过程控制课程设计报告—主汽温控制系统.docx

课程设计报告(20132014年度第 二 学期)名 称： 过程控制课程设计 题 目： 主汽温度控制系统设 院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 自动 1103 姓 名： 张 报 学 号： 1111250124 指导老师： 侯 国 莲 设计周数： 1 周 过程控制课程设计任务书一、 目的与要求：“过程控制技术与系统课程设计”是“过程控制技术与系统”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、调节器参数整定、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 二、 主要内容1查阅资料 对被控对象动态特性进行分析 确定控制系统的被调量和调节量2. 确定自动化水平 确定：自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平 3. 提出仪表选型原则 包括测量、变送、调节及执行仪表的选型 三、 设计工作：1. 根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；2. 根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；3. 根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；4. 对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；5.编写设计报告(说明书)。四、进度计划：序号设计(实验)内容完成时间备注1查找资料周一、周二2制定控制方案，绘制控制系统SAMA图周二、周三3仿真试验、撰写设计说明周三、周四4答辩周五五、 考核方式提交设计报告及答辩学生姓名：张 报指导教师：侯国莲 2014 年 07月 04 日一、 课程设计目的与要求1 通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 掌握汇编语言程序设计的基本方法和典型接口电路的基本设计方法。2 掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。2.1设计前期工作（1）查阅资料。对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量；（2）确定自动化水平。包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平；（3）提出仪表选型原则。包括测量、变送、调节及执行仪表的选型。 2.2设计工作（1）根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；（2）根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；（3）根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；（4）对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；（5）编写设计说明书。3 培养学生对过程控制系统的基本设计能力。4 提高学生的实践动手能力和创新能力。二、 设计正文：1 主汽温串级控制系统的基本任务和要求锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。因此，以600MW机组国产直流锅炉为例，其过热蒸汽温度额定值为541（主汽压力为17.3MPa），在负荷为额定值的60%100%范围内变化时，过热蒸汽温度不超过额定值的-10+5,长期偏差不允许超过5。为了防止过快的蒸汽温度变化速率造成某些高温工作不部件产生较大的热应力，还对温度变化速率进行限制，一般限制在3/min内。 本次课程设计以600MW超临界直流锅炉主汽温控制系统为例：惰性区传递函数：Gs=1.202(1+27.1s)7 导前区传递函数：G(s) =-1.657(1+25s)22 被控对象动静态特性分析2.1 影响过热蒸汽温度的因素：影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种（1）蒸汽流量（负荷）扰动；（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）；（3）减温水流量扰动;2.2 过热蒸汽温度控制对象的静态特性分析根据传热方式分：过热器分为对流式、辐射式、和半辐射式过热器三种。对于不同的过热器，蒸汽流量对蒸汽温度的影响如下图：图1 蒸汽流量对过热器温度的影响2.3 过热气温控制对象的动态特性分析（1）蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气的传热条件，导致气温的变化。如图2，在t=0s时刻产生的蒸汽流量扰动在D下的过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应有自平衡特性，而且关心很延迟都比较小。图2 蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）下的动态特性燃料量增减，燃料种类的变化，送风量，引风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变时沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此气温变化的延迟很小，一般在10-20s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰动的气温响应曲线如下图3。图3烟气侧扰动的气温响应曲线（3）减温水流量扰动下的动态特性应用喷水来控制蒸汽温度是目前采用最广泛的一种方式，对于这种方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作成无穷多个单容对象串联组成的多容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终影响出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大的延迟，减温器离过热器出口越远，延迟越大，其响应曲线如下图4。喷水量振动响应曲线具有惯性，有延迟，有自平衡性，其延迟与管道长度成正比，一般锅炉延迟在30-60s。图4 减温水流量扰动下的气温响应曲线3 主汽温控制方案通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。通过对这些控制方案的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比较大时更为明显。因此，本次课程设计采用串级控制。3.1 过热气温串级控制系统3.1.1 串级控制的结构方框图：图5 串级控制结构方框图3.1.2 过热气温串级控制系统的结构和原理针对过热气温调节对象调节通道惯性迟延大、被调量出口气温反馈慢的特点, 从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号( 喷水减温器出口气温) 作为调节器的补充反馈信号, 以改善对象调节通道的动态特性, 提高调节质量。构成的串级过热气温调节的工艺流程见图6。 系统中有主副两个调节器, 主调节器接受被调量出口气温1及其给定值信号, 主调的输出I给与喷水减温器出口气温1 共同作为副调节器输入, 副调节器输出IT 控制执行机构位移, 从而控制减温水调节阀门的开度。假如有喷水量WB 的自发性上升造成内扰, 如果不及时加以调节,出口气温将会下降。但因为喷水内扰引起的1下降快于的下降, 温度测量变送器输出1降低, 副调节器输出IT 降低, 通过执行器使喷水阀开度下降, 则WB 降低, 使扰动引起的1波动很快消除, 从而使主气温基本不受影响。另外副调还受到主调输出的影响, 假如负荷或烟气扰动引起主气温提高, 测量变送器输出I增加, I对主调是反作用, 主调输出I 给降低, I给对副调也是反作用, 使副调输出IT 增加, 通过执行器使喷水阀开度提高, 则WB 提高, 从而稳定主气温。图6 串级过热汽温调节系统工艺流程图从图6 中可看到, 串级系统和单级系统有一个显著的区别, 即在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面, 被称为内回路或副回路, 包括副对象( 其输入为调节量WB, 输出为1) 、副参数1测量变送器、副调节器、执行器、喷水阀。内回路任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动( 喷水减温器入口蒸汽温度、流量变化) , 在调节过程中起着粗调的作用; 副调一般采用P 或PD 调节器。一个闭环在外面, 被称为外回路或主回路, 包括主对象( 即过热器, 其输入为1, 输出为) 、主参数测量变送器、主调节器、副回路, 外回路的任务是保持过热器出口气温等于给定值, 起细调作用, 主调一般采用PI 或PID 调节器。3.2 工艺流程图 以某600MW汽轮发电机组的直流锅炉锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示： 图7 600MW机组过热蒸汽生产流程简图图8 600MW机组过热蒸汽流程图3.3 控制系统SAMA 图图9 控制系统的SAMA图4 仿真实验与整定4.1 被控对象本次课程设计被控对象是以600MW直流锅炉机组的主汽温为被控对象，其对象的模型如下：惰性区导前区图10 被控对象特性图中：W 喷水流量； 1、2惰性区温度、导前区温度D 主蒸汽流量4.2 系统仿真针对上述的被控对象，本文采用 的是常规PID串级控制，其控制原理图在图5中进行了分析。在串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调的作用，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温起细调作用，因此采用的是PI控制器（1） 仿真图的建立图13 仿真结构图（2） 内回路参数整定 断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。建立如下图所示的仿真图。图14 内回路的整定仿真图整定步骤：a断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯P作用。b反复调整比例带，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率0.750.9，记录曲线。调整控制参数：当P=-4.05时得到控制输出曲线。图15内回路整定输出曲线由图可见：第一个峰值：x1=32.5，y1=0.9877 第二个峰值：x2=93，y2=0.8817 稳态值：y=0.8703那么可得=y1-y2y1-y100%=0.9；此处副回路选择P控制，则=s=0.247。（3） 外回路参数整定：把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。建立如下所示的仿真图：图16 外回路衰减曲线法整定仿真图整定步骤：闭合主回路，整定外回路。反复调整主调节器比例带和积分时间I，直到衰减率0.76记录曲线。得出P=0.78 I=0.005 =14.66% 75.99%图17 外回路整定输出曲线由上图可以看出，外环的控制输出曲线在没有外绕和内扰的情况下，输出曲线超调量较小，调节时间小，曲线光滑，控制效果良好。（4） 本次课设以超临界机组的主汽温540附近为仿真参考，假定主汽温已经稳定在535，现在主汽温控制由535变化到540时，仿真中变化值由0变化到5，并由540变化到535，即仿真变化值由5变化到0，分析该控制回路的控制品质。a 搭建如下图所示的仿真图：图18 电厂主汽温控制仿真图b 主汽温给定值由（530+0）变化到（530+5）图18电厂主汽温控制输出曲线1图19 电厂主汽温控制系统输出曲线1由上图可知，在1000s时阶跃信号产生时，开始进行调节，超调量小于20%，同时内回路的控制输出曲线也比较光滑，超调量也较小，控制品质较好。c 主汽温给定值由（535+0）变化到（535-5）时设定在1000s时阶跃信号初始值为5, 4000s后跳跃至0，得到控制输出曲线：图20电厂主汽温控制输出曲线2由上图可知，在5000s时阶跃信号产生时，开始进行调节，控制品质依旧较好。（5） 抗外扰测试本次的外扰为蒸汽流量干扰，其对主汽温动态特性影响的传递函数已经给出。a 搭建如下图所示的仿真图：图21 电厂主汽温控制抗外扰测试仿真图b 测试设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的10%20%，本文取20%，即变化量约为0.2。阶跃信号初始值为0。4000s后跳跃至0.2，得到控制输出曲线：图22电厂主汽温在外扰存在时控制输出曲线由图可见，该控制系统的抗外扰能力并不强，扰动发生时，超调量过大，这是在实际运行中不允许发生的。（6） 抗内扰测试本次的内扰为模拟内部干扰，其值约为控制量的10%。a 搭建如下图所示的仿真图：图23电厂主汽温控制抗内扰测试仿真图b 测试设内部干扰0.1，跃信号初始值为0,4000s后跳跃至0.1，得到控制输出曲线：图24 电厂主汽温控制抗内扰测试输出曲线由上图可知，当有内部干扰变化影响回路时，串级控制输出的波动较小，超调量很小，能够有效的克服内扰对控制回路的影响。（7）改进方案：由前面的抗扰动测试中可以看出，控制系统抗内扰能力很强，无需改进，但是抗外扰能力较弱，是的响应曲线的超调量过大，针对这一问题，可以引入前馈控制，a 前馈控制原理：前馈控制是基于不变性原理的控制，是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响系统的稳定性。其原理图如下：图25 前馈控制的基本原理图b 要使扰动D对y的影响为0，则根据梅森公式可得：YsDs=GffsKzs-Gd(s)Gps=0 可得到完全补偿条件为Gffs= Gd(s)Kz(s) 由于补偿器不能是超前环节，所以针对本系统设计的补偿器表达式为： Gffs=4.2(27.1s+1)4(30.1s+1)4c 前馈控制仿真图如下图26 控制系统前馈控制的仿真图d 加入前馈时系统的抗外扰测试条件不变，由于反馈作用是不影响的前馈控制的补偿条件的，所以按照前面的抗外扰测试步骤可得到系统的抗外扰输出曲线：图27 引入前馈时控制系统抗内扰测试输出曲线由图可以看出，在20%的外扰情况下，系统的抗干扰能力明显增强，超调量大大减小，控制品质较高，符合了实际电厂主汽温控制的要求。（8）抗干扰综合测试将内扰和外扰综合进行测试，同样是在加入前馈控制的条件下，主汽温给定值由（535+0）变化到（535+5），设定阶跃信号初始值为0,1000s后跳跃至5。在4000s后加入内扰0.5，6000s后加入蒸汽流动扰动信号变化量为1，检验系统抗干扰能力。a 建立如下图所示的仿真图：图23 电厂主汽温控制抗干扰综合测试仿真图b 仿真得到控制输出曲线：图24 电厂主汽温控制抗干扰综合测试输出曲线由上图可知，该串级控制回路在引入了前馈时能够有效的克服内扰和外扰叠加对控制系统的影响，使控制品质得到保证，该串级控制设计合理。5 控制方案与仿真结果分析本文主要针对600MW机组主汽温的对象进行控制系统的设计，通过对该被控对象和影响其动态特性的因素进行了分析。分析发现该对象惯性比较大。对于电厂主汽温的控制目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。但通过相关文献的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的延迟和惯性比较大时更为明显。同时串级PID控制是目前火电厂中主汽温控制中采用最多的控制策略，同时串级控制具备如下特点：（1） 对二次干扰有很强的克服能力；（2） 能够改善被控对象的动态特性，提高系统的工作频率；（3） 对负载或操作条件的变化有一定的自适应能力。因此，本文对文献3中的被控对象采用了PIDPID串级控制，其中副回路用P调节，主回路用PI调节在仿真实验和整定过程中，通过整定，串级控制回路的控制输出曲线的超调量控制在了20%以内，衰减率也控制在了合理的范围之内，其控制输出曲线光滑。通过对亚临界机组的温度控制的仿真，该串级控制能够有效的对其变化值为5的阶跃信号进行控制，经过仿真输出曲线可以发现，其能够对给定值进行有效的控制，超调量小于1，控制品质优良。此外，在仿真中还对该串级控制进行了抗干扰测试，分别对内扰信号的抗干扰能力和外扰信号的抗干扰能力进行了测试。经过测试发现，该控制回路能够有效的克服内扰对系统的影响，对外扰也能够有一定的消除作用，在外扰信号和内扰信号叠加的同时也能够有效的消除干扰。因此，通过仿真实现可以得出结论：设计的串级控制回路能够对电厂主汽温给定温度值变化进行控制，能够很好的消除内部扰动对系统的影响，对外扰具备一定的消除作用，总体设计合理有效。当然，在仿真过程中也还存在一些不