发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制1

1、课 程 设 计课题名称： 过程控制系统 设计题目： 发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制 姓 名： 班 级： A08电气1 学 号： 专 业： 电气工程及其自动化 指导老师： 胡即明 2011年 12 月 18日摘 要2一、引言31.1 设计目的31.2 设计任务41.3 设计要求52、 方案分析及选择52.1方案一 常规PID控制52.2方案二 前馈控制52.3方案三 串级控制5三、参数整定63.1 曲线法求参数6 G1分析. 6 3.2.2 G2分析. 7 3.3 调节器参数选择.84、 仪表选择10 4.1 调节阀选择 10 4.2 传感器、变送器选择10五、 仿真测试115.1 仿真试验115

2、.2 扰动实验12六、 结论13七、 参考文献13摘 要 串联控制系统实际上是在单回路控制系统的基础上增加一个控制回路来提高控制效果的系统。串联控制系统是一种极为有用的控制方法，在工业生产过程控制中应用广泛。 串联控制系统的特点是由两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。 在结构上，串联系统有一个明显的特点，即形成了两个闭环：一个闭环在里面，被称为副环或副回路，在控制过程中起“粗调”作用；一个闭环在里面，被称为主环或主回路，用来完成“细调”任务，以最终保证被控量满足工艺要求。相应地，主、副环内都有控制对象、控制参数和调节器。主调节器具有自己独立的设定值，它的

3、输出作为副调节器的设定值，而副调节器的输出信号则送到调节阀去控制生产过程。 作用在主被控过程下的，而不包括在副回路范围内的扰动被称为一次扰动；作用在副被控过程上，即包括在副回路范围内的扰动被称为二次扰动。 本设计通过实验对数据的分析，来建立系统被控对象模型的数学表达式，采用曲线法对实验数据进行了拟合，从而得出了该生产过程的被控系统的数学模型，即传递函数。接着通过对系统进行分析，决定采用串级控制。再根据对象模型的结构来确定温度控制系统的控制器及控制算法，最终来实现发电厂汽轮发电机蒸汽的温度控制。最后，还采用MATLAB仿真，通过调节使各项参数都能满足各自的要求。关键词：串联控制、调节器、扰动、仿

4、真一、引言1.1 设计目的有效控制发电厂汽轮发电机蒸汽温度，使锅炉与汽轮机组都在一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。在稳定温度下运行可以延长汽轮机寿命，减少生产事故。1.2 设计任务控制系统要求控制温度的误差不得超过5。由于汽鼓至汽轮机中间有一系列的减温器、过热器与传输管道，控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，要达到高精度的温度控制是很困难的，为此采用分段调节，其中最常见的是两段调节。这样，每段中的对象的容积迟后与传输滞后时间均可减小一半。每段分别用一个温度控制系统调节各自的减温器喷雾的减温水流量，来维持各段过热器出口的温度恒定。假定两个系统温度控制方式完全一样，试设计其中一段的温

5、度控制系统。（蒸汽的压力和温度另有控制系统，这里我们假定蒸汽恒温恒压，过热器的热量也是恒定的，汽鼓的出口压力约60公斤/厘米2左右。）一段过热器至汽轮机T1T2二段减温器4004605一段减温器给水Q汽鼓省煤器通过实验，测得对象对于输入Q（单位输入）的响应如下（表中温度为负）：时间（S）1357911131517192123252729T1（）0000.030.090.170.260.370.460.570.660.750.830.921.00T2（）000000000000000时间（S）313335373941434547495153555759T1（）1.061.111.141.181.

6、221.251.281.311.341.361.391.411.431.441.46T2（）000.010.020.030.070.090.110.130.150.170.180.200.210.23时间（S）616365676971737577798183858789T1（）1.481.491.501.521.531.541.551.551.561.571.581.581.591.591.60T2（）0.250.260.270.290.300.320.330.340.350.370.380.390.400.410.42时间（S）91939597991091331571812052292532

7、77301T1（）1.601.611.611.621.621.66T2（）0.440.450.460.470.480.520.610.690.740.780.810.840.860.870.921.3 设计要求1、系统的稳态误差为0。2、5%误差带的调整时间不大于300秒，最大超调量小于10%，这两个性能指标尽可能小。3、在减温器和过热器之间存在干扰，最大干扰引起T1处温度波动为20，要求控制使干扰对T2处的温度影响不能超出允许范围。4、至少考虑两种方案，选择其中一种，说明理由。5、根据以上的工艺要求设计该控制系统，画出系统控制框图。包括控制参数、被控参数的选择，调节阀的选择，检测与变送装置的

8、选择，控制器的设计。6、仿真验证。7、设计报告格式符合规范。8、上交设计报告的电子稿、打印稿及仿真模型。二、方案分析及选择2.1方案一 采用常规的PID控制汽轮蒸汽温度控制系统的调节对象存在大滞后现象和扰动，而系统对控制精度与功能的要求比较高，在这种情况下采用常规的PID控制得到的动态性能和稳态性能都很差，是不行的。2.2方案二 采用前馈控制前馈控制是减少控量动态偏差最有效的方法之一。但是它是一种开环控制，无法检验补偿效果，并且只能对主要扰动进行补偿。因此，在实际生产过程中，单独使用前馈控制是很难满足生产工艺要求的。 2.3 方案三 串级控制根据设计课题中对系统设计的要求，对汽轮发电机蒸汽温度

9、控制系统进行分析。由于汽鼓至汽轮机中间有一系列的减温器、过热器与传输管道，控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，要达到高精度的温度控制是很困难的，为此采用分段调节，其中最常见的是两段调节。这样，每段中的对象的容积迟后与传输滞后时间均可减小一半。每段分别用一个温度控制系统调节各自的减温器喷雾的减温水流量，来维持各段过热器出口的温度恒定。经分析发现一段过热器温度控制系统是一个中间微分调节系统。主被调节变量是一段过热器出口温度，中间为分信号是出一段减温器的蒸汽温度。系统包括两台温度变送器（T1与T2）、一台减分器、一台PI调节器以及电/气转换、升压型气动继动器、带阀门定位器的气动活塞式执行机构、调节阀

10、本体等。由于减温水的压力很高，所以调节阀应选用耐高压与流通能力大的阀门。下图是蒸汽温度串级控制系统框图。主调节器被控对象2被控对象1调节阀副调节器 副回路温度 测量变送主回路温度 测量变送三、参数整定3.1 曲线法求参数根据任务书中T1、T2的单位输入响应实验数据，可以用最小二乘法进行拟合，或用曲线法计算参数。 3.1.1 对分析根据T1实验值经EXCEL计算，得到下图图3.1静态放大系数 将转换成相对值 ,有 （31） （32）式中，,对式（31）、（32）两边取对数，并联立得 （33） （34）取，根据式（33）、（34）代入数值可求得两组和对于有 s , s对于有 s , s取平均值得

11、（35） 3.1.2 对分析根据T2实验值经EXCEL计算，得到下图图3.2静态放大系数 同中算法，取，对于有 , 对于有 , 取平均值得 所以的对象模型为 (36)由上述两式得与的关系可得 (37) 3.2 调节器参数选择 本设计采用两步整定法，即第一步整定副调节器参数，第二步整定主调节器参数。在此基础上再用试凑法，试凑法具体步骤如下：（1） 先整定比例部分，将比例系数由小调大，并观察相应的系统相应趋势，直到得到反应快、超调量小的响应曲线。如果系统没有稳态误差或稳态误差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。（2） 如果在比例调节的基础

12、上系统的稳态误差不能满足设计要求，则需加入积分环节。先置一个较大的积分时间系数，同时将比例系数缩小至原来的80%，然后减小积分时间常数，使其保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的稳态误差得到消除。实验中可以反复调整比例系数和积分时间系数，从而实现满意的控制过程和整定参数。（3） 如果使用比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不能令人满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。在整定时，可先置微分时间系数为0，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数，同时相应地改变比例系数和积分时间系数，逐步试凑，（4） 获得满意的调节效果和控制参数。最终得到主调节器，副调节器。4、 仪表选择 4.1 调节阀

13、选择SLZW型自力式温度调节阀不需外界能源而进行温度自动调节。它适用于蒸汽、热水、热油等为介质的各种换热工况。广泛应用于供暖、空调、生活热水中的温度自动调节，以及特殊工况的温度自动调节。主要特点：（1）无需任何外加能源，利用被调介质自身能量实现介质温度自动调节的执行器产品。（2）有较宽的温度设定范围，显示清晰、精度高，并设有过载保护装置，安全可靠。 4.2 传感器、变送器的选择传感器选用FR-01系列的温度传感器，它采用进口铂电阻芯片制做而成，适合测量-100500温度区间，该产品具有良好的抗震能力、高精度、长期稳定性好和安装简单等特性，在各个行业中被广泛应用。变送器选用SBWZ系列Pt100

14、0热电阻温度变送器，它采用二线制传送方式(两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线)。将热电阻信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的420mA的输出信号。主要特点：（1） 采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。 （2）现场安装于热电阻的接线盒内，直接输出420mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。 （3）精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。 （4）量程可调，并具有线性化较正功能，热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。应用面广，既可与热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装入检测设备中。5、 仿真测试5.1 仿真试验图5.1 MATLAB SIMULINK进行仿真系统方框图由MATLAB的SIMULINK进行仿真所得到的结果，设计所用的SIMULINK图为上图。由下图可以看出，系统的调节时间约为205s，且系统无稳态误差，符合设计要求。图5.2 仿真波形图5.2 扰动实验按照设计要求在减温器和过热器之间存在干扰，最大干扰引起T1处温度波动为20，要求控制使干扰对T2处的温度影响尽量小。在T1处加入干扰信号得到下图：图5.3 加入扰动后MATLAB SIMULINK进行仿真系统方框图 图5.4 加入扰动后波形图当时间到达1000s时，在处加入扰动后，处的波形图如上图所示，可