热工控制系统实验三过热汽温串级控制系统仿真实验

实验三 过热汽温串级控制系统仿真实验

一、实验目的

1、了解过热汽温串级控制系统的结构组成。

2、掌握过热汽温串级控制系统的性能特点。

3、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。

4、分析不同负荷下被控对象参数变化对控制系统控制品质的影响。

二、实验原理

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，其原理结构图如下图所示：

过热器

过热器

喷水减温器

图3－1 过热汽温串级控制系统原理结构图

由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：

扰动

图3－2 过热汽温串级控制系统方框图

主调节器

在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中主调节器()1T W s 采用比例积分微分（PID ） 调节器，其传递函数为：

()1111111111

1T d p i d i W s T s K K K s T s s δ⎛⎫=

++=++ ⎪⎝⎭

式中：1p K ——主调节器比例系数(111p K δ=)；

1i K ——主调节器积分系数(1111i i K T δ=)；

1d K ——主调节器微分系数(111d d K T δ=)。

副调节器

在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中副调节器()2T W s 采用比例（P ）调节器， 其传递函数为：

()222

1

T p W s K δ=

=

式中：2p K ——副调节器比例系数(221p K δ=)。 导前区对象

在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中导前区对象()2W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：

（1）50％负荷下导前区对象传递函数：

()3.076

251s -+

（2）100％负荷下导前区对象传递函数：()

0.815

181s -+

惰性区对象

在图3－2所示的过热汽温串级控制系统中惰性区对象()1W s 在50％和100％负荷下 的传递函数分别为：

（1）50％负荷下惰性区对象传递函数：

()

3

1.119

421s +

（2）100％负荷下惰性区对象传递函数：

()

3

1.276

181s +

三、实验步骤

1、在MATLAB 软件的Simulink 工具箱中，打开一个Simulink 控制系统仿真界面，根据图3－2所示的过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下：

图3－3 过热汽温串级控制系统仿真组态图

惰性区对象传递函数模块的建立

惰性区对象传递函数为三阶惯性环节，在组态图中采用建立子模块的方式建立惰性区对象传递函数模块。在Simulink控制系统仿真界面中将3个一阶惯性环节仿真模块串联构成惰性区对象传递函数，如下图所示：

图3－4 惰性区对象传递函数

拖动鼠标将上图所示串联在一起的3个一阶惯性环节仿真模块选中，并将鼠标放在选中的模块上点击右键，在弹出的菜单中选择Create Subsystem（建立子模块）命令，即可建立一个名为“Subsystem”的子模块，如下图所示：

图3－5 惰性区对象传递函数模块的建立

惰性区对象

传递函数模块

导前区对象

传递函数

温度t1

温度t2

扰动

惰性区对象

传递函数模块

反馈系数

反馈系数

“Subsystem ”子模块即为图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中的惰性区对象传递函数模块W1(s)。双击“Subsystem ”子模块，可以打开如图3－6所示的窗口，在其中可以对各环节的参数进行修改。

图3－6 “Subsystem ”子模块窗口

2、将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s)和惰性区对象传递函数W1(s)设为100％负荷下的传递函数： 100％负荷下惰性区对象传递函数：()()

3

1.276

1181W s s =

+

100％负荷下导前区对象传递函数：()()

0.815

2181W s s -=

+

对过热汽温串级控制系统的参数进行整定的步骤如下： （1）副调节器参数的整定

将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1设为0（即 断开主回路的反馈），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100s ，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535℃，此时的比例系数Kp2即为副调节器的比例系数。 （2）主调节器参数的整定

将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1改为1（即 将主回路反馈投入），副调节器的比例系数Kp2保持上一步的整定参数不变，仿真时间设为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，记下此时的比例系数Kp1，取倒数即为临界比例带k δ，同时通过响应曲线估算出振荡周期k T ，带入以下公式即可以计算主调节器的各参数：

主调节器比例系数：11

1.67p k K δ=

主调节器积分系数：11

0.84i k k K T δ=

主调节器微分系数：1 6.68k

d k

T K δ=

3、完成过热汽温串级控制系统的参数整定后，在500s 时加入减温水扰动，即将阶跃信号输出模块（Step1）的响应时间（Step time ）设为500，终值（Final value ）设为1000，仿真后在响应曲线显示器Scope 中观察减温水量增加后对过热蒸汽温度t1的影响。

4、将图3－3所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中导前区对象传递函数W2(s)和惰性区对象传递函数W1(s)改为50％负荷下的传递函数： 50％负荷下惰性区对象传递函数：()()

3

1.119

1421W s s =

+

50％负荷下导前区对象传递函数：()()

3.076

2251W s s -=

+

首先保持主、副调节器参数不变，通过仿真曲线分析被控对象参数变化后对控制系统控制品质的影响，然后按步骤2重新对主、副调节器参数进行整定。