发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制22.docx
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发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制22
过程控制系统
课程设计报告书
课题名称
发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制
姓名
学号
专业
电气工程及其自动化
指导教师
2011年12月15日
目录
摘要
1、引言
1.1设计目的
1.2任务
1.3要求
2、方案比较
2.1方案一常规PID控制
2.2方案二前馈控制
2.3方案三串级控制
2.4结论……………………………………………………………………………………….
3、参数整定
3.1直角坐标图解法
3.2数据分析
3.2.1G1分析
3.2.2G2分析
3.3调节器参数选择……………………………………………………………………….....
4、仿真与干扰试验………………………………………………………………………………..
4.1仿真试验…………………………………………………………………………………..
4.2扰动分析
5、仪器选择……………………………………………………………………………………….
5.1调节阀选择……………………………………………………………………………..
5.2传感器、变送器选择…………………………………………………………………...
6、结论…………………………………………………………………………………………….
7、参考文献
摘要
为了提高大时延和大时间常数过程的控制质量，在单回路控制系统的基础上增加一个控制回路，构成串级控制系统。
串级控制系统是一种极为有用的控制方案，在工业生产过程控制中应用广泛。
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。
因此整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
一次扰动：
作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。
二次扰动：
作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。
本设计通过实验对数据的分析，来建立系统被控对象模型的数学表达式，采用最小二乘曲线拟合的方法，对实验数据进行了曲线拟合，从而得出了该生产过程的被控系统的数学模型，即传递函数。
接着对系统进行分析，采用串级控制，再根据对象模型的结构来确定温度控制系统的控制器及控制算法，来实现发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制，系统的准确控制，从而使各项参数都能满足各自的要求。
关键词：
串级控制系统、温度控制、调节器、扰动
1、引言
1.1设计目的
有效控制发电厂汽轮发电机蒸汽温度，使锅炉与汽轮机组都在一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。
在稳定温度下运行可以延长汽轮机寿命，减少生产事故。
1.2任务
控制系统要求控制温度的误差不得超过
5℃。
由于汽鼓至汽轮机中间有一系列的减温器、过热器与传输管道，控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，要达到高精度的温度控制是很困难的，为此采用分段调节，其中最常见的是两段调节。
这样，每段中的对象的容积迟后与传输滞后时间均可减小一半。
每段分别用一个温度控制系统调节各自的减温器喷雾的减温水流量，来维持各段过热器出口
的温度恒定。
图1.1发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制系统
通过实验，测得对象对于输入Q（单位输入）的响应如下（表中温度为负）：
时间（S）
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
T1（℃）
0
0
0
0.03
0.09
0.17
0.26
0.37
0.46
0.57
0.66
0.75
0.83
0.92
1.00
T2（℃）
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
时间（S）
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
51
53
55
57
59
T1（℃）
1.06
1.11
1.14
1.18
1.22
1.25
1.28
1.31
1.34
1.36
1.39
1.41
1.43
1.44
1.46
T2（℃）
0
0
0.01
0.02
0.03
0.07
0.09
0.11
0.13
0.15
0.17
0.18
0.20
0.21
0.23
时间（S）
61
63
65
67
69
71
73
75
77
79
81
83
85
87
89
T1（℃）
1.48
1.49
1.50
1.52
1.53
1.54
1.55
1.55
1.56
1.57
1.58
1.58
1.59
1.59
1.60
T2（℃）
0.25
0.26
0.27
0.29
0.30
0.32
0.33
0.34
0.35
0.37
0.38
0.39
0.40
0.41
0.42
时间（S）
91
93
95
97
99
109
133
157
181
205
229
253
277
301
∞
T1（℃）
1.60
1.61
1.61
1.62
1.62
…
1.66
T2（℃）
0.44
0.45
0.46
0.47
0.48
0.52
0.61
0.69
0.74
0.78
0.81
0.84
0.86
0.87
0.92
1.3要求
1、系统的稳态误差为0。
2、5%误差带的调整时间不大于300秒，最大超调量小于10%，这两个性能指标尽可能小。
3、在减温器和过热器之间存在干扰，最大干扰引起T1处温度波动为20℃，要求控制使干扰对T2处的温度影响不能超出允许范围。
4、根据以上的工艺要求设计该控制系统，画出系统控制框图。
包括控制参数、被控参数的选择，调节阀的选择，检测与变送装置的选择，控制器的设计。
2、方案比较
2.1方案一：
常规PID控制
汽轮蒸汽温度控制系统的调节对象存在大滞后现象和扰动，而系统对控制精度与功能的要求比较高，在这种情况下采用常规的PID控制得到的动态性能和稳态性能都很差，是不行的。
2.2方案二：
前馈控制
过程控制要求被控过程的输出量在负荷、电源等扰动量的作用下，系统的被控参数在工艺要求值或附近不发生变动，前馈控制对于时间常数或时延大，扰动大而频繁的过程有显著的效果。
但是该系统中扰动不止一种，所以单单有前馈还是不能解决这里的发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制。
2.3方案三：
串级控制
串级控制是在单回路控制系统的基础上增加一个控制回路，构成串级控制系统。
串级控制对提高大延时和大时间常数过程的控制质量有显著的效果，在工业生产过程控制中应用广泛。
串级控制在结构上形成了两个环：
一个闭环在里面，被称为副环，起着粗调作用；一个环在外面，称为主环，起着细调作用。
当一次扰动过来时，如果扰动不大，经过副回路的及时控制对温度变化影响不大；如果扰动的幅值较大，经过副回路的粗条作用，再经过主回路的细调作用，从而克服扰动，使温度在给定值附近。
当二次扰动过来时，主回路产生校正作用，由于副回路的存在加快了校正作用，使扰动都温度的影响减小。
当一二次扰动同时存在时，如果扰动的作用使主、副被控参数同时增大或减小，此时俩调节器对调节阀的控制方式是一致的，加强控制作用；如果扰动的作用使主、副被控参数一个减小，一个增大，此时调节器控制调节阀的方向是相反的，调节阀的开度只要作较小变动就能满足控制要求。
2.4结论
经过比较，由于发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制系统控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，因此简单的PID控制不适用。
由于扰动不止一个，因此前馈控制也不适用。
而串级控制对提高大延时和大时间常数过程的控制质量有显著的效果，且扰动过来时，能很好的满足控制要求，因此选择串级控制系统，并结合PID算法来控制。
3、参数整定
3.1直角坐标图解法
根据任务书中T1、T2的单位输入响应实验数据，可以用最小二乘法进行拟合，或用曲线法计算参数。
3.2数据分析
3.2.2
分析
利用Excel分析T1得到下图：
过程放大系数
将阶跃响应
转换成相对值：
选取两个不同的时间点
，分别对应
和
，可得方程：
3-1
3-2
联立等式（3-1）、（3-2）可得方程：
3-3
3-4
取
，
根据式（3-3）（3-4）可求得
和
。
所以控制系统中T1的传递函数为
3.2.2
分析
利用Excel分析T2得到下图：
过程放大系数
与分析
原理相同，取
，
可得：
所以控制系统中T1的传递函数为：
由
和
可得：
3.3调节器参数选择
本设计采用两步整定法，即先整定副调节器参数，再整定主调节器参数。
在此基础上再用试凑法，试凑法具体步骤如下：
（1）先整定比例部分，将比例系数由小调大，并观察相应的系统相应趋势，直到得到反应快、超调量小的响应曲线。
如果系统没有稳态误差或稳态误差已小到允许范围之内，同时响应曲线已较令人满意，那么只需用比例调节器即可，最优比例系数也由此确定。
（2）如果在比例调节的基础上系统的稳态误差不能满足设计要求，则需加入积分环节。
先置一个较大的积分时间系数，同时将比例系数缩小至原来的80%，然后减小积分时间常数，使其保持系统较好的动态性能指标的基础上，系统的稳态误差得到消除。
实验中可以反复调整比例系数和积分时间系数，从而实现满意的控制过程和整定参数。
（3）如果使用比例积分控制器消除了偏差，但动态过程仍不能令人满意，则可以加入微分环节，构成PID控制器。
在整定时，可先置微分时间系数为0，在第二步整定的基础上，增大微分时间系数，同时相应地改变比例系数和积分时间系数，逐步试凑，获得满意的调节效果和控制参数。
最终得到主调节器
，副调节器
。
4、仿真与干扰实验
4.1仿真实验
由MATLAB的SIMULINK进行仿真：
图4.1MATLABSIMULINK进行仿真系统方框图
图4.2仿真波形图
从波形图中可以看出，调整时间为195s，且无系统误差，符合设计要求。
4.2扰动分析
在减温器和过热器之间存在干扰，最大干扰引起T1处温度波动为20℃，要求控制使干扰对T2处的温度影响不能超出允许范围。
图4.3加入扰动后MATLABSIMULINK进行仿真系统方框图
图4.4加入扰动后波形图
当时间到达1000s时，在
处加入扰动后，
处的波形图如上图所示，可以看出最大超调量为
，符合设计要求。
5、仪器选择
5.1调节阀选择
SLZW型自力式温度调节阀不需外界能源而进行温度自动调节。
它适用于蒸汽、热水、热油等为介质的各种换热工况。
广泛应用于供暖、空调、生活热水中的温度自动调节，以及特殊工况的温度自动调节。
主要特点：
（1）无需任何外加能源，利用被调介质自身能量实现介质温度自动调节的执行器产品。
（2）有较宽的温度设定范围，显示清晰、精度高，并设有过载保护装置，安全可靠。
5.2传感器、变送器的选择
传感器选用FR-01系列的温度传感器，它采用进口铂电阻芯片制做而成，适合测量-100——500温度区间，该产品具有良好的抗震能力、高精度、长期稳定性好和安装简单等特性，在各个行业中被广泛应用。
变送器选用SBWZ系列Pt1000热电阻温度变送器，它采用二线制传送方式（两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线）。
将热电阻信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的4～20mA的输出信号。
主要特点：
（1）采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。
（2）现场安装于热电阻的接线盒内，直接输出4～20mA，这样既省去较贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。
（3）精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。
（4）量程可调，并具有线性化较正功能，热电偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。
应用面广，既可与热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装入检测设备中。
6、结论
综上所述，整个系统在无扰动时调整时间为195s，超调量为
，稳态误差为0，符合设计要求，在有扰动时扰动引起的波动为
，也在允许范围之内。
所以设计的控制系统满足设计要求，实验基本成功。
7、参考文献
1林德杰，过程控制仪表及控制系统[M].机械工业出版社,2009
2夏德钤、翁贻方，自动控制原理[M].机械工业出版社，2007
3张晋格，控制系统CAD——基于MATLAB语言[M].机械工业出版社，2004
4姜学军、刘新国、李晓静，计算机控制技术[M]，清华大学出版社2009
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