过程控制课程设计

课程设计报告( 2008 -- 2009 年度第二学期)名称：过程控制课程设计题目：主汽温串级控制系统院系：自动化设计周数： 1 周姓名学号分工成绩组长实验仿真（模块搭接、参数整定），报告撰写、整理成员实验仿真（模块搭接、参数整定），报告撰写、整理实验原理图、工艺流程图、SAMA图设计实验原理图、工艺流程图、SAMA图设计日期：2009年 07月02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，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：杨宇、张娜、李思怡、郭冉指导教师：马平2009 年 06 月 29日一、课程设计(综合实验)的目的与要求“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、设计（实验）正文（一）.过热汽温控制的任务和要求过热汽温的稳定是机组经济安全运行的保障。

主汽温度自动调节的任务是维持过热蒸汽出口汽温在允许的范围内，使管壁温度不超过允许的工作温度，以确保机组运行的安全性和经济性。

过热汽温过高或过低都会对机组运行造成不利的影响：过热汽温过高,容易烧坏过热器，也会引起汽轮机高压部分过热，严重影响机组安全运行。

过热汽温过低，则会影响全厂热效率，引起汽轮机末级蒸汽湿度增加，甚至使之带水，严重影响汽轮机安全运行。

汽温变化过大，将导致锅炉和汽轮机金属管材及部件的疲劳，还将引起汽轮机汽缸和转子的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组的安全。

一般来说，中高压锅炉过热气温的暂时偏差值不允许超过正负10摄氏度。

长期偏差不允许超过正负5摄氏度。

（二）．汽温调节对象的动态特性过热蒸汽温度控制对象的动态是指引起过热气温变化的各种扰动与气温之间的动态关系。

引起过热蒸汽温度变化的因素很多，如过热蒸汽流量变化，炉膛燃烧工况的变化，锅炉给水温度的变化，进入过热器的热量，流经过热器的烟气温度和流速等的变化。

但归纳起来，过热气温控制对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量变化（负荷变化），烟气传热量变化和减温水流量变化（过热器入口气温变化）。

1．蒸汽流量扰动蒸汽流量变化是由锅炉负荷变化引起的。

当锅炉负荷变化时，过热器出口气温的阶跃相应的特点是有延迟，有惯性，有自平衡能力，且延迟和惯性较小。

另外，随着过热器出口温度的增加，蒸汽带出的热量增加，由于气温增加，温差减小，烟气传给蒸汽的热量也减小，使对象有一定的自平衡能力。

虽然蒸汽负荷扰动下，气温变化特性较好，但蒸汽负荷是由用户决定的，不可能考虑作为控制气温的手段，只能是看作气温控制系统的外部扰动。

不同结构形式的过热器，过热气温随锅炉负荷变化的静态特性是不同的：对于对流式过热器，随着蒸汽流量D的增加，通过过热器的烟气量增加，炉烟温度随之升高，使得过热器出口气温升高。

对于辐射式过热器，蒸汽流量D增加时，炉膛温度升高较少，炉膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需热量要少，因此，其出口气温反而会下降。

实际过程中，通常是两种过热器结合使用。

还增加屏式过热器，且锅炉过热器的对流方式比辐射方式吸热量多。

因此，总的气温随负荷增加而升高。

2．烟气侧传热量的扰动引起烟气传热量扰动的原因很多，如给粉机挤粉不均匀，煤中水分的变化蒸汽受热面结渣，过剩空气系数的改变，汽包给水温度的变化，燃烧火焰中心位置的改变等，但归纳起来不外是烟气流速和烟气温度对过热气温的影响。

在这种烟气测扰动是沿整个过热器长度进行的，所以延迟较小。

3．喷水量扰动减温水流量变化是引起过热器入口蒸汽温度变化的主要因素，也是目前广泛采用的过热蒸汽温度调节方法。

减温器位置对对象动态特性有显著的影响，减温器离过热器出口越远，则延迟越大。

由于大型锅炉的过热器管路很长，故减温水扰动是控制对象的迟延和惯性是比较大的。

尽管减温水扰动时控制对象的动态特性不够理想，但由于结构简单，且对过热器安全运行比较有利，目前仍广泛采用喷水减温作为控制汽温的手段。

这时，只根据气温的偏差只采用单回路反馈系统不可能满足生产上的要求。

为此，在设计控制系统时，常常选择迟延和惯性小于过热器出口汽温的减温器出口处汽温作为辅助被调量，来提前反应调节效果。

（三）．针对汽温调节对象的动态特性，采用喷水量作为调节量，采用串级控制方案，减温器出口温度θd 为副参，主蒸汽温度θs 为主参，主调节器采用PI 调节器，副调节器采用P 调节器。

当扰动发生在副回路内，主回路可以看作是开路系统，从而使过热气温基本不变，而单回路气温控制系统，必然要影响到主气温的稳定。

当扰动发生在副回路之外，引起过热气温偏离给定值时，串级系统首先由主调节器改变其输出校正信号，通过副调节回路去改变减温水流量，使过热汽温恢复到给定值。

在过热气温串级控制系统中，对副回路的要求是尽快消除减温水流量的自发性扰动和进入副会路的其他扰动，对过热气温起粗调作用，故副调节一般选用比例或比例微分调节器。

主回路及主调节器的任务是保持主气温等于给定值，因此主调节器要具有积分作用，多采用比例积分或比例积分微分调节器。

控制原理图：（四）．工艺流程图喷水减温器（五）．控制系统SAMA 图二级过热器出口汽温减温器出口汽温扰动去本页去本页（六）．根据控制原理图，进行控制系统仿真实验根据原理图搭接模块：利用逐步逼近法进行参数整定1．首先对副环进行整定。

断开主环，按照单回路整定方法，求取副调节器的整定参数。

PI控制器的参数设定：Kp＝，Ki＝0。

加入阶跃响应，观察示波器输出波形。

由波形得，ψ＝75％。

副环整定好。

2.整定主环。

把刚整定好的副环作为主环的一个环节，仍按单回路整定方法，求取主调节的整定参数。

加入阶跃响应，主调节器参数设为：Kp＝，Ki＝0。

观察示波器输出波形。

由波形得：ψ＝75％，Ts＝85s。

经计算得：δ＝*δs＝*=，Ti＝*Ts=*85＝所以设置主调节器的参数为Kp*＝1/δ=，Ki*＝Kp*/Ti=，观察示波器输出波形。

由波形可知Ti过大，设定Ki＝得至此，主环也整定好了。

３.调节器的正反作用七．考虑扰动D （s ），进行前馈设计1．前馈控制器的设计se s Gd s 1015)(10+=-,s e s Gp s10110)(30+=- ss p d e ss e Tds Tps Kp Kd s Gff )3010()(*101101*105*11*)(----++-=++-=ττTp=Td,且τd<τp,故动态前馈为纯提前不可实现，只能实现静态前馈。

5.0)(-=s Gff原理图2．参数整定不加前馈，扰动单独作用时输出波形为：加入静态前馈整定外环路。

设定主调节器参数为纯比例调节：Kp＝输出波形为：由波形得ψ＝75％，Ts= ,经计算得：Kp*＝，Ki＝主调节器代入新参数,输出波形为：三、课程设计（综合实验）总结或结论通过本次课程设计，我们对《过程控制》这门课所学的一些知识，尤其是PID参数整定方面有了进一步的了解，通过对主汽温系统的MATLAB仿真，更直观形象的了解了Kp、Ki 的大小以及微分作用的加入对系统产生的影响，加深了我们对理论知识的理解。

同时，更熟悉了MATLAB这个软件中Simulink部分的应用，也对电厂中主汽温系统的整定有了个大致的了解，更是学会应用VISIO软件进行绘图，获益良多。

在课设的过程中，我们遇到了很多困难，尤其在SAMA的绘制以及主回路PI参数的整定方面，不过经过我们小组四位成员的共同努力，终于突破瓶颈，成功调出令人满意的参数。

当然，在对串级系统的控制算法选择和参数的设置方面，思路还不是特别的清晰，在今后的学习中会着重加强这部分的学习，达到灵活应用的程度，为今后走上工作岗位打下坚实基础。

四、参考文献【1】金以慧主编《过程控制》清华大学出版社 1993年4月第一版【2】朱北恒主编《火电厂热工自动化系统实验》中国电力出版社 2006年1月第一版【3】吴勤勤主编《控制装置及仪表》化学工业出版社 2002年8月第二版。