過程控制課設報告

1、課程設計報告名 稱： 過程控制 院 系： 班 級： 學 號： 學生姓名： 同組人： 指導教師： 設計周數： 1 成 績： 一課程設計總體目標通過該課程設計，使學生進一步掌握過程控制課程主要內容，深入理解過程控制系統(tǒng)的分析與綜合。要求學生：1了解過程控制技術與系統(tǒng)設計與分析的關鍵技術；2了解過程控制方案的組成；3能夠進行控制系統(tǒng)的設計與仿真及工程實現。二課程設計 主要內容 本課程設計是為實現生產過程自動化，應用圖紙資料和文字資料來表達設計思想、實驗室試驗、現場工程實現方法。設計分為兩個階段： 1 設計前期工作 （1）查閱資料：對被控對象動態(tài)特性進行分析 ；確定控制系統(tǒng)的被調量和調節(jié)量（2）確定自

2、動化水平 ： 自動控制范圍、控制質量指標、報警設限及手自動切換水平 （3）提出儀表選型原則：包括測量、變送、調節(jié)及執(zhí)行儀表的選型 2設計工作（1）根據對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構，給出控制系統(tǒng) 原理圖；（2）根據確定控制設備和測量取樣點和調節(jié)機構，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；（3）根據確定的自動化水平和系統(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）對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定（5） 編寫設計報告(說明書)。三設計正文：1 主汽溫串級控制系統(tǒng)的基本任務和要求鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產過程安全性和經濟性的重要參數?，F代鍋爐

3、的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水行程中工質溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過熱器正常運行的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內某些零部件產生過大的熱膨脹而毀壞，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，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，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱汽溫的降低還會導致汽輪機高壓級部分蒸汽的焓值減小，引起反動度增大，軸向推力增大，也對

4、汽輪機安全運行帶來不利的影響。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產過程所不允許的。 因此，以600MW機組國產直流鍋爐為例，其過熱蒸汽溫度額定值為541（主汽壓力為17.3MPa），在負荷為額定值的60%100%范圍內變化時，過熱蒸汽溫度不超過額定值的-10+5,長期偏差不允許超過±5。為了防止過快的蒸汽溫度變化速率造成某些高溫工作不部件產生較大的熱應力，還對溫度變化速率進行限制，一般限制在3/min內。2 被控對象動態(tài)特性分析（1）蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化，蒸汽量的變化將改變蒸汽和煙氣的傳熱條件，導致氣溫的變化。如圖2，在t=0s時刻

5、產生的蒸汽流量擾動在D下的過熱蒸汽的響應曲線，由分析可得由于管道中沿長度方向上的點溫度幾乎同時變化，所以溫度響應有自平衡特性，而且關心很延遲都比較小。圖2 蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性曲線（2）煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等）下的動態(tài)特性燃料量增減，燃料種類的變化，送風量，引風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，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變時沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此氣溫變化的延遲很小，一般在10-20s之間，同時體現出自平衡特性。煙氣側擾動的氣溫響應曲線如下圖3。圖3煙氣側擾動的氣溫響應曲線（3）減溫水流量擾

6、動下的動態(tài)特性應用噴水來控制蒸汽溫度是目前采用最廣泛的一種方式，對于這種方式，噴水量振動就是基本振動。過熱器是具有分布參數的多容對象，可以把管內的蒸汽和金屬管壁看作成無窮多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，當噴水量發(fā)生變化后，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終影響出口蒸汽溫度的變化。因此，會有很大的延遲，減溫器離過熱器出口越遠，延遲越大，其響應曲線如下圖4。噴水量振動響應曲線具有慣性，有延遲，有自平衡性，其延遲與管道長度成正比，一般鍋爐延遲在30-60s。圖4 減溫水流量擾動下的氣溫響應曲線控制量選擇：從過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性來看蒸汽流量或煙氣熱，量發(fā)生變化時，蒸汽溫度反應較快，而減溫水量變化時，

7、蒸汽溫度反應較慢。由于蒸汽流量由機組負荷決定，不能作為調節(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，盡管噴水減溫的控制特性不理想（大遲延、大慣性、非線性），但由于結構簡單、調溫能力強和易于實現自動化，目前被廣泛應用于過熱蒸汽溫度的控制。3 過熱蒸汽汽溫控制方案串級PID控制是目前火電廠中主汽溫控制中采用最多的控制策略，同時串級控制具備如下特點： （1） 對二次干擾有很強的克服能力； （2） 能夠改善被控對象的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率； （3） 對負

8、載或操作條件的變化有一定的自適應能力。3.1 過熱氣溫串級控制系統(tǒng) 3.1.1 串級控制的結構方框圖：3.1 過熱氣溫串級控制系統(tǒng)3.2過熱氣溫串級控制系統(tǒng)的結構和原理針對過熱氣溫調節(jié)對象調節(jié)通道慣性遲延大、被調量出口氣溫反饋慢的特點, 從對象的調節(jié)通道中找出一個比被調量反應快的中間點信號( 噴水減溫器出口氣溫) 作為調節(jié)器的補充反饋信號, 以改善對象調節(jié)通道的動態(tài)特性, 提高調節(jié)質量。構成的串級過熱氣溫調節(jié)的工藝流程。 系統(tǒng)中有主副兩個調節(jié)器, 主調節(jié)器接受被調量出口氣溫1及其給定值信號, 主調的輸出與噴水減溫器出口氣溫2 共同作為副調節(jié)器輸入, 副調節(jié)器輸出控

9、制執(zhí)行機構位移, 從而控制減溫水調節(jié)閥門的開度。主環(huán)是一個定值控制系統(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)是一個隨動控制系統(tǒng)。前饋控制器將變送器傳送過來的蒸汽流量信號補償后傳到副調節(jié)器，以此消除干擾，由此組成一個串級前饋復合控制系統(tǒng)。對于系統(tǒng)內部干擾，副控制器首先進行“粗調”，主控制器再進一步進行“細調”，同時前饋靜態(tài)補償器用以消除外部干擾。3.3控制器控制規(guī)律的選擇串級主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應盡快地消除擾動對主汽溫的影響，對主汽溫起粗調作用，因此副控制器采用P控制器;主控制器的作用是對主汽溫起細調作用，因此采用PI控制器。4 選擇測點和調節(jié)機

10、構,作控制系統(tǒng)工藝流程圖4.1 測點主要測量量包括減溫器前的減溫水流量W，外擾動過熱蒸汽流量D，減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度2，出口蒸汽溫度1。4.2調節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中，調節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現調節(jié)流體流量的裝置。調節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質流過它的能力。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管線的總壓降中占有較大的比例。調節(jié)閥的開、關形式需要考慮到以下幾種因素：生產安全角度：當氣源供氣中斷，或調節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產工藝設備的安全，不至發(fā)生事故；保證產品質量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而

11、恢復到初始位置時，產品的質量不應降低；盡可能的降低原料、產品、動力損耗；從介質的特點考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調節(jié)閥選擇氣開閥。4.3系統(tǒng)工藝流程圖圖6 串級過熱汽溫調節(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型大致分為電動或氣動，電動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II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操

12、作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設計中選用電動III型儀表。5.2調節(jié)器作用方向 對于串級控制系統(tǒng)，因為有兩個回路，應先判斷內回路的正反作用，然后再判斷外回路的正反作用。為了使副環(huán)回路構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數的符號必須為“負”，即副環(huán)內所有各環(huán)節(jié)放大倍數符號的乘積應為“負”。在本設計中隨著調節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即減溫器后端蒸汽溫度會降低，所以調節(jié)閥對副對象的作用為“負”，所以負調節(jié)器的控制作用應為正作用(PV-SP) 。內回路部分可以最終等效為正對象，由于1到2之間

13、為過熱器(1 升高時2必然升高)，屬于正對象。兩部分串聯(lián)后仍為正對象，因此主調節(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 仿真實驗與整定6.1被控對象本次課程設計被控對象是以600MW汽包鍋爐過熱蒸汽溫度為被控對象，其對象的模型如下：惰性區(qū)導前區(qū)圖8被控對象特性圖中：W 噴水流量；1、2惰性區(qū)溫度、導前區(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）各函數參數設置（采用零極點的形式）（1） 串級仿真圖的建立圖8串級過熱氣溫調節(jié)系仿真圖（2） 內回路參數第一次整定斷開主環(huán)，按單回路整定方法整定，這里采用的是衰減曲線法進行整定。建立如下圖所示的仿

14、真圖。圖9內回路參數第一次整定仿真圖調節(jié)內回路PID的P值，最后得第一個波峰y1=1.493 ，第二個波峰y2=1.123因此得衰減率為75%。此時，P= -11.60。圖10第一次內回路階躍響應曲線（3）外回路參數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節(jié)器參數，仿真圖同圖8。先調節(jié)外回路PID的P值，使得衰減率為75%。再調節(jié)I值，使穩(wěn)態(tài)值為1。此時，P= 0.504，I=0.001。圖11第一次外回路階躍響應曲線（4）內回路參數第二次整定主，副回路都閉合，仿真圖如下圖12內回路參數第二次整定仿真圖調節(jié)內回路PID的P值，最后得第一個波峰y1=0.686 ，第二個波峰y2

15、=0.568因此得衰減率為75%。此時，P= -7.50。圖13第二次內回路階躍響應曲線（5）外回路參數第二次整定仿真圖同圖8，衰減率為75%時，第一個波峰y1=1.110 ，第二個波峰y2=1.027，參數無需調整圖14第二次外回路階躍響應曲線所以最終的主調節(jié)器參數為P=0.504，I=0.001；副調節(jié)器參數為P=-7.50。（6）加上流量擾動后：使用前饋控制：前饋控制是基于不變性原理的控制，是一種按擾動進行補償的開環(huán)控制，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其原理圖如下：由于補償器不能是超前環(huán)節(jié)，所以針對本系統(tǒng)設計的補償器表達式為：參數設置為：得到響應曲線如圖 由上圖可知，該串級控制回路在引入了前饋時能夠有效的克服內擾和外擾疊加對控制系統(tǒng)的影響，使控制品質得到保證，該串級控制設計合理因此，本文對文獻3中的被控對象采用了PIDPID串級控制，其中副回路用P調節(jié)，主回路用PI調節(jié)三、課程設計總結 本次課程設計主要對600MW機組主汽溫的對象進行控制系統(tǒng)的設計，在設計過程中主要完成了被控對象動態(tài)特性分析，根據對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構，給出控制系統(tǒng)原理圖；同時，根據確定控制設備和測量取樣點和調節(jié)機構，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；最后還對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)