過(guò)程控制課設(shè)報(bào)告

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告名 稱(chēng)： 過(guò)程控制 院 系： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 同組人： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1 成 績(jī)： 一課程設(shè)計(jì)總體目標(biāo)通過(guò)該課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生進(jìn)一步掌握過(guò)程控制課程主要內(nèi)容，深入理解過(guò)程控制系統(tǒng)的分析與綜合。要求學(xué)生：1了解過(guò)程控制技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析的關(guān)鍵技術(shù)；2了解過(guò)程控制方案的組成；3能夠進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真及工程實(shí)現(xiàn)。二課程設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容 本課程設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，應(yīng)用圖紙資料和文字資料來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)現(xiàn)方法。設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段： 1 設(shè)計(jì)前期工作 （1）查閱資料：對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析 ；確定控制系統(tǒng)的被調(diào)量和調(diào)節(jié)量（2）確定自

2、動(dòng)化水平 ： 自動(dòng)控制范圍、控制質(zhì)量指標(biāo)、報(bào)警設(shè)限及手自動(dòng)切換水平 （3）提出儀表選型原則：包括測(cè)量、變送、調(diào)節(jié)及執(zhí)行儀表的選型 2設(shè)計(jì)工作（1）根據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng) 原理圖；（2）根據(jù)確定控制設(shè)備和測(cè)量取樣點(diǎn)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；（3）根據(jù)確定的自動(dòng)化水平和系統(tǒng)功能，選擇控制儀表，完成控制系統(tǒng)SAMA圖（包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖）；（4）對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)并進(jìn)行系統(tǒng)整定（5） 編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告(說(shuō)明書(shū))。三設(shè)計(jì)正文：1 主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的基本任務(wù)和要求鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度是影響機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐

3、的過(guò)熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過(guò)熱器出口的過(guò)熱蒸汽溫度是機(jī)組整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處。過(guò)熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過(guò)熱器正常運(yùn)行的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，容易損壞過(guò)熱器，也會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過(guò)大的熱膨脹而毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，將會(huì)降低機(jī)組的熱效率，一般蒸汽溫度降低5-10，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量，浪費(fèi)能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。另外，過(guò)熱汽溫的降低還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓級(jí)部分蒸汽的焓值減小，引起反動(dòng)度增大，軸向推力增大，也對(duì)

4、汽輪機(jī)安全運(yùn)行帶來(lái)不利的影響。所以，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低都是生產(chǎn)過(guò)程所不允許的。 因此，以600MW機(jī)組國(guó)產(chǎn)直流鍋爐為例，其過(guò)熱蒸汽溫度額定值為541（主汽壓力為17.3MPa），在負(fù)荷為額定值的60%100%范圍內(nèi)變化時(shí)，過(guò)熱蒸汽溫度不超過(guò)額定值的-10+5,長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)±5。為了防止過(guò)快的蒸汽溫度變化速率造成某些高溫工作不部件產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，還對(duì)溫度變化速率進(jìn)行限制，一般限制在3/min內(nèi)。2 被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析（1）蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性汽機(jī)負(fù)荷變化會(huì)引起蒸汽量的變化，蒸汽量的變化將改變蒸汽和煙氣的傳熱條件，導(dǎo)致氣溫的變化。如圖2，在t=0s時(shí)刻

5、產(chǎn)生的蒸汽流量擾動(dòng)在D下的過(guò)熱蒸汽的響應(yīng)曲線(xiàn)，由分析可得由于管道中沿長(zhǎng)度方向上的點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化，所以溫度響應(yīng)有自平衡特性，而且關(guān)心很延遲都比較小。圖2 蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)（2）煙氣熱量擾動(dòng)（燃燒器運(yùn)行方式、燃料量變化、風(fēng)量變化等）下的動(dòng)態(tài)特性燃料量增減，燃料種類(lèi)的變化，送風(fēng)量，引風(fēng)量的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變時(shí)沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此氣溫變化的延遲很小，一般在10-20s之間，同時(shí)體現(xiàn)出自平衡特性。煙氣側(cè)擾動(dòng)的氣溫響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖3。圖3煙氣側(cè)擾動(dòng)的氣溫響應(yīng)曲線(xiàn)（3）減溫水流量擾

6、動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)用噴水來(lái)控制蒸汽溫度是目前采用最廣泛的一種方式，對(duì)于這種方式，噴水量振動(dòng)就是基本振動(dòng)。過(guò)熱器是具有分布參數(shù)的多容對(duì)象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作成無(wú)窮多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象，當(dāng)噴水量發(fā)生變化后，需要通過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象，最終影響出口蒸汽溫度的變化。因此，會(huì)有很大的延遲，減溫器離過(guò)熱器出口越遠(yuǎn)，延遲越大，其響應(yīng)曲線(xiàn)如下圖4。噴水量振動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)具有慣性，有延遲，有自平衡性，其延遲與管道長(zhǎng)度成正比，一般鍋爐延遲在30-60s。圖4 減溫水流量擾動(dòng)下的氣溫響應(yīng)曲線(xiàn)控制量選擇：從過(guò)熱蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性來(lái)看蒸汽流量或煙氣熱，量發(fā)生變化時(shí)，蒸汽溫度反應(yīng)較快，而減溫水量變化時(shí)，

7、蒸汽溫度反應(yīng)較慢。由于蒸汽流量由機(jī)組負(fù)荷決定，不能作為調(diào)節(jié)量，因而改變煙氣熱量（改變煙溫或煙氣流量）是比較理想的主汽溫度調(diào)節(jié)手段，但目前改變煙氣熱量是控制再熱蒸汽溫度的重要手段。因此，盡管?chē)娝疁p溫的控制特性不理想（大遲延、大慣性、非線(xiàn)性），但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)溫能力強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，目前被廣泛應(yīng)用于過(guò)熱蒸汽溫度的控制。3 過(guò)熱蒸汽汽溫控制方案串級(jí)PID控制是目前火電廠(chǎng)中主汽溫控制中采用最多的控制策略，同時(shí)串級(jí)控制具備如下特點(diǎn)： （1） 對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力； （2） 能夠改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率； （3） 對(duì)負(fù)

8、載或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。3.1 過(guò)熱氣溫串級(jí)控制系統(tǒng) 3.1.1 串級(jí)控制的結(jié)構(gòu)方框圖：3.1 過(guò)熱氣溫串級(jí)控制系統(tǒng)3.2過(guò)熱氣溫串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理針對(duì)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性遲延大、被調(diào)量出口氣溫反饋慢的特點(diǎn), 從對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)( 噴水減溫器出口氣溫) 作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào), 以改善對(duì)象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性, 提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。構(gòu)成的串級(jí)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)的工藝流程。 系統(tǒng)中有主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 主調(diào)節(jié)器接受被調(diào)量出口氣溫1及其給定值信號(hào), 主調(diào)的輸出與噴水減溫器出口氣溫2 共同作為副調(diào)節(jié)器輸入, 副調(diào)節(jié)器輸出控

9、制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移, 從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度。主環(huán)是一個(gè)定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。前饋控制器將變送器傳送過(guò)來(lái)的蒸汽流量信號(hào)補(bǔ)償后傳到副調(diào)節(jié)器，以此消除干擾，由此組成一個(gè)串級(jí)前饋復(fù)合控制系統(tǒng)。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部干擾，副控制器首先進(jìn)行“粗調(diào)”，主控制器再進(jìn)一步進(jìn)行“細(xì)調(diào)”，同時(shí)前饋靜態(tài)補(bǔ)償器用以消除外部干擾。3.3控制器控制規(guī)律的選擇串級(jí)主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應(yīng)盡快地消除擾動(dòng)對(duì)主汽溫的影響，對(duì)主汽溫起粗調(diào)作用，因此副控制器采用P控制器;主控制器的作用是對(duì)主汽溫起細(xì)調(diào)作用，因此采用PI控制器。4 選擇測(cè)點(diǎn)和調(diào)節(jié)機(jī)

10、構(gòu),作控制系統(tǒng)工藝流程圖4.1 測(cè)點(diǎn)主要測(cè)量量包括減溫器前的減溫水流量W，外擾動(dòng)過(guò)熱蒸汽流量D，減溫器和過(guò)熱器之間的蒸汽溫度2，出口蒸汽溫度1。4.2調(diào)節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照控制器所給定的信號(hào)大小和方向，改變閥的開(kāi)度，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過(guò)它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個(gè)管線(xiàn)的總壓降中占有較大的比例。調(diào)節(jié)閥的開(kāi)、關(guān)形式需要考慮到以下幾種因素：生產(chǎn)安全角度：當(dāng)氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無(wú)輸出等情況下，應(yīng)該確保生產(chǎn)工藝設(shè)備的安全，不至發(fā)生事故；保證產(chǎn)品質(zhì)量：當(dāng)發(fā)生控制閥處于無(wú)源狀態(tài)而

11、恢復(fù)到初始位置時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量不應(yīng)降低；盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動(dòng)力損耗；從介質(zhì)的特點(diǎn)考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過(guò)熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開(kāi)閥。4.3系統(tǒng)工藝流程圖圖6 串級(jí)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工藝流程圖5 控制系統(tǒng)SAMA 圖5.1控制儀表的選擇控制儀表的主要類(lèi)型大致分為電動(dòng)或氣動(dòng)，電動(dòng)I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動(dòng)II型、III型。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實(shí)施方案也不同。電動(dòng)III型和電動(dòng)II型儀表就其功能來(lái)說(shuō)基本相同，但是其控制信號(hào)不相同，控制II型典型信號(hào)為，而電動(dòng)III型儀表的典型信號(hào)為，此外。III型儀表較II型儀表操

12、作、維護(hù)更為方便、簡(jiǎn)捷，同時(shí)III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動(dòng)切換非常方便，隨時(shí)都可以進(jìn)行切換，且保證無(wú)擾動(dòng)。所以在本設(shè)計(jì)中選用電動(dòng)III型儀表。5.2調(diào)節(jié)器作用方向 對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，因?yàn)橛袃蓚€(gè)回路，應(yīng)先判斷內(nèi)回路的正反作用，然后再判斷外回路的正反作用。為了使副環(huán)回路構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)的符號(hào)必須為“負(fù)”，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號(hào)的乘積應(yīng)為“負(fù)”。在本設(shè)計(jì)中隨著調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度增加，減溫水量增加，副對(duì)象即減溫器后端蒸汽溫度會(huì)降低，所以調(diào)節(jié)閥對(duì)副對(duì)象的作用為“負(fù)”，所以負(fù)調(diào)節(jié)器的控制作用應(yīng)為正作用(PV-SP) 。內(nèi)回路部分可以最終等效為正對(duì)象，由于1到2之間

13、為過(guò)熱器(1 升高時(shí)2必然升高)，屬于正對(duì)象。兩部分串聯(lián)后仍為正對(duì)象，因此主調(diào)節(jié)器須采用反作用( SP-PV) 。5.3 SAMA圖圖7 控制系統(tǒng)的SAMA圖6 仿真實(shí)驗(yàn)與整定6.1被控對(duì)象本次課程設(shè)計(jì)被控對(duì)象是以600MW汽包鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度為被控對(duì)象，其對(duì)象的模型如下：惰性區(qū)導(dǎo)前區(qū)圖8被控對(duì)象特性圖中：W 噴水流量；1、2惰性區(qū)溫度、導(dǎo)前區(qū)溫度D 主蒸汽流量6.2系統(tǒng)仿真（采用逐步逼近法整定參數(shù)）各函數(shù)參數(shù)設(shè)置（采用零極點(diǎn)的形式）（1） 串級(jí)仿真圖的建立圖8串級(jí)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)系仿真圖（2） 內(nèi)回路參數(shù)第一次整定斷開(kāi)主環(huán)，按單回路整定方法整定，這里采用的是衰減曲線(xiàn)法進(jìn)行整定。建立如下圖所示的仿

14、真圖。圖9內(nèi)回路參數(shù)第一次整定仿真圖調(diào)節(jié)內(nèi)回路PID的P值，最后得第一個(gè)波峰y1=1.493 ，第二個(gè)波峰y2=1.123因此得衰減率為75%。此時(shí)，P= -11.60。圖10第一次內(nèi)回路階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（3）外回路參數(shù)第一次整定將整定好的副環(huán)加入主環(huán)，按照單回路整定法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，仿真圖同圖8。先調(diào)節(jié)外回路PID的P值，使得衰減率為75%。再調(diào)節(jié)I值，使穩(wěn)態(tài)值為1。此時(shí)，P= 0.504，I=0.001。圖11第一次外回路階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（4）內(nèi)回路參數(shù)第二次整定主，副回路都閉合，仿真圖如下圖12內(nèi)回路參數(shù)第二次整定仿真圖調(diào)節(jié)內(nèi)回路PID的P值，最后得第一個(gè)波峰y1=0.686 ，第二個(gè)波峰y2

15、=0.568因此得衰減率為75%。此時(shí)，P= -7.50。圖13第二次內(nèi)回路階躍響應(yīng)曲線(xiàn)（5）外回路參數(shù)第二次整定仿真圖同圖8，衰減率為75%時(shí)，第一個(gè)波峰y1=1.110 ，第二個(gè)波峰y2=1.027，參數(shù)無(wú)需調(diào)整圖14第二次外回路階躍響應(yīng)曲線(xiàn)所以最終的主調(diào)節(jié)器參數(shù)為P=0.504，I=0.001；副調(diào)節(jié)器參數(shù)為P=-7.50。（6）加上流量擾動(dòng)后：使用前饋控制：前饋控制是基于不變性原理的控制，是一種按擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)控制，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其原理圖如下：由于補(bǔ)償器不能是超前環(huán)節(jié)，所以針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的補(bǔ)償器表達(dá)式為：參數(shù)設(shè)置為：得到響應(yīng)曲線(xiàn)如圖 由上圖可知，該串級(jí)控制回路在引入了前饋時(shí)能夠有效的克服內(nèi)擾和外擾疊加對(duì)控制系統(tǒng)的影響，使控制品質(zhì)得到保證，該串級(jí)控制設(shè)計(jì)合理因此，本文對(duì)文獻(xiàn)3中的被控對(duì)象采用了PIDPID串級(jí)控制，其中副回路用P調(diào)節(jié)，主回路用PI調(diào)節(jié)三、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 本次課程設(shè)計(jì)主要對(duì)600MW機(jī)組主汽溫的對(duì)象進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要完成了被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性分析，根據(jù)對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行的分析，確定系統(tǒng)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，給出控制系統(tǒng)原理圖；同時(shí)，根據(jù)確定控制設(shè)備和測(cè)量取樣點(diǎn)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，繪制出了控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖），完成控制系統(tǒng)SAMA圖；最后還對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)并進(jìn)行系統(tǒng)