基于PLC的工业汽轮机控制系统数学模型及仿真.pdf

图 6 3 0 0 r a d s 时的最小油膜厚度 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 最小油膜厚度 hm i n m 1 5 1 0 0 500 5 1 0 1 5 渐开线齿面的角度参数 1 0 8 N 1 m 2 大气压下的动力粘度 0 1 1 0 2 N m 2 s 油膜厚度在啮合中心很薄 在出口区有颈缩现象 当 速度参数增加时 油膜厚度也相应地增加 如图 5 和图 6 是在不同的角速度下的油膜厚度变化曲线 速度参数对 弹流膜厚的影响还是很大的 此外 油膜厚度还与所选材 料的参数 所施加的载荷 所采用的粘压关系式有关 5 结论 齿轮传动中齿面间的润滑对传动的质量和使用寿命 有关键的作用 最小油膜厚度的计算和分析 直接反映出 影响的因素和改善润滑条件的方法和应考虑的因素 对正交面齿轮润滑的分析 在面齿轮传动的应用中有一 定的实际意义 参考文献 1 杨沛然 流体润滑数值分析 M 北京 国防工业出版社 1 9 9 8 2 吴序堂 齿轮啮合原理 M 北京 机械工业出版社 1 9 8 2 3 温诗铸 摩擦学原理 M 北京 清华大学出版社 1 9 9 0 4 林子光 弹流理论及其应用 M 天津 天津科学技术出版社 1 9 9 4 5 陈维桓 微分几何初步 M 北京 北京大学出版社 1 9 9 0 6 朱如鹏 面齿轮传动的啮合特性研究 D 南京 南京航空航天 大学 2 0 0 0 编辑 昊天 作者简介 李龙 1 9 8 1 男 硕士研究生 研究方向为机械 C A D及 自动化 朱如鹏 男 教授 博士生导师 研究方向为机械设计 C A D C A E 机械传动设计理论与技术 收稿日期 2 0 0 6 0 8 2 8 基于 P L C的工业汽轮机控制系统数学模型及仿真 钟艳春 邵俊鹏 王渝 哈尔滨理工大学 机械动力工程学院 哈尔滨 1 5 0 0 8 0 1 前言 工业驱动汽轮机是大型工业装置中的关键动力设 备 广泛用于石化 电力 冶金 建材 环保 能源综合利用 等工业领域 工业发电汽轮机广泛用于中小型热电站 以 及各工业部门的企业自备电站 区域性热电联产 燃气 蒸汽轮机联合循环电站 城市垃圾电站等领域 工业汽轮 机具有高温 高压 高转速的特点 其控制系统承担着转 速和负荷调节及工况控制的任务 直接影响着机组运行 的安全性 可靠性 经济性以及自动化程度 目前 工业汽 轮机多采用机械液压控制系统 其结构组成决定了其具 有自身难以克服的调节精度和自动化程度低 难于与 D C S 通信 工作特性固定 调节功能少等缺点 而进口电 液控制系统成本过高 不便于维护 硬件配置和软件设计 针对性强 通用性差 现代工业汽轮机的控制 不仅要求 在转速控制上 而且在进汽压力和排汽压力控制上都应 有严格的控制精度 例如 国内最大的工业汽轮机生产厂 6 5 机械工程师2 0 0 7 年第 2 期 摘要 根据工业汽轮机控制系统的要求 选用可编程控制器 P L C 作为对其控制的核心 研制了基于 P L C的工业汽轮 机控制系统 在此基础上 对控制系统进行了数学建模 针对建立的数学模型 利用 MA T L A B S i mu l i n k 对系统性能进 行了仿真分析 结果表明该系统能够稳定地工作 具有很好的静 动态特性 关键词 工业汽轮机 控制系统 数学建模 仿真分析 中图分类号 T P 3 9 1 9文献标识码 A文章编号 1 0 0 2 2 3 3 3 2 0 0 7 0 2 0 0 6 5 0 3 Ma t h e ma t i c a l Mo d e l a n dS i mu l a t i o no f t h e I n d u s t r i a l S t e a mT u r b i n e C o n t r o l S y s t e mB a s e do nP L C Z HON GY a n c h u n S HA OJ u n p e n g WA N GY u Me c h a n i c a l c o n t r o l s y s t e m m a t h e m a t i c a l m o d e l s i m u l a t i o n R 研究探讨 R E S E A R C H D IS C U S S IO N 转速 传感器 位移传感器 调节汽阀主汽阀 高压蒸汽 开启开启 指令 信号 保安 信号 P L C 图 1 工业汽轮机调节保安系统图 家杭州汽轮机厂从 1 9 8 0 年代初引进德国西门子公司基 于积木块设计原理的工业汽轮机以来 其调节系统一直 采用全液压式调节系统 国内 D E H生产厂新华控制工程 有限公司从美国西屋公司引进 D E H系统设计技术基础 上经过开发优化后 专业生产的 D E H I I I 及 D E H I I I A 型数字电液 D E H 系统主要用于 3 0 0 M W及 6 0 0 M W等 级大型汽轮机控制 不适用于功率较小的工业汽轮机的 控制 因此 有必要研制开发适用于工业汽轮机的性能优 良 可靠性高 通用性好 性价比高的电液控制系统 2 控制系统组成 本机组采用数字电液调节保安系统 它包括调节系 统和保安系统两部分 如图 1 所示 2 1 调节系统 本机组采用可编程序控制器 伺服阀的数字电液式调 节系统 本机组为背压式机组 用于拖动空气压缩机 保证空 气压缩机输出特性的要求 其额定转速为1 4 0 0 0 r m i n 因此将 汽轮机额定转速作为控制对象 调节系统用于机组的启动 和保证汽轮机在额定转速下运行 转速传感器测出实际转 速送入 P L C进行 P I D运算 输出控制电信号 经电液转换 器 电液伺服阀 转换成油压信号控制调节汽阀的开度 控 制进汽量 从而实现控制汽轮机转速的目的 2 2 保安系统 本机组的保安系统包括液压保护装置和电气保护装 置两部分 主要保护项目有超速 轴向位移 轴承瓦块金 属温度 轴承润滑油压 轴承回油温度等 当达到报警值 时 伴之以声 光报警 当达到停机值时 迅速关断主汽阀 和调节汽阀 同时 伴之以声 光报警 3 系统数学模型的建立 工业汽轮机控制系统承担着转速和负荷调节及工况 控制的任务 直接影响着机组运行的安全性 可靠性 经 济性以及自动化程度 因此控制系统是整套系统的灵魂 由于控制系统的传递函数定性 定量地描述了系统的运 动过程 所以只有在对系统传递函数进行分析和研究之 后 才能选购器件 组装和调试系统 3 1 各元件的传递函数 伺服放大器可以看成比例环节 I E K 1 增益 K可通过改变伺服放大器的增益在较宽的范围 内调整 伺服阀的实际动态特性与供油压力 输入信号幅值 油温 环境温度 负载条件等许多因素有关 它是一个高 度复杂的装置 具有高阶的非线性动态特性 因此 用一 阶 二阶 甚至三阶传递函数描述伺服阀的动态特性 也 仅仅是对伺服阀实际动态特性的一个近似等效 但在大 多数电液伺服系统中 伺服阀的动态响应往往高于系统 负载的动态响应 因此 在分析系统动态特性时 只需要 知道在一个适当的低频段内的伺服阀动态特性 为简化 分析 并考虑到具有较好的等效精度 从实用角度出发 一般伺服阀采用二阶振荡环节形式的传递函数 伺服阀的传递函数有实测频率特性 经曲线拟合得 Q I KV S 2 2V 2 V V S 1 2 本系统中取 KV 6 6 8 1 0 3 m 3 s A V 4 7 1 r a d s V 0 5 8 液压缸输出量 XP对滑阀输入量 XV的传递函数 G s X P XV Kq Ap VtMt 4 eA 2 ps 3 Kc eMt A 2 p B pVt 4 eA 2 p s 2 1 Kc eBp A 2 p K V t 4 eA 2 p s Kc eK A 2 p 忽略高阶微量以后 可得油动机传递函数为一阶惯 性环节 Y Q 1 T ss 1 3 本系统中取 T s 0 2 5 4 s 蒸汽容积方程 汽轮机的进汽室及内部空间均有很 大容积 其中贮存很多蒸汽 在调节阀动作后容积中参 数并不能立即变化 而是滞后一些 其变化过程即是容 积的动态特性 根据流体连续方程可推出蒸汽容积方程 T d d t 1 式中 1 阀门开度变化的相对值 则其传递函 数为 W s 1 T s 1 4 式中 T 蒸汽容积时间常数 取 0 2 s 汽轮机运动方程 工业汽轮机一般为单机运行 T ad d t 此时自调节作用 很小可忽略 则其传递 函数为 W s 1 T as 5 式中 T a 汽轮机转子时间常数 取 3 s 位移传感器可看成比例环节Y S K 6 式中 K 位移传感器增益 为了讨论问题方便 暂且把其余电气环节 如伺服放 大器 都作为总电控放大器来处理 即看成输入是位移 输出是电压供给伺服阀 设计时只要它们的放大倍数之 积等于总电控放大器的放大倍数即可 并可依此求出各 电气环节的放大倍数 电气元件相对机械部分而言 频率 较高 可视为比例环节 设总电控放大器放大倍数为 k a 对位置式液压伺服系统而言 它要与计算机协调做成单 6 6机械工程师 2 0 0 7 年第 2 期 R 研究探讨 R E S E A R C H D IS C U S S IO N 图 5 工业汽轮机控制系统阶跃响应曲线 1 2 0 8 0 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 时间 s 位移 m m 转速给定P I D控制器 P I D1 5 伺服放大器 3 1 4 6 2 8 1 1 6 s 4 7 1 1 0 2 5 4 s 1 1 0 2 s 1 1 3 s 示波器 汽轮机转子蒸汽容积油动机电液伺服阀 位移传感器 转速传感器 K 1 图 2 工业汽轮机控制系统框图 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 9 0 1 8 0 2 7 0 3 6 0 幅值比 d B 相位 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 1 0 3 频率 H z 图 3 工业汽轮机控制系统开环传递函数 B o d e 图 B o d e D i a g r a m G m 3 4 2 d B a t 2 8 9 r a d s e c P m 7 2 5 d e g a t 1 5 5 r a d s e c B o d e D i a g r a m G m 3 4 1 d B a t 2 8 9 r a d s e c P m 1 8 0 d e g a t 0 r a d s e c 位反馈 放大倍数已经包含 k a中 此时 kf 1 P I D控制器选取 Kp 5 0 T i 0 5 Td 0 3 2 绘制系统方框图 根据以上计算结果 可画出该系统的方框图 图 2 则系统的开环传递函数为 W s 5 0 4 7 2 1 1 6 s 4 7 1 0 2 5 4 s 1 1 5 1 0 2 s 1 3 s 2 3 6 0 0 1 8 s 4 1 7 4 s 3 2 9 5 8 6 s 2 1 4 5 8 3 s 系统的闭环传递函数为 s W s 1 W s 2 3 6 0 0 1 8 s 4 1 7 4 s 3 2 9 5 8 6 s 2 1 4 5 8 3 s 2 3 6 0 4 系统仿真结果分析 图 3 图 4 为系统的开环和闭环 B o d e 图 由图可见 系统的稳定增益裕量为 L g 3 4 2 d B 相位裕量为 7 2 5 对于指令 u i t 来说 系统是 I 型的 因此位移信号使 系统产生的位置误差 e p 0 速度信号使系统产生的速度 误差按下式求出 e v v KfK 本系统中计算得 e v 0 0 0 1 m 对于干扰 f t 来说 系统是 O型的 静 动摩擦干扰 不考虑 伺服放大器的温漂 f 1 伺服阀的零漂和磁滞 f2以 及执行元件的不灵敏度 f 3等因素会引起系统 位置 误 差 把这些因素影响折合成伺服阀输入电流处的干扰 且 当它们可取作常量 f 1 0 0 1 IR f2 0 0 2 IR f3 0 0 1 IR则 总的影响相当于 f f 2 1 f 2 2 f 2 3 IR 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 1 2 IR 0 0 2 4 5 IR 由此可得 e p f f KaKf 0 0 2 4 5 0 1 0 2 1 0 0 1 2 c m 0 0 0 0 1 2 m 可 见 该 系 统 能 够 稳 定地工作 图 5为 控 制 系 统 阶 跃响应曲线 从 图 中 可 以 看出 该系统 具 有 很 好 的 动态特性 5 结语 根据工业汽轮机控制的要求和液压伺服控制的特 点 确定了整体控制方案 然后建立了工业汽轮机调节系 统的数学模型 对油动机 电液伺服阀 位移传感器 汽轮 机蒸汽容积和转子 控制器分别进行了建模 计算了数学 模型中的参数 针对建立的数学模型 利用 M A T L A B语 言的 S i m u l i n k 对系统性能进行了仿真分析 结果表明该 系统能够稳定地工作 具有很好的静 动态特性 参考文献 1 伍爱民 工业汽轮机市场需求结构与预测 J 工程建设与设计 2 0 0 0 2 8 1 0 2 薛定宇 基于 MA T L A B S i m u l i n k 的系统仿真技术与应用 M 北京 清华大学出版社 2 0 0 4 3 雷天觉 液压工程手册 M 北京 机械工业出版社 1 9 9 8 1 2 0 2 1 2 3 9 4 张晓亮 魏守平 热电联供汽轮机数字电液控制系统 J 水电 能源科学 1 9 9 9 2 3 1 3 3 5 F i l e m o n L l o y d V a