热工控制系统课程设计

1、热工控制系统课程设计题目燃烧控制系统专业班级：能动 1307姓名：毕腾学号： 201302400402指导教师：李建强时间： 2016.12.30 2017.01.12目录第一部分 多容对象动态特性的求取 .11.1、导前区 .11.2、惰性区 .2第二部分 单回路系统参数整定 .32.1、广义频率特性法参数整定 .32.2、广义频率特性法参数整定 .52.3 分析不同主调节器参数对调节过程的影响 .6第三部分 串级控制系统参数整定 .103.1 、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统 .103.2 、炉膛负压控制系统 .103.3、系统分析 .123.4 有扰动仿真 .21第四部分 四川万盛电

2、厂燃烧控制系统 sama 图分析 .244.1、送风控制系统 sama 图简化 .244.2、燃料控制系统 sama 图简化 .254.3、引风控制系统 sama 图简化 .27第五部分 设计总结 .28第一部分 多容对象动态特性的求取某主汽温对象不同负荷下导前区和惰性区对象动态如下：导前区：惰性区：-0.815324 s 2 +36 s +11.27638806720 s 6 +12654365 s 5 +1719343 s 4 +124590 s 3 +5078 s 2 +110 s +1对于上述特定负荷下主汽温导前区和惰性区对象传递函数，可以用两点法求上述主汽温对象的传递函数，传递函数形

3、式为 w(s)=k(ts +1)n,再利用 matlab 求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象传递函 数。1.1 导前区利用 matlab 搭建对象传递函数模型如图所示：1曲线放大系数 k=0.815y(t1)=0.4*0.815=0.326；y(t2)=0.8*0.815=0.652；t1=25.885;t2=55.000;1.075t1 t1+t2则：n=( +0.5) 2=2.11922 t= 18.723t2-t1 2.16n则有：w(s) =0.815(18.723s +1)21.2 惰性区利用 matlab 搭建对象传递函数模型如图所示：曲线放大系数 k=1.276y(t1)=

4、0.4*1.276=0.51；t1=94.66;2100y(t2)=0.8*1.276=1.02；t2=146.10;1.075t1 t1+t2则：n=( +0.5) 2=6.116 t= 18.4t2-t1 2.16n则有：w(s) =1.276(18.4s +1)62、单回路系统参数整定2.1 广义频率特性法参数整定根据 w =pt ( m +ctg )n1k =p p p k ( m sin +cos )n nn采用等幅振荡法确定调节器参数时相当于 m =00（1）w(s)=1.276 (18.4s +1)6为对象进行参数整定k =p1p1.5(cos )66=1.856在 matlab

5、 中进行仿真分析，过程如下：其中 in1ou1 模块如下图：3仿真后系统输出为：根据等幅振荡是比例增益（ kpk=1.856）和系统输出输出曲线确定的等幅振荡周期（ tk=200）,可以查表确定当系统衰减率 =0.75 时调节器参数 k =1.1114 pk =0.011114 k =27.785。 i d投入闭环运行，观察运行效果。代入上述图中在 matlab 中进行仿真分析，实际系统效果 图形为：42.2 广义频率特性法参数整定单回路控制系统的原理方框图如下所示若采用等幅振荡法确定比例调节器的参数，其传递函数为100%负荷时汽温对象惰性区传递函数为错误！未找到引用源。用错误！未找到引用源。

6、代入，等幅振荡时，错误！未找到引用源。， 则由广义频率特性法可得即错误！未找到引用源。事实上对于错误！未找到引用源。阶多容惯性环节错误！未找到引用 源。 ，可用如下简化公式进行整定参数的计算1则当等幅振荡时，错误！未找到引用源。，对于 100%负荷惰性区传 递函数可得5错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。2.3 分析不同主调节器参数对调节过程的影响1、增大和减少 kp 对调节过程的影响kp 增大时，当 kp=1.444 时，系统阶跃相应曲线如下图：kp 减小时，当 kp=0.8 时，系统阶跃相应曲线如下图：62、增大和减少 k 对调节过程的影响ik 增大时，当 k =0.0122 时，系统

7、阶跃相应曲线如下图： i ik 减小时，当 k =0.01 时，系统阶跃相应曲线如下图： i i73、增大和减少 k 对调节过程的影响dk 增大时，当 k =30 时，系统阶跃相应曲线如下图： d dk 减小时，当 k =25 时，系统阶跃相应曲线如下图： d d84、同时改变kpkikd对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：如kp=1.2 k =0.02 k =30时i d：通过改变kp,ki,kd的大小，观察阶跃响应曲线，可知比例作用可使调节过程趋于稳定，但在单独使用时，使被调量产生静态偏差；积分作用能使被调量无静态偏差，但单独使用时，会使调节过程变成振荡甚至不稳定；微分作用能有效

8、地减少动态偏差，但不能单独使用。93 串级控制系统参数整定原理简述：燃烧过程控制系统 ：燃油锅炉的燃烧过程控制主要由三 个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统以及炉膛 负压控制系统。3.1 、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供其他生产环节使用。一般生产过程 中蒸汽的控制是通过压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同， 反映在蒸汽锅炉环节就是蒸汽压力的波动。维持蒸汽压力恒定是保证 生产正常进行的首要条件。保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃 烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以 及适当比例的助燃空气的控制实现的。因

9、此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生成情况确定；燃料 量是根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比 值确定。3.2 、炉膛负压控制系统锅炉炉膛负压过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量 损失，影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大 时，会增加燃料损失、热量损失和降低热效率。使外部大量冷空气进 入炉膛，改变燃料和空气比值。102控制方案：某锅炉燃烧系统要求对系统进行蒸汽压力控制。本项目采用燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统，并辅以炉膛负压控制的方 案，控制系统框图如图所示。已知控制系统传递函数：燃料流量系统的数学模型：g(s)= e -3s12s +1

10、112空气流量模型：g(s)=210 s +1e-2s引风量与负压关系模型：g(s)=65s +1e-s送风量对负压的干扰模型：g(s)= 并取：22s +1燃料流量至蒸汽压力关系约为：g(s)=4蒸汽压力至燃料流量关系约为：g(s)=1/4燃料流量与控制流量比值：g(s)=2空气流量与燃料流量比值：g(s)=13.3、系统分析1、系统稳定性分析作出伯德图，如果相角裕度 pm0或幅值裕度 gm1，表示系统 稳定。(1) 燃料流量系统数学模型：g(s)= e -3s12s +1的伯德图：（2）空气流量数学模型 g(s)=210 s +1e-2s的伯德图：12（3）引风量与负压关系模型 g(s)=

11、65s +1e-s的伯德图2、控制系统参数整定(1)燃烧控制系统为使系统无静差，燃烧流量调节器采用 pi 形式，即：gc ( s ) =kp +kis其中，参数 kp 和 ki 采用稳定边界法整定。先让 ki=0，调整 kp 使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。系统临界振荡仿真框图及其振荡 响应如图所示：13记 录 此 时 的 振 荡 周 期 tcr=10.7s和 比 例 参 数kcr=2,kp=kcr/2.2=1.613 ，ki=kp/(0.85tcr)=0.188 在 kp=1.613 ，ki=0.188 的基础上，对 pi 参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所

12、示，其中 pi 模块的结构如图所示。调节 kp=1，ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约 5%的超调量。14(2)蒸汽压力控制系统在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系 统参数。系统整定仿真框图如图所示15由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为 50%。此时系统调节 器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度一般。(3)空气流量控制系统空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类 似16记录此时的振荡周期 tcr=7s 和比例参数 kcr=5.23,则 kp=kcr/2.2=1.93，ki=kp/(0.85tcr)=0.34在 kp=1.93，ki=0.34

13、的基础上，对 pi 参数进一步整定，空气流量控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中 pi 模块的结构如图所示。调节 kp=1.45，ki=0.1，系统响应如图所示，可见系统有约 2% 的超调量。17整定后空气流量控制系统阶跃响应(4)炉膛负压控制系统负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似18记录此时的振荡周期 tcr=3.8s 和比例参数 kcr=1.72,则kp=kcr/2.2=0.65，ki=kp/(0.85tcr)=0.21，在 kp=0.65，ki=0.21 的基础上，对 pi 参数进一步整定，炉膛负压控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中 pi 模块的结构如

14、图所示。调节 kp=0.45， ki=0.085，系统响应如图所示，可见系统有约 5%的超调量。19整定后负压控制系统阶跃输入20负压控制系统前馈补偿整采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：g ( s ) =2 5s +1 x2s +1 6g ( s ) =5 s +16 s +33.4 有扰动仿真系统在三个部分中均加入了幅值-1 的随机扰动。系统仿真图如 所示。仿真结果如图所示。212223第四部分四川万盛电厂热工系统 sama 图分析燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界负荷的需要，并确保燃烧过程在安全经济工况下进行。由燃料量控制、 送风量控制和引风量控制等子系统组成。4.1

15、、送风控制系统一次风机 a 风温锁定风温一次风机 a 风量一次风机 b 风温锁定风温一次风机 b 风量 二次风机 a 风温锁定风温二次风机 a 风量二次风机 b 风温锁定风温二次风机 b 风量te tete ft ftte tete ft ft te tete ft ftte tete ft ftmedianselectmedianselectmedianselectmedianselectmedianselectmedianselectmedianselectmedianselect一次风量总风量二次风量总风量lag风量指令 ba+ +- nn-kf(x) y-ty+tabh l h lia

16、+ni iyt+i a t i i a taynth lnaynth lnnayt aytl hh lzt送风机 a 动叶控制指令zt送风机 b 动叶控制指令 24送风控制系统通过调节送风机的动叶位置，控制送风量。两侧风量分别经温度修正，与磨煤机、排粉风机热风、排粉机冷风之和作为总风量；调节器总风量设定值由空气 - 燃料指令回路产生。送风调节器接受风量指令信号，与总送风量信号进行比较，调节器对其偏差进行比例积分运算，输出送往送风机 a,b 控制回路，调节送风机挡板 的开度。风量指令经函数 f（x）后作为前馈信号。4.2、燃料控制系统25pi piaaf(x)kkddth li a tta b

17、c d e l h26总燃料量信号由投入运行的给粉机转速之和和燃油流量相加产生，根据设计煤种的低位发热量和燃油的发热量换算出油煤折算系数。锅炉主控输出与修正后的实际风量经低选形成燃料指令，燃料 -空气交叉限制实现在负荷表动过程中保证煤能够充分燃烧。燃烧调节器接受燃料指令信号，并将其与实际燃料量信号比较，然后对二者的偏差进行比例积分运算，其输出经多输出接口组件分配 给各层给粉 机转速控制回路，调节各层给粉机转速。4.3、引风量控制左侧烟气含量右侧烟气含量at atat at ldc输油锅炉主控输油总燃料量总风量lag2 set 2 setf(x)sm2xmtrslag氧量校正k fi t a a

18、 i i if(x)f(x)xlag最小空气量30%alag送风指令燃料指令27炉膛压力 pi pi pi送风量 baab-+ hlf(x)pksddthhlntyty-nty+ti a i i a i a ti i a tnytntaynta tlayyntntta tyttnyntytnlh lhzt引风机a静叶调节zt引风机b静叶调节引风控制系统可通过调节引风机的静叶位置。选三个炉膛压力测量信号中的中间值作为炉膛压力信号，与给定值进行比较，其偏差经引风调节器进行比例积分运算后，输出送至各引风机控制回路去调节引风机挡板的开度。由于炉膛压力测量信号波动大，为防止执行器不必要的频繁动作，在调节器中引入非滤波作用。送风指令经滞后环节作为 前馈信号，以保证负荷变化时，引风与送风协调动作。28第五部分设计总结接近两周的热工控制课程设计终于做完了，感觉受益匪浅。虽然中途遇到了很多困难以及迷惑，但是通过查看书籍以及向同学求教最终能够把课程设计完成。同时也掌握了 matlab