過程控制課程設(shè)計---火電廠主汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　課程設(shè)計報告</b></p><p>　　(2013—2014年度第 一 學(xué)期)</p><p>　　名 稱： 過程控制課程設(shè)計 </p><p>　　題 目：火電廠主汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　院 系： 自動化

2、 </p><p>　　班 級： </p><p>　　設(shè)計周數(shù)： 1 周 </p><p>　　日期： 2014 年1月2日</p><p>　　《過程控制》課程設(shè)計 </p><p><b>　　任 務(wù) 書</b><

3、;/p><p><b>　　目的與要求</b></p><p>　　“過程控制課程設(shè)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(shè)置、工程圖紙的繪制等基礎(chǔ)設(shè)計和設(shè)計說明的撰寫，培養(yǎng)學(xué)生基本控制系統(tǒng)工程設(shè)計能力、創(chuàng)新意識，完成工程師基本技能訓(xùn)練。</p><p><b>　　二、 主要內(nèi)容<

4、/b></p><p>　　1．根據(jù)對被控對象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；</p><p>　　2．根據(jù)確定控制設(shè)備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構(gòu)，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；</p><p>　　3．根據(jù)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）；</p><p

5、>　　4．對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗并進(jìn)行系統(tǒng)整定；</p><p>　　5．編寫設(shè)計說明書。</p><p><b>　　三、 進(jìn)度計劃</b></p><p>　　設(shè)計（實驗）成果要求</p><p>　　繪制所設(shè)計熱工控制系統(tǒng)的SAMA圖；</p><p>　　根據(jù)已給對象，用MATA

6、BL進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真整定，并打印整定效果曲線；</p><p><b>　　撰寫設(shè)計報告</b></p><p><b>　　五、 考核方式</b></p><p><b>　　提交設(shè)計報告及答辯</b></p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b>&l

7、t;/p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　年 月 日</p><p>　　一、課程設(shè)計目的與要求</p><p>　　通過實際工業(yè)過程對象控制方案的選擇、控制功能的設(shè)置、工程圖紙的繪制等基礎(chǔ)設(shè)計和設(shè)計說明的撰寫，培養(yǎng)學(xué)生基本控制系統(tǒng)工程設(shè)計能力、創(chuàng)新意識，完成工程師基本技能訓(xùn)練。 掌握匯

8、編語言程序設(shè)計的基本方法和典型接口電路的基本設(shè)計方法。</p><p>　　掌握過程控制系統(tǒng)設(shè)計的兩個階段：設(shè)計前期工作及設(shè)計工作。</p><p><b>　　2.1設(shè)計前期工作</b></p><p>　?。?）查閱資料。對被控對象動態(tài)特性進(jìn)行分析，確定控制系統(tǒng)的被調(diào)量和調(diào)節(jié)量；</p><p>　?。?）確定自動化

9、水平。包括確定自動控制范圍、控制質(zhì)量指標(biāo)、報警設(shè)限及手自動切換水平；</p><p>　?。?）提出儀表選型原則。包括測量、變送、調(diào)節(jié)及執(zhí)行儀表的選型。 </p><p><b>　　2.2設(shè)計工作</b></p><p>　?。?）根據(jù)對被控對象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；</p><p>　

10、?。?）根據(jù)確定控制設(shè)備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構(gòu)，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；</p><p>　?。?）根據(jù)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）；</p><p>　?。?）對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗并進(jìn)行系統(tǒng)整定；</p><p>　?。?）編寫設(shè)計說明書。</p><p>

11、　　培養(yǎng)學(xué)生對過程控制系統(tǒng)的基本設(shè)計能力。</p><p>　　提高學(xué)生的實踐動手能力和創(chuàng)新能力。</p><p><b>　　二、課程設(shè)計正文</b></p><p>　　1. 被控對象動靜態(tài)特性分析</p><p>　　1．1影響過熱蒸汽溫度的因素</p><p>　　影響過熱蒸汽溫度的主要擾

12、動有三種：</p><p>　?。?）蒸汽流量（負(fù)荷）擾動；</p><p>　?。?）煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風(fēng)量變化等）；</p><p>　　（3）減溫水流量擾動。</p><p>　　1．2過熱汽溫控制對象的靜態(tài)特性分析</p><p>　　根據(jù)傳熱方式分：過熱器可分為對流式、輻射式和半輻射式

13、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：</p><p>　　圖1 蒸汽流量對過熱器溫度的影響</p><p>　　1．3過熱汽溫控制對象的動態(tài)特性分析</p><p>　?。?）蒸汽流量（負(fù)荷）擾動下的動態(tài)特性</p><p>　　汽機負(fù)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(dǎo)致汽溫的

14、變化。如圖，在時刻產(chǎn)生蒸汽流量擾動下過熱蒸汽的響應(yīng)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(yīng)具有自平衡特性，而且慣性和遲延都比較小。</p><p>　　圖2 蒸汽流量（負(fù)荷）擾動下的動態(tài)特性曲線</p><p>　?。?）煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風(fēng)量變化等）下的動態(tài)特性</p><p>　　燃料量增減，燃料種類的變化

15、，送風(fēng)量，吸風(fēng)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(dǎo)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(xiàn)出自平衡特性。煙氣側(cè)擾的汽溫響應(yīng)曲線如下圖所示。</p><p>　　圖3 煙氣側(cè)擾動的汽溫響應(yīng)曲線</p><p>　?。?）減溫水流量擾動下動態(tài)特性</p>

16、<p>　　應(yīng)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(shù)的多容對象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無窮多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，當(dāng)噴水量發(fā)生變化后，需要通過這些串聯(lián)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(yīng)曲線如下圖。噴水量振動響應(yīng)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

17、爐延遲在30~60s。</p><p>　　圖4 減溫水流量擾動下的汽溫響應(yīng)曲線</p><p>　　2. 主汽溫控制方案</p><p>　　通過對過熱蒸汽汽溫動態(tài)特性的分析可知，該被控對象慣性比較大，且過熱器慣性比較大。目前普遍采用的控制方案有：采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)、過熱汽溫串級控制系統(tǒng)、采用相位補償?shù)钠麥乜刂葡到y(tǒng)、過熱汽溫分段控制系統(tǒng)等。<

18、;/p><p>　　通過對這些控制方案的比較發(fā)現(xiàn)，采用導(dǎo)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(dāng)控制對象惰性區(qū)的慣性比較大時更為明顯。因此，本次課程設(shè)計采用串級控制。</p><p>　　2.1 串級控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　串級控制的結(jié)構(gòu)方框圖如下：</p><p>　　圖5 串級控制結(jié)構(gòu)方框圖</p>

19、;<p><b>　　2.2 工藝流程圖</b></p><p>　　以某300MW汽輪發(fā)電機組的汽包鍋爐為例，其過熱蒸汽生產(chǎn)流程簡圖和流程圖如下圖所示： </p><p>　　圖6 300MW機組過熱蒸汽生產(chǎn)流程簡圖</p><p>　　圖7 300MW機組過熱蒸汽流程圖</p><p>　　

20、圖8串級汽溫系統(tǒng)控制原理圖</p><p><b>　　控制系統(tǒng)SAMA圖</b></p><p>　　圖9 控制系統(tǒng)SAMA圖</p><p>　　3. 仿真實驗與整定</p><p>　　3.1被控對象特性介紹</p><p>　　本次課程根據(jù)文獻(xiàn)3中300MW機組主汽溫的對象為被控對象，其對

21、象模型如下：</p><p>　　圖10 被控對象特性</p><p><b>　　圖中： ，</b></p><p><b>　　3.2系統(tǒng)仿真</b></p><p>　　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(jìn)行了分析。在串級主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應(yīng)盡快地消

22、除擾動對主汽溫的影響，對主汽溫起粗調(diào)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(xì)調(diào)作用，因此采用的是PI控制器。</p><p><b>　?。?）仿真圖的建立</b></p><p><b>　　圖11 仿真結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　?。?）內(nèi)回路參數(shù)整定</p><p&

23、gt;　　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(jìn)行整定。建立如下圖所示的仿真圖。</p><p>　　圖12內(nèi)回路衰減曲線法整定仿真圖</p><p><b>　　整定的步驟：</b></p><p>　　斷開主回路，用衰減曲線法，整定內(nèi)回路。副調(diào)節(jié)器，純P作用。</p><p>　　反復(fù)調(diào)整比例帶，做

24、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。</p><p><b>　　調(diào)整控制參數(shù)：</b></p><p>　　當(dāng)P=5.9時得到控制輸出曲線。</p><p>　　圖13 內(nèi)回路整定輸出曲線1</p><p>　　此時的衰減率為82.5%左右。</p><p>　?。?/p>

25、3）外回路參數(shù)整定</p><p>　　把上面整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個環(huán)節(jié)，進(jìn)行整定。建立如下所示的仿真圖：</p><p>　　圖14 外回路衰減曲線法整定仿真圖</p><p><b>　　整定的步驟：</b></p><p>　　1）閉合主回路，整定外回路。反復(fù)調(diào)整主調(diào)節(jié)器比例帶和積分時間I，直到衰減率ψ＝0.

26、76記錄曲線。得出P=1.4 I=0.075 σ=19.2% ψ＝76.13%</p><p>　　圖16 外回路整定輸出曲線</p><p>　　由上圖可以看出，得到的外環(huán)控制輸出曲線超調(diào)量較小，控制曲線光滑，品質(zhì)優(yōu)良。</p><p>　?。?）電廠主汽溫控制仿真</p><p>　　本文以亞臨界機組的主汽溫540℃附近為仿真參

27、考，假定主汽溫已經(jīng)穩(wěn)定在535℃，現(xiàn)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(zhì)。</p><p>　　搭建如下圖所示的仿真圖：</p><p>　　圖17電廠主汽溫控制仿真圖</p><p>　　2)主汽溫給定值由（530+0）℃變化到（530+5）℃</p&

28、gt;<p>　　設(shè)定階躍信號初始值為0,800s后跳躍至5，得到控制輸出曲線：</p><p>　　圖18電廠主汽溫控制輸出曲線1</p><p>　　由上圖可知，在500s時階躍信號產(chǎn)生時，開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，超調(diào)量小于20%，同時內(nèi)回路的控制輸出曲線也比較光滑，超調(diào)量也較小，控制品質(zhì)較好。</p><p>　　主汽溫給定值由（535+0）℃變化到（53

29、5-5）℃時</p><p>　　設(shè)定階躍信號初始值為5,2000s后跳躍至0，得到控制輸出曲線：</p><p>　　圖19電廠主汽溫控制輸出曲線2</p><p>　　由上圖可知，在2000s時階躍信號產(chǎn)生時，開始進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制品質(zhì)依舊較好。</p><p><b>　?。?）抗外擾測試</b></p>

30、<p>　　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(shù)已經(jīng)給出。</p><p>　　1）搭建如下圖所示的仿真圖：</p><p>　　圖20 電廠主汽溫控制抗外擾測試仿真圖</p><p><b>　　2）測試</b></p><p>　　設(shè)蒸汽流量的變換量為溫度設(shè)定變化值的10%—20%，

31、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：</p><p>　　圖21 電廠主汽溫控制抗外擾測試輸出曲線</p><p>　　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(zhì)的影響。</p><p><b>　?。?）抗內(nèi)擾測試</b></p>

32、;<p>　　本次的內(nèi)擾為模擬內(nèi)部干擾，其值約為控制量的10%。</p><p>　　搭建如下圖所示的仿真圖：</p><p>　　圖22電廠主汽溫控制抗內(nèi)擾測試仿真圖</p><p><b>　　2）測試</b></p><p>　　設(shè)內(nèi)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

33、出曲線：</p><p>　　圖22 電廠主汽溫控制抗內(nèi)擾測試輸出曲線</p><p>　　由上圖可知，當(dāng)有內(nèi)部干擾變化影響回路時，串級控制輸出的波動較小，超調(diào)量很小，能夠有效的克服內(nèi)擾對控制回路的影響。</p><p>　?。?）抗干擾綜合測試</p><p>　　將內(nèi)擾和外擾綜合進(jìn)行測試，主汽溫給定值由（535+0）℃變化到（535+5）

34、℃，設(shè)定階躍信號初始值為0,1s后跳躍至5。在2000s后加入內(nèi)擾0.1，4000s后加入蒸汽流動擾動信號變化量為1，檢驗系統(tǒng)抗干擾能力。</p><p>　　建立如下圖所示的仿真圖：</p><p>　　圖23 電廠主汽溫控制抗干擾綜合測試仿真圖</p><p>　　仿真得到控制輸出曲線：</p><p>　　圖24 電廠主汽溫控制抗干擾綜

35、合測試輸出曲線</p><p>　　由上圖可知，該串級控制回路能夠有效的克服內(nèi)擾和外擾疊加對控制系統(tǒng)的影響，使控制品質(zhì)得到保證，該串級控制設(shè)計合理。</p><p>　　4. 控制方案與仿真結(jié)果分析</p><p>　　本文主要針對300MW機組主汽溫的對象進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過對該被控對象和影響其動態(tài)特性的因素進(jìn)行了分析。分析發(fā)現(xiàn)該對象慣性比較大。</p&

36、gt;<p>　　對于電廠主汽溫的控制目前普遍采用的控制方案有：采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)、過熱汽溫串級控制系統(tǒng)、采用相位補償?shù)钠麥乜刂葡到y(tǒng)、過熱汽溫分段控制系統(tǒng)等。但通過相關(guān)文獻(xiàn)的比較發(fā)現(xiàn)，采用導(dǎo)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(dāng)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，同時串級控制具備如下特點：</p>&

37、lt;p>　　對二次干擾有很強的克服能力；</p><p>　　能夠改善被控對象的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率；</p><p>　　對負(fù)載或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。</p><p>　　因此，本文對文獻(xiàn)3中的被控對象采用了PID—PID串級控制，其中副回路用P調(diào)節(jié)，主回路用PI調(diào)節(jié)</p><p>　　在仿真實驗和整定過程中

38、，通過整定，串級控制回路的控制輸出曲線的超調(diào)量控制在了20%以內(nèi)，衰減率也控制在了合理的范圍之內(nèi)，其控制輸出曲線光滑。通過對亞臨界機組的溫度控制的仿真，該串級控制能夠有效的對其變化值為5的階躍信號進(jìn)行控制，經(jīng)過仿真輸出曲線可以發(fā)現(xiàn)，其能夠?qū)o定值進(jìn)行有效的控制，超調(diào)量小于1，控制品質(zhì)優(yōu)良。此外，在仿真中還對該串級控制進(jìn)行了抗干擾測試，分別對內(nèi)擾信號的抗干擾能力和外擾信號的抗干擾能力進(jìn)行了測試。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，該控制回路能夠有效的克服內(nèi)擾對

39、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(nèi)擾信號疊加的同時也能夠有效的消除干擾。因此，通過仿真實現(xiàn)可以得出結(jié)論：設(shè)計的串級控制回路能夠?qū)﹄姀S主汽溫給定溫度值變化進(jìn)行控制，能夠很好的消除內(nèi)部擾動對系統(tǒng)的影響，對外擾具備一定的消除作用，總體設(shè)計合理有效。</p><p>　　當(dāng)然，在仿真過程中也還存在一些不足，比如對外擾的抗干擾效果還可以進(jìn)一步提高。同時，在仿真過程中，我們沒有加入速度限制模塊，這個在實

40、際應(yīng)用中是十分重要的，這一部分也應(yīng)該加強。此外，本文僅采用串級控制進(jìn)行了設(shè)計，但現(xiàn)今先進(jìn)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，這些先進(jìn)的控制方法也可以進(jìn)行一定的分析比較研究。</p><p><b>　　三、課程設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計主要對300MW機組主汽溫的對象進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計，在設(shè)計過程中我們主要完成了被控

41、對象分析，根據(jù)對被控對象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；同時，根據(jù)確定控制設(shè)備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構(gòu)，繪制出了控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖），完成控制系統(tǒng)SAMA圖；最后還對所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗并進(jìn)行系統(tǒng)整定并進(jìn)行了分析。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計我們對課本理論知識有了較為深刻的理解，實際動手能力得到了提升，對過程控制系統(tǒng)的設(shè)計有了初步的理解，大致掌握了過程控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟

42、，對今后的深入學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。同時，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中老師的耐心指導(dǎo)也讓我們糾正了概念理解和設(shè)計思路上的錯誤和不足，進(jìn)一步加深了對控制系統(tǒng)設(shè)計的理解，發(fā)現(xiàn)并填補了部分知識點的空缺。</p><p>　　在這4天課程設(shè)計中，我們小組成員們共同討論問題，相互學(xué)習(xí)幫助。在這個過程中，我們大家的分析問題、解決問題的能力都得到了很大的提高，同時組織能力和協(xié)作能力都得到了增強。</p><p>　

43、　當(dāng)然，在課程設(shè)計過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了各自的不足，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中我們還存在很多的知識死角和空白，在今后的學(xué)習(xí)中，我們還需要進(jìn)一步的充實自我，總結(jié)經(jīng)驗吸取教訓(xùn)，將所學(xué)的基礎(chǔ)知識更多、更好地運用到理論研究和科學(xué)實踐中去。</p><p><b>　　四、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]金以慧.過程控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1993</p&

44、gt;<p>　　[2]馬平 朱燕飛 等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主汽溫控制系統(tǒng)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報.2001,28(2):-52-55</p><p>　　[3]黃成靜 劉紅軍 等.DMC—PID串級主汽溫控制系統(tǒng)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報.2003,30(2):-53-55,67</p><p>　　[4]于希寧 孫建平.自動控制原理[M].北京：中國電力出版社，2008<