热工控制系统课程设计.doc

热工控制系统课程设计题 目 直流炉给水系统 系 别动力工程系专业班级热能与动力工程专业10K4班学生姓名于宁 101902010223指导教师谷俊杰二一三年十二月目 录前 言1第一部分 多容对象动态特性的求取2一、导前区2二、惰性区6第二部分 单回路系统参数整定8一、广域频率法确定调节器参数8二、临界比例带法确定调节器参数9 三、比例、积分、微分调节器的作用12第三部分 直流炉给水控制系统参数整定12一、 直流炉给水控制任务12二、 给水控制方案13三、 改进的给水控制方案13四、 前馈-反馈控制系统基本原理15五、 PID控制器参数整定17六、 前馈补偿环节的计算19七、 结论22第四部分 热工系统SAMA图分析23一、给水控制系统SAMA图简化23结 论26参考文献26前 言随着我国电力市场的实际情况和国民经济发展的需要，电站项目朝着高参数、大容量的方向发展已成为大势所趋，近年来超临界发电机组在国内得到迅速发展和应用。由于超临界机组各子系统间的耦合性强，机组的蓄热能力差，常规的控制方案往往难以取得满意的控制品质，为使超临界机组具有良好的调节品质并能确保长期稳定及经济的运行，必须采用先进的自动控制策略。超临界直流锅炉给水控制直接关系到机组的安全性和经济性，是超临界机组正常运行的关键。针对给水控制的大迟延、大惯性和时变性等特点，提出基于给水温度信号的前馈-反馈控制策略，提高了机组煤水比的控制质量。仿真结果表明，改进的控制方法可以减小中间点焓值在不同扰动下的变化，具有较好的控制品质。关键词：煤水比，中间点焓值，给水温度信号，给水控制仿真 第一部分 多容对象动态特性的求取直流锅炉纯直流运行时，给水控制系统的主要任务不再是控制汽包水位，而是以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量，保证给水量与燃料量的比值不变，进而保证主蒸汽温度不变，满足机组不同负荷下给水量的需求。有自平衡能力的高阶对象的阶跃响应曲线如图1-2所示，若选定的传递函数的形式为：即采用一个n 阶等容惯性环节来近似表征。在阶跃响应曲线上，求得y(t1)0.4y()及y(t2)0.8y()时对应的时间t1、t2 后，利用下式求阶数n： 利用两点法公式可知：由曲线可知放大系数K，利用两点法可确定t1，t2，利用如下公式计算对象阶次和惯性时间。 某给水对象37%负荷下导前区和惰性区对象动态特性：对于上述特定负荷下主汽压导前区和惰性区对象传递函数，可以用两点法求上述主汽压对象的传递函数，传递函数形式为 W(s)=Error! No bookmark name given., 利用Matlab 求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象传递函数。一、 导前区1、37%负荷 Matlab应用如下所示： 通过Simulation 中的Simulation time 修改仿真时间为400 秒，点击运行，通过双击Scope 可以查看仿真结果。 根据该曲线应用两点法确定传递函数W(s)=，中的参数K、T、n的具体数值。由图可知 t1=36.3 t2=70.7 K=5.8 t1/t2=0.510.46则 n=(2= 3 T=18.545 则有：W（s）= 2、50%负荷 Matlab 应用如下： 通过Simulation 中的Simulation time 修改仿真时间为400 秒，点击运行，通过双击Scope 可以查看仿真结果。根据该曲线应用两点法确定传递函数W(s)=，中的参数K、T、n的具体数值。由图可知 t1=33.6 t2=71.9 K=3.1 t1/t2=0.4670.46则 n=(2= 2 T=23.454 则有：W（s）= 3、75%负荷 Matlab 应用如下： 通过Simulation 中的Simulation time 修改仿真时间为400 秒，点击运行，通过双击Scope 可以查看仿真结果。根据该曲线应用两点法确定传递函数W(s)=，中的参数K、T、n的具体数值。由图可知 t1=24.4 t2=48.8 K=1.4 t1/t2=0.5000.46则 n=(2= 2 T=13.661 则有：W（s）= 4、100%负荷 Matlab 应用如下： 通过Simulation 中的Simulation time 修改仿真时间为400 秒，点击运行，通过双击Scope 可以查看仿真结果。 根据该曲线应用两点法确定传递函数W(s)=，中的参数K、T、n的具体数值。由图可知 t1=24.6 t2=54 K=0.5 0.32t1/t2=0.4560.46则 n=2 T=18.475 则有：W（s）= 2、 惰性区100%负荷 利用Matlab 求取阶跃响应曲线： 利用两点法公式可知 t1=93.7 t2=141 K=1.3 t1/t2=0.665n=(2=7 T=15.714 即可根据阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数：W（s）= 第二部分 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。为便于分析，采用第一部分建立的给水对象的惰性区对象（为一多容惯性环节）进行参数整定。即以第一部分整定参数确定的对象W（s）=为例，进行参数整定。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图2-1所示：调节器采用比例调节器，,以衰减率为整定指标： 为闭环特征方程的根 求得在Matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：由图形可以知道广义频率特性法对试凑法有很好的指导意义。因此对于对象W（s）= ，计算确定2、 临界比例带法确定调节器参数由等幅振荡法确定调节器参数,对于上述n 阶惯性环节，可以通过计算确定系统等幅振荡的周期和出现等幅振荡时的比例调节器参数 。注意采用等幅振荡法确定调节器参数时相当于系统衰减率 m = 0，系统振荡周期为: 。通过计算确定调节器参数后，在Matlab 中进行仿真分析，观看实际系统效果是否正确。对于对象W(s)= ,计算确定 系统结构如下图所示：仿真后系统输出为：根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的等幅振荡周期，可以查临界比例带参数表确定当系统衰减率时： 1） P调节器 与广义频率特性法计算所得值相近2） PI调节器在Matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：3) PID调节器将计算确定的参数, ,。投入闭环系统运行，观察运行效果 三、比例、积分、微分调节器的作用通过改变,的大小，观察阶跃响应曲线，可知比例作用可使调节过程趋于稳定，但在单独使用时，使被调量产生静态偏差；积分作用能使被调量无静态偏差，但单独使用时，会使调节过程变成振荡甚至不稳定；微分作用能有效地减少动态偏差，但不能单独使用。第三部分 直流炉给水控制系统参数整定 一、 直流炉给水控制系统参数整定 超临界机组锅炉采用的是直流炉，与汽包炉相比在控制上有其特殊性。超临界机组的汽水分离器在启动初期或者低负荷运行时起汽水分离的作用，这时候给水控制系统的主要任务是上水和保证锅炉的最小给水流量；燃烧控制系统的任务是控制锅炉的蒸发量，用过热器减温喷水控制锅炉出口的主蒸汽温度，给水流量的扰动不会对主蒸汽温度产生直接影响。在这个阶段给水和燃料各自有独立的控制目标，不存在煤水比控制问题。高负荷时切换为纯直流运行，汽水分离器仅作为一个流通元件，给水在给水泵压头的推动下，一次性流过省煤器、水冷壁和过热器受热面，依次完成给水的加热、汽化和蒸汽的过热过程。在稳态工况下，锅炉的给水量等于蒸发量，其循环倍率（水冷壁进口水量与水冷壁出口的蒸汽量之比）K=1。在直流炉中没有汽包将给水控制系统与汽温控制系统和燃烧控制系统隔离开来。直流锅炉纯直流运行时，给水控制系统的主要任务不再是控制汽包水位，而是以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量，保证给水量与燃料量的比值不变，进而保证主蒸汽温度不变，满足机组不同负荷下给水量的需求二给水控制方案超临界机组的给水控制既承担着过热蒸汽温度控制，又与负荷控制密不可分，是超临界机组整个控制系统的核心和难点。干态运行模式下，再循环泵停运，处于热备用状态，给水控制的任务是通过快速的煤水比控制和精确的汽水分离器出口微过热蒸汽焓值控制维持煤水比，进而保证过热蒸汽温度。根据汽水分离器出口微过热蒸汽的焓值能迅速判断煤水比是否失调，因而采用微过热蒸汽的焓值调节器的指令修正给水流量指令以保证煤水比的平衡，进而保证主蒸汽温度为给定值。给水控制系统如图3-1所示。图3-1 给水控制系统原理图其中，煤水比为负荷的函数f(x) 。微过热蒸汽焓值的给定值为负荷的函数f(x)，焓值测量值是由分离器出口温度与贮水箱排汽压力计算得出。二、 改进的给水控制方案影响中间点焓值的因素很多，除了煤水比之外，省煤器进口水温、煤质成分、燃烧特性变化、燃烧调节、省煤器、水冷壁的积灰和结渣程度、减温水量的变化、给水温度等因素都会影响中间点焓值。在正常情况下，给水温度一般不会有大的变动，但当在高压加热器因故障退出运行时，给水温度就会降低。对于直流锅炉而言，若燃料量不变，锅炉中的燃烧状况发生变化时，也会造成给水温度的变化。给水温度降低时，加热段加长，过热段缩短，因而主蒸汽温度会随之降低，负荷也会降低。由图3-2所示的超临界直流炉汽水流程图可知，给水温度信号能够提前反应燃烧状况，而且其测量相对容易。将给水温度信号引入给水控制系统，可以提高给水控制回路的准确性和快速性，减少给水系统的振荡。其控制原理图如图3-3所示。图3-2超临界直流炉汽水流程图图3-3引入给水温度信号的给水控制系统原理图改进的控制方法为：由给水温度信号作为前馈，组成新的给水控制系统。如图3-4所示。图3-4改进的给水控制系统图这种控制方法的主要宗旨：就给水温度来讲，为了使给水温度对中间点焓值的影响为零（即当给水温度扰动时中间点焓值的变化为零），在PID控制器之后加入一个补偿环节，用于提前调节因给水温度变化使中间点焓值发生变化所要改变的给水量，而不再是等到中间点焓值发生较大变化时才调节给水流量。三、 前馈-反馈控制系统基本原理前馈控制系统的特点：（1） 前馈控制系统是直接根据扰动进行控制的，因此可及时消除扰动对被调量的影响，减小被调量的动态偏差，而且不像反馈控制系统那样根据被调量的偏差反复调节，因此前馈控制系统的调节过程时间相对较小。（2）前馈控制系统只能用来克服生产过程中主要的、可测的扰动。实际生产过程中使被调量发生变化的扰动量很多，但如果对每一个扰动都设置一个独立的前馈控制，系统就会变得非常复杂；而且有的扰动常常是难以测量的，对于这些扰动就无法实现前馈控制。 （3）前馈控制系统为开环控制，不存在系统的稳定性问题。但是由于系统中不存在被调量的反馈信号，因而控制过程结束后较难得到静态偏差的具体数值。（4）前馈控制系统一般只能实现局部补偿，而不能保证被调量完全不变。前馈控制系统原理框图如图3-5所示。图3-5前馈控制系统原理框图负反馈控制系统中，当对象受到扰动N(s)的作用，被控量C(s)偏离给定值时，调节器才会起控制作用，改变对象的输出，从而补偿扰动的影响。这种靠偏差E(s)来消除扰动影响的负反馈控制系统，控制作用U(s)总是落后于扰动的作用。工业生产过程中控制对象总是存在惯性和纯滞后，从扰动N(s)作用到系统上，使被控量偏离给定值需要一定的时间，而从控制量U(s)改变，到被控量C(s)发生变化，也需要一定的时间，所以，在负反馈控制系统中，从扰动作用发生，到使被控量回复到给定的要求值需要很长时间。Gn(s)Df(s)G(s)C(s)U(s)N(S)+图3-6 前馈控制的通道结构对于存在扰动的系统，可以直接按照扰动进行控制，称作前馈控制，在理论上，它可以完全消除扰动引起的偏差。在有前馈控制的系统中，一旦出现扰动，前馈调节器就直接根据扰动的大小和方向，按照前馈调节规律，补偿扰动对被控量的影响。由于惯性和纯滞后，扰动作用到系统上，被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了补偿，如果补偿作用焓到好处，可以使被控量尚未发生变化，前馈调节器就进行了补偿，如果补偿作用焓到好处，可以使被控量不会因扰动作用而产生偏差。前馈控制的设计依据是不变性原理。“不变性”是指控制系统的被控量与扰动量完全无关，或在一定准确度下无关。然而进入控制系统中的扰动必然通过被控对象的内部联系，使被控量发生偏离其给定值的变化。而不变性原理是通过前馈控制器的校正作用，消除扰动对被控量的这种影响。在前馈控制系统中，为了便于分析，扰动N (t)的作用通道可以看作有两条，如图3-6所示。一条是扰动通道，扰动作用N(s)通过对象的扰动通道Gn(s)引起被控量变化C1(s)。另一条是控制通道，扰动作用N(s)通过前馈调节器D(s)和对象的控制通道G(s)，使被控量变化C2(s)。显然，在有扰动N(s)作用时，我们希望C1(s)和C2(s)的大小相等，方向相反。前馈调节器D(s)使得C1(s)=C2(s)，在扰动N(s)作用下，C(s)=C1(s)+C2(s)=0，即 E(t)=Cl(t)+C2(t)=0 （3-1）此时，前馈控制完全消除了扰动N(t)引起的被控量偏差。由前馈控制的通道结构图3-8，可以得到 (3-2) 由式（3-2）则 (3-3) 由式（3-3）可得前馈调节器的调节规律为 （3-4）四、 PID控制器参数整定控制系统的整定是指在控制系统的结构已确定、控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下，适当选择调节器的参数使控制仪表与控制对象的特性匹配，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。在生产过程中，比较实用的是现场整定方法，即通过现场调试来选择调节器的参数。控制系统的整定有理论计算方法和工程整定方法。工程实际中，常采用工程整定法，它们是理论基础上通过实践总结出来的。给水量-焓值模型： (4-1)给水温度-焓值模型： (4-2)式（4-1）、（4-2）分别为给水流量、给水温度对应中间点焓值的传递函数。由给水量到中间点焓值建立的被控对象飞升特性曲线如图4-1所示图4-1 被控对象特性的飞升曲线图由图4-1所示被控对象为大迟延，大惯性对象，控制较为困难，PID控制器的参数整定是将给水流量与中间点焓值之间的传递函数构成一个闭环回路，利用MATLAB的SIMULINK仿真工具，改变比例、积分和微分参数。整定PID参数的仿真界面如图4-2所示。图4-2 SIMULINK中PID整定仿真界面得出负荷阶跃变化时中间点焓值的响应曲线如图4-3所示：图4-3中间点焓值的响应曲线五、 前馈补偿环节的计算由式（3-3）可得前馈调节器的调节规律为： （3-4）MATLAB中使用的控制系统仿真图如图4-4所示：图4-4改进的给水控制系统仿真图图中为100%负荷时的给煤量设计值，为MATLAB语言表示的“负荷-煤水比”的函数关系式，为MATLAB语言表示的“负荷-中间点焓值”的函数关系式，为两个斜坡扰动叠加的给水温度扰动。将整定出的PID控制器的参数以及所需的传递函数代入到图4-4所示的仿真图中，进行仿真：（1）没有给水温度扰动与存在给水温度扰动时改进的控制方法的仿真，燃料量与负荷均为定值，中间点焓值的响应曲线如图4-5所示。其中给水量扰动50s时加入图4-5中间点焓值的响应曲线第四部分 热工系统SAMA图分析图4-6未加入前馈补偿环节的仿真图燃料量与负荷均为定值，在没有给水温度扰动和有此扰动情况下，中间点焓值的响应曲线如图4-7所示。图4-7中间点焓值响应曲线六、 结论由图4-5所示的曲线可知，改进的控制方法（引入前馈补偿环节）中给水温度对输出（中间点焓值）的影响很小，在有无给水温度扰动的情况下中间点焓值响应曲线曲线基本不变。由图4-7所示曲线了解，在没有引入前馈补偿环节情况下，给水温度扰动时，中间点焓值的响应曲线偏离较大。两种控制方法形成鲜明的对比，相对原有的控制策略，改进的控制方法系统具有较强的抗干扰能力，整个调节过