过程控制课程设计600MW超临界直流锅炉主汽温控制系统-主汽温控制-

1、华处也力，叫课程设计报告（20132014年度第 二 学期）名称：过程控制技术与系统题 目：600mw段临界直流锅炉主汽温控制系统院系：控制与计算机工程学院班 级：姓 名：学 号：设计周数：1 周日期：2014年6月30日过程控制课程设计报告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

2、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sam/® （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、周二2制定控制方案，绘制控制系统 samab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 sama®2 .根据已给对象，用 matab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

3、方式提交设计报告及答辩学生姓名：简一帆指导教师：张建华2014 年6 月30 日、课程设计目的与要求1 .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。2 .掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。2.1 设计前期工作(1)查阅资料。对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量。(2)确定自动化水平。包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平。(3)提出仪表选型原则。包括测量、变送、调节及执行仪表的选型。2.2 设计工作(1)根据对被

4、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sam/® (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。3 .培养学生对过程控制系统的基本设计能力。4 .提高学生的实践动手能力和创新能力。二、设计正文1 .控制系统的基本任务与要求(1)维持过热器出口温度在允许的范围之内。对于超临界机组要求过热蒸汽温度为：540 610：oc .(2)保护过热器，使其管壁温度不超过允许的

5、工作温度。2 .被控对象动态特性分析3 . 1影响过热蒸汽温度的因素影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种：(1)蒸汽流量(负荷)扰动；(2)烟气热量扰动(燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等)；(3)减温水流量扰动。2. 2过热汽温控制对象的动态特性分析(1)蒸汽流量(负荷)扰动下的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温的变化。如图，在t = 0s时刻产生蒸汽流量扰动 ad下过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管 道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。19般,d =15s图1蒸汽流量(负荷)扰

6、动下的动态特性曲线(2)烟气热量扰动下的动态特性给粉机给粉不均匀，过剩空气系数改变，汽包给水温度等的改变都将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tq=1020s之间，同时体现出自平热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在衡特性。烟气侧扰的汽温响应曲线如下图所示。图2烟气侧扰动的汽温响应曲线(3)减温水流量扰动下动态特性应用喷水来控制蒸汽温度是目前最广泛采用的一种方式，对于这种控制方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容 对象串联组成的多容对象

7、，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽 温度日的变化。因此，日会有很大延迟，减温器离过热器出口越运，延迟越大，其响应曲线如下图。喷水量振动响应曲线具有惯性，有迟延，有自平衡性。其迟延与管道长度成正比，一般锅炉延 迟在七二3060s。图3减温水流量扰动下的汽温响应曲线2 .主汽温控制方案通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。目 前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采 用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。通过对这些控制方案的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效

8、果不如串级控制系 统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比较大时更为明显。因此，本次课程设计采用串级控制系统。2.1 串级控制系统控制结构原理图串级控制的结构方框图如下:图4串级控制结构方框图2.2串级控制系统工艺流程图（pid图）过热器低温段过热器高温段去汽轮机减温水明图2.3控制系统sam阖一过出口温度一级减温器出口温度去本页01qc去本页03ai自本页06+典t-士，ntao自本页去本页一级喷水阀工二去本页qc_ttl1门一加k -温度在屋变送器心 执行器5串级汽温系统控制原理图去本页自本页自本页自本页，一过出口温度信号故障自本页-03, 一过出口温度偏差大04 3一'减阀位偏差大02

9、 .一减出口温度信号故障or一减切手动05）去本页图名一级减温控制系统图号jw-01单位华 北 电 力 大 学页号第1页设计审核制图日期07.6.11图6串级控制系统sam幽3 .仿真实验与系统整定3.1 被控对象特性介绍本次课设根据ppt中600mw超临界直流锅炉机组主汽温的对象为被控对象，其对象模型如下:其中:w -喷水流量日1,曰2一_惰性区温度，导前区温度d -主蒸汽流量3.2 系统仿真针对上述的被控对象，本课设采用的是常规pid串级控制，其控制原理图在图4中进行了分析。在串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调的作用，因此副控制器采用的是 p控制器；

10、主控制器的作用是的主汽温起细调作用，因此采用的是pi控制器。(1)仿真图的建立图7仿真结构图(2)内回路参数整定断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。建立如下图所示的仿真图。5脚11图8内回路衰减曲线法整定仿真图整定的步骤：(1)断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯 p作用。(2)反复调整比例带 仃，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率少=0.750.9,记录曲线。调整控制参数：当p=1.14时得到控制输出曲线。此时的衰减率少=75.2%。图9内回路整定输出曲线1(3)外回路参数整定把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。建立如下所示的仿真图:

11、trjrhrfenl tiirfititiinrlbr1112ftrmrfcarjtrjrfqrf 二甫图10外回路衰减曲线法整定仿真图整定的步骤：（1）闭合主回路，整定外回路。反复调整主调节器比例带仃和积分时间i,直到衰减率 少=0.75记录曲线。得出 p=0.58 i=0.0077 （t=16.8% j =75%图11外回路整定输出曲线由上图可以看出，得到的外环控制输出曲线超调量较小，控制曲线光滑，品质优良。（4）电厂主汽温控制仿真本课设以超临界机组的主汽温 540 c附近为仿真参考，假定主汽温已经稳定在 535 c,现在主汽 温控制由535c变化到540c时，仿真中变化值由 0变化到5,

12、并由540c变化到535c ,即仿真变化 值由5变化到0,分析该控制回路的控制品质。1）搭建如下图所示的仿真图：tiaraui fcriz trnfar fciyif ctg lunsdti fc-trt+ 20.4s*i20.01图12电厂主汽温控制仿真图2）主汽温给定值由（535+0） c变化到（535+5） c设定阶跃信号初始值为0,500s后跳跃至5,得到控制输出曲线:图13电厂主汽温控制输出曲线1由上图可知，在500s时阶跃信号产生时，开始进行调节，超调量为 16.9%,同时内回路的控制输出曲线也比较光滑，超调量也较小，控制品质较好。3）主汽温给定值由（540+0） c变化到（540

13、-5） c时设定阶跃信号初始值为5,1500s后跳跃至0,得到控制输出曲线:图14电厂主汽温控制输出曲线 2由上图可知，在1500s时阶跃信号产生时，开始进行调节，控制品质依旧较好。（5）抗外扰测试本课设的外扰为蒸汽流量干扰，其对主汽温动态特性影响的传递函数已经由ppt给出。1）搭建如下图所示的仿真图：图15电厂主汽温控制抗外扰测试仿真图2）测试设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的10%20%,本课设取20%,即变化量约为0.2。阶跃信号初始值为0,1500s后跳跃至0.2,得到控制输出曲线：图16电厂主汽温控制抗外扰测试输出曲线由上图可知，在有蒸汽流动扰动的情况下，串级控制回路虽然能快速的克

14、服干扰，但是超调量较 大，因此可以考虑加入前馈控制，来解决超调量较大的问题。根据绝对不变形，设计动态前馈补偿器，搭建如下图所示的仿真图：图17串级+前馈测试仿真图得到的输出曲线如下图所示:本课设的内扰为模拟内部干扰，其值约为控制量的10%1）搭建如下图所示的仿真图:图19电厂主汽温控制抗内扰测试仿真图2）测试设内部干扰为0.1,阶跃信号初始值为0,2000s后跳跃至0.1,得到控制输出曲线:图20电厂主汽温控制抗内扰测试输出曲线由上图所知，当有内部干扰变化影响回路时，串级控制输出的波动较小，超调量较小，并且调 节时间短，能够有效的客服内扰对控制回路的影响。（7）抗干扰综合测试将内扰和外扰综合进

15、行测试，主汽温给定值由（535+0） c变化到（535+5） c,设定阶跃信号初始值为0,1s后跳跃至5。在2000s后加入内扰0.1, 3000s后加入蒸汽流动扰动信号变化量为 1,检验系统抗干 扰能力。1）搭建如下图所示的仿真图:图21电厂主汽温控制抗干扰综合测试仿真图2)仿真得到的输出曲线:图22电厂主汽温控制抗干扰综合测试输出曲线由上图可知，该串级+前馈控制回路能够有效的克服内扰和外扰叠加对控制系统的影响，使控制品质 得到保证，因此该串级 +前馈控制系统设计合理。4.控制方案与仿真结果分析本文主要针对600mw机组主汽温的对象进行控制系统的设计，通过对该被控对象和影响其动态 特性的因素

16、进行了分析。分析发现该对象惯性比较大。对于电厂主汽温的控制目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。但通过相 关文献的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制 对象惰性区的延迟和惯性比较大时更为明显。同时串级pid控制是目前火电厂中主汽温控制中采用最多的控制策略，同时串级控制具备如下特点：(1) 对二次干扰有很强的克服能力；(2) 能够改善被控对象的动态特性，提高系统的工作频率；(3) 对负载或操作条件的变化有一定的自适应能力。因此，本文对文献 3中的被控对象采

17、用了 pidpid串级控制，其中副回路用 p调节，主回路用pi调节在仿真实验和整定过程中，通过整定，串级控制回路的控制输出曲线的超调量控制在了20%以内，衰减率也控制在了合理的范围之内，其控制输出曲线光滑。通过对超临界机组的温度控制的仿真，该串级控制能够有效的对其变化值为5的阶跃信号进行控制，经过仿真输出曲线可以发现，其能够对给定值进行有效的控制，超调量小于1,控制品质优良。此外，在仿真中还对该串级控制进行了抗干扰测试，分别对内扰信号的抗干扰能力和外扰信号的抗干扰能力进行了测试。经过测试发现，该控制回路能够有效的克服内扰对系统的影响，对外扰也能够有一定的消除作用，在外扰信号 和内扰信号叠加的同

18、时也能够有效的消除干扰。因此，通过仿真实现可以得出结论：设计的串级控 制回路能够对电厂主汽温给定温度值变化进行控制，能够很好的消除内部扰动对系统的影响，对外 扰具备一定的消除作用，总体设计合理有效。当然，在仿真过程中也还存在一些不足，比如对外扰的抗干扰效果还可以进一步提高。同时， 在仿真过程中，我们没有加入速度限制模块，这个在实际应用中是十分重要的，这一部分也应该加 强。此外，本文仅采用串级控制进行了设计，但现今先进的控制方法如：模糊控制、最小方差控制 等等也能取得很好的控制效果，这些先进的控制方法也可以进行一定的分析比较研究。三、课程设计总结本次课程设计主要对 600mvwl组主汽温的对象进行控制系统的设计，在设计过程中我们主要完成了被 控对象分析，根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控