过程控制课设报告

1、课程设计报告名 称： 过程控制 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 同组人： 指导教师： 设计周数： 1 成 绩： 一课程设计总体目标通过该课程设计，使学生进一步掌握过程控制课程主要内容，深入理解过程控制系统的分析与综合。要求学生：1了解过程控制技术与系统设计与分析的关键技术；2了解过程控制方案的组成；3能够进行控制系统的设计与仿真及工程实现。二课程设计 主要内容 本课程设计是为实现生产过程自动化，应用图纸资料和文字资料来表达设计思想、实验室试验、现场工程实现方法。设计分为两个阶段： 1 设计前期工作 （1）查阅资料：对被控对象动态特性进行分析 ；确定控制系统的被调量和调节量（2）确定自

2、动化水平 ： 自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平 （3）提出仪表选型原则：包括测量、变送、调节及执行仪表的选型 2设计工作（1）根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统 原理图；（2）根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；（3）根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；（4）对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定（5） 编写设计报告(说明书)。三设计正文：1 主汽温串级控制系统的基本任务和要求锅炉过热蒸汽温度是影响机组生产过程安全性和经济性的重要参数。现代锅炉

3、的过热器是在高温、高压的条件下工作的，过热器出口的过热蒸汽温度是机组整个汽水行程中工质温度的最高点，也是金属壁温的最高处。过热器采用的是耐高温高压的合金刚材料，过热器正常运行的温度已接近材料所允许的最高温度。如果过热蒸汽温度过高，容易损坏过热器，也会使蒸汽管道、汽轮机内某些零部件产生过大的热膨胀而毁坏，影响机组的安全运行。如果过热蒸汽温度过低，将会降低机组的热效率，一般蒸汽温度降低5-10，热效率约降低1%，不仅增加燃料的消耗量，浪费能源，而且还将使汽轮机最后几级的蒸汽湿度增加，加速汽轮机叶片的水蚀。另外，过热汽温的降低还会导致汽轮机高压级部分蒸汽的焓值减小，引起反动度增大，轴向推力增大，也对

4、汽轮机安全运行带来不利的影响。所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。 因此，以600MW机组国产直流锅炉为例，其过热蒸汽温度额定值为541（主汽压力为17.3MPa），在负荷为额定值的60%100%范围内变化时，过热蒸汽温度不超过额定值的-10+5,长期偏差不允许超过±5。为了防止过快的蒸汽温度变化速率造成某些高温工作不部件产生较大的热应力，还对温度变化速率进行限制，一般限制在3/min内。2 被控对象动态特性分析（1）蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气的传热条件，导致气温的变化。如图2，在t=0s时刻

5、产生的蒸汽流量扰动在D下的过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应有自平衡特性，而且关心很延迟都比较小。图2 蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线（2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）下的动态特性燃料量增减，燃料种类的变化，送风量，引风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变时沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此气温变化的延迟很小，一般在10-20s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰动的气温响应曲线如下图3。图3烟气侧扰动的气温响应曲线（3）减温水流量扰

6、动下的动态特性应用喷水来控制蒸汽温度是目前采用最广泛的一种方式，对于这种方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作成无穷多个单容对象串联组成的多容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终影响出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大的延迟，减温器离过热器出口越远，延迟越大，其响应曲线如下图4。喷水量振动响应曲线具有惯性，有延迟，有自平衡性，其延迟与管道长度成正比，一般锅炉延迟在30-60s。图4 减温水流量扰动下的气温响应曲线控制量选择：从过热蒸汽温度对象的动态特性来看蒸汽流量或烟气热，量发生变化时，蒸汽温度反应较快，而减温水量变化时，

7、蒸汽温度反应较慢。由于蒸汽流量由机组负荷决定，不能作为调节量，因而改变烟气热量（改变烟温或烟气流量）是比较理想的主汽温度调节手段，但目前改变烟气热量是控制再热蒸汽温度的重要手段。因此，尽管喷水减温的控制特性不理想（大迟延、大惯性、非线性），但由于结构简单、调温能力强和易于实现自动化，目前被广泛应用于过热蒸汽温度的控制。3 过热蒸汽汽温控制方案串级PID控制是目前火电厂中主汽温控制中采用最多的控制策略，同时串级控制具备如下特点： （1） 对二次干扰有很强的克服能力； （2） 能够改善被控对象的动态特性，提高系统的工作频率； （3） 对负

8、载或操作条件的变化有一定的自适应能力。3.1 过热气温串级控制系统 3.1.1 串级控制的结构方框图：3.1 过热气温串级控制系统3.2过热气温串级控制系统的结构和原理针对过热气温调节对象调节通道惯性迟延大、被调量出口气温反馈慢的特点, 从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号( 喷水减温器出口气温) 作为调节器的补充反馈信号, 以改善对象调节通道的动态特性, 提高调节质量。构成的串级过热气温调节的工艺流程。 系统中有主副两个调节器, 主调节器接受被调量出口气温1及其给定值信号, 主调的输出与喷水减温器出口气温2 共同作为副调节器输入, 副调节器输出控

9、制执行机构位移, 从而控制减温水调节阀门的开度。主环是一个定值控制系统；而副控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。前馈控制器将变送器传送过来的蒸汽流量信号补偿后传到副调节器，以此消除干扰，由此组成一个串级前馈复合控制系统。对于系统内部干扰，副控制器首先进行“粗调”，主控制器再进一步进行“细调”，同时前馈静态补偿器用以消除外部干扰。3.3控制器控制规律的选择串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调作用，因此副控制器采用P控制器;主控制器的作用是对主汽温起细调作用，因此采用PI控制器。4 选择测点和调节机

10、构,作控制系统工艺流程图4.1 测点主要测量量包括减温器前的减温水流量W，外扰动过热蒸汽流量D，减温器和过热器之间的蒸汽温度2，出口蒸汽温度1。4.2调节阀的选择在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。调节阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产工艺设备的安全，不至发生事故；保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而

11、恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；尽可能的降低原料、产品、动力损耗；从介质的特点考虑。综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。4.3系统工艺流程图图6 串级过热汽温调节系统工艺流程图5 控制系统SAMA 图5.1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

12、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。5.2调节器作用方向 对于串级控制系统，因为有两个回路，应先判断内回路的正反作用，然后再判断外回路的正反作用。为了使副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负”。在本设计中随着调节阀的开度增加，减温水量增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负”，所以负调节器的控制作用应为正作用(PV-SP) 。内回路部分可以最终等效为正对象，由于1到2之间

13、为过热器(1 升高时2必然升高)，属于正对象。两部分串联后仍为正对象，因此主调节器须采用反作用( SP-PV) 。5.3 SAMA图图7 控制系统的SAMA图6 仿真实验与整定6.1被控对象本次课程设计被控对象是以600MW汽包锅炉过热蒸汽温度为被控对象，其对象的模型如下：惰性区导前区图8被控对象特性图中：W 喷水流量；1、2惰性区温度、导前区温度D 主蒸汽流量6.2系统仿真（采用逐步逼近法整定参数）各函数参数设置（采用零极点的形式）（1） 串级仿真图的建立图8串级过热气温调节系仿真图（2） 内回路参数第一次整定断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。建立如下图所示的仿

14、真图。图9内回路参数第一次整定仿真图调节内回路PID的P值，最后得第一个波峰y1=1.493 ，第二个波峰y2=1.123因此得衰减率为75%。此时，P= -11.60。图10第一次内回路阶跃响应曲线（3）外回路参数第一次整定将整定好的副环加入主环，按照单回路整定法整定主调节器参数，仿真图同图8。先调节外回路PID的P值，使得衰减率为75%。再调节I值，使稳态值为1。此时，P= 0.504，I=0.001。图11第一次外回路阶跃响应曲线（4）内回路参数第二次整定主，副回路都闭合，仿真图如下图12内回路参数第二次整定仿真图调节内回路PID的P值，最后得第一个波峰y1=0.686 ，第二个波峰y2

15、=0.568因此得衰减率为75%。此时，P= -7.50。图13第二次内回路阶跃响应曲线（5）外回路参数第二次整定仿真图同图8，衰减率为75%时，第一个波峰y1=1.110 ，第二个波峰y2=1.027，参数无需调整图14第二次外回路阶跃响应曲线所以最终的主调节器参数为P=0.504，I=0.001；副调节器参数为P=-7.50。（6）加上流量扰动后：使用前馈控制：前馈控制是基于不变性原理的控制，是一种按扰动进行补偿的开环控制，不影响系统的稳定性。其原理图如下：由于补偿器不能是超前环节，所以针对本系统设计的补偿器表达式为：参数设置为：得到响应曲线如图 由上图可知，该串级控制回路在引入了前馈时能够有效的克服内扰和外扰叠加对控制系统的影响，使控制品质得到保证，该串级控制设计合理因此，本文对文献3中的被控对象采用了PIDPID串级控制，其中副回路用P调节，主回路用PI调节三、课程设计总结 本次课程设计主要对600MW机组主汽温的对象进行控制系统的设计，在设计过程中主要完成了被控对象动态特性分析，根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；同时，根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制出了控制系统工艺流程图（PID图），完成控制系统SAMA图；最后还对所设计的系统进行仿真试验并进行系统