过控课设报告

课程设计报告
( 2015--2016年度第一学期)
名称：过程控制课程设计
题目：主汽温度控制系统设计院系：自动化
设计周数： 1周
日期：2016年 01月20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：
指导教师：
2016年01月20日
一、课程设计的目的与要求
1、目的
“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。

2、要求
设计分为两个阶段：设计前期工作及设计工作。

（一）设计前期工作 主要内容：
（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；
（二） 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） 系统功能和逻辑：系统控制结构，系统的自动控制和手动操作，系统手动与自动的双向无扰动切换，系统投自动或切手动的条件 。

（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。

二、设计正文
1、被控对象分析，系统对象动态特性： 1.1影响过热蒸汽温度因素
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
12
27
1.657(120)1.202(127.1)s s G s G s -=
+=
+
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
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
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θ变化响的应曲线如下图所示：
图2 蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线
其特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，且τD和T D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θ变化的响应曲线如下图所示：
图3烟气扰动的汽温扰动曲线
其特点是：
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：<100s
（3）减温水量扰动
在减温水量W B产生阶跃扰动下，过热汽温θ变化的响应曲线如下图所示：
图4 减温水流量扰动下的汽温响应曲线
0t
T c
τ
0t
-W B
ΔW B
其特点是：
有迟延、有惯性、有自平衡能力（迟延较大，与减温器的位置和过热器管道的长短有关）。

一般锅炉：迟延时间：30-60s ，惯性时间常数：>100s 。

2、控制方案 2.1控制方案的选择
现代大型火电机组，由于锅炉容量大，过热器受热面积大幅增加，管道长度大幅加长，结构复杂，因而控制对象的延迟和惯性较大。

针对这些特点，形成了多种设计方案，主要有： 采用导前气温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统等等。

采用导前气温微分信号的双回路控制系统结构简单，是一种可取的过热蒸汽温度控制方案。

但若微分器的参数调整不当，会产生严重的非线性，使控制质量恶化。

串级控制系统主副控制器分工明确，系统容易整定，因此我们选择采取串级控制系统作为控制方案。

2.2控制系统原理图
串级主汽温控制系统的两个回路为：
（1）由对象的导前区p1()G s 、导前气温变送器m1、副控制器2()c G s 、执行器z K 和喷水控制阀f K 组成副回路。

（2）由对象的惰性区2()p G s 、过热汽温（主汽温）变送器m 、主控制器2()c G s 及副回路组成主回路。

导前气温1θ对于喷水量变化的反应比主汽温θ及时，一旦导前气温1θ发生变化，副控制器
2()c G s 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1()c G s 发出校正信
号u1通过副控制器2()c G s 及其执行机构进行控制，使主汽温最终恢复到给定值。

主控制器的输出u1相当于改变导前气温1θ的给定值。

所以控制过程结束时，导前气温1θ可能稳定在与原来不同的数值上，而过热汽温θ则等于给定值。

2.3工艺流程图
喷水减温器控制它之后的过热器出口温度，本控制系统有两个测点，一个设在喷水器后，一个设在过热器出口。

控制器将输出信号传给执行机构，控制阀门开度。

2.4喷水减温系统在锅炉内的分布
塔式锅炉的过热器受热面分为三级：一级初级热器级、二级屏式过热器、三级末级过热器。

一级和三级过热器位于炉膛出口断面前，主要吸收炉膛内的辐射热量；二级过热器位于一级过热器和末级过热器之间，主要靠对流传热吸收热量。

在一级和二级、二级和三级过热器之间设置两级喷水减温，并通过两级受热面之间连接管道的交叉是一级受热面外侧管道的蒸汽流入下一级受热面的内侧管道，补偿烟气导致的热偏差。

工艺流程图如下。

A 侧(
B 侧)喷水阀工艺流程图
喷水
2.5控制系统SAMA 图 设计特点：
II 级减温水I 级减温水
A 、
B —减温水调节阀；A ‘、B ’—减温水截止阀
主蒸汽一级过热器出口温度
一级减温器出口温度
一级喷水阀
1、因为影响汽温的因素有很多，其中主蒸汽流量就是一个。

而主蒸汽流量可测，且响应快，因此采用主蒸汽流量作为前馈，修正给定值。

2、切手动条件：一过出口温度信号故障；一减出口温度信号故障；一过出口温度偏差大；一减阀位偏差大。

2.6仿真试验与系统整定
在确定好控制方案后，本文使用Matlab中的SIMULINK模块进行控制系统的仿真分析，我们采取串级控制，用模块搭建系统如下：
实验过程：1、整定控制器参数，使控制指标达到要求：
75%~90%
20%
ss
E
ψσ=
≤
=
；
2、带系统稳定后在副环内加一二次扰动，观察系统输出；
3、待系统重新稳定后加一次扰动，观察系统输出；
4、最后给系统加一给定值扰动，观察系统输出；
实验结果如下：
1 、整定完主回路后的曲线，副回路采用P=-7，主回路采用PI调节P=0.75,I=0.0045。

2、2000S后加入内扰的曲线如下图。

可见系统具有较强的抗干扰能力。

3、4000S后加外扰，结果如下
可见系统超调大，对外扰抗干扰能力较小，系统波动较大，可采用高级控制算法改进。

4、6000S后加给定值扰动，曲线如下图。

可见汽温能迅速跟上给定值。

三、课程设计总结
本次课程设计基本达到预期要求。

在设计中，我们首先完成了被控对象的分析，根据对被控对象的分析确定系统的自动控制结构，并给出控制系统的原理图以及控制系统工艺流程图，完成控制系统的SAMA图，最后还对设计的系统进行了仿真与整定。

通过本次课程设计，我们对课本中的理论知识有了更为深刻的理解，对过程控制系统的设计有了初步的理解，大致掌握了过程控制系统的设计步骤。

同时我们自己动手绘制原理图、工艺流程图以及SAMA图，搭建流程图进行仿真、整定，使我们基本掌握了Visio、MATLAB
等软件。

在这几天的课程设计中，我们小组成员共同讨论问题，相互学习帮助。

在这个过程中，我们大家的分析问题、解决问题的能力都得到了很大的提高，同时组织能力和协作能力都得到了增强。

当然，在课程设计过程中，我们也发现了各自的不足，在过程控制这门课程上，我们还存在很多的知识死角和空白，我们会在今后的学习中弥补不足。

还有半年就将离开学校，我们会努力充实自己，为今后的学习、工作打下基础。