simulink  
文章提出了运用Simulink仿真软件包对船用辅锅炉控制系统进行动态仿真的方法。以锅炉水位控制为例建立了双位控制器和比例积分控制器的动态仿真模型,并进行了仿真的运行。仿真结果表明,Simulink也是锅炉控制系统仿真建模的一种有效方法。

    船用辅锅炉是目前远洋运输船舶必备的辅机设备之一,根据国际《STCW78/95公约》要求,远洋船舶的轮机管理人员应能熟练掌握辅锅炉的操作、维护管理和故障排除等。因此加强船用辅锅炉操作训练已成为各培训机构和航海院校的实践教学环节之一。传统实物训练由于受到训练的经济性、安全性和快速性等方面因素的制约而逐渐被仿真模拟器所取代。仿真模拟器主要是利用计算机技术将机电设备及其系统的运行状况编成数学模型,做成软件,存储在计算机内,并可进行操作、值班和故障判断及排除的现代化模拟教学设备。而仿真建模是仿真训练器开发的关键一步。本文的研究工作主要是利用目前国内外在仿真领域较为流行的仿真语言MATLAB的仿真软件包Simulink,对船用辅锅炉控制系统进行建模和仿真研究。

1 Simulink简介

    Mathworks公司开发的Simulink是MATLAB中的一个交互仿真集成环境软件包,它可以进行动态系统建模、仿真和综合分析,从而在实际系统制作出来之前,预先对系统进行仿真和分析,并可以对系统做适当的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数,以提高系统的性能,减少系统设计过程中反复修改的时间,实现高效率地开发系统的目标。作为Matlab的一个工具箱,它进一步扩展了Matlab的功能,主要表现在以下几个方面:(1)Simulink实现了可视化建模,具有很强的通用性和友好的人机界面,用户可以通过简单的鼠标操作建立起直观的系统模型,并进行仿真分析;(2)它实现了多工作环境间文件互用和数据交换,如Simulink与Matlab、FORTRAN及C语言的工作环境的信息交换都可以很方便地实现;(3)它把理论研究和工程实现有机地结合起来,在Simulink环境中用户可以摆脱理论演绎时必须做的理想化假设,直接运行系统现实的动态观察。并且只要改变参数,就能观察到各种变化,有利于系统的优化设计。

    基于Simulink的以上特点,运用它对船用锅炉控制系统进行建模和仿真将使设计人员从繁杂的编程任务中解脱出来,将工作重心投入到仿真训练系统的性能设计和优化上。下面将以锅炉的水位控制为例进行控制器的设计和仿真。

2 船用辅锅炉水位控制特点

    锅炉是船舶动力装置最早实现自动控制的设备之一。它包括水位的自动控制,蒸汽压力的自动控制,锅炉点火及燃烧的时序控制等,其中锅炉水位和蒸汽压力的自动控制是由调节器实现的。调节器是组成反馈控制系统的主要单元,当控制对象选定后调节器对控制系统的动态过程品质将起着决定性的作用。调节器常按双位式作用规律、比例作用规律、积分作用规律、微分作用规律等工作原理进行调节。

    锅炉水位调节系统通常有三种调节方式,即单冲量给水调节、双冲量给水调节、三冲量给水调节。本文在辅锅炉控制系统的建模设计中采用第一种方式。单冲量给水调节是以汽包水位为唯一的调节信号的一种调节方式。水位测量信号经变送器送到水位调节器,调节器根据水位测量值与给定值的偏差控制给水调节阀,改变给水量以保持汽包水位在正常的范围内。对于货轮辅锅炉在负荷变化不大的情况下,水位受到扰动后的反应速度比较慢,“虚假水位”现象也不严重,可采用此调节方式。

    货轮辅锅炉由于其蒸发量小,蒸汽压力低,为简化其控制系统,一般对水位调节器都按双位式作用规律进行控制。当水位下降到允许的下限水位时,自动启动给水泵向锅炉供水,锅炉水位会逐渐升高。当锅炉水位达到上限水位时,自动停止给水泵的工作。因此,锅炉在工作期间水位在允许的上下限之间波动,在实际工作中常采用浮子式或电极式检测元件进行控制。而对于一些大型油轮的辅锅炉,由于蒸发量和蒸汽压力都较大,对水位变化要求比较严格,往往采用定值控制。在实际工作中往往通过带有积分作用的调节器来实现,因为积分调节具有消除静态偏差的作用,能使最终输出值稳定在给定值上。

3 船用辅锅炉控制系统Simulink建模的实现

    3.1 双位控制器Simulink建模的实现

    双位作用规律的特点是指调节器只有两种输出状态,不能使被控量稳定在某个值上。当被控量下降到下限值时,调节器动作接通电源或电机使相关执行机构动作;当被控量上升到上限值时,调节器动作使电源断电执行机构停止动作;当被控量在上、下限之间变化时调节器输出状态不变。由锅炉水位控制的特点可进行锅炉水位双位控制器模型框图设计,如下图1所示。

锅炉水位双位控制器Simulink模块框图

图1 锅炉水位双位控制器Simulink模块框图

    图中采用单冲量给水调节方案实现锅炉水位的双位调节。其输入参数为锅炉的实际水位,输出为经调节器作用后的锅炉供水量。控制器采用Discontinuities库中继电器模块即Relay模块实现。Relay模块允许输出在两个给定值之间切换,当继电器开时,它保持为开的状态,直到输入降到比切断点(Switch off point)参数的值低时为止。当继电器关时,它保持为关的状态,直到输入超过接通点(Switch on point)参数的值时为止,模块接受一个输入并产生一个输出。根据调节器控制原理可在该模块参数对话框中作如图2设置,即当水位低于基准液位(0mm)40mm时,模块输出为1,当水位高于基准液位40mm时模块输出为0,该输出信号可用于实现对锅炉水的供给。供水量的大小可由给水阀开度系数k(即增益模块)实现。考虑到水位变化具有一定的惯性,这里采用传递延迟模块(Translation delay)来实现。同样方法可建立蒸汽压力的双位控制Simulink仿真模型框图。因篇幅所限在此不再赘述。

Relay模块参数设定对话框

图2 Relay模块参数设定对话框

    3.2 比例积分控制器Simulink建模的实现

    把比例、积分和微分作用规律组合在一起,可构成比例积分微分规律,常用PID表示。在这种作用规律中,以比例作用为主,吸收积分作用能消除静态偏差,微分作用能实现超前控制的优点,这是目前最完善的作用规律。在机舱中液位控制对象中的液位随船舶的摇摆而摆动,微分作用会使调节阀的开度忽而开得很大,忽而关得很死,这是不利的。因此在对船用锅炉水位和蒸汽压力要求较高的控制系统中往往采用比例积分控制器,即PI控制器。在PI控制器中,比例作用是主要的,它使调节阀的开度随时适应扰动的变化,控制较为及时,可获得较好的动态稳定性。积分作用是辅助的,主要用于静态偏差的消除。其作用规律可用下式表示:

公式

    式中K是PI调节器的比例放大倍数,T1是积分时间,是衡量比例积分作用的两个重要参数。

    根据上述数学表达式,可建立锅炉水位PI控制器Simulink仿真框图如图3所示:

锅炉汽包区蒸汽水位PI控制器Simulink仿真框图

图3 锅炉汽包区蒸汽水位PI控制器Simulink仿真框图

    如图中所示,该PI积分控制器包括由增益模块k组成的比例环节和由离散时间积分器(Discrete-Time Integrator)模块组成的积分环节,同时考虑到实际系统中积分器具有一定饱和性和信号传输过程中存在一定的传递迟延现象,因此建模时引入了饱和(Saturation)模块和传递迟延(Transport Delay)模块来实现。

4 仿真结果分析

    船用辅锅炉自动控制系统的控制框图如图4所示。该框图是由被控对象锅炉子系统和双位控制器(或PI控制器)组成的闭环控制系统。整个控制系统仿真模型以蒸汽负荷(本文采用改变出口阀的开度实现)为干扰信号,以获取该扰动信号作用下锅炉水位Lw和蒸汽压力Ps的响应曲线。两参数的动态响应变化过程由显示器(Scope)模块显示。在Simulink仿真界面下按下运行按钮即可进行仿真。

船用辅锅炉自动控制系统的控制框图

图4 船用辅锅炉自动控制系统的控制框图

    如图5所示为双位控制锅炉水位变化仿真曲线,从图中可得双位控制的锅炉水位特性曲线为波浪线,表明了水位总是在一定范围内变化。如图所示在0-600s时蒸汽阀开度在全行程的50%,600s时将阀开度关小至20%开度,可见水位变化开始减缓。这与锅炉实际工作过程中水位变化状态是一致的。而图6所示采用PI控制作用的水位特性变化曲线,该曲线在650s受到干扰信号(将调节阀由20%开大至50%开度)作用后水位下降,经过调节作用最终又稳定在设定值上稳定运行。同上方法,在1200s时再将调节阀关小至20%的开度时可获得同样控制结果。

双位控制锅炉水位变化仿真曲线

图5 双位控制锅炉水位变化仿真曲线

PI控制锅炉水位变化仿真曲线

图6 PI控制锅炉水位变化仿真曲线

    仿真的结果与锅炉实际特性分析结果基本吻合,验证了运用Simulink对船用辅锅炉进行仿真的可行性和有效性。

5 结束语

    Simulink的功能和特点已使它成为控制系统设计、仿真、教学不可缺少的基本软件。它是MATLAB在控制系统仿真领域的新突破。如果能充分利用Simulink的各种资源,无疑会给我们的科研、工作实践带来很大便利和显著的经济效益。

责任编辑:程玥
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