發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度控制1

1、課 程 設(shè) 計(jì)課題名稱： 過(guò)程控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)題目： 發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度控制 姓 名： 班 級(jí)： A08電氣1 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)老師： 胡即明 2011年 12 月 18日摘 要2一、引言31.1 設(shè)計(jì)目的31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)41.3 設(shè)計(jì)要求52、 方案分析及選擇52.1方案一 常規(guī)PID控制52.2方案二 前饋控制52.3方案三 串級(jí)控制5三、參數(shù)整定63.1 曲線法求參數(shù)6 G1分析. 6 3.2.2 G2分析. 7 3.3 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇.84、 儀表選擇10 4.1 調(diào)節(jié)閥選擇 10 4.2 傳感器、變送器選擇10五、 仿真測(cè)試115.1 仿真試驗(yàn)115

2、.2 擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)12六、 結(jié)論13七、 參考文獻(xiàn)13摘 要 串聯(lián)控制系統(tǒng)實(shí)際上是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)控制回路來(lái)提高控制效果的系統(tǒng)。串聯(lián)控制系統(tǒng)是一種極為有用的控制方法，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制中應(yīng)用廣泛。 串聯(lián)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是由兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來(lái)工作，其中一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個(gè)調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。 在結(jié)構(gòu)上，串聯(lián)系統(tǒng)有一個(gè)明顯的特點(diǎn)，即形成了兩個(gè)閉環(huán)：一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路，在控制過(guò)程中起“粗調(diào)”作用；一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為主環(huán)或主回路，用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終保證被控量滿足工藝要求。相應(yīng)地，主、副環(huán)內(nèi)都有控制對(duì)象、控制參數(shù)和調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它的

3、輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則送到調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過(guò)程。 作用在主被控過(guò)程下的，而不包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)被稱為一次擾動(dòng)；作用在副被控過(guò)程上，即包括在副回路范圍內(nèi)的擾動(dòng)被稱為二次擾動(dòng)。 本設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，來(lái)建立系統(tǒng)被控對(duì)象模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，采用曲線法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，從而得出了該生產(chǎn)過(guò)程的被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即傳遞函數(shù)。接著通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，決定采用串級(jí)控制。再根據(jù)對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)來(lái)確定溫度控制系統(tǒng)的控制器及控制算法，最終來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽的溫度控制。最后，還采用MATLAB仿真，通過(guò)調(diào)節(jié)使各項(xiàng)參數(shù)都能滿足各自的要求。關(guān)鍵詞：串聯(lián)控制、調(diào)節(jié)器、擾動(dòng)、仿

4、真一、引言1.1 設(shè)計(jì)目的有效控制發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度，使鍋爐與汽輪機(jī)組都在一個(gè)規(guī)定的運(yùn)行溫度，在這個(gè)溫度下機(jī)組的效率最高。在穩(wěn)定溫度下運(yùn)行可以延長(zhǎng)汽輪機(jī)壽命，減少生產(chǎn)事故。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)控制系統(tǒng)要求控制溫度的誤差不得超過(guò)5。由于汽鼓至汽輪機(jī)中間有一系列的減溫器、過(guò)熱器與傳輸管道，控制對(duì)象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達(dá)到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見(jiàn)的是兩段調(diào)節(jié)。這樣，每段中的對(duì)象的容積遲后與傳輸滯后時(shí)間均可減小一半。每段分別用一個(gè)溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來(lái)維持各段過(guò)熱器出口的溫度恒定。假定兩個(gè)系統(tǒng)溫度控制方式完全一樣，試設(shè)計(jì)其中一段的溫

5、度控制系統(tǒng)。（蒸汽的壓力和溫度另有控制系統(tǒng)，這里我們假定蒸汽恒溫恒壓，過(guò)熱器的熱量也是恒定的，汽鼓的出口壓力約60公斤/厘米2左右。）一段過(guò)熱器至汽輪機(jī)T1T2二段減溫器4004605一段減溫器給水Q汽鼓省煤器通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得對(duì)象對(duì)于輸入Q（單位輸入）的響應(yīng)如下（表中溫度為負(fù)）：時(shí)間（S）1357911131517192123252729T1（）0000.030.090.170.260.370.460.570.660.750.830.921.00T2（）000000000000000時(shí)間（S）313335373941434547495153555759T1（）1.061.111.141.181.

6、221.251.281.311.341.361.391.411.431.441.46T2（）000.010.020.030.070.090.110.130.150.170.180.200.210.23時(shí)間（S）616365676971737577798183858789T1（）1.481.491.501.521.531.541.551.551.561.571.581.581.591.591.60T2（）0.250.260.270.290.300.320.330.340.350.370.380.390.400.410.42時(shí)間（S）91939597991091331571812052292532

7、77301T1（）1.601.611.611.621.621.66T2（）0.440.450.460.470.480.520.610.690.740.780.810.840.860.870.921.3 設(shè)計(jì)要求1、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0。2、5%誤差帶的調(diào)整時(shí)間不大于300秒，最大超調(diào)量小于10%，這兩個(gè)性能指標(biāo)盡可能小。3、在減溫器和過(guò)熱器之間存在干擾，最大干擾引起T1處溫度波動(dòng)為20，要求控制使干擾對(duì)T2處的溫度影響不能超出允許范圍。4、至少考慮兩種方案，選擇其中一種，說(shuō)明理由。5、根據(jù)以上的工藝要求設(shè)計(jì)該控制系統(tǒng)，畫(huà)出系統(tǒng)控制框圖。包括控制參數(shù)、被控參數(shù)的選擇，調(diào)節(jié)閥的選擇，檢測(cè)與變送裝置的

8、選擇，控制器的設(shè)計(jì)。6、仿真驗(yàn)證。7、設(shè)計(jì)報(bào)告格式符合規(guī)范。8、上交設(shè)計(jì)報(bào)告的電子稿、打印稿及仿真模型。二、方案分析及選擇2.1方案一 采用常規(guī)的PID控制汽輪蒸汽溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象存在大滯后現(xiàn)象和擾動(dòng)，而系統(tǒng)對(duì)控制精度與功能的要求比較高，在這種情況下采用常規(guī)的PID控制得到的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差，是不行的。2.2方案二 采用前饋控制前饋控制是減少控量動(dòng)態(tài)偏差最有效的方法之一。但是它是一種開(kāi)環(huán)控制，無(wú)法檢驗(yàn)補(bǔ)償效果，并且只能對(duì)主要擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，單獨(dú)使用前饋控制是很難滿足生產(chǎn)工藝要求的。 2.3 方案三 串級(jí)控制根據(jù)設(shè)計(jì)課題中對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度

9、控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于汽鼓至汽輪機(jī)中間有一系列的減溫器、過(guò)熱器與傳輸管道，控制對(duì)象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達(dá)到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見(jiàn)的是兩段調(diào)節(jié)。這樣，每段中的對(duì)象的容積遲后與傳輸滯后時(shí)間均可減小一半。每段分別用一個(gè)溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來(lái)維持各段過(guò)熱器出口的溫度恒定。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)一段過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)中間微分調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主被調(diào)節(jié)變量是一段過(guò)熱器出口溫度，中間為分信號(hào)是出一段減溫器的蒸汽溫度。系統(tǒng)包括兩臺(tái)溫度變送器（T1與T2）、一臺(tái)減分器、一臺(tái)PI調(diào)節(jié)器以及電/氣轉(zhuǎn)換、升壓型氣動(dòng)繼動(dòng)器、帶閥門定位器的氣動(dòng)活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥

10、本體等。由于減溫水的壓力很高，所以調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用耐高壓與流通能力大的閥門。下圖是蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)框圖。主調(diào)節(jié)器被控對(duì)象2被控對(duì)象1調(diào)節(jié)閥副調(diào)節(jié)器 副回路溫度 測(cè)量變送主回路溫度 測(cè)量變送三、參數(shù)整定3.1 曲線法求參數(shù)根據(jù)任務(wù)書(shū)中T1、T2的單位輸入響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以用最小二乘法進(jìn)行擬合，或用曲線法計(jì)算參數(shù)。 3.1.1 對(duì)分析根據(jù)T1實(shí)驗(yàn)值經(jīng)EXCEL計(jì)算，得到下圖圖3.1靜態(tài)放大系數(shù) 將轉(zhuǎn)換成相對(duì)值 ,有 （31） （32）式中，,對(duì)式（31）、（32）兩邊取對(duì)數(shù)，并聯(lián)立得 （33） （34）取，根據(jù)式（33）、（34）代入數(shù)值可求得兩組和對(duì)于有 s , s對(duì)于有 s , s取平均值得

11、（35） 3.1.2 對(duì)分析根據(jù)T2實(shí)驗(yàn)值經(jīng)EXCEL計(jì)算，得到下圖圖3.2靜態(tài)放大系數(shù) 同中算法，取，對(duì)于有 , 對(duì)于有 , 取平均值得 所以的對(duì)象模型為 (36)由上述兩式得與的關(guān)系可得 (37) 3.2 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇 本設(shè)計(jì)采用兩步整定法，即第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。在此基礎(chǔ)上再用試湊法，試湊法具體步驟如下：（1） 先整定比例部分，將比例系數(shù)由小調(diào)大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)相應(yīng)趨勢(shì)，直到得到反應(yīng)快、超調(diào)量小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差或穩(wěn)態(tài)誤差已小到允許范圍之內(nèi)，同時(shí)響應(yīng)曲線已較令人滿意，那么只需用比例調(diào)節(jié)器即可，最優(yōu)比例系數(shù)也由此確定。（2） 如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)

12、上系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需加入積分環(huán)節(jié)。先置一個(gè)較大的積分時(shí)間系數(shù)，同時(shí)將比例系數(shù)縮小至原來(lái)的80%，然后減小積分時(shí)間常數(shù)，使其保持系統(tǒng)較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差得到消除。實(shí)驗(yàn)中可以反復(fù)調(diào)整比例系數(shù)和積分時(shí)間系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)滿意的控制過(guò)程和整定參數(shù)。（3） 如果使用比例積分控制器消除了偏差，但動(dòng)態(tài)過(guò)程仍不能令人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成PID控制器。在整定時(shí)，可先置微分時(shí)間系數(shù)為0，在第二步整定的基礎(chǔ)上，增大微分時(shí)間系數(shù)，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間系數(shù)，逐步試湊，（4） 獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。最終得到主調(diào)節(jié)器，副調(diào)節(jié)器。4、 儀表選擇 4.1 調(diào)節(jié)閥

13、選擇SLZW型自力式溫度調(diào)節(jié)閥不需外界能源而進(jìn)行溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。它適用于蒸汽、熱水、熱油等為介質(zhì)的各種換熱工況。廣泛應(yīng)用于供暖、空調(diào)、生活熱水中的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，以及特殊工況的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。主要特點(diǎn)：（1）無(wú)需任何外加能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量實(shí)現(xiàn)介質(zhì)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的執(zhí)行器產(chǎn)品。（2）有較寬的溫度設(shè)定范圍，顯示清晰、精度高，并設(shè)有過(guò)載保護(hù)裝置，安全可靠。 4.2 傳感器、變送器的選擇傳感器選用FR-01系列的溫度傳感器，它采用進(jìn)口鉑電阻芯片制做而成，適合測(cè)量-100500溫度區(qū)間，該產(chǎn)品具有良好的抗震能力、高精度、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和安裝簡(jiǎn)單等特性，在各個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。變送器選用SBWZ系列Pt100

14、0熱電阻溫度變送器，它采用二線制傳送方式(兩根導(dǎo)線作為電源輸入，信號(hào)輸出的公用傳輸線)。將熱電阻信號(hào)變換成與輸入信號(hào)或與溫度信號(hào)成線性的420mA的輸出信號(hào)。主要特點(diǎn)：（1） 采用環(huán)氧樹(shù)脂密封結(jié)構(gòu)，因此抗震、耐溫，適合在惡劣現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中安裝使用。 （2）現(xiàn)場(chǎng)安裝于熱電阻的接線盒內(nèi)，直接輸出420mA，這樣既省去較貴的補(bǔ)償導(dǎo)線費(fèi)用，又提高了信號(hào)長(zhǎng)距離傳送過(guò)程中的抗干擾能力。 （3）精度高、功耗低、使用環(huán)境溫度范圍寬、工作穩(wěn)定可靠。 （4）量程可調(diào)，并具有線性化較正功能，熱電偶溫度變送器具有冷端自動(dòng)補(bǔ)償功能。應(yīng)用面廣，既可與熱電阻形成一體化現(xiàn)場(chǎng)安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝入檢測(cè)設(shè)備中。5、 仿真測(cè)試5.1 仿真試驗(yàn)圖5.1 MATLAB SIMULINK進(jìn)行仿真系統(tǒng)方框圖由MATLAB的SIMULINK進(jìn)行仿真所得到的結(jié)果，設(shè)計(jì)所用的SIMULINK圖為上圖。由下圖可以看出，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為205s，且系統(tǒng)無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差，符合設(shè)計(jì)要求。圖5.2 仿真波形圖5.2 擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)按照設(shè)計(jì)要求在減溫器和過(guò)熱器之間存在干擾，最大干擾引起T1處溫度波動(dòng)為20，要求控制使干擾對(duì)T2處的溫度影響盡量小。在T1處加入干擾信號(hào)得到下圖：圖5.3 加入擾動(dòng)后MATLAB SIMULINK進(jìn)行仿真系統(tǒng)方框圖 圖5.4 加入擾動(dòng)后波形圖當(dāng)時(shí)間到達(dá)1000s時(shí)，在處加入擾動(dòng)后，處的波形圖如上圖所示，可