過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)主汽溫調(diào)節(jié)

1、過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程設(shè)計(jì)報(bào)告名 稱： 過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) 題 目： 主汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系： 控計(jì) 班 級(jí)： 創(chuàng)新自1101 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1 周 日期： 2014 年7月2日過(guò)程控制課程設(shè)計(jì) 任 務(wù) 書(shū)一、 目的與要求“過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)”是“過(guò)程控制”課程的一個(gè)重要組成部分。通過(guò)實(shí)際工業(yè)過(guò)程對(duì)象控制方案的選擇、控制功能的設(shè)置、工程圖紙的繪制等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)說(shuō)明的撰寫(xiě)，培養(yǎng)學(xué)生基本控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新意識(shí)，完成工程師基本技能訓(xùn)練。二、 主要內(nèi)容1根據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；2根據(jù)確定控制設(shè)備和測(cè)量取樣點(diǎn)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖；3根據(jù)

2、確定的自動(dòng)化水平和系統(tǒng)功能，選擇控制儀表，完成控制系統(tǒng)SAMA圖（包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖）；4對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)并進(jìn)行系統(tǒng)整定；5 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。三、設(shè)計(jì)（實(shí)驗(yàn)）成果要求1 繪制所設(shè)計(jì)熱工控制系統(tǒng)的SAMA圖；2 根據(jù)已給對(duì)象，用MATABL進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真整定，并打印整定效果曲線；3 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告四、 考核方式提交設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師： 年 月 日一、課程設(shè)計(jì)目的與要求1 通過(guò)實(shí)際工業(yè)過(guò)程對(duì)象控制方案的選擇、控制功能的設(shè)置、工程圖紙的繪制等基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)說(shuō)明的撰寫(xiě)，培養(yǎng)學(xué)生基本控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)能力、創(chuàng)新意識(shí)，完成工程師基本技能訓(xùn)練。 掌握匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的基本方法和

3、典型接口電路的基本設(shè)計(jì)方法。2 掌握過(guò)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩個(gè)階段：設(shè)計(jì)前期工作及設(shè)計(jì)工作。2.1設(shè)計(jì)前期工作（1）查閱資料。對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，確定控制系統(tǒng)的被調(diào)量和調(diào)節(jié)量；（2）確定自動(dòng)化水平。包括確定自動(dòng)控制范圍、控制質(zhì)量指標(biāo)、報(bào)警設(shè)限及手自動(dòng)切換水平；（3）提出儀表選型原則。包括測(cè)量、變送、調(diào)節(jié)及執(zhí)行儀表的選型。 2.2設(shè)計(jì)工作（1）根據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；（2）根據(jù)確定控制設(shè)備和測(cè)量取樣點(diǎn)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；（3）根據(jù)確定的自動(dòng)化水平和系統(tǒng)功能，選擇控制儀表，完成控制系統(tǒng)SAMA圖（包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖

4、）；（4）對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)并進(jìn)行系統(tǒng)整定；（5）編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。3 培養(yǎng)學(xué)生對(duì)過(guò)程控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)能力。4 提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。二、課程設(shè)計(jì)正文1.前期工作：11影響過(guò)熱蒸汽溫度的因素影響過(guò)熱蒸汽溫度的主要擾動(dòng)有三種： （1）蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)； （2）煙氣熱量擾動(dòng)（燃燒器運(yùn)行方式、燃料量變化、風(fēng)量變化等）； （3）減溫水流量擾動(dòng)。12過(guò)熱汽溫控制對(duì)象的靜態(tài)特性分析根據(jù)傳熱方式分：過(guò)熱器可分為對(duì)流式、輻射式和半輻射式過(guò)熱器三種。 對(duì)于不同的過(guò)熱器，蒸汽流量對(duì)蒸汽溫度的影響如下圖：圖1 蒸汽流量對(duì)過(guò)熱器溫度的影響13過(guò)熱汽溫控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析（1）蒸汽流量（負(fù)荷）

5、擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性汽機(jī)負(fù)荷變化會(huì)引起蒸汽量的變化，蒸汽量的變化將改變蒸汽和煙氣之間的傳熱條件，導(dǎo)致汽溫的變化。如圖，在時(shí)刻產(chǎn)生蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽的響應(yīng)曲線，由分析可得由于管道中沿長(zhǎng)度方向上的點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化，所以溫度響應(yīng)具有自平衡特性，而且慣性和遲延都比較小。圖2 蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線（2）煙氣熱量擾動(dòng)（燃燒器運(yùn)行方式、燃料量變化、風(fēng)量變化等）下的動(dòng)態(tài)特性燃料量增減，燃料種類的變化，送風(fēng)量，吸風(fēng)量，的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在10

6、20s之間，同時(shí)體現(xiàn)出自平衡特性。煙氣側(cè)擾的汽溫響應(yīng)曲線如下圖所示。圖3 煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線 （3）減溫水流量擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用噴水來(lái)控制蒸汽溫度是目前最廣泛采用的一種方式，對(duì)于這種控制方式，噴水量振動(dòng)就是基本振動(dòng)。過(guò)熱器是具有分布參數(shù)的多容對(duì)象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無(wú)窮多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象，當(dāng)噴水量發(fā)生變化后，需要通過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象，最終引起出口蒸汽溫度的變化。因此，會(huì)有很大延遲，減溫器離過(guò)熱器出口越運(yùn)，延遲越大，其響應(yīng)曲線如下圖。噴水量振動(dòng)響應(yīng)曲線具有慣性，有遲延，有自平衡性。其遲延與管道長(zhǎng)度成正比，一般鍋爐延遲在3060s。圖4 減溫水流量擾動(dòng)下的汽溫響應(yīng)曲

7、線2.設(shè)計(jì)工作該控制系統(tǒng)屬于大慣性系統(tǒng)。目前普遍采用的控制方案有：采用導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)、過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)、過(guò)熱汽溫分段控制系統(tǒng)等。本次課程設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制。2.1 串級(jí)控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖串級(jí)控制的結(jié)構(gòu)方框圖如下：圖5 串級(jí)控制結(jié)構(gòu)方框圖2.2 工藝流程圖 以某300MW汽輪發(fā)電機(jī)組的汽包鍋爐為例，其過(guò)熱蒸汽流程圖與原理圖如下圖所示： 流程圖見(jiàn)附錄圖8串級(jí)汽溫系統(tǒng)控制原理圖2.3 控制系統(tǒng)SAMA圖圖9 控制系統(tǒng)SAMA圖3. 仿真實(shí)驗(yàn)與整定3.1被控對(duì)象特性介紹對(duì)象模型如下：3.2系統(tǒng)仿真針對(duì)上述的被控對(duì)象，本文采用的是常規(guī)PID串級(jí)控制，其控制原理圖在圖5中進(jìn)行了分析。在串級(jí)主汽溫控制系

8、統(tǒng)中，副回路應(yīng)盡快地消除擾動(dòng)對(duì)主汽溫的影響，對(duì)主汽溫起粗調(diào)的作用，因此副控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽溫起細(xì)調(diào)作用，因此采用的是PI控制器。（1）仿真圖的建立圖11 仿真結(jié)構(gòu)圖（2）內(nèi)回路參數(shù)整定 斷開(kāi)主環(huán)，按單回路整定方法整定，這里采用的是衰減曲線法進(jìn)行整定。建立如下圖所示的仿真圖。圖12內(nèi)回路衰減曲線法整定仿真圖整定的步驟：(1) 斷開(kāi)主回路，用衰減曲線法，整定內(nèi)回路。副調(diào)節(jié)器，純P作用。(2) 反復(fù)調(diào)整比例帶，做副回路定值階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，直到衰減率0.750.9，記錄曲線。調(diào)整控制參數(shù)：當(dāng)P=10時(shí)得到控制輸出曲線。圖13 內(nèi)回路整定輸出曲線1此時(shí)的衰減率為77.8%左右。

9、（3）外回路參數(shù)整定 把上面整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行整定。建立如下所示的仿真圖：圖14 外回路衰減曲線法整定仿真圖整定的步驟：1）閉合主回路，整定外回路。反復(fù)調(diào)整主調(diào)節(jié)器比例帶和積分時(shí)間I，直到衰減率75.4%記錄曲線。得出P=0.2 I=0.005 75.4%圖16 外回路整定輸出曲線由上圖可以看出，得到的外環(huán)控制輸出曲線超調(diào)量較小，控制曲線光滑，品質(zhì)優(yōu)良。（4）電廠主汽溫控制仿真亞臨界機(jī)組的主汽溫在540左右（上下偏差不超過(guò)5），假定主汽溫已經(jīng)穩(wěn)定在535，現(xiàn)在主汽溫控制由535變化到540時(shí)，仿真中變化值由0變化到5，并由540變化到535，即仿真變化值由5變化到0，分析該

10、控制回路的控制品質(zhì)。1） 搭建如下圖所示的仿真圖： 圖17電廠主汽溫控制仿真圖 2) 主汽溫給定值由（530+0）變化到（530+5）設(shè)定階躍信號(hào)初始值為0,700s后跳躍至5，得到控制輸出曲線：由上圖可知，在700s時(shí)階躍信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行調(diào)節(jié)，超調(diào)量小于30%，同時(shí)內(nèi)回路的控制輸出曲線也比較光滑，超調(diào)量也較小，控制品質(zhì)較好。2） 主汽溫給定值由（535+0）變化到（535-5）時(shí)設(shè)定階躍信號(hào)初始值為5,2000s后跳躍至0，得到控制輸出曲線：由上圖可知，在2000s時(shí)階躍信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制品質(zhì)依舊較好。（5）抗外擾測(cè)試本次的外擾為蒸汽流量干擾，其對(duì)主汽溫動(dòng)態(tài)特性影響的傳遞函數(shù)

11、已經(jīng)給出。1）搭建如下圖所示的仿真圖：2）測(cè)試設(shè)蒸汽流量的變換量為溫度設(shè)定變化值的10%20%，本文取20%，即變化量約為0.2。階躍信號(hào)初始值為0,3000s后跳躍至0.2，得到控制輸出曲線：由上圖可知，在有蒸汽流動(dòng)擾動(dòng)的情況下，串級(jí)控制回路也能夠有效的消除干擾對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。（6）抗內(nèi)擾測(cè)試本次的內(nèi)擾為模擬內(nèi)部干擾，其值約為控制量的10%。1） 搭建如下圖所示的仿真圖：2）測(cè)試設(shè)內(nèi)部干擾0.1，躍信號(hào)初始值為0,3000s后跳躍至0.1，得到控制輸出曲線：（7）抗干擾綜合測(cè)試將內(nèi)擾和外擾綜合進(jìn)行測(cè)試，主汽溫給定值由（535+0）變化到（535+5），設(shè)定階躍信號(hào)初始值為0,然后跳躍至

12、5。在3000s后加入內(nèi)擾0.1，5000s后加入蒸汽流動(dòng)擾動(dòng)信號(hào)變化量為0.1，檢驗(yàn)系統(tǒng)抗干擾能力。1） 建立如下圖所示的仿真圖：由上圖可知，當(dāng)有內(nèi)部干擾變化影響回路時(shí)，串級(jí)控制輸出的波動(dòng)較小，超調(diào)量很小，能夠有效的克服內(nèi)擾對(duì)控制回路的影響。2） 仿真得到控制輸出曲線：由上圖可知，該串級(jí)控制回路能夠有效的克服內(nèi)擾和外擾疊加對(duì)控制系統(tǒng)的影響，使控制品質(zhì)得到保證，該串級(jí)控制設(shè)計(jì)合理。（8）加前饋由前饋補(bǔ)償公式：Gff*18.25/(25s+1)2*1.502/(28.3s+1)7=4.2/(30.1s+1)4經(jīng)過(guò)零極點(diǎn)對(duì)消得Gff=0.15*(25s+1)2*(28.3s+1)3仿真圖如下所示：

13、得到的曲線為：4. 控制方案與仿真結(jié)果分析多干擾、大遲延、變工況為串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)的比較發(fā)現(xiàn)，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)控制系統(tǒng)的控制效果不如串級(jí)控制系統(tǒng)好，尤其當(dāng)控制對(duì)象惰性區(qū)的延遲和慣性比較大時(shí)更為明顯。同時(shí)串級(jí)PID控制是目前火電廠中主汽溫控制中采用最多的控制策略，同時(shí)串級(jí)控制具備對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力、能夠改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性、對(duì)負(fù)載或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力的特點(diǎn)。因?yàn)楦被芈芬蠛?jiǎn)單快速同時(shí)安全地調(diào)節(jié)被控對(duì)象，所以一般而言只需要進(jìn)行比例控制，主回路進(jìn)行比例-積分控制。通過(guò)整定，串級(jí)控制回路的控制輸出曲線的超調(diào)量控制在了40%以內(nèi)，衰減率也能基本控制在75%90%之內(nèi)，其控制輸出曲線光滑。經(jīng)過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，該串級(jí)控制能夠有效的對(duì)其變化值為5的階躍信號(hào)進(jìn)行控制，能夠?qū)o定值進(jìn)行有效的控制，超調(diào)量小于1，控制品質(zhì)優(yōu)良。經(jīng)過(guò)干擾測(cè)試發(fā)現(xiàn)，該控制回路能快速的克服內(nèi)擾對(duì)系統(tǒng)的影響，對(duì)外擾也能夠有一定的消除作用，在外擾信號(hào)和內(nèi)