1 本科畢業(yè)設(shè)計論文 題 目 電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計 專業(yè)名稱 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 畢業(yè)時間 2014.6 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 1 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 一、題目 電廠鍋爐 蒸汽 溫度串級控制系統(tǒng) 設(shè)計 二、指導(dǎo)思想和目的要求 通過畢業(yè)設(shè)計使學(xué)生對所學(xué)自動化基本知識和專業(yè)理論加深理解，掌握工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的基本方法，培養(yǎng)獨立開展 設(shè)計 工作的能力。 要求在畢業(yè)設(shè)計中： 1. 分析 研究 火力發(fā)電廠 鍋爐蒸汽溫度控制 要求，特點及控制系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計電廠鍋爐 蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)，達到要求的 主要技術(shù)指標(biāo) ； 2. 開展 控制系統(tǒng)方案論證， 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進行溫度控制系統(tǒng)分析 ； 3. 設(shè)計串級控制系統(tǒng)控制規(guī)律，進行參數(shù)整定； 4. 進行數(shù)學(xué) 仿真，驗證 設(shè)計 ； 5. 撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。 三、主要技術(shù)指標(biāo) 1 350MW 機組鍋爐過熱蒸汽溫度 保持在 00550 5C ； 在減溫水流量變化時，鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，衰減系數(shù) 9.075.0 ； 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 2 2 過程動態(tài)性能指標(biāo)為： 1) 溫度波動最大偏差不超過 04C ； 2) 過渡過程時間不大于 min2 ； 3. 鍋爐穩(wěn)定運行時，過熱蒸汽溫度應(yīng)在給定值的 02C 范圍內(nèi) 四、進度和要求 1. 1-3 周：收集查閱資料； 2. 4-6 周：完成總體 方案設(shè)計和 建模； 3. 7-8 周：完成系統(tǒng)分析和控制規(guī)律設(shè)計 ； 4. 9-11周：完成仿真驗證及修改； 5. 12-13周：完成畢業(yè)設(shè)計論文 . 五、主要參考書及參考資料 金以慧等，過程控制，清華大學(xué)出版社， 2000 年； 張欒英，孫萬云，火電廠過程控制，中國電力出版社， 2004年； 于希寧，劉紅軍，火電場自動控制理論，中國電力出版社，2004年 . 學(xué)生 郭榮玲 指導(dǎo)教師 金 文 凱 系主任 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 3 電廠鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要 本文是針 對鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行的分析和設(shè)計，而對鍋爐蒸汽的良好控制是保證系統(tǒng)輸出蒸汽溫度穩(wěn)定的前提，所以本系統(tǒng)采用串級控制系統(tǒng)，這樣可以極大的消除控制系統(tǒng)工作中的各種干擾因素，是系統(tǒng)能在一個較為良好的狀態(tài)下工作，同時鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護過熱器管壁溫度不超過允許的工作溫度。 蒸汽溫度是鍋爐安全、高效、經(jīng)濟運行的重要參數(shù)，因此對蒸汽溫度控制要求嚴(yán)格，過高的蒸汽溫度會造成過熱器，蒸汽管道及汽輪機因過大的熱應(yīng)力變形而毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低影響經(jīng)濟運行。 本次設(shè)計主要考慮的部分 是鍋爐溫度蒸汽控制系統(tǒng)設(shè)計，蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器，鍋爐氣溫控制系統(tǒng)主要包括過熱器和再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機組的安全經(jīng)濟運行是非常重要的。 本設(shè)計針對鍋爐溫度控制問題，綜合應(yīng)用過程控制理論以及近年來興起的仿真技術(shù)、計算機遠程控制、組態(tài)軟件，設(shè)計了鍋爐溫度串級控制系統(tǒng)。首先，通過實驗法建立鍋爐的數(shù)學(xué)模型，得到鍋爐溫度的傳遞函數(shù)，通過對理論設(shè)計的控制方案進行仿真，得到較好的響應(yīng)曲線，為實際控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供先決條件。其次，使用智能儀表作為控制器，組建現(xiàn)場儀 表過程控制系統(tǒng)，通過參數(shù)整定，得到較好現(xiàn)場控制效果。再次，實現(xiàn)積分分離的 PID控制算法。 關(guān)鍵詞：蒸汽溫度；串級控制系統(tǒng)； PID 控制 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 4 Abstract This article is the analysis and design for boiler steam temperature control system , and a good control of the steam boiler system is to ensure the stability of the output steam temperature , so the system uses the cascade control system , which can greatly eliminate the control system work various confounding factors , the system can work in a relatively good condition , while the boiler superheater outlet steam temperature within the allowable range , and to protect the superheater tube wall temperature does not exceed the allowable operating temperature. Steam boiler temperature is safe, efficient and economic operation of important parameters , and therefore require strict temperature control of steam , high temperature steam can cause overheating , steam pipes and steam turbine thermal stress due to excessive deformation and destruction ； steam temperature is too low , would reduce the impact caused by the thermal efficiency of the economy . The main part of this design consideration is the temperature of the steam boiler control system design , steam superheater system includes primary superheater desuperheater secondary superheater , boiler temperature control system includes superheater and reheat steam temperature regulation . The main steam temperature and reheat steam temperature stability for safe and economic operation of the unit is very important. The design for the boiler temperature control problem , a comprehensive application process control theory and the recent rise of simulation technology, computer remote control, configuration software, designed the boiler temperature cascade control system . First, create 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 5 a mathematical model through experimentation boilers , boiler temperature to obtain the transfer function of the control scheme of the theoretical design through simulation, get a better response curve, providing prerequisite for the realization of the actual control system. Secondly , the use of smart meters as a controller, field instrumentation process control system established by parameter tuning, get a better scene control. Again, the integral PID control algorithm to achieve separation . KEY WORDS: Steam temperature； Cascade Control System； PID control 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 6 目 錄 摘 要 . 3 Abstract . 4 第一章 緒論 . 8 1.1 畢業(yè)設(shè)計的選題意義 . 9 1.2 畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和要求 . 10 1.3主要技術(shù)指標(biāo) . 10 第二章 生產(chǎn)工藝概述 . 11 2.1 鍋爐生產(chǎn)工藝簡介 . 11 2.2 過熱器的介紹 . 12 2.3過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性 . 13 2.3.1 蒸汽流量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 . 13 2.3.2 煙氣熱量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 . 14 第三章 過熱蒸汽溫度控制原理及方案設(shè)計 . 18 3.1簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng) . 18 3.1.1簡單回路控制蒸汽溫度系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)器和控制對象組成 . 18 3.1.2 過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計 . 19 3.2復(fù)雜蒸汽溫度控制系統(tǒng) . 20 3.3串級控制系統(tǒng)的特點 . 20 3.4采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 . 21 3.4.1串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個條件： . 21 3.4.2串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析 . 21 3.4.3過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計 . 22 3.5 串級控制系統(tǒng)主副回路確定 . 23 3.6 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) . 24 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 7 3.6.1 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 . 24 3.6.2 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析 . 25 3.6.3 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定 . 27 3.7 兩種汽溫自動控制系統(tǒng)的比較 . 30 第四章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 32 4.1系統(tǒng)控制參數(shù)的確定 . 32 4.1.1主變量的選擇 . 32 4.1.2副變量的選擇 . 32 4.1.3操縱變量的選擇 . 32 4.2執(zhí)行器的選擇 . 33 4.3控制儀表的選擇 . 33 4.4串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇 . 34 4.5控制器選擇 . 36 第五章 基于 MATLAB 的系統(tǒng)仿真 . 37 5.1電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的 建模 . 37 5.1.1機理法 . 37 5.1.2測試法 . 37 5.1.3階躍響應(yīng)法 . 38 5.2 PID控制器原理 . 38 5.2.1 PID控制器簡介 . 38 5.2.2 PID控制系統(tǒng) . 40 5.3 PID控制參數(shù)的整定及方法 . 40 5.3.1 PID控制參數(shù)的整定簡介 . 40 5.3.2 PID控制參數(shù)整定方法 . 41 5.4電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 . 44 5.4.1 被控對象的仿真模型 . 44 5.4.2 串級控制系統(tǒng)的仿真 . 45 致 謝 . 49 參考文獻 . 51 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 8 畢業(yè)小結(jié) . 48 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 9 緒論 1.1 畢業(yè)設(shè)計的 選題意義 蒸汽溫度是鍋爐安全、高效、經(jīng)濟運行的主要參數(shù)，因此對蒸汽溫度控制要求嚴(yán)格。過高的蒸汽溫度會造成過熱器，蒸汽管道及汽輪機因過大的熱應(yīng)力變形而毀壞；蒸汽溫度過低，又會引起熱效率降低，影響經(jīng)濟運行。鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，而且可靠性也不高。 本次課設(shè)設(shè)計的主要考慮部分是鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。蒸汽過熱系統(tǒng)包括一級過熱器、減溫器、二級過熱器。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱汽和再熱蒸汽溫度的的調(diào)節(jié)。主要蒸汽溫度與再熱 蒸汽溫度的穩(wěn)定對機組的安全經(jīng)濟運行時非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護過熱器，使其管壁溫度不超允許的工作溫度。 過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度的最高點，過熱蒸汽溫度過高或是過低，對鍋爐運行及蒸汽設(shè)備是不利的。蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過熱器的溫度與規(guī)定值的暫時偏差不超過 +-10攝氏度，長期偏差不超過 +-5攝氏度。 如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，同時使汽輪機后幾級的蒸汽濕度增加，引起 葉片磨損。據(jù)估計，溫度每降低 5 攝氏度，熱經(jīng)濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱氣溫下限不低于其額定值 10 攝氏度。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在 540攝氏度的范圍內(nèi)。 由于汽溫對象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現(xiàn)在以下兩個方面： 1 由于過熱器是一個多容且延遲較大的慣性環(huán)節(jié)，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制要西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 10 求存在很多矛盾，所以影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽量、減溫水給水量、煙氣側(cè)的過剩空氣系數(shù)和溫度等都可能引起汽溫變化。 2 隨著機組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進一步加大了汽溫控制的難度。 1.2 畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)和要求 通過畢業(yè)設(shè)計使學(xué)生對所學(xué)自動化基本知識和專業(yè)理論加深理解，掌握工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)設(shè)計和仿真的基本方法，培養(yǎng)獨立開展 設(shè)計 工作的能力。 要求在畢業(yè)設(shè)計中： 1.分析 研究 火力發(fā)電廠 鍋爐蒸汽溫度控制 要求，特點及控制系統(tǒng)設(shè)計方法，充分理解課題意義，設(shè)計電廠鍋爐 蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)，達到要求的 主要技術(shù)指標(biāo) ； 2.開展 控制系統(tǒng)方案論證，并 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進行溫度 控制系統(tǒng) 分析 ； 3.查找相關(guān)資料，設(shè)計串級控制系統(tǒng)控制規(guī)律，并進行參數(shù)整定； 4.在完成基本設(shè)計的基礎(chǔ)上，進行數(shù)學(xué) 仿真，并驗證 設(shè)計 ； 5.撰寫畢業(yè)設(shè)計論文。 1.3 主要技術(shù)指標(biāo) 1.350MW機組鍋爐過熱蒸汽溫度保持在 00550 5C ； 在減溫水流量變化時，鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，衰減系數(shù)9.075.0 ； 2.過程動態(tài)性能指標(biāo)為： 1）溫度波動最大偏差不超過 04C ； 2）過渡過程時間不大于 min2 ； 3. 鍋爐穩(wěn)定運行時，過熱蒸汽溫度應(yīng)在給定值的 02C 范圍內(nèi)； 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 11 第二章 生產(chǎn)工藝概述 2.1 鍋爐生產(chǎn)工藝簡介 鍋爐是過程工業(yè)中必不可少的動力設(shè)備。它所產(chǎn)生的蒸汽不僅可提供生產(chǎn)過程作為熱源，而且還可以作為蒸汽透平的動力源。在熱電廠中按鍋爐設(shè)備所使用的燃料的種類、燃燒設(shè)備、鍋體形式、鍋爐功能和運行要求的不同，鍋爐生產(chǎn)有各種不同的流程。常見鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如圖 2-1所示： 圖 2-1鍋爐設(shè)備的主要工藝流程 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。燃料和西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 12 熱空氣按照一定的比例進入燃燒室燃燒，產(chǎn)生的熱量傳遞給蒸汽發(fā)生系統(tǒng)，生產(chǎn)飽和蒸汽 Ds，然后經(jīng)過過熱器成一定氣溫的過熱蒸汽 D，匯集至蒸汽母管。壓力為 Pm的過熱蒸汽，經(jīng)負(fù)荷設(shè)備調(diào)節(jié)閥供給生產(chǎn)負(fù)荷使用。與此同時，燃燒過程中產(chǎn)生煙氣，將飽和的蒸汽變成過熱蒸汽后，經(jīng)省煤器預(yù)熱鍋爐預(yù)熱空氣，最后經(jīng)引風(fēng)機送往煙筒排入大氣。 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的要求，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時要使鍋爐在安全、經(jīng) 濟的條件下運行。按照這些控制要求，鍋爐設(shè)備將有如下主要的控制系統(tǒng)： a) 鍋爐氣包水位控制系統(tǒng)：主要是保持汽包內(nèi)部的水位平衡，使積水量適應(yīng)鍋爐的蒸汽汽量，維持汽包中水位在工藝允許的范圍內(nèi)； b)鍋爐燃燒系統(tǒng)的控制：其控制方案要求滿足燃燒所產(chǎn)生的熱量，適應(yīng)蒸汽負(fù)荷的需要，使燃燒與空氣量保持一定的比值，保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐的安全運行，使引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛負(fù)壓在一定范圍； c)過熱蒸汽系統(tǒng)控制：主要使過熱器出口溫度在保持在允許范圍內(nèi)，并保證管壁溫度不超過工藝允許范圍； d) 鍋爐水處理過程：主要使鍋爐給水的 水性能指標(biāo)達到工藝要求。 2.2 過熱器的介紹 過熱器定義：鍋爐中將蒸汽從飽和溫度進一步加熱至過熱溫度的部件。過熱器概述：過熱蒸汽溫度的高低取決于鍋爐的壓力，蒸發(fā)量、剛才的耐高溫性能及燃料與剛才的比價等因素，對電站鍋爐來說，低壓鍋爐的溫度一般為 350375攝氏度，過熱器前布置有大量對蒸汽管束，進入過熱器的煙溫約在 700 攝氏度上下，中壓鍋爐多為燒煤粉或重油的室燃爐，其過熱汽溫為 450攝氏度，這時的爐膛輻射傳熱的煙溫可達 1000 攝氏度左右。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量和過熱熱量增大很多，而蒸發(fā) 熱減少，當(dāng)有中間再過熱時，情況更為突出，這時必須把一部分過熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部分輻射熱。 為了提高電廠熱力循環(huán)的效率，蒸汽的初參數(shù)不斷提高。蒸汽壓力的提高要求相應(yīng)的提高過熱蒸汽溫度，否則蒸汽在汽輪機膨脹終了的濕度就會過高，影西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 13 響汽輪機的安全。但蒸汽溫度的增高需受到過熱器剛才高濕強度性能的限制，因而采用了中間再熱，即高壓高溫蒸汽在汽輪機內(nèi)膨脹至某一中間壓力后，引到布置在鍋爐煙道內(nèi)的再熱器，再一次加熱升溫，然后又回到汽輪機的中、低壓缸，繼續(xù)膨脹至凝汽器壓力，這樣蒸汽膨脹終了的濕度可控制在允許的范圍內(nèi) 。超高壓機組采用中間再熱時，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟性相對提高 68%，在實際設(shè)備中，由于有壓降損失，熱經(jīng)濟性的提高比理論值稍低。 由于過熱器管壁金屬在鍋爐受壓部件中承受的溫度最高，因此必須采用耐高溫的優(yōu)質(zhì)低碳鋼和各種鉻合金鋼等，在最高的溫度部分有時還要用奧氏體鉻鎳不銹鋼。鍋爐運行中如果管子承受的溫度超過材料的持久強度、疲勞強度或表面氧化所容許的溫度限值，則會發(fā)生管子爆裂等事故。 2.3過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫之間的動態(tài)關(guān)系。引起過熱 蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙氣的溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢、給水母管壓力和減溫水量等等，這些因素還可能相互制約。歸結(jié)起來，過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的擾動主要來自三個方面：蒸汽流量變化 (負(fù)荷變化 )，加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化 (過熱器入口汽溫變化 )。通過對過熱汽溫調(diào)節(jié)對象作階躍擾動試驗，可得到在不同擾動作用下的對象動態(tài)特性。 2.3.1 蒸汽流量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 蒸汽流量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性引起蒸汽流 量擾動的原因有兩個：一是蒸汽母管的壓力變化：二是汽輪機調(diào)節(jié)閥的開度變化。結(jié)構(gòu)形式不同的過熱器，在相同蒸汽流量的擾動下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使沿整個過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應(yīng)較快。其傳遞函數(shù)可以表示為： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 14 式中， K：棚爐負(fù)荷擾動時被控對象的放大系數(shù)； ：一負(fù)荷擾動后對象的滯后時間； TD_：對象的時間常數(shù)； 從階躍響應(yīng)曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時間常數(shù) TD 和滯后時間 都比較小，且 幾較小。動態(tài)特性曲線如圖 2-2: 圖 2-2鍋爐負(fù)荷擾動下過熱器出口汽溫的階躍響應(yīng)曲線 2.3.2 煙氣熱量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 煙氣 傳熱量擾動引起的原因很多，如給粉機給粉不均勻、煤中水分改變、蒸發(fā)受熱面結(jié)渣、過剩空氣系數(shù)改變、汽包給水溫度變化、燃燒火熾中心位置改變等。當(dāng)煙氣熱量擾動 (煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化 )時，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙氣傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反應(yīng)較快，時間常數(shù)和延遲均比其它擾動小。和蒸汽流量擾動的影西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 15 響類似，煙氣熱量的擾動也幾乎同時影響過熱器管道長度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對象，其傳遞函數(shù)可表示為一個二階系統(tǒng)，即： 式中 ： T為煙氣溫度 但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲線如圖 2-3所示： 圖 2-3煙氣熱量擾動下過熱汽溫的階躍響應(yīng)曲線 2.3.3 減溫水量擾動下過熱汽溫對象的動態(tài)特性 常見的減溫方式有兩種：噴水式減溫和表面式減溫，前者的效果比后者好。減溫器一般裝在末級過熱器高溫段前面，一方面保護了過熱器高溫段；另一方面又改善了調(diào)節(jié)性能。這種過熱器的安裝方法與在飽和側(cè)裝設(shè)表面式減溫器相比，延遲時間能減小 1 4。其動態(tài)特性曲線如下圖所示。從圖中可以看出，其特點也是有遲延、有慣性、有自 平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管路很長，因而當(dāng)減溫水流量擾動時，汽溫反應(yīng)較慢。 對于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間 r=30-60s，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 16 時間常數(shù) T0 l00s，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動時 f 10 20s， Z10時，表示 T2很小，副回路包括的干擾因素越來越少，副回路克服干擾能力強的優(yōu)點未能充分利用。當(dāng)21TT 3時，表明過大，副回路包括的干擾多，控制作用不及時，當(dāng)21TT 約等于 1時，主副對象之間的動態(tài)聯(lián)系十分緊密，如果在干擾作用下，主副參數(shù)任一個先振蕩，必將引起另一個也振蕩，這樣，兩個參數(shù)互相促進，振蕩更加劇烈，這就是“共振效應(yīng)”，應(yīng)力求避免。 4.4.2 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 （ 1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用的串級控制方式時，主副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 （ 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差 ），此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 36 （ 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求，這時主副調(diào)節(jié)器均可采用比例積分控制。 4.5 控制器選擇 對于一個完整的串級控制系統(tǒng)，主、副控制器的正。反作用的判斷應(yīng)該是先副后主。 副回路的正、反作用的選擇：副回路的具體情況決定論副控制器的正、反作用，而與主回路無關(guān)。為了使副回路能構(gòu)成一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，所以副回路的開環(huán)放大系數(shù)符號必須是“正“。即副回路中所有環(huán)節(jié)的放大倍系數(shù)符號的乘積為”正“在本串級控制系統(tǒng)中隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，減溫水的流量會隨之 增加，副對象即減溫器后端蒸汽會有一定幅度的降低，所以調(diào)節(jié)閥對副對象的作用為負(fù)；而調(diào)節(jié)閥是氣關(guān)閥，其控制作用為負(fù)；變送器的控制作用均為正，為了保證開環(huán)放大系數(shù)乘積的符號位“負(fù) ” ，所以副控制器的控制作用符號需為“正”，所以主控制器的控制作用符號“正”，即控制器的控制作用為反作用。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 37 第五章 基于 MATLAB 的系統(tǒng)仿真 5.1 電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的建模 從控制的角度來看，過程的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型是系統(tǒng)方案和控制算法設(shè)計的重要基礎(chǔ)之一，然而，在不少情況下必須同時掌握過程的動態(tài) 特性，需要把靜態(tài)模型和動態(tài)模型結(jié)合起來。模型的建立方法可分為機理建模方法和測試建模方法，下面分別進行闡述。 5.1.1 機理法 用機理法建模就是根據(jù)過程的內(nèi)在機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程，例如物 質(zhì)平衡方程，能量平衡方程，動量平衡方程，反映流體流動、傳熱、傳質(zhì)、化學(xué) 反應(yīng)等基本規(guī)律的運動方程，物性參數(shù)方程和某些設(shè)備的特性方程等，從中獲得所需的數(shù)學(xué)模型。 機理法建模也稱為過程動態(tài)學(xué)方法，它的特點是把研究的過程視為一個透明的匣子，因此建立的模型也稱為 “ 白箱模型 ” 。 機理法建模的主要步驟如下： (1)根據(jù)過程的內(nèi)在 機理，寫出各種有關(guān)的平衡方程； (2)消去中間變量，建立狀態(tài)變量、控制變量和輸出變量之間的關(guān)系； (3)在工作點附近對方程進行增量化，建立增量化方程； 機理建模法的首要條件是需要過程的先驗知識，并且可以比較確切地對過程 加以數(shù)學(xué)描述。用機理法建模時，有時也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況， 這時可用實驗數(shù)據(jù)或?qū)崪y工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)。 5.1.2 測試法 測試法建模通常只用于建立輸入輸出模型。它根據(jù)過程的輸入和輸出的實測數(shù)進行某種數(shù)學(xué)運算后得到模型，主要特點是把被研究的過程視為一個黑匣子，完全從外特性上 描述它的動態(tài)性質(zhì)，也稱為 “ 黑箱模型 ” 。復(fù)雜過程一般都 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 38 采用測試法建模。 測試法建模又可分為經(jīng)典辨識法和系統(tǒng)辨識法兩大類； 經(jīng)典辨識法 不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進行比較簡單 的數(shù)學(xué)處理，計算工作量一般較小。經(jīng)典辨識法包括時域法、頻域法和相關(guān)分析法。 采用經(jīng)典辨識法，直接獲得的是非參數(shù)模型，一般是時間或頻率為自變量的 試驗曲線或數(shù)據(jù)集。用階躍函數(shù)、脈沖函數(shù)、正弦波函數(shù)或隨機函數(shù)作用于過程， 直接得到的是階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)、頻率響應(yīng)、相關(guān)函數(shù)或譜密度，他們都是圖 形或數(shù)據(jù)集。對本類方 法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的 具體結(jié)構(gòu)，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應(yīng)用。 對非線性模型，可以直接作為辨識結(jié)果，即直接用階躍響應(yīng)或脈沖響應(yīng)作為 對象模型；有時還需要將圖形或數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)或其他形式的參數(shù)模型。 系統(tǒng)辨識法 其特點是可以清除測試數(shù)據(jù)中的偶然性誤差即噪聲的影響，為此就需要處理 大量的測試數(shù)據(jù)，計算機是不可缺少的工具。它所涉及的內(nèi)容很豐富，已形成一個專門的學(xué)科分支。系統(tǒng)辨識方法不需要過程的先驗知識。 5.1.3 階躍響應(yīng)法 階躍響應(yīng)法建模是實際中常用的方法，其 方法是獲取系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。基本步驟是：首先通過手動操作使過程共作所需測試的穩(wěn)態(tài)條件下，穩(wěn)定運行一段時間后，快速改變過程的輸入量，并用紀(jì)錄儀或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同時記錄過程輸入和 輸出的變化曲線，經(jīng)過一段時間后，過程進入新的穩(wěn)態(tài)，試驗結(jié)束得到的記錄曲 線就是過程的階躍響應(yīng)。 5.2 PID 控制器原理 5.2.1 PID 控制器簡介 PID控制器可以方便地實施多種控制算法，多年以來，在過程控制中，按偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進行控制的 PID控制器（亦稱 PID 調(diào)節(jié)器） ，西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 39 是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。它具 有原理簡單，易于實現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點 ； 選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。 1、比例（ P）調(diào)節(jié) 純比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器，它對控制作用和擾動作用的響應(yīng)都很快速。由于比例調(diào)節(jié)只有一個參數(shù)，所以整定很方便。這種調(diào)節(jié)器的主要缺點是使系統(tǒng)存在靜態(tài)誤差。 2、積分（ I）調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)器的突出特點是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時間不斷加強，直到偏差為零。在被調(diào)量的偏差消除 以后，由于積分規(guī)律的特點，輸出將停留在新的位置而不回復(fù)原位，因而能保持靜差為零。 但是，單純的積分調(diào)節(jié)動作過于緩慢，因而在改善靜態(tài)準(zhǔn)確度的同時，往往使調(diào)節(jié)的動態(tài)品質(zhì)變壞，過渡過程時間內(nèi)延長，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此在實際生產(chǎn)中，總是把比例作用的及時性和積分作用消除靜差的優(yōu)點結(jié)合起來，組成比例積分調(diào)節(jié)器（簡稱 PI調(diào)節(jié)器），其傳遞函數(shù)為： Gc(S)=Kp(1+1/T1S) 3、微分（ D）調(diào)節(jié) 微分調(diào)節(jié)器能在偏差信號出現(xiàn)或變化的瞬間，立即根據(jù)變化的趨勢，產(chǎn)生強烈的調(diào)節(jié)作用，使偏差盡可能地消除在萌芽狀態(tài)之 中。但是單純的微分調(diào)節(jié)對靜態(tài)偏差毫無抑制作用，因此不能單獨使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來，稱為 PD調(diào)節(jié)器和 PID調(diào)節(jié)器。 PD調(diào)節(jié)器由于有微分的作用，能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度，比例系數(shù)的增加能加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，減小動態(tài)和靜態(tài)誤差，但微分不能過大，以利于抗高頻干擾。PD調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為： Gc(S)=Kp(1+TDS) PID是常規(guī)調(diào)節(jié)器中性能最好的一處調(diào)節(jié)器。它將比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合在一起，既可達到快速敏捷，又可達到平穩(wěn)準(zhǔn)確，只要三項作用的強度配合適當(dāng)，便可得到滿意的調(diào)節(jié)效果。它的傳遞 函數(shù)為： 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 40 Gc(S)=Kp(1+1/T1S+ TDS) 5.2.2 PID 控制系統(tǒng) 圖 5-1 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)，即： e(t)=r(t)-c(t) 將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對過程對象進行控制，故稱為 PID控制器。控制規(guī)律為 : )()(1)()(0 dttdeTdtteTteKtutdiP 或以傳遞函數(shù)形式表示： )11()( )()( T d sT iskpsE sUsG 其中 Kp 比例系數(shù) ,Ti 積分時間常數(shù) Td 微分時間常數(shù) 5.3 PID 控制參數(shù)的整定及方法 5.3.1 PID 控制參數(shù)的整定簡介 過程控制器采用的控制器通常都有一個或多個需要調(diào)整的參數(shù)和調(diào)整這些參數(shù)的相應(yīng)機構(gòu)（如旋鈕、開關(guān)）或相應(yīng)設(shè)備。通過調(diào)整這些參數(shù)使控制器特性c(t) + + r(t) r (t) 比例 P 積分 I 微分 D 被控對象 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 41 與被控過程特性配合好，獲得滿意的系統(tǒng)靜態(tài)與動態(tài)特性稱為控制器參數(shù)整定。由于人們在參 數(shù)調(diào)整中，總是力圖達到最佳的控制效果，所以常稱“最佳整定”，相應(yīng)的控制器參數(shù)稱為“最佳參數(shù)整定”。 衡量控制器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個明確的反應(yīng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，一般分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動態(tài)指標(biāo)。需要指出的是，不同生產(chǎn)過程對于控制過程的品質(zhì)要求不完全一樣，因而對系統(tǒng)整定性能指標(biāo)的選擇有較大的靈活性。作為系統(tǒng)整定的性能指標(biāo)，它應(yīng)能綜合反映系統(tǒng)控制質(zhì)量，同時又便于分析與計算。 5.3.2 PID 控制參數(shù)整定方法 控制器參數(shù)的整定方法很多，歸納起來可分為兩大類，理論計算整定法與工程整定法。顧名思義，理論計算整定 法是在已知過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過理論計算來求取“最佳整定參數(shù) ” ；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗，直接在過程控制系統(tǒng)中進行的控制器參數(shù)整定方法。由于無論是用解析法或?qū)嶒灧ㄇ笕〉倪^程數(shù)學(xué)模型都只能近似反映過程的動態(tài)特性，因而理論計算所得到的整定參數(shù)值可靠性不夠高，在現(xiàn)場使用中還需進行反復(fù)調(diào)整。相反工程整定法雖未必得到“最佳整定參數(shù) ” ，但由于其不需知道過程的完整數(shù)學(xué)模型，使用者不需要具備理論計算所必須的控制理論知識，因而簡便、實用，易于被工程技術(shù)人員所接受并優(yōu)先使用。 下面將介紹本次設(shè)計中在現(xiàn)場調(diào)試 調(diào)節(jié)器參數(shù)時所采用的一種整定方法，現(xiàn)場經(jīng)驗整定法。這種方法是人們在長期的工程實踐中，從各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析中總結(jié)出來的一種行之有效，并且得到廣泛運用的工程整定方法。 （ 1）經(jīng)驗法 若將控制系統(tǒng)液位、流量、溫度和壓力等參數(shù)來分類，則屬于同一類別的系統(tǒng)，其對象往往比較接近，無論是控制器形式還是所整定的參數(shù)均可相互參考。表 2.1為經(jīng)驗法整定參數(shù)的參考數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對調(diào)節(jié)器的參數(shù)作進一步修正。若需加微分作用，微分時間常數(shù)按 TD=（ 1/3 1/4） TD計算。 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 42 表 5-1經(jīng)驗法整 定參數(shù) 系統(tǒng) 參 數(shù) （ %） T1(min) TD(min) 溫度 20 60 3 10 0.5 3 流量 40 100 0.1 1 壓力 30 70 0.4 3 液位 20 80 （ 2）臨界比例度法 這種整定方法是在閉環(huán)情況下進行的。設(shè) T1=， TD=0，使調(diào)節(jié)器工作在純比例情況下，將比例度由大逐漸變小，使系統(tǒng)的輸出響應(yīng)呈現(xiàn)等幅振蕩，如圖2.2所示。根據(jù)臨界比例度 s和振蕩周期 Ts，按表二所列的經(jīng)驗版式，求取調(diào)節(jié)器的參考參數(shù)數(shù)值，這種整定方法是以得到 4： 1衰減為目標(biāo)。 圖 5-2具有周期 Ts的等幅振蕩圖 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 43 （ 3） 阻尼振蕩法（衰減曲線法） 表 5-2臨界比例度法整定調(diào)節(jié)器參數(shù) 閉環(huán)系統(tǒng)中，先把調(diào)節(jié)器設(shè)置為純比例作用，然后把比例度由大逐漸減小，加階路擾動觀察輸出響應(yīng)的衰減過程，直至出現(xiàn)圖 5-3所示的 4： 1 衰減過程為止。這時的比例度稱為 4： 1衰減比例度，用 s表示之。相鄰兩波峰間 的距離稱4： 1衰減周期 Ts。和 s，運用表三所示的經(jīng)驗公式，就可計算出調(diào)節(jié)器預(yù)整定的參數(shù)值。 圖 5-3 4:1衰減曲線法圖 調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 （ %）s T1（ S） TD（ S） P 2 s PI 2.26 s Ts/1.2 PID 1.6s 0.5Ts 0.125Ts 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 44 表 5-3阻尼振蕩法計算公 5.4 電廠鍋爐蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 5.4.1 被控對象的仿真模型 單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、投資少、即使成熟、操作維護也比較方便，在生產(chǎn)過程控制 中得到廣泛應(yīng)用。 為了設(shè)計好一個單回路控制系統(tǒng)，并使控制系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能指標(biāo)均達到要求值，就必須很好地了解具體的生產(chǎn)工藝；合理的選擇被控參量和操縱變量；正確的選擇控制閥的形式及其流量特性；正確的選擇控制器的類型和控制器的參數(shù)等。 串級控制系統(tǒng)必須合理地進行設(shè)計，才能使串級控制系統(tǒng)的優(yōu)越性得到充分 的發(fā)揮。串級控制系統(tǒng)的設(shè)計包括主、副回路選擇，主、副控制器控制規(guī)律設(shè)計和主、副控制器的正、反作用方式的確定等。 串級控制系統(tǒng)對進入副回路的二次干擾具有很強的克服能力。為此，再設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)把變化劇烈、幅值大的干擾 包括在副回路中，并且把副回路放大系數(shù)整定的應(yīng)大些，會使干擾在影響到主變量之前經(jīng)副回路的超前、快速、有力地抑制 將干擾對系統(tǒng)的影響降到最低 。 調(diào)節(jié)器參數(shù) 調(diào)節(jié)器名稱 （） I(min) TD(min) P S PI 1.2 s 0.5TS PID 0.8 s 0.3TS 0.1TS 西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文 45 5.4.2 串級控制系統(tǒng)的仿真 1、 主控對象數(shù)學(xué)模型為 244 )125/(25.1)( sesG s，副控制對象的數(shù)學(xué)模型為 )112/()( 4 sesG s ，控制器采用 PI控制規(guī)律對系統(tǒng)進行仿真研究。 副控制器選擇 P作用，主控制器選擇 PID 作用，整定串級控制器的參數(shù)為最佳值，同樣 是 40%的設(shè)定值擾動。 0 0 0 0 5.0,45.0 ip KK (a)