过控课设报告

课程设计报告(2015—2016年度第一学期)名称：过程控制课程设计题目：主汽温度控制系统设计（减温控制系统）院系：自动化班级：自动化1201指导教师：马平设计周数：1周姓名学号分工成绩成员马铭远201202020115查找资料，绘制系统sama图。吉瑞芳201209010307绘制工艺流程图，报告总结林惠建201202020109分析对象特性，画控制原理图柳叶晟201202020112用MATLAB进行系统仿真与整定日期：2016年1月18日《过程控制》课程设计报告1一、课程设计目的与要求“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。二、课程设计正文1.被控对象的影响因素及动态特性1.1影响过热蒸汽温度的因素影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种：（1）蒸汽流量（负荷）扰动；（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）；（3）减温水流量扰动。1.2过热汽温控制对象的动态特性分析在各种扰动下气温控制对象动态特性都有迟延和惯性。典型的气温阶跃响应曲线如下图所示。可以用迟延，时间常数，放大系数来描述其动态特性。即传递函数可写为：seTsKsG1为了在控制机构动作后能及时影响到气温（即控制机构扰动时，气温动态特性的、T和T/应尽可能小），因此正确选择控制气温的手段是非常重要的，目前广泛采用喷水减温作为控制气温的手段。在设计自动控制系统时，应该引入一些比过热蒸汽温提前反映扰动的补充信号，使扰动发生后，过热气温还没有发生明显变化的时刻就进行控制，消除扰动对主气温的影响，而有效地控制气温的变化。《过程控制》课程设计报告2减温水调节调省煤器给水调节机构低温过热器主蒸汽温度高温过热器喷水减温器汽包Ⅰ级喷水WB1Ⅱ级喷水WB2Ⅲ级喷水WB3θ1θ2θ2θ3θ3θ4θ4θ5θ5θ6θ6低温对流过热器Ⅰ级减温器Ⅱ级减温器Ⅲ级减温器至汽轮机前屏过热器后屏过热器高温对流过热器主蒸汽2.过热汽温控制方案通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象具有惯性，且过热器的惯性比较大。目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。通过对这些控制方案的比较发现[1]，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比较大时更为明显。因此，本次课程设计采用串级控制。2.1工艺流程图以某300MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示：300MW机组过热蒸汽生产流程简图300MW机组过热蒸汽流程图TEQCAITRK≯≮△∫TTRK≯≮△∫T06A/MTTR≯≮TIAIAOf(x)5601+正-△H//L03TEAIQC02-反AIZT△H//L0401020304一过出口温度信号故障一减出口温度信号故障一过出口温度偏差大一减阀位偏差大OROR一减切手动05一过出口温度一级减温器出口温度一级喷水阀图名单位设计制图图号页号审核日期一级减温控制系统自动化1103严凯严凯2015.01.19《过程控制》课程设计报告32.2控制系统SAMA图控制系统SAMA图2.3串级控制系统控制结构图串级气温控制系统原理图《过程控制》课程设计报告4串级控制的结构方框图如下：串级主气温控制系统的两个回路为：1）由对象的导前区Gp1(s)、导前气温变送器m1、副控制器G2(s)、执行器K组成副回路2）由对象的惰性区Gp2(s)、过热气温变送器m2、主控制器G1(s)及副回路构成主回路导前气温θ1对于喷水量变化的反应比主气温θ及时，一旦导前气温发生变化，副控制器就改变减温水量，及时消除干扰使主气温变化较小。主控制器对过热气温起校正作用。当主气温偏离给定值时，由主控制器发出校正信号通过副控制器及执行机构进行校正，使主气温恢复到给定值。串级主气温控制系统中，副回路应尽快消除扰动对主气温的影响，对主气温起粗调作用，因此副控制器一般采用P或PD控制器；主控制器的作用是对主气温起细调作用，因此应采用PI或PID控制器。3.仿真实验与整定3.1被控对象特性介绍本次课程根据文献3中300MW机组主汽温的对象为被控对象，其对象模型如下：图被控对象特性图中：21)201(657.1)(ssWo，7227.1s)(11.202(s)oW3.2系统仿真Wo1(s)Wo2(s)导前区惰性区WθΘ1Θ2《过程控制》课程设计报告5针对上述的被控对象，本文采用的是常规PID串级控制。在串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调的作用，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温起细调作用，因此采用的是PI控制器。（1）仿真图的建立（2）内回路参数整断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。建立如下图所示的仿真图。整定的步骤：1）断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯P作用。2）反复调整比例带，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.75～0.9，记录曲线。调整控制参数：当P=-5时得到控制输出曲线。《过程控制》课程设计报告6内回路整定输出曲线1此时的衰减率为0.89左右。（3）外回路参数整定把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，仍按衰减曲线法进行整定。建立如下所示的仿真图：外回路衰减曲线法整定仿真图整定的步骤：1）闭合主回路，用衰减曲线法，整定外回路。主调节器，P作用。反复调整主调节器比例带，做定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.75或0.9，记录曲线。2）对于ψ＝0.9，记下比例带s,测量上升时间tr。3）按计算参数设置PID，做定值阶跃扰动，观察曲线。4）细调主副调节器参数,直到满意为止。要求：外回路衰减率约ψ＝0.9，主被调量超调量20%，振荡次数1.5，记录曲线。经实验得出matlab中的值为P=0.614,I=0.0047。此时衰减率0.9，超调量为10%《过程控制》课程设计报告7外回路衰减曲线法整定输出曲线由上图可以看出，得到的内外环控制输出曲线超调量较小，控制曲线光滑，品质优良。（4）抗外扰仿真本次的外扰为蒸汽流量干扰，其对主汽温动态特性影响的传递函数为1201s1）搭建如下图所示的仿真图：《过程控制》课程设计报告82）测试阶跃信号初始值为0,1300s后跳跃至0.2，得到输出曲线如下：由上图可知，在有蒸汽流动扰动的情况下，串级控制回路也能够有效的消除干扰对系统控制品质的影响。(5)抗内扰仿真1）搭建如下图所示的仿真图：《过程控制》课程设计报告92）测试：内部干扰阶跃初始值为0,1300s后跳跃为0.5，得到输出曲线如下：由上图可知，当有内部干扰变化影响回路时，串级控制输出的波动较小，超调量很小，能够有效的克服内扰对控制回路的影响。4.控制方案与仿真结果分析本文主要针对300MW机组主汽温的对象进行控制系统的设计，通过对该被控对象和影响其动态特性的因素进行了分析。分析发现该对象具有惯性。对于电厂主汽温的控制目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。但通过相关文献的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的延迟和惯性比较大时更为明显。同时串级PID控制是目前火电厂中主汽温控制中采用最多的控制策略，同时串级控制具备如下特点：a.对二次干扰有很强的克服能力；b.能够改善被控对象的动态特性，提高系统的工作频率；c.对负载或操作条件的变化有一定的自适应能力。因此，本文对文献3中的被控对象采用了P—PI串级控制，其中对该主汽温被控对象的导前区的控制采用P控制，对惰性区采用PI控制。《过程控制》课程设计报告10在仿真实验和整定过程中，通过整定，串级控制回路的控制输出曲线的超调量控制在了20%以内，衰减率也控制在了合理的范围之内，其控制输出曲线光滑。该串级控制能够有效的对阶跃信号进行控制，经过仿真输出曲线可以发现，其能够对给定值进行有效的控制，超调量小于1，控制品质优良。因此，通过仿真实现可以得出结论：设计的串级控制回路能够对电厂主汽温给定温度值变化进行控制，能够很好的消除内部扰动对系统的影响，对外扰具备一定的消除作用，总体设计合理有效。当然，在仿真过程中也还存在一些不足，比如对外扰的抗干扰效果还可以进一步提高。同时，在仿真过程中，我们没有加入速度限制模块，这个在实际应用中是十分重要的，这一部分也应该加强。此外，本文仅采用串级控制进行了设计，但现今先进的控制方法如：模糊控制、最小方差控制等等也能取得很好的控制效果，这些先进的控制方法也可以进行一定的分析比较研究。三、课程设计总结本次课程设计主要对300MW机组主汽温的对象进行控制系统的设计，在设计过程中我们主要完成了被控对象分析，根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；同时，根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制出了控制系统工艺流程图（PID图），完成控制系统SAMA图；最后还对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定并进行了分析。通过本次课程设计我们对课本理论知识有了较为深刻的理解，实际动手能力得到了提升，对过程控制系统的设计有了初步的理解，大致掌握了过程控制系统的设计步骤，对今后的深入学习打下了基础。同时，在控制系统的设计过程中老师的耐心指导也让我们纠正了概念理解和设计思路上的错误和不足，进一步加深了对控制系统设计的理解，发现并填补了部分知识点的空缺。在这4天课程设计中，我们小组成员们共同讨论问题，相互学习帮助。在这个过程中，我们大家的分析问题、解决问题的能力都得到了很大的提高，同时组织能力和协作能力都得到了增强。当然，在课程设计过程中，我们也发现了各自的不足，在控制系统的设计过程中我们还存在很多的知识死角和空白，在今后的学习中，我们还需要进一步的充实自我，总结经验吸取教训，将所学的基础知识更多、更好地运用到理论研究和科学实践中去。四、参考文献[1]金以慧.过程控制[M].北京:清华大学出版社,1993[2]马平朱燕飞等.基于神经网络的主汽温控制系统[J].华北电力大学学报.2001,28(2):-52-55[3]黄成静刘红军等.DMC—PID串级主汽温控制系统[J].华北电力大学学报.2003,30(2):-53-55[4]于希宁孙建平.自动控制原理[M].北京：中国电力出版社，2008[5]巨林仓电厂热工过程控制系统.西安交通大学出版社，2009