过热气温对象控制的设计{完成}.doc

沈阳工程学院课 程 设 计设计题目： 过热汽温控制系统组态设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 讲 师 起止日期： 2012年1月2日起至2012 年1 月13日止沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目： 过热汽温控制系统组态设计 系 别 班级 学生姓名 学号 指导教 职称 课程设计进行地点： F526 图书馆 任 务 下 达 时 间： 2011年 12月30日起止日期： 2012年1月2日起至2012 年1 月13日止教研室主任 2011 年 12 月 30日批准以下内容根据各专业特点自行确定（如条件、资料、内容、任务、进度安排及要求等）：1.设计主要内容及要求；a.熟悉过热气温控制的原理和控制方式，SAMA图设计。b.掌握常用功能块的用途。设计出过热气温控制的功能块组态图。2.对设计说明书、论文撰写内容、格式、字数的要求；（1）.课程设计说明书（论文）是体现和总结课程设计成果的载体，一般不应少于3000字。（2）.学生应撰写的内容为：中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献等。课程设计说明书（论文）的结构及各部分内容要求可参照沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范执行。应做到文理通顺，内容正确完整，书写工整，装订整齐。（3）.说明书（论文）手写或打印均可。手写要用学校统一的课程设计用纸，用黑或蓝黑墨水工整书写；打印时按沈阳工程学院毕业设计（论文）撰写规范的要求进行打印。（4）. 课程设计说明书（论文）装订顺序为：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要和关键词、目录、正文、参考文献。3.时间进度安排；顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注1周1查资料2周2熟悉过热气温控制的原理，SAMA图设计3周3SAMA图设计4周4设计功能块组态图5周5设计功能块组态图6周一上机画图，修改7周二上机画图，修改8周3分析9周4总结，写报告10周5总结，写报告沈 阳 工 程 学 院计算机控制系统 课程设计成绩评定表系（部）： 自控系 班级： 自动化091 学生姓名： 黄国建 指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。0.25432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名： 年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评 分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中。0.55432说明书的质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名： 年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分过热汽温控制系统组态设计摘 要本文主要是串级控制系统对过热汽温进行控制的设计，在进行设计的同时应该先了解过热汽温的特性，利用串级控制系统对过热汽温控制，选择合适的调节器。通过对串级控制系统的调节器参数进行整定，在参数整定时主要采用补偿法和等效成串级控制系统所应用的“先内后外”的方法，并采用衰减曲线法进行验证。采用计算机仿真对过热汽温导前微分控制系统进行辅助设计，得出系统在内扰和外扰影响下的响应曲线，利用仿真曲线对串级控制系统性能分析。关键字 过热温度, 自动控制，过热器目 录摘 要I目 录II1 引言11.1 课题背景及其选题意义12过热汽温控制对象的特性分析22.1 蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性22.2 烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性22.3 蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性33 气温控制系统方案的设计43.1 串级汽温系统控制的基本结构原理43.2 主、副回路的设计原则53.3 主、副调节器的选型63.4 主、副回路调节器调节规律的选择原则64 串级气温控制系统的整定74.1 两部整定法74.2 逐次逼近法94.3 补偿法95单元机组过热气温控制系统组态图分析1151功能块清单115.2组态图分析18总 结19致 谢20参考文献21附录A1 AI减付调SP计算图22附录A2 AI减主调图22附录A3 AI减付调及操作站图22211 引言1.1 课题背景及其选题意义 随着火电厂机组容量的不断扩大，参数不断提高，如何保护单元机组的安全、经济运行，减少事故，提高设备的可靠性和运行的经济性，是十分重要的问题。大量事实证明，采用先进的热工自动化技术是提高机组安全、经济运行水平的行之有效的措施。自动控制装置在机组启动时，根据启动要求进行控制，启动后按较高的热效率、较低的煤耗和厂用电进行运行。当运行出现异常时，自动控制装置能迅速按照预先规定的顺序进行处理，以尽快恢复正常运行，当故障发展到可能危及设备和人身安全时，采取停炉、停机等保护措施，避免事故进一步扩大。 本文主要是串级控制系统对过热汽温进行控制的设计，在进行设计的同时应该先了解过热汽温的特性，利用串级控制系统对过热汽温控制，选择合适的调节器。进而完成对整个控制系统的设计。2过热汽温控制对象的特性分析目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有迟延、惯性和有自平衡能力的。2.1 蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。这两个因素都使对流式过热器的气温升高。然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。动态特性曲线如图1.3所示。蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动 b)减温水Ws扰动图1.3 在蒸汽流量扰动下蒸汽温度的变化曲线2.2 烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会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是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图1.3所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。2.3 蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。.动态曲线图如图1.3所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。3 气温控制系统方案的设计单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，都使得单回路控制系统显得无能为力，因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点及整定进行讨论 3.1 串级汽温系统控制的基本结构原理 图3.1 串级汽温系统控制原理图如图所示，该汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。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，其输入偏差信号为-，输出信号为，副调节器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主调节器输出信号I，输出为。当过热汽温升高时，增加，主调节器输出减小，副调节器输出增加，减温水量增加，过热汽温下降。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。由此也可以认为主调节器的输出是导前汽温的给定值。过热汽温串级控制系统的原理方框图如图3.2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。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制主汽温(即将作为主信号反馈到调节器PI1,PI1直接去控阀门开度)无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号作为导前信号，增加一个调节器PI2组成如图3.2所示的串级控制系统。调节器PI2根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温比提早反映（例如：内扰为喷水量W的自发性变化），那么由于PI2的提前动作，扰动引起的波动很快消除，从而使主汽温基本不受影响。另外，PI2的给定值受调节器PI1的影响，后者根据改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持X满足要求。可见，串级系统中采用了两级调节器，各有其特殊任务图3.2 过热汽温串级控制系统的原理方框图基于以上的理论，本章给与简明扼要系统设计。为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。3.2 主、副回路的设计原则（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。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。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，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。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取.式子中：为主回路的振荡周期；为副回路振荡周期，要满足式子,除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。3.3 主、副调节器的选型串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。（1）副调节器的选型。副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。（2）主调节器的选型。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。 3.4 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串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。（2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。4 串级气温控制系统的整定控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定,控制仪表与控制对象等都处于正常状态的情况下，适当选择调节器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性配合，从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的控制效果。对于串级气温控制系统的整定，如图所示：图4.1 串级控制系统方框图4.1 两部整定法 当串级系统中副回路的控制过程比主回路快的多时，可按下述步骤分别独立整定主、副调节器参数。（1）先整定副调节器。当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间，主回路基本上不参加动作可按单回路系统的整定方法整定副调节器。（2）整定主调节器。副回路的闭和传递函数 （4.1）（a)内回路方框图 （b)外回路方框图图4.2 主副调节器分别独立整定时的方框图即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图4.2（b）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器的参数。按上述步骤整定系统后，通常应满足（、分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率）。要达到此要求整定时应考虑以下几个问题：（a）对象的动态特性。控制对象前区动态特性与整个控制对象的动态特性相比，应有较小的迟延和惯性。（b）调节器类型的选择。副调节器可选用P（或PD）调节器，主调节器应选用PI调节器，以使副回路有较高的衰减振荡频率。（c）整定指标的选择。副回路可取较低的稳定性裕量（例如）而主回路则取较高的稳定性裕度（例如）。另外，按此方法整定串级系统时还应考虑控制对象惰性区动态特性的求取。控制对象导前区的特性可直接由实验测得，而惰性区的特性不一定能直接由实验获得，但整个控制对象的动态特性总是可以由实验测得，因此对象惰性区的动态特性原则上可以由和算出： (4.2)例如：锅炉过热蒸汽温度控制对象及其导前区的动态特性常可表示为 (4.3) (4.4)式中：为减温水阀门的开度。利用级数展开和低阶近似，惰性区的动态特征可表示为： (4.5)如果控制对象及其导前区动态特性可以用式（4.3）、（4.4）来表示，而且有和，那么当 时（和分别为和分母中s项的系数），可以满足主、副调节器分别整定的条件，而惰性区对象表示为 (4.6)这样避免了由和计算出的麻烦，尤其用阶跃响应实验曲线整定主调节器时更为简便。因此假定 (4.7)式中：为控制对性阶跃响应实验曲线上与的比值，它实际往往无法由实验曲线上直接获得（如在过汽温对象中）。4.2 逐次逼近法(1)先整定副调节器。在第一次整定副调节器时，断开主环，即按副回路单独工作时的单回路系统来整定副调节器的参数，记作。(2)根据整定主调节器。根据图4.3可以写出串级控制系统的特征方程为 （4.8）可得此时等效控制对象的传递函数为 （4.9）按照单回路系统整定方法求出主调节器参数，记作。(3)据（2）得到的，再整定副调节器，由图4.3写出串级控制系统的特征方程为 (4.10)可得此时等效控制对象为 (4.11)然后根据单回路系统的整定方法求出副调节器的参数，记为。4.3 补偿法 当控制对象导前区的动态特性与整个控制对象的动态特性相比，迟延和惯性不够小时，控制系统经整定后主、副回路的振荡频率差别不够大，这时就不能 用“两步整定法”整定，可以采用“补偿法”整定调节器参数。图5.1所示的串级控制系统,可把它的闭和回路等效的变换成图4.3所示: 图4.3 串级控制系统方框图的等效变换从等效变换后方框图形式可以看出，如果为了分析串级系统的稳定性，可以把它看作一个单回路系统。在这个等效单回路系统中，调节器为控制对象为: (4.12)因此，串级系统可按下述步骤进行整定：（1）适当选择主调节器的参数，以造成一个动态特性较好的等效控制对象。从图4.3的关系中可知，所造成的等效控制对象只能在控制对象原有的基础上，通过选择的参数使它比较有利于控制。这就是“补偿法”整定的概念。（2）选择好的参数得到了等效控制对象后，就可以按单回路系统整定调节器，从而得出副调节器的参数。用“补偿法”的概念整定串级控制系统时，不必考虑主、副回路之间相互影响的程度。虽然整定的结果并不能保证串级系统在最佳的条件下工作，但是它可以使系统具有足够的稳定性裕度，因而使整定后的串级系统具有正常运行的基本条件，在主、副调节器不能分别独立整定时，这可以作为整定串级控制系统的一种使用方法。5单元机组过热气温控制系统组态图分析51功能块清单l 函数FC1功能：可产生一个五段折线来反映输入与输出之间的关系符号： l 手动设置常数FC2符号：功能：该功能码能提供一个人工调整的带有工程单位的输出，这个输出可用作其他块的输入。 l 超前/滞后FC3符号：功能：超前/滞后功能码能够实现对输入信号滤波功能。规格：l 高低限幅器FC6符号:规格:l 变化率限制器FC8 符号：功能：在输入的变化速率不超过指定的限制值(S3和S4)时，该功能码的输出就始终和输入相同。当输入的变化速率大于该限制值时，它的输出将按该限定值所决定的速率改变，直到输出等于输入为止。输出：参数：ll 模拟转换器FC9符号：注：S4和S5是时间常数，定义为前一输出值和当前输出值之差减少63.2%所花的时间。经过5倍时间常数之后，输出将基本与新的输入值匹配。S4、S5可用下式计算：S4和S5t / 5 t = 转换时间(秒)。l 高低比较器FC12 符号：功能：该功能码有两个输出。当输入等于或超过高限时，输出N为逻辑1；当输入等于或小于低限时，输出N1为逻辑1；当输入的值在两个规定限制之间时，则两个输出都为0。输出：规格参数：l 二输入输入加法器FC15符号：功能：本功能码计算2个输入的加权代数和。方程是：输出 = (S3)+ 输出：规格参数：l 数字例外报告FC45符号：功能：如果超过时间限制或状态发生变化时，本功能码就把输入值送到环路输出：规格参数：l 控制站 FC80符号：功能：该功能码用于把模拟控制站接口到控制器，它提供了基本站、串级站和比比率站的功能。输出：规格参数：l 新型PID控制器FC156符号：5.2组态图分析5.2.1报警功能的实现：在组态图中主调部分，屏式过热器出口温度信号送到高/低报警功能码FC12，通过设置规格参数S2，S3来确定温度上限值和下限值，温度超上、下上限设定值时，输出分别到2204和2205地址块中，然后结合其他信号由FC36进行逻辑运算，结果送到数字例外报告功能码FC45块地址为3200作为显示警告，同时作为屏式过热器出口输入故障信号指令；在组态图中付调部分，AI减付调减出口温度信号和AI减付调减出口温度选择信号进过二输入加法器FC15和超前、滞后FC3处理后，作为高/低报警功能码FC12的输入，其高、低限输出经过FC39和FC37得逻辑运算后，结果送到数字例外报告功能码FC45块地址为2320作为显示警告，同时作为付调故障信号指令。5.2.2手自动无扰切换的实现：模拟控制站作为手动站时，屏式过热器出口温度信号不通过PID模块直接送给模拟控制站PV端作为控制变量，输出端O送到FC156 APID块S3端的跟踪信号，此时功能码156块地址为2314跟踪一级喷水减温阀阀位信号，实现了手动到自动切换的无扰；模拟控制站作为自动站时，AI减付调减出口温SP通过PID算法，通过设置功能码规格参数S4使其为0，实现模拟控制站的规格参数S3自动跟踪功能码156的输出，完成了自动向手动的无扰切换。总 结课程设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的课程设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我综合运用所学的专业基础知识和解决实际问题的能力，同时也提了高我查阅文献资料、设计于一册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对