过程控制课设.doc

过程控制课程设计 任 务 书一、 目的与要求“过程控制课程设计”是“过程控制”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、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。三、 进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1下达任务，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答辩周五四、 设计（实验）成果要求1 绘制所设计热工控制系统的的SAMA图；2 根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线；3 撰写设计报告五、 考核方式提交设计报告及答辩学生姓名：陈恺、吴平、高健、周梦海指导教师：马平2012年 1月 5日引 言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，并且可靠性也不高。本次课程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蒸汽和再热蒸汽温度的调节。主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。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，过热蒸汽温度过高或过低，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，长期偏差不超过5。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，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。一般规定过热汽温下限不低于其额定值10。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在540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。 所以本设计采用串级控制系统，这样可以极大地消除控制系统工作过程中的各种干扰因素，使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。在本设计用到的串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度。通过控制减温水的流量来实现控制过热蒸汽温度的目的。一 基本任务与要求1.1 过热蒸汽温度控制原理简介过热汽温的稳定是机组经济安全运行的保障。主汽温度自动调节的任务是维持过热蒸汽出口汽温在允许的范围内，使管壁温度不超过允许的工作温度，以确保机组运行的安全性和经济性。过热汽温过高或过低都会对机组运行造成不利的影响。过热汽温过高。会使锅炉受热面及蒸汽管道金属材料的蠕变速度加快，降低使用寿命；若长期超温，则会导致过热器爆管；在汽机侧，还会导致汽轮机的汽缸、汽阀、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的寿命缩短，甚至损坏。过热汽温过低，会降低机组的循环热效率，一般汽温每降低510，效率约降低1，同时会使通过汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损。汽温变化过大，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组的安全。过热汽温的上限一般不应超过额定值5 。下限一般不低于额定值10 。过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源为自制冷凝水。目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两种：单回路控制系统和串级汽温控制系统。1.2 串级控制系统由图1.2可以看出，锅炉蒸汽温度串级控制系统采用两级调节器串在一起的；两级调节器各有其特殊的任务，调节器1直接控制调节阀的动作，同时调节器2控制着调节器1的设定值，从而形成了特殊的双闭环系统，其中副环由调节器1和减温水出口温度组成，调节器2和出口蒸汽温度形成的闭环为主环。主环和副环一起构成了一个完整的串级控制系统。其中调节器1为副调节器，主调节器是调节器2。图1.2 过热蒸汽温度串级控制系统原理图串级控制系统的原理方框图如图1.3所示，具有内外两个回路。内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。由图可知，主调节器的输出即副调节器的给定，而副调节器的输出直接送往调节阀。其中主调节器的的给定值使是一个定值，所以主回路是一个定值控制系统。而副回路的给定值是由主调节器的输出给定的，所以它随主调节器输出的变化而变化，为一个随动控制系统。系统中以减温器的喷水作为控制手段，通过减温水的控制达到控制蒸汽温度的效果。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多采用PID控制规律，副调节器采用PI或P控制规律。在主、副调节器均具有PI控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零。从而提高了整个系统的准确度和实用性。图1.3串级控制系统方框图再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节器为主导，保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，互相配合，若干扰来自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再进一步进行细调。相对于过于简单的单回路控制系统，串级控制系统的控制质量明显优越。具体体现在：由于副回路的存在，减少了控制对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加明显；在一定程度上提高了系统的工作频率，使震荡周期明显缩短，调节时间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了；整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服能力，这是单回路控制系统所不能实现的；对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。综上所述，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。1.3 系统控制参数的确定1.3.1 主变量的选择根据串级控制系统选择主变量的原则：在条件允许的情况下，首先应尽量选择能直接反映控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有某些单值对应关系的间接单数作为主变量：最后，所选的主变量必须要足够的变化灵敏度。所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。该参数可以直接反映本系统的控制目的。1.3.2 副变量的选择副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。同时要求主、副对象的时间常数应适当匹配。并且应保证副变量的选择能实现生产工艺上的合理性、可能性和经济性。综上所述，应选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。1.3.3 操纵变量的选择控制变量和扰动变量是工业过程的两大输入变量。其中，干扰时刻存在的，它是影响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服干扰的影响，是系统能重新稳定运行的因素。选择操纵变量的基本原则为：选择对所选定的被控变量影响较大的输入量作为操纵变量；在的前提下，选择变化范围较大的输入量作为控制变量，以便于控制；在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量。二 动态特性2.1 主要扰动对气温的影响利用simulink进行仿真，分别加D（蒸汽流量）、W（喷水流量）的单位阶跃，观察输出（过热器出口温度）的飞升曲线，从而观察系统的动态特性W对过热器的出口温度的影响D对过热器的出口温度的影响2.2 动态特性分析被控对象均为自衡的对象,均可用的形式来表达D扰动：较小，15，T70s，所以该通道是快变的，自衡的W扰动：较大，55，T160s，所以该通道是慢变的，自衡的注：在实际中还有烟气流量Q对系统的扰动，由于烟气流量不可测，所以本系统设计不考虑烟气扰动问题，将其视为一次扰动即可，系统的控制策略对其也有比较好的抑制能力三系统的控制结构以及控制原理图3.1 由动态特性合理选择系统的控制结构由于D-1通道为快变的，自衡的，因此，可以把它看成一次扰动，利用前馈结构进行补偿由于W-通道为慢变的，自衡的，且可分成特性相差较大的导前区和惰性区因此采用串级负反馈控制。3.2 控制系统原理图其中PID1为主回路控制器，PID2为副回路控制器，Gff为前馈控制器（注：后因仿真系统结果得到本系统前馈控制不适用又将其去除，详见六。32，相当于Gff=0）考虑到系统具有较大延迟，系统内引入smith补偿系统，控制系统原理图如下四控制系统的工艺流程图其中r1为二级过热器出口温度变送器，r2为喷水减温器出口温度变送器五控制系统的SAMA图请见附图1六系统仿真实验仿真实验总共分三步进行1串级系统参数整定，包括内回路与外回路的调节器参数2前馈控制器的设计，本次采用静态前馈3Smith预估器的仿真实验附：利用simulink模块中的clock模块与to workspace模块，可将simulink中的波形输出到MATLAB中的plot函数图像中进行更详细的分析，具体做法如下：To workspace模块中数据方式选择array，然后进入MATLAB中，输入如下语句： x=t(:,1); y=wave2(:,1); z=Y(:,1);然后利用 plot(x,y);可观察内回路的阶跃响应曲线 plot(x,z);可观察外回路的阶跃响应曲线6.1 副回路整定副回路采用P调节，利用串级控制整定逐步逼近法，得到副回路的参数为Kp2=-1.2，系统仿真实验如下：得到衰减比n6:1，满足要求（4:110:1）6.2 主回路整定主环采用PI控制，由逐步逼近法得到主环的调节器参数Kp1=0.05、Ki1=0.003,分别观察给定值R扰动，喷水量W扰动与蒸汽流量D扰动对主环的飞升曲线，如下图所示D扰动W扰动R扰动由三个飞升曲线可以看出，不论何种扰动，均可获得较好的控制品质（=75%90%）6.3 前馈（开环）控制器的设计（此时不考虑串级外回路反馈作用，即外回路仅用前馈控制）采用静态前馈Gff=Kff=-0.5，系统控制原理图如下：有前馈作用无前馈作用观察蒸汽流量扰动D对输出的影响注：可以很明显的看出前馈作用对扰动的抑制能力，但此时为开环控制，后面将讨论加入闭环控制后的前馈控制对系统的影响6.4 Smith预估补偿器的设计控制系统的仿真图如下：依次分别加入W,D,R阶跃扰动（注：每次只有一个阶跃，为了简便阅读，仿真图中三个阶跃均用实线表示，实际仿真是分别加入的），观察过热器出口温度的飞升曲线（注：左为无史密斯预估的控制，右为有史密斯的控制）W扰动下过热气温的飞升曲线D扰动下过热气温的飞升曲线R扰动下过热气温的飞升曲线由以上三组图对比可看出，Smith预估器对大延迟系统有较好的控制，使被延迟的被调量超前反映消除纯迟延对系统控制品质的影响，加入预估器后以上扰动的动态特性均有明显改善6.5 既有smith预估补偿又有前馈控制系统由于前馈只对D扰动有作用，在此只做D扰动的仿真得到系统的仿真图如下（注：左为有史密斯预估无前馈的控制，右为既有史密斯预估又有前馈的控制）由以上两幅图看出，系统加入前馈控制后不但没有改善系统的特性，反而使系统的特性变差分析：是什么原因造成的呢？注意观察系统的Gd与Gp，我们发现其中的延迟时间d=10s，p=30s，dp，即若想补偿的话必须产生领先的信号，是不可能实现的，此时的前馈补偿实际上是没有提前的，也就是说此时的前馈补偿不合适，因此应把其去掉6.6 综合考虑扰动控制系统全部链接，分别依次R（t=0s时加入），W（t=450s时加入），D（t=1000s时加入）扰动，观察完整调节过程可以看出系统的调节过程特性良好，满足设计任务与要求，能准确跟踪给定值七设计总结本次的设计运用到了很多上学期学到的知识，有一些都记不清楚了或者有些东西是更本就不知道的。其实在设计的时候，基础是根本。再者，设计过程中难免会遇到这