课程设计报告 (2013—2014年度第 一 学期)
名 称： 过程控制课程设计 题 目：火电厂主汽温度控制系统设计 院 系： 自动化 班 级： 设计周数： 1 周
姓名 学号 分工 成绩 成员
查找资料，绘制系统sama图。 查找资料，仿真试验。 查找资料，撰写实验报告。
日期： 2014 年1月2日 《过程控制》课程设计报告 1 《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 2 制定控制方案，绘制控制系统SAMA图 周二、周三 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
学生姓名： 指导教师： 年 月 日 《过程控制》课程设计报告 2 一、课程设计目的与要求
1． 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。 掌握汇编语言程序设计的基本方法和典型接口电路的基本设计方法。 2． 掌握过程控制系统设计的两个阶段：设计前期工作及设计工作。 2.1设计前期工作 （1）查阅资料。对被控对象动态特性进行分析，确定控制系统的被调量和调节量； （2）确定自动化水平。包括确定自动控制范围、控制质量指标、报警设限及手自动切换水平； （3）提出仪表选型原则。包括测量、变送、调节及执行仪表的选型。 2.2设计工作 （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。 3． 培养学生对过程控制系统的基本设计能力。 4． 提高学生的实践动手能力和创新能力。 二、课程设计正文
1. 被控对象动静态特性分析 1．1影响过热蒸汽温度的因素 影响过热蒸汽温度的主要扰动有三种： （1）蒸汽流量（负荷）扰动； （2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）； （3）减温水流量扰动。 1．2过热汽温控制对象的静态特性分析 根据传热方式分：过热器可分为对流式、辐射式和半辐射式过热器三种。 对于不同的过热器，蒸汽流量对蒸汽温度的影响如下图： 《过程控制》课程设计报告
3 图1 蒸汽流量对过热器温度的影响 1．3过热汽温控制对象的动态特性分析 （1）蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性 汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化，蒸汽量的变化将改变蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温的变化。如图，在st0时刻产生蒸汽流量扰动D下过热蒸汽的响应曲线，由分析可得由于管道中沿长度方向上的点温度几乎同时变化，所以温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。
图2 蒸汽流量（负荷）扰动下的动态特性曲线 （2）烟气热量扰动（燃烧器运行方式、燃料量变化、风量变化等）下的动态特性 燃料量增减，燃料种类的变化，送风量，吸风量，的改变都将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10~20s之间，同时体现出自平衡特性。烟气侧扰的汽温响应曲线如下图所示。
图3 烟气侧扰动的汽温响应曲线 《过程控制》课程设计报告
4 （3）减温水流量扰动下动态特性 应用喷水来控制蒸汽温度是目前最广泛采用的一种方式，对于这种控制方式，喷水量振动就是基本振动。过热器是具有分布参数的多容对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象，当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽温度的变化。因此，会有很大延迟，减温器离过热器出口越运，延迟越大，其响应曲线如下图。喷水量振动响应曲线具有惯性，有迟延，有自平衡性。其迟延与管道长度成正比，一般锅炉延迟在30~60s。
图4 减温水流量扰动下的汽温响应曲线 2. 主汽温控制方案 通过对过热蒸汽汽温动态特性的分析可知，该被控对象惯性比较大，且过热器惯性比较大。目前普遍采用的控制方案有：采用导前汽温微分信号的双回路控制系统、过热汽温串级控制系统、采用相位补偿的汽温控制系统、过热汽温分段控制系统等。 通过对这些控制方案的比较发现，采用导前汽温微分信号控制系统的控制效果不如串级控制系统好，尤其当控制对象惰性区的惯性比较大时更为明显。因此，本次课程设计采用串级控制。 2.1 串级控制系统控制结构图 串级控制的结构方框图如下：
图5 串级控制结构方框图 2.2 工艺流程图 以某300MW汽轮发电机组的汽包锅炉为例，其过热蒸汽生产流程简图和流程图如下图所示：
0t
θTc
τ
0t
-WB
ΔWB
主调节器副调节器调节阀副对象主对象副变送器主变送器
--
二次扰动主汽流量主蒸汽温
度设定值《过程控制》课程设计报告
5 减温水调节调
省煤器给水调节机构
低温过热器
主蒸汽温度高温过热器喷水减温器
汽包
Ⅰ级喷水WB1Ⅱ级喷水WB2Ⅲ级喷水WB3
θ1
θ2θ2θ3θ3θ4θ4θ5θ5θ6θ6
低温对流过热器
Ⅰ级减温器Ⅱ级减温器Ⅲ级减温器至汽轮机前屏过热器后屏过热器高温对流过热器
主蒸汽
图6 300MW机组过热蒸汽生产流程简图
图7 300MW机组过热蒸汽流程图 《过程控制》课程设计报告
6 图8串级汽温系统控制原理图 2.3 控制系统SAMA图
图9 控制系统SAMA图 3. 仿真实验与整定 3.1被控对象特性介绍 本次课程根据文献3中300MW机组主汽温的对象为被控对象，其对象模型如下：
图10 被控对象特性 图中： 201)201(657.1(s)Ws，70212712021s).(.(s)W
3.2系统仿真
Wo1(s)Wo2(s)导前区惰性区Wθ
Θ1
Θ2
IA01《过程控制》课程设计报告
7 针对上述的被控对象，本文采用的是常规PID串级控制，其控制原理图在图5中进行了分析。在串级主汽温控制系统中，副回路应尽快地消除扰动对主汽温的影响，对主汽温起粗调的作用，因此副控制器采用的是P控制器；主控制器的作用是的主汽温起细调作用，因此采用的是PI控制器。 （1）仿真图的建立
图11 仿真结构图 （2）内回路参数整定 断开主环，按单回路整定方法整定，这里采用的是衰减曲线法进行整定。建立如下图所示的仿真图。
图12内回路衰减曲线法整定仿真图 整定的步骤： (1) 断开主回路，用衰减曲线法，整定内回路。副调节器，纯P作用。 (2) 反复调整比例带，做副回路定值阶跃扰动实验，直到衰减率ψ＝0.75～0.9，记录曲线。 调整控制参数： 当P=5.9时得到控制输出曲线。 《过程控制》课程设计报告 8 图13 内回路整定输出曲线1 此时的衰减率为82.5%左右。 （3）外回路参数整定 把上面整定好的副环作为主环中的一个环节，进行整定。建立如下所示的仿真图：
图14 外回路衰减曲线法整定仿真图 整定的步骤： 1）闭合主回路，整定外回路。反复调整主调节器比例带和积分时间I，直到衰减率ψ＝0.76记录曲线。得出P=1.4 I=0.075 σ=19.2% ψ＝76.13%