分散控制课程设计

1、 课程设计报告( 2014 - 2015 年度第 1学期)名 称： 分散控制系统与现场总线技术 题 目： 直流锅炉过热蒸汽温度控制系统 院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 梁 庚 设计周数： 一 周 成 绩： 日期：2015年 01 月 03 日 课 课程设计报告1、 课程设计的目的与要求1.1课程设计的目的： 分散控制系统与现场总线技术是自动化专业本科层次的一门必修课程，本课程设计是配合该课程的学习而设置的，旨在引导学生对在课堂上掌握的分散控制系统与现场总线技术的相关知识进行灵活、综合的运用，培养学生的独立思考和工程设计能力，引导学生将理论和实践相结合

2、，增强解决实际问题的能力，巩固在测控自动化、DCS、FCS领域所必须具备的基础知识、基础理论，培养学生分析、解决测控领域和工程中实际问题的能力。1.2本次课设的要求： 在深入理解、消化课堂所学知识和教师指导设计的前提下，通过一定程度的调研和搜资，通过实际设计，深入了解和掌握电厂中多种典型自控系统的工作原理、特点，使用FCS控制策略组态软件构建基于FCS的控制方案，巩固课堂所学知识，理论密切联系实际。要做到： A较为详细的阐述所设计的控制系统的工作原理； B论述所设计的控制系统的实现方案，画出基本的基于SAMA图的控制策略组态图； C基于DCS或FCS的控制系统的实现的硬件选型及说明； D课程设

3、计的收获和体会。2、 设计正文2.1控制系统的任务及控制策略选择本次课设的设计对象是：600MW超临界直流锅炉过热蒸汽温度控制系统,需要将其过热汽温控制在可调范围内。由于直流锅炉的给水顺序通过加热区、蒸发区、过热区，一次全部变过热蒸汽，三段受热区没有固定分界面，因此只有维持燃水比不变，才会使受热区段相对固定，从而保持蒸汽温度稳定。而且过热汽温度控制系统是一个多干扰，大迟延，变工况的系统，其多干扰体现在：锅炉的结构不同，过热器的结构布置也不同，影响汽温变化的因素很多，主要为蒸汽流量扰动、烟气流量扰动、减温水扰动三大方面，负荷和燃烧工况也对其有影响；大迟延体现在：管排数量庞大、布置复杂、蒸汽管道流

4、程长；变工况体现在：锅炉要在全工况范围运行，动、静态特性变化显著。因此我们需要综合考虑控制策略的选择。各类控制策略的比较选择：(1)为了改善控制品质，我们可以采用分段控制，即将整个过热器分成若干段，每段设置一个减温器，分别控制各段的汽温，以维持主汽温为给定值，但是这种方法使控制系统复杂了，参数整定、调试、维护量变大，不经济。（2）我们可以采用导前微分信号的双回路控制，改善对象的动态特性，减小动态偏差，改善控制品质，有很强的克服内扰的能力，但是其快速跟踪和消除内扰的性能不如串级控制，参数整定是相互影响，不易掌握。 (3)smith预估控制，可以克服大迟延的影响，对定值扰动有很好的控制效果，但对其

5、他扰动效果变差，而且当预估器模型不准确时，控制效果也变差。（4） 串级控制，具有很强的克服内扰的能力，内环起了改善对象动态特性的作用，减小内回路时间常数，提高控制品质，提高系统工作频率，对工况变化有一定的适应能力。且两个回路相对比较独立，系统投运时的整定、调试直观方便，但其快速性又受到影响。综合上述各个基本控制策略，从稳、准、快各个方面考虑，我们采用基于预测控制和自适应控制的串级控制方案，其中过热汽温控制作为粗调是主要的手段，减温喷水作为细调辅助，两种方式协同工作，共同完成对直流锅炉蒸汽温度的有效控制。同时动态前馈的加入提高快速性，预测模型的加入提高抗扰动能力，大大优化系统性能。2.2基于预测

6、控制和自适应控制的串级控制系统2.2.1控制原理图：图1：系统总体控制原理图2.2.2控制系统的工作原理： 该控制系统包括前馈控制、内模控制、串级控制等控制方法，下面一一指出。1 前馈控制-处理可测干扰：图2：前馈控制原理图将负荷指令作为前馈信号给副调节器，在可测干扰来到之前进行动态补偿，并按其信号产生适合的控制作用去改变操作变量，使受控变量维持在设定值上。2内模控制-处理不可测干扰：图3 内模控制原理图 内模控制是一种基于过程数学模型进行控制器设计的新型策略，以其简单、跟踪调节性能好、鲁棒性强、能消除不可控干扰等优点，为控制理论界和工程界所重视。其设计思路是从理想控制器出发，然后考虑某些实际

7、存在的约束，在回到实际控制器中。如图所示，G(s)为系统预测模型。 3 串级控制 图4 串级控制原理图串级系统和单级系统有一个显著的区别, 即在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面, 被称为内回路或副回路, 包括副对象( 其输入为调节量WB, 输出为1) 、副参数1测量变送器、副调节器、执行器、喷水阀。内回路任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动( 喷水减温器入口蒸汽温度、流量变化) , 在调节过程中起着粗调的作用; 副调一般采用P 或PD 调节器。一个闭环在外面, 被称为外回路或主回路, 包括主对象( 即过热器, 其输入为1, 输出为) 、主参数测量变送器、主调节器、副

8、回路, 外回路的任务是保持过热器出口气温等于给定值, 起细调作用, 主调一般采用PI 或PID 调节器。 4. 串级控制+内模控制 Y：过热器出口温度 Ysp：负荷指令 Kp1：主调节器（P） Gc2: 副调节器G2：气温导前区 G1：气温惰性区 G1：气温惰性区模型 D：蒸汽流量扰动图5 基于内模控制的串级控制原理图由梅森公式得：其中：则：要使系统能够实现无差调节，则 ，那么 所以预测模型的放大倍数为1。2.3系统SAMA图图6 系统SAMA图其中：1、 比例器K1、调节器PID2和时间函数发生器f1(t)、f2(t)和f3(t)构成了从过热器入口温度（导前汽温）到过热器出口温度这段汽温惰性

9、区域的增益为1的对象数学模型 2、 汽温惰性区域对象静态增益K1为过热器出口温度变化量与过热器入口温度变化量之比 2.4基于DCS或FCS的控制系统的实现的硬件选型及说明2.4.1系统硬件构成的总体设计：图7 系统硬件总体设计图2.4.2过热蒸汽温度自动控制系统测点：序号类型测点名称系统信号类型单位变量名称测点数目1AI过热器入口汽温MCS420mAINHEATERC22AI过热器出口汽温MCS420mAOUTHEATERC33AI减温水流量MCS420mAt/hCOOLWATER24AI喷水减温水阀阀位反馈MCS420mA%POSITIONFB15AO喷水减温水阀阀位控制MCS420mA%T

10、EMDOWNDOOR16AI过热汽入口汽压MCS420mAMpINHEATERP27AI过热汽出口汽压MCS420mAMpOUTHEATERP32.4.3基于DCS的硬件选型：1.过程控制站的模件配置如下：序号型号名称个数备注1SD802F电源模件2输入电源24VDC2EI803F以太网模件4屏蔽双绞线安装3FI803F现场总线接口模件2与Profibus协议兼容2.模拟量输出模件的配置如下：序号型号名称个数备注1AI810模拟量输入模件1模拟量输入8通道2AO810模拟量输出模件1模拟量输出8通道3CI830Profibus接口模件1支持双绞线连接 3.现场变送器：序号名称个数1温度变送器（

11、TT）52流量变送器 (FT)13位置变送器（ZT）14压力变送器（PT）52.4.4 操作员界面显示： 图8 运行员操作界面3、 课程设计总结或结论出现的主要问题、成果及不足：我们学会了如何设计操作原界面图，对DCS硬件的选择有了一定的了解。重点研究过热汽温控制系统的设计。不足之处是对组态图的设计了解不够到位。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关DCS和FCS方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉

12、。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在全体成员的共同努力下终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。  四、心得体会在为期一周的课设时间里，我们通过自己动手进一步了解了主汽温度控制