过程控制技术课程设计指导书汇编.docx

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过程控制技术课程设计指导书汇编

华北水利水电大学

——过程控制技术课程设计

学院：

电力学院

专业：

自动化

学号：

姓名：

设计题目1：

锅炉过热蒸汽温度控制系统设计

一、设计目的

过程控制技术课程设计是一项重要的实践性教学环节，在设计过程中，通过一个工程实际课题的设计练习，学生可以初步实践过程控制系统的设计过程，明确应完成的工作内容和采用的具体设计方法，达到巩固、充实和综合所学知识并解决实际问题的目的。

通过课程设计，可以培养学生以下能力：

1、独立工作能力和创造力

2、查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力

3、综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力

4、编写技术资料的能力

二、设计任务及要求

课程设计应充分应用过程控制技术及相关专业课的知识，针对某生产工艺过程实施自动过程控制的方案。

因此，既要充分掌握生产工艺过程及控制工程的基础知识，又要熟悉控制及检测仪表的使用方法及型号、规格、价格等信息。

实际任务主要包括以下几方面：

1、了解生产工艺：

研究过程控制单元的生产工艺流程，收集工艺中有关的工艺参数及重要数据。

2、明确控制要求：

找出被控对象，针对可能出现的干扰因素分析控制目的及其应达到的控制效果。

3、拟定控制方案：

根据控制要求，确定反馈控制系统、自动检测系统、自动信号报警与连锁系统。

选取被控变量和操纵变量，确定测量点位置，确定阀的气开、气关性质及控制器的正负作用。

4、画出带控制点的工艺流程图，编写仿真程序，获得仿真结果。

5、过程控制仪表的选型：

根据工艺数据调研产品的性能、价格、质量，选定检测、变送、显示、控制等各类仪表的规格型号，画出自控设备表。

6、设计说明书：

阐述整个设计，评价所设计系统的优缺点。

一、参考与说明

1.课程设计辅导资料：

“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程控制仪表及控制系统”、“过程控制系统”等；

2.先修课程：

仪表与过程控制系统等。

3.课设设计仿真软件：

MATLAB、组态软件（组态王等）；

4.主要涉及的知识点：

过程控制仪表、控制系统、被控过程等。

二、要求完成的主要任务

1.课程设计时间：

1周；

2.课程设计内容：

根据指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成；

本课程设计统一技术要求：

研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图，编写仿真程序，获取仿真结果。

3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，具体包括：

1目录；

2摘要；

3生产工艺和控制原理介绍；

4控制参数和被控参数选择；

5控制仪表及技术参数；

6控制流程图及控制系统方框图；

7仿真模型、仿真程序和仿真结果；

8总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；

9课程设计的心得体会（至少500字）；

10参考文献（不少于5篇）等。

目录

1生产工艺介绍1

1.1锅炉设备介绍1

1.2蒸汽过热系统的控制2

2控制原理简介3

2.1控制方案选择3

2.1.1单回路控制方案3

2.1.2串级控制方案4

2.2串级控制方案论证5

3控制系统设计6

3.1系统控制参数确定6

3.1.1主变量的选择6

3.1.2副变量的选择7

3.1.3操纵变量的选择7

3.2调节阀的选择7

3.3控制器设计8

3.3.1控制器控制规律的选择8

3.3.2控制器正、反作用选择8

3.3.3控制器的电路实现9

4控制仪表的选择9

5系统控制流程图10

6总结体会11

6.1设计总结11

6.2心得体会12

参考文献12

1生产工艺介绍

1.1锅炉设备介绍

锅炉是石油化工、发电等工业过程必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热等过程的热源。

随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。

锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生系统是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。

燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，形成一点观其文的过热蒸汽，在汇集到蒸汽母管。

过热蒸汽经负荷设备控制，供给负荷设备用，于此同时，燃烧过程中产生的烟气，除将饱和蒸汽变成过热蒸汽外，还经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后经引风送往烟囱，排入大气。

图1-1锅炉设备主要工艺流程图

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锅炉汽包水位控制系统：

主要是保持汽包内部的无聊平衡，使机水量适应锅炉的蒸汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；

②锅炉燃烧系统的控制：

其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，使燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济型和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内。

③过热蒸汽系统控制：

主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；

④锅炉水处理过程：

主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

1.2蒸汽过热系统的控制

蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。

本设计主要考虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。

蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。

控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器时管壁温度不超过允许的工作温度。

过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低，一方面使设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。

锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成，在锅炉生产过程中，过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。

过热器温度过高将导至过热器损坏，同时还会危及汽轮机的安全运行。

过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。

影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：

过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。

而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。

因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：

（1）克服各种干扰因素，将过热器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）保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。

本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。

2控制原理简介

随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模糊控制、神经网络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。

但这些控制技术主要是为了改善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。

通常，烟气温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主要原因。

一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。

2.1控制方案选择

2.1.1单回路控制方案

在运行过程中。

改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焙，亦改变进口蒸汽温度，如下图所示。

从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用得最多。

减温器有表面式和喷水式两种。

减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出口处，但一定要考虑过热器材科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。

但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。

加上管道较长有一定的传递滞后，如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量w.w的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能及早发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。

影响锅炉生产的安全和经济运行。

图2-1改变减温水量控制蒸汽温度系统

实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。

因此常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。

2.1.2串级控制方案

过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。

采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制，形成了特有的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度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。

图2-2过热蒸汽温度串级调节系统原理图

调节器2称主调节器，调节器1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调节器2的给定值，起着最后校正作用。

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。

为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上，以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。

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。

串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对象的时间常数减小，系统的工作频率提高。

同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数增大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单回路控制系统高。

在炉温过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串级控制方案论证

串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。

图2-3串级控制系统方框图

由上图可知，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。

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

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；

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；

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；

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