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水位在给水扰动情况下的传递函数可表示如下： Wh(s)?HW??s(1??s) （1-3）
给水扰动传递函数方框图如图1-3所示，可近似认为是一个积分环节和一个惯性环节的并联或串联的两种形式。
2、蒸汽流量扰动下水位变化的动态特性
蒸汽流量扰动主要来自汽轮发电机组的负荷变化，属于外部扰动，这是一个经常发生的扰动。在蒸汽流量发生扰动的情况下，水位的阶跃响应曲线 如图1-4所示。
H1一只考虑物质不平衡的水位响应曲线：
H2一只考虑蒸发面下蒸汽容积vs变化的水位响应曲线； H1+H2一实际水位响应曲线
图1-4蒸汽流量扰动下水位的阶跃响应曲线图 图1-5蒸汽流量扰动下水位被控对象方框图
当汽机的用汽量突然增加(假定锅炉供热量及时跟上)，锅炉的蒸发量大于给水量，从汽包的水量来看，水位变化应如图中H1所示。但是当锅炉的蒸发量突然增加时，由于Vs的增加而使水位变化曲线如图中的H2所示，而实际显示出的水位响应曲线如H所示(H=H1+H2)。从图上可以看出，当锅炉负荷变化时，汽包水位的动态特性曲线如图1-4中H曲线所示。当负荷增加时，虽然汽包的进水量小于蒸发量，但在一开始水位不仅不下降，反而迅速上升，这种现象称为“虚假水位”，这是由于负荷增加时水面下汽泡的容积Vs增加得很快。当汽泡的容积己与负荷相适应而达到稳定后，水位就主要随物质不平衡的关系的变化而下降。应当指出，当负荷突然改变时，Vs的改变而引起水位的改变是很快的，图1-5中H2的时间常数大约只有lO～20S。虚假水位变化的幅度与锅炉的汽压和蒸发量变化的大小有关，对于一般
l00～230t／h的中高压锅炉，当突然负荷变化lO％时，虚假水位现象可使水位变化30～40mm。
蒸汽流量扰动时，水位变化的动态特性的传递函数为
式中T2一图5中H2特性的时间常数，约为lO～20S： K2一H2特性的放大系数；
?一响应速度
图1-5为蒸汽流量扰动下的水位被控对象方框图，可视为积分环节与惯性环节并联。 图1-4所示的蒸汽流量扰动下水位阶跃响应曲线只是定性地表明水位变化的特点，在实际进行动态试验时是很难造成蒸汽流量的阶跃扰动的。如果只改变负荷设备的用汽量，就会引起汽压的变化，汽压变化影响Vs变化，这时虚假水位现象就会更严重些。 3．锅炉热负荷扰动(燃料量M的扰动)
由前面式(1—2)分析可知，燃料扰动对于给水被控对象也是一种扰动因素。例如，燃料量M突然增加时，锅炉吸收更多的热量，蒸发强度增加。如果汽机的进汽量不加调节，则随着出口压力的提高，蒸汽输出量亦将增加，此时蒸发量大于给水量，水位应该下降，但是由于汽水容积中Vs体积增大，因此也出现虚假水位现象，水位先开始上升，过后才下降，阶跃响
应曲线如图7所示。它和图5有些相似，但水位上升较少，而滞后?M较大，这是由于燃料增加使发热量增加的同时，汽压P也增加，使体积Vs增加较少，从而使水位上升较少，另一方面，由于蒸发量随燃料量的增加有惯性和时滞，如图7中虚线所示，这就导致?M较大。从上述三种扰动下水位变化的动态特性可以看出给水控制的某些特点。当水位偏离给定值后再调节给水量，则由于给水量改变后有一定的滞后时间(或惯性)才能影响到水位，即从给水调节机构动作到汽包水位变化存在着一定的滞后，因此水位必然要有较大的变化，尤其是水位响应速度快的锅炉，水位的偏差更大。在负荷变化时，由于产生“虚假水位”现象，水位将迅速变化，这个水位暂时变化的幅度是不能靠控制给水量来减少的。对于虚假水位严重的锅炉，为了在负荷变化时水位不超出允许范围，必须限制负荷的一次突变量和变负荷的速度(即要求主控制系统或汽轮机功率控制系统进行变负荷速度限制)。此外，由于影响汽包水位的因素多，并且存在着“虚假水位”，如果只根据水位控制给水量，那么在负荷变化的开始阶段“虚假水位”增加，给水量的变化将与负荷变化的方向相反，因而扩大了锅炉进出工质的不平衡，这种情况在设计给水自动控制系统时是必须加以考虑的。
图1-6燃料阶跃扰动F的水位响应曲线
应该指出，前述四种扰动在锅炉运行中都可能经常发生，但是由于控制通道在给水侧，故蒸汽流量D、燃料量M和汽压P的扰动，习惯上都称为外部扰动，它们只影响水位波动的幅度。而给水量w是调节机构所改变的调节变量，给水量扰动在控制系统的闭合回路里产生，习惯上称为内部扰动。因此汽包水位对于给水量扰动的动态参数(?、?)是给水控制系统调节器参数整定的依据，在选择调节器参数时，要根据?和?来决定。另外由于蒸汽流量D和燃料量M的变化也是经常产生的外部扰动，且是产生“虚假水位”的根源，所以在给水控制系统罩常常引入D、M信号作为前馈信号，以改善外部扰动时的控制品质，这也就是目前大型锅炉给水控制系统采用三冲量或多冲量的根本原因。
二、给水控制系统
2.1基本思想
根据汽包锅炉给水控制对象动态特性的特点，可以提出给水控制系统的一些基本思想： (1)由于对象的内扰动态特性存在一定的延迟和惯性，所以给水控制系统若采用以水为被调量的单回路系统，则控制过程中水位将出现较大的动态偏差，给水流量波动较大。因此，对给水内扰动态特性延迟和惯性大的锅炉应采用串级或其它控制方案。
(2)由于对象在蒸汽负荷扰动(外扰)时，有“虚假液位”现象。因此给水控制采用以水位为被调量的单回路系统，则在扰动的初始阶段。调节器将使给水流量向与负荷变化方向相反的方向变化，从而扩大了锅炉进出流量的不平衡。所以在设计给水控制系统时，应考虑采用以蒸汽流量为前馈信号的前馈控制，以改善给水控制系统的品质。 2.2单冲量、双冲量控制系统原理及分析
1、单冲量控制系统
单冲量水位控制系统是以汽包水位测量信号为唯一的控制信号，即水位测量信号经变送器送到水位调节器，调节器根据汽包水位测量值与给定值的偏差去控制给水调节阀，改变给水量以保持汽包水位在允许的范围内。单冲量水位控制系统是汽包水位自动控制系统中最简单、最基本的一种形式。 2、双冲量控制系统
双冲量控制系统是采用互补原理对假液位现象进行控制的。当出口蒸汽流量突然增大时，它
将使液位上升(假液位)。此时控制系统根据变化量大小，使给水量也增大一定数值，由于当给水量突然增大时，将使汽包液位下降(假液位)，这样经过叠加作用，将使汽包液位基本维持不变，从而达到克服假液位的目的。锅炉汽包双冲量液位控制系统是在单冲量液位控制的基础上引入蒸汽流量作为前馈信号，能消除“虚假液位”对调节的不良影响，缩短了过渡过程时间，改善控制系统的静特性，提高了调节质量。所以能在负荷变化较频繁的工况下比较好的完成液位控制任务，在给水压力比较平稳时，用于小型低压锅炉较好。但是也存在着缺点，即调节作用不能及时反映给水侧的扰动。当给水量扰动时，控制系统等于单冲量控制，因此当给水母管压力经常有波动，给水调节阀前后压差不易保持萨常时，不宜采用双冲量控制。
2.3三冲量控制系统原理及分析 l、原理分析
锅炉汽包三冲量液位控制系统是在双冲量液位控制基础上引入了给水流量信号，由水位、蒸汽流量和给水流量组成了三冲量液控制系统，在这个系统中，汽包水位是被控变量是主冲量信号；蒸汽流量、给水流量是两个辅助冲量信号，实质上三冲量控制系统是前馈加反馈控制系统，可分为单级和串级两种控制系统。当蒸汽流量增加时，调节器立即动作，相应地增加给水流量，能有效地减小虚假液位所引起的调节器误动作。因为调节器输出的控制信号与蒸汽流量信号的变化方向相同，所以主蒸汽流量信号为正极性。当给水流量发生自发性扰动时(例如给水压力波动引起给水流量的波动)，调节器也能立即动作，控制给水流量使给水流量迅速恢复到原来的数值，从而使汽包水位基本不变。可见给水流量信号作为反馈信号，其主要作用是快速消除来自给水侧的内部扰动，因此在调节器入口处，给水流量信号为负极性。当汽包水位增加时，为了维持水位，调节器的正确操作应使给水流量减小，反之亦然，即调节器操作给水流量的方向与水位信号的变化方向相反，因此调节器入口处水位信号应定义为负极性。但由于汽包锅炉的水位测量装置一平衡器本身已具有反 号的特性，所以进入调节器的水位变送器信号应为正。 2、单级三冲量给水控制系统的分析和整定
单级三冲量给水控制系统自控原理框图如单级三冲量给水控制系统自控原理框图2-1所示，从方框图的结构中可以看出，这个系统由两个闭合的反馈回路及前馈部分组成：由PI调节器、执行机构(Kz)、调节阀(KU)、给水流量测量装置(?w)和分流器(?w)组成的内回路(或称副回路)：由调节对象[GHW(s)]、水位测量装置(?H)和内回路组成的外回路(或称主回路)；由蒸汽流量信号D及蒸汽流量测量装置(?D)、分流系数?D构成的前馈调节部分。