热工控制系统 实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验
热工控制系统实验三过热汽温串级控制系统仿真实验样本
实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验一、实验目1.理解过热汽温串级控制系统构造构成。
2.掌握过热汽温串级控制系统性能特点。
3.掌握串级控制系统调节器参数实验整定办法。
4.分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质影响。
二、实验原理本实验以某300MW 机组配套锅炉过热汽温串级控制系统为例, 其原理构造图如下图所示:过热器过热器喷水减温器图3－1 过热汽温串级控制系统原理构造图由上图, 可得过热汽温串级控制系统方框图如下:扰动图3－2 过热汽温串级控制系统方框图● 主调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ）调节器, 其传递函数为:()11111111111T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=++=++ ⎪⎝⎭式中: ——主调节器比例系数( )；1i K ——主调节器积分系数(1111i i K δ=)；1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。
● 副调节器在图3－2所示过热汽温串级控制系统中副调节器 采用比例（P ）调节器,其传递函数为:()2221T p W s K δ==● 式中: ——副调节器比例系数( )。
● 导前区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下导前区对象传递函数: ● （2）100％负荷下导前区对象传递函数: ● 惰性区对象在图3－2所示过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 传递函数分别为:（1）50％负荷下惰性区对象传递函数: （2）100％负荷下惰性区对象传递函数:三、实验环节1.在MATLAB 软件Simulink 工具箱中, 打开一种Simulink 控制系统仿真界面, 依照图3－2所示过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下:图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图惰性区对象传递函数模块建立惰性区对象传递函数为三阶惯性环节, 在组态图中采用建立子模块方式建立惰性 区对象传递函数模块。
实验一 火电厂过热汽温串级控制系统整定实验
实验一 串级过热汽温控制系统的设计与参数整定一、实验目的1) 熟悉串级控制系统的组成和工作原理。
2) 掌握串级回路理论整定方法，获得理想整定参数。
3) 掌握Matlab 设计系统框图的方法。
二、实验设备计算机 三、实验原理过热汽温控制对象导前区的迟延和惯性比惰性区要小，而且副调节器又选用P 或PD 控制规律，在这种情况下，内回路的控制过程要比外回路的控制过程快得多。
此时，串级汽温控制系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定。
控制系统原理如图1所示图1 串级过热汽温控制系统原理框图其中各环节的传递函数为：221211012232201111();()(1)9()()()(/)(115)(125)8()(/)(115)0.1(/)1T T i O O O O Z W s W s T SW s W s W s C V S S W s C V S V C K K θθμδδγγ⋅==+==++=+===当ψ＝0·75时，主、副调节器的理论整定参数为，10.5δ=，20.04δ=，174()i T s =。
四、实验内容和步骤 1) 打开Matlab ，然后单击图标或者在命令行键入simulink ，启动simulink 程序。
2) 新建一个文件，按照图2设计系统框图。
3)系统设计完毕后，此处调节为1000，点击左边箭头启动，双击示波器观察波形。
4)对上图中PID模块进行调试，使超调量为45%左右，调节时间500以内，衰减比4：1左右。
根据下表所给范围选择7组数据，进行调试。
A.先整定主调节器，然后整定副调节器。
B.对于每个调节器，先整定P值，将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。
C.然后整定I值，减小积分时间加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到满意的相应，确定比例和积分的参数。
注意：调节PID模块时，将调节器传递函数展开，公式P+I/s+Ds对应P，I，D三个参数。
串级过热汽温控制系统的分析与实现
使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片蚀
过热蒸汽温度过低
影响机组的安全运行
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副控制器 接受主控制器的输出信号和减温器出口温度信号 ，副调节器的输出控制执行机构的位移，从而控制减温水调节阀门的开度。
主控制器 接受过热汽温信号 ，用于维持过热蒸汽温度，使其等于给定值；
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串级过热汽温控制系统由内、外两个闭合的控制回路构成
内回路的任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用，副控制器一般可采用P或PD控制器。
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外回路分析
1.系统的动态特性
只要在主汽温偏离给定值时，由主控制器就发出校正信号 ，通过副控制器及执行器改变减温水量，使过热汽温最终恢复到给定值。其控制过程可表示为
外回路的任务 :
控制器的输入偏差信号增加时输出也增加，则选择控制器为正作用或标“INC”；若控制器输入偏差信号增加时输出减小，则选择控制器为“反作用”或标“DEC”。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
10
THANKS
2
中压过热汽温度比额定值高25～40℃
改变过热器入口蒸汽温度的方法
喷水式减温表面式减温
因被控对象在基本扰动下的迟延时间太长，往往在机组负荷变动等扰动下蒸汽温度偏差较大。目前大多数机组都采用二级喷水减温控制方式。
过热蒸汽温度过高
容易烧坏过热器
会降低全厂的热效率
一般蒸汽温度每降低5～10℃热效率约降低1%
主控制器可采用PI或PID控制器
保持过热汽温等于给定值
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对主控制器来说：当输入偏差 增加时，输出 减小，则主控制器的正反作用开关置于“反作用”位置。
依据控制器入口信号的接线极性来确定控制器正反作用开关的位置，从而保证系统中内、外回路全部实现负反馈，以保证系统正常进行。
自校正DMC—PID过热汽温控制系统仿真
０ｊ ｔ ａ ｅｅｓ ａｙ ｇｏ ｏｔ ｌ ｕ ｌｉ ｆｈ ｙｔ ａｓｌ—ｔｎｎ ＭＣ— ＰＤ ｃｎｍ ｅ ｏ ｍｐｓｄ ｂｅ ’ｐｍｍ ｔ ｒｉ ｎｃｎｒ ａｔ ｓ ｅｓｓ ｍ， ｆ ｕ ｉｇＤ ｃｓ ｒｖ ｎ ｏ ｑ ｉｅ ｏ ｔ ｅ ｅ Ｉ ｏｔ ｌ ｔ ｄｉ ｐ ｏｅ ｍ ｈ ｓ
性和强鲁棒性 以及 串级控制的抗干扰能 力 ， 力求在 所有工况
１ 引言
火力 发电厂运行 过程 中 ， 过热蒸汽温度 对于 电厂 的安 全
实 现汽温 的 良好控制 。
经济运行有着 重大 影响 。温度 过 高， 容易 损坏 设备 ； 温度过 低， 则降低热效率 。因此 ， 控制 系统必须 能够 相 当严 格地将 蒸汽温度控制 在给定值 附 近。然而 由于各种 扰动 因素影 响 汽温过程变化的惯性 和迟延 ， 使得汽温过程 的动态特性 随着 运行工况 的不同而变 化较 大 ， 其是对 于大容 量机 组而言 ， 尤
起来更简单 。仿真结果表明 ， 控制方法有 良好 的控制效果 ， 改善了模 型失配时 的鲁棒性 ， 在过热 汽温控制 中是十分有效的。 关键词 ： 自校正 ； 动态矩阵控制 ； 过热汽温； 模型失配
中 图分 类号 ： ７ ３ Ｉ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｓ ｍ ｕｌｔ０ ｆＳｅｆ—ｔ Ｉｉ ｉ ａｉｎ Ｏ ｌ ｕｌ ｎｇ ＤＭ Ｃ — ＰＩ）Ｓｕ ｒ ｅ ｔ ｄ Ｉ ｐｅ ｈ ａ ｅ Ｓ ｅ ｍ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｎ ｒ ｌＳ ｓｅ ｔ ａ Ｔｅ ｅ ａ ｕ ｅ Ｃ０ ｔ ０ ｙ ｔ ｍ
ＬＵ Ｑ —ｌ ｎ ， Ｈ Ｎ ｕ—ｂｎ Ｉ ｉ ｉ ｇ Ｚ Ａ Ｇ Ｆ ａ ｉ
（ ０ ｅｅｏ ｎ ，Ｎ ｒ Ｗ ｓ ｍ ｏ ｔ ｈ ｉ ｌ ｎｖｒ ｔ， ｉ ｎＳ ａｘ ７０ ７ ， ｈｎ ） Ｃ ｌ ｇ ｆ ｌ Ｍ ｅ ｏｔ ｅｔ Ｐ ｌｅ ｎｃ ｉ ｓｙ Ｘ’ ｈ ｎｉ １０ ２ Ｃ ｉ ｈ ｅ ｙｃ ａＵ ｅｉ ａ ａ
20121637孔艺臻电厂过热汽温串级控制系统仿真实验解析
过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：电厂过热汽温串级控制系统仿真实验姓名：孔艺臻学号：20121637班级：2012034一、实验目的1. 掌握过热汽温串级控制系统的组成和原理2. 掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。
3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数(1)搭建该系统的仿真模型，如图所示。
(2)先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。
(3)在副调节器的比例度等于P2S的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1S，直到得到主回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P1S，过渡过程的振荡周期为T1S。
(4)按照已求得的P1S、T1S和P2S、T2S值，结合副控制器（PI控制器）和主控制器（PID控制器）的调节规律，按衰减曲线整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。
(5)设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。
2、整定控制器采用PID控制规律的单回路控制系统，并与串级控制系统效果进行对比3、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响（1）串级控制系统的主回路和副回路根据一的实验步骤整定各参数。
（2）将一类扰动D1和二类扰动D2分别加入已经整定好参数的串级控制系统中，求出一类扰动D1和二类扰动D2在单位阶跃时主被控量的静差。
分别分析蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响和喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；4、一类扰动和二类扰动对单回路控制系统在两种扰动下的控制效果与串级控制系统进行对比。
5、负荷降至75%但控制器参数没有变化，比较串级控制和单回路控制系统的效果。
三、实验记录1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数（1）先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。
20121637孔艺臻电厂过热汽温串级控制系统仿真实验综述
过程控制系统设计仿真实验报告实验名称：电厂过热汽温串级控制系统仿真实验姓名：孔艺臻学号：20121637班级：2012034一、实验目的1. 掌握过热汽温串级控制系统的组成和原理2. 掌握串级控制系统两步法PID参数整定过程。
3. 理解掌握串级控制系统的动态特性和克服扰动能力。
二、实验步骤1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数(1)搭建该系统的仿真模型，如图所示。
(2)先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。
(3)在副调节器的比例度等于P2S的条件下，逐步降低主调节器的比例度P1S，直到得到主回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P1S，过渡过程的振荡周期为T1S。
(4)按照已求得的P1S、T1S和P2S、T2S值，结合副控制器（PI控制器）和主控制器（PID控制器）的调节规律，按衰减曲线整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。
(5)设置好参数后对主控制器参数进行调整，得到理想曲线。
2、整定控制器采用PID控制规律的单回路控制系统，并与串级控制系统效果进行对比3、一类扰动和二类扰动对串级控制系统的影响（1）串级控制系统的主回路和副回路根据一的实验步骤整定各参数。
（2）将一类扰动D1和二类扰动D2分别加入已经整定好参数的串级控制系统中，求出一类扰动D1和二类扰动D2在单位阶跃时主被控量的静差。
分别分析蒸汽测扰动D1（一类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响和喷水压力扰动D2（二类扰动）在单位阶跃时对主汽温的影响；4、一类扰动和二类扰动对单回路控制系统在两种扰动下的控制效果与串级控制系统进行对比。
5、负荷降至75%但控制器参数没有变化，比较串级控制和单回路控制系统的效果。
三、实验记录1、针对100%负荷工况，用两步法整定串级控制系统的参数（1）先将主调节器的比例度P1S置于100%，然后由大到小逐渐降低福调节器的比例度P2S，直到得到副回路的过渡过程衰减比为4:1的比例度P2S，过渡过程的振荡周期为T2S。
浅析过热汽温串级控制的控制方案
浅析过热汽温串级控制的控制方案过热汽温串级控制是一种重要的控制方式，可用于调节电站的发电过程。
本文将从两个方面浅析过热汽温串级控制的控制方案。
一、控制模型过热汽温串级控制是基于PID控制方法的，通过PID控制器对控制对象进行调节。
PID控制器包括三个部分，分别为比例、积分和微分。
其中，比例控制器根据误差信号与设定值之间的差别来计算输出量，积分控制器维护一个累积误差的变量，并将其与比例控制器计算出的输出量相加，最终输出调节量。
而微分控制器根据误差变化率的变化来计算输出量，用以预测未来的误差变化情况，从而更好地改善控制系统的稳定性。
过热汽温串级控制中，PID控制器通常通过串级的方式进行连接。
该控制方式通常是将一个PID控制器插入另一个PID 控制器的反馈路径中，以此方式逐层调节。
首先，我们需要使用第一级PID控制器来实现对主蒸汽温度的调节。
第二个PID 控制器负责进一步调节再热蒸汽温度，以保持其稳定性。
通过这种方式，系统可以快速地调整过热汽温度以保持其稳定性。
二、控制算法在过热汽温串级控制中，控制器的选择至关重要。
控制器需要具有快速响应、准确性和可靠性，以确保系统的稳定性。
目前，最常用的控制器算法是基于模型预测控制（MPC）的控制方式。
MPC控制器需要建立一个过热汽温度的动态模型，并通过该模型来预测未来的状态。
在预测过程中，MPC控制器考虑了过去、现在和未来三个时段，根据这些信息对控制系统进行调节，以实现最优的温度控制。
MPC控制器使用优化算法来搜索最优解，以尽可能地减小系统误差。
总体而言，MPC是一种有前途的过热汽温度控制方法，具有一定的优势和实用价值。
然而，对于普通电站和控制系统的实际应用，MPC控制器的计算复杂度很高，需要大量的计算资源。
因此，目前还需要针对MPC控制器展开更多的研究，以提高其效率和实用性。
综上所述，过热汽温串级控制是一种有效的控制方式，可以帮助调节电站发电过程的稳定性，优化系统的能耗效率。
过热汽温串级控制系统的设计
引言火电厂锅炉汽温控制系统具有大迟延、大惯性的特点，且影响汽温变化的扰动因素很多，如蒸汽负荷、烟气温度和流速、火焰中心位置、减温水量、给水温度等等，这些扰动会极大影响机组的平安、经济运行。
本设计的工作意义是：大型火电厂锅炉过热汽温对电厂平安经济运行有着重要影响, 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中温度最高点，如果蒸汽温度过高就会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，威胁机组的平安运行。
如果过热蒸汽温度偏低，那么蒸汽含水量增加，会降低电厂的工作效率，甚至会使汽轮机带水，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。
所以控制好过热器出口温度非常重要。
通常要求它的温度保持在额定值5范围内。
常规的蒸汽温度控制方案大致可分为两种: 一种是串级控制, 另一种是导前微分控制。
目前该领域的控制方法有：过热汽温FPID(模糊PID)控制系统, 基于控制历史的过热汽温模糊串级控制系统，过热汽温鲁棒PID控制系统，但以上方法都只是理论研究，应用于实际生产之中的控制方式以传统方法为主。
继续提高主汽温、再热汽温的控制品质，仍具有较高的理论与实用价值。
本文以过热汽温串级控制系统的思路对被控对象进行研究与分析，针对被控对象的大延迟，不确定等特点，选择串级控制系统能够获得较好的抗干扰性能和动态特性。
第一章单元机组燃烧系统本课题研究对象为200MW单元机组过热汽温串级控制系统，锅炉为高温、亚临界压力、中间再热、自然循环、单炉膛前后对冲燃烧、燃煤粉汽包炉，下面将先介绍锅炉的燃烧系统。
1.1 燃烧室(炉膛)炉膛断面尺寸为深12500mm、宽13260mm的矩形炉膛其深宽比为。
这样近似正方形的矩形截面为四角布置切圆燃烧方式创造了良好的条件。
从而使燃烧室四周的水冷壁吸热比拟均匀，热偏差较小。
燃烧室上部布置四大片分隔屏过热器，便于消除燃烧室上方出口烟气流的剩余旋转，减少进入水平烟道的烟气温度偏差。
汽包，壁厚145mm，筒身长20500mm，汽包横向布置在锅炉前上方，汽包内径为1743筒身两端各与半球形封头相接，筒身与封头均用BHW-35钢材制成。
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实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验
一、实验目的
1、了解过热汽温串级控制系统的结构组成。
2、掌握过热汽温串级控制系统的性能特点。
3、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。
4、分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质的影响。
二、实验原理
本实验以某300MW 机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所示：
过热器
过热器
喷水减温器
图3－1 过热汽温串级控制系统原理结构图
由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：
扰动
图3－2 过热汽温串级控制系统方框图
● 主调节器
在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ） 调节器，其传递函数为：
()1111111111
1T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=
++=++ ⎪⎝⎭
式中：1p K ——主调节器比例系数(111p K =)；
1i K ——主调节器积分系数(1111i i K T δ=)；
1d K ——主调节器微分系数(111d d K T =)。
● 副调节器
在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中副调节器()2T W s 采用比例（P ）调节器， 其传递函数为：
()222
1
T p W s K δ=
=
式中：2p K ——副调节器比例系数(221p K δ=)。
● 导前区对象
在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：
（1）50％负荷下导前区对象传递函数：
()3.076
251s -+
（2）100％负荷下导前区对象传递函数：()
0.815
181s -+
● 惰性区对象
在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：
（1）50％负荷下惰性区对象传递函数：
()
3
1.119
421s +
（2）100％负荷下惰性区对象传递函数：
()
3
1.276
181s +
三、实验步骤
1、在MATLAB 软件的Simulink 工具箱中，打开一个Simulink 控制系统仿真界面，根据图3－2所示的过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：
图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图
惰性区对象传递函数模块的建立
惰性区对象传递函数为三阶惯性环节，在组态图中采用建立子模块的方式建立惰性 区对象传递函数模块。
在Simulink 控制系统仿真界面中将3个一阶惯性环节仿真模块串联构成惰性区对象传递函数，如下图所示：
图3－4 惰性区对象传递函数
拖动鼠标将上图所示串联在一起的3个一阶惯性环节仿真模块选中，并将鼠标放在选中的模块上点击右键，在弹出的菜单中选择Create Subsystem （建立子模块）命令，即可建立一个名为“Subsystem ”的子模块，如下图所示：
图3－5 惰性区对象传递函数模块的建立
惰性区对象
传递函数模块
反馈系数
“Subsystem ”子模块即为图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中的惰性区对象传递函数模块W1(s)。
双击“Subsystem ”子模块，可以打开如图3－6所示的窗口，在其中可以对各环节的参数进行修改。
图3－6 “Subsystem ”子模块窗口
2、将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s)和惰性区对象传递函数W1(s)设为100％负荷下的传递函数： ● 100％负荷下惰性区对象传递函数：()()
3
1.276
1181W s s =
+
● 100％负荷下导前区对象传递函数：()()
0.815
2181W s s -=
+
对过热汽温串级控制系统的参数进行整定的步骤如下： （1）副调节器参数的整定
将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1设为0（即 断开主回路的反馈），同时令主调节器的比例系数Kp1＝1，积分系数Ki1＝0，微分系数Kd1＝0。
将阶跃信号输出模块（Step ）的终值（Final value ）设为过热蒸汽温度的稳态值535℃，仿真时间设为100s ，逐渐增加副调节器的比例系数Kp2，在响应曲线显示器Scope1中观察温度t2的变化，使温度t2尽快达到稳定，并尽量接近稳态值535℃，此时的比例系数Kp2即为副调节器的比例系数。
（2）主调节器参数的整定
将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1改为1（即 将主回路反馈投入），副调节器的比例系数Kp2保持上一步的整定参数不变，仿真时间设为1000s ，逐渐增加主调节器的比例系数Kp1，在响应曲线显示器Scope 中观察温度t1的变化，直至响应曲线出现等幅振荡，记下此时的比例系数Kp1，取倒数即为临界比例带k δ，同时通过响应曲线估算出振荡周期k T ，带入以下公式即可以计算主调节器的各参数：
● 主调节器比例系数：11
1.67p k K δ=
● 主调节器积分系数：11
0.84i k k K T δ=
● 主调节器微分系数：1 6.68k
d k
T K δ=
3、完成过热汽温串级控制系统的参数整定后，在500s 时加入减温水扰动，即将阶跃信号输出模块（Step1）的响应时间（Step time ）设为500，终值（Final value ）设为1000，仿真后在响应曲线显示器Scope 中观察减温水量增加后对过热蒸汽温度t1的影响。
4、将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s)和惰性区对象传递函数W1(s)改为50％负荷下的传递函数： ● 50％负荷下惰性区对象传递函数：()()
3
1.119
1421W s s =
+
● 50％负荷下导前区对象传递函数：()()
3.076
2251W s s -=
+
首先保持主、副调节器参数不变，通过仿真曲线分析被控对象参数变化后对控制系统控制品质的影响，然后按步骤2重新对主、副调节器参数进行整定。