过热气温对象控制的设计{完成}Word文档下载推荐.doc
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3.时间进度安排；
顺序
阶段日期
计划完成内容
备注
1
周1
查资料
2
周2
熟悉过热气温控制的原理，SAMA图设计
3
周3
SAMA图设计
4
周4
设计功能块组态图
5
周5
6
周一
上机画图，修改
7
周二
8
分析
9
总结，写报告
10
沈阳工程学院
《计算机控制系统》课程设计成绩评定表
系（部）：
自控系班级：
自动化091学生姓名：
黄国建
指导教师评审意见
评价
内容
具体要求
权重
评分
加权分
调研
论证
能独立查阅文献,收集资料；
能制定课程设计方案和日程安排。
0.1
工作能力
态度
工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，
0.2
工作量
按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。
说明书的质量
说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。
0.5
指导教师评审成绩
（加权分合计乘以12）
分
加权分合计
指导教师签名：
年月日
评阅教师评审意见
查阅
文献
查阅文献有一定广泛性；
有综合归纳资料的能力
工作量饱满，难度适中。
0.3
评阅教师评审成绩
（加权分合计乘以8）
分
评阅教师签名：
课程设计总评成绩
过热汽温控制系统组态设计
摘要
本文主要是串级控制系统对过热汽温进行控制的设计，在进行设计的同时应该先了解过热汽温的特性，利用串级控制系统对过热汽温控制，选择合适的调节器。
通过对串级控制系统的调节器参数进行整定，在参数整定时主要采用补偿法和等效成串级控制系统所应用的“先内后外”的方法，并采用衰减曲线法进行验证。
采用计算机仿真对过热汽温导前微分控制系统进行辅助设计，得出系统在内扰和外扰影响下的响应曲线，利用仿真曲线对串级控制系统性能分析。
关键字过热温度,自动控制，过热器
目录
摘要 I
目录 II
1引言 1
1.1课题背景及其选题意义 1
2过热汽温控制对象的特性分析 2
2.1蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性 2
2.2烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性 2
2.3蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性 3
3气温控制系统方案的设计 4
3.1串级汽温系统控制的基本结构原理 4
3.2主、副回路的设计原则 5
3.3主、副调节器的选型 6
3.4主、副回路调节器调节规律的选择原则 6
4串级气温控制系统的整定 7
4.1两部整定法 7
4.2逐次逼近法 9
4.3补偿法 9
5单元机组过热气温控制系统组态图分析 11
5．1功能块清单 11
5.2组态图分析 18
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录A1AI减付调SP计算图 22
附录A2AI减主调图 22
附录A3AI减付调及操作站图 22
21
1引言
1.1课题背景及其选题意义
随着火电厂机组容量的不断扩大，参数不断提高，如何保护单元机组的安全、经济运行，减少事故，提高设备的可靠性和运行的经济性，是十分重要的问题。
大量事实证明，采用先进的热工自动化技术是提高机组安全、经济运行水平的行之有效的措施。
自动控制装置在机组启动时，根据启动要求进行控制，启动后按较高的热效率、较低的煤耗和厂用电进行运行。
当运行出现异常时，自动控制装置能迅速按照预先规定的顺序进行处理，以尽快恢复正常运行，当故障发展到可能危及设备和人身安全时，采取停炉、停机等保护措施，避免事故进一步扩大。
进而完成对整个控制系统的设计。
2过热汽温控制对象的特性分析
目前，火电机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。
影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。
在各种扰动下，汽温控制对象是有迟延、惯性和有自平衡能力的。
2.1蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性
大型锅炉都采用复合式过热器，当锅炉负荷增加时，锅炉燃烧率增加，通过对流式过热器的烟气量增加，而且烟气温度也随负荷的增大而升高。
这两个因素都使对流式过热器的气温升高。
然而，当负荷增加时，炉膛温度升高的并不明显，由炉膛辐射传给过热器的热量比锅炉蒸汽量增加所需热量少，因此使辐射式过热器出口温度下降。
可见，这两种型式的过热器对蒸汽流量的扰动的反映恰好相反，只要设计上配合得当，就能使过热其出口汽温随蒸汽流量变化的影响减小。
因此在生产实践中，通常把对流式过热器与辐射式过热器结合使用，还增设屏式过热器，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量多，综合而言，过热器出口汽温是随流量D的增加而升高的。
动态特性曲线如图1.3所示。
蒸汽流量扰动时，沿过热器长度上各点的温度几乎是同时变化的，延迟时间较小，约为15s左右。
a）蒸汽量D或烟气传热量Q扰动b）减温水Ws扰动
图1.3在蒸汽流量扰动下蒸汽温度的变化曲线
2.2烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性
当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。
由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在15-25s之间。
烟气侧扰动的汽温响应曲线如图1.3所示。
它与蒸汽量扰动下的情况类似。
2.3蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性
当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。
.动态曲线图如图1.3所示。
当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。
3气温控制系统方案的设计
单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。
但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，都使得单回路控制系统显得无能为力，因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。
串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点及整定进行讨论
3.1串级汽温系统控制的基本结构原理
图3.1串级汽温系统控制原理图
如图所示，该汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。
由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多采用PID控制规律，其输入偏差信号为-，输出信号为，副调节器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主调节器输出信号I，输出为。
当过热汽温升高时，增加，主调节器输出减小，副调节器输出增加，减温水量增加，过热汽温下降。
在主、副调节器均具有PI控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零。
由此也可以认为主调节器的输出是导前汽温的给定值。
过热汽温串级控制系统的原理方框图如图3.2所示，具有内外两个回路。
内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；
外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。
系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。
若采用单回路控制主汽温（即将作为主信号反馈到调节器PI1,PI1直接去控阀门开度）无法取得满意的控制品质。
为此再取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号作为导前信号，增加一个调节器PI2组成如图3.2所示的串级控制系统。
调节器PI2根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温比提早反映（例如：
内扰为喷水量W的自发性变化），那么由于PI2的提前动作，扰动引起的波动很快消除，从而使主汽温基本不受影响。
另外，PI2的给定值受调节器PI1的影响，后者根据改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持X满足要求。
可见，串级系统中采用了两级调节器，各有其特殊任务
图3.2过热汽温串级控制系统的原理方框图
基于以上的理论，本章给与简明扼要系统设计。
为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。
3.2主、副回路的设计原则
（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。
通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。
副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。
因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。
（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。
串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。
但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。
在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。
副回路的范围也不是愈大愈好。
太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。
一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。
（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。
由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。
如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。
一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。
为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取.式子中：
为主回路的振荡周期；
为副回路振荡周期，要满足式子,除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。
3.3主、副调节器的选型
串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。
（1）副调节器的选型。
副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。
（2）主调节器的选型。
主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。
凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。
因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。
如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。
3.4主、副回路调节器调节规律的选择原则
（1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。
（2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。
（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。
4串级气温控制系统的整定
控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定,控制仪表与控制对象等都处于正常状态的情况下，适当选择调节器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性配合，从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的控制效果。
对于串级气温控制系统的整定，如图所示：
图4.1串级控制系统方框图
4.1两部整定法
当串级系统中副回路的控制过程比主回路快的多时，可按下述步骤分别独立整定主、副调节器参数。
（1）先整定副调节器。
当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。
在此期间，主回路基本上不参加动作可按单回路系统的整定方法整定副调节器。
（2）整定主调节器。
副回路的闭和传递函数
（4.1）
（a）内回路方框图（b）外回路方框图
图4.2主副调节器分别独立整定时的方框图
即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图4.2（b）所示。
可按单回路系统的整定方法整定主调节器的参数。
按上述步骤整定系统后，通常应满足（、分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率）。
要达到此要求整定时应考虑以下几个问题：
（a）对象的动态特性。
控制对象前区动态特性与整个控制对象的动态特性相比，应有较小的迟延和惯性。
（b）调节器类型的选择。
副调节器可选用P（或PD）调节器，主调节器应选用PI调节器，以使副回路有较高的衰减振荡频率。
（c）整定指标的选择。
副回路可取较低的稳定性裕量（例如）而主回路则取较高的稳定性裕度（例如）。
另外，按此方法整定串级系统时还应考虑控制对象惰性区动态特性的求取。
控制对象导前区的特性可直接由实验测得，而惰性区的特性不一定能直接由实验获得，但整个控制对象的动态特性总是可以由实验测得，因此对象惰性区的动态特性原则上可以由和算出：
（4.2）
例如：
锅炉过热蒸汽温度控制对象及其导前区的动态特性常可表示为
（4.3）
（4.4）
式中：
为减温水阀门的开度。
利用级数展开和低阶近似，惰性区的动态特征可表示为：
（4.5）
如果控制对象及其导前区动态特性可以用式（4.3）、（4.4）来表示，而且有和，那么当时（和分别为和分母中s项的系数），可以满足主、副调节器分别整定的条件，而惰性区对象表示为
（4.6）
这样避免了由和计算出的麻烦，尤其用阶跃响应实验曲线整定主调节器时更为简便。
因此假定
（4.7）
为控制对性阶跃响应实验曲线上与的比值，它实际往往无法由实验曲线上直接获得（如在过汽温对象中）。
4.2逐次逼近法
在第一次整定副调节器时，断开主环，即按副回路单独工作时的单回路系统来整定副调节器的参数，记作。
（2）根据整定主调节器。
根据图4.3可以写出串级控制系统的特征方程为
（4.8）
可得此时等效控制对象的传递函数为
（4.9）
按照单回路系统整定方法求出主调节器参数，记作。
（3）据
（2）得到的，再整定副调节器，由图4.3写出串级控制系统的特征方程为
（4.10）
可得此时等效控制对象为
（4.11）
然后根据单回路系统的整定方法求出副调节器的参数，记为。
4.3补偿法
当控制对象导前区的动态特性与整个控制对象的动态特性相比，迟延和惯性不够小时，控制系统经整定后主、副回路的振荡频率差别不够大，这时就不能用“两步整定法”整定，可以采用“补偿法”整定调节器参数。
图5.1所示的串级控制系统,可把它的闭和回路等效的变换成图4.3所示:
图4.3串级控制系统方框图的等效变换
从等效变换后方框图形式可以看出，如果为了分析串级系统的稳定性，可以把它看作一个单回路系统。
在这个等效单回路系统中，调节器为控制对象为:
（4.12）
因此，串级系统可按下述步骤进行整定：
（1）适当选择主调节器的参数，以造成一个动态特性较好的等效控制对象。
从图4.3的关系中可知，所造成的等效控制对象只能在控制对象原有的基础上，通过选择的参数使它比较有利于控制。
这就是“补偿法”整定的概念。
（2）选择好的参数得到了等效控制对象后，就可以按单回路系统整定调节器，从而得出副调节器的参数。
用“补偿法”的概念整定串级控制系统时，不必考虑主、副回路之间相互影响的程度。
虽然整定的结果并不能保证串级系统在最佳的条件下工作，但是它可以使系统具有足够的稳定性裕度，因而使整定后的串级系统具有正常运行的基本条件，在主、副调节器不能分别独立整定时，这可以作为整定串级控制系统的一种使用方法。
5单元机组过热气温控制系统组态图分析
5．1功能块清单
l函数FC1
功能：
可产生一个五段折线来反映输入与输出之间的关系
符号：
l手动设置常数FC2
该功能码能提供一个人工调整的带有工程单位的输出，这个输出可用作其他块的输入。
l超前/滞后FC3
超前/滞后功能码能够实现对输入信号滤波功能。
规格：
l高低限幅器FC6
符号:
规格:
l变化率限制器FC8
在输入的变化速率不超过指定的限制值（S3和S4）时，该功能码的输出就始终和输入相同。
当输入的变化速率大于该限制值时，它的输出将按该限定值所决定的速率改变，直到输出等于输入为止。
输出：
参数：
l
l模拟转换器FC9
注：
S4和S5是时间常数，定义为前一输出值和当前输出值之差减少63.2%所花的时间。
经过5倍时间常数之后，输出将基本与新的输入值匹配。
S4、S5可用下式计算：
S4和S5＝t/5
t=转换时间（秒）。
l高低比较器FC12
该功能码有两个输出。
当输入等于或超过高限时，输出N为逻辑1；
当输入等于或小于低限时，输出N＋1为逻辑1；
当输入的值在两个规定限制之间时，则两个输出都为0。
规格参数：
l二输入输入加法器FC15
本功能码计算2个输入的加权代数和。
方程是：
输出=<
S1>
（S3）+<
S2>
<
S4>
l数字例外报告FC45
如果超过时间限制或状态发生变化时，本功能码就把输入值送到环路
l控制站FC80
该功能码用于把模拟控制站接口到控制器，它提供了基本站、串级站和比比率站的功能。
l新型PID控制器FC156
5.2组态图分析
5.2.1报警功能的实现：
在组态图中主调部分，屏式过热器出口温度信号送到高/低报警功能码FC12，通过设置规格参数S2，S3来确定温度上限值和下限值，温度超上、下上限设定值时，输出分别到2204和2205地址块中，然后结合其他信号由FC36进行逻辑运算，结果送到数字例外报告功能码FC45块地址为3200作为显示警告，同时作为屏式过热器出口输入故障信号指令；
在组态图中付调部分，AI减付调减出口温度信号和AI减付调减出口温度选择信号进过二输入加法器FC15和超前、滞后FC3处
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