过程控制课程设计

课程设计报告(2014—2015年度第二学期)名称：过程控制课程设计题目：火电厂主汽温度控制系统设计院系：班级：姓名：学号：设计周数：1周指导老师：日期：2014年7月3日《过程控制》课程设计报告1《过程控制》课程设计任务书一、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、主要内容1．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；2．根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；3．根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；4．对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；5．编写设计说明书。三、进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1下达任务，查找资料周一、周二2制定控制方案，绘制控制系统SAMA图周二、周三3仿真试验、撰写设计说明周三、周四4答辩周五四、设计（实验）成果要求1．绘制所设计热工控制系统的SAMA图；2．根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线；3．撰写设计报告五、考核方式提交设计报告及答辩学生姓名：指导教师：年月日《过程控制》课程设计报告2一、课程设计目的与要求1．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。掌握汇编语言程序设计的基本方法和典型接口电路的基本设计方法。2．掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。2.1设计前期工作（1）查阅资料。对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量；（2）确定自动化水平。包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平；（3）提出仪表选型原则。包括测量、变送、调节及执行仪表的选型。2.2设计工作（1）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；（2）根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；（3）根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；（4）对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；（5）编写设计说明书。3．培养学生对过程控制系统的基本设计能力。4．提高学生的实践动手能力和创新能力。二、课程设计正文1.被控对象动静态特性分析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静态特性分析根据传热方式分：过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式过热器三种。对于不同的过热器，蒸汽流量对蒸汽温度的影响如下图：《过程控制》课程设计报告3图1蒸汽流量对过热器温度的影响1．3过热汽温控制对象的动态特性分析（1）蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温的变化。如图，在st0时刻产生蒸汽流量扰动D下过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。图2蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）下的动态特性燃料量增减，燃料种类的变化，送风量，吸风量，的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在10~20s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰的汽温响应曲线如下图所示。图3烟气侧扰动的汽温响应曲线《过程控制》课程设计报告4（3）减温水流量扰动下动态特性应用喷水来控制蒸汽温度是目前最广泛采用的一种方式，对于这种控制方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大延迟，减温器离过热器出口越运，延迟越大，其响应曲线如下图。喷水量振动响应曲线具有惯性，有迟延，有自平衡性。其迟延与管道长度成正比，一般锅炉延迟在30~60s。图4减温水流量扰动下的汽温响应曲线2.主汽温控制方案通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。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，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。同时为了满足多系统的对比，本次课程设计采用串级控制、单回路控制以及前馈反馈复合串级控制。2.1串级控制系统控制结构图串级控制的结构方框图如下：0tθTcτ0t-WBΔWB主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器--内部扰动主汽流量主蒸汽温度设定值《过程控制》课程设计报告5Ⅰ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图5串级控制结构方框图2.2工艺流程图以某600MW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：图6直流锅炉主蒸汽生产流程图《过程控制》课程设计报告6图7600MW机组过热蒸汽流程图图8串级汽温系统控制原理图《过程控制》课程设计报告7图9系统SAMA图3.串级仿真实验与整定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10被控对象特性《过程控制》课程设计报告83.2系统仿真针对上述的被控对象，本文采用的是常规PID串级控制，其控制原理图在图5中进行了分析。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。由于设计要求中的传递函数为负值，所以在设计控制系统的同时或者将PID调节器设置为负值，或者采用正反馈回路，为了视图方便下文我将一律采用输出为正值的设计方式。（1）Simulink图如下：图11系统仿真图（2）内回路参数整定断开主环，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。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。《过程控制》课程设计报告9(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，建立如下图所示的仿真图：图12内回路整定仿真图StepResponseTime(seconds)Amplitude02040608010012014000.20.40.60.811.21.4System:G1Finalvalue:0.915System:G1Peakamplitude:1.27Overshoot(%):38.4Attime(seconds):24.2System:G1Time(seconds):71.7Amplitude:0.967图13内回路整定matlab输出图《过程控制》课程设计报告10图14内回路整定simulink输出图由图可知内回路Kp=5.9，比例带=0.1695，第一个峰差是0.335，第二个峰差是0.052，衰减率是85.35%，震荡周期Ts=48.1s。（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，进行整定。利用衰减曲线法寻找衰减率为75%的点。见表：Kp0.9680.900.800.720.710.70ψ0.54050.60290.68860.74900.75220.7627程序：G0=zpk([],[-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,-1/28.3,],0.743870576e-10);[h0,r,wx,wc]=margin(G1);G2=zpk([],[-0.04,-0.04],0.017228);G2=G2/(1+G2);G1=G2*G0;G3=G1/(1+G1);step(G3)《过程控制》课程设计报告11仿真图如下：StepResponseTime(seconds)Amplitude02004006008001000120014001600180000.10.20.30.40.50.60.70.8System:G1Time(seconds):684Amplitude:0.566System:G1Peakamplitude:0.75Overshoot(%):48.4Attime(seconds):276System:G1Finalvalue:0.505图15外回路整定衰减率为75%输出图16外回路仿真simulink输出根据下表：《过程控制》课程设计报告12从而得出：Kp=0.592，Ti=210s，Ki=0.0029，微调后选择Kp=0.50，Ti=210s，Ki=0.004阶跃响应图如下：图17参数整定后的串级输出由上图可以看出，得到的外环控制输出曲线超调量较小，控制曲线光滑，品质优良。（3）电厂主汽温控制仿真本文以亚临界机组的主汽温540℃附近为仿真参考，假定主汽温已经稳定在535℃，现在主汽温控制由535℃变化到540℃时，仿真中变化值由0变化到5，并由540℃变化到535℃，即仿真变化值由5变化到0，分析该控制回路的控制品质。《过程控制》课程设计报告13图18仿真电路（1）主汽温给定值由（530+0）℃变化到（530+5）℃设定阶跃信号初始值为0,500s后跳跃至5，得到控制输出曲线：图19输入干扰输出曲线（2）主汽温给定值由（535+0）℃变化到（535-5）℃时设定阶跃信号初始值为5,1000s后跳跃至0，得到控制输出曲线：《过程控制》课程设计报告14图20输入干扰输出曲线由上图可知，在1000s时阶跃信号产生时，系统开始进行调节，经过短时间的波动后，系统输出逐渐平稳，控制品质良好。（5）抗外扰测试本次的外扰为主蒸汽流量干扰，其对主汽温动态特性影响的传递函数已经给出。搭建如下图所示的仿真图：图21加外扰仿真《过程控制》课程设计报告15设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的10%—20%，本文取20%，即变化量约为0.2。阶跃信号初始值为0,3000s后跳跃至0.2，得到控制输出曲线：图223000s加高阶外扰系统输出由上图可知，在有蒸汽流动高阶扰动的情况下，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，调节时间大约在600s左右结束，响应速度快，但是出现较大波动，使控制品质变差。虽然当干扰通道为n阶惯性环节时，干扰通道的放大系数减小了时间常数T的n次方倍，随着干扰通道阶数的增多闭环系统的动态偏差减小，对提高控制质量有利，但是当主通道阶次跟高的时候，干扰通道的四阶对于主通道的九阶而言造成的动态偏差也会很大。（6）抗内扰测试本次的内扰为模拟内部干扰，其值约为控制量的10%。搭建如下图所示的仿真图：图22加内扰的仿真《过程控制》课程设计报告16设内部干扰0.1，阶跃信号初始值为0,3000s后跳跃至0.1，得到控制输出曲线：图23加内扰的输出由上图可知，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。（7）抗干扰综合测试将内扰和外扰综合进行测试，主汽温给定值由（535+0）℃变化到（535+5）℃，设定阶跃信号初始值为