电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计论文

1 本科毕业设计论文 题 目 电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计 专业名称 学生姓名 指导教师 毕业时间 2014.6 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 毕业设计任务书 一、题目 电厂锅炉 蒸汽 温度串级控制系统 设计 二、指导思想和目的要求 通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展 设计 工作的能力。 要求在毕业设计中： 1. 分析 研究 火力发电厂 锅炉蒸汽温度控制 要求，特点及控制系统设计方法，设计电厂锅炉 蒸汽温度串级控制系统，达到要求的 主要技术指标 ； 2. 开展 控制系统方案论证， 建立系统数学模型，进行温度控制系统分析 ； 3. 设计串级控制系统控制规律，进行参数整定； 4. 进行数学 仿真，验证 设计 ； 5. 撰写毕业设计论文。 三、主要技术指标 1 350MW 机组锅炉过热蒸汽温度 保持在 00550 5C ； 在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数 9.075.0 ； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 2 过程动态性能指标为： 1) 温度波动最大偏差不超过 04C ； 2) 过渡过程时间不大于 min2 ； 3. 锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的 02C 范围内 四、进度和要求 1. 1-3 周：收集查阅资料； 2. 4-6 周：完成总体 方案设计和 建模； 3. 7-8 周：完成系统分析和控制规律设计 ； 4. 9-11周：完成仿真验证及修改； 5. 12-13周：完成毕业设计论文 . 五、主要参考书及参考资料 金以慧等，过程控制，清华大学出版社， 2000 年； 张栾英，孙万云，火电厂过程控制，中国电力出版社， 2004年； 于希宁，刘红军，火电场自动控制理论，中国电力出版社，2004年 . 学生 郭荣玲 指导教师 金 文 凯 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 电厂锅炉温度串级控制系统设计 摘 要 本文是针 对锅炉蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本系统采用串级控制系统，这样可以极大的消除控制系统工作中的各种干扰因素，是系统能在一个较为良好的状态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。 蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的重要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格，过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低影响经济运行。 本次设计主要考虑的部分 是锅炉温度蒸汽控制系统设计，蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器，锅炉气温控制系统主要包括过热器和再热蒸汽温度的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非常重要的。 本设计针对锅炉温度控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度串级控制系统。首先，通过实验法建立锅炉的数学模型，得到锅炉温度的传递函数，通过对理论设计的控制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪 表过程控制系统，通过参数整定，得到较好现场控制效果。再次，实现积分分离的 PID控制算法。 关键词：蒸汽温度；串级控制系统； PID 控制 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 Abstract This article is the analysis and design for boiler steam temperature control system , and a good control of the steam boiler system is to ensure the stability of the output steam temperature , so the system uses the cascade control system , which can greatly eliminate the control system work various confounding factors , the system can work in a relatively good condition , while the boiler superheater outlet steam temperature within the allowable range , and to protect the superheater tube wall temperature does not exceed the allowable operating temperature. Steam boiler temperature is safe, efficient and economic operation of important parameters , and therefore require strict temperature control of steam , high temperature steam can cause overheating , steam pipes and steam turbine thermal stress due to excessive deformation and destruction ； steam temperature is too low , would reduce the impact caused by the thermal efficiency of the economy . The main part of this design consideration is the temperature of the steam boiler control system design , steam superheater system includes primary superheater desuperheater secondary superheater , boiler temperature control system includes superheater and reheat steam temperature regulation . The main steam temperature and reheat steam temperature stability for safe and economic operation of the unit is very important. The design for the boiler temperature control problem , a comprehensive application process control theory and the recent rise of simulation technology, computer remote control, configuration software, designed the boiler temperature cascade control system . First, create 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 a mathematical model through experimentation boilers , boiler temperature to obtain the transfer function of the control scheme of the theoretical design through simulation, get a better response curve, providing prerequisite for the realization of the actual control system. Secondly , the use of smart meters as a controller, field instrumentation process control system established by parameter tuning, get a better scene control. Again, the integral PID control algorithm to achieve separation . KEY WORDS: Steam temperature； Cascade Control System； PID control 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 目 录 摘 要 . 3 Abstract . 4 第一章 绪论 . 8 1.1 毕业设计的选题意义 . 9 1.2 毕业设计的任务和要求 . 10 1.3主要技术指标 . 10 第二章 生产工艺概述 . 11 2.1 锅炉生产工艺简介 . 11 2.2 过热器的介绍 . 12 2.3过热蒸汽温度控制对象的动态特性 . 13 2.3.1 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性 . 13 2.3.2 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性 . 14 第三章 过热蒸汽温度控制原理及方案设计 . 18 3.1简单蒸汽温度控制系统 . 18 3.1.1简单回路控制蒸汽温度系统主要由调节器和控制对象组成 . 18 3.1.2 过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 . 19 3.2复杂蒸汽温度控制系统 . 20 3.3串级控制系统的特点 . 20 3.4采用串级调节系统的条件 . 21 3.4.1串级调节系统需满足如下两个条件： . 21 3.4.2串级调节系统的分析 . 21 3.4.3过热蒸汽控制系统的控制策略的设计 . 22 3.5 串级控制系统主副回路确定 . 23 3.6 导前微分控制系统 . 24 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 3.6.1 导前微分控制系统的组成及原理 . 24 3.6.2 导前微分控制系统的分析 . 25 3.6.3 导前微分控制系统的整定 . 27 3.7 两种汽温自动控制系统的比较 . 30 第四章 过热蒸汽温度控制系统的设计 . 32 4.1系统控制参数的确定 . 32 4.1.1主变量的选择 . 32 4.1.2副变量的选择 . 32 4.1.3操纵变量的选择 . 32 4.2执行器的选择 . 33 4.3控制仪表的选择 . 33 4.4串级控制系统主副回路和主副调节器选择 . 34 4.5控制器选择 . 36 第五章 基于 MATLAB 的系统仿真 . 37 5.1电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的 建模 . 37 5.1.1机理法 . 37 5.1.2测试法 . 37 5.1.3阶跃响应法 . 38 5.2 PID控制器原理 . 38 5.2.1 PID控制器简介 . 38 5.2.2 PID控制系统 . 40 5.3 PID控制参数的整定及方法 . 40 5.3.1 PID控制参数的整定简介 . 40 5.3.2 PID控制参数整定方法 . 41 5.4电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的 MATLAB 仿真 . 44 5.4.1 被控对象的仿真模型 . 44 5.4.2 串级控制系统的仿真 . 45 致 谢 . 49 参考文献 . 51 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 毕业小结 . 48 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 绪论 1.1 毕业设计的 选题意义 蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要求严格。过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较复杂，效率比较低，而且可靠性也不高。 本次课设设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热汽和再热蒸汽温度的的调节。主要蒸汽温度与再热 蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行时非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超允许的工作温度。 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度的最高点，过热蒸汽温度过高或是过低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值的暂时偏差不超过 +-10摄氏度，长期偏差不超过 +-5摄氏度。 如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起 叶片磨损。据估计，温度每降低 5 摄氏度，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。一般规定过热气温下限不低于其额定值 10 摄氏度。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在 540摄氏度的范围内。 由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下两个方面： 1 由于过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 求存在很多矛盾，所以影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽量、减温水给水量、烟气侧的过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。 2 随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。 1.2 毕业设计的任务和要求 通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展 设计 工作的能力。 要求在毕业设计中： 1.分析 研究 火力发电厂 锅炉蒸汽温度控制 要求，特点及控制系统设计方法，充分理解课题意义，设计电厂锅炉 蒸汽温度串级控制系统，达到要求的 主要技术指标 ； 2.开展 控制系统方案论证，并 建立系统数学模型，进行温度 控制系统 分析 ； 3.查找相关资料，设计串级控制系统控制规律，并进行参数整定； 4.在完成基本设计的基础上，进行数学 仿真，并验证 设计 ； 5.撰写毕业设计论文。 1.3 主要技术指标 1.350MW机组锅炉过热蒸汽温度保持在 00550 5C ； 在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数9.075.0 ； 2.过程动态性能指标为： 1）温度波动最大偏差不超过 04C ； 2）过渡过程时间不大于 min2 ； 3. 锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的 02C 范围内； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 第二章 生产工艺概述 2.1 锅炉生产工艺简介 锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可提供生产过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用的燃料的种类、燃烧设备、锅体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图 2-1所示： 图 2-1锅炉设备的主要工艺流程 蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，生产饱和蒸汽 Ds，然后经过过热器成一定气温的过热蒸汽 D，汇集至蒸汽母管。压力为 Pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程中产生烟气，将饱和的蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。 锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经 济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统： a) 锅炉气包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内； b)锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要求满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃烧与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围； c)过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度在保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围； d) 锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的 水性能指标达到工艺要求。 2.2 过热器的介绍 过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件。过热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力，蒸发量、刚才的耐高温性能及燃料与刚才的比价等因素，对电站锅炉来说，低压锅炉的温度一般为 350375摄氏度，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在 700 摄氏度上下，中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热汽温为 450摄氏度，这时的炉膛辐射传热的烟温可达 1000 摄氏度左右。高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸发 热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。 为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 响汽轮机的安全。但蒸汽温度的增高需受到过热器刚才高湿强度性能的限制，因而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许的范围内 。超高压机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高 68%，在实际设备中，由于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。 由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。 2.3过热蒸汽温度控制对象的动态特性 过热蒸汽温度调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之间的动态关系。引起过热 蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素还可能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化 (负荷变化 )，加热烟气的热量变化和减温水流量变化 (过热器入口汽温变化 )。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对象动态特性。 2.3.1 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性 蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性引起蒸汽流 量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 式中， K：棚炉负荷扰动时被控对象的放大系数； ：一负荷扰动后对象的滞后时间； TD_：对象的时间常数； 从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数 TD 和滞后时间 都比较小，且 几较小。动态特性曲线如图 2-2: 图 2-2锅炉负荷扰动下过热器出口汽温的阶跃响应曲线 2.3.2 烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性 烟气 传热量扰动引起的原因很多，如给粉机给粉不均匀、煤中水分改变、蒸发受热面结渣、过剩空气系数改变、汽包给水温度变化、燃烧火炽中心位置改变等。当烟气热量扰动 (烟气温度和流速产生变化 )时，由于烟气流速和温度的变化也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即： 式中 ： T为烟气温度 但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线如图 2-3所示： 图 2-3烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线 2.3.3 减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性 常见的减温方式有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段；另一方面又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，延迟时间能减小 1 4。其动态特性曲线如下图所示。从图中可以看出，其特点也是有迟延、有惯性、有自 平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管路很长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。 对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间 r=30-60s，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 时间常数 T0 l00s，而当烟气侧扰动时 f 10 20s， Z10时，表示 T2很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。当21TT 3时，表明过大，副回路包括的干扰多，控制作用不及时，当21TT 约等于 1时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在干扰作用下，主副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是“共振效应”，应力求避免。 4.4.2 主、副回路调节器调节规律的选择原则 （ 1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用的串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。 （ 2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差 ），此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 36 （ 3）主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调节器均可采用比例积分控制。 4.5 控制器选择 对于一个完整的串级控制系统，主、副控制器的正。反作用的判断应该是先副后主。 副回路的正、反作用的选择：副回路的具体情况决定论副控制器的正、反作用，而与主回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统，所以副回路的开环放大系数符号必须是“正“。即副回路中所有环节的放大倍系数符号的乘积为”正“在本串级控制系统中随着调节阀开度的增加，减温水的流量会随之 增加，副对象即减温器后端蒸汽会有一定幅度的降低，所以调节阀对副对象的作用为负；而调节阀是气关阀，其控制作用为负；变送器的控制作用均为正，为了保证开环放大系数乘积的符号位“负 ” ，所以副控制器的控制作用符号需为“正”，所以主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控制作用为反作用。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 37 第五章 基于 MATLAB 的系统仿真 5.1 电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的建模 从控制的角度来看，过程的静态数学模型是系统方案和控制算法设计的重要基础之一，然而，在不少情况下必须同时掌握过程的动态 特性，需要把静态模型和动态模型结合起来。模型的建立方法可分为机理建模方法和测试建模方法，下面分别进行阐述。 5.1.1 机理法 用机理法建模就是根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程，例如物 质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，反映流体流动、传热、传质、化学 反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得所需的数学模型。 机理法建模也称为过程动态学方法，它的特点是把研究的过程视为一个透明的匣子，因此建立的模型也称为 “ 白箱模型 ” 。 机理法建模的主要步骤如下： (1)根据过程的内在 机理，写出各种有关的平衡方程； (2)消去中间变量，建立状态变量、控制变量和输出变量之间的关系； (3)在工作点附近对方程进行增量化，建立增量化方程； 机理建模法的首要条件是需要过程的先验知识，并且可以比较确切地对过程 加以数学描述。用机理法建模时，有时也会出现模型中有些参数难以确定的情况， 这时可用实验数据或实测工业数据来确定这些参数。 5.1.2 测试法 测试法建模通常只用于建立输入输出模型。它根据过程的输入和输出的实测数进行某种数学运算后得到模型，主要特点是把被研究的过程视为一个黑匣子，完全从外特性上 描述它的动态性质，也称为 “ 黑箱模型 ” 。复杂过程一般都 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 38 采用测试法建模。 测试法建模又可分为经典辨识法和系统辨识法两大类； 经典辨识法 不考虑测试数据中偶然性误差的影响，只需对少量的测试数据进行比较简单 的数学处理，计算工作量一般较小。经典辨识法包括时域法、频域法和相关分析法。 采用经典辨识法，直接获得的是非参数模型，一般是时间或频率为自变量的 试验曲线或数据集。用阶跃函数、脉冲函数、正弦波函数或随机函数作用于过程， 直接得到的是阶跃响应、脉冲响应、频率响应、相关函数或谱密度，他们都是图 形或数据集。对本类方 法的对象，只需做出线性假定，并不需要事先确定模型的 具体结构，因而本类方法使用范围广，工程上获得了广泛应用。 对非线性模型，可以直接作为辨识结果，即直接用阶跃响应或脉冲响应作为 对象模型；有时还需要将图形或数据集转化为传递函数或其他形式的参数模型。 系统辨识法 其特点是可以清除测试数据中的偶然性误差即噪声的影响，为此就需要处理 大量的测试数据，计算机是不可缺少的工具。它所涉及的内容很丰富，已形成一个专门的学科分支。系统辨识方法不需要过程的先验知识。 5.1.3 阶跃响应法 阶跃响应法建模是实际中常用的方法，其 方法是获取系统的阶跃响应。基本步骤是：首先通过手动操作使过程共作所需测试的稳态条件下，稳定运行一段时间后，快速改变过程的输入量，并用纪录仪或数据采集系统同时记录过程输入和 输出的变化曲线，经过一段时间后，过程进入新的稳态，试验结束得到的记录曲 线就是过程的阶跃响应。 5.2 PID 控制器原理 5.2.1 PID 控制器简介 PID控制器可以方便地实施多种控制算法，多年以来，在过程控制中，按偏差的比例（ P）、积分（ I）和微分（ D）进行控制的 PID控制器（亦称 PID 调节器） ，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 39 是应用最为广泛的一种自动控制器。它具 有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点 ； 选择系统调节规律的目的，是使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统能满足工艺上所提出的动、静态性能指标的要求。 1、比例（ P）调节 纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。这种调节器的主要缺点是使系统存在静态误差。 2、积分（ I）调节 积分调节器的突出特点是，只要被调量存在偏差，其输出的调节作用便随时间不断加强，直到偏差为零。在被调量的偏差消除 以后，由于积分规律的特点，输出将停留在新的位置而不回复原位，因而能保持静差为零。 但是，单纯的积分调节动作过于缓慢，因而在改善静态准确度的同时，往往使调节的动态品质变坏，过渡过程时间内延长，甚至造成系统不稳定。因此在实际生产中，总是把比例作用的及时性和积分作用消除静差的优点结合起来，组成比例积分调节器（简称 PI调节器），其传递函数为： Gc(S)=Kp(1+1/T1S) 3、微分（ D）调节 微分调节器能在偏差信号出现或变化的瞬间，立即根据变化的趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽可能地消除在萌芽状态之 中。但是单纯的微分调节对静态偏差毫无抑制作用，因此不能单独使用，总要和比例或比例积分调节规律结合起来，称为 PD调节器和 PID调节器。 PD调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增加能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。PD调节器的传递函数为： Gc(S)=Kp(1+TDS) PID是常规调节器中性能最好的一处调节器。它将比例、积分、微分三种调节规律结合在一起，既可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。它的传递 函数为： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 40 Gc(S)=Kp(1+1/T1S+ TDS) 5.2.2 PID 控制系统 图 5-1 PID控制系统结构图 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差 e(t)，即： e(t)=r(t)-c(t) 将偏差的比例 (P)、积分 (I)、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为 PID控制器。控制规律为 : )()(1)()(0 dttdeTdtteTteKtutdiP 或以传递函数形式表示： )11()( )()( T d sT iskpsE sUsG 其中 Kp 比例系数 ,Ti 积分时间常数 Td 微分时间常数 5.3 PID 控制参数的整定及方法 5.3.1 PID 控制参数的整定简介 过程控制器采用的控制器通常都有一个或多个需要调整的参数和调整这些参数的相应机构（如旋钮、开关）或相应设备。通过调整这些参数使控制器特性c(t) + + r(t) r (t) 比例 P 积分 I 微分 D 被控对象 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 41 与被控过程特性配合好，获得满意的系统静态与动态特性称为控制器参数整定。由于人们在参 数调整中，总是力图达到最佳的控制效果，所以常称“最佳整定”，相应的控制器参数称为“最佳参数整定”。 衡量控制器参数是否最佳，需要规定一个明确的反应控制系统质量的性能指标，一般分为稳态指标和动态指标。需要指出的是，不同生产过程对于控制过程的品质要求不完全一样，因而对系统整定性能指标的选择有较大的灵活性。作为系统整定的性能指标，它应能综合反映系统控制质量，同时又便于分析与计算。 5.3.2 PID 控制参数整定方法 控制器参数的整定方法很多，归纳起来可分为两大类，理论计算整定法与工程整定法。顾名思义，理论计算整定 法是在已知过程的数学模型基础上，依据控制理论，通过理论计算来求取“最佳整定参数 ” ；而工程整定法是根据工程经验，直接在过程控制系统中进行的控制器参数整定方法。由于无论是用解析法或实验法求取的过程数学模型都只能近似反映过程的动态特性，因而理论计算所得到的整定参数值可靠性不够高，在现场使用中还需进行反复调整。相反工程整定法虽未必得到“最佳整定参数 ” ，但由于其不需知道过程的完整数学模型，使用者不需要具备理论计算所必须的控制理论知识，因而简便、实用，易于被工程技术人员所接受并优先使用。 下面将介绍本次设计中在现场调试 调节器参数时所采用的一种整定方法，现场经验整定法。这种方法是人们在长期的工程实践中，从各种控制规律对系统控制质量的影响的定性分析中总结出来的一种行之有效，并且得到广泛运用的工程整定方法。 （ 1）经验法 若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。表 2.1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。若需加微分作用，微分时间常数按 TD=（ 1/3 1/4） TD计算。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 42 表 5-1经验法整 定参数 系统 参 数 （ %） T1(min) TD(min) 温度 20 60 3 10 0.5 3 流量 40 100 0.1 1 压力 30 70 0.4 3 液位 20 80 （ 2）临界比例度法 这种整定方法是在闭环情况下进行的。设 T1=， TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图2.2所示。根据临界比例度 s和振荡周期 Ts，按表二所列的经验版式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到 4： 1衰减为目标。 图 5-2具有周期 Ts的等幅振荡图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 43 （ 3） 阻尼振荡法（衰减曲线法） 表 5-2临界比例度法整定调节器参数 闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶路扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图 5-3所示的 4： 1 衰减过程为止。这时的比例度称为 4： 1衰减比例度，用 s表示之。相邻两波峰间 的距离称4： 1衰减周期 Ts。和 s，运用表三所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。 图 5-3 4:1衰减曲线法图 调节器参数 调节器名称 （ %）s T1（ S） TD（ S） P 2 s PI 2.26 s Ts/1.2 PID 1.6s 0.5Ts 0.125Ts 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 44 表 5-3阻尼振荡法计算公 5.4 电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的 MATLAB 仿真 5.4.1 被控对象的仿真模型 单回路控制系统结构简单、投资少、即使成熟、操作维护也比较方便，在生产过程控制 中得到广泛应用。 为了设计好一个单回路控制系统，并使控制系统的动态和静态性能指标均达到要求值，就必须很好地了解具体的生产工艺；合理的选择被控参量和操纵变量；正确的选择控制阀的形式及其流量特性；正确的选择控制器的类型和控制器的参数等。 串级控制系统必须合理地进行设计，才能使串级控制系统的优越性得到充分 的发挥。串级控制系统的设计包括主、副回路选择，主、副控制器控制规律设计和主、副控制器的正、反作用方式的确定等。 串级控制系统对进入副回路的二次干扰具有很强的克服能力。为此，再设计系统时应把变化剧烈、幅值大的干扰 包括在副回路中，并且把副回路放大系数整定的应大些，会使干扰在影响到主变量之前经副回路的超前、快速、有力地抑制 将干扰对系统的影响降到最低 。 调节器参数 调节器名称 （） I(min) TD(min) P S PI 1.2 s 0.5TS PID 0.8 s 0.3TS 0.1TS 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 45 5.4.2 串级控制系统的仿真 1、 主控对象数学模型为 244 )125/(25.1)( sesG s，副控制对象的数学模型为 )112/()( 4 sesG s ，控制器采用 PI控制规律对系统进行仿真研究。 副控制器选择 P作用，主控制器选择 PID 作用，整定串级控制器的参数为最佳值，同样 是 40%的设定值扰动。 0 0 0 0 5.0,45.0 ip KK (a)