热工控制系统课程设计

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----某直流锅炉给水控制系统设计

二○一○年十二月

目录

第一部分 多容对象动态特性的求取 ................................................................................................................ 2 第二部分 单回路系统参数整定 ........................................................................................................................ 4

一、广义频率特性法参数整定 .................................................................................................................. 5 二、临界比例带法确定调节器参数 .......................................................................................................... 6 三、比例、积分、微分调节器的作用 ...................................................................................................... 9 第三部分 串级控制系统参数整定 .................................................................................................................. 10

一、主蒸汽温度串级控制系统参数整定 ................................................................................................ 10 二、给水串级控制系统参数整定 ............................................................................................................ 13 三、燃烧控制系统参数整定 .................................................................................................................... 15

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第四部分 某电厂热工系统图分析 .................................................................................................................. 16 参考文献： ........................................................................................................................................................ 19

第一部分 多容对象动态特性的求取

选取某主汽温对象特定负荷下导前区和惰性区对象动态特性如下： 导前区：

1.657

400s2 40s 1

惰性区：

1.202

10734579485s7 2772769608s6 306948665s5 18877531s4 696587s3 15422s2 189s 1

对于上述特定负荷下主汽温导前区和惰性区对象传递函数，可以用两点法求上述主汽温对象的传递

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函数，传递函数形式为W(s) 传递函数。

导前区阶跃响应曲线：

K

，利用Matlab 求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象

(Ts 1)n

图1-1

由曲线和两点法可得： K 1.657

0.4y( ) 0.4 1.657 0.663,t1 28.637 0.8y( ) 0.8 1.657 1.326,t2 61.165

1.075t1 t1 t2

n 0.5 2.092 2T 20.8 ， t t 2.16n 21

即可根据阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数：W(s)

2

1.657

2

(20.8s 1)

惰性区阶跃响应曲线：

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图1-2

由曲线和两点法可得： K 1.202

0.4y( ) 0.4 1.202 0.481,t1 164.7 0.8y( ) 0.8 1.202 0.962,t2 247.23

1.075t1 t1 t2

n 0.5 6.9977 7T 27.244 ， t t 2.16n 21

即可根据阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数：W(s)

2

1.202

7

(27.244s 1)

第二部分 单回路系统参数整定

利用第一部分建立的对象传递函数，进行参数整定。为便于分析，可以采用第一部分建 立的主汽温对象的惰性区对象（为一多容惯性环节）进行参数整定。不妨以第一部分整定确定的对象

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W(s)

1.202

为例，进行参数整定。

(27.244s 1)7

一、广义频率特性法参数整定

调节器采用比例调节器，WT(s) KP,以衰减率 0.75为整定指标：

1 KP

1.202

0 7

(27.244s 1)

1 e 2 m 0.75 m 0.221

s mw wj为闭环特征方程的根

1.202KP 1 mwT jwT (1 mwT) (wT)

7

2

722

e

j7tg 1

wT1 mwT

KP (1 mwT) (wT)

7tg

1

2

722

1.202

wT

1 mwT

wT

tg 0.4816 wT 0.435

1 mwT7

求得KP 0.85

在matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：

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图2-1

由图形可以知道广义频率特性法对试凑法有很好的指导意义。

二、临界比例带法确定调节器参数

由等幅振荡法确定调节器参数,对于上述n 阶惯性环节，可以通过计算确定系统等幅振荡的周期和出现等幅振荡时的比例调节器参数KP1 。注意采用等幅振荡法确定调节器参数时相当于系统衰减率 m

= 0，系统振荡周期为:T

2

。通过计算确定调节器参数后，在matlab 中进行仿真分析，观看实

11.202

K 1.7263 ,计算确定P17(27.244s 1)1.202(cos)7

7

际系统效果是否正确。对于对象W(s)

系统结构如下图所示：

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图2-2

仿真后系统输出为：

图2-3

根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的，可以查表确定当系统衰减率 0.75时调节器参数KP,KI,KD。

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由输出曲线可得等幅振荡周期为:Tk 355s 此时的比例带数值为： k

11 0.5793 KP11.7263

查表确定 0.75时调节器参数：

1） P调节器

KP

11 0.86 2 k2 0.5793

与广义频率特性法计算所得值相当吻合，Matlab仿真图亦如图2-1所示。

2） PI调节器

KP

11

0.785 2.2 k2.2 0.5793

11

0.0026

2.2 k 0.85Tk2.2 0.5793 0.85 355

KI

在matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：

图2-4

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3） PID调节器

KP

11

1.034

1.67 k1.67 0.5793

11

0.0058

1.67 k 0.5Tk1.67 0.5793 0.5 355TD

0.25 0.5 355

45.87

1.67 0.5793

KI

KD

在matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：

图2-5

三、比例、积分、微分调节器的作用

通过改变KP,KI,KD的大小，观察阶跃响应曲线，可知比例作用可使调节过程趋于稳定，但在单独使用时，使被调量产生静态偏差；积分作用能使被调量无静态偏差，但单独使用时，会使调节过程变成振荡甚至不稳定；微分作用能有效地减少动态偏差，但不能单独使用。

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第三部分 串级控制系统参数整定

一、主蒸汽温度串级控制系统参数整定

本实验以某300MW 机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，过热汽温串级控制系统的方框图如下：

图3-1

过热汽温串级控制系统中主调节器采用比例积分微分（PID）调节器, 副调节器采用比例（P）调节器。在MATLAB 软件的Simulink 工具箱中，打开一个Simulink 控制系统仿真界面，根据过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：

图3-2

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按步骤整定，整定参数如下：

Kp1 2.02，KP2 4.45，Tk 220s

查表确定参数为：KP1

1

1.2096

1.67 k

KI1

1

0.011

1.67 k 0.5Tk

Kd1

0.25 0.5Tk

33.2635

1.67 k

整定结果t1的变化如图所示：

图3-3

在500s时加入减温水扰动后的t1的变化如图所示：

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图3-4

当负荷变成75%后并且主副调节器参数不变时，t1的变化曲线如图所示：

图3-5

比较图3-3和图3-5可知，负荷降低以后，系统的动态偏差变大，达到平衡的时间变长了。

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二、给水串级控制系统参数整定

给水串级三冲量控制系统的方框图如下：

图3-6

参数整定过程同主汽温控制系统类似，在MATLAB 软件的Simulink 工具箱中，打开一个 Simulink 控制系统仿真界面，根据方框图建立仿真组态图如下：

图3-7

参数整定结果：主调：Kp 1.11，KI 0.075；

副调：Kp 0.25

整定后图形如下：

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图3-8

参数整定好后，在给定负荷条件下600S 加入给水流量20%的内扰、1200S 加入蒸汽流量 20%的外扰动时的仿真结果为：

图3-9

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三、燃烧控制系统参数整定

只对主汽压力参数进行整定。根据燃烧系统的组成及工作原理可知，燃烧控制系统由主蒸汽压力控制和燃烧率控制组成串级型系统。主蒸汽压力控制回路可看做系统的主回路，燃烧率控制可视作系统的内回路。主蒸汽压力调节回路的整定应在燃烧率调节回路投入自动之后运行，燃烧率调节回路可看作主蒸汽压力调节回路中的一个环节，则主汽压力参数整定就为一个单回路参数整定。

等效框图为：

图3-10

其中W0(s)

0.012

(1 30

s)s

在MATLAB中根据方框图建立仿真组态图如下：

图3-11

参数整定结果:Kp 1.2821，KI 0.0067 整定后图形如下：

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图3-12

第四部分

某电厂热工系统图分析

某直流锅炉给水控制系统SAMA图简化：

中间点温度作为水煤比的标

志，应控制其稳定

水冷壁出口集箱温度

图4-1 中间点过热度

锅炉减温水流量

图4-2 喷水比例

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校正后总燃料量

图4-3 水煤比

喷水比例

图4-4 喷水比例校正

分离器储水罐饱和温度

图4-5 水冷壁出口集箱温度设定

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减去选择后水冷壁出口集箱温度设定值

图4-6 串级给水调节

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参考文献：

[1]《热工控制系统》，谷俊杰等编，华北电力大学教材科，2001年 [2]《热工控制系统》，边立秀等编著，中国电力出版社，2001年 [3]《热工自动控制系统》，李遵基主编，中国电力出版社，1997年

[4] 《直流锅炉》，西安交通大学直流锅炉编写组，水利电力出版社，1977年

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0l3e.html