过程控制课设报告课程设计报告(2015—2016年度第二学期)名称：过程控制课程设计题目：电厂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：姓名：学号：指导老师：张建华老师设计周数： 1 周日期：2016年6月24日设计正文：1．控制系统的基本任务和要求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，使其管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下降，以致烧坏过热器的高温段，严重影响安全。
一般规定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值+5℃。
如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，汽温每降低5℃，热经济性将下降约1%；且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。
所以，过热蒸汽温度过高或过低都是生产过程所不允许的。
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。
本次课程设计以600MW超临界直流锅炉主汽温控制系统为例：某电厂600MW 汽包锅炉过热蒸汽温度是通过喷水减温来实现对温度的自动调节。
已知该系统减温水流量W和过热蒸汽流量D可通过加装流量计进行检测，电动调节阀的开度可根据控制器输出值自动调整。
其动态特性如下：设计相应的自动控制系统保证过热蒸汽温度为给定值，即该系统既能消除来自减温水及燃烧侧等内扰的影响，又能完全消除来自过热蒸汽流量D变化等外部扰动对过热蒸汽温度的影响。
2．被控对象动态特性分析（1)、影响过热蒸汽温度的因素：①蒸汽流量（负荷）扰动；②烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）；③减温水流量扰动。
（2）、过热气温控制对象的动态特性分析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1，在t=0s时刻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1 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）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2。
图2 烟气侧扰动的气温响应曲线③减温水流量扰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θ的变化。
因此，θ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3。
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3 减温水流量扰动下的气温响应曲线3．选择控制系统控制结构，画控制原理图（1）、系统控制结构的选择通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。
目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。
通过对这些控制方案的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比较大时更为明显。
因此，本次课程设计采用串级控制。
（2）、过热气温串级控制系统原理图图4 串级控制结构方框图4．选择测点和调节机构，画控制系统工艺流程图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见图5。
图5 串级过热汽温调节系统工艺流程图系统中有主副两个调节器, 主调节器接受被调量出口气温θ1及其给定值信号, 主调的输出I给与喷水减温器出口气温θ1 共同作为副调节器输入, 副调节器输出IT 控制执行机构位移, 从而控制减温水调节阀门的开度。
假如有喷水量WB 的自发性上升造成内扰, 如果不及时加以调节,出口气温θ将会下降。
但因为喷水内扰引起的θ1下降快于θ的下降, 温度测量变送器输出θ1降低, 副调节器输出IT 降低, 通过执行器使喷水阀开度μ下降, 则WB 降低, 使扰动引起的θ1波动很快消除, 从而使主气温θ基本不受影响。
另外副调还受到主调输出的影响, 假如负荷或烟气扰动引起主气温θ提高, 测量变送器输出Iθ增加, Iθ对主调是反作用, 主调输出I 给降低, I给对副调也是反作用, 使副调输出IT 增加, 通过执行器使喷水阀开度μ提高, 则WB 提高, 从而稳定主气温θ。
从图5中可看到, 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θ1) 、副参数θ1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θ1, 输出为θ) 、主参数θ测量变送器、主调节器、副回路, 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。
5．选择控制仪表，画SAMA图(标出调节器作用方向)图6 控制系统的SAMA图图7 控制系统逻辑图为开关量输出，在操作器上则操作器的“程控手动”输入为一差值报警，当被调量与给定值之差超过某一设定的限值（上下限）时，给出报警信号也是一个差值报警，当调节器输出与阀位反馈值（执行器输出）之差过大时，发出报警信号为开关量输出，在操作器上则是操作器的“程控自动”输入为一个开关量，它表示操作器“自动/手动”状态，当它为“0”时，表示操作器处于手动状态，调节器为跟踪状态，输出到执行器的信号由操作器控制。
当它为“1”时，表示操作器处于自动状态。
是一个外跟踪开关。
当这个开关量状态为“1”时，PID为跟踪状态，输出等于外跟踪信号（阀位反馈），而其状态为“0”时，PID恢复正常运算，输出就是运算得到值。
6．仿真实验与整定（1）、系统仿真针对上述的被控对象，采用常规PID串级控制。
在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，对主汽温起粗调的作用，因此副控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽温起细调作用，因此采用的是PID控制器（2）、仿真图的建立图8 仿真结构图（3）、内回路参数整定断开主环，按单回路整定方法整定，采用衰减曲线法进行整定。
建立如下图所示的仿真图。
图9 内回路的整定仿真图整定步骤：a断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。
副调节器，纯P作用。
b反复调整比例带 ，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.75～0.9，记录曲线。
调整控制参数：当P=-8.4815时得到控制输出曲线图10 内回路整定输出曲线由图可见：第一个峰值：y1=1.4第二个峰值：y2=1.05稳态值：y=0.947×100%=0.77；那么可得ψ=y1−y2y1−y此处副回路选择P控制（4）外回路参数整定：把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。
建立如下所示的仿真图：图11 外回路衰减曲线法整定仿真图整定步骤：a 闭合主回路，整定外回路。
b 反复调整主调节器比例带 和积分时间I，直到衰减率ψ＝0.76记录曲线。
调整控制参数：当P=0.5529，I=0.00149，D=30.5906时得到控制输出曲线图12 外回路整定输出曲线由图可见：第一个峰值：y1=1.17第二个峰值：y2=1.04稳态值：y=1×100%=0.76；那么可得ψ=y1−y2y1−y由上图可以看出，外环的控制输出曲线在没有外绕和内扰的情况下，输出曲线超调量较小，调节时间小，曲线光滑，控制效果良好。
（5）、存在外扰时搭建如下图所示的仿真图：图13 主汽温控制抗外扰测试仿真图得到控制输出曲线：图14 主汽温在外扰存在时控制输出曲线由图可见，该控制系统的抗外扰能力并不强，扰动发生时，超调量过大，这是在实际运行中不允许发生的。
（6）、改进方案：由前面的抗扰动测试中可以看出，控制系统抗外扰能力较弱，响应曲线的超调量过大，针对这一问题，可以引入前馈控制。
完全补偿条件为G ff(s)=− G d(s) K z(s)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：G ff(s)=−2.6(58s+1)3(45s+1)3因采用此前馈补偿器时，可完全消除外扰，导致仿真效果对比不明显，因此在实际仿真中采用的补偿表达式为 G ff(s)=−2.5(58s+1)3(45s+1)3前馈控制仿真图如下图15 控制系统前馈控制的仿真图得到系统的抗外扰输出曲线：图16 引入前馈时控制系统抗外扰测试输出曲线由图可以看出，在外扰情况下，系统的抗干扰能力明显增强，超调量大大减小，控制品质较高，符合了实际电厂主汽温控制的要求。
所以该串级控制回路在引入了前馈时能够有效的克服外扰对控制系统的影响，使控制品质得到保证，该串级控制设计合理。
7、课程设计总结本次课程设计过程中主要完成了被控对象分析，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，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整定并进行了分析。
我认为本次课程设计的难点在于对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定并进行分析。
因为在整定过程中电路结构的搭建比较容易出错，而且寻找合适的PID参数需要足够的耐心，但通过不断的实践我从中学习到了很多好的方法，这也是我的收获之一。
