熱工控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)53948

1、院 系：動(dòng)力工程系專 業(yè)：熱能與動(dòng)力工程班 級：學(xué) 號：姓 名：指導(dǎo)教師：2010年12月1 對象的傳遞函數(shù)求取11.1 動(dòng)態(tài)特性分析11.2 主汽溫對象的傳遞函數(shù)分析21.2.1 37%負(fù)荷31.2.2 50%負(fù)荷41.2.3 75%負(fù)荷41.2.4 100%負(fù)荷52 單回路系統(tǒng)參數(shù)整定62.1 廣義頻率特性法參數(shù)整定62.2 臨界比例度法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)72.3 PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析112.3.1 比例系數(shù)112.3.2 積分時(shí)間常數(shù)112.3.3 微分時(shí)間常數(shù)122.3.4 同時(shí)對、參數(shù)改變的研究133 主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定143.1 整定內(nèi)回路副調(diào)節(jié)器參數(shù)153.2 整定外回路

2、主調(diào)節(jié)器參數(shù)153.3 加減溫水?dāng)_動(dòng)163.4 不同負(fù)荷下控制系統(tǒng)控制品質(zhì)分析174 電廠汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖分析19參考文獻(xiàn)221 對象的傳遞函數(shù)求取1.1 動(dòng)態(tài)特性分析調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由調(diào)節(jié)對象和調(diào)節(jié)器組成的。不同的調(diào)節(jié)對象要求采用不同作用的調(diào)節(jié)器，且在投入運(yùn)行前必須根據(jù)調(diào)節(jié)對象的具體特性，整定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)。因此對調(diào)節(jié)對象動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析是很有必要的。對于一個(gè)典型的有延遲一階對象，其階躍響應(yīng)曲線如下：有自平衡能力的高階對象的階躍響應(yīng)有時(shí)可用遲延環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)來等效，若選定的傳遞函數(shù)的形式為 （其中為延遲時(shí)間）則其階躍響應(yīng)曲線仍可用上圖來表示，其傳遞函數(shù)可用一個(gè)n階等容慣性環(huán)節(jié)來近

3、似表示，即上式中有三個(gè)待定的參數(shù)：放大系數(shù)K，時(shí)間常數(shù)T和階數(shù)n，求取方法按以下方法確定：作穩(wěn)態(tài)值的漸近線，則在試驗(yàn)獲得的階躍響應(yīng)曲線上，求得及時(shí)對應(yīng)的時(shí)間、后，利用兩點(diǎn)法求階數(shù)n和慣性時(shí)間T1。由曲線可知放大系數(shù)K，利用兩點(diǎn)法確定、后，利用下式計(jì)算n和T：上式求得的n不是整數(shù)時(shí)，應(yīng)選用與其最接近的整數(shù)。為方便計(jì)算可根據(jù)由下表查得相應(yīng)n值n1234567n891011121314其中第一行為的典型值。1.2 主汽溫對象的傳遞函數(shù)分析某主汽溫對象在不同負(fù)荷下有如下的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)對象動(dòng)態(tài)特性：37%50%75%100%下面就在Matlab中進(jìn)行建模分析。1.2.1 37%負(fù)荷導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)：惰性

4、區(qū)圖像如下：=396.4 則傳遞函數(shù)1.2.2 50%負(fù)荷導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)：惰性區(qū)圖像如下：求得傳遞函數(shù)1.2.3 75%負(fù)荷導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)：惰性區(qū)圖像如下：求得傳遞函數(shù)1.2.4 100%負(fù)荷導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)：惰性區(qū)圖像如下：求得傳遞函數(shù)2 單回路系統(tǒng)參數(shù)整定利用第一部分建立的對象傳遞函數(shù)，進(jìn)行參數(shù)整定。2.1 廣義頻率特性法參數(shù)整定單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示若采用等幅振蕩法確定比例調(diào)節(jié)器的參數(shù)，其傳遞函數(shù)為100%負(fù)荷時(shí)汽溫對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)為用代入，等幅振蕩時(shí)，則由廣義頻率特性法可得即事實(shí)上對于階多容慣性環(huán)節(jié)，可用如下簡化公式進(jìn)行整定參數(shù)的計(jì)算1則當(dāng)?shù)确袷帟r(shí)，對于100%負(fù)荷惰性區(qū)

5、傳遞函數(shù)可得2.2 臨界比例度法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)Ziegler和Nichols提出的臨界比例度法是一種非常著名的工程整定方法2。通過實(shí)驗(yàn)由經(jīng)驗(yàn)公式得到控制器的近似最優(yōu)整定參數(shù)，用來確定被控對象的動(dòng)態(tài)特性的兩個(gè)參數(shù)：臨界比例度(帶)或臨界增益（）和臨界振蕩周期。臨界比例度法3適用于已知對象傳遞函數(shù)的場合，在閉合的控制系統(tǒng)里，將控制器置于純比例作用下，從大到小逐漸改變控制器的比例度，得到等幅振蕩的過渡過程。此時(shí)的比例度被稱為臨界比例度，相鄰兩個(gè)波峰間的時(shí)間間隔為臨界振蕩周期。用臨界比例度法整定PID參數(shù)的步驟如下：先將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間調(diào)至無窮大（即），微分時(shí)間調(diào)至零。然后從大到小調(diào)節(jié)，直至調(diào)節(jié)過程出

6、現(xiàn)等幅振蕩為止，記下此時(shí)的比例帶數(shù)值和振蕩周期。然后按照下表進(jìn)行調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)選擇1表1調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)PPIPID表中每一欄有兩個(gè)數(shù)據(jù)，上面的數(shù)據(jù)使用于無自平衡能力的對象，下面的數(shù)據(jù)使用于有自平衡能力的對象。使用該表整定100%負(fù)荷惰性區(qū)傳遞函數(shù):在Matlab/Simulink中建立調(diào)節(jié)器模型:進(jìn)行調(diào)試后得到等幅振蕩曲線如下，此時(shí)，原傳遞函數(shù)帶自平衡能力，用上表相應(yīng)參數(shù)計(jì)算PID調(diào)節(jié)器參數(shù)將以上帶入調(diào)節(jié)器進(jìn)行測試響應(yīng)曲線如下可見調(diào)節(jié)效果并不好，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該表適用于無自平衡能力對象的參數(shù)反而能達(dá)到很好的調(diào)節(jié)效果，結(jié)果及響應(yīng)曲線如下 （1）但該表計(jì)算稍顯復(fù)雜，對于使用Simulink進(jìn)行整定的

7、PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)可使用下表進(jìn)行參數(shù)計(jì)算4表2P0PI0PID如對于上面的100%惰性區(qū)傳遞函數(shù)調(diào)節(jié)器，整定得 （2）代入調(diào)節(jié)器響應(yīng)曲線如下以上曲線最大超調(diào)量都超過了20%，最終整定參數(shù)如下 （3）響應(yīng)曲線如下長虛線為參數(shù)（1），短虛線為參數(shù)（2），實(shí)現(xiàn)為參數(shù)（3），可見最大超調(diào)量及響應(yīng)速度都有了較大改善。2.3 PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析2.3.1 比例系數(shù)比例系數(shù)加大，會(huì)使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度。過大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩或使振蕩次數(shù)增多，使調(diào)節(jié)時(shí)間加長，并使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞或使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。當(dāng)太小時(shí)，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。2.3.2 積分時(shí)間常

8、數(shù)一般不單獨(dú)采用積分控制器，通常與比例控制或比例微分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PI控制或PID控制。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)的大小，越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。增大積分時(shí)間常數(shù)，有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更穩(wěn)定，但同時(shí)要延長系統(tǒng)消除靜差的時(shí)間。積分時(shí)間常數(shù)太小會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增大系統(tǒng)的振蕩次數(shù)。2.3.3 微分時(shí)間常數(shù)微分控制作用只對動(dòng)態(tài)過程起作用，而對穩(wěn)態(tài)過程沒有影響，且對系統(tǒng)噪聲非常敏感，所以單一的微分控制器都不宜采用。通常與比例控制或比例積分控制聯(lián)合作用，構(gòu)成PD控制或PID控制。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間常數(shù)的大小，越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。微分時(shí)間常數(shù)偏大

9、或偏小時(shí)，系統(tǒng)的超調(diào)量都較大，調(diào)節(jié)時(shí)間都較長，只有選擇合適的，才能獲得比較滿意的過度過程。2.3.4 同時(shí)對、參數(shù)改變的研究從PID控制器的3個(gè)參數(shù)作用可以看出3個(gè)參數(shù)直接影響控制效果的好壞，所以要取得較好的控制效果，就必須合理的選擇控制器的參數(shù)?？傊?，比例控制主要用于靜態(tài)偏差的“粗調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“穩(wěn)”;積分控制主要用于靜態(tài)偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的 “準(zhǔn)”;微分控制主要用于動(dòng)態(tài)偏差的“細(xì)調(diào)”，保證控制系統(tǒng)的“快”5。3 主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定某300MW機(jī)組配套鍋爐的過熱汽溫串級控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如下所示由上圖可得串級控制系統(tǒng)的方框圖如下串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器采用比例積分微

10、分（PID）調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中：主調(diào)節(jié)器比例系數(shù)（）；主調(diào)節(jié)器積分系數(shù)（）；主調(diào)節(jié)器微分系數(shù)（）過熱汽溫串級控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為：式中：副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)（）在Matlab中建立100%負(fù)荷模型如下3.1 整定內(nèi)回路副調(diào)節(jié)器參數(shù)令，主回路反饋系數(shù)r1=0，階躍輸出模塊（Step）的終值設(shè)為535，仿真時(shí)間設(shè)1000s，逐漸增大。此時(shí)3.2 整定外回路主調(diào)節(jié)器參數(shù)將主回路反饋系數(shù)r1=1，副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)不變，逐漸增加，在Scope中觀察t1，直到出現(xiàn)等幅振蕩。此時(shí)，由表2計(jì)算得最終整定得參數(shù)如下3.3 加減溫水?dāng)_動(dòng)完成過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定后，在5

11、00s時(shí)加入減溫水?dāng)_動(dòng)，即將階躍信號輸出模塊（Step1）的響應(yīng)時(shí)間（Step time）設(shè)為500，終值設(shè)為1000，仿真后在響應(yīng)曲線顯示器Scope中觀察減溫水量增加后對過熱蒸汽溫度t1的影響。響應(yīng)曲線如下可見噴減溫水之后汽溫下降，但是之后在調(diào)節(jié)器的作用下汽溫又再度回升。3.4 不同負(fù)荷下控制系統(tǒng)控制品質(zhì)分析在不同負(fù)荷下，同樣的控制器參數(shù)的控制品質(zhì)越來越差，如下圖，在100%負(fù)荷時(shí)較好的響應(yīng)曲線隨著負(fù)荷的減小控制品質(zhì)變差。將不同負(fù)荷下的PID控制器按照步驟并用表2進(jìn)行簡單整定后得到的控制器參數(shù)如下：100%75%50%37%各負(fù)荷下響應(yīng)曲線如下：可見隨著負(fù)荷的降低，主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)、微分系數(shù)都逐漸增大，而積分系數(shù)、副調(diào)節(jié)器比例系數(shù)都逐漸減小，同時(shí)負(fù)荷越小，調(diào)節(jié)作用到達(dá)平衡的時(shí)間越長，飛升速度越慢，但調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)量都有所減小。4 電廠汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖分析以下是某電廠汽溫控制系統(tǒng)的SAMA結(jié)構(gòu)簡化圖一級過熱器控制二級過熱器控制三級過熱器控制再熱器控制 本機(jī)組采用了3級過熱汽溫控制以及1級再熱汽溫控制，對于過熱汽溫采用了噴水降溫法來控制汽溫，并設(shè)置了兩級強(qiáng)降噴水保護(hù)；對于再熱汽溫采用了噴嘴角度控制、煙氣擋板開度控制以及噴水減溫這幾種汽溫控制方法，并設(shè)置了再熱器事故噴水。參考文獻(xiàn)M.華北電力大學(xué)教材科，2002.2何穎，鹿蕾，趙爭鳴.PID參數(shù)自整定方法概述J.現(xiàn)代電