熱工控制系統(tǒng)設(shè)計指導(dǎo)書曾競編制介紹

1、熱工控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書曾競 王鴻懿編長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院2013年12月熱工控制系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書前言“熱工控制系統(tǒng)課程設(shè)計”是“熱工過程控制系統(tǒng)”課程的一個重要組成部分。通過實際火電廠單元機組對象控制方案的選擇、控制功能的設(shè)置、工程圖紙的繪制等基礎(chǔ)設(shè)計和設(shè)計說明的撰寫，培養(yǎng)學(xué)生基本控制系統(tǒng)工程設(shè)計能力、創(chuàng)新意識，完成工程師基本技能訓(xùn)練。 第一部分 被控對象數(shù)學(xué)模型的建立 被控對象是指各種具體熱工設(shè)備，例如熱工過程中的各種熱交換器，加熱爐、鍋爐、貯液罐及流體輸送設(shè)備等。盡管它們的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程的物理性質(zhì)很不相同，從控制的觀點來看它們在本質(zhì)上有許多相似之處。被控對象是自動控制系統(tǒng)中

2、的一個重要組成部分。它的輸出信號通常是生產(chǎn)過程中要求控制的被調(diào)量；它的輸入信號是引起被調(diào)量變化的各種因素 (擾動作用和控制作用)。被控對象的動態(tài)特性取決于它的內(nèi)部過程的物理性質(zhì)，設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運行條件等，原則上可以用分析方法寫出它的動態(tài)方程式。但是由于一般熱工對象內(nèi)部過程的物理性質(zhì)比較復(fù)雜，加之運行過程中的一些實際條件很難全面予以考慮 因此用分析方法并不容易得到動態(tài)特性的精確數(shù)學(xué)表達(dá)式。比較常用的方法是在運行條件下通過實驗來獲得被控對象的動態(tài)特性。根據(jù)測定到的對象階躍響應(yīng)曲線，可以把它擬合成近似的傳遞函數(shù)，根據(jù)階躍響應(yīng)曲線求近似傳遞函數(shù)有很多方法，采用的傳遞函數(shù)在形式上也是各式各樣的。任務(wù)書

3、給出的對象的不同工況下的動態(tài)特性，根據(jù)所選擇的系統(tǒng)多項式形式的傳遞函數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，利用兩點法確定形如的對象的傳遞函數(shù)。若選定的傳遞函數(shù)的形式為 ：上式中有三個待定的參數(shù)：放大系數(shù) K，時間常數(shù) T 和階數(shù)n，傳遞函數(shù)的放大系數(shù) K的求取方法按前面求取公式確定。 (1)作穩(wěn)態(tài)值的漸近線 ，則 在試驗獲得的階躍響應(yīng)曲線上，求得及 )時對應(yīng)的時間t1、t2后，利用下式求階數(shù) n： 利用兩點法公式可知：由曲線可知放大系數(shù)K，利用兩點法可確定 t1，t2，利用如下公式計算對象階次和慣性時間。 上式求得的 n 值不是整數(shù)時，應(yīng)選用與其最接近的整數(shù)。為了計算方便起見，由上式計算得出下表，直接根據(jù)

4、 t1/t2值由表中查得相應(yīng)的 n值。表中下面一行列出了 t1/t2 的數(shù)值范圍。要求：建立火電廠單元機組中重要的三大系統(tǒng)（蒸汽汽溫控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)和燃燒控制系統(tǒng)）中的被控對象的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型。 第二部分 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定在被控對象數(shù)學(xué)模型建立的基礎(chǔ)之上，通過實例講解調(diào)節(jié)器參數(shù)的理論整定方法和工程整定方法，在參數(shù)整定的過程中進(jìn)一步加深了解調(diào)節(jié)器三個參數(shù)（比例帶、積分時間和微分時間）變化對控制質(zhì)量的影響。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)的原理方框圖如圖 2-1 所示：圖 2-1 控制系統(tǒng)原理框圖以對象為例，通過計算確定。2.

5、2 臨界比例帶法確定調(diào)節(jié)器參數(shù) 采用等幅振蕩法通過試湊法逐步確定等幅振蕩時比例調(diào)節(jié)器的比例增益， 和計算確定的調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行比較。將計算確定的參數(shù) 。投入系統(tǒng)運行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：2.2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)等幅振蕩是比例增益和系統(tǒng)輸出曲線確定的等幅振蕩周期，可以查表確定當(dāng)系統(tǒng)衰減率 =0.75時調(diào)節(jié)器參數(shù)、 。根據(jù)查表確定的調(diào)節(jié)器參數(shù)，投入閉環(huán)運行，觀察運行效果。一、根據(jù)上節(jié)所確定的傳遞函數(shù)形式（對主汽溫系統(tǒng)，最好選擇惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，階次比較高），利用廣義頻率特性法計算系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)，并利用matlab 進(jìn)行仿真分析。 理解廣義頻率特性法對試湊法的指導(dǎo)意義。二、利用臨界比例帶法實驗確定調(diào)

6、節(jié)器參數(shù)，要求記錄下參數(shù)整定的典型步驟和典型曲線。 三、深入理解比例、積分、微分調(diào)節(jié)器的作用以及比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)對調(diào)節(jié)過程的影響。主要分為以下幾個主要步驟： 1、分析并理解比例增益 對調(diào)節(jié)過程的影響，增大和減小并觀察記錄系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的輸出。 2、分析并理解比例增益 對調(diào)節(jié)過程的影響，增大和減小并觀察記錄系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的輸出。 3、分析并理解比例增益 對調(diào)節(jié)過程的影響，增大和減小并觀察記錄系統(tǒng)階 躍響應(yīng)曲線的輸出。 4、同時改變 、的數(shù)值并觀察記錄對調(diào)節(jié)過程的影響，記錄系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線的輸出。第三部分 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定3.1蒸汽溫度控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定蒸汽溫度控制系統(tǒng)，講

7、解蒸汽溫度控制的任務(wù)和控制對象的特點及動態(tài)特性。利用多媒體課件，詳細(xì)分析講解串級控制和導(dǎo)前微分控制兩種主蒸汽溫度控制方式的特點和其控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及原理框圖，說明各種常用的再熱蒸汽溫度控制方式的特點，分析當(dāng)前電站主蒸汽和再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的實例；能夠看懂火電廠蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)SAMA 圖。3.1 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖由上圖，可得過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的方框圖如下：3.2 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)方框圖3.3 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)仿真組態(tài)圖根據(jù)教材上的串級控制系統(tǒng)飛整定方法，首先整定內(nèi)回路（副調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定），然后整定外回路（主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定）。蒸汽溫度控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定要求

8、： 一、了解過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的性能特點。 二、掌握串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的實驗整定方法。 三、分析不同負(fù)荷變化時對控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。3.2鍋爐給水控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定鍋爐給水控制系統(tǒng)，利用多媒體課件，講解鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)和控制對象的動態(tài)特性，分析不同的給水控制系統(tǒng)各自的特點和工作原理，并了解各控制系統(tǒng)中控制信號的選取、作用及靜態(tài)整定方法。以當(dāng)前電站鍋爐給水自動控制系統(tǒng)實例進(jìn)行串級三沖量給水自動控制系統(tǒng)分析和參數(shù)整定。 鍋爐給水控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定要求： 一、了解給水串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及給水控制系統(tǒng)的特點。 二、掌握串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參

9、數(shù)的實驗整定方法。 三、分析給水流量擾動和蒸汽流量擾動對水位的影響以及負(fù)荷變化時對控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。3.3 燃燒控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定燃燒控制系統(tǒng)，講解鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的組成原則和基本任務(wù)，分析不同燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計方案的特點、適用對象和控制信號的構(gòu)成，詳細(xì)講解燃料量、風(fēng)量和爐膛壓力3個控制系統(tǒng)的組成、控制邏輯、工作原理和相互間的耦合影響關(guān)系。以當(dāng)前火電廠實際燃燒控制系統(tǒng)為例進(jìn)行分析。通過實驗深入理解控制器參數(shù)對控制過程的影響以及單回路控制系統(tǒng)的工程整定方法，掌握串級控制系統(tǒng)的組成和特點，內(nèi)、外控制器在串級控制系統(tǒng)中的作用及對控制過程影響的特點、串級控制系統(tǒng)的工程整定方法。燃燒控制系統(tǒng)控制器參數(shù)整定要求： 一、了解給燃燒控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及燃燒控制系統(tǒng)的特點。 二、掌握串級控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的實驗整定方法。 三、分析擾動對被調(diào)量的影響以及調(diào)節(jié)器參數(shù)一定負(fù)荷變化時對控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。第四部分 某電廠熱工系統(tǒng) SAMA 圖分析針對某電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)