汽温控制系统

1、1蒸汽温度控制系统设计1.1控制系统任务保证机组的安全经济运行，要求主蒸汽温度为设定值。过热汽温调节的任务是维持过热 器出口蒸汽温度再允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超过允许的工作温度。过热 温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而过热温度的上限 不应超过额定值5。c。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济 运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值10。c。过热汽温的额定值通常在500。c以上。 1.2控制系统构成控制系统的构成，主要由被控对象过热器管道，执行机构执行器（电动喷水阀 门），检测变送组件一一热电偶或温度变送器，控制系统核心部

2、件一一调节器（电动控制器） 组成。其中，被调量（测量值）一一主汽温度，调节量（控制信号）一一喷水流量，干扰信 号一一炉膛燃烧情况。1.3控制系统结构框图1.4控制过程简要分析当主汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，系统处在动态平衡状态。此时，若 炉膛燃烧情况发生变化，使汽温上升，造成给定值和测量值产生偏差，则偏差信号经过控制 器的方向性判断及数学运算后，产生控制信号使喷水阀门以适当形式打开，喷水量增加。测 量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。2控制系统工作原理系统中有两个调节器，构成两个闭环回路。内回路祸福回路，包括控制对象、副参数变 送器、副调节器、执行器和喷水阀，它的任务是尽快

3、消除减水温度的干扰，在调节过程中起 初调作用；外回路或主回路，包括主对象、主参数变送器、主调节器、副回路，其作用是保 持过热器出口汽温等于给定值。主调节器接受被控量出口汽温以及给定值信号，主调的输出给定汽温与喷水减温器出口 汽温共同作为副调节器输入，副调节器输出汽温信号控制执行机构位移，从而控制减温水调 节阀门的张开闭合程度。当炉膛燃烧剧烈，过热器管道过热，有喷水量的自发性增加造成十 扰，如果不及时加以调节，出口温度将会降低，但因为喷水干扰引起的汽温降低快于出口汽 温的降低，温度测量变送器输出的汽温信号会降低，副调节器输出也降低，通过执行器使喷 水阀门开度减少，则喷水量降低，使扰动引起的汽温变

4、化波动很快消除，从而使主汽温基本 上不受影响。另外副调还受到主调输出的影响，当某种原因引起主汽温的增加，测量变送器 的输出回增加，并且它对主调是反作用，主调输出的给定信号也会降低，而且它对副调也是 反作用，使副调的输出量增加，通过执行器使喷水阀门的开度变大，使喷水量增加，从而稳 定主汽温度。图2-1汽温控制系统工作原理图3汽温控制对象的动态特性分析主要内容：（1）二级减温水扰动下主蒸气温度、二级减温器后导前汽温动态特性；（2）一级减温水扰动下二级减温器前蒸气温度、一级减温器后导前汽温动态特性；（3）摆动燃烧器倾角（或尾部烟道控制当板）时的再热蒸气温度动态特性；（4）再热器减温水扰动下的再热温度

5、动态特性。2、汽温控制对象动态特性的特点在各种扰动下（主蒸气流量、烟气量、减温水量），汽温控制对象动态特性的形状都一 样，并呈现以下三种特点：（1）延时性，可用延时时间T表示；（2）惯性，可用时间常数T表示；（3） 自平衡能力。C图3图31汽温控制对象的动态特性汽温控制对象动态特性可用以下传递函数来表示：(11)G （s (11)（1 + T X式中K一汽温控制对象的放大倍数T 汽温控制对象的时间常数；n对象传递函数的阶数。汽温控制对象动态特性也可用以下传递函数来表示：(12)厂（） K T G Is J = (12)（1 + T ）n式中K一汽温控制对象的放大倍数；T 汽温控制对象的放大倍数

6、；T C汽温控制对象的纯延时时间。式（11）、式（12）中的特性参数可以从图11所示的阶跃响应曲线上求取。可用特性参数来:表征汽温控制对象动态特性的好坏，:越大，控制对象越难以控制。4过热汽温控制方案常见的汽温控制方案有串级汽温调节系统和导前微分信号双回路汽温控制系统；并且使 用范围相当广泛。4.1串级汽温调节系统串级汽温调节系统具有两个闭环控制回路：由被调对象的导前区、导前汽温变送器Y 、 副调节器、执行器K和减温水调节阀组成内回路(或简称为副回路)；由被调对象的惰性区、 主汽温变送器Y、主调节器和内回路组成外回路(或简称为主回路)。串级汽温调节系统基1本控制框图如图。图41串级汽温调节系统

7、基本结构框图图中Y 主汽温变送器传递函数Y导前汽温变送器传递函数G &)惰性区对象传递函数G01 (s)导前区对象传递函数G2 (s)、G (s)主调、副调传递函数k h执行机构、调门传递函数导前汽温能够快速反映扰动，尤其是减温水的自发性扰动，副调节器根据导前汽温的变 化改变减温水量，对主汽温起粗调作用。主调节器则通过对副回路的校正，对主汽温起细调 作用，当主汽温偏离给定值时，主调输出校正信号，使副调不断调节减温水量，直到主汽温 量恢复到给定值为止。稳态时，导前汽温稳定在与原来不同的数值上，但主汽温一定等于给 定值。在串级汽温调节系统中，由于两个回路的任务及动态特性不同，可以选择不同的调节规

8、律。内回路及副调的作用是快速消除内扰，要求调节过程的持续时间较短，但不要求无差， 故副调也可选用纯比例调节；当导前区惯性较大时，也可选用比例微分调节。外回路及主调 的任务是维持主汽温恒定，一般选用比例积分调节；当过热器惰性区惰性较大时，也可选用 比例积分微分调节。4.2具有导前微分信号的双回路汽温调节系统与串级汽温调节系统一样，双回路汽温调节系统也具有两个闭环控制回路：由被控对象 的导前区、导前汽温变送器、微分模块、调节器、执行器和减温水调节阀组成副回路(或称 导前补偿回路)；由被控对象的惰性区、主汽温变送器和副回路组成主回路。双回路汽温调节 系统基本框图如图。图42双回路汽温调节系统结构框图

9、由于引入了导前微分信号，可以改善单回路的调节品质。由汽温被控对象的动态特性可 知，导前汽温可以提前反映扰动，取其微分信号引入调节器后，由于微分信号动态时不为零 而稳态时为零，所以动态时可使调节器的调节作用超前，稳态时可以使过热器出口汽温等于 给定值，从而改善调节品质。5系统动态数学模型5.1汽温控制对象特性参数的获取切线法：汽温控制对象动态特性传递函数式（11）、式（12）中的特性参数K、T、n、T、c可 以通过切线法从阶跃响应曲线上获取。 C（1）测定或估计阶跃响应曲线的最终稳态值，并 作 线的水平切线；（2）通过阶跃响应曲线上的拐点P作切线；（3）求出切线与的交点所对应的时间为c，切线与线

10、的交点所对应的时间为T ；c（4）由近似公式计算其他特性参数A9（13）（13）（14）（15）A W9R + 0.1 2n r 2 4 x2.9 3- R其中R R 8 p K= a 心 X 1 x 兀A W 9 k当n=16时，式（14）还可以简化为（16）+ 0.5 T Cn - 0.355.2+ 0.5 T Cn - 0.355.2控制系统的传递函数的求解串级汽温控制系统根据图12的串级控制系统结构框图和梅逊公式当N = 0时副回路传递函数G（S）（S控制系统传递函数 G） G * ）K K01 + G（S ）K K G G（S ）O（S ）G（S ）戚）=丹 / 、 ，、01/ 、1

11、 + G（S ）O（S ）GIs）pi 00191中（S ）=G S ）气七气气G S ）PI1 + GS）KKGS）011 + G G ） UK匕咎史G（S PI1 + GVS）KKG 02（S力 92 0191（17）（18）（19）（110）化简得（S ）=当N丰0时副回路传递函数G (S G(S)K K G (S G (S )TTGpiSKKGjSTGSGjSll(S )=0G 02(S )1 + G(S、. G(S )K K控制系统传递函数中（S ）=中（S）G（S）1 + 0（S、G01 （S、G（S ）O(S )=(S )y 02 G (S )K K G 01B22、Z IG(S

12、 )G(S)/GIs )(S )0201十 1PI1 + G(S、G(S )K K(114 )叠加简化G(S G (S()0201中=1 + Gp &)Kz%G02)如2 + Gpi(5G01 将式（111）和式G pi(S)G p(S)KZK p + 1-61(111 )(112)(113)(114)(115)6系统的稳定性分析给定汽温控制系统设计的参考数据，并由此进行系统稳定性分析。/1 + 一；I E设：主调传递函数G (S )=51PI副调传递函数 G (S )= p 5 2主汽温变送器传递函数Yq01导前汽温变送器传递函数y = 1 ；“021.27惰性区对象传递函数G VS )=厂

13、；01(40 s + 1)41(15 s + 1；导前区对象传递函数 G02 (S )=-执行机构、调门传递函数 并另参数 5=5 = 0.8 此时，控制系统传递函数Kz = 10，= 1 ；孔=100G(S G (S)K K +1PI P Z 日可得G(S 虹(S )()0201_中=1 + Gp。)亳.G 02。) 2 + Gpi。)g 01。加-M)2078 .2s + 20(40 s + 1)4 (15 s + 1)2 + 12.5(40 s + 1)4 + 19.53 (100 s + 1)该系统的特征方程根据劳思判据1 + (40s + 1 )4。5 s +1 )2 + 12.5

14、(40 s+ 1 )4 + 19.53 (S 64.41 x 10 81.38 x 1071.63 x 10 4S 51.19 x 10 81.12 x 10 62.12 x 10 3S 49.96 x 1068.89 x 10 323S 32.26 x 10 52.82 x 10 3S 22.10 x 10 323S17.24 x 10 2S 0230。+ 1 )= 0(116)(117)23可以得出结论：此系统的稳定性设计良好，即系统具有良好的稳定性。0.05 -0.01图0.05 -0.01图6-1在内扰下的响应曲线系统的最大偏差：5 % = 0.048系统的峰值时间：t = 0.2s

15、r调节时间：t = 0.6s所以控制系统具有良好的稳态性能，即系统的稳定性和快速性可以兼顾，达到理想的状态。7汽温控制系统校正方案以串级控制系统为例采用串级控制系统的汽温控制系统的主调节器会出现过积分饱和，时间越长积分饱和的 程度越严重，直至受到调节器限幅的限制。当输入偏差信号翻转时，调节系统需要较长时间 才能推出饱和区，不能立即进入调节状态。饱和积分的存在将严重影响调节系统的调节时间， 降低调节品质。出现过积分饱和的原因是主调节器有积分作用，只要偏差存在，调节器的输出就会不断 增加（或减少），试图去克服偏差，但系统已不具有这种能力。图71用外部反馈模式防止积分饱和减少或消除这种过积分饱和对控

16、制系统的影响，主调可采用“外部反馈”对系统进行校 正。如图所示，可将副调的反馈量引入主调，取消微分作用和前馈作用。按图所示的方法联 结成串级系统，主调设为“外部反馈”模式，副调设为“内部反馈”模式。正常工作时，副 调输入偏差接近或等于零，y ，主调实现的是“比例+积分”调节，当副调输出到达上、 下限值以后，若系统继续工作在极端情况，y将不再受的控制而成为独立变量，主调的积 分作用被自然断开，尽管主调输入长期存在向向偏差，但2输出u却不会再因为积分而趋于饱 和。当主调输入等于设定值时，主调输出即与副调输入一致。1总结本次自动控制课程设计就锅炉汽温控制系统进行了初步的设计，由于所学理论知识不是 十

17、分全面，也许设计的方案存在不足之处，下面针对以上的设计总结如下：（1）此次热电厂锅炉系统的汽温控制系统，实现了被控对象，即过热器管道的出口温 度跟随给定值的能力设计。（2）系统设计应用了两个调节器进行主、副调节，主汽温变送器和导前汽温变送器作 为检测变送组件，执行器由电动喷水阀门构成，根据被测量主汽温度调节喷水量，使主 汽温度在给定值范围稳定。（3）汽温控制系统采取了串级汽温调节系统和导前微分信号双回路汽温控制系统方 案，即利用主、副两个回路对被控对象进行控制，提高了系统稳定性和控制的及时性和 准确性。（4）在汽温控制系统中，主要选取了 “外部反馈”校正，使控制系统在工作时的动态、 稳态性能处

18、于最佳状态。体会经过一学期的努力学习，我们迎来了自动控制原理的课程设计。这次课程设计中我们每 个人都很努力。从最初的选题、经过研究发现题目的问题找老师解决，到再选题，再设计。 再这一系列过程中我学到了很多东西，我自己通过查阅相关资料，然后一步步建立系统中每 个环节的传递函数，然后得到整个系统的传递函数。这次课程设计，我了解到自动控制的每个环节，能够联系实际的问题通过理论的方法解 决，让我在分析问题的能力上大大提高。同时也增强了对自动控制的了解。能够更好的理解 和解决自动控制问题。通过一个礼拜的自控原理实践，我深深地感到自己自控原理学的如此的模糊，对于书上 的知识只知其一，不知其二。现实和理论存在的差距真的很大，还有一个原因就是我们学以 不能致用，书上给的是理论，而我们脑中有的也只局限于书上的东西，但是至于应用方面我 们还是不够熟练。耐心和怀疑精神也是我们这个慢动作实验很重要的要求。比如说我们对于 老师或是书上给的东西要持批判的精神来研究。我们应该具备开放性思维，从里到外的所有 的知