可編程控制器技術(shù)討論與未來發(fā)展答辯稿

電廠鍋爐蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)老師： 姓名： 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 103618 一、課題研究意義 二、鍋爐簡介 課題研究意義 蒸汽溫度是鍋爐安全 、 高效 、 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要參數(shù) ， 因此對(duì)蒸汽溫度控制要求嚴(yán)格 。 過高的蒸汽溫度會(huì)造成過熱器 ， 蒸汽管道及汽輪機(jī)因過大的熱應(yīng)力變形而毀壞；蒸汽溫度過低 ， 又會(huì)引起熱效率降低 ， 影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行 。 鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣 ， 采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器 、 儀器儀表或單片機(jī) ， 不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ，效率比較低 ， 而且可靠性也不高 。 本次課設(shè)設(shè)計(jì)的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級(jí)過熱器 、 減溫器 、二級(jí)過熱器 。 鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱汽和再熱蒸汽溫度的的調(diào)節(jié) 。 主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)非常重要的 。 過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi) ，并保護(hù)過熱器 ， 使其管壁溫度不超允許的工作溫度 。 鍋爐簡介 鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動(dòng)力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可提供生產(chǎn)過程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動(dòng)力源。在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用的燃料的種類、燃燒設(shè)備、鍋體形式、鍋爐功能和運(yùn)行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有各種不同的流程。常見鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如下圖所示： 一、串級(jí)控制系統(tǒng) 二、導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) 串級(jí)控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 1、串級(jí)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小，克服干擾的能力也就越強(qiáng)，副調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)整定的越大，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)越顯著。 2、串級(jí)控制系統(tǒng)可以減小副回路的時(shí)間常數(shù)，改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率，當(dāng)主、副對(duì)象都是一階慣性環(huán)節(jié)，主、副調(diào)節(jié)器都采用比例作用時(shí)，串級(jí)控制系統(tǒng)由于改善了對(duì)象的特性，從而使整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率比單回路系統(tǒng)的工作頻率有所提高，而且當(dāng)主、副對(duì)象特性一定時(shí)，副調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)越大，則工頻率越高。 3、串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力，串級(jí)控制系統(tǒng)主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，其副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它的定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，是一個(gè)隨機(jī)變化的量，主調(diào)節(jié)器按照被控對(duì)象的特性和擾動(dòng)變化的情況，不斷地糾正著副調(diào)節(jié)器的給定值，副調(diào)節(jié)器使系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)縮短能很快克服擾動(dòng)，改善動(dòng)態(tài)特性，也就是一種自適應(yīng)能力。 采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 1、控制對(duì)象可以分段。如下圖所示的對(duì)象，在物理上可分為兩段，兩段的傳遞函數(shù)分別為 W0l(S)，和 W02(S)，整個(gè)對(duì)象的傳遞函數(shù)為 W(S)=W01(S)W02(S)。 其中 W0l(S)稱作對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)，W02(S)稱為對(duì)象惰性區(qū)。 2、中間信號(hào)可測。在下圖中，中間信號(hào) 2必須是可以測量的。 l為被調(diào)量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個(gè)條件。 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 根據(jù)在減溫水量擾動(dòng)時(shí)，過熱蒸汽溫度有較大的容積遲延，而減溫器出口蒸汽溫度卻有明顯的導(dǎo)前作用，完全可以構(gòu)成以減溫器出口蒸汽溫度為副參數(shù)， 主蒸汽溫度為主參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3-4所示。 系統(tǒng)中以減溫器的噴水為控制手段，在單回路控制主汽溫 l(即將 1作為主信號(hào)反饋到調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器直接去控制閥門開度 )的基礎(chǔ)上增加一個(gè)對(duì)減溫水流量變化反應(yīng)快的中間溫度信號(hào) 2作為導(dǎo)前信號(hào)，增加一個(gè)副調(diào)節(jié)器，如圖 8所示的串級(jí)控制信號(hào)系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器根據(jù) 2信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)，蒸汽溫度 2比 l提早反映，使擾動(dòng)引起的 2波動(dòng)很快消除，從而使過熱蒸汽溫度基本不受影響。熱蒸汽溫度基本不受影響。 主汽溫串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖 串級(jí)過熱汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖 串級(jí)控制系統(tǒng)主副回路確定 串級(jí)控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇為充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的上述優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)合理選擇副回路及主副調(diào)節(jié)器的規(guī)律。主副回路的選擇原則。 副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用保證主參數(shù)的穩(wěn)定，以盡量減少它們對(duì)主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對(duì)副參數(shù)的要求也不高的情況下為使兩者兼顧而采用串級(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差 (穩(wěn)態(tài)誤差 )，此時(shí)副調(diào)節(jié)器可采用比例控制主調(diào)節(jié)器采用比例積分或比例積分微分控制。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) 在溫度控制系統(tǒng)中，常用的一種便是導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個(gè)信號(hào)。一個(gè)信號(hào)是主汽溫經(jīng)變送器直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器的信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號(hào)。在時(shí)間和相位上，后一個(gè)信號(hào)超前于主信號(hào)（主汽溫信號(hào)），因此把這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。又因?yàn)樗袃蓚€(gè)信號(hào)直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制性能。 采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖 采用微分信號(hào)改變控制對(duì)象特性的方框圖 單回路系統(tǒng)方框圖 雙回路系統(tǒng)的等效方框圖 兩種汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較 前面討論了串級(jí)過熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中一般都能滿足生產(chǎn)上的要求，但這兩種控制系統(tǒng)在控制質(zhì)量、系統(tǒng)構(gòu)成、整定調(diào)試等方面各有特點(diǎn)。 1、把采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級(jí)控制系統(tǒng)來看待時(shí)，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI調(diào)節(jié)器。但對(duì)于實(shí)際的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應(yīng)采用 P或 PD調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應(yīng)采用 PI或 PID調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級(jí)系統(tǒng)； 2、串級(jí)控制系統(tǒng)主、副兩個(gè)控制回路的工作相對(duì)比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)的整定、調(diào)試直觀、方便。而有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)整定時(shí)相互影響，不容 易掌握 控制儀表的選擇 主副回路的選擇 主副調(diào)節(jié)器選擇 控制器的選擇 控制儀表的選擇 控制儀表的主要類型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng)，電動(dòng) I型、 II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng) II型、 III型。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實(shí)施方案也不同。 電動(dòng) III型和電動(dòng) II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號(hào)不相同，控制 II型典型信號(hào)為，而電動(dòng) III型儀表的典型信號(hào)為，此外。 III型儀表較 II型儀表操作、維護(hù)更為方便、簡捷，同時(shí) III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換非常方便，隨時(shí)都可以進(jìn)行切換，且保證無擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng) III型儀表。 主副回路的選擇原則 1、副回路應(yīng)該把生產(chǎn)過程的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。 2、選擇副回路時(shí)，應(yīng)力求把盡量多的干擾包括進(jìn)去，以盡量減少它們對(duì)主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。 3、主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配，串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)相比，其工作頻率提高了，但這與主副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)選擇是有關(guān)的。原則是兩者相差大一些。 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 1、主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對(duì)副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用的串級(jí)控制方式時(shí)，主副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 2、要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時(shí)副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 3、主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時(shí)主副調(diào)節(jié)器均可采用比例積分控制。 控制器選擇 對(duì)于一個(gè)完整的串級(jí)控制系統(tǒng)，主、副控制器的正。反作用的判斷應(yīng)該是先副后主。 副回路的正、反作用的選擇：副回路的具體情況決定論副控制器的正、反作用，而與主回路無關(guān)。為了使副回路能構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以副回路的開環(huán)放大系數(shù)符號(hào)必須是“正“。即副回路中所有環(huán)節(jié)的放大倍系數(shù)符號(hào)的乘積為”正“在本串級(jí)控制系統(tǒng)中隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，減溫水的流量會(huì)隨之增加，副對(duì)象即減溫器后端蒸汽會(huì)有一定幅度的降低，所以調(diào)節(jié)閥對(duì)副對(duì)象的作用為負(fù)；而調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)閥，其控制作用為負(fù)；變送器的控制作用均為正，為了保證開環(huán)放大系數(shù)乘積的符號(hào)位“負(fù)”，所以副控制器的控制作用符號(hào)需為“正”，所以主控制器的控制作用符號(hào)“正”，即控制器的控制作用為反作用。 一、 PID控制器 二、控制系統(tǒng)仿真 PID控制系統(tǒng) c(t) + + r(t) 比例 P 積 分 I 微分 D 被控 對(duì) 象 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)，即： e(t)=r(t)-c(t) 將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)過程對(duì)象進(jìn)行控制，故稱為 PID控制器?？刂埔?guī)律為 : 或以傳遞函數(shù)形式表示： 其中 比例系數(shù) , 積分時(shí)間常數(shù)， 微分時(shí)間常數(shù) )()(1)()(0 dttdeTdtteTteKtutdiP )11()( )()( T d sT i skpsE sUsG Kp Ti TdPID控制參數(shù)整定方法 系統(tǒng) 參 數(shù) （ %） T1(min) TD(min) 溫度 20 60 3 10 0.5 3 流量 40 100 0.1 1 壓力 30 70 0.4 3 液位 20 80 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù) 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器名稱 （ %） s T1（ S） TD（ S） P 2 s PI 2.26 s Ts/1.2 PID 1.6 s 0.5Ts 0.125Ts 臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制系統(tǒng)仿真 1、 主控對(duì)象數(shù)學(xué)模型為： 副控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為： 控制器采用 PI控制規(guī)律對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。 副控制器選擇 P作用，主控制器選擇 PID作用，整定串級(jí)控制器的參數(shù)為最佳值，同樣是 40%的設(shè)定值擾動(dòng)。 244 )125/(25.1)( sesG s)112/()( 4 sesG s0 0 0 0 5.0,45.0 ip KK(a) (b) (a)串級(jí)控制系統(tǒng)的仿真框圖 (b)串級(jí)控制系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 2、對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行大約 900s后，圖加幅值為設(shè)定值 40%的二次階躍擾動(dòng)信號(hào)，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線如圖 4.7所示，此時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間大約為 330s。 015.0,45.0 ip KK(a) (b)擾動(dòng)信號(hào)單獨(dú)作用下的輸出曲 線 (c)設(shè)定值和擾動(dòng)同時(shí)作用下的輸出曲線 致謝 首先，我要衷心感謝我的指導(dǎo)老師金文凱老師，沒有他的悉心指導(dǎo)，我也不會(huì)這么順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計(jì)。其次，我要感謝我的母校，四年來，在母校的栽培下，使我順利的完成了學(xué)業(yè)，并且給我的學(xué)生時(shí)代劃上了完美的句點(diǎn)。最后，我要感謝我的父母，是他們的無私奉獻(xiàn)供養(yǎng)了我上大學(xué)，我才會(huì)有今天的成績，衷心的感謝他們！ 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從一接到任務(wù)書，就在金文凱老師的悉心指導(dǎo)下，還有我