熱工控制系統(tǒng)課程設計

1、熱工控制系統(tǒng)課程設計題 目 汽溫控制系 別 動力工程系專業(yè)班級 熱能與動力工程專業(yè) 08K5 班學生姓名 秦小葉 081902010322指導教師 谷俊杰二一一年十二月目錄前 言 4.第一部分 多容對象動態(tài)特性的求取 5.一、 導前區(qū) 5. .二、惰性區(qū) 7. .第二部分 單回路系統(tǒng)參數(shù)整定 8.一、廣域頻率法確定調(diào)節(jié)器參數(shù) 8.二、臨界比例帶法確定調(diào)節(jié)器參數(shù) 9.第三部分 串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定 1.5一、 主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定 1. 5第四部分 熱工系統(tǒng) SAMA圖分析 1.9一、一級過熱器控制系統(tǒng) SAMA圖簡化： 1. 9二、再熱器控制系統(tǒng) SAMA圖簡化： 1. 9結 論 2

2、.0.參考文獻 2.1.汽溫控制系統(tǒng)作為電廠三大控制系統(tǒng)之一， 蒸汽溫度的穩(wěn)定對于電廠的安全 經(jīng)濟運行非常重要。 汽溫過高， 會引起鍋爐受熱面及管道金屬材料的蠕變速度加 快，部件機械強度降低，導致受熱面超溫爆管，設備壽命縮短甚至損壞；汽溫過 低，會降低機組循環(huán)熱效率，煤耗增大；汽溫變化過大，會使管材及有關部件產(chǎn) 生疲勞，汽輪機轉(zhuǎn)子和汽缸的脹差變化，導致汽輪機劇烈振動，危及機組安全。汽溫控制的任務是維持主、 再熱汽溫在規(guī)定值或允許的范圍內(nèi) （±5）， 而 影響汽溫變化的因素很多 , 主要有鍋爐負荷、爐膛過量空氣系數(shù)、給水溫度、燃 料性質(zhì)、受熱面污染情況和燃燒器的運行方式等； 且主汽溫被

3、控對象本身具有大 遲延、大慣性和時變特性。 因此這些因素使得常規(guī)控制方法的控制性能指標不夠 理想。為此人們一直試圖利用改變一些對生產(chǎn)過程影響的種種擾動， 以控制目標 值的恒定， PID 控制理論從此應運而生。以前鍋爐系統(tǒng)比較簡單，單回路的控制 系統(tǒng)基本上可以滿足控制要求。 但是隨著科技的發(fā)展， 單回路控制系統(tǒng)已經(jīng)不能 滿足控制系統(tǒng)的性能要求， 需要采用功能更完善的多回路控制系統(tǒng)或其他復雜的 控制系統(tǒng)來完成。因此過熱蒸汽的汽溫控制是十分重要的。第一部分 多容對象動態(tài)特性的求取主汽溫被控對象本身具有大遲延、大慣性和時變特性，有自平衡能力的高階對象的階躍響應可用遲延環(huán)節(jié)和一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)來等效階躍響

4、應曲線如圖， 傳遞函數(shù)的形式為W(s)K(Ts 1)n在階躍響應曲線上， 求得 y(t1) 0.4y( ) 及 y(t2) 0.8y( ) 時對應的時間 t1 、t2 后， 利用下式求階數(shù) n利用兩點法公式可知：由曲線可知放大系數(shù) K,利用兩點法可確定 t1 ，t2 ，利用如下公式計算對象階次和慣性時間1.075t1t2 t10.5T t1 t22.16n某主汽溫對象 100%負荷下導前區(qū)和惰性區(qū)對象動態(tài)特性：對于上述特定負荷下主汽溫導前區(qū)和惰性區(qū)對象傳遞函數(shù)， 可以用兩點法求上述主汽溫對象的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)形式為W(s)= 錯誤！未指定書簽(Ts+1) n利用 Matlab 求取階躍響應曲

5、線，然后利用兩點法確定對象傳遞函數(shù)一、導前區(qū)0.851361s2 38s 1運行 Matlab, 建立仿真組態(tài)圖如下圖，修改仿真時間為 400 秒。點擊運行，通過雙擊 Scope可以查看仿真結果在 matlab 命令窗口輸入：num=0.815;den=324 36 1; step(num,den);回車后可得到對象的階躍響應曲線如下圖所示：在圖上取兩點后為：K根據(jù)該曲線應用兩點法確定傳遞函數(shù) W(s)=(Ts+K1)n ，中的參數(shù) K、T、n的K=0.815 t1/t2=0.464具體數(shù)值。由圖可知 t1=24.8 t2=53.41.075t1n=( t2-t1 +0.5)2=2T=t1+t

6、22.16n18則有： W(s)=0.815(18s+1)惰性區(qū)在圖中取兩點后為1.276利用兩點法公式可知：將曲線放大可知放大系數(shù) K=1.27利用兩點法可確定 t1=93.5 , t2=145， t1/t2=93.5/145=0.645所以 n=6 T=t1+t22.16n93.5 1452.16*618.403即階躍響應曲線利用兩點法確定其傳遞函數(shù)為：1.27618.403S 1 6第二部分 單回路系統(tǒng)參數(shù)整定利用第一部分建立的對象傳遞函數(shù)， 就行參數(shù)整定。 為便于分析， 可以采用第一 部分建立的主汽溫對象的惰性區(qū)對象(為一多容慣性環(huán)節(jié))進行參數(shù)整定。對于對象1.2718.403S 1

7、6，計算確定 :Kp 1.27(cos /6)61.866一、廣域頻率法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器采用比例調(diào)節(jié)器， WT(S) Kp ,以衰減率0.75 為整定指標：1 Kp 1.27 6 018 .4 0 S3 1 Kp (1 mwT)2 (wT )22 1.271 e2 m 0.75m 0.2211.27S mw wj為閉環(huán)特征方程的根，由 1 Kp 18 .4103.27S 1 6 0 得：21.28 Kp (1 mwT jwT )6 (1 mwT) 26(wT )2 2j6tg1 wT1 mwT6tg 1wT1 mwTwTtg 0.5 7 7 41 mwT 6wT 0.512求得 Kp 0.

8、910 ,臨界比例帶法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)由等幅振蕩法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)。對于上述 n 階慣性環(huán)節(jié)，可以通過計算確定 系統(tǒng)等幅震蕩的周期和出現(xiàn)等幅振蕩時的比例調(diào)節(jié)器參數(shù) Kp 。注意采用等幅振 蕩法確定調(diào)節(jié)器參數(shù)時相當于系統(tǒng)衰減率 m0 =0，系統(tǒng)振蕩周期為： T=2/通過計算確定調(diào)節(jié)器參數(shù)后，在 matlab 中進行仿真分析，觀看實際系統(tǒng)效果是不是正確。對于對象 W s計算確定 : Kp1.8661.2718.403S 1 611.27(cos /6)6運行 Matlab,建立仿真組態(tài)圖如下圖：采用等幅振蕩法通過試湊法逐步確定等幅振蕩時比例調(diào)節(jié)器的比例增益， 和 計算確定的調(diào)節(jié)器參數(shù)進行比較。將計算確

9、定的參數(shù) Kp=1.8527 。投入系統(tǒng)運 行,系統(tǒng)結構如下圖所示：根據(jù)等幅振蕩是比例增益和系統(tǒng)輸出曲線確定的等幅振蕩周期， 可以查臨界比例 帶參數(shù)表確定當系統(tǒng)衰減率0.75 時：11K 0.536Tk 200K Kp 1.866 k1) P調(diào)節(jié)器Kp 1 1 0.933 與廣義頻率特性法計算所得值相近 2 k 2 0.5362) PI調(diào)節(jié)器11Kp 0.8482.2 k 2.2 0.536KI12.2 K 0.85TK12.2 0.536 0.85 2000.005在 matlab 中進行仿真分析，實際系統(tǒng)效果圖形為：3) PID調(diào)節(jié)器11K P 1.1171.67 k 1.67 0.536

10、KI11.67 K 0.5TK11.67 0.536 0.5 2000.0112TD 0.25Ti 0.25 0.5Tk 0.25 0.5 200 K D27.93D 1.67 k 1.67 0.536將計算確定的參數(shù) KP 1.117, K I 0.0112, KD 27.93 。投入閉環(huán)系統(tǒng)運行，觀察運行效果三、比例、積分、微分調(diào)節(jié)器的作用1)增大和減小 KP 對調(diào)節(jié)過程的影響，系統(tǒng)階躍響應曲線的輸出如下：Kp 增大時，當 Kp 1.5時Kp 減小時，當 Kp 0.8時：2）增大和減小 Ki 對調(diào)節(jié)過程的影響，系統(tǒng)階躍響應曲線的輸出如下：Ki 增大時，當 Ki 0.014 時：Ki 減小時

11、，當 K i 0.008時3）增大和減小 Kd 對調(diào)節(jié)過程的影響，系統(tǒng)階躍響應曲線的輸出如下Kd 增大時，當 Kd 35.00時：Kd 增大時，當 Kd 24.00時：1）同時改變 K p Ki Kd 對調(diào)節(jié)過程的影響，系統(tǒng)階躍響應曲線的輸出如下：如 K p =1.30 K i =0.02 Kd =35.00 時：通過改變 KP, KI, K D的大小，觀察階躍響應曲線，可知比例作用可使調(diào)節(jié)過程趨于穩(wěn)定， 但在單獨使用時， 使被調(diào)量產(chǎn)生靜態(tài)偏差； 積分作用能使被調(diào)量 無靜態(tài)偏差，但單獨使用時， 會使調(diào)節(jié)過程變成振蕩甚至不穩(wěn)定； 微分作用能有 效地減少動態(tài)偏差，但不能單獨使用。第三部分 串級控制

12、系統(tǒng)參數(shù)整定一、主蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)參數(shù)整定以某 300MW機組配套鍋爐的過熱汽溫串級控制系統(tǒng)為例， 過熱汽溫串級控制系 統(tǒng)的方框圖如下：圖3-1過熱汽溫串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器采用比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器 , 副調(diào) 節(jié)器采用比例（ P）調(diào)節(jié)器。打開一個 Simulink 控制系統(tǒng)仿真界面，根據(jù)過熱汽 溫串級控制系統(tǒng)方框圖建立仿真組態(tài)圖如下：1 首先整定內(nèi)回路，即副調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定將中主回路反饋系數(shù) r1設為 0，同時令主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) K p1 1，積分系 數(shù) Ki1 0 ，微分系數(shù) Kd1 0 。將階躍信號輸出模塊 （Step）的終值（Final value ） 設為過熱蒸汽溫度的

13、穩(wěn)態(tài)值 535，仿真時間設為 1000s，逐漸增加副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) Kp2 ，在響應曲線顯示器 Scope1 中觀察溫度 t2的變化，使溫度t2盡快 達到穩(wěn)定，并盡量接近穩(wěn)態(tài)值 419.28oC ，此時的比例系數(shù) K p2即為副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)。 調(diào)節(jié)完成后得：K p2 4.5, 仿真運行效果如下圖：2整定外回路，即主調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定圖中主回路反饋系數(shù) r1 改為 1，副調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) K p2保持上一步的整定參數(shù) 不變，仿真時間設 1000s，逐漸增加主調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) K p1 ，在響應曲線顯示 器 Scope 中觀察溫度 t1 的變化，直至響應曲線出現(xiàn)等幅振蕩，記下此時的比例1系數(shù)

14、Kp1 k 1 同時通過響應曲線可以確定振蕩周期 Tk ，查表即可確定調(diào)節(jié) K p1器參數(shù)值調(diào)節(jié)完成后由圖得： K p1 2.02 Tk 220其仿真運行圖如下：1k計算主調(diào)節(jié)器的各參數(shù)：1 0.495Kp1 2.02查表確定參數(shù)為：K p111.67 k1.67 0.4951.2097Ki1Kd11.67 k 0.5Tk0.01101.67 0.495 0.5 2200.25 0.5Tk1.67 k0.25 0.5 220 33.2671.67 0.495整定結果 t1 的變化如圖所示：在500s時加入減溫水擾動后的 t1 的變化如圖所示當負荷變成 75%后并且主副調(diào)節(jié)器參數(shù)不變時， t1

15、的變化曲線如圖所示：負荷升高以后，系統(tǒng)的動態(tài)偏差變小，達到平衡的時間變短了第四部分 熱工系統(tǒng) SAMA圖分析一、一級過熱器控制系統(tǒng) SAMA圖簡化：過熱汽溫控制方式為分段控制，分為一級、二級和三級，大屏式過熱器前、后分 別設一、二級噴水減溫，一級減溫為主調(diào)節(jié)，且為粗調(diào)；二級減溫作備用，防止 后屏過熱器超溫； 三級減溫器設在高溫過熱器前， 為過熱汽溫微調(diào)， 用來維持過 熱蒸汽額定溫度、再熱器控制系統(tǒng) SAMA圖簡化：在再熱蒸汽溫度控制中， 蒸汽負荷是由用戶決定的， 所以改變煙氣流量為主要控 制手段，例如改變再循環(huán)煙氣流量， 改變尾部煙道通過再熱器的煙氣分流量或改 變?nèi)紵鞯膬A斜角度。再熱汽溫測量

16、值與設定值之偏差 ,由 PID調(diào)節(jié)器運算 ,輸出 控制信號去控制再熱器檔板和過熱器擋板的開度 ,PID2 最終消除再熱蒸汽溫度與 其設定值的偏差。結論汽溫控制的質(zhì)量直接影響到機組的安全與經(jīng)濟運行。影響主汽溫變化的因 素很多，主要有鍋爐負荷、爐膛過量空氣系數(shù)、給水溫度、燃料性質(zhì)、受熱面污 染情況和燃燒器的運行方式等。影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多， 如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、 鍋爐給水溫度變化、 進入過熱器的蒸汽溫度變化、 流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速 變化、鍋爐受熱面結垢等， 但歸納起來， 主要有減溫水流量擾動下汽溫的動態(tài)特 性，蒸汽負荷擾動下汽溫的動態(tài)特性，煙氣側(cè)擾動時的汽溫動態(tài)特性等三方面。了解到蒸汽溫度控制的任務和控制對象的特點及動態(tài)特性， 串級控制和導前 微分控制兩種主蒸汽溫度控制方式的特點和其控制系統(tǒng)的組成結構及原理框圖， 再熱蒸汽溫度控制方式的特點，熟悉了主蒸汽和再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的實例。參考文獻1 熱工控制系統(tǒng)，谷俊杰等編，華北電力大學教材科，