1、课程设计报告(2011 - 2012 年度第 1 学期)名 称：过程控制课程设计题 目：锅炉主蒸汽温度控制系统 院 系：自动化 设计周数：1 周 姓名 学号 分工 成绩* * 控制方案设计* * 控制系统仿真* * SAMA 图绘制成员* * 总结撰写报告日期： 2011 年 12 月 29 日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，
2、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的 SAMA 图；2 根据已给对象，用 MATABL 进行控制
3、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：* 2011 年 12 月 30 日 一、 课程设计(综合实验)的目的与要求1.1 实验目的影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种：蒸汽流量（负荷）扰动；烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等） ；减温水流量扰动。本次课程设计的目的就是通过控制锅炉的减温水流量维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。1.2 实验要求（1）被控对象动态特性分析；（2 选择控制系统控制结构，画控制原理图；（3）选择测点和调节机构画控制系统工艺流程图；（4）选择控
4、制仪表，画 SAMA 图（标出调节器作用方向） ；（5）根据控制原理图，进行控制系统仿真实验，控制器参数整定；二、 设计（实验）正文 蒸汽温度自动控制包括过热蒸汽温度的自动控制和再热蒸汽温度的自动控制。对于某一确定的机组，其过热蒸汽温度自动控制系统和再热汽温自动控制系统是针对机组的具体特点而设计的。一般而言，汽温控制系统种类较多，各有特点。1.过热蒸汽温度控制的任务过热汽温是锅炉汽水通道中温度最高的地方，过热器的材料是耐高温的合金材料，正常运行时过热器温度一般接近于材料所允许的极限温度。过热蒸汽温度偏高，不仅会烧坏过热器，同时也会使蒸汽管道，汽轮机主汽门、调节阀、汽缸、前级喷嘴和叶片等部件机械
5、强度降低，影响机组安全。过热蒸汽温度过低，则会降低机组热效率，同时还会使汽轮机末级蒸汽湿度增加，加速叶片侵蚀。若过热蒸汽温度波动过大，还会使材料产生疲劳，危及机组安全运行。为了保证机组的安全经济运行，过热蒸汽温度必须加以精确控制。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内。一般要求过热蒸汽温度与给定值的偏差不超过士 5甚至更小。控制主蒸汽温度的手段都是在过热器上安装喷水减温器，将带有一定过冷度的给水喷人，以控制主蒸汽温度。亚临界锅炉主汽温度设计值一般为 540左右，超临界锅炉主汽温度设计值为560570左右，超超临界锅炉主汽温度设计值为 600左右。对于这样的传热对象，采用任
6、何控制作用都显得有较大的迟延和惯性，要达到这样小的温度偏差是很不容易的。2.被控对象特性分析2.1 过热汽温控制对象的静态特性根据传热方式分：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图 1 所示：2.2 过热汽温控制对象的动态特性引起过热蒸汽温度变化的因素可分为三类:蒸汽负荷扰动，烟气侧扰动和减温水侧扰动。蒸汽负荷扰动主要是蒸汽流量;烟气侧扰动包括燃料成份、受热面清洁变、烟气流量、火焰中心位置、燃烧器运行方式等等;减温水侧扰动如减温水流量、减温水温度等。烟气侧扰动的动态特性与蒸汽负荷扰动类似，汽温响应较快，也可以用作控制汽温的手段，在再热汽温的
7、控制中普遍采用。（1）蒸汽流量（负荷）扰动以对流式过热器为例，在蒸汽流量 D 产生阶跃扰动下，过热汽温 变化响的应曲线如图 2 所示，可用传递函数（1-1）表示。其特点为：有迟延，有惯性，有自平衡能力 ，且 和 TD 均较小。 （2）烟气热量扰动在烟气热量 Qy（烟气温度和流速变化）产生阶跃扰动下，过热汽温 变化的响应曲线如图 3 所示，可用传递函数（1-3）表示。特点为：有迟延、有惯性、有自平衡能力。迟延时间约：10-20s，惯性时间常数： 100s3 控制系统设计3.1 过热汽温控制的基本方案为了在控制机构动作后能及时影响到汽温(即控制机构扰动时，汽温动态特性的、T 和 / T 应尽可能小
8、 )，因此正确选择控制汽温的手段是非常重要的，目前广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。即使这样，对于满足汽温的高精度要求，控制对象在控制作用下的迟延时间 和时间常数 T 还是太大。如果只根据汽温偏差来改变喷水量往往不能保证汽温在允许的范围内。因此，在设计自动控制系统时，应该引人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，过热汽温还没有发生明显变化的时刻就进行控制，消除扰动对主汽温的影响，而有效地控制汽温的变化。电站锅炉应用最广泛的是串级过热汽温控制系统和采用导前汽温微分信号的双回路控制系统。本文采用串级过热汽温控制系统方案。sQyQy eTKsG1)( 0 t T c0 t- WB
9、WBscBWeTKsGB 1)(图 3 图 4（1-3） （1-4）3.2 串级控制方案论证串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。图 5 串级控制系统方框图由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的，两个控制器协调一致，互相
10、配合。若干扰来自副环，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。因此控制质量优于简单控制系统。串级控制有以下优点 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及时； 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了； 对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高； 对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的 1%10%，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的 1/31/5。但是，如果串级控制系统设计得不合
11、理，其优越性就不能够充分体现。因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。3.3 系统控制参数确定3.3.1 主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关主调节器 副调节器 调节阀 副对象 主对象副变送器主变送器给定副参数主参数二次扰动一次扰动- -系的间接单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。该参数可直接反应控制目的。3.3.2 副变量的选择副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以
12、下原则： 应使主要干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原则，选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。3.3.3 操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。操纵变量的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量； 在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；综合以上原则，
13、选择减温水的输入量作为操纵变量。3.4 调节阀的选择在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素： 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故； 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低； 尽可能的降低原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑。综合以上各种
14、因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性。阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位；阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度；阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。3
15、.5 控制器设计3.5.1 控制器控制规律的选择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汽温起细调作用，因此应采用 PI 或 PID 控制器。3.3.2 控制器正、反作用选择对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。为了使副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负” ，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负” 。在本设计中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度
16、会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负” ；而调节阀为气开阀，即其控制作用为“正” ，所以负调节器的控制作用应为负作用。主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定，同时可将副回路视为一放大倍数为“正”的环节来看待，因为副回路是以随动系统。这样只要根据主对象与主变送器放大倍数的符号及整个主环开环放大倍数的符号为“负”的要求，就可以确定主控制器的正、反作用。在本系统中，主对象的放大倍数为的符号为“正” ，所以主控制器应选“负”作用。3.4 控制仪表的选择控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动 I 型、II 型、III 型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动 II
17、 型、III 型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。电动 III 型和电动 II 型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制 II 型典型信号为 mADC10，而电动 III 型仪表的典型信号为 mADC204，此外。III 型仪表较 II 型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时 III 型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动 III 型仪表。由电动 III 型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种：图 6 用电动 III 型仪表组成的串级控制系统方块图该方案中采用了两台控制器，主、副
18、变量通过一台双笔记录仪进行记录。由于副控制器输出的是，而控制阀只能接受 MPa1.02.气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。图 7 用电动 III 型仪表组成的主控- 串级控制系统方块图该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下。在本设计中采用第二种方式可以是控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。3.5 系统流程及方案图 8 是过热蒸汽温度串级控制系统基本结构，控制系统的方框图如图 9 所示。主控制器主变送器副变送器双笔记录仪主对象副对象控制阀电气转换器副控制器主控制器主变送器副变送器双笔记录仪主对象
19、副对象控制阀电气转换器副控制器串级主汽温控制系统的两个回路为:由对象的导前区 Gp1(s)、导前汽温变送器 ml、副控制器 Gc2(s)、执行器 Kz和喷水控制阀 Kf 组成副回路;由对象的惰性区 Gp2(s)、过热汽温(主汽温) 变送器 m、主控制器 Gc1(s)及副回路组成主回路。导前汽温 1 对于喷水量变化的反应比主汽温 及时，一旦导前汽温 1 发生变化，副控制器 Gc2 就改变减温水流量，及时消除干扰使主汽温变化较小。主控制器 Gc1 对过热汽温 起校正作用。当主汽温 偏离给定值时，由主控制器 Gc1 发出校正信号 u1，通过副控制器 Gc2 及其执行机构进行控制，使主汽温最终恢复到给
20、定值。主控制器的输出 u1 相当于改变导前汽温 1 的给定值。所以控制过程结束时，导前汽温 1 可能稳定在与原来不同的数值上，而过热汽温 则等于给定值。一般汽温控制中导前区动态特性 Gpl(s)的迟延和惯性要比整个控制对象 GPl (s) GP2 (s)的迟延和惯性小得多，在这种情况下副回路的控制过程比主回路的控制过程快得多。当副回路消除喷水量扰动时，主汽温基本上不受影响。即当副回路动作时，主回路可以看作开路;而当主回路动作时，副回路可以看作是快速随动的比例环节。4控制系统仿真机参数整定主汽温度控制系统对象 30s1e 1 2W-10s5eD+10sW 喷水流量 1、 2惰性区温度、导前区温度
21、D 主蒸汽流量+Gc1(s) Gc2(s) Gp2(s)Gp1(s)KzKfm1mu1 u2 Wb 1 s图 9 串级主汽温控制系统结构图图 8 串级过热气温调节系统工艺流程图（1）Matlab2011b 环境下应用 Simulink 搭建系统如图所示。（2）应用两步法整定串级控制系统，得到内环和系统整体响应曲线如图 11、12 所示。其中主副调节器参数分别为：主调节器 P=0.06，I=0.0024 ，副调节器 P=15.92 D=92.09。系统阶跃响应曲线的超调量为 20%，衰减率约为 75%，达到设计要求。（3）系统干扰测试系统在蒸汽流量和5%内扰作用下的响应曲线分别如图所示。图 10
22、 串级过热气温调节系仿真图图 11 串级过热气温调节系统内环阶跃响应曲线 图 12 串级过热气温调节系统整体阶跃响应曲线通过扰动测试，可以看出系统对扰动具有较强的抑制能力，但同时由于大惯性和延时，以致系统对较强扰动抑制效果有限。5.绘制SAMA图（见附录）6 总结体会6.1 设计总结本设计是基于串级控制系统的锅炉过热蒸汽温度控制系统的设计，对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提。采用串级控制系统，主回路采用 PID 运算，副回路采用 PD 运算。在主回路串级自动控制系统采用微分作用，对于延迟和惯性较大的对象调节质量较好。同时，可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统
23、工作在良好的状态下。 过热汽温串级自动控制系统中，过热汽温串级自动控制系统中主、副调节回路相对独立，因此在投运时，参数整定、调试直观方便。串级自动控制系统数据运算较复杂，对运算设备要求高。 （DCS 具有丰富的运算功能和较快的运算速度，软、硬件完全能够满足算法要求） 。总之，在火力发电机组中过热汽温采用串级自动控制方案比较理想。6.2 心得体会本设计综合运用了自动控制理论以及过程控制理论，在为期一周的时间里，我们每个人都有很多收获。为完成本次课程设计，我们又重新温习了一下相关的理论和课程资料，查阅了很多文献，通过这些前期准备工作，我们基本熟悉了控制系统设计的流程及方法，为接下来的课设以及日后的
24、工作奠定了基础。我们经过讨论确定了本课题，然后，明确成员分工，一丝不苟的开展设计，这期间，我们不仅主动去研究现有的理论，而且还参考了工程实际的方案，虽然，我们每个人都很努力，但是，在设计过程中，还是遇到了一些棘手的问题，有的通过查阅资料得以解决，有的是在与同学的讨论中豁然开朗，有的在老师的帮助下顺利攻克。在解决问题的过程中，我们对相关理论的理解更深刻了，应用理论解决问题的能力更强了。可以说本次课程设计，使我们的工程素养得到了大幅度的锻炼和提高。在此，我们诚挚的向组织指导本次课程设计的各位老师表示感谢，对答辩的老师由衷地说句：“您辛苦了！” 。图 13 蒸汽流量扰动下系统阶跃响应曲线图 14 5%内扰作用下系统阶跃响应曲线参考文献1巨林仓. 电厂热工过程控制系统.西安：西安交通大学出版社， 20092夏泽中，施三宝主蒸汽温度预测 PID 串级控制应用研究C.3金以慧 .过程控制.北京：清华大学出版社，1993(2007.5 重印)附录 主汽温串级控制系统 SAMA 图
