过程控制课程设计 2

课程设计报告(2013--2014年度第1学期)名称：过程控制课程设计题目：主汽压力控制系统院系：自动化系专业：自动化1004班设计周数：1周姓名学号分工成绩成员李林芸201009030110 被控对象动态特性分析；画控制原理图；张振超201002020425 控制系统仿真实验，控制器参数整定包周琦201002020402 画SAMA图、画控制系统工艺流程图芦翔201002020411 写课程设计报告、总结日期：2014 年1 月03 日《过程控制》课程设计任务书一、目的与要求“过程控制课程设计”是“过程控制”课程的一个重要组成部分。

通过实际工业过程对象控制方案的选择、控制功能的设置、工程图纸的绘制等基础设计和设计说明的撰写，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。

二、主要内容1．根据对被控对象进行的分析，确定系统自动控制结构，给出控制系统原理图；2．根据确定控制设备和测量取样点和调节机构，绘制控制系统工艺流程图（PID图）；3．根据确定的自动化水平和系统功能，选择控制仪表，完成控制系统SAMA图（包括系统功能图和系统逻辑图）；4．对所设计的系统进行仿真试验并进行系统整定；5．编写设计说明书。

三、进度计划序号设计(实验)内容完成时间备注1 下达任务，查找资料周一、周二周二、周三2 制定控制方案，绘制控制系统SAMA图3 仿真试验、撰写设计说明周三、周四4 答辩周五四、设计（实验）成果要求1．绘制所设计热工控制系统的的SAMA图；2．根据已给对象，用MATABL进行控制系统仿真整定，并打印整定效果曲线；3．撰写设计报告五、考核方式提交设计报告及答辩指导教师：2014年1 月3 日一、课程设计的目的与要求通过对主汽压这一实际工业过程对象的具体分析，优化设计控制方案、选择合理的仪表，绘制控制原理图、工艺流程图、SAMA图，对设计的系统进行仿真试验并进行整定，并编写设计说明书的实际操作，加深对实际热工对象的理解，对控制方案的选择，培养学生基本控制系统工程设计能力、创新意识，完成工程师基本技能训练。

二、设计正文1．基本任务和要求：任务：1.维持主汽压力在一定的范围内。

2.维持稳定的燃烧量。

要求：1.了解实现燃料全程控制的关键技术；2. 根据主汽压力对象特性选择相应的控制系统结构独立设计一套完整的控制系统SAMA图，并在matlab上仿真验证系统设计的可行性。

2.对象：锅炉主蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系锅炉设备的安全运行，而且汽压是否稳定反映了燃烧过程中的能量供需关系。

在单元制运行状态下，锅炉的蒸汽压力值与机组的运行状态及运行方式有关，即锅炉的汽压控制与汽轮机的负荷控制是相互影响的。

而且，就锅炉而言，燃烧过程控制的主要任务是维持汽压稳定，其关联参数还有维持燃烧过程经济性的氧量信号和关系锅炉安全运行的负压参数，这三个参数的调节互相影响。

所以说，影响主汽压稳定的因素是多方面的，本课设的分析是以给煤量扰动为主，汽轮机耗汽量（代表负荷）作为外部负荷扰动，以此作为主汽压控制系统的设计和分析依据。

1）主汽压被控对象数学模型汽压调节对象生产流程如图1所示，其对象由五个环节组成。

工质（水）通过炉膛吸收了燃料燃烧的热量，不断升温，不断产生饱和蒸汽汇集于汽包内，最后经过过热器称为过热蒸汽，输送到汽轮机做功。

（1）燃烧环节给煤量M 与释放热量Q 的传递函数为：从式中可以看出此过程为纯迟延环节，K 为燃烧环节系数。

（2）吸热蒸发环节此环节中锅炉总吸热量包括两部分，一部分被过热器带走（D ），一部分为锅炉蓄热的增量（Pb ），其传递函数为：式中Cb ——蓄热系数，反映锅炉的蓄热能力； Pb ——汽包蓄热，为汽包压力的函数； D ——主汽流量带走的热量； Dq ——总吸热量。

（3）受热面阻力环此环节的传递函数为：grm b R s P s P s D s G 1)()()()(=-=（4）蒸汽流量环节此环节为主汽压力Pm 与锅炉蒸发量D 及汽机总耗汽量Dt 之间的物质平衡关系环节传递函数为：)(1)()()()(s G s D s D s P s G m t m =-=（5）主汽压与耗汽量关系环节采用功率控制以维持汽机功率为给定值的系统，耗汽量只与负荷有关而与主汽压力无关，即负荷变化对于主汽压力来说是一个外部扰动，公式如下： p t K s Pt s D s G ==)()()( 式中，Dt 为主汽流量；Pt 为主汽压力。

2）汽压调节对象的动态特性：主汽压力是衡量蒸汽量与外界负荷两者是否相适应的一个标志。

主蒸汽压力pt 受到的主要扰动来源有二：其一是燃料量扰动称为基本扰动或外部扰动。

(1)内扰下汽压调节对象的动态特性由于给煤机提供煤粉量不均匀以及煤的质量（发热量）发生变化，引起了燃料量的变化，记作B μ∆。

当B μ∆作阶跃增加后，炉膛热负荷立即增大，致使汽包压力d p 上升，压差（T d p p -）增大，就使蒸汽流量D 增加。

由于汽机调门开度不变，主汽压T p 将随着蒸汽的积累而增大。

T p 的升高又会使蒸汽通向汽轮机的流出量增加，最终达到新平衡。

图2表示了内扰下汽压的动态特性。

可以看出此过程具有自平衡特性，其传递函数可以写为sp p p es T K s τ-+=1)(G 。

（2）外扰下汽压调节对象的动态特性外部扰动是指电网负荷变化的扰动，他是通过改变调气门开度g μ，使汽轮机进气量D 变化而施加的扰动。

图3表示了在g μ作阶跃扰动时汽压的响应曲线。

当g μ∆阶跃变化增大，汽机进气量突然增加，致使主汽压力T p 跳跃的下降T p ∆。

此时由于燃料量不变，蒸汽量的增加使汽包压力d p 开始缓慢下降，主蒸汽压力T p 也跟这缓慢下降，并导致蒸汽量逐渐回降，最后回到扰动前的数值。

指响应过程，蒸汽量的暂时性上升是靠消耗存储在蒸发受热面，过热器受热面和管道中的热量而获得的。

由于蓄热量被消耗掉一部分，稳定后的压力d p 和T p 会比扰动前的数值低。

汽压动态响应呈现出自衡特性，起传递函数可以写为]1[)(++-=s T KA s G p p 其中A 是指g μ∆在做单位阶跃扰动时，主气压的突跳值。

在外扰的开始瞬间，主汽压力会有阶跃变化，不存在迟延，因而可以很快的反应外部扰动。

2.设计方案：电厂锅炉燃烧控制系统的主要任务是维持主蒸汽压力的稳定。

从汽压的产生过程可知，影响汽压稳定的主要因素为以燃料量为代表的燃烧率扰动（内扰）和以汽轮机耗汽量为代表的外界负荷扰动（外扰）。

而锅炉入炉燃料至主蒸汽压力通道本身具有大滞后特性，将影响燃烧控制系统的抗干扰能力。

因此寻找一个能够快速反映入炉燃料量变化的物理量，是改善锅炉大滞后特性的最佳途径。

目前主要有以下几种测量技术：1）热量信号：热量信号是蒸汽流量与汽包压力导数的加权和。

它测量的是进入炉膛的燃料燃烧后的发热量，是间接测量进入炉膛燃料量的一种方法。

热量信号虽然能快速反映入炉燃料量的变化，但是在汽轮机采用频率——功率控制系统中，应用效果不理想。

2）给粉机转速：对中间储仓式制粉系统的锅炉，可采用给粉机转速来间接代表燃料量。

但是给粉机转速不能反映煤粉自流等因素的影响。

由于煤粉自流，同样的转速，给粉量却可能不一样，这种偏差只有在影响到主蒸汽压力或机组负荷时，才能通过改变燃烧率指令去消除煤粉自流等因素的影响。

3）磨煤机出口差压：对直吹式制粉系统的锅炉，可用磨煤机进出口差压来近似代表燃料量，这是从假定磨煤机出力与进出口差压的平方根成正比为前提的。

但是，影响磨煤机进出口差压的因素很多，如煤种、一次风量和磨煤机工况等，而且该信号的波动也较大。

4）给煤机转速：对于直吹式制粉系统的锅炉，也可用给煤机转速求出燃料量。

在要求给煤机转速调节良好的同时，还应考虑到煤层密度、厚度对燃料量的影响，才能使给煤量与转速之间保持确定的关系。

5）煤流量信号：在耐压式计量给煤机中，分别装设了荷重传感器和速度传感器，将荷重传感器输出信号（kg/m）。

这是直接测量入炉燃料量的方法，但是，它也要受到煤质突然变化等因素的影响，使煤流量信号测量误差较大。

6）炉膛热辐射能：燃料量在炉内燃烧时会立即释放出能量，这个过程是很快的，例如，煤粉炉内的煤粉在炉膛内停留时间一般在2s左右，因此，炉内热辐射能能够快速反映入炉燃料量的变化。

分析：给定的对象为U为控制器输出，n为给粉机转速输出，D为主蒸汽流量，P T为主汽压因此选择给粉机转速作为给煤量的测量信号。

系统原理图如下由于考虑到蒸汽流量对系统的影响，可以将该控制系统原理图改进如下：根据已知条件：扰动通道传递函数为： 151)(+-=S s G d 燃料量调节器：P=20； 锅炉传递函数：5)130(5)(+=S s G p则通过计算，可求得前馈补偿器为：)15(100)130()(5++=s s s G ff分析：本系统主对象为高阶惯性环节，而扰动通道仅是一个一阶小惯性环节，因此，在没有适当的前馈补偿器的情况下，系统无法消除蒸汽流量对系统造成的扰动，而且该前馈补偿器在工程上是无法实现的。

因此，本次主汽压力控制系统设计不添加前馈控制，仅根据第一种设计方案进行设计。

1.完成控制系统工艺流程图（1）控制设备及工作流程：系统采用串级控制，内回路采用P 控制规律。

在主管道对主蒸汽压力采样后经主变送器送到主调节器，与规定值进行比较后送到副调节器。

副调节器再与经过副变送器反馈回来的信号（给粉机转速）进行比较，然后再对给粉机转速n 控制，从而完成对送煤量的控制，最终达到对主压力的调节控制。

（2）系统主要取样点：主蒸汽管道的主蒸汽压力Pt ，燃料量B （给粉机转速n ）。

控制工艺流程图如下：SAMA图见附录在对于中储式给粉机的控制中我们采用的是一层四个角上的设计，所以没有加偏置器来改变不同的给粉需求。

在报警方面：1、是对主气压力信号、蒸汽流量信号、燃料量信号的质量检测，如果这些信号出现问题则报警。

2、是对于主气压力信号和给定的主气压力值进行比较，如果两者差距过大则报警。

3、是对于给粉机的输出信号的检测，如果该信号异常则报警。

在系统报警之后则把系统切入手操状态通过手动调整让该系统达到稳态。

2.根据控制原理图，进行控制系统仿真实验，验证系统结构的合理性，并进行控制器参数整定；（1）判断调节器正反作用：内回路：先断开主回路，根据内回路为负反馈，而且除控制器外其他增益均为正，则为保证整个内回路增益为负，则控制器增益应为正，此时内回路的控制器为反作用；所以副调节器为反作用。

外回路：同上一步骤，由除外回路控制器的其他增益之积为正，则为保证整个外回路为负，则控制器增益应为负，此时外回路控制器为正作用；因此，主回路控制器为正作用。

（2）主汽压力控制系统的参数整定：根据第五章学校的串级回路的整定方法：首先进行内回路整定，断开主回路，按照单回路的正定方法进行整定，内回路采用的是ψ在0.75·0.9之间（根据实验中整定的经验让ψ尽可能的接近0.9，P调节，调节后应满足这样在接入主回路过程中，对主回路的整定相对来说会容易一些）。