發(fā)電廠汽輪發(fā)電機蒸汽溫度控制1

1、課 程 設 計課題名稱： 過程控制系統(tǒng) 設計題目： 發(fā)電廠汽輪發(fā)電機蒸汽溫度控制 姓 名： 班 級： A08電氣1 學 號： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 指導老師： 胡即明 2011年 12 月 18日摘 要2一、引言31.1 設計目的31.2 設計任務41.3 設計要求52、 方案分析及選擇52.1方案一 常規(guī)PID控制52.2方案二 前饋控制52.3方案三 串級控制5三、參數(shù)整定63.1 曲線法求參數(shù)6 G1分析. 6 3.2.2 G2分析. 7 3.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇.84、 儀表選擇10 4.1 調(diào)節(jié)閥選擇 10 4.2 傳感器、變送器選擇10五、 仿真測試115.1 仿真試驗115

2、.2 擾動實驗12六、 結(jié)論13七、 參考文獻13摘 要 串聯(lián)控制系統(tǒng)實際上是在單回路控制系統(tǒng)的基礎上增加一個控制回路來提高控制效果的系統(tǒng)。串聯(lián)控制系統(tǒng)是一種極為有用的控制方法，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中應用廣泛。 串聯(lián)控制系統(tǒng)的特點是由兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。 在結(jié)構(gòu)上，串聯(lián)系統(tǒng)有一個明顯的特點，即形成了兩個閉環(huán)：一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路，在控制過程中起“粗調(diào)”作用；一個閉環(huán)在里面，被稱為主環(huán)或主回路，用來完成“細調(diào)”任務，以最終保證被控量滿足工藝要求。相應地，主、副環(huán)內(nèi)都有控制對象、控制參數(shù)和調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的設定值，它的

3、輸出作為副調(diào)節(jié)器的設定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過程。 作用在主被控過程下的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動被稱為一次擾動；作用在副被控過程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動被稱為二次擾動。 本設計通過實驗對數(shù)據(jù)的分析，來建立系統(tǒng)被控對象模型的數(shù)學表達式，采用曲線法對實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，從而得出了該生產(chǎn)過程的被控系統(tǒng)的數(shù)學模型，即傳遞函數(shù)。接著通過對系統(tǒng)進行分析，決定采用串級控制。再根據(jù)對象模型的結(jié)構(gòu)來確定溫度控制系統(tǒng)的控制器及控制算法，最終來實現(xiàn)發(fā)電廠汽輪發(fā)電機蒸汽的溫度控制。最后，還采用MATLAB仿真，通過調(diào)節(jié)使各項參數(shù)都能滿足各自的要求。關(guān)鍵詞：串聯(lián)控制、調(diào)節(jié)器、擾動、仿

4、真一、引言1.1 設計目的有效控制發(fā)電廠汽輪發(fā)電機蒸汽溫度，使鍋爐與汽輪機組都在一個規(guī)定的運行溫度，在這個溫度下機組的效率最高。在穩(wěn)定溫度下運行可以延長汽輪機壽命，減少生產(chǎn)事故。1.2 設計任務控制系統(tǒng)要求控制溫度的誤差不得超過5。由于汽鼓至汽輪機中間有一系列的減溫器、過熱器與傳輸管道，控制對象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見的是兩段調(diào)節(jié)。這樣，每段中的對象的容積遲后與傳輸滯后時間均可減小一半。每段分別用一個溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來維持各段過熱器出口的溫度恒定。假定兩個系統(tǒng)溫度控制方式完全一樣，試設計其中一段的溫

5、度控制系統(tǒng)。（蒸汽的壓力和溫度另有控制系統(tǒng)，這里我們假定蒸汽恒溫恒壓，過熱器的熱量也是恒定的，汽鼓的出口壓力約60公斤/厘米2左右。）一段過熱器至汽輪機T1T2二段減溫器4004605一段減溫器給水Q汽鼓省煤器通過實驗，測得對象對于輸入Q（單位輸入）的響應如下（表中溫度為負）：時間（S）1357911131517192123252729T1（）0000.030.090.170.260.370.460.570.660.750.830.921.00T2（）000000000000000時間（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時間（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時間（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 設計要求1、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0。2、5%誤差帶的調(diào)整時間不大于300秒，最大超調(diào)量小于10%，這兩個性能指標盡可能小。3、在減溫器和過熱器之間存在干擾，最大干擾引起T1處溫度波動為20，要求控制使干擾對T2處的溫度影響不能超出允許范圍。4、至少考慮兩種方案，選擇其中一種，說明理由。5、根據(jù)以上的工藝要求設計該控制系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)控制框圖。包括控制參數(shù)、被控參數(shù)的選擇，調(diào)節(jié)閥的選擇，檢測與變送裝置的

8、選擇，控制器的設計。6、仿真驗證。7、設計報告格式符合規(guī)范。8、上交設計報告的電子稿、打印稿及仿真模型。二、方案分析及選擇2.1方案一 采用常規(guī)的PID控制汽輪蒸汽溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象存在大滯后現(xiàn)象和擾動，而系統(tǒng)對控制精度與功能的要求比較高，在這種情況下采用常規(guī)的PID控制得到的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差，是不行的。2.2方案二 采用前饋控制前饋控制是減少控量動態(tài)偏差最有效的方法之一。但是它是一種開環(huán)控制，無法檢驗補償效果，并且只能對主要擾動進行補償。因此，在實際生產(chǎn)過程中，單獨使用前饋控制是很難滿足生產(chǎn)工藝要求的。 2.3 方案三 串級控制根據(jù)設計課題中對系統(tǒng)設計的要求，對汽輪發(fā)電機蒸汽溫度

9、控制系統(tǒng)進行分析。由于汽鼓至汽輪機中間有一系列的減溫器、過熱器與傳輸管道，控制對象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見的是兩段調(diào)節(jié)。這樣，每段中的對象的容積遲后與傳輸滯后時間均可減小一半。每段分別用一個溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來維持各段過熱器出口的溫度恒定。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)一段過熱器溫度控制系統(tǒng)是一個中間微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主被調(diào)節(jié)變量是一段過熱器出口溫度，中間為分信號是出一段減溫器的蒸汽溫度。系統(tǒng)包括兩臺溫度變送器（T1與T2）、一臺減分器、一臺PI調(diào)節(jié)器以及電/氣轉(zhuǎn)換、升壓型氣動繼動器、帶閥門定位器的氣動活塞式執(zhí)行機構(gòu)、調(diào)節(jié)閥

10、本體等。由于減溫水的壓力很高，所以調(diào)節(jié)閥應選用耐高壓與流通能力大的閥門。下圖是蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)框圖。主調(diào)節(jié)器被控對象2被控對象1調(diào)節(jié)閥副調(diào)節(jié)器 副回路溫度 測量變送主回路溫度 測量變送三、參數(shù)整定3.1 曲線法求參數(shù)根據(jù)任務書中T1、T2的單位輸入響應實驗數(shù)據(jù)，可以用最小二乘法進行擬合，或用曲線法計算參數(shù)。 3.1.1 對分析根據(jù)T1實驗值經(jīng)EXCEL計算，得到下圖圖3.1靜態(tài)放大系數(shù) 將轉(zhuǎn)換成相對值 ,有 （31） （32）式中，,對式（31）、（32）兩邊取對數(shù)，并聯(lián)立得 （33） （34）取，根據(jù)式（33）、（34）代入數(shù)值可求得兩組和對于有 s , s對于有 s , s取平均值得

11、（35） 3.1.2 對分析根據(jù)T2實驗值經(jīng)EXCEL計算，得到下圖圖3.2靜態(tài)放大系數(shù) 同中算法，取，對于有 , 對于有 , 取平均值得 所以的對象模型為 (36)由上述兩式得與的關(guān)系可得 (37) 3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 本設計采用兩步整定法，即第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。在此基礎上再用試湊法，試湊法具體步驟如下：（1） 先整定比例部分，將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應的系統(tǒng)相應趨勢，直到得到反應快、超調(diào)量小的響應曲線。如果系統(tǒng)沒有穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍之內(nèi)，同時響應曲線已較令人滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。（2） 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎

12、上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設計要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。先置一個較大的積分時間系數(shù)，同時將比例系數(shù)縮小至原來的80%，然后減小積分時間常數(shù)，使其保持系統(tǒng)較好的動態(tài)性能指標的基礎上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。實驗中可以反復調(diào)整比例系數(shù)和積分時間系數(shù)，從而實現(xiàn)滿意的控制過程和整定參數(shù)。（3） 如果使用比例積分控制器消除了偏差，但動態(tài)過程仍不能令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時，可先置微分時間系數(shù)為0，在第二步整定的基礎上，增大微分時間系數(shù)，同時相應地改變比例系數(shù)和積分時間系數(shù)，逐步試湊，（4） 獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。最終得到主調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器。4、 儀表選擇 4.1 調(diào)節(jié)閥

13、選擇SLZW型自力式溫度調(diào)節(jié)閥不需外界能源而進行溫度自動調(diào)節(jié)。它適用于蒸汽、熱水、熱油等為介質(zhì)的各種換熱工況。廣泛應用于供暖、空調(diào)、生活熱水中的溫度自動調(diào)節(jié)，以及特殊工況的溫度自動調(diào)節(jié)。主要特點：（1）無需任何外加能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量實現(xiàn)介質(zhì)溫度自動調(diào)節(jié)的執(zhí)行器產(chǎn)品。（2）有較寬的溫度設定范圍，顯示清晰、精度高，并設有過載保護裝置，安全可靠。 4.2 傳感器、變送器的選擇傳感器選用FR-01系列的溫度傳感器，它采用進口鉑電阻芯片制做而成，適合測量-100500溫度區(qū)間，該產(chǎn)品具有良好的抗震能力、高精度、長期穩(wěn)定性好和安裝簡單等特性，在各個行業(yè)中被廣泛應用。變送器選用SBWZ系列Pt100

14、0熱電阻溫度變送器，它采用二線制傳送方式(兩根導線作為電源輸入，信號輸出的公用傳輸線)。將熱電阻信號變換成與輸入信號或與溫度信號成線性的420mA的輸出信號。主要特點：（1） 采用環(huán)氧樹脂密封結(jié)構(gòu)，因此抗震、耐溫，適合在惡劣現(xiàn)場環(huán)境中安裝使用。 （2）現(xiàn)場安裝于熱電阻的接線盒內(nèi)，直接輸出420mA，這樣既省去較貴的補償導線費用，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。 （3）精度高、功耗低、使用環(huán)境溫度范圍寬、工作穩(wěn)定可靠。 （4）量程可調(diào)，并具有線性化較正功能，熱電偶溫度變送器具有冷端自動補償功能。應用面廣，既可與熱電阻形成一體化現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝入檢測設備中。5、 仿真測試5.1 仿真試驗圖5.1 MATLAB SIMULINK進行仿真系統(tǒng)方框圖由MATLAB的SIMULINK進行仿真所得到的結(jié)果，設計所用的SIMULINK圖為上圖。由下圖可以看出，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間約為205s，且系統(tǒng)無穩(wěn)態(tài)誤差，符合設計要求。圖5.2 仿真波形圖5.2 擾動實驗按照設計要求在減溫器和過熱器之間存在干擾，最大干擾引起T1處溫度波動為20，要求控制使干擾對T2處的溫度影響盡量小。在T1處加入干擾信號得到下圖：圖5.3 加入擾動后MATLAB SIMULINK進行仿真系統(tǒng)方框圖 圖5.4 加入擾動后波形圖當時間到達1000s時，在處加入擾動后，處的波形圖如上圖所示，可