1、课程设计报告名 称： 过程控制课程设计 题 目： 主汽温度控制系统设计院 系： 控计 班 级： 创新自 1101 设计周数： 1 周 日期： 2014 年 7 月 2 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
2、程图；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、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 撰写设计报告四、 考核方式提交设计报告及答辩学生姓名：指导教师：年 月 日一、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
3、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 设计前期工作过程控制课程设计报告2（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，
4、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.前期工作：11 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。12 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：图 1 蒸汽流量对过热器温度的影响
5、13 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 时刻产生蒸汽流量扰动 下过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管st0D过程控制课程设计报告3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
6、。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 1020s 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（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，最终引起出口蒸汽过程控制课程设计报告4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
7、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3060s。图 4 减温水流量扰动下的汽温响应曲线2.设计工作该控制系统属于大惯性系统。目前普遍采用的控制方案有：采用导前微分控制系统、过热汽温串级控制系统、过热汽温分段控制系统等。本次课程设计采用串级控制。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：图 5 串级控制结构方框图2.2 工艺流程图以某 300MW 汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽流程图与原理图如下图所示： 流程图见附录主 调 节 器 副 调 节 器 调 节 阀 副 对 象 主 对 象副 变 送 器主 变 送 器-二 次 扰 动主 汽
8、流 量主 蒸 汽 温度 设 定 值0tTc0t- WB WB过程控制课程设计报告5图 8 串级汽温系统控制原理图2.3 控制系统 SAMA 图图 9 控制系统 SAMA 图3. 仿真实验与整定3.1 被控对象特性介绍对象模型如下：过程控制课程设计报告63.2 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。（1）仿真图的建立图 11 仿真结构图（2）内回路参数整定
9、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。过程控制课程设计报告7图 12 内回路衰减曲线法整定仿真图整定的步骤：(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 0.750.9，记录曲线。调整控制参数：当 P=10 时得到控制输出曲线。0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 20000.10.20.30.40.50.60.70.80.91 内内内内内内内图 13 内回路整定输出曲线 1此时的衰减率为 77.8%左右。（3）外回路参数整定把上面
10、整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。建立如下所示的仿真图：过程控制课程设计报告8图 14 外回路衰减曲线法整定仿真图整定的步骤：1）闭合主回路，整定外回路。反复调整主调节器比例带 和积分时间 I，直到衰减率 75.4%记录曲线。得出 P=0.2 I=0.005 75.4%0 500 1000 1500 2000 2500 300000.20.40.60.811.21.41.61.82X: 1262Y: 1.119图 16 外回路整定输出曲线由上图可以看出，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。（4）电厂主汽温控制仿真亚临界机组的主汽温在 540左右（上下偏差不超过
11、5） ，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。1） 搭建如下图所示的仿真图：过程控制课程设计报告9图 17 电厂主汽温控制仿真图2) 主汽温给定值由（530+0）变化到（530+5）设定阶跃信号初始值为 0,700s 后跳跃至 5，得到控制输出曲线：0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000012345678X: 1194Y: 7.403由上图可知，在 700s 时阶跃信号产生时，开始进
12、行调节，超调量小于 30%，同时内回路的控制输出曲线也比较光滑，超调量也较小，控制品质较好。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 5,2000s 后跳跃至 0，得到控制输出曲线：0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-4-202468由上图可知，在 2000s 时阶跃信号产生时，开始进行调节，控制品质依旧较好。（5）抗外扰测试过程控制课程设计报告10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已经给出。1）搭建如下图所示的仿真图：2）测试设蒸汽流量的变换量为温度设定变化值的 10%20%，本文取
13、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：0 100 200 300 400 500 60000.20.40.60.811.21.41.61.82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。（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%。1）搭建如下图所示的仿真图：过程控制课程设计报告112）测试设内部干扰 0.1，跃信号初始值为 0,3000s 后跳跃至 0.1，得到控制输出曲线：0 100 200 300 400 500 60000.20.40.60.811.21.
14、41.61.82（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 0,然后跳跃至 5。在 3000s 后加入内扰 0.1，5000s 后加入蒸汽流动扰动信号变化量为 0.1，检验系统抗干扰能力。1） 建立如下图所示的仿真图：过程控制课程设计报告12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。2） 仿真得到控制输出曲线：0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000012345678910由上图可知，该串级控制回路能够有效的克
15、服内扰和外扰叠加对控制系统的影响，使控制品质得到保证，该串级控制设计合理。（8）加前馈由前馈补偿公式：Gff*18.25/(25s+1)2*1.502/(28.3s+1)7=4.2/(30.1s+1)4经过零极点对消得 Gff=0.15*(25s+1)2*(28.3s+1)3仿真图如下所示：过程控制课程设计报告13得到的曲线为：0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 50000123456784. 控制方案与仿真结果分析多干扰、大迟延、变工况为串级控制系统的主要特点。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
16、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，同时串级控制具备对二次干扰有很强的克服能力、能够改善被控对象的动态特性、对负载或操作条件的变化有一定的自适应能力的特点。过程控制课程设计报告14因为副回路要求简单快速同时安全地调节被控对象，所以一般而言只需要进行比例控制，主回路进行比例-积分控制。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 40%以内，衰减率也能基本控制在75%90%之内，其控制输出曲线光滑。经过仿真发现，该串级控制能够有效的对其变化值为 5 的阶跃信号进行控制，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。经过干扰测试发现，该控制回路能快速的克服内扰对系统的影响，对外扰也能够有一定的消除作用，在外扰信号和内扰信号叠加的同时也能够有效的消除干扰。因此，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。三、课程设计总结通过本次课程设计我更好的理解了书本上的理论，提升了仿真动手能力，对主汽温过程控制系统有了更深的认识，弥补了一些知识盲区。但是，也存在着一些不足，比如说前馈系统的搭建完全不理解，这需要自己更加努力的学习相关知识和请教老师同学解决好这些问题。四、参考文献1金以慧.过程控制M.北京:清华大学出版社,1993
