過程控制課設報告

1、課程設計報告名 稱： 過程控制 院 系： 班 級： 學 號： 學生姓名： 同組人： 指導教師： 設計周數(shù)： 1 成 績： 一課程設計總體目標通過該課程設計，使學生進一步掌握過程控制課程主要內(nèi)容，深入理解過程控制系統(tǒng)的分析與綜合。要求學生：1了解過程控制技術與系統(tǒng)設計與分析的關鍵技術；2了解過程控制方案的組成；3能夠進行控制系統(tǒng)的設計與仿真及工程實現(xiàn)。二課程設計 主要內(nèi)容 本課程設計是為實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，應用圖紙資料和文字資料來表達設計思想、實驗室試驗、現(xiàn)場工程實現(xiàn)方法。設計分為兩個階段： 1 設計前期工作 （1）查閱資料：對被控對象動態(tài)特性進行分析 ；確定控制系統(tǒng)的被調(diào)量和調(diào)節(jié)量（2）確定自

2、動化水平 ： 自動控制范圍、控制質(zhì)量指標、報警設限及手自動切換水平 （3）提出儀表選型原則：包括測量、變送、調(diào)節(jié)及執(zhí)行儀表的選型 2設計工作（1）根據(jù)對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構，給出控制系統(tǒng) 原理圖；（2）根據(jù)確定控制設備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構，繪制控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖）；（3）根據(jù)確定的自動化水平和系統(tǒng)功能，選擇控制儀表，完成控制系統(tǒng)SAMA圖（包括系統(tǒng)功能圖和系統(tǒng)邏輯圖）；（4）對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)整定（5） 編寫設計報告(說明書)。三設計正文：1 主汽溫串級控制系統(tǒng)的基本任務和要求鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)。現(xiàn)代鍋爐

3、的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過熱器正常運行的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹而毀壞，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，一般蒸汽溫度降低5-10，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱汽溫的降低還會導致汽輪機高壓級部分蒸汽的焓值減小，引起反動度增大，軸向推力增大，也對

4、汽輪機安全運行帶來不利的影響。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。 因此，以600MW機組國產(chǎn)直流鍋爐為例，其過熱蒸汽溫度額定值為541（主汽壓力為17.3MPa），在負荷為額定值的60%100%范圍內(nèi)變化時，過熱蒸汽溫度不超過額定值的-10+5,長期偏差不允許超過±5。為了防止過快的蒸汽溫度變化速率造成某些高溫工作不部件產(chǎn)生較大的熱應力，還對溫度變化速率進行限制，一般限制在3/min內(nèi)。2 被控對象動態(tài)特性分析（1）蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化，蒸汽量的變化將改變蒸汽和煙氣的傳熱條件，導致氣溫的變化。如圖2，在t=0s時刻

5、產(chǎn)生的蒸汽流量擾動在D下的過熱蒸汽的響應曲線，由分析可得由于管道中沿長度方向上的點溫度幾乎同時變化，所以溫度響應有自平衡特性，而且關心很延遲都比較小。圖2 蒸汽流量（負荷）擾動下的動態(tài)特性曲線（2）煙氣熱量擾動（燃燒器運行方式、燃料量變化、風量變化等）下的動態(tài)特性燃料量增減，燃料種類的變化，送風量，引風量的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變時沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此氣溫變化的延遲很小，一般在10-20s之間，同時體現(xiàn)出自平衡特性。煙氣側擾動的氣溫響應曲線如下圖3。圖3煙氣側擾動的氣溫響應曲線（3）減溫水流量擾

6、動下的動態(tài)特性應用噴水來控制蒸汽溫度是目前采用最廣泛的一種方式，對于這種方式，噴水量振動就是基本振動。過熱器是具有分布參數(shù)的多容對象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作成無窮多個單容對象串聯(lián)組成的多容對象，當噴水量發(fā)生變化后，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終影響出口蒸汽溫度的變化。因此，會有很大的延遲，減溫器離過熱器出口越遠，延遲越大，其響應曲線如下圖4。噴水量振動響應曲線具有慣性，有延遲，有自平衡性，其延遲與管道長度成正比，一般鍋爐延遲在30-60s。圖4 減溫水流量擾動下的氣溫響應曲線控制量選擇：從過熱蒸汽溫度對象的動態(tài)特性來看蒸汽流量或煙氣熱，量發(fā)生變化時，蒸汽溫度反應較快，而減溫水量變化時，

7、蒸汽溫度反應較慢。由于蒸汽流量由機組負荷決定，不能作為調(diào)節(jié)量，因而改變煙氣熱量（改變煙溫或煙氣流量）是比較理想的主汽溫度調(diào)節(jié)手段，但目前改變煙氣熱量是控制再熱蒸汽溫度的重要手段。因此，盡管噴水減溫的控制特性不理想（大遲延、大慣性、非線性），但由于結構簡單、調(diào)溫能力強和易于實現(xiàn)自動化，目前被廣泛應用于過熱蒸汽溫度的控制。3 過熱蒸汽汽溫控制方案串級PID控制是目前火電廠中主汽溫控制中采用最多的控制策略，同時串級控制具備如下特點： （1） 對二次干擾有很強的克服能力； （2） 能夠改善被控對象的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率； （3） 對負

8、載或操作條件的變化有一定的自適應能力。3.1 過熱氣溫串級控制系統(tǒng) 3.1.1 串級控制的結構方框圖：3.1 過熱氣溫串級控制系統(tǒng)3.2過熱氣溫串級控制系統(tǒng)的結構和原理針對過熱氣溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性遲延大、被調(diào)量出口氣溫反饋慢的特點, 從對象的調(diào)節(jié)通道中找出一個比被調(diào)量反應快的中間點信號( 噴水減溫器出口氣溫) 作為調(diào)節(jié)器的補充反饋信號, 以改善對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性, 提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。構成的串級過熱氣溫調(diào)節(jié)的工藝流程。 系統(tǒng)中有主副兩個調(diào)節(jié)器, 主調(diào)節(jié)器接受被調(diào)量出口氣溫1及其給定值信號, 主調(diào)的輸出與噴水減溫器出口氣溫2 共同作為副調(diào)節(jié)器輸入, 副調(diào)節(jié)器輸出控

9、制執(zhí)行機構位移, 從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。主環(huán)是一個定值控制系統(tǒng)；而副控制器的給定值是由主控制器的輸出提供的，它隨主控制器輸出變化而變化，因此，副環(huán)是一個隨動控制系統(tǒng)。前饋控制器將變送器傳送過來的蒸汽流量信號補償后傳到副調(diào)節(jié)器，以此消除干擾，由此組成一個串級前饋復合控制系統(tǒng)。對于系統(tǒng)內(nèi)部干擾，副控制器首先進行“粗調(diào)”，主控制器再進一步進行“細調(diào)”，同時前饋靜態(tài)補償器用以消除外部干擾。3.3控制器控制規(guī)律的選擇串級主汽溫控制系統(tǒng)中，副回路應盡快地消除擾動對主汽溫的影響，對主汽溫起粗調(diào)作用，因此副控制器采用P控制器;主控制器的作用是對主汽溫起細調(diào)作用，因此采用PI控制器。4 選擇測點和調(diào)節(jié)機

10、構,作控制系統(tǒng)工藝流程圖4.1 測點主要測量量包括減溫器前的減溫水流量W，外擾動過熱蒸汽流量D，減溫器和過熱器之間的蒸汽溫度2，出口蒸汽溫度1。4.2調(diào)節(jié)閥的選擇在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機構，是按照控制器所給定的信號大小和方向，改變閥的開度，以實現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥的口徑的大小，直接決定著控制介質(zhì)流過它的能力。為了保證系統(tǒng)有較好的流通能力，需要使控制閥兩端的壓降在整個管線的總壓降中占有較大的比例。調(diào)節(jié)閥的開、關形式需要考慮到以下幾種因素：生產(chǎn)安全角度：當氣源供氣中斷，或調(diào)節(jié)閥出故障而無輸出等情況下，應該確保生產(chǎn)工藝設備的安全，不至發(fā)生事故；保證產(chǎn)品質(zhì)量：當發(fā)生控制閥處于無源狀態(tài)而

11、恢復到初始位置時，產(chǎn)品的質(zhì)量不應降低；盡可能的降低原料、產(chǎn)品、動力損耗；從介質(zhì)的特點考慮。綜合以上各種因素，在鍋爐過熱蒸汽控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥選擇氣開閥。4.3系統(tǒng)工藝流程圖圖6 串級過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)工藝流程圖5 控制系統(tǒng)SAMA 圖5.1控制儀表的選擇控制儀表的主要類型大致分為電動或氣動，電動I型、II型、III型，單元組合儀表或是基地是儀表等。常用的控制儀表有電動II型、III型。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實施方案也不同。電動III型和電動II型儀表就其功能來說基本相同，但是其控制信號不相同，控制II型典型信號為，而電動III型儀表的典型信號為，此外。III型儀表較II型儀表操

12、作、維護更為方便、簡捷，同時III型儀表還具有完善的跟蹤、保持電路，使得手動切換非常方便，隨時都可以進行切換，且保證無擾動。所以在本設計中選用電動III型儀表。5.2調(diào)節(jié)器作用方向 對于串級控制系統(tǒng)，因為有兩個回路，應先判斷內(nèi)回路的正反作用，然后再判斷外回路的正反作用。為了使副環(huán)回路構成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，副環(huán)的開環(huán)放大系數(shù)的符號必須為“負”，即副環(huán)內(nèi)所有各環(huán)節(jié)放大倍數(shù)符號的乘積應為“負”。在本設計中隨著調(diào)節(jié)閥的開度增加，減溫水量增加，副對象即減溫器后端蒸汽溫度會降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用為“負”，所以負調(diào)節(jié)器的控制作用應為正作用(PV-SP) 。內(nèi)回路部分可以最終等效為正對象，由于1到2之間

13、為過熱器(1 升高時2必然升高)，屬于正對象。兩部分串聯(lián)后仍為正對象，因此主調(diào)節(jié)器須采用反作用( SP-PV) 。5.3 SAMA圖圖7 控制系統(tǒng)的SAMA圖6 仿真實驗與整定6.1被控對象本次課程設計被控對象是以600MW汽包鍋爐過熱蒸汽溫度為被控對象，其對象的模型如下：惰性區(qū)導前區(qū)圖8被控對象特性圖中：W 噴水流量；1、2惰性區(qū)溫度、導前區(qū)溫度D 主蒸汽流量6.2系統(tǒng)仿真（采用逐步逼近法整定參數(shù)）各函數(shù)參數(shù)設置（采用零極點的形式）（1） 串級仿真圖的建立圖8串級過熱氣溫調(diào)節(jié)系仿真圖（2） 內(nèi)回路參數(shù)第一次整定斷開主環(huán)，按單回路整定方法整定，這里采用的是衰減曲線法進行整定。建立如下圖所示的仿

14、真圖。圖9內(nèi)回路參數(shù)第一次整定仿真圖調(diào)節(jié)內(nèi)回路PID的P值，最后得第一個波峰y1=1.493 ，第二個波峰y2=1.123因此得衰減率為75%。此時，P= -11.60。圖10第一次內(nèi)回路階躍響應曲線（3）外回路參數(shù)第一次整定將整定好的副環(huán)加入主環(huán)，按照單回路整定法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，仿真圖同圖8。先調(diào)節(jié)外回路PID的P值，使得衰減率為75%。再調(diào)節(jié)I值，使穩(wěn)態(tài)值為1。此時，P= 0.504，I=0.001。圖11第一次外回路階躍響應曲線（4）內(nèi)回路參數(shù)第二次整定主，副回路都閉合，仿真圖如下圖12內(nèi)回路參數(shù)第二次整定仿真圖調(diào)節(jié)內(nèi)回路PID的P值，最后得第一個波峰y1=0.686 ，第二個波峰y2

15、=0.568因此得衰減率為75%。此時，P= -7.50。圖13第二次內(nèi)回路階躍響應曲線（5）外回路參數(shù)第二次整定仿真圖同圖8，衰減率為75%時，第一個波峰y1=1.110 ，第二個波峰y2=1.027，參數(shù)無需調(diào)整圖14第二次外回路階躍響應曲線所以最終的主調(diào)節(jié)器參數(shù)為P=0.504，I=0.001；副調(diào)節(jié)器參數(shù)為P=-7.50。（6）加上流量擾動后：使用前饋控制：前饋控制是基于不變性原理的控制，是一種按擾動進行補償?shù)拈_環(huán)控制，不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其原理圖如下：由于補償器不能是超前環(huán)節(jié)，所以針對本系統(tǒng)設計的補償器表達式為：參數(shù)設置為：得到響應曲線如圖 由上圖可知，該串級控制回路在引入了前饋時能夠有效的克服內(nèi)擾和外擾疊加對控制系統(tǒng)的影響，使控制品質(zhì)得到保證，該串級控制設計合理因此，本文對文獻3中的被控對象采用了PIDPID串級控制，其中副回路用P調(diào)節(jié)，主回路用PI調(diào)節(jié)三、課程設計總結 本次課程設計主要對600MW機組主汽溫的對象進行控制系統(tǒng)的設計，在設計過程中主要完成了被控對象動態(tài)特性分析，根據(jù)對被控對象進行的分析，確定系統(tǒng)自動控制結構，給出控制系統(tǒng)原理圖；同時，根據(jù)確定控制設備和測量取樣點和調(diào)節(jié)機構，繪制出了控制系統(tǒng)工藝流程圖（PID圖），完成控制系統(tǒng)SAMA圖；最后還對所設計的系統(tǒng)進行仿真試驗并進行系統(tǒng)