汽溫控制系統(tǒng)

1、1蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計1.1控制系統(tǒng)任務(wù)保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，要求主蒸汽溫度為設(shè)定值。過熱汽溫調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持過熱 器出口蒸汽溫度再允許范圍內(nèi)，并且保護(hù)過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱 溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，因而過熱溫度的上限 不應(yīng)超過額定值5。c。過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率并影響汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì) 運(yùn)行，因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。c。過熱汽溫的額定值通常在500。c以上。 1.2控制系統(tǒng)構(gòu)成控制系統(tǒng)的構(gòu)成，主要由被控對象過熱器管道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行器（電動噴水閥 門），檢測變送組件一一熱電偶或溫度變送器，控制系統(tǒng)核心部

2、件一一調(diào)節(jié)器（電動控制器） 組成。其中，被調(diào)量（測量值）一一主汽溫度，調(diào)節(jié)量（控制信號）一一噴水流量，干擾信 號一一爐膛燃燒情況。1.3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.4控制過程簡要分析當(dāng)主汽溫度的測量值等于設(shè)定值時，噴水閥門不動，系統(tǒng)處在動態(tài)平衡狀態(tài)。此時，若 爐膛燃燒情況發(fā)生變化，使汽溫上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制 器的方向性判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門以適當(dāng)形式打開，噴水量增加。測 量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。2控制系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成兩個閉環(huán)回路。內(nèi)回路禍?；芈罚刂茖ο?、副參數(shù)變 送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和噴水閥，它的任務(wù)是盡快

3、消除減水溫度的干擾，在調(diào)節(jié)過程中起 初調(diào)作用；外回路或主回路，包括主對象、主參數(shù)變送器、主調(diào)節(jié)器、副回路，其作用是保 持過熱器出口汽溫等于給定值。主調(diào)節(jié)器接受被控量出口汽溫以及給定值信號，主調(diào)的輸出給定汽溫與噴水減溫器出口 汽溫共同作為副調(diào)節(jié)器輸入，副調(diào)節(jié)器輸出汽溫信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移，從而控制減溫水調(diào) 節(jié)閥門的張開閉合程度。當(dāng)爐膛燃燒劇烈，過熱器管道過熱，有噴水量的自發(fā)性增加造成十 擾，如果不及時加以調(diào)節(jié)，出口溫度將會降低，但因為噴水干擾引起的汽溫降低快于出口汽 溫的降低，溫度測量變送器輸出的汽溫信號會降低，副調(diào)節(jié)器輸出也降低，通過執(zhí)行器使噴 水閥門開度減少，則噴水量降低，使擾動引起的汽溫變

4、化波動很快消除，從而使主汽溫基本 上不受影響。另外副調(diào)還受到主調(diào)輸出的影響，當(dāng)某種原因引起主汽溫的增加，測量變送器 的輸出回增加，并且它對主調(diào)是反作用，主調(diào)輸出的給定信號也會降低，而且它對副調(diào)也是 反作用，使副調(diào)的輸出量增加，通過執(zhí)行器使噴水閥門的開度變大，使噴水量增加，從而穩(wěn) 定主汽溫度。圖2-1汽溫控制系統(tǒng)工作原理圖3汽溫控制對象的動態(tài)特性分析主要內(nèi)容：（1）二級減溫水?dāng)_動下主蒸氣溫度、二級減溫器后導(dǎo)前汽溫動態(tài)特性；（2）一級減溫水?dāng)_動下二級減溫器前蒸氣溫度、一級減溫器后導(dǎo)前汽溫動態(tài)特性；（3）擺動燃燒器傾角（或尾部煙道控制當(dāng)板）時的再熱蒸氣溫度動態(tài)特性；（4）再熱器減溫水?dāng)_動下的再熱溫度

5、動態(tài)特性。2、汽溫控制對象動態(tài)特性的特點在各種擾動下（主蒸氣流量、煙氣量、減溫水量），汽溫控制對象動態(tài)特性的形狀都一 樣，并呈現(xiàn)以下三種特點：（1）延時性，可用延時時間T表示；（2）慣性，可用時間常數(shù)T表示；（3） 自平衡能力。C圖3圖31汽溫控制對象的動態(tài)特性汽溫控制對象動態(tài)特性可用以下傳遞函數(shù)來表示：(11)G （s (11)（1 + T X式中K一汽溫控制對象的放大倍數(shù)T 汽溫控制對象的時間常數(shù)；n對象傳遞函數(shù)的階數(shù)。汽溫控制對象動態(tài)特性也可用以下傳遞函數(shù)來表示：(12)廠（） K T G Is J = (12)（1 + T ）n式中K一汽溫控制對象的放大倍數(shù)；T 汽溫控制對象的放大倍數(shù)

6、；T C汽溫控制對象的純延時時間。式（11）、式（12）中的特性參數(shù)可以從圖11所示的階躍響應(yīng)曲線上求取?？捎锰匦詤?shù)來:表征汽溫控制對象動態(tài)特性的好壞，:越大，控制對象越難以控制。4過熱汽溫控制方案常見的汽溫控制方案有串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和導(dǎo)前微分信號雙回路汽溫控制系統(tǒng)；并且使 用范圍相當(dāng)廣泛。4.1串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有兩個閉環(huán)控制回路：由被調(diào)對象的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫變送器Y 、 副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器K和減溫水調(diào)節(jié)閥組成內(nèi)回路(或簡稱為副回路)；由被調(diào)對象的惰性區(qū)、 主汽溫變送器Y、主調(diào)節(jié)器和內(nèi)回路組成外回路(或簡稱為主回路)。串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)基1本控制框圖如圖。圖41串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)

7、基本結(jié)構(gòu)框圖圖中Y 主汽溫變送器傳遞函數(shù)Y導(dǎo)前汽溫變送器傳遞函數(shù)G &)惰性區(qū)對象傳遞函數(shù)G01 (s)導(dǎo)前區(qū)對象傳遞函數(shù)G2 (s)、G (s)主調(diào)、副調(diào)傳遞函數(shù)k h執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)門傳遞函數(shù)導(dǎo)前汽溫能夠快速反映擾動，尤其是減溫水的自發(fā)性擾動，副調(diào)節(jié)器根據(jù)導(dǎo)前汽溫的變 化改變減溫水量，對主汽溫起粗調(diào)作用。主調(diào)節(jié)器則通過對副回路的校正，對主汽溫起細(xì)調(diào) 作用，當(dāng)主汽溫偏離給定值時，主調(diào)輸出校正信號，使副調(diào)不斷調(diào)節(jié)減溫水量，直到主汽溫 量恢復(fù)到給定值為止。穩(wěn)態(tài)時，導(dǎo)前汽溫穩(wěn)定在與原來不同的數(shù)值上，但主汽溫一定等于給 定值。在串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由于兩個回路的任務(wù)及動態(tài)特性不同，可以選擇不同的調(diào)節(jié)規(guī)

8、律。內(nèi)回路及副調(diào)的作用是快速消除內(nèi)擾，要求調(diào)節(jié)過程的持續(xù)時間較短，但不要求無差， 故副調(diào)也可選用純比例調(diào)節(jié)；當(dāng)導(dǎo)前區(qū)慣性較大時，也可選用比例微分調(diào)節(jié)。外回路及主調(diào) 的任務(wù)是維持主汽溫恒定，一般選用比例積分調(diào)節(jié)；當(dāng)過熱器惰性區(qū)惰性較大時，也可選用 比例積分微分調(diào)節(jié)。4.2具有導(dǎo)前微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)與串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)一樣，雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)也具有兩個閉環(huán)控制回路：由被控對象 的導(dǎo)前區(qū)、導(dǎo)前汽溫變送器、微分模塊、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成副回路(或稱 導(dǎo)前補(bǔ)償回路)；由被控對象的惰性區(qū)、主汽溫變送器和副回路組成主回路。雙回路汽溫調(diào)節(jié) 系統(tǒng)基本框圖如圖。圖42雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

9、由于引入了導(dǎo)前微分信號，可以改善單回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)。由汽溫被控對象的動態(tài)特性可 知，導(dǎo)前汽溫可以提前反映擾動，取其微分信號引入調(diào)節(jié)器后，由于微分信號動態(tài)時不為零 而穩(wěn)態(tài)時為零，所以動態(tài)時可使調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用超前，穩(wěn)態(tài)時可以使過熱器出口汽溫等于 給定值，從而改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。5系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型5.1汽溫控制對象特性參數(shù)的獲取切線法：汽溫控制對象動態(tài)特性傳遞函數(shù)式（11）、式（12）中的特性參數(shù)K、T、n、T、c可 以通過切線法從階躍響應(yīng)曲線上獲取。 C（1）測定或估計階躍響應(yīng)曲線的最終穩(wěn)態(tài)值，并 作 線的水平切線；（2）通過階躍響應(yīng)曲線上的拐點P作切線；（3）求出切線與的交點所對應(yīng)的時間為c，切線與線

10、的交點所對應(yīng)的時間為T ；c（4）由近似公式計算其他特性參數(shù)A9（13）（13）（14）（15）A W9R + 0.1 2n r 2 4 x2.9 3- R其中R R 8 p K= a 心 X 1 x 兀A W 9 k當(dāng)n=16時，式（14）還可以簡化為（16）+ 0.5 T Cn - 0.355.2+ 0.5 T Cn - 0.355.2控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的求解串級汽溫控制系統(tǒng)根據(jù)圖12的串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和梅遜公式當(dāng)N = 0時副回路傳遞函數(shù)G（S）（S控制系統(tǒng)傳遞函數(shù) G） G * ）K K01 + G（S ）K K G G（S ）O（S ）G（S ）戚）=丹 / 、 ，、01/ 、1

11、 + G（S ）O（S ）GIs）pi 00191中（S ）=G S ）氣七氣氣G S ）PI1 + GS）KKGS）011 + G G ） UK匕咎史G（S PI1 + GVS）KKG 02（S力 92 0191（17）（18）（19）（110）化簡得（S ）=當(dāng)N豐0時副回路傳遞函數(shù)G (S G(S)K K G (S G (S )TTGpiSKKGjSTGSGjSll(S )=0G 02(S )1 + G(S、. G(S )K K控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)中（S ）=中（S）G（S）1 + 0（S、G01 （S、G（S ）O(S )=(S )y 02 G (S )K K G 01B22、Z IG(S

12、 )G(S)/GIs )(S )0201十 1PI1 + G(S、G(S )K K(114 )疊加簡化G(S G (S()0201中=1 + Gp &)Kz%G02)如2 + Gpi(5G01 將式（111）和式G pi(S)G p(S)KZK p + 1-61(111 )(112)(113)(114)(115)6系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析給定汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計的參考數(shù)據(jù)，并由此進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。/1 + 一；I E設(shè)：主調(diào)傳遞函數(shù)G (S )=51PI副調(diào)傳遞函數(shù) G (S )= p 5 2主汽溫變送器傳遞函數(shù)Yq01導(dǎo)前汽溫變送器傳遞函數(shù)y = 1 ；“021.27惰性區(qū)對象傳遞函數(shù)G VS )=廠

13、；01(40 s + 1)41(15 s + 1；導(dǎo)前區(qū)對象傳遞函數(shù) G02 (S )=-執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)門傳遞函數(shù) 并另參數(shù) 5=5 = 0.8 此時，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)Kz = 10，= 1 ；孔=100G(S G (S)K K +1PI P Z 日可得G(S 虹(S )()0201_中=1 + Gp。)亳.G 02。) 2 + Gpi。)g 01。加-M)2078 .2s + 20(40 s + 1)4 (15 s + 1)2 + 12.5(40 s + 1)4 + 19.53 (100 s + 1)該系統(tǒng)的特征方程根據(jù)勞思判據(jù)1 + (40s + 1 )4。5 s +1 )2 + 12.5

14、(40 s+ 1 )4 + 19.53 (S 64.41 x 10 81.38 x 1071.63 x 10 4S 51.19 x 10 81.12 x 10 62.12 x 10 3S 49.96 x 1068.89 x 10 323S 32.26 x 10 52.82 x 10 3S 22.10 x 10 323S17.24 x 10 2S 0230。+ 1 )= 0(116)(117)23可以得出結(jié)論：此系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計良好，即系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。0.05 -0.01圖0.05 -0.01圖6-1在內(nèi)擾下的響應(yīng)曲線系統(tǒng)的最大偏差：5 % = 0.048系統(tǒng)的峰值時間：t = 0.2s

15、r調(diào)節(jié)時間：t = 0.6s所以控制系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性可以兼顧，達(dá)到理想的狀態(tài)。7汽溫控制系統(tǒng)校正方案以串級控制系統(tǒng)為例采用串級控制系統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器會出現(xiàn)過積分飽和，時間越長積分飽和的 程度越嚴(yán)重，直至受到調(diào)節(jié)器限幅的限制。當(dāng)輸入偏差信號翻轉(zhuǎn)時，調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要較長時間 才能推出飽和區(qū)，不能立即進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)。飽和積分的存在將嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間， 降低調(diào)節(jié)品質(zhì)。出現(xiàn)過積分飽和的原因是主調(diào)節(jié)器有積分作用，只要偏差存在，調(diào)節(jié)器的輸出就會不斷 增加（或減少），試圖去克服偏差，但系統(tǒng)已不具有這種能力。圖71用外部反饋模式防止積分飽和減少或消除這種過積分飽和對控

16、制系統(tǒng)的影響，主調(diào)可采用“外部反饋”對系統(tǒng)進(jìn)行校 正。如圖所示，可將副調(diào)的反饋量引入主調(diào)，取消微分作用和前饋作用。按圖所示的方法聯(lián) 結(jié)成串級系統(tǒng)，主調(diào)設(shè)為“外部反饋”模式，副調(diào)設(shè)為“內(nèi)部反饋”模式。正常工作時，副 調(diào)輸入偏差接近或等于零，y ，主調(diào)實現(xiàn)的是“比例+積分”調(diào)節(jié)，當(dāng)副調(diào)輸出到達(dá)上、 下限值以后，若系統(tǒng)繼續(xù)工作在極端情況，y將不再受的控制而成為獨立變量，主調(diào)的積 分作用被自然斷開，盡管主調(diào)輸入長期存在向向偏差，但2輸出u卻不會再因為積分而趨于飽 和。當(dāng)主調(diào)輸入等于設(shè)定值時，主調(diào)輸出即與副調(diào)輸入一致。1總結(jié)本次自動控制課程設(shè)計就鍋爐汽溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步的設(shè)計，由于所學(xué)理論知識不是 十

17、分全面，也許設(shè)計的方案存在不足之處，下面針對以上的設(shè)計總結(jié)如下：（1）此次熱電廠鍋爐系統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了被控對象，即過熱器管道的出口溫 度跟隨給定值的能力設(shè)計。（2）系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用了兩個調(diào)節(jié)器進(jìn)行主、副調(diào)節(jié)，主汽溫變送器和導(dǎo)前汽溫變送器作 為檢測變送組件，執(zhí)行器由電動噴水閥門構(gòu)成，根據(jù)被測量主汽溫度調(diào)節(jié)噴水量，使主 汽溫度在給定值范圍穩(wěn)定。（3）汽溫控制系統(tǒng)采取了串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)和導(dǎo)前微分信號雙回路汽溫控制系統(tǒng)方 案，即利用主、副兩個回路對被控對象進(jìn)行控制，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制的及時性和 準(zhǔn)確性。（4）在汽溫控制系統(tǒng)中，主要選取了 “外部反饋”校正，使控制系統(tǒng)在工作時的動態(tài)、 穩(wěn)態(tài)性能處

18、于最佳狀態(tài)。體會經(jīng)過一學(xué)期的努力學(xué)習(xí)，我們迎來了自動控制原理的課程設(shè)計。這次課程設(shè)計中我們每 個人都很努力。從最初的選題、經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)題目的問題找老師解決，到再選題，再設(shè)計。 再這一系列過程中我學(xué)到了很多東西，我自己通過查閱相關(guān)資料，然后一步步建立系統(tǒng)中每 個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，然后得到整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。這次課程設(shè)計，我了解到自動控制的每個環(huán)節(jié)，能夠聯(lián)系實際的問題通過理論的方法解 決，讓我在分析問題的能力上大大提高。同時也增強(qiáng)了對自動控制的了解。能夠更好的理解 和解決自動控制問題。通過一個禮拜的自控原理實踐，我深深地感到自己自控原理學(xué)的如此的模糊，對于書上 的知識只知其一，不知其二。現(xiàn)實和理論存在的差距真的很大，還有一個原因就是我們學(xué)以 不能致用，書上給的是理論，而我們腦中有的也只局限于書上的東西，但是至于應(yīng)用方面我 們還是不夠熟練。耐心和懷疑精神也是我們這個慢動作實驗很重要的要求。比如說我們對于 老師或是書上給的東西要持批判的精神來研究。我們應(yīng)該具備開放性思維，從里到外的所有 的知