热工控制系统课程设计报告书

1、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月对象的传递函数求取1.1动态特性分析1.2主汽温对象的传递函数分析37%负荷50%负荷75%负荷100%负荷单回路系统参数整定2.12.22.3广义频率特性法参数整定临界比例度法确定调节器参数PID调节系统的分析5.11比例系数茁话积分时间常数.微分时间常数题同时对.版&、嵐:;、斗削参数改变的研究主蒸汽温度串级控制系统参数整定3.13.23.33.4整定内回路副调节器参数整定外回路主调节器参数加减温水扰动不同负荷下控制系统控制品质分析电厂汽温控制系统SAMA图分析参考文献111213.

2、14.1.5.1.6.1.617.19221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（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

3、定：作稳态值的渐近线试减，则在试验获得的阶跃响应曲线上,求得yg；二Lf i及门处了3）时 对应的时间一、一后，利用两点法求阶数n和惯性时间卞1。由曲线可知放大系数K，利用两点法确定-、一后，利用下式计算n和T："（叱1+0打”代V上2_上丄J2Abnn1234567tj仏0.3170.4600.5340.5840.6180.6400.6660.317 0.4020.402 0.5010.501 0.5600.560 0.6010.601 0.6560.635 0.6560.656 0.678n891011121314ti/t0.6840.6990.7120.7240.7340.74

4、80.7510.678 0.6920.692 0.7060.706 0.7180.718 0.7290.729 0.7380.738 0.7470.747 0.751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 銳九由下表查得相应n值其中第一行为的典型值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 ：-1.04837%-5.072784sa+565+1i05251369305681sfl-b 14e528313350(Hs" + s +3246303278055+ 717H9674s-b H1351%s3 + 89516

5、e= + 452e+ 1-3.0675°%LI IS230539333248s7 + 38423222206sB + 2744515872s5 +1 Ofl 9 CJ9 36 0 s* + 2593080s> + 3 7 0445= + 294s +1-L6S775% 一1.Z0Z107345794S5s'+ 27727690Sss+ 306949665sa +18B77531s* + 6%58753 4 15422s3+ 189s+ 1100%-0.815324sa+365+138806720sfi + 12&5+36556 + 171343s4-h12459

6、0s3+5078s2+110s+lF面就在Matlab中进行建模分析1.2.1 37% 负荷导前区传递函数:施外-5.D72fefis+l）z惰性区图像如下：_=396.4=579.7宛=（竺空邑+ 0百）血8 ta-tiJ则传递函数'二-1.048（56.49r+l）£122 50%负荷导前区传递函数：W(Q =3.057(25s+l?惰性区图像如下：求得传递函数1 他(4 2.185+ 1J7W(s)=1.2.3 75% 负荷导前区传递函数:惰性区图像如下：W(s) =-1.657(20s+lJz求得传递函数、124 100% 负荷导前区传递函数：W(s)=一 0月1&#

7、163;(195+12惰性区图像如下：2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W*o(5)若采用等幅振荡法确定比例调节器的参数，其传递函数为WT （s） = kp100%负荷时汽温对象惰性区传递函数为 皐滞=绍暫8尸巒 用 代入，等幅振荡时，妙仝;，贝U1.276应（£”©）=1由广义频率特性法可得（Tqs + I）6.（1 +加71 + 坊）乎创应匕5皿（立 _ i+（iir（）2aI崔戸吐 = 13581.276即 I.71 = oarctantolo n cjTq = tan -=

8、V-63事实上对于.阶多容惯性环节、，可用如下简化公式进行整定参数的计算1Kp =1K(m sincos则当等幅振荡时，二,对于100%负荷惰性区传递函数可得=0.0311Kp =1.276(cosl°=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 。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）或临界增益二（并-1/寻）和 临界振荡周期_ 0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

9、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-.。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调至 无穷大（即h. U），微分时间hi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I和振荡周期T。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8PO迢2.44PI2.2Sk3.040.854PID1.676ft214o.5rt0.257；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

10、Matlab/Simulink 中建立调节器模型:O | 回 |0启IS冒3屮令000 gonnal工里画(?) iFite Edit View Simulation Format loots HetD«ffiv3tivelIni Outl进行调试后得到等幅振荡曲线如下，此时=0.0074=0.25* 0.6*4 = 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 F表进行参数计算表2KPP0.5耳OO0

11、PI0.455臨0.8337；0PID66耳0.57；0.1257；如对于上面的100%惰性区传递函数调节器，整定得二1,11门 厂 u j.li I I I 匚-二 m（2）以上曲线最大超调量都超过了 20%，最终整定参数如下LII ?： - C.ijlj （3）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231比例系数比例系数；-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；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

12、变得不稳定。当 一二太小时，又会使系统的动作缓慢。0100200300400500600700 BOO 9001000积分时间常数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 的大小，. 越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。增大积分时间常数，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。233微分时间常数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

13、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 数的大小，）越大，微分作用越强，反之则越弱。微分时间常数偏大或 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,才能获234同时对”.、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

14、统原理结构图如下所示喷水由上图可得串级控制系统的方框图如下4调*肄77m/iP 导曲M对發幅杵x对姒华IW,(S>测眾变送器1 +加）=心+心扛心串级控制系统中主调节器琢曲采用比例积分微分（PID）调节器，其传 递函数为：町®叮（式中：主调节器比例系数（匚 =一）；二一主调节器积分系数一一一主调节器微分系数过热汽温串级控制系统中副调节器 魂匚曲采用比例（P）调节器，其传递 函数为：r式中:二副调节器比例系数（匚一 =_一）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贰祖I，氐口，工；1 i：，主回路反馈系数r1=0，阶跃输出模块 （Step）的终值设为

15、535 °C，仿真时间设1000s，逐渐增大%建，在Scopel中3.2整定外回路主调节器参数将主回路反馈系数r1=1 ,畐闌节器比例系数丁.不变，逐渐增加在由表2计算得*刊.-'汇：mm a 、=：汀:最终整定得参数如下3.3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(Stepl )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。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

16、图，在将不同负荷下的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：K巩K皿100%1.210.010933.764.45475%1.220.006557.012.19550%1.330.004695.641.1937%1.320.0030146.030.723可见随着负荷的降低，主调节器的比例系数微分系数二都逐渐增 大，而积分系数佥忸、畐寸调节器比例系数工朋都逐渐减小，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汽伍撰汽温用1K-'AKJnfilXZA?T"AK二纽q那a 恻入匚海也二细才熱器日侧入口粽度二级过热器控制三级过热器控制再热器控制卩HL器吟木帅|F忖澤唏取：州本机组采用了 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这几种汽温控制方法，并设置 了