热工控制系统课程设计说课讲解

热工控制系统课程设
计
热工控制系统课程设计题目燃烧控制系统
专业班级：能动1307
姓名：毕腾
学号： 201302400402
指导教师：李建强
时间： 2016.12.30—2017.01.12
目录
第一部分多容对象动态特性的求取 (1)
1.1、导前区 (1)
1.2、惰性区 (2)
第二部分单回路系统参数整定 (3)
2.1、广义频率特性法参数整定 (3)
2.2、广义频率特性法参数整定 (5)
2.3分析不同主调节器参数对调节过程的影响 (6)
第三部分串级控制系统参数整定........................................................................ (10)
3.1 、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统 (10)
3.2 、炉膛负压控制系统 (10)
3.3、系统分析 (12)
3.4有扰动仿真 (21)
第四部分四川万盛电厂燃烧控制系统SAMA图分析 (24)
4.1、送风控制系统SAMA图简化 (24)
4.2、燃料控制系统SAMA图简化 (25)
4.3、引风控制系统SAMA图简化 (27)
第五部分设计总结 (28)
第一部分 多容对象动态特性的求取
某主汽温对象不同负荷下导前区和惰性区对象动态如下： 导前区：1
36324815
.02
++-S S 惰性区：
1
110507812459017193431265436538806720276
.123456++++++S S S S S S 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函数，传递函数形式为 w(s)=
n
TS K
)
1(+,再利用 Matlab 求取阶跃响应曲线，然后利用两点法确定对象传递函数。

1.1 导前区
利用MATLAB 搭建对象传递函数模型如图所示：
曲线放大系数K=0.815
y(t1)=0.4*0.815=0.326； t1=25.885; y(t2)=0.8*0.815=0.652； t2=55.000;
则：n=(1.075t1t2-t1+0.5) 2=2.1192≈2 T=t1+t2
2.16n ≈18.723
则有：2
)1723.18(815
.0W(s)+=s
1.2 惰性区
利用MATLAB 搭建对象传递函数模型如图所示：
曲线放大系数K=1.276
y(t1)=0.4*1.276=0.51； t1=94.66;
y(t2)=0.8*1.276=1.02； t2=146.10;
则：n=(1.075t1
t2-t1+0.5) 2
=6.11≈6 T=t1+t22.16n ≈18.4
则有：6
1.276
W(s)(18.41)
s =
+
2、单回路系统参数整定
2.1 广义频率特性法参数整定
根据)
(10n ctg m T π
ω+=
n
p n
n m K k )cos sin
(1
0π
π
+=
采用等幅振荡法确定调节器参数时相当于m 0=0 （1） W(s)=
6
1.276
(18.41)
S +为对象进行参数整定 6
1 1.8561.5(cos )6
p k π
=
=
在matlab 中进行仿真分析，过程如下：
其中In1Ou1模块如下图：
仿真后系统输出为：
根据等幅振荡是比例增益（Kpk=1.856）和系统输出输出曲线确定的等幅振荡周期（Tk=200）,可以查表确定当系统衰减率Φ=0.75时调节器参数K p=1.1114 K I=0.011114 K D=27.785。

投入闭环运行，观察运行效果。

代入上述图中在matlab中进行仿真分析，实际系统效果图形为：
2.2 广义频率特性法参数整定
单回路控制系统的原理方框图如下所示
若采用等幅振荡法确定比例调节器的参数，其传递函数为
100%负荷时汽温对象惰性区传递函数为
用代入，等幅振荡时，，则
由广义频率特性法可得
即
事实上对于阶多容惯性环节，可用如下简化公式进行整定参数的计算[1]
则当等幅振荡时，，对于100%负荷惰性区传递函数可得
2.3分析不同主调节器参数对调节过程的影响
1、增大和减少Kp对调节过程的影响
Kp增大时，当Kp=1.444时，系统阶跃相应曲线如下图：
Kp减小时，当Kp=0.8时，系统阶跃相应曲线如下图：
2、增大和减少K I对调节过程的影响
K I增大时，当K I=0.0122时，系统阶跃相应曲线如下图：
K I减小时，当K I=0.01时，系统阶跃相应曲线如下图：
3、增大和减少K D对调节过程的影响
K D增大时，当K D=30时，系统阶跃相应曲线如下图：
K D减小时，当K D=25时，系统阶跃相应曲线如下图：
4、 同时改变p K i K d K 对调节过程的影响，系统阶跃响应曲线的
输出如下：
如p K =1.2 K I =0.02 K D =30时：
通过改变P K ,I K ,D K 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。

3 串级控制系统参数整定
原理简述：燃烧过程控制系统：燃油锅炉的燃烧过程控制主要由三个子系统构成：蒸汽压力控制系统、燃料空气比值控制系统以及炉膛负压控制系统。

3.1 、蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统
锅炉燃烧的目的是生产蒸汽供其他生产环节使用。

一般生产过程中蒸汽的控制是通过压力实现的，后续环节对蒸汽的生产用量不同，反映在蒸汽锅炉环节就是蒸汽压力的波动。

维持蒸汽压力恒定是保证生产正常进行的首要条件。

保证蒸汽压力恒定的主要手段是随着蒸汽压力波动及时调节燃烧产生的热量，而燃烧产生热量的调节是通过控制所供应的燃料量以及适当比例的助燃空气的控制实现的。

因此，蒸汽压力是最终被控制量，可以根据生成情况确定；燃料量是根据蒸汽压力确定的；空气供应量根据空气量与燃料量的合理比值确定。

3.2 、炉膛负压控制系统
锅炉炉膛负压过小时，炉膛内的热烟、热气会外溢，造成热量损失，影响设备安全运行甚至会危及工作人员安全；当炉膛负压太大时，会增加燃料损失、热量损失和降低热效率。

使外部大量冷空气进入炉膛，改变燃料和空气比值。

控制方案：
某锅炉燃烧系统要求对系统进行蒸汽压力控制。

本项目采用燃烧炉蒸汽压力控制和燃料空气比值控制系统，并辅以炉膛负压控制的方案，控制系统框图如图所示。

已知控制系统传递函数：
燃料流量系统的数学模型：G(s)=s e s 31
122-+
空气流量模型：G(s)=s e s 21
102-+ 引风量与负压关系模型：G(s)=
s e s -+1
56 送风量对负压的干扰模型：G(s)=122+s 并取：
燃料流量至蒸汽压力关系约为：G(s)=4
蒸汽压力至燃料流量关系约为：G(s)=1/4
燃料流量与控制流量比值：G(s)=2
空气流量与燃料流量比值：G(s)=1
3.3、系统分析
1、系统稳定性分析
作出伯德图，如果相角裕度Pm>0°或幅值裕度Gm>1，表示系统稳定。

(1) 燃料流量系统数学模型：G(s)=s e s 31
122-+的伯德图：
（2）空气流量数学模型G(s)=s e s 21
102-+的伯德图：
（3）引风量与负压关系模型G(s)=s e s -+1
56的伯德图
2、控制系统参数整定
(1)燃烧控制系统
为使系统无静差，燃烧流量调节器采用PI 形式，即：
s
Ki Kp s Gc +=)( 其中，参数Kp 和Ki 采用稳定边界法整定。

先让Ki=0，调整Kp 使系统等幅振荡，即系统临界稳定状态。

系统临界振荡仿真框图及其振荡响应如图所示：
记录此时的振荡周期Tcr=10.7s和比例参数
Kcr=2,Kp=Kcr/2.2=1.613，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.188在Kp=1.613，Ki=0.188的基础上，对PI参数进一步整定，燃料流量闭环控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。

调节Kp=1，Ki=0.08，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超调量。

(2)蒸汽压力控制系统
在燃料流量控制系统整定的基础上，采用试误法整定压力控制系统参数。

系统整定仿真框图如图所示
由仿真结果可以看出，系统响应超调量约为50%。

此时系统调节器最简单，工程上系统响应速度和稳定程度一般。

(3)空气流量控制系统
空气流量控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似
记录此时的振荡周期Tcr=7s和比例参数Kcr=5.23,则
Kp=Kcr/2.2=1.93，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.34
在Kp=1.93，Ki=0.34的基础上，对PI参数进一步整定，空气流量控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。

调节Kp=1.45，Ki=0.1，系统响应如图所示，可见系统有
约2%的超调量。

整定后空气流量控制系统阶跃响应
(4)炉膛负压控制系统
负压控制系统的整定方法和燃料流量控制参数整定方法类似
记录此时的振荡周期Tcr=3.8s和比例参数Kcr=1.72,则
Kp=Kcr/2.2=0.65，Ki=Kp/(0.85Tcr)=0.21，在Kp=0.65，Ki=0.21的基础上，对PI参数进一步整定，炉膛负压控制系统单位阶跃输入的仿真框图如下所示，其中PI模块的结构如图所示。

调节
Kp=0.45，Ki=0.085，系统响应如图所示，可见系统有约5%的超调量。

整定后负压控制系统阶跃输入
负压控制系统前馈补偿整
采用动态前馈整定，其前馈补偿函数为：6
1
5x
122)(++=s s s G 3
61
5)(++=s s s G 3.4有扰动仿真
系统在三个部分中均加入了幅值-1的随机扰动。

系统仿真图如所示。

仿真结果如图所示。

第四部分四川万盛电厂热工系统SAMA图分析燃烧控制系统的基本任务是使燃料燃烧所提供的热量适应外界负荷的需要，并确保燃烧过程在安全经济工况下进行。

由燃料量控制、送风量控制和引风量控制等子系统组成。

4.1、送风控制系统
送风机B动叶控制指令
送风机A动叶控制指令
送风控制系统通过调节送风机的动叶位置，控制送风量。

两侧风量分别经温度修正，与磨煤机、排粉风机热风、排粉机冷风之和作为总风量；调节器总风量设定值由空气-燃料指令回路产生。

送风调节器接受风量指令信号，与总送风量信号进行比较，调节器对其偏差进行比例积分运算，输出送往送风机A,B控制回路，调节送风机挡板的开度。

风量指令经函数f（x）后作为前馈信号。

4.2、燃料控制系统
PI
PI A
T
A I T
A
B
C
D
E
A
´
∑
⎰
K
dt
d ∑
∑
L H
f(x)
´
K
∑
∑
∑
H L
总燃料量信号由投入运行的给粉机转速之和和燃油流量相加产生，根据设计煤种的低位发热量和燃油的发热量换算出油煤折算系数。

锅炉主控输出与修正后的实际风量经低选形成燃料指令，燃料-空气交叉限制实现在负荷表动过程中保证煤能够充分燃烧。

燃烧调节器接受燃料指令信号，并将其与实际燃料量信号比较，然后对二者的偏差进行比例积分运算，其输出经多输出接口组件分配给各层给粉机转速控制回路，调节各层给粉机转速。

4.3、引风量控制
送风指令燃料指令
引风机B静叶调节
引风机A静叶调节
引风控制系统可通过调节引风机的静叶位置。

选三个炉膛压力测量信号中的中间值作为炉膛压力信号，与给定值进行比较，其偏差经引风调节器进行比例积分运算后，输出送至各引风机控制回路去调节引风机挡板的开度。

由于炉膛压力测量信号波动大，为防止执行器不必要的频繁动作，在调节器中引入非滤波作用。

送风指令经滞
后环节作为前馈信号，以保证负荷变化时，引风与送风协调动作。

第五部分设计总结
接近两周的热工控制课程设计终于做完了，感觉受益匪浅。

虽然中途遇到了很多困难以及迷惑，但是通过查看书籍以及向同学求教最终能够把课程设计完成。

同时也掌握了MATLAB软件的用法，最后一部分也巩固了之前单元机组运行原理课程设计学习的软件VISIO的用法。

课程设计是将在课堂上学习的理论知识灵活运用融会贯通，很大程度上将学习的理论知识系统化、实际化。

同时，也为最后的毕业设计乃至以后更好地融入工作打下了很好的基础。

做课设的过程中也很大地提高了自我的独立思考能力和动手能力，比起乏味地一味学习理论知识以及理论知识考试，课程设计更能带给人喜悦。

虽然基本完成了课设，但是由于中途一些事情耽误了一些时间，所以没能把两周都用于课程设计，所以还是存在很多迷惑。

课程设计虽然结束了，但是对于热工控制的学习和研究应该继续。

最后要感谢一直辛勤付出的老师！。