2020年重庆大学创新实验：600MW超临界火电机组过热汽温串级控制精编版

动力工程学院本科生创新实验报告题目：600MW超临界火电机组过热汽温控制学号：2011班级：核工程与核技术02姓名：教师：王广军动力工程学院中心实验室2014年12月某600MW 超临界火电机组过热汽温串级控制1 实验背景PID 控制由于结构简单、稳定性好、可靠性高，在工业控制中得到广泛的应 用，一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。

这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。

和其他简单的控制运算不同，PID 控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。

对于PID 控制器，其参数有P 、I 和D ，PID 控制器的传递函数可写作11(1)p d i K T s T s++ 其中k P 为放大倍数，T i 为积分时间，T d 为微分时间，积分时间和微分时间所在项称为积分时间项和微分时间项。

放大倍数越小，过渡过程越平稳，但余差越大。

放大倍数越大，过渡过程容易发生振荡。

积分时间越小，消除余差就越快,但系统振荡会较大，积分时间越大，系统消除余差的速度较慢。

微分时间太大，系统振荡次数增加，调节时间增加，微分太小，系统调节缓慢。

2 控制对象某600MW 超临界压力锅炉高温过热器汽温对象，动态过程数学模型见表2.1，其中输入为喷水流量的变化（kg/s ），输出为主蒸汽温度的变化（℃)。

使用MATLATB 的SIMULINK 仿真工具箱整定控制器参数对其进行仿真研究。

2.1 控制系统框图过热器气温控制系统有两种控制方案，串级控制和微分控制。

本实验选择串级控制作为过热器汽温的控制方案。

串级控制系统的方框图如图2.1所示。

W H1(s)和W H2(s)均取为1，主调节器W a2（s ）取PID 环节，待整定参数为P 、I 、D ，副调节器W a1（s ）取P 环节，待整定参数P 。

调节对象中间点参数y a 以前的部分，称为调节对象的导前区，y a 以后的部分称为调节对象的惰性区，图中W o1（s ）为导前区，W o2（s ）为惰性区。

图2.1 过热汽温串级控制系统框图2.2 串级控制基本原理从热工自动控制系统来看，串级系统有两类：1)要求ya ，y1均等与给定值，对于这种情况，ya 只能由生产过程要求确定，而主、副调节器均应选择PI ，以使稳态时，ya ，y1 均等于给定值，y=ya ；2）y1等于给定值，ya 不加限制。

如汽温调节系统，其中ya 选择的原则有：1）能提前反应较多的扰动；2）能测量副调节器：选P 或PD ,以尽快消除内回路扰动；主调节器：选PI 或PID 。

2.3 系统整定方案选择控制系统整定方案主要有两种，双回路法和补偿法。

副回路快速随动，即副回路的响应频率较高时，可使用双回路法整定，依次整定主、副回路。

主、副回路的响应频率接近，或者说动作快慢差不多时，选用补偿法整定。

本实验使用双回路法整定各调节器参数，假设副回路响应频率较高， 副回路快速随动，故可将副回路等效为21(s)H W ，此时用单回路整定方法，整定此时的等效主回路，如图 2.2所示，可确定P 、I 和D 。

图2.2等效主回路副回路此时等效为图2.3所示框图，可确定参数P 。

图2.3 等效副回路2.4 参数整定方法选择整定方法主调节器和副调节器的方法是选用衰减曲线法。

衰减曲线法的原理通过调整放大系数、积分时间和微分时间，得到合适的衰减比为4:1的响应曲线，从最终的响应曲线上得到最终的放大倍数Ks 和振荡周期Ts ，如图2.4。

由得到最终的放大倍数Ks 和振荡周期Ts ，根据表2.2的4：1衰减曲线法整定控制器参数经验公式，即可算出控制器的参数。

41T s图2.4 衰减曲线法基本原理图根据控制器的不同，整定的具体步骤即调整参数的方法略有不同，一般的调整步骤如下： 因为比例作用是基本的控制作用，因此，首先把比例度凑试好，待过渡过程已基本稳定，然后加积分作用消除余差，最后加入微分作用进一步提高控制质量，基本步骤如下：（A ）对P 控制器，将放大倍数放在较小的位置，逐渐增大p K ，观察被控量的过渡过程曲线，直到曲线满意为止；（B ）对PI 控制器，先置i T 项为零，按纯比例作用整定放大倍数p K 使之达到4：1衰减曲线；然后将p K 缩小（10～20％），将积分时间i T 由大到小逐步加入，直到获得4：1衰减过程；（C ）对PID 控制器，令0d T ，先按PI 控制器整定方法整定p K ，i T 参数；然后将放大倍数p K 增大到比原值大（10～20％）位置，i T 也适当减小之后；再把d T 由小到大逐步加入，观察过渡曲线，直到获得满意的过渡过程。

3 控制过程仿真3.1 100%负荷 3.1.1 整定副回路根据双回路简化原则，简化后的主回路如图3.1所示。

按照衰减曲线法调整放大倍数，并仿真运行，仿真结果如下图所示。

从仿真结果来看，当放大倍数30K =时，即30P =时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

3.1.2 整定主回路根据双回路简化原则，化简后的主回路如图3.3所示。

设置积分时间项和微分时间项为零，整定放大倍数使之达到4：1衰减曲线，仿真结果如图3.4所示。

图3.1 等效副回路图图3.2 无积分时间项时随p K 变化得到的阶跃响应图图3.3 等效后主回路图图3.4 无积分时间项和微分时间项时随K变化得到的阶跃响应曲线从图中可以看到，当放大倍数P=0.9时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

将放大倍数K减少20%，有K=0.72，逐渐减小积分时间，即逐渐增大PID的参数I，仿真结果如下图所示。

图3.5 无微分时间项时0.72K 时随积分时间变化得到的阶跃响应曲线从图中可以知道，I=0.008时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

将放大倍数K增大到比原值大20%，有P=1.08，先令微分时间T d为0，微调增大积分时间T i，定I=0.01。

在此基础上调整微分时间T d，从而改变PID控制器参数D的值,观察各相应曲线衰减比，从图3.6中可以看到，D=17时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

图3.6 1.08K=、0.01I=时随微分时间变化得到的阶跃响应曲线此时放大倍数为K S=P=1.08。

根据衰减曲线法整定控制器参数经验公式，可得K p=1.25K s=1.25*1.08=1.35T i=0.3T s=0.3*210.6=63.18sT d=0.1T s=0.1*210.6=2.106s3.2 75%负荷3.2.1 整定副回路根据双回路简化原则，简化后的主回路如图3.7所示。

图3.7 等效副回路Simulink图按照衰减曲线法调整放大倍数，并仿真运行，仿真结果如下图3.8所示。

图3.8 无积分时间项时随p K 变化得到的阶跃响应曲线从仿真结果看，当放大倍数16K =时，即16P =时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

此时放大倍数为16s K P ==，振荡周期为24.27s T s =。

3.2.2 整定主回路根据双回路简化原则，化简后的主回路如图3.9所示。

图3.9 等效后的主回路图定积分项和微分项为零，按纯比例作用整定放大倍数使之达到4：1衰减曲线，仿真结果如下图3.10所示。

图3.10 无积分项和微分项时的阶跃响应图从图中可以看到，当放大倍数P=0.84时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

将放大倍数K减少20%，有K=0.67，逐渐减小积分时间，即逐渐增大PID的参数I，仿真结果如下图3.11所示。

从图中可以知道，I=0.006时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

K=时随积分时间变化得到的阶跃响应曲线图3.11 无微分时间项时0.67将放大倍数K增大到比原值大20%，有K=P=1.01，先令微分时间为0，微调增大积分时间，选择I=0.007。

在此基础上调整微分时间，从而改变PID控制器参数D的值,观察各相应曲线衰减比，从图3.12中可以看到，D=17时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

图3.12 1.01I=时随微分时间变化得到的阶跃响应曲线K=、0.007此时放大倍数为K S =1.01，振荡周期为T S =384.7。

根据衰减曲线法整定控制器参数经验公式， 可得K p =1.25K s =1.25*1.01=1.26 T i =0.3T s =0.3*384.7=115.41sT d =0.1T s =0.1*384.7=3.847s进一步可以看到，副回路的振荡频率210.04sHz T ω==，主回路的振荡频率110.002sHz T ω==，意味着副回路振荡频率比主回路高很多，满足使用双回路整定的假设，212ωω≥，表示双回路整定法的正确性。

3.3 50%负荷 3.3.1 整定副回路根据双回路简化原则，简化后的主回路如图3.13所示。

图3.13 等效副回路Simulink 图按照衰减曲线法调整放大倍数，并仿真运行，仿真结果如下图3.14所示。

图3.14 无积分时间项时随变化得到的阶跃响应曲线从仿真结果看，当放大倍数P=9时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

此时放大倍数为K S =P=9，振荡周期为T S =30.15S 。

3.3.2 整定主回路根据双回路简化原则，化简后的主回路如图3.15所示。

图3.15 化简后主回路Simulink图设置积分时间项和微分时间项为零，整定放大倍数使之达到4：1衰减曲线，仿真结果如下图3.16所示。

图3.16 无积分时间项和微分时间项时随K变化得到的阶跃响应曲线从图中可以看到，当放大倍数P=0.91时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

将放大倍数K减少20%，有K=0.728，逐渐减小积分时间，即逐渐增大PID的参数I，仿真结果如下图所示。

从图中可以知道，I=0.004时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

图3.17 无微分时间项时0.728K 时随积分时间变化得到的阶跃响应曲线将放大倍数K 增大到比原值大20%，有K=P=1.092，先令微分时间为0，微调增大积分时间，选择I=0.005。

在此基础上调整微分时间，从而改变PID 控制器参数D 的值,观察各相应曲线衰减比，从图3.18中可以看到，D=46时，可以得到衰减比为4：1的衰减曲线。

图3.18 1.092K =、0.005I =时随微分时间变化得到的阶跃响应曲线此时放大倍数为K S =P=1.092，振荡周期为TS=605.1。

根据衰减曲线法整定控制器参数经验公式， 可得K p =1.25K s =1.25*1.092=1.365 T i =0.3T s =0.3*605.1=181.53s T d =0.1T s =0.1*605.1=6.051s副回路的振荡频率210.03sHz T ω==，主回路的振荡频率110.001s Hz T ω==， 212ωω≥，双回路整定法的正确性。