分散控制課程設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告( 2014 - 2015 年度第 1學(xué)期)名 稱： 分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù) 題 目： 直流鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng) 院 系： 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 梁 庚 設(shè)計(jì)周數(shù)： 一 周 成 績： 日期：2015年 01 月 03 日 課 課程設(shè)計(jì)報(bào)告1、 課程設(shè)計(jì)的目的與要求1.1課程設(shè)計(jì)的目的： 分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)是自動(dòng)化專業(yè)本科層次的一門必修課程，本課程設(shè)計(jì)是配合該課程的學(xué)習(xí)而設(shè)置的，旨在引導(dǎo)學(xué)生對(duì)在課堂上掌握的分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行靈活、綜合的運(yùn)用，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考和工程設(shè)計(jì)能力，引導(dǎo)學(xué)生將理論和實(shí)踐相結(jié)合

2、，增強(qiáng)解決實(shí)際問題的能力，鞏固在測控自動(dòng)化、DCS、FCS領(lǐng)域所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)、基礎(chǔ)理論，培養(yǎng)學(xué)生分析、解決測控領(lǐng)域和工程中實(shí)際問題的能力。1.2本次課設(shè)的要求： 在深入理解、消化課堂所學(xué)知識(shí)和教師指導(dǎo)設(shè)計(jì)的前提下，通過一定程度的調(diào)研和搜資，通過實(shí)際設(shè)計(jì)，深入了解和掌握電廠中多種典型自控系統(tǒng)的工作原理、特點(diǎn)，使用FCS控制策略組態(tài)軟件構(gòu)建基于FCS的控制方案，鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，理論密切聯(lián)系實(shí)際。要做到： A較為詳細(xì)的闡述所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的工作原理； B論述所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，畫出基本的基于SAMA圖的控制策略組態(tài)圖； C基于DCS或FCS的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的硬件選型及說明； D課程設(shè)

3、計(jì)的收獲和體會(huì)。2、 設(shè)計(jì)正文2.1控制系統(tǒng)的任務(wù)及控制策略選擇本次課設(shè)的設(shè)計(jì)對(duì)象是：600MW超臨界直流鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng),需要將其過熱汽溫控制在可調(diào)范圍內(nèi)。由于直流鍋爐的給水順序通過加熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)、過熱區(qū)，一次全部變過熱蒸汽，三段受熱區(qū)沒有固定分界面，因此只有維持燃水比不變，才會(huì)使受熱區(qū)段相對(duì)固定，從而保持蒸汽溫度穩(wěn)定。而且過熱汽溫度控制系統(tǒng)是一個(gè)多干擾，大遲延，變工況的系統(tǒng)，其多干擾體現(xiàn)在：鍋爐的結(jié)構(gòu)不同，過熱器的結(jié)構(gòu)布置也不同，影響汽溫變化的因素很多，主要為蒸汽流量擾動(dòng)、煙氣流量擾動(dòng)、減溫水?dāng)_動(dòng)三大方面，負(fù)荷和燃燒工況也對(duì)其有影響；大遲延體現(xiàn)在：管排數(shù)量龐大、布置復(fù)雜、蒸汽管道流

4、程長；變工況體現(xiàn)在：鍋爐要在全工況范圍運(yùn)行，動(dòng)、靜態(tài)特性變化顯著。因此我們需要綜合考慮控制策略的選擇。各類控制策略的比較選擇：(1)為了改善控制品質(zhì)，我們可以采用分段控制，即將整個(gè)過熱器分成若干段，每段設(shè)置一個(gè)減溫器，分別控制各段的汽溫，以維持主汽溫為給定值，但是這種方法使控制系統(tǒng)復(fù)雜了，參數(shù)整定、調(diào)試、維護(hù)量變大，不經(jīng)濟(jì)。（2）我們可以采用導(dǎo)前微分信號(hào)的雙回路控制，改善對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，減小動(dòng)態(tài)偏差，改善控制品質(zhì)，有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力，但是其快速跟蹤和消除內(nèi)擾的性能不如串級(jí)控制，參數(shù)整定是相互影響，不易掌握。 (3)smith預(yù)估控制，可以克服大遲延的影響，對(duì)定值擾動(dòng)有很好的控制效果，但對(duì)其

5、他擾動(dòng)效果變差，而且當(dāng)預(yù)估器模型不準(zhǔn)確時(shí)，控制效果也變差。（4） 串級(jí)控制，具有很強(qiáng)的克服內(nèi)擾的能力，內(nèi)環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，減小內(nèi)回路時(shí)間常數(shù)，提高控制品質(zhì)，提高系統(tǒng)工作頻率，對(duì)工況變化有一定的適應(yīng)能力。且兩個(gè)回路相對(duì)比較獨(dú)立，系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)的整定、調(diào)試直觀方便，但其快速性又受到影響。綜合上述各個(gè)基本控制策略，從穩(wěn)、準(zhǔn)、快各個(gè)方面考慮，我們采用基于預(yù)測控制和自適應(yīng)控制的串級(jí)控制方案，其中過熱汽溫控制作為粗調(diào)是主要的手段，減溫噴水作為細(xì)調(diào)輔助，兩種方式協(xié)同工作，共同完成對(duì)直流鍋爐蒸汽溫度的有效控制。同時(shí)動(dòng)態(tài)前饋的加入提高快速性，預(yù)測模型的加入提高抗擾動(dòng)能力，大大優(yōu)化系統(tǒng)性能。2.2基于預(yù)測

6、控制和自適應(yīng)控制的串級(jí)控制系統(tǒng)2.2.1控制原理圖：圖1：系統(tǒng)總體控制原理圖2.2.2控制系統(tǒng)的工作原理： 該控制系統(tǒng)包括前饋控制、內(nèi)模控制、串級(jí)控制等控制方法，下面一一指出。1 前饋控制-處理可測干擾：圖2：前饋控制原理圖將負(fù)荷指令作為前饋信號(hào)給副調(diào)節(jié)器，在可測干擾來到之前進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并按其信號(hào)產(chǎn)生適合的控制作用去改變操作變量，使受控變量維持在設(shè)定值上。2內(nèi)?？刂?處理不可測干擾：圖3 內(nèi)?？刂圃韴D 內(nèi)?？刂剖且环N基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的新型策略，以其簡單、跟蹤調(diào)節(jié)性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可控干擾等優(yōu)點(diǎn)，為控制理論界和工程界所重視。其設(shè)計(jì)思路是從理想控制器出發(fā)，然后考慮某些實(shí)際

7、存在的約束，在回到實(shí)際控制器中。如圖所示，G(s)為系統(tǒng)預(yù)測模型。 3 串級(jí)控制 圖4 串級(jí)控制原理圖串級(jí)系統(tǒng)和單級(jí)系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別, 即在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面, 被稱為內(nèi)回路或副回路, 包括副對(duì)象( 其輸入為調(diào)節(jié)量WB, 輸出為1) 、副參數(shù)1測量變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、噴水閥。內(nèi)回路任務(wù)是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動(dòng)( 噴水減溫器入口蒸汽溫度、流量變化) , 在調(diào)節(jié)過程中起著粗調(diào)的作用; 副調(diào)一般采用P 或PD 調(diào)節(jié)器。一個(gè)閉環(huán)在外面, 被稱為外回路或主回路, 包括主對(duì)象( 即過熱器, 其輸入為1, 輸出為) 、主參數(shù)測量變送器、主調(diào)節(jié)器、副

8、回路, 外回路的任務(wù)是保持過熱器出口氣溫等于給定值, 起細(xì)調(diào)作用, 主調(diào)一般采用PI 或PID 調(diào)節(jié)器。 4. 串級(jí)控制+內(nèi)?？刂?Y：過熱器出口溫度 Ysp：負(fù)荷指令 Kp1：主調(diào)節(jié)器（P） Gc2: 副調(diào)節(jié)器G2：氣溫導(dǎo)前區(qū) G1：氣溫惰性區(qū) G1：氣溫惰性區(qū)模型 D：蒸汽流量擾動(dòng)圖5 基于內(nèi)?？刂频拇?jí)控制原理圖由梅森公式得：其中：則：要使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)節(jié)，則 ，那么 所以預(yù)測模型的放大倍數(shù)為1。2.3系統(tǒng)SAMA圖圖6 系統(tǒng)SAMA圖其中：1、 比例器K1、調(diào)節(jié)器PID2和時(shí)間函數(shù)發(fā)生器f1(t)、f2(t)和f3(t)構(gòu)成了從過熱器入口溫度（導(dǎo)前汽溫）到過熱器出口溫度這段汽溫惰性

9、區(qū)域的增益為1的對(duì)象數(shù)學(xué)模型 2、 汽溫惰性區(qū)域?qū)ο箪o態(tài)增益K1為過熱器出口溫度變化量與過熱器入口溫度變化量之比 2.4基于DCS或FCS的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的硬件選型及說明2.4.1系統(tǒng)硬件構(gòu)成的總體設(shè)計(jì)：圖7 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)圖2.4.2過熱蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)測點(diǎn)：序號(hào)類型測點(diǎn)名稱系統(tǒng)信號(hào)類型單位變量名稱測點(diǎn)數(shù)目1AI過熱器入口汽溫MCS420mAINHEATERC22AI過熱器出口汽溫MCS420mAOUTHEATERC33AI減溫水流量MCS420mAt/hCOOLWATER24AI噴水減溫水閥閥位反饋MCS420mA%POSITIONFB15AO噴水減溫水閥閥位控制MCS420mA%T

10、EMDOWNDOOR16AI過熱汽入口汽壓MCS420mAMpINHEATERP27AI過熱汽出口汽壓MCS420mAMpOUTHEATERP32.4.3基于DCS的硬件選型：1.過程控制站的模件配置如下：序號(hào)型號(hào)名稱個(gè)數(shù)備注1SD802F電源模件2輸入電源24VDC2EI803F以太網(wǎng)模件4屏蔽雙絞線安裝3FI803F現(xiàn)場總線接口模件2與Profibus協(xié)議兼容2.模擬量輸出模件的配置如下：序號(hào)型號(hào)名稱個(gè)數(shù)備注1AI810模擬量輸入模件1模擬量輸入8通道2AO810模擬量輸出模件1模擬量輸出8通道3CI830Profibus接口模件1支持雙絞線連接 3.現(xiàn)場變送器：序號(hào)名稱個(gè)數(shù)1溫度變送器（

11、TT）52流量變送器 (FT)13位置變送器（ZT）14壓力變送器（PT）52.4.4 操作員界面顯示： 圖8 運(yùn)行員操作界面3、 課程設(shè)計(jì)總結(jié)或結(jié)論出現(xiàn)的主要問題、成果及不足：我們學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)操作原界面圖，對(duì)DCS硬件的選擇有了一定的了解。重點(diǎn)研究過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。不足之處是對(duì)組態(tài)圖的設(shè)計(jì)了解不夠到位。通過此次課程設(shè)計(jì)，使我更加扎實(shí)的掌握了有關(guān)DCS和FCS方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識(shí)欠缺和經(jīng)驗(yàn)不足。實(shí)踐出真知，通過親自動(dòng)手制作，使我們掌握的知識(shí)不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉

12、。在課程設(shè)計(jì)過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問題，最后在全體成員的共同努力下終于游逆而解。在今后社會(huì)的發(fā)展和學(xué)習(xí)實(shí)踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進(jìn)行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠(yuǎn)不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠(yuǎn)不可能得到社會(huì)及他人對(duì)你的認(rèn)可！回顧起此課程設(shè)計(jì)，至今我仍感慨頗多，從理論到實(shí)踐，在這段日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的東西，同時(shí)不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。  四、心得體會(huì)在為期一周的課設(shè)時(shí)間里，我們通過自己動(dòng)手進(jìn)一步了解了主汽溫度控制