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1、过程控制仪表及控制系统课程设计报告书课题名称发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制姓名学号专业电气工程及其自动化指导教师2011 年 12 月 15 日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 14 页 - - - - - - - - - 1 目录摘 要 21概 述 32课 程 设 计 任 务 及 要 求 42 . 1设 计 任 务 4 2 . 2设 计 要 求 5 3理 论 设 计 6 3 . 1方 案 论 证 6 31 .1 常 规 PI D 控 制 63 .1 .2 串
2、 级 控 制 63 . 2系 统 设 计 6 3.2 .1结 构 框 图 及 说 明 6 3 . 2 . 2系 统 原 理 图 及 工 作 原 理 74 参 数 整 定 84. 1T1 参 数 84. 2T2 参 数 94. 3主 副 调 节 器 的 参 数 105 仿 真 调 试 116 结 论 127 参 考 文 献 12名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 14 页 - - - - - - - - - 2 摘要串级控制系统 -两只调节器串联起来工作， 其中
3、一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数） ，即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数） ，是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作
4、用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。本设计通过实验对数据的分析，来建立系统被控对象模型的数学表达式，采用最小二乘曲线拟合的方法，对实验数据进行了曲线拟合，从而得出了该生产过程的被控系统的数学模型，即传递函数。接着对系统进行分析，采用串级控制，再根据对象模型的结构来确定温度控制系统的控制器及控制算法，来实现发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制系统的准确控制，从而使各项参数都能满足各自的要求。关键词 ：串级控制、仿真、 PID 控制、调节器、增益名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - -
5、 - 第 3 页，共 14 页 - - - - - - - - - 3 1 概述发电厂从锅炉汽鼓出来的饱和蒸汽经过两段过热器继续加热，使蒸汽温度达到460左右，再去推动汽轮机工作。每一种锅炉与汽轮机组都有一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。如果温度过高，会使汽轮机的寿命大大缩短，如果温度过底，当蒸汽带动汽轮机作功时，会使部分蒸汽变成小水滴，冲击汽轮机叶片，造成生产事故，因此要求控制温度的误差不得超过5。由于汽鼓至汽轮机中间有一系列的减温器、过热器与传输管道，控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，要达到高精度的温度控制是很困难的，为此采用分段调节，其中最常见的是两段调节。这样，每段中的
6、对象的容积迟后与传输滞后时间均可减小一半。每段分别用一个温度控制系统调节各自的减温器喷雾的减温水流量，来维持各段过热器出口的温度恒定。假定两个系统温度控制方式完全一样，试设计其中一段的温度控制系统。 （蒸汽的压力和温度另有控制系统，这里我们假定蒸汽恒温恒压，过热器的热量也是恒定的，汽鼓的出口压力约60 公斤/厘米 2 左右。 ）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 14 页 - - - - - - - - - 4 2 课程设计任务及要求2.1 设计目的有效控制发
7、电厂汽轮发电机蒸汽温度，使锅炉与汽轮机组都在一个规定的运行温度，在这个温度下机组的效率最高。在稳定温度下运行可以延长汽轮机寿命，减少生产事故。2.1 设计任务控制系统要求控制温度的误差不得超过5。由于汽鼓至汽轮机中间有一系列的减温器、过热器与传输管道，控制对象的容积迟后与传输滞后都很大，要达到高精度的温度控制是很困难的，为此采用分段调节，其中最常见的是两段调节。这样，每段中的对象的容积迟后与传输滞后时间均可减小一半。每段分别用一个温度控制系统调节各自的减温器喷雾的减温水流量，来维持各段过热器出口的温度恒定。系统框图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -
8、 - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 14 页 - - - - - - - - - 5 通过实验，测得对象对于输入Q（单位输入）的响应如下（表中温度为负）：时间（S） 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 T1（）0 0 0 0.03 0.09 0.17 0.26 0.37 0.46 0.57 0.66 0.75 0.83 0.92 1.00 T2（）0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 时间（ S）31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55
9、57 59 T1（）1.06 1.11 1.14 1.18 1.22 1.25 1.28 1.31 1.34 1.36 1.39 1.41 1.43 1.44 1.46 T2（）0 0 0.01 0.02 0.03 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15 0.17 0.18 0.20 0.21 0.23 时间（ S）61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81 83 85 87 89 T1（）1.48 1.49 1.50 1.52 1.53 1.54 1.55 1.55 1.56 1.57 1.58 1.58 1.59 1.59 1.60 T2（）0.25 0.2
10、6 0.27 0.29 0.30 0.32 0.33 0.34 0.35 0.37 0.38 0.39 0.40 0.41 0.42 时间（ S）91 93 95 97 99 109 133 157 181 205 229 253 277 301 T1（）1.60 1.61 1.61 1.62 1.62 1.66 T2（）0.44 0.45 0.46 0.47 0.48 0.52 0.61 0.69 0.74 0.78 0.81 0.84 0.86 0.87 0.92 2.3 设计要求1、系统的稳态误差为0。2、5%误差带的调整时间不大于300 秒，最大超调量小于10%，这两个性能指标尽可能小
11、。3、在减温器和过热器之间存在干扰，最大干扰引起T1 处温度波动为 20，要求控制使干扰对 T2 处的温度影响不能超出允许范围。4、根据以上的工艺要求设计该控制系统，画出系统控制框图。包括控制参数、被控参数的选择，调节阀的选择，检测与变送装置的选择，控制器的设计。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 14 页 - - - - - - - - - 6 3 理论设计3.1方案论证3.1.1 常规 PID 控制汽轮蒸汽温度控制系统的调节对象存在大滞后现象和扰动，而系统
12、对控制精度与功能的要求比较高，在这种情况下采用常规的PID 控制得到的动态性能和稳态性能都很差，故不宜采用。3.1.2 串级控制串级控制是在单回路控制系统的基础上增加一个控制回路，构成串级控制系统。串级控制对提高大延时和大时间常数过程的控制质量有显著的效果，在工业生产过程控制中应用广泛。串级控制在结构上形成了两个环：一个闭环在里面，被称为副环，起着粗调作用；一个环在外面，称为主环，起着细调作用。这样一来对于发电厂汽轮发电机蒸汽温度控制，就能有很好的控制效果了。3.2系统设计3.2.1 结构框图及说明系统包括两台温度变送器（T1 与 T2） 、一台减温器、一台PI 调节器以及电 /气转换、升压型
13、气动继动器、带阀门定位器的气动活塞式执行机构、调节阀本体等。由于减温水的压力很高，所以调节阀应选用耐高压与流通能力大的阀门。串级系统框图主调节器副调节器调节阀对象1 对象 2 副 测 量 变 送主 测 量 变 送名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 14 页 - - - - - - - - - 7 3.2.2 系统仪器的选择1：主调节器选用 PI 控制算法)11(sTkip（反作用）主参数允许的波动范围很小，要求无余差，因此选用PI 控制规律。2：副调节器与用
14、P控制算法（反作用）因为若采用积分规律会延长控制过程，减弱副回路的快速作用。3：调节阀用自力式温度调节阀SLZW 气开型SLZW型自力式温度调节阀不需外界能源而进行温度自动调节。它适用于蒸汽、 热水、热油等为介质的各种换热工况。广泛应用于供暖、空调、生活热水中的温度自动调节，以及特殊工况的温度自动调节。主要特点：（1）无需任何外加能源，利用被调介质自身能量实现介质温度自动调节的执行器产品。（2）有较宽的温度设定范围，显示清晰、精度高，并设有过载保护装置，安全可靠。4：传感器、变送器的选择传感器选用FR-01 系列的温度传感器，它采用进口铂电阻芯片制做而成，适合测量-100500 温度区间，该产
15、品具有良好的抗震能力、高精度、长期稳定性好和安装简单等特性，在各个行业中被广泛应用。变送器选用 SBWZ 系列 Pt1000 热电阻温度变送器， 它采用二线制传送方式 ( 两根导线作为电源输入，信号输出的公用传输线) 。将热电阻信号变换成与输入信号或与温度信号成线性的420mA的输出信号。主要特点：（1）采用环氧树脂密封结构，因此抗震、耐温，适合在恶劣现场环境中安装使用。（2）现场安装于热电阻的接线盒内，直接输出420mA ，这样既省去较贵的补偿导线费用，又提高了信号长距离传送过程中的抗干扰能力。（3）精度高、功耗低、使用环境温度范围宽、工作稳定可靠。（4）量程可调，并具有线性化较正功能，热电
16、偶温度变送器具有冷端自动补偿功能。应用面广，既可与热电阻形成一体化现场安装结构，也可作为功能模块安装入检测设备中。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 14 页 - - - - - - - - - 8 4 参数整定根据任务书中 T1、T2 的单位输入响应实验数据， 可以用最小二乘法进行拟合， 或用曲线法计算参数。4.1 T1 参数根据 T1 实验值经 EXCEL 计算，得到下图：-0.200.20.40.60.811.21.41.61.8010203040506
17、0708090100110静态放大系数0()1.661.661yKx相对值( )( )()y tyty1()()1( )1tTyte（a）2()()2( )1tTyte（b）（a）和（ b）取对数，联立，得2112()ln(1( )ln(1()ttTytyt122121ln(1( )ln(1( ) ln(1( )ln(1( )tyttytytyt取1( )0.46yt, 2( )1.00yt名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 14 页 - - - - - -
18、- - - 9 212()Ttt122 tt解得24Ts5s静态放大系数SSTK5,24,66.1所以控制系统中T1 的传递函数为sessG5112466.1)(1) 4.2 T2 参数根据 T2 实验值经 EXCEL 计算，得到下图-0.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91050100150200250300350静态放大系数0()0.920.921yKx相对值( )( )()y tyty1()()1( )1tTyte(a) 2()()2( )1tTyte (b) （a）和（ b）取对数，联立，得名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -
19、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 14 页 - - - - - - - - - 10 2112()ln(1( )ln(1()ttTytyt122121ln(1( )ln(1( ) ln(1( )ln(1( )tyttytytyt取1( )0.39yt,2( )0.63yt, 则可得212()Ttt122 tt解得92Ts33s静态放大系数ssTK33,92,92.0所以 T2 的对象模型为sessG33219292.0)(2) 由上述两式得)(1sT与)(2sT的关系可得192) 124(545. 0)()(2812ssesG
20、sGsGs）（主(3) 4.3 主副调节器的参数主调节器用的是PI 控制规律，副调节器只用比例控制即可，整定参数使最大超调量小于 10%且调整时间小于 300 秒，由仿真得图形可知符合要求即可。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 14 页 - - - - - - - - - 11 5仿真调试实验框图如图：对应的响应曲线：分析：1. 调整时间由图直接得出大约为300 秒，符合要求。2. 最大超调量没有超调量，符合要求。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载
21、- - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 14 页 - - - - - - - - - 12 6结论这个系统是存在一定扰动的，在有扰动时扰动引起的波动也在允许范围之内。串级控制在对于时延较大和存在纯滞后环节的控制上控制效果明显优于常规的PID 控制。本实验设计的控制系统基本满足设计要求。7 参考文献1 邵裕森，戴先中 . 过程控制工程 M. 北京：机械工业出版社 ,2000 2 张玉铎，王满稼 . 自动控制系统 M. 水利电力出版社3 刘文定，王东林 . 过程控制系统的 MATLAB 仿真M. 机械工业出版社4 金以慧 . 过程控制 M. 北京：清华大学出版社名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 14 页 - - - - - - - - - 13 指导教师评 语答辩成绩总 评成绩指导教师签字年月日名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 14 页 - - - - - - - - -