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processcontrolproject2
过程控制系统课程设计
钢铁厂自备电厂燃气锅炉温度的建模与控制
指导老师：
重庆大学自动化学院
2015年1月15日
目录
钢铁厂自备电厂燃气锅炉温度的建模与控制3
摘要3
1问题描述3
1.1锅炉设备介绍3
1.2燃气加热系统的控制4
2模型选择5
2.1串级控制方案5
2.2串级控制方案特点6
3算法描述7
3.1变量选择7
3.1.1主变量的选择7
3.1.2副变量的选择7
3.1.3操纵变量的选择8
3.1.4扰动量的判定8
3.2被控对象锅炉温度系统建模9
3.3传感器选择10
3.3.1主副控回路10
3.3.2执行器的选择11
3.3.3温度传感器的选择11
3.3.4温度变送器的选择11
3.4控制器的控制规律12
3.4.1主控制器控制规律12
3.4.2副制器控制规律12
3.4.3主副控制器控制规律12
3.5框图表达13
4结果分析14
4.1单回路PID控制14
4.2串级控制14
4.3分析比较14
参考文献14
钢铁厂自备电厂燃气锅炉温度的建模与控制
摘要
本文通过对200MW发电机组锅炉温度建模，搭建了一个钢铁厂自备电厂燃气锅炉温度的控制系统。
采用串级控制模型，利用PID调节，实现了锅炉温度的精准、快速控制，同时又具备了极强的抗干扰能力。
关键词：
锅炉温度，串级控制，MATLAB
1问题描述
1.1锅炉设备介绍
对于火力发电厂，电力生产过程是一个能量转化的过程。
燃料在锅炉内燃烧，产生高温高压蒸汽，蒸汽在汽轮机内膨胀做功，推动汽轮机旋转，汽轮机再带动发电机发电。
上述过程首先是燃料的化学能转化为蒸汽的热能（锅炉），然后是热能转化为机械能（汽轮机），进而机械能转化为电能（发电机）。
锅炉是火力发电厂的三大主机之一，它的任务就是经济、可靠地产生出一定数量的、具有一定温度和压力的蒸汽。
随着电力生产不断的发展，锅炉也向着高参数、大容量的方向发展。
目前在电网中300、600MW机组已经作为基本负荷机组运行，锅炉的容量已达到2000t/h，甚至更高。
锅炉主要指标有：
发电煤耗g/kw.h，发电油耗g/kw.h，根据各炉的情况不同而定。
锅炉漏风率是重要的考核指标之一（管式空预器的漏风率≤2%）。
项目
#1、2炉
#3、4炉
#5、6炉
额定蒸发量t/h
130
220
410
正常运行水容积m3
40
66
110
锅炉热效率%
89.95
89.75
85
饱和蒸汽压力MPa
4.3
11.5
11.6
过热蒸汽压力MPa
3.82
9.81
9.81
过热蒸汽温度℃
440（450）
540
540
汽包安全门动作压力MPa
4.5
12.0
12.0
过热器安全门动作压力MPa
4.0
10.40
10.4
燃烧室水冷壁受热面积m2
145
246
340
锅炉效率的定义：
以锅炉热平衡试验方法来计算效率。
（1）正平衡方法。
直接测量工质流量、参数和燃料消耗量后算出锅炉效率。
（2）反平衡方法。
试验时先求出各项损失值，然后算出锅炉效率。
锅炉的热损失有：
排烟热损失；化学不完全燃烧热损失；机械不完全燃烧损失；散热损失；灰渣物理热损失。
区别在于：
反平衡试验，不仅可以了解锅炉工作的经济性好坏，并可能从各项损失的分析中，找出降低损失，提高效率的途径。
对于大型锅炉准确测量燃料消耗量是非常困难的，因而正平衡试验的精度较低，反平衡试验精度较高。
锅炉控制室的布置情况及控制盘主要仪表
#1、2炉为炉控室，#3、4、5、6炉为机、炉控制室，锅炉控制室主要对锅炉运行各工况进行监控和调整。
主要仪表有：
汽包水位、汽温、汽压、炉膛负压、各转机电流表、给粉机转速表、各段测温、测压表、各电动阀门、调节挡板开度表等等。
均属热工仪表类，供锅炉运行人员调整操作使用。
锅炉设备的控制任务是根据生产负荷的需要，供应一定压力或温度的蒸汽，
同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。
按照这些控制要求，锅炉设备将有如
下主要的控制系统：
①供给蒸汽量适应负荷变化需要或保持给定负荷。
②锅炉供给用汽设备的蒸汽压力保持在一定范围内。
③过热蒸汽温度保持在一定范围。
④汽包水位保持在一定范围内。
⑤保持锅炉燃料的经济性和安全性。
⑥炉膛负压保持在一定范围。
1.2燃气加热系统的控制
燃气加热系统则是锅炉系统安全正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。
本设计主要考虑的部分是锅炉燃气加热蒸汽系统的控制。
燃气加热蒸汽温度的控制任务是维持蒸汽出口燃气温度在允许范围内，并且保护锅炉使管壁温度不超过允许的工作温度。
燃气加热是通过控制燃气进入通道气阀的开闭幅度来控制锅炉内燃气量。
通常来说，燃气量越大，锅炉温度越高，且呈一定的正比关系。
因此，通过控制气阀即可实现对锅炉温度的控制。
燃气加热温度的上限一般不应超过额定值5℃（额定值为450℃）。
如果燃气温偏低，则会降低全厂的热效应和影响汽轮机的安全运行，因而过热蒸汽温度的下限一般不低于额定值10℃。
燃气加热蒸汽温度控制的主要任务就是：
①克服各种干扰因素，将出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格：
②保护管壁温度不超过允许的工作温度。
除了燃气加热系统外，锅炉还带有水冷壁冷却系统，以保证温度控制的快速性与精准性。
冷却系统的工作原理与加热系统大致相同而效果相反。
为简化本次课程设计仿真流程，降低难度，我们将调节阀设定为加气阀与冷却液进阀相结合，即当其输入为正时启动加气阀，为负时启动冷却液进阀，而输入绝对值表示阀的开度。
2模型选择
2.1串级控制方案
本次控制系统采用串级控制方案，具体阐述如下。
蒸汽温度串级控制系统如下图所示。
采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受控制器TC2的控制，而控制器TC2的给定值受到控制器TC1的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和燃气阀出口流量形成的闭环称为副环。
由主调节器和主信号出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是串在主环之中。
控制器TC1称主调节器，控制器TC2称为副调节器。
将过热器出口蒸汽温度调节器的输出信号，不是用来控制调节阀而是用来改变控制器TC1的给定值，起着最后校正作用。
图2锅炉蒸汽温度串级控制系统示意图
串级系统是一个双回路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的
协调工作，使一个被控量准确地保持为给定值。
通常串级系统副环的对象惯性小，
工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。
串级控制系统可以看作一个闭合的副
回路代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。
除了克服落在副环内
的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。
在炉温燃气加热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统以得到良好的控制特性。
2.2串级控制方案特点
串级控制系统是两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。
此系统改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量，能迅速克服进入副回路的二次扰动，提高了系统的工作频率，对负荷变化的适应性较强。
串级控制系统工程应用场合如下：
（1）应用于容量滞后较大的过程。
（2）应用于纯时延较大的过程。
（3）应用于扰动变化激烈而且幅度大的过程。
（4）应用于参数互相关联的过程。
（5）应用于非线性过程。
正因为串级控制系统具有上述特点，所以本次设计采用串级控制系统对锅炉汽包温度进行控制，且主控制器应采用PI调节器。
由如下串级控制系统方框图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副
控制器的输出直接送往控制阀。
主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，
因此，主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供
的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。
图3串级控制系统方框图
串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳
定为目的，两个控制器协调一致，互相配合。
若干扰来自副环，副控制器首先进
行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”。
因此控制质量优于简单控制系统。
串级控制有以下优点：
①由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制
作用更加及时；
②提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速
性增强了；
③对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提
高；
④对负荷或操作条件的变化有一定的自适应能力。
一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差将会较小到控制系统的
即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的
。
但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。
因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。
3算法描述
3.1变量选择
3.1.1主变量的选择
串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：
在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为主变
量；其次要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为主变量；所选的
主变量必须有足够的变化灵敏度。
综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出口蒸汽温度作为主变量。
该参数可直接反应控制目的。
3.1.2副变量的选择
副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键。
副变量的选择应遵循以
下原则：
①应使主要干扰和更多的干扰落入副回路；
②应使主、副对象的时间常数匹配；
③应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型
综合以上原则，选择燃气阀输出燃气或冷却液流量作为副变量。
3.1.3操纵变量的选择
工业过程的输入变量有两类：
控制变量和扰动变量。
控制通道和扰动通道的传递函数：
；
其中，干扰时客观存在的，它是影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克
服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因素。
操纵变量的基本原则为：
①选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量，K0尽量
大；
②在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于
控制；
③在①的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，
使控制系统响应较快
尽量小；
综合以上原则，选择阀的输入量作为操纵变量。
3.1.4扰动量的判定
当蒸汽量扰动时，沿过热器管道整个长度各点的温度几乎同时变化，过热器
出口温度的阶跃响应曲线下图所示。
其特点是有迟延，有惯性，有自平衡能力，
且
较小。
当锅炉的蒸汽量增加时，对流式过热器和辐射式过热器的出口汽温随
蒸汽量变化的方向是相反的。
蒸汽量增加时，通过对流式过热器的烟量增加，烟
温也随之升高，这两具因素都使对流过热器汽温升高。
但是，由于蒸汽量增加时，
炉膛温度升高较少，辐射传热量的增加比蒸汽量增加所需的吸热量增加要少，因
此，当蒸汽量增加，辐射式过热器出口汽温是下降的。
图8-1b）表示了对流和辐
射两种过热器出口汽温随蒸汽量变化的静态特性。
通过对流过热器的受热面积
大于辐射过热器的受热面积，对流方式比辐射方式吸热量为多，因此，总的汽温
将随蒸汽量增加而升高。
图4锅炉蒸汽量扰动过热器出口气温的阶跃响应曲线
蒸汽量变化对汽温变化的传递函数可用下式近似表示：
式中
──蒸汽量扰动时被调对象的放大系数
──对象的时间常数
──蒸汽量扰动时对象的迟延时间
蒸汽量扰动时过热蒸汽温度动态特性，但不用蒸汽量作为蒸汽温度的调节
量，这里的蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。
而在内环上，调节阀输入的燃气也会受到一定扰动。
当输入燃气的压强不平
均，或说燃气供应不稳定时，输入燃气流量也不与调节阀开度成正比，从而对系
统控制造成影响。
我们将外环扰动称为一次扰动，内环扰动称为二次扰动。
它们的成因不同，
性质却相近，均可用一阶惯性与纯延时环节表示。
为了降低本次课题的难度，我们仅考虑一次扰动情况，并简化扰动模型为一
阶惯性环节，参考《processcontrol》书中扰动模型，设定其传递函数如下：
。
3.2被控对象锅炉温度系统建模
本次仿真的被控对象为锅炉温度，下面我们以500MW汽轮发电机组的锅炉
为例，对锅炉温度进行建模。
为了更好地分析各种控制系统的性能和评价不同控制算法的效果，本文将建
立一种通用的锅炉非线性动态模型。
汽包锅炉单元机组是一个复杂的多变量系统，一般可简化为一个具有双输入
双输出的对象。
其中机组的输出功率和机前压力为被控量；主汽门调节阀和燃料
量为控制量。
而为了更加完整地复现锅炉对象，需要导出锅炉有效吸热量的动态
模型。
这恰恰是本次课题所需要的。
由于课题涉及内容有限，我们暂不考虑锅炉
热能-机械能转换过程，单纯地讨论燃料量信号与锅炉温度的关系。
通常，炉内燃烧与传热过程可简化为磨煤机（同理于燃气供给）动态与水冷
壁动态两部分，其传递函数模型可表示为：
式中，B为进入炉膛的燃料量（指令）；
锅炉总有效吸热量；其他参数
为传递函数参数，可通过计算或试验获得。
从传递函数可以看出，该过程由两个
惯性环节和一个纯迟滞环节组成。
当燃料量信号为正且上升时，锅炉总有效吸热量上升，锅炉温度上升；反之，
锅炉温度下降。
总有效吸热量的绝对值越大，锅炉温度上升越快。
所以，该传递
函数模型可以较准确地反映燃料量信号与锅炉温度的关系，是适用的。
通过对500MW汽轮发电机组上两个扰动实验的讨论分析，解决了实际锅炉
蓄热系数、磨煤机动态和水冷壁动态的求取问题。
该文根据燃料量扰动实验中的
主蒸汽流量和锅炉蓄热系数与汽包压力的微分的成绩构造出热量信号，替代锅炉
中有效吸热量，以求取磨煤机动态和水冷壁动态模型的传递函数，有效地解决了
很难通过传感器准确测量的锅炉总有效吸热量的问题。
最终，针对该锅炉机组，计算得到了锅炉工作在核心非线性区的传递函数模
型的相应参数如下：
K=12，
T1=100，T2=6，,
=30。
3.3传感器选择
3.3.1主副控回路
主控对象检测元件选择为温度传感器AD590。
AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。
它的主要特性如下：
1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：
mA/K式中：
—流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T—热力学温度，单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
副控回路检测元件选择电磁式流量传感器。
导电性的液体在流动时切割磁力线，也会产生感生电动势。
因此可应用电磁感应定律来测定流速，电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。
虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的，但它还是有许多优点。
由于电极的距离正好为导管的内径，因此没有妨碍流体流动的障碍，压力损失极小。
能够得到与容积流量成正比的输出信号。
测量结果不受流体粘度的影响。
由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的，因此受流速分布影响较小。
测量范围宽，测量精度高。
3.3.2执行器的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和方向，改变阀门的开度，来实现调节流体流量的装置。
调节阀的口径大小，直接决定着控制介质流过它的能力。
为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。
在正常工况下一般要求调节阀开度应处于15%—85%之间，具体应根据实际需要的流通能力的大小进行选择。
调节阀按驱动方式可分为：
气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。
此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制的目的，调节阀安装在燃气输送的管道上，用加热后的原料烃温度来控制燃气的流量。
3.3.3温度传感器的选择
在蒸汽控制任务中，温度的测量十分重要。
温度传感器有热电偶和热电阻两种。
基于我们要测的温度范围在500℃以上，而热电偶温度传感器的测温范围在－200℃～1300℃,特殊情况下可达到－270℃～2800℃，耐高温，精度高，结构简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，可以将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，所以我们选择热电偶传感器。
而标准化的热电偶传感器有S型、K型、E型、J型等，通过对比我们采用K型热电偶。
K型热电偶具有以下特点：
（1）K型热电偶具有线性度好，热电势较大，灵敏度较高，稳定性和复现性均好；
（2）K型热电偶能用于氧化性和惰性气氛中；
（3）K型热电偶也是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其它热电偶之和，充分证明了其可靠性；
（4）K型热电偶的使用温度－200℃～1300℃，正好符合我们的要求。
3.3.4温度变送器的选择
温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动Ⅱ型、Ⅲ型。
再串级系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动Ⅱ型和电动Ⅲ型仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信号而言是存在差异的。
具体表现在：
电动Ⅱ型的典型控制信号为0~10mADC,电动Ⅲ型的典型控制信号时4~20mADC。
另外，与Ⅱ型仪表相比Ⅲ型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时Ⅲ型仪表还有较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时都可以进行转换，而且保证无干扰。
综上所述，在本设计中需选用电动Ⅲ型仪表。
3.4控制器的控制规律
在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一
般要求不得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余
差。
3.4.1主控制器控制规律
主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用，为使其稳定，主控制器通常选用比例积分控制器，对于本系统由于控制通道容量滞后较大，为克服容量滞后，选用比例积分微分控制器作为主控制器。
3.4.2副制器控制规律
副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副控制器一般不带积分作用。
若副控制器有微分作用，一旦主控制器输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副控制器只选用比例控制器。
3.4.3主副控制器控制规律
对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。
为了使副环回路构成一个稳定的系统，即构成负反馈系统
。
在本设计
中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，
所以
；而调节阀为气关阀，所以
，温度升高，检测变送器环节输
出增加，
，由
可知，
，所以副控制器的控制作
用应为反作用。
主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定。
为了使主环回路构成一个稳定的系统，即构成负反馈系统
。
设计中随
着调节阀的开度增加，燃气量或减温水量增加，副对象即后端蒸汽温度会上升或
降低，
。
而调节阀为气关阀，所以
，温度升高，检测变送器环节输出增加，
，由
0可知，
，所以主控制器的控制作用应为反
作用。
综上所述且参考《processcontrol》一阶惯性环节，传递函数为：
3.5框图表达
图5仿真实验系统框图
本次仿真实验搭建的系统框图，为方便控制，已省略纯迟滞环节，即
将锅炉视为一个良好的导热体。
；
=
；
；
经过反复试验，我们确定了最终的控制器参数：
主控制器
副控制器
4结果分析
4.1单回路PID控制
4.2串级控制
副回路P=200
4.3分析比较
参考文献
升级会员 