可编程控制器技术讨论与未来发展答辩稿

电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计 指导老师： 姓名： 班级： 学号： 103618 一、课题研究意义 二、锅炉简介 课题研究意义 蒸汽温度是锅炉安全 、 高效 、 经济运行的主要参数 ， 因此对蒸汽温度控制要求严格 。 过高的蒸汽温度会造成过热器 ， 蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形而毁坏；蒸汽温度过低 ， 又会引起热效率降低 ， 影响经济运行 。 锅炉控制现场环境恶劣 ， 采用传统的基于模拟技术的控制器 、 仪器仪表或单片机 ， 不仅结构比较复杂 ，效率比较低 ， 而且可靠性也不高 。 本次课设设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计 。 蒸汽过热系统包括一级过热器 、 减温器 、二级过热器 。 锅炉汽温控制系统主要包括过热汽和再热蒸汽温度的的调节 。 主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行时非常重要的 。 过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范围之内 ，并保护过热器 ， 使其管壁温度不超允许的工作温度 。 锅炉简介 锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可提供生产过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使用的燃料的种类、燃烧设备、锅体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如下图所示： 一、串级控制系统 二、导前微分控制系统 串级控制系统的特点 1、串级控制系统具有很强的克服内扰的能力系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点越显著。 2、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率，当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比例作用时，串级控制系统由于改善了对象的特性，从而使整个系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，而且当主、副对象特性一定时，副调节器放大倍数越大，则工频率越高。 3、串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主回路是一个定值系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出，是一个随机变化的量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性，也就是一种自适应能力。 采用串级调节系统的条件 1、控制对象可以分段。如下图所示的对象，在物理上可分为两段，两段的传递函数分别为 W0l(S)，和 W02(S)，整个对象的传递函数为 W(S)=W01(S)W02(S)。 其中 W0l(S)称作对象的导前区，W02(S)称为对象惰性区。 2、中间信号可测。在下图中，中间信号 2必须是可以测量的。 l为被调量，一般为系统的给定值，火电厂过热蒸汽温度控制系统符合这两个条件。 串级调节系统的分析 根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以减温器出口蒸汽温度为副参数， 主蒸汽温度为主参数的串级控制系统，系统结构如图 3-4所示。 系统中以减温器的喷水为控制手段，在单回路控制主汽温 l(即将 1作为主信号反馈到调节器，由调节器直接去控制阀门开度 )的基础上增加一个对减温水流量变化反应快的中间温度信号 2作为导前信号，增加一个副调节器，如图 8所示的串级控制信号系统。副调节器根据 2信号控制减温水阀，如果有某种扰动，蒸汽温度 2比 l提早反映，使扰动引起的 2波动很快消除，从而使过热蒸汽温度基本不受影响。热蒸汽温度基本不受影响。 主汽温串级控制结构图 串级过热汽温控制系统原理方框图 串级控制系统主副回路确定 串级控制系统主副回路和主副调节器选择为充分发挥串级控制系统的上述优点，设计控制系统时，还应当合理选择副回路及主副调节器的规律。主副回路的选择原则。 副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用保证主参数的稳定，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统的抗干扰能力；主、副对象的时间常数应适当匹配，主、副回路调节器调节规律的选择原则主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可采用比例控制。要求主参数波动范围很小，且不允许有余差 (稳态误差 )，此时副调节器可采用比例控制主调节器采用比例积分或比例积分微分控制。 导前微分控制系统 在温度控制系统中，常用的一种便是导前微分控制系统。这种控制系统的结构特点是：只用了一个调节器，调节器的输入取了两个信号。一个信号是主汽温经变送器直接进入调节器的信号，另一个信号则是减温器后的温度经微分器后送入调节器的信号。在时间和相位上，后一个信号超前于主信号（主汽温信号），因此把这种系统称为导前微分控制系统。又因为它有两个信号直接送入到调节器，所以也称这样的系统为具有导前微分信号的双冲量控制系统。微分作用能反映输出量的变化趋势，因而能提前反映输出量的变化，把这种作用用于控制系统，能改善控制性能。 采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统原理框图 采用微分信号改变控制对象特性的方框图 单回路系统方框图 双回路系统的等效方框图 两种汽温自动控制系统的比较 前面讨论了串级过热汽温控制系统和导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统，他们在实际应用中一般都能满足生产上的要求，但这两种控制系统在控制质量、系统构成、整定调试等方面各有特点。 1、把采用导前汽温微分信号的双回路控制系统转化为串级控制系统来看待时，其等效主、副调节器均为 PI调节器。但对于实际的串级汽温控制系统，为了提高副回路的快速跟踪性能，副调节器应采用 P或 PD调节器，而主调节器应采用 PI或 PID调节器。因此，采用导前汽温微分信号的双回路系统的副回路，其快速跟踪和消除干扰的性能不如串级系统； 2、串级控制系统主、副两个控制回路的工作相对比较独立，因此系统投运时的整定、调试直观、方便。而有导前汽温微分信号的双回路控制系统的两个回路在参数整定时相互影响，不容 易掌握 控制仪表的选择 主副回路的选择 主副调节器选择 控制器的选择 控制仪表的选择 控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动 I型、 II型、III型，单元组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动 II型、 III型。在串级控制系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。 电动 III型和电动 II型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同，控制 II型典型信号为，而电动 III型仪表的典型信号为，此外。 III型仪表较 II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时 III型仪表还具有完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证无扰动。所以在本设计中选用电动 III型仪表。 主副回路的选择原则 1、副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。 2、选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力。 3、主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大一些。 主、副回路调节器调节规律的选择原则 1、主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用的串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。 2、要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。 3、主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调节器均可采用比例积分控制。 控制器选择 对于一个完整的串级控制系统，主、副控制器的正。反作用的判断应该是先副后主。 副回路的正、反作用的选择：副回路的具体情况决定论副控制器的正、反作用，而与主回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统，所以副回路的开环放大系数符号必须是“正“。即副回路中所有环节的放大倍系数符号的乘积为”正“在本串级控制系统中随着调节阀开度的增加，减温水的流量会随之增加，副对象即减温器后端蒸汽会有一定幅度的降低，所以调节阀对副对象的作用为负；而调节阀是气关阀，其控制作用为负；变送器的控制作用均为正，为了保证开环放大系数乘积的符号位“负”，所以副控制器的控制作用符号需为“正”，所以主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控制作用为反作用。 一、 PID控制器 二、控制系统仿真 PID控制系统 c(t) + + r(t) 比例 P 积 分 I 微分 D 被控 对 象 PID控制系统结构图 PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r(t)与实际输出值 c(t)构成控制偏差 e(t)，即： e(t)=r(t)-c(t) 将偏差的比例 (P)、积分 (I)、微分 (D)通过线性组合构成控制量，对过程对象进行控制，故称为 PID控制器。控制规律为 : 或以传递函数形式表示： 其中 比例系数 , 积分时间常数， 微分时间常数 )()(1)()(0 dttdeTdtteTteKtutdiP )11()( )()( T d sT i skpsE sUsG Kp Ti TdPID控制参数整定方法 系统 参 数 （ %） T1(min) TD(min) 温度 20 60 3 10 0.5 3 流量 40 100 0.1 1 压力 30 70 0.4 3 液位 20 80 经验法整定参数 调节器参数调节器名称 （ %） s T1（ S） TD（ S） P 2 s PI 2.26 s Ts/1.2 PID 1.6 s 0.5Ts 0.125Ts 临界比例度法整定调节器参数 控制系统仿真 1、 主控对象数学模型为： 副控制对象的数学模型为： 控制器采用 PI控制规律对系统进行仿真研究。 副控制器选择 P作用，主控制器选择 PID作用，整定串级控制器的参数为最佳值，同样是 40%的设定值扰动。 244 )125/(25.1)( sesG s)112/()( 4 sesG s0 0 0 0 5.0,45.0 ip KK(a) (b) (a)串级控制系统的仿真框图 (b)串级控制系统的阶跃响应曲线 2、对于串级控制系统，在系统稳定运行大约 900s后，图加幅值为设定值 40%的二次阶跃扰动信号，系统的响应曲线如图 4.7所示，此时系统的调节时间大约为 330s。 015.0,45.0 ip KK(a) (b)扰动信号单独作用下的输出曲 线 (c)设定值和扰动同时作用下的输出曲线 致谢 首先，我要衷心感谢我的指导老师金文凯老师，没有他的悉心指导，我也不会这么顺利的完成我的毕业设计。其次，我要感谢我的母校，四年来，在母校的栽培下，使我顺利的完成了学业，并且给我的学生时代划上了完美的句点。最后，我要感谢我的父母，是他们的无私奉献供养了我上大学，我才会有今天的成绩，衷心的感谢他们！ 本次毕业设计从一接到任务书，就在金文凯老师的悉心指导下，还有我