热工控制系统课程设计.doc

热工控制系统课程设计院 系：动力工程系专 业：热能与动力工程班 级：学 号：姓 名：指导教师：2010年12月1 对象的传递函数求取11.1 动态特性分析11.2 主汽温对象的传递函数分析21.2.1 37%负荷31.2.2 50%负荷41.2.3 75%负荷41.2.4 100%负荷52 单回路系统参数整定62.1 广义频率特性法参数整定62.2 临界比例度法确定调节器参数72.3 PID调节系统的分析112.3.1 比例系数KP112.3.2 积分时间常数Ti112.3.3 微分时间常数TD122.3.4 同时对KP、KI、KD参数改变的研究133 主蒸汽温度串级控制系统参数整定143.1 整定内回路副调节器参数153.2 整定外回路主调节器参数153.3 加减温水扰动163.4 不同负荷下控制系统控制品质分析174 电厂汽温控制系统SAMA图分析19参考文献221 对象的传递函数求取1.1 动态特性分析调节系统是由调节对象和调节器组成的。不同的调节对象要求采用不同作用的调节器，且在投入运行前必须根据调节对象的具体特性，整定调节系统的各个参数。因此对调节对象动态特性进行分析是很有必要的。对于一个典型的有延迟一阶对象，其阶跃响应曲线如下：有自平衡能力的高阶对象的阶跃响应有时可用迟延环节和一阶惯性环节串联来等效，若选定的传递函数的形式为 Ws=KTcs+1e-s （其中为延迟时间）则其阶跃响应曲线仍可用上图来表示，其传递函数可用一个n阶等容惯性环节来近似表示，即 Ws=KTs+1n上式中有三个待定的参数：放大系数K，时间常数T和阶数n，求取方法按以下方法确定：作稳态值的渐近线y，则 K=y-y00在试验获得的阶跃响应曲线上，求得y(t1)0.4y()及y(t2)0.8y()时对应的时间t1、t2后，利用两点法求阶数n和惯性时间T1。由曲线可知放大系数K，利用两点法确定t1、t2后，利用下式计算n和T： n=1.075t1t2-t1+0.52 Tt1+t22.16n上式求得的n不是整数时，应选用与其最接近的整数。为方便计算可根据t1t2由下表查得相应n值n1234567t1t20.3170.3170.4020.4600.4020.5010.5340.5010.5600.5840.5600.6010.6180.6010.6560.6400.6350.6560.6660.6560.678n891011121314t1t20.6840.6780.6920.6990.6920.7060.7120.7060.7180.7240.7180.7290.7340.7290.7380.7480.7380.7470.7510.7470.751其中第一行为t1t2的典型值。1.2 主汽温对象的传递函数分析某主汽温对象在不同负荷下有如下的导前区和惰性区对象动态特性：37%-5.072784s2+56s+1-1.048105251369305681s8+14852831385004s7+918363352844s6+32463032788s5+717119674s4+10135196s3+89516s2+452s+150%-3.067625s2+50s+11.119230539333248s7+38423222208s6+2744515872s5+108909360s4+2593080s3+37044s2+294s+175%-1.657400s2+40s+11.20210734579485s7+2772769608s6+306948665s5+18877531s4+696587s3+15422s2+189s+1100%-0.815324s2+36s+11.27638806720s6+12654365s5+1719343s4+124590s3+5078s2+110s+1下面就在Matlab中进行建模分析。1.2.1 37%负荷导前区传递函数：Ws=-5.07228s+12惰性区图像如下： t1=396.4 t2=579.7 n=1.075t1t2-t1+0.528 Tt1+t22.16n=56.49 则传递函数Ws=-1.04856.49s+181.2.2 50%负荷导前区传递函数：Ws=-3.06725s+12惰性区图像如下：求得传递函数Ws=1.11942.18s+171.2.3 75%负荷导前区传递函数：Ws=-1.65720s+12惰性区图像如下：求得传递函数Ws=1.20227.24s+171.2.4 100%负荷导前区传递函数：Ws=-0.81518s+12惰性区图像如下： 求得传递函数Ws=1.27618.59s+162 单回路系统参数整定利用第一部分建立的对象传递函数，进行参数整定。2.1 广义频率特性法参数整定单回路控制系统的原理方框图如下所示若采用等幅振荡法确定比例调节器的参数，其传递函数为WTs=kp100%负荷时汽温对象惰性区传递函数为W0s=1.27618.59s+16用s=-m+j代入，等幅振荡时，m=0，则Wts*W0s=-1由广义频率特性法可得-Kp=T0s+16KKpej=1+jT06K=1+T023ej6arctanT0K即Kp=1+T023K=6arctanT0T0=tan6=33 Kp=1+1331.276=1.858事实上对于n阶多容惯性环节W0s=k1+Tsn ，可用如下简化公式进行整定参数的计算1=1Tm+ctgnKP=1Kmsinn+cosnn 则当等幅振荡时，m=0，对于100%负荷惰性区传递函数可得=118.59ctg6=0.0311 KP=11.276cos66=1.8582.2 临界比例度法确定调节器参数Ziegler和Nichols提出的临界比例度法是一种非常著名的工程整定方法2。通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数，用来确定被控对象的动态特性的两个参数：临界比例度(带)k或临界增益Ku（Ku=1k）和临界振荡周期Tk。临界比例度法3适用于已知对象传递函数的场合，在闭合的控制系统里，将控制器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变控制器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例度被称为临界比例度，相邻两个波峰间的时间间隔为临界振荡周期Tk。用临界比例度法整定PID参数的步骤如下：先将调节器的积分时间Ti调至无穷大（即KI=0），微分时间TD调至零。然后从大到小调节，直至调节过程出现等幅振荡为止，记下此时的比例带数值k和振荡周期Tk。然后按照下表进行调节器的最佳参数选择1表1调节器传递函数TiTDPWRs=12k2.4kPIWRs=11+1Tis2.2k3.0k0.85Tk0.6TkPIDWRs=11+1Tis+TDs1.67k2.1k0.5Tk0.6Tk0.25Ti表中每一栏有两个数据，上面的数据使用于无自平衡能力的对象，下面的数据使用于有自平衡能力的对象。使用该表整定100%负荷惰性区传递函数:在Matlab/Simulink中建立调节器模型:进行调试后得到等幅振荡曲线如下，此时Ku=1.858，k=0.538，Tk=200原传递函数带自平衡能力，用上表相应参数计算PID调节器参数KP=12.1k=0.8848KI=KP0.6Tk=0.0074KD=KP*0.25*0.6*Tk=26.54将以上带入调节器进行测试响应曲线如下可见调节效果并不好，经测试发现该表适用于无自平衡能力对象的参数反而能达到很好的调节效果，结果及响应曲线如下KP=1.1126 KI=0.0111 KD=27.8144 （1）但该表计算稍显复杂，对于使用Simulink进行整定的PID调节系统可使用下表进行参数计算4表2KPTiTDP0.5Ku0PI0.455Ku0.833Tu0PID0.6Ku0.5Tu0.125Tu如对于上面的100%惰性区传递函数调节器，整定得KP=1.1148 KI=KPTi=0.0111 KD=KP*TD=27.87 （2）代入调节器响应曲线如下以上曲线最大超调量都超过了20%，最终整定参数如下KP=1.11 KI=0.010 KD=34 （3）响应曲线如下长虚线为参数（1），短虚线为参数（2），实现为参数（3），可见最大超调量及响应速度都有了较大改善。2.3 PID调节系统的分析2.3.1 比例系数KP比例系数KP加大，会使系统的响应速度加快，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度。过大的比例系数KP会使系统产生超调，并产生振荡或使振荡次数增多，使调节时间加长，并使系统稳定性变坏或使系统变得不稳定。当KP太小时，又会使系统的动作缓慢。2.3.2 积分时间常数Ti一般不单独采用积分控制器，通常与比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti的大小， Ti越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。增大积分时间常数Ti，有利于减小超调，减小振荡，使系统更稳定，但同时要延长系统消除静差的时间。积分时间常数太小会降低系统的稳定性，增大系统的振荡次数。2.3.3 微分时间常数TD微分控制作用只对动态过程起作用，而对稳态过程没有影响，且对系统噪声非常敏感，所以单一的微分控制器都不宜采用。通常与比例控制或比例积分控制联合作用，构成PD控制或PID控制。微分作用的强弱取决于微分时间常数TD的大小， TD越大，微分作用越强，反之则越弱。微分时间常数TD偏大或偏小时，系统的超调量都较大，调节时间都较长，只有选择合适的TD，才能获得比较满意的过度过程。2.3.4 同时对KP、KI、KD参数改变的研究从PID控制器的3个参数作用可以看出3个参数直接影响控制效果的好坏，所以要取得较好的控制效果，就必须合理的选择控制器的参数。总之，比例控制主要用于静态偏差的“粗调”，保证控制系统的“稳”;积分控制主要用于静态偏差的“细调”，保证控制系统的 “准”;微分控制主要用于动态偏差的“细调”，保证控制系统的“快”5。3 主蒸汽温度串级控制系统参数整定某300MW机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统原理结构图如下所示由上图可得串级控制系统的方框图如下串级控制系统中主调节器WT1s采用比例积分微分（PID）调节器，其传递函数为：WT1s=111+1Ti1s+Td1s=Kp1+Ki11s+Kd1s式中：Kp1主调节器比例系数（Kp1=11）； Ki1主调节器积分系数（Ki1=1Ti11）； Kd1主调节器微分系数（Kd1=Td11）过热汽温串级控制系统中副调节器WT2s采用比例（P）调节器，其传递函数为： WT2s=12=Kp2 式中：Kp2副调节器比例系数（Kp2=12）在Matlab中建立100%负荷模型如下3.1 整定内回路副调节器参数令Kp1=1，Ki1=0，Kd1=0，主回路反馈系数r1=0，阶跃输出模块（Step）的终值设为535，仿真时间设1000s，逐渐增大Kp2，在Scope1中观察t2的变化，使温度尽快达到稳定，并尽量接近稳态值419.28。此时Kp2=4.4543.2 整定外回路主调节器参数将主回路反馈系数r1=1，副调节器比例系数Kp2不变，逐渐增加Kp1，在Scope中观察t1，直到出现等幅振荡。此时Kp1=2.023，Tk=222.5由表2计算得KP1=1.21 Ki1=0.0109 Kd1=33.76最终整定得参数如下KP1=1.15 Ki1=0.010 Kd1=403.3 加减温水扰动完成过热汽温串级控制系统的参数整定后，在500s时加入减温水扰动，即将阶跃信号输出模块（Step1）的响应时间（Step time）设为500，终值设为1000，仿真后在响应曲线显示器Scope中观察减温水量增加后对过热蒸汽温度t1的影响。响应曲线如下可见喷减温水之后汽温下降，但是之后在调节器的作用下汽温又再度回升。3.4 不同负荷下控制系统控制品质分析在不同负荷下，同样的控制器参数的控制品质越来越差，如下图，在100%负荷时较好的响应曲线随着负荷的减小控制品质变差。将不同负荷下的PID控制器按照步骤并用表2进行简单整定后得到的控制器参数如下：KP1Ki1Kd1KP2100%1.210.010933.764.45475%1.220.006557.012.19550%1.330.004695.641.1937%1.320.0030146.030.723各负荷下响应曲线如下：可见随着负荷的降低，主调节器的比例系数KP1、微分系数Kd1都逐渐增大，而积分系数Ki1、副调节器比例系数KP2都逐渐减小，同时负荷越小，调节作用到达平衡的时间越长，飞升速度越慢，但调节过程中的超调量都有所减小。4 电厂汽温控制系统SAMA图分析以下是某电厂汽温控制系统的SAMA结构简化图一级过热器控制二级过热器控制三级过热器控制再热器控制 本机组采用了3级过热汽温控制以及1级再热汽温控制，对于过热汽温采用了喷水降温法来控制汽温，并设置了两级强降喷水保护；对于再热汽温采用了喷嘴角度控制、烟气挡板开度控制以及喷水减温