热工控制系统课程设计

热工控制系统课程设计

题 目 汽温控制

系 别 专业班级 学生姓名 指导教师

动力工程系

热能与动力工程专业08K5班 秦小叶 081902010322 谷俊杰

二○一一年十二月

目 录

前 言............................................................................................................................ 4 第一部分 多容对象动态特性的求取........................................................................ 5

一、 导前区........................................................................................................... 5 二、惰性区............................................................................................................. 7 第二部分 单回路系统参数整定.................................................................................. 8

一、广域频率法确定调节器参数......................................................................... 8 二、临界比例带法确定调节器参数..................................................................... 9 第三部分 串级控制系统参数整定............................................................................ 15

一、 主蒸汽温度串级控制系统参数整定......................................................... 15 第四部分 热工系统SAMA图分析.............................................................................. 19

一、一级过热器控制系统SAMA图简化：......................................................... 19 二、再热器控制系统SAMA图简化：................................................................. 19 结 论.......................................................................................................................... 20 参考文献...................................................................................................................... 21

前 言

汽温控制系统作为电厂三大控制系统之一，蒸汽温度的稳定对于电厂的安全经济运行非常重要。汽温过高，会引起锅炉受热面及管道金属材料的蠕变速度加快，部件机械强度降低，导致受热面超温爆管，设备寿命缩短甚至损坏；汽温过低，会降低机组循环热效率，煤耗增大；汽温变化过大，会使管材及有关部件产生疲劳，汽轮机转子和汽缸的胀差变化，导致汽轮机剧烈振动，危及机组安全。

汽温控制的任务是维持主、再热汽温在规定值或允许的范围内（±5℃）， 而影响汽温变化的因素很多,主要有锅炉负荷、炉膛过量空气系数、给水温度、燃料性质、受热面污染情况和燃烧器的运行方式等；且主汽温被控对象本身具有大迟延、大惯性和时变特性。因此这些因素使得常规控制方法的控制性能指标不够理想。为此人们一直试图利用改变一些对生产过程影响的种种扰动，以控制目标值的恒定，PID控制理论从此应运而生。以前锅炉系统比较简单，单回路的控制系统基本上可以满足控制要求。但是随着科技的发展，单回路控制系统已经不能满足控制系统的性能要求，需要采用功能更完善的多回路控制系统或其他复杂的控制系统来完成。因此过热蒸汽的汽温控制是十分重要的。

第一部分 多容对象动态特性的求取

主汽温被控对象本身具有大迟延、大惯性和时变特性，有自平衡能力的高阶对象的阶跃响应可用迟延环节和一阶惯性环节串联来等效阶跃响应曲线如图，传递函数的形式为 

W(s)?K(Ts?1)n

在阶跃响应曲线上，求得y(t1)＝0.4y(∞)及y(t2)＝0.8y(∞)时对应的时间t1、t2后，利用下式求阶数n：

利用两点法公式可知：由曲线可知放大系

数K,利用两点法可确定t1，t2，利用如下公式计算对象阶次和惯性时间。

?1.075t1?t1?t2n???0.5?T?2.16n ?t2?t1?

某主汽温对象100%负荷下导前区和惰性区对象动态特性：

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K

上述主汽温对象的传递函数，传递函数形式为 W(s)=错误！未指定书签。,

(Ts+1)n 利用Matlab 求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象传递函数。

2一、导前区

?0.851 运行Matlab,建立仿真组态图如下图， 2361s?38s?1

修改仿真时间为400秒。点击运行，通过双击Scope可以查看仿真结果。

在matlab命令窗口输入：

num=[0.815]; den=[324 36 1]; step(num,den); 回车后可得到对象的阶跃响应曲线如下图所示：

在图上取两点后为：

根据该曲线应用两点法确定传递函数W(s)=

K

，中的参数K、T、n的

(Ts+1)n

具体数值。由图可知t1=24.8 t2=53.4 K=0.815 t1/t2=0.464 1.075t1t1+t20.815n=(+0.5) 2=2 T= ≈18 则有：W(s)=

t2-t12.16n(18s+1)2

二、惰性区

1.276

38806720s6?12654365s5?1719343s4?124590s3?5078s2?110s?1在matlab命令窗口输入： num=[1.276];

den=[38806720 12654365 1719343 124590 5078 110 1]; step(num,den);

回车后可得到对象的阶跃响应曲线如下图所示：

在图中取两点后为:

利用两点法公式可知：将曲线放大可知放大系数K=1.27 利用两点法可确定t1=93.5 , t2=145， t1/t2=93.5/145=0.645 所以n=6 T=

t1+t293.5?145 =≈18.403 2.16n2.16*61.27即阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数为：W?s??

?18.403S?1?6

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，就行参数整定。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。 对于对象W?s??1.27?18.403S?1?6，计算确定:Kp?1?1.866 61.27(cos?/6)一、广域频率法确定调节器参数

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?Kp1.27?0 6?18.40S3?1??2?m??1?e?0.75 ?m?0.221

?S??mw?wj为闭环特征方程的根，由1?Kp1.27?0得： 6?18.403S?1?2262j6tg?1wT1?mwT?1.28Kp?(1?mwT?jwT)6?[(1?mwT)?(wT)]?e?Kp?[(1?mwT)?(wT)]?1.27 wT??6tg?11?mwTwT???tg?0.57741?mwT6 ?wT?0.512 求得Kp?0.910,

2262

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震荡的周期和出现等幅振荡时的比例调节器参数Kp。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m0=0，系统振荡周期为：T=2π/ω。通过计算确定调节器参数后，在matlab 中进行仿真分析，观看实际系统效果是不是正确。 对于对象W?s??1.27?18.403S?1?6，计算确定:Kp?1?1.866 61.27(cos?/6)运行Matlab,建立仿真组态图如下图：

采用等幅振荡法通过试凑法逐步确定等幅振荡时比例调节器的比例增益，和计算确定的调节器参数进行比较。将计算确定的参数Kp=1.8527 。投入系统运行,系统结构如下图所示：

根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的等幅振荡周期，可以查临界比例带参数表确定当系统衰减率??0.75时：

?K?11??0.536 Tk?200 Kp1.8661）P调节器

Kp?11??0.933 与广义频率特性法计算所得值相近 2?k2?0.5362）PI调节器

Kp?11??0.848 2.2?k2.2?0.53611??0.005

2.2?K?0.85TK2.2?0.536?0.85?200KI?在matlab 中进行仿真分析，实际系统效果图形为：

3) PID调节器

KP?11??1.117

1.67?k1.67?0.53611??0.0112

1.67?K?0.5TK1.67?0.536?0.5?200KI?KD?TD??0.25Ti??0.25?0.5Tk0.25?0.5?200??27.93

1.67?k1.67?0.536将计算确定的参数KP?1.117, KI?0.0112, KD?27.93。投入闭环系统运行，观察运行效果

三、比例、积分、微分调节器的作用

1）增大和减小KP对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：

Kp增大时，当Kp?1.5时

Kp减小时，当Kp?0.8时：

2）增大和减小Ki对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：

Ki增大时，当Ki?0.014时：

Ki减小时，当Ki?0.008时

3）增大和减小Kd对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下

Kd增大时，当Kd?35.00时：

Kd增大时，当Kd?24.00时：

1)同时改变Kp Ki Kd 对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的输出如下：

如Kp=1.30 Ki=0.02 Kd=35.00 时：

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。

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

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。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：

1首先整定内回路，即副调节器参数的整定

将中主回路反馈系数r1设为0，同时令主调节器的比例系数Kp1?1，积分系

数Ki1?0，微分系数Kd1?0。将阶跃信号输出模块（Step）的终值（Final value）设为过热蒸汽温度的稳态值535℃，仿真时间设为1000s，逐渐增加副调节器的

比例系数Kp2 ，在响应曲线显示器Scope1 中观察温度t2的变化，使温度t2尽快达到稳定，并尽量接近稳态值419.28oC，此时的比例系数Kp2即为副调节器的比例系数。

调节完成后得：Kp2?4.5, 仿真运行效果如下图：

2整定外回路，即主调节器参数的整定

图中主回路反馈系数r1 改为1，副调节器的比例系数Kp2保持上一步的整定参数不变，仿真时间设1000s，逐渐增加主调节器的比例系数Kp1 ，在响应曲线显示器Scope 中观察温度t1 的变化，直至响应曲线出现等幅振荡，记下此时的比例

?1??同时通过响应曲线可以确定振荡周期Tk，查表即可确定调节??系数Kp1??kK?p1??器参数值

调节完成后由图得：Kp1?2.02 Tk?220 其仿真运行图如下：

计算主调节器的各参数：?k?查表确定参数为：

Kp1?11??1.2097

1.67?k1.67?0.49511??0.0110

1.67?k?0.5Tk1.67?0.495?0.5?22011??0.495 Kp12.02Ki1?Kd1?0.25?0.5Tk0.25?0.5?220??33.267

1.67?k1.67?0.495整定结果t1的变化如图所示：

在500s时加入减温水扰动后的t1的变化如图所示:

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：

负荷升高以后，系统的动态偏差变小，达到平衡的时间变短了。

第四部分 热工系统SAMA图分析

一、一级过热器控制系统SAMA图简化：

过热汽温控制方式为分段控制，分为一级、二级和三级，大屏式过热器前、后分别设一、二级喷水减温，一级减温为主调节，且为粗调；二级减温作备用，防止后屏过热器超温；三级减温器设在高温过热器前，为过热汽温微调，用来维持过热蒸汽额定温度

二、再热器控制系统SAMA图简化：

在再热蒸汽温度控制中，蒸汽负荷是由用户决定的，所以改变烟气流量为主要控制手段，例如改变再循环烟气流量，改变尾部烟道通过再热器的烟气分流量或改变燃烧器的倾斜角度。再热汽温测量值与设定值之偏差,由PID调节器运算,输出控制信号去控制再热器档板和过热器挡板的开度,PID2最终消除再热蒸汽温度与其设定值的偏差。

结 论

汽温控制的质量直接影响到机组的安全与经济运行。影响主汽温变化的因

素很多，主要有锅炉负荷、炉膛过量空气系数、给水温度、燃料性质、受热面污染情况和燃烧器的运行方式等。

影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等，但归纳起来，主要有减温水流量扰动下汽温的动态特性，蒸汽负荷扰动下汽温的动态特性，烟气侧扰动时的汽温动态特性等三方面。

了解到蒸汽温度控制的任务和控制对象的特点及动态特性，串级控制和导前微分控制两种主蒸汽温度控制方式的特点和其控制系统的组成结构及原理框图，再热蒸汽温度控制方式的特点，熟悉了主蒸汽和再热蒸汽温度控制系统的实例。

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] 《热工自动控制系统》设计手册 水电出版社

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/x5f3.html