1、 過程控制儀表及控制系統課程設計報告書課題名稱 發電廠汽輪發電機蒸汽溫度控制姓 名學 號 專 業電氣工程及其自動化指導教師2011年 12 月 15 日目 錄摘 要21 概述32 課程設計任務及要求42.1設計目的42.2設計任務42.3設計要求53 理論設計63.1方案論證63.2系統設計64 參數整定84.1 T1參數84.2 T2參數94.3 主副調節器的參數105 仿真調試116 結論127 參考文獻12摘 要串級控制系統-兩只調節器串聯起來工作，其中一個調節器的輸出作為另一個調節器的給定值的系統。串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器，前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定，后

2、一個調節器的輸出送往調節閥。 前一個調節器稱為主調節器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數），即工藝控制指標；后一個調節器稱為副調節器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數），是為了穩定主變量而引入的輔助變量。 整個系統包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節器、調節閥和副過程構成；主回路由主變量檢測變送、主調節器、副調節器、調節閥、副過程和主過程構成。 一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范圍內的擾動。二次擾動：作用在副被控過程上的，即包括在副回路范圍內的擾動。本設計通過實驗對數據的分析，來建立系統被控對象模型的數學表達式，采用最小二乘曲線擬合的

3、方法，對實驗數據進行了曲線擬合，從而得出了該生產過程的被控系統的數學模型，即傳遞函數。接著對系統進行分析，采用串級控制，再根據對象模型的結構來確定溫度控制系統的控制器及控制算法，來實現發電廠汽輪發電機蒸汽溫度控制，系統的準確控制，從而使各項參數都能滿足各自的要求。關鍵詞：串級控制，調節器，擾動1 概述發電廠從鍋爐汽鼓出來的飽和蒸汽經過兩段過熱器繼續加熱，是蒸汽溫度達到460左右，再去推動汽輪機工作。每一種鍋爐與汽輪機組都有一個規定的運行溫度，在這個溫度下機組的效率最高。如果溫度過高，會使汽輪機的壽命大大縮短，如果溫度過底，當蒸汽帶動汽輪機作功時，會使部分蒸汽變成小水滴，沖擊汽輪機葉片，造成生產

4、事故，因此要求控制溫度的誤差不得超過5。由于汽鼓至汽輪機中間有一系列的減溫器、過熱器與傳輸管道，控制對象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調節，其中最常見的是兩段調節。這樣，每段中的對象的容積遲后與傳輸滯后時間均可減小一半。每段分別用一個溫度控制系統調節各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來維持各段過熱器出口的溫度恒定。假定兩個系統溫度控制方式完全一樣，試設計其中一段的溫度控制系統。（蒸汽的壓力和溫度另有控制系統，這里我們假定蒸汽恒溫恒壓，過熱器的熱量也是恒定的，汽鼓的出口壓力約60公斤/厘米2左右。）2 課程設計任務及要求2.1設計目的有效控制發電廠汽輪發電

5、機蒸汽溫度，使鍋爐與汽輪機組都在一個規定的運行溫度，在這個溫度下機組的效率最高。在穩定溫度下運行可以延長汽輪機壽命，減少生產事故。2.2設計任務控制系統要求控制溫度的誤差不得超過5。由于汽鼓至汽輪機中間有一系列的減溫器、過熱器與傳輸管道，控制對象的容積遲后與傳輸滯后都很大，要達到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調節，其中最常見的是兩段調節。這樣，每段中的對象的容積遲后與傳輸滯后時間均可減小一半。每段分別用一個溫度控制系統調節各自的減溫器噴霧的減溫水流量，來維持各段過熱器出口的溫度恒定。 系統框圖通過實驗，測得對象對于輸入Q（單位輸入）的響應如下（表中溫度為負）：時間（S）1357911

6、131517192123252729T1（）0000.030.090.170.260.370.460.570.660.750.830.921.00T2（）000000000000000時間（S）313335373941434547495153555759T1（）1.061.111.141.181.221.251.281.311.341.361.391.411.431.441.46T2（）000.010.020.030.070.090.110.130.150.170.180.200.210.23時間（S）616365676971737577798183858789T1（）1.481.491.50

7、1.521.531.541.551.551.561.571.581.581.591.591.60T2（）0.250.260.270.290.300.320.330.340.350.370.380.390.400.410.42時間（S）9193959799109133157181205229253277301T1（）1.601.611.611.621.621.66T2（）0.440.450.460.470.480.520.610.690.740.780.810.840.860.870.922.3設計要求1、系統的穩態誤差為0。2、5%誤差帶的調整時間不大于300秒，最大超調量小于10%，這兩個性

8、能指標盡可能小。3、在減溫器和過熱器之間存在干擾，最大干擾引起T1處溫度波動為20，要求控制使干擾對T2處的溫度影響不能超出允許范圍。4、根據以上的工藝要求設計該控制系統，畫出系統控制框圖。包括控制參數、被控參數的選擇，調節閥的選擇，檢測與變送裝置的選擇，控制器的設計。3理論設計3.1方案論證3.1.1常規PID控制汽輪蒸汽溫度控制系統的調節對象存在大滯后現象和擾動，而系統對控制精度與功能的要求比較高，在這種情況下采用常規的PID控制得到的動態性能和穩態性能都很差，故不宜采用。3.1.2串級控制串級控制是在單回路控制系統的基礎上增加一個控制回路，構成串級控制系統。串級控制對提高大延時和大時間常

9、數過程的控制質量有顯著的效果，在工業生產過程控制中應用廣泛。串級控制在結構上形成了兩個環：一個閉環在里面，被稱為副環，起著粗調作用；一個環在外面，稱為主環，起著細調作用。這樣一來對于發電廠汽輪發電機蒸汽溫度控制，就能有很好的控制效果了。3.2系統設計3.2.1結構框圖及說明串級系統框圖主調節器副調節器調節閥對象1對象2副測量變送器主測量變送器系統包括兩臺溫度變送器（T1與T2）、一臺減溫器、一臺PI調節器以及電/氣轉換、升壓型氣動繼動器、帶閥門定位器的氣動活塞式執行機構、調節閥本體等。由于減溫水的壓力很高，所以調節閥應選用耐高壓與流通能力大的閥門。3.2.2系統儀器的選擇1：主調節器選用PI控

10、制算法（反作用）主參數允許的波動范圍很小，要求無余差，因此選用PI控制規律。2：副調節器與用P控制算法 （反作用）因為若采用積分規律會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。3：調節閥用自力式溫度調節閥SLZW氣開型SLZW型自力式溫度調節閥不需外界能源而進行溫度自動調節。它適用于蒸汽、熱水、熱油等為介質的各種換熱工況。 廣泛應用于供暖、空調、生活熱水中的溫度自動調節，以及特殊工況的溫度自動調節。主要特點：（1）無需任何外加能源，利用被調介質自身能量實現介質溫度自動調節的執行器產品。（2）有較寬的溫度設定范圍，顯示清晰、精度高，并設有過載保護裝置，安全可靠。4：傳感器、變送器的選擇傳感器選用FR-

11、01系列的溫度傳感器，它采用進口鉑電阻芯片制做而成，適合測量-100500溫度區間，該產品具有良好的抗震能力、高精度、長期穩定性好和安裝簡單等特性，在各個行業中被廣泛應用。變送器選用SBWZ系列Pt1000熱電阻溫度變送器，它采用二線制傳送方式(兩根導線作為電源輸入，信號輸出的公用傳輸線)。將熱電阻信號變換成與輸入信號或與溫度信號成線性的420mA的輸出信號。主要特點：（1）采用環氧樹脂密封結構，因此抗震、耐溫，適合在惡劣現場環境中安裝使用。 （2）現場安裝于熱電阻的接線盒內，直接輸出420mA，這樣既省去較貴的補償導線費用，又提高了信號長距離傳送過程中的抗干擾能力。 （3）精度高、功耗低、使

12、用環境溫度范圍寬、工作穩定可靠。 （4）量程可調，并具有線性化較正功能，熱電偶溫度變送器具有冷端自動補償功能。應用面廣，既可與熱電阻形成一體化現場安裝結構，也可作為功能模塊安裝入檢測設備中。4 參數整定根據任務書中T1、T2的單位輸入響應實驗數據，可以用最小二乘法進行擬合，或用曲線法計算參數。4.1 T1參數根據T1實驗值經EXCEL計算，得到下圖：靜態放大系數（單位輸入）根據書上的公式 我們來取 對應的 =4.2 T2參數根據T2實驗值經EXCEL計算，得到下圖靜態放大系數 （單位輸入） 對應的 =綜上：因為T2是基于T1之上的所以4.3 主副調節器的參數 采用逐步整定法整定調節器的參數，其中主調節器用的是PI控制規律，副調節器只用比例控制即可，整定參數使最大超調量小于10%且調整時間小于300秒，由仿真得圖形可知符合要求即可。5 仿真調試實驗框圖如圖：對應的響應曲線：分析：1.調整時間由圖直接得出大約為300秒，符合要求。2.最大超調量基本沒有，符合要求。3.擾動分析擾動是在500s時加進去的，由圖可知系統有良好的抗干擾能力，能達到要求。6 結論這個系統是存在一定擾動的，在有擾動時擾動引起的波動也在允許范圍之內。串級控制在對于時延較