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《过程控制工程》课程设计指导书“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。
通过实际题目、控制方案的选择、工程图纸的绘制等基础设计和设计的学习，培养学生理论与实践相结合能力、工程设计能力、创新能力，完成工程师基本技能训练。
一、过程控制系统设计及其主要内容过程控制系统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和工程实现方法。
设计分为两个阶段：（一）设计前期工作主要内容：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．确定自动化水平，包括确定自动控制范围、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。
（二）设计工作主要内容：1．根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，完成控制系统原理图；2．根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，完成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，并进行调节器参数整定；5．编写设计说明书：（1）提出控制系统的基本任务和要求；（2）被控对象动态特性分析；（3）选择控制系统控制结构，画控制原理图；（4）选择测点和调节机构画控制系统工艺流程图；（5）选择控制仪表，画SAMA图（标出调节器作用方向）；（6）根据控制原理图，进行控制系统仿真实验，控制器参数整定；（7）设计总结。
二、绘制设计图（一）系统控制原理图控制原理图应反映控制系统的结构。
（二）管道及仪表流程（PID）（工艺控制流程图）管道仪表流程图画法规定1．管道及仪表流程图适用于生产工艺装置，是用图示的方法把工艺流程所需的全部设备、机器、管道及管件和仪表表示出来。
它是设计和施工的依据，也是运行和检修的指南。
2．管道及仪表流程图安装比例。
1）一般设备（机器）图只取相对比例。
2）实际尺寸大设备（机器），适用缩小。
利用DCS的过热汽温系统控制系统设计一、集散控制系统分析集散控制系统是以微处理器为基础的集中分散控制系统。
自70年代中期第一套集散控制系统问世以来，集散控制系统己经在工业控制领域得到广泛的应用，越来越多的仪表和控制工程师已经认识到集散控制系统必将成为过程工业自动控制的主流。
集散控制系统的主要特性是它的集中管理和分散控制，而且，随着计算机技术的发展，网络技术己经使集散控制系统不仅主要用于分散控制，而且向着集成管理的方向发展。
系统的开放不仅使不同制造厂商的集散控制系统产品可以互相连接，而且使得它们可以方便地进行数据交换。
DCS集散式温度控制系统图二、DCS系统主要技术指标调研（1）操作员站及工程师站：CPU PⅢ850以上内存128M以上硬盘40G以上软驱 1.44M以太网卡INTEL 100M×2块加密锁组态王加密锁鼠标轨迹球键盘工业薄膜键盘显示器21寸显示器分辨率1280×1024过程控制站：CPU PⅢ850以上内存128M以上硬盘40G以上电子盘8M以上软驱 1.44M以太网卡INTEL 100M×1块串行通讯卡485卡×1块（可选）（2）I/O站技术指标1）EF4000网络EF-4000网络是多主站、双冗余高速网络，通信波特率为312.5K和1.25M可编程；EF4000网络配合EF4000系列测控站（前端），可以完成工业现场各类信号的采集、处理和各类现场对象的控制任务。
EF4000网络的主要技术指标如下：挂网主站数≤31挂网模块数≤100（不带网络中继器），最多240通讯速率 1.25MBPS和312.5KBPS可编程基本传输距离 1.2MBPS时≥500m，312.5KBPS时≥1600m允许中继级数≤4级双网冗余具备两个通信口互为冗余的功能网络通讯方式半双工同步传输介质聚乙稀双绞线网络隔离度≥500Vrms通信物理层全隔离、全浮空、平衡差动传输方式有效传输字节不小于34K字节/S（1.25MBPS通讯速率）2）通讯网卡主要技术参数型号EF-4000网络─ EF4001安装方式计算机PC总线扩展插槽插卡安装尺寸160×75mm宿主计算机具有AT插槽的IBM-PC及其兼容机I/O地址硬件任选100、120、140、160、180、1A0、1C0七种中断向量软件任意设定IRQ3、5、7、10、11、12、15或不使用耗电不大于1W工作方式连续可靠性指标MTBF80000Hr运行环境温度0～60C°，相对湿度≤80%3）模拟量输入前端模块型号EF4101输入通道数16路通道隔离电压400V（峰—峰值）网络隔离度≥500Vrms通道采样时间80mSA/D分辨率17位测量精度〈0.2%被测信号类型T/C、RTD、mV、mA4）模拟量输出前端模块型号EF4601输出通道数6路（全隔离）通道隔离电压500V网络隔离度≥500Vrms电压输出范围-10V ~ +10V电流输出范围0 ~ 20 mA控制精度0.2级5）数字量输入前端模块型号EF4201输入通道数28路通道隔离电压350V网络隔离度≥500Vrms计数速率≤500次/秒（低频通道）计数速率≤8000次/秒（高频通道）事件分辨率1mS（低频通道）计数长度24位（三字节）测频范围0 Hz ~ 8000 Hz（高频通道）6）数字量输出前端模块型号EF4203输出通道数16路（EF4203）通道隔离电压350V网络隔离度≥500Vrms结点开关电流≤100 mA结点开关电压≤350 V结点隔离电压≤350 V结点闭合时间≤0.6 mS结点断开时间≤0.15 ms7）执行器脉冲控制单元输出结点电压≤380 V输出结点电流≤5A系统网络采用国际上通用的Ethernet 网，通信速率为100Mbps，遵循IEEE 802.3协议。
气温调整原则蒸汽温度的调整应以烟气侧为主，蒸汽侧为辅。
烟气侧的调整主要是改变火焰中心的位置和流过过热器和再热器的烟气量，蒸汽侧的调整，是根据蒸汽温度的变化情况适当调整相应减温器的减温水量，达到调整蒸汽温度的目的，再热汽温应以烟气侧进行调整，以提高机组的经济性，再热器系统喷水减温只做辅助调整。
正常运行时维持锅炉侧主再汽温为538±5℃之间，主再热汽温偏差≯14℃，最大≯28℃。
若锅炉主再热汽温≥550℃时，减温水调整无效时，必要时应立即停止上层磨机运行，以降低汽温当气温达到550°且仍有上升趋势时，应报机组长，值长，加大调整幅度，促使气温恢复至正常值。
当汽温达到547—557°范围内，运行不能超过15min。
主再热汽温达到565°运行15min仍不能恢复至正常值或仍上升时，应立即打闸停机。
汽温降至530°时，应及时调整，机组满负荷时，降510°应减负荷运行，在减负荷过程中如有回升趋势应停止减负荷，汽温每降低1°减负荷5mw，450°负荷应减到0，降至430°仍不能恢复时应打闸停机。
正常运行时过热汽温，再热汽温调整应由自动装置完成，自动投入时加强监视。
发现异常，事故时及时解列自动，手动调节汽温。
过热器和再热器喷水管路中闭锁阀是用于喷水不流入汽轮机，以免损坏汽轮机的叶片，当锅炉主燃料切断MFT时，降闭锁阀关闭。
锅炉负荷小于20%B−MCR时，降闭锁阀关闭当喷水调整阀开度不大于5%时，才能将闭锁阀开启主再热汽温最高不允许超过546°，546—552°一年累计不超过400小时，主再热汽温不允许在15min内由额定汽温升至566°或下降至510°，否则停机，超过566°一年累计不超过80小时，15min内快速波动一年不超过80小时。
主再热主气门前温差达42°，最多可运行15min，否则应停机且4小时内部能发生两次。
课程设计说明书题 目： 300MW 单元机组过热汽温控制系统设计 学生姓名： 任强 学 院： 能动学院 班 级： 能环10-3 指导教师： 施永红2014年 1 月 7 日学校代码： 10128 学 号： 201030307019内蒙古工业大学课程设计（论文）任务书课程名称：热工控制系统专业课程设计 学院： 能动学院 班级： 能环10-3 学生姓名： 任强 _ 学号： 201030307019 _ 指导教师：施永红、王胜捷一、题目300MW 单元机组过热汽温控制系统设计二、目的与意义本设计是针对“热工控制系统”课程开设的课程设计，是培养学生综合运用所学理论知识分析问题、解决问题的一个重要的教学环节。
通过本课程设计，使学生能更好的掌握热工控制系统的组成、控制方式和控制过程，使学生得到一次较全面、系统的独立工作能力的培养。
三、要求 已知条件：（1）串级过热汽温控制系统方框图如图1-1所示，系统中各环节的传递函数为：图1-1221()T W s d =；11111()(1)T i W s T sd =+；0010259()()()(/)(118.4)W s W s W s C V s °==+； 0228()(/)(123)W s C V s °=+； 120.1(/)V C q q g g °==；1z K K m ==（2）300MW 单元机组过热蒸汽流程：汽包所产生的饱和蒸汽先流经低温对流过热器进10θ2θ 1θ)(1s W T )(2s W T z KμK)(02s W )(01s W2θγ1θγK µ行低温过热，然后依次流经前屏过热器、后屏过热器和高温过热器后送入汽轮机。
屏式过热器和高温对流过热器均为左、右两侧对称布置。
在前屏过热器、后屏过热器和高温对流过热器的入口分别装设了Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级喷水减温器，其中Ⅲ级喷水减温器是左、右两侧对称布置。
主要内容：1、根据图1-1及已知的传递函数完成串级汽温控制系统主、副调节器的参数整定。
主汽温控制系统的MCP-PID控制王燕;杨平【摘要】针对电站锅炉主汽温常规控制品质不佳的问题,研究了主汽温MCP-PID 控制案例.研究结果表明:MCP-PID控制器设计计算虽然和常规PID一样简单,但是控制品质已有较大的提升;当过程参数在设计条件下时,MCP-PID控制无超调,调整时间短且过程扰动抑制效果好;当过程参数在非设计条件下时,MCP-PID可以允许的过程参数变化区间宽度远比常规PID的允许变化区间宽度要宽得多.因此,MCP-PID控制器更值得推荐用于电厂主蒸汽温度控制以及类似的其他领域过程控制.【期刊名称】《石油化工自动化》【年(卷),期】2014(050)005【总页数】4页(P34-37)【关键词】主汽温系统;串级控制;MCP-PID控制;鲁棒性【作者】王燕;杨平【作者单位】上海电力学院自动化工程学院,上海200090;上海电力学院自动化工程学院,上海200090【正文语种】中文【中图分类】TP273火电厂锅炉过热汽温(主蒸汽温度)对火电厂安全经济运行有着重要影响。
传统的火电厂主蒸汽温度控制系统大多采用常规的PID串级控制策略。
但是，主蒸汽温度对象由于过热器管道长度和蒸汽容积较大，具有大迟延和大惯性。
由于模型参数的不确定性以及环境变化、元件老化等问题，主蒸汽温度对象还具有非线性和时变性的特点，因而采用常规的控制一般很难取得满意的控制品质。
为此，人们对于主蒸汽温度控制策略已经进行了很多研究，如文献[1]中的前馈串级控制；文献[2]中的改进的γ_SGPC算法控制；文献[3]中的Smith预估补偿控制等[4-5]；文献[6]提出了一种新的标准传递函数，多容惯性MCP(Multiple Capacity Process)标准传递函数；文献[7]证实了MCP标准传递函数具有无超调、不限系统阶数和不限系统型次的优良特性；文献[8]提出了基于MCP标准传递函数的PID控制器——MCP-PID控制器，该新型控制器具有超调量小和鲁棒性高的优点。
课程设计报告 (2013—2014年度第 一 学期)
名 称： 过程控制课程设计 题 目：火电厂主汽温度控制系统设计 院 系： 自动化 班 级： 设计周数： 1 周
姓名 学号 分工 成绩 成员
查找资料，绘制系统sama图。 查找资料，仿真试验。 查找资料，撰写实验报告。
日期： 2014 年1月2日 《过程控制》课程设计报告 1 《过程控制》课程设计
任 务 书 一、 目的与要求 “过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 二、 主要内容 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．编写设计说明书。 三、 进度计划 序号 设计(实验)内容 完成时间 备注 1 下达任务，查找资料 周一、周二 2 制定控制方案，绘制控制系统SAMA图 周二、周三 3 仿真试验、撰写设计说明 周三、周四 4 答辩 周五 四、 设计（实验）成果要求 1． 绘制所设计热工控制系统的SAMA图； 2． 根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线； 3． 撰写设计报告 五、 考核方式 提交设计报告及答辩
学生姓名： 指导教师： 年 月 日 《过程控制》课程设计报告 2 一、课程设计目的与要求
1． 通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。 掌握汇编语言程序设计的基本方法和典型接口电路的基本设计方法。 2． 掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。 2.1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）确定自动化水平。包括确定自动控制范围、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。 2.2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）编写设计说明书。 3． 培养学生对过程控制系统的基本设计能力。 4． 提高学生的实践动手能力和创新能力。 二、课程设计正文
1. 被控对象动静态特性分析 1．1影响过热蒸汽温度的因素 影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种： （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。 1．2过热汽温控制对象的静态特性分析 根据传热方式分：过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式过热器三种。 对于不同的过热器，蒸汽流量对蒸汽温度的影响如下图： 《过程控制》课程设计报告
3 图1 蒸汽流量对过热器温度的影响 1．3过热汽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之间的传热条件，导致汽温的变化。如图，在st0时刻产生蒸汽流量扰动D下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，所以温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。
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，吸风量，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是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在10~20s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰的汽温响应曲线如下图所示。
图3 烟气侧扰动的汽温响应曲线 《过程控制》课程设计报告
4 （3）减温水流量扰动下动态特性 应用喷水来控制蒸汽温度是目前最广泛采用的一种方式，对于这种控制方式，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是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，最终引起出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大延迟，减温器离过热器出口越运，延迟越大，其响应曲线如下图。喷水量振动响应曲线具有惯性，有迟延，有自平衡性。其迟延与管道长度成正比，一般锅炉延迟在30~60s。
图4 减温水流量扰动下的汽温响应曲线 2. 主汽温控制方案 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。 2.1 串级控制系统控制结构图 串级控制的结构方框图如下：
图5 串级控制结构方框图 2.2 工艺流程图 以某300MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示：
0t
θTc
τ
0t
-WB
ΔWB
主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器
--
二次扰动主汽流量主蒸汽温
度设定值《过程控制》课程设计报告
5 减温水调节调
省煤器给水调节机构
低温过热器
主蒸汽温度高温过热器喷水减温器
汽包
Ⅰ级喷水WB1Ⅱ级喷水WB2Ⅲ级喷水WB3
θ1
θ2θ2θ3θ3θ4θ4θ5θ5θ6θ6
低温对流过热器
Ⅰ级减温器Ⅱ级减温器Ⅲ级减温器至汽轮机前屏过热器后屏过热器高温对流过热器
主蒸汽
图6 300MW机组过热蒸汽生产流程简图
图7 300MW机组过热蒸汽流程图 《过程控制》课程设计报告
6 图8串级汽温系统控制原理图 2.3 控制系统SAMA图
图9 控制系统SAMA图 3. 仿真实验与整定 3.1被控对象特性介绍 本次课程根据文献3中300MW机组主汽温的对象为被控对象，其对象模型如下：
图10 被控对象特性 图中： 201)201(657.1(s)Ws，70212712021s).(.(s)W
3.2系统仿真
Wo1(s)Wo2(s)导前区惰性区Wθ
Θ1
Θ2
IA01《过程控制》课程设计报告
7 针对上述的被控对象，本文采用的是常规PID串级控制，其控制原理图在图5中进行了分析。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PI控制器。 （1）仿真图的建立
图11 仿真结构图 （2）内回路参数整定 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真图。
图12内回路衰减曲线法整定仿真图 整定的步骤： (1) 断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯P作用。 (2) 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=5.9时得到控制输出曲线。 《过程控制》课程设计报告 8 图13 内回路整定输出曲线1 此时的衰减率为82.5%左右。 （3）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14 外回路衰减曲线法整定仿真图 整定的步骤： 1）闭合主回路，整定外回路。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。得出P=1.4 I=0.075 σ=19.2% ψ＝76.13%
