過程控制課程設計主汽溫調節(jié)

/課程設計報告名稱：過程控制課程設計題目：主汽溫度控制系統(tǒng)設計院系：控計班級：創(chuàng)新自1101設計周數：1周日期：20XX7月2日《過程控制》課程設計任務書目的與要求"過程控制課程設計"是"過程控制"課程的一個重要組成部分。通過實際工業(yè)過程對象控制方案的選擇、控制功能的設置、工程圖紙的繪制等基礎設計和設計說明的撰寫.培養(yǎng)學生基本控制系統(tǒng)工程設計能力、創(chuàng)新意識.完成工程師基本技能訓練。二、主要內容1．根據對被控對象進行的分析.確定系統(tǒng)自動控制結構.給出控制系統(tǒng)原理圖；2．根據確定控制設備和測量取樣點和調節(jié)機構.繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖；3．根據確定的自動化水平和系統(tǒng)功能.選擇控制儀表.完成控制系統(tǒng)SAMA圖〔包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖；4．對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定；編寫設計說明書。三、設計〔實驗成果要求繪制所設計熱工控制系統(tǒng)的SAMA圖；根據已給對象.用MATABL進行控制系統(tǒng)仿真整定.并打印整定效果曲線；撰寫設計報告四、考核方式提交設計報告及答辯學生姓名：指導教師：年月日一、課程設計目的與要求通過實際工業(yè)過程對象控制方案的選擇、控制功能的設置、工程圖紙的繪制等基礎設計和設計說明的撰寫.培養(yǎng)學生基本控制系統(tǒng)工程設計能力、創(chuàng)新意識.完成工程師基本技能訓練。掌握匯編語言程序設計的基本方法和典型接口電路的基本設計方法。掌握過程控制系統(tǒng)設計的兩個階段：設計前期工作及設計工作。2.1設計前期工作〔1查閱資料。對被控對象動態(tài)特性進行分析.確定控制系統(tǒng)的被調量和調節(jié)量；〔2確定自動化水平。包括確定自動控制范圍、控制質量指標、報警設限及手自動切換水平；〔3提出儀表選型原則。包括測量、變送、調節(jié)及執(zhí)行儀表的選型。2.2設計工作〔1根據對被控對象進行的分析.確定系統(tǒng)自動控制結構.給出控制系統(tǒng)原理圖；〔2根據確定控制設備和測量取樣點和調節(jié)機構.繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖〔PID圖；〔3根據確定的自動化水平和系統(tǒng)功能.選擇控制儀表.完成控制系統(tǒng)SAMA圖〔包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖；〔4對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定；〔5編寫設計說明書。培養(yǎng)學生對過程控制系統(tǒng)的基本設計能力。提高學生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。二、課程設計正文1.前期工作：1．1影響過熱蒸汽溫度的因素影響過熱蒸汽溫度的主要擾動有三種：〔1蒸汽流量〔負荷擾動；〔2煙氣熱量擾動〔燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等；〔3減溫水流量擾動。1．2過熱汽溫控制對象的靜態(tài)特性分析根據傳熱方式分：過熱器可分為對流式、輻射式和半輻射式過熱器三種。對于不同的過熱器.蒸汽流量對蒸汽溫度的影響如下圖：圖1蒸汽流量對過熱器溫度的影響1．3過熱汽溫控制對象的動態(tài)特性分析〔1蒸汽流量〔負荷擾動下的動態(tài)特性汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化.蒸汽量的變化將改變蒸汽和煙氣之間的傳熱條件.導致汽溫的變化。如圖.在時刻產生蒸汽流量擾動下過熱蒸汽的響應曲線.由分析可得由于管道中沿長度方向上的點溫度幾乎同時變化.所以溫度響應具有自平衡特性.而且慣性和遲延都比較小。圖2蒸汽流量〔負荷擾動下的動態(tài)特性曲線〔2煙氣熱量擾動〔燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等下的動態(tài)特性燃料量增減.燃料種類的變化.送風量.吸風量.的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化.從而改變了傳熱情況.導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的.因此汽溫變化的遲延很小.一般在10~20s之間.同時體現出自平衡特性。煙氣側擾的汽溫響應曲線如下圖所示。圖3煙氣側擾動的汽溫響應曲線〔3減溫水流量擾動下動態(tài)特性應用噴水來控制蒸汽溫度是目前最廣泛采用的一種方式.對于這種控制方式.噴水量振動就是基本振動。過熱器是具有分布參數的多容對象.可以把管內的蒸汽和金屬管壁看作是無窮多個單容對象串聯組成的多容對象.當噴水量發(fā)生變化后.需要通過這些串聯單容對象.最終引起出口蒸汽溫度的變化。因此.會有很大延遲.減溫器離過熱器出口越運.延遲越大.其響應曲線如下圖。噴水量振動響應曲線具有慣性.有遲延.有自平衡性。其遲延與管道長度成正比.一般鍋爐延遲在30~60s。圖4減溫水流量擾動下的汽溫響應曲線2.設計工作該控制系統(tǒng)屬于大慣性系統(tǒng)。目前普遍采用的控制方案有：采用導前微分控制系統(tǒng)、過熱汽溫串級控制系統(tǒng)、過熱汽溫分段控制系統(tǒng)等。本次課程設計采用串級控制。2.1串級控制系統(tǒng)控制結構圖串級控制的結構方框圖如下：圖5串級控制結構方框圖2.2工藝流程圖以某300MW汽輪發(fā)電機組的汽包鍋爐為例.其過熱蒸汽流程圖與原理圖如下圖所示：流程圖見附錄圖8串級汽溫系統(tǒng)控制原理圖控制系統(tǒng)SAMA圖圖9控制系統(tǒng)SAMA圖3.仿真實驗與整定3.1被控對象特性介紹對象模型如下：3.2系統(tǒng)仿真針對上述的被控對象.本文采用的是常規(guī)PID串級控制.其控制原理圖在圖5中進行了分析。在串級主汽溫控制系統(tǒng)中.副回路應盡快地消除擾動對主汽溫的影響.對主汽溫起粗調的作用.因此副控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽溫起細調作用.因此采用的是PI控制器?！?仿真圖的建立圖11仿真結構圖〔2內回路參數整定斷開主環(huán).按單回路整定方法整定.這里采用的是衰減曲線法進行整定。建立如下圖所示的仿真圖。圖12內回路衰減曲線法整定仿真圖整定的步驟：斷開主回路.用衰減曲線法.整定內回路。副調節(jié)器.純P作用。反復調整比例帶.做副回路定值階躍擾動實驗.直到衰減率ψ＝0.75～0.9.記錄曲線。調整控制參數：當P=10時得到控制輸出曲線。圖13內回路整定輸出曲線1此時的衰減率為77.8%左右?！?外回路參數整定把上面整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié).進行整定。建立如下所示的仿真圖：圖14外回路衰減曲線法整定仿真圖整定的步驟：1閉合主回路.整定外回路。反復調整主調節(jié)器比例帶和積分時間I.直到衰減率ψ＝75.4%記錄曲線。得出P=0.2I=0.005ψ＝75.4%圖16外回路整定輸出曲線由上圖可以看出.得到的外環(huán)控制輸出曲線超調量較小.控制曲線光滑.品質優(yōu)良?！?電廠主汽溫控制仿真亞臨界機組的主汽溫在540℃左右〔上下偏差不超過5℃.假定主汽溫已經穩(wěn)定在535℃.現在主汽溫控制由535℃變化到540℃時.仿真中變化值由0變化到5.并由540℃變化到535℃.即仿真變化值由5變化到0.分析該控制回路的控制品質。搭建如下圖所示的仿真圖：圖17電廠主汽溫控制仿真圖2>主汽溫給定值由〔530+0℃變化到〔530+5℃設定階躍信號初始值為0,700s后跳躍至5.得到控制輸出曲線：由上圖可知.在700s時階躍信號產生時.開始進行調節(jié).超調量小于30%.同時內回路的控制輸出曲線也比較光滑.超調量也較小.控制品質較好。主汽溫給定值由〔535+0℃變化到〔535-5℃時設定階躍信號初始值為5,2000s后跳躍至0.得到控制輸出曲線：由上圖可知.在2000s時階躍信號產生時.開始進行調節(jié).控制品質依舊較好?！?抗外擾測試本次的外擾為蒸汽流量干擾.其對主汽溫動態(tài)特性影響的傳遞函數已經給出。1搭建如下圖所示的仿真圖：2測試設蒸汽流量的變換量為溫度設定變化值的10%—20%.本文取20%.即變化量約為0.2。階躍信號初始值為0,3000s后跳躍至0.2.得到控制輸出曲線：由上圖可知.在有蒸汽流動擾動的情況下.串級控制回路也能夠有效的消除干擾對系統(tǒng)控制品質的影響。〔6抗內擾測試本次的內擾為模擬內部干擾.其值約為控制量的10%。搭建如下圖所示的仿真圖：2測試設內部干擾0.1.躍信號初始值為0,3000s后跳躍至0.1.得到控制輸出曲線：〔7抗干擾綜合測試將內擾和外擾綜合進行測試.主汽溫給定值由〔535+0℃變化到〔535+5℃.設定階躍信號初始值為0,然后跳躍至5。在3000s后加入內擾0.1.5000s后加入蒸汽流動擾動信號變化量為0.1.檢驗系統(tǒng)抗干擾能力。建立如下圖所示的仿真圖：由上圖可知.當有內部干擾變化影響回路時.串級控制輸出的波動較小.超調量很小.能夠有效的克服內擾對控制回路的影響。仿真得到控制輸出曲線：由上圖可知.該串級控制回路能夠有效的克服內擾和外擾疊加對控制系統(tǒng)的影響.使控制品質得到保證.該串級控制設計合理?！?加前饋由前饋補償公式：Gff*[18.25/<25s+1>^2]*[1.502/<28.3s+1>^7]=4.2/<30.1s+1>^4經過零極點對消得Gff=0.15*<25s+1>^2*<28.3s+1>^3仿真圖如下所示：得到的曲線為：4.控制方案與仿真結果分析多干擾、大遲延、變工況為串級控制系統(tǒng)的主要特點。通過相關文獻的比較發(fā)現.采用導前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的控制效果不如串級控制系統(tǒng)好.尤其當控制對象惰性區(qū)的延遲和慣性比較大時更為明顯。同時串級PID控制是目前火電廠中主汽溫控制中采用最多的控制策略.同時串級控制具備對二次干擾有很強的克服能力、能夠改善被控對象的動態(tài)特性、對負載或操作條件的變化有一定的自適應能力的特點。因為副回路要求簡單快速同時安全地調節(jié)被控對象.所以一般而言只需要進行比例控制.主回路進行比例-積分控制。通過整定.串級控制回路的控制輸出曲線的超調量控制在了40%以內.衰減率也能基本控制在75%~90%之內.其控制輸出曲線光滑。經過仿真發(fā)現.該串級控制能夠有效的對其變化值為5的階躍信號進行控制.能夠對給定值進行有效的控制.超調量小于1.控制品質優(yōu)良。經過干擾測試發(fā)現.該控制回路能快速的克服內擾對系統(tǒng)的影響.對外擾也能夠有一定的消除作用.在外擾信號和內擾信號疊加