溫度控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　串級控制系統(tǒng)-----兩只調(diào)節(jié)器串聯(lián)起來工作，其中一個調(diào)節(jié)器的輸出作為另一個調(diào)節(jié)器的給定值的系統(tǒng)。</p><p>　　串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。 前一個調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參

2、數(shù)），即工藝控制指標(biāo)；后一個調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。 </p><p>　　整個系統(tǒng)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(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 </p><p>　　一次擾動：作用在主被控過程上的，而不包括在副回路范

3、圍內(nèi)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(nèi)的擾動。</p><p>　　本設(shè)計通過實驗對數(shù)據(jù)的分析，來建立系統(tǒng)被控對象模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，采用最小二乘曲線擬合的方法，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了曲線擬合，從而得出了該生產(chǎn)過程的被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即傳遞函數(shù)。接著對系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用串級控制，再根據(jù)對象模型的結(jié)構(gòu)來確定溫度控制系統(tǒng)的控制器及控制算法，來實現(xiàn)發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，從而使各

4、項參數(shù)都能滿足各自的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：串級控制、仿真、PID控制、調(diào)節(jié)器、增益</p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　發(fā)電廠從鍋爐汽鼓出來的飽和蒸汽經(jīng)過兩段過熱器繼續(xù)加熱，使蒸汽溫度達(dá)到460℃左右，再去推動汽輪機(jī)工作。每一種鍋爐與汽輪機(jī)組都有一個規(guī)定的運(yùn)行溫度，在這個溫度下機(jī)組的效率最高。如果

5、溫度過高，會使汽輪機(jī)的壽命大大縮短，如果溫度過底，當(dāng)蒸汽帶動汽輪機(jī)作功時，會使部分蒸汽變成小水滴，沖擊汽輪機(jī)葉片，造成生產(chǎn)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(jī)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(dá)到高精度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見的是兩段調(diào)節(jié)。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(tǒng)調(diào)節(jié)各自的減溫器噴霧的減溫

6、水流量，來維持各段過熱器出口的溫度恒定。假定兩個系統(tǒng)溫度控制方式完全一樣，試設(shè)計其中一段的溫度控制系統(tǒng)。（蒸汽的壓力和溫度另有控制系統(tǒng)，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。）</p><p>　　2 課程設(shè)計任務(wù)及要求</p><p><b>　　2.1設(shè)計目的</b></p><p>　

7、　有效控制發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度，使鍋爐與汽輪機(jī)組都在一個規(guī)定的運(yùn)行溫度，在這個溫度下機(jī)組的效率最高。在穩(wěn)定溫度下運(yùn)行可以延長汽輪機(jī)壽命，減少生產(chǎn)事故。</p><p><b>　　2.1設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　控制系統(tǒng)要求控制溫度的誤差不得超過5℃。由于汽鼓至汽輪機(jī)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(dá)到高精

8、度的溫度控制是很困難的，為此采用分段調(diào)節(jié)，其中最常見的是兩段調(diào)節(jié)。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(tǒng)調(diào)節(jié)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。</p><p><b>　　系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　通過實驗，測得對象對于輸入Q（單位輸入）的響應(yīng)如下（表中溫度為負(fù)）：</p>

9、<p><b>　　2.3設(shè)計要求</b></p><p>　　1、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為0。</p><p>　　2、5%誤差帶的調(diào)整時間不大于300秒，最大超調(diào)量小于10%，這兩個性能指標(biāo)盡可能小。</p><p>　　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

10、范圍。</p><p>　　4、根據(jù)以上的工藝要求設(shè)計該控制系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)控制框圖。包括控制參數(shù)、被控參數(shù)的選擇，調(diào)節(jié)閥的選擇，檢測與變送裝置的選擇，控制器的設(shè)計。</p><p><b>　　3理論設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1方案論證</b></p><p>　　3.1.1常規(guī)

11、PID控制</p><p>　　汽輪蒸汽溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對象存在大滯后現(xiàn)象和擾動，而系統(tǒng)對控制精度與功能的要求比較高，在這種情況下采用常規(guī)的PID控制得到的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都很差，故不宜采用。</p><p><b>　　3.1.2串級控制</b></p><p>　　串級控制是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個控制回路，構(gòu)成串級控制系統(tǒng)。串

12、級控制對提高大延時和大時間常數(shù)過程的控制質(zhì)量有顯著的效果，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中應(yīng)用廣泛。串級控制在結(jié)構(gòu)上形成了兩個環(huán)：一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)，起著粗調(diào)作用；一個環(huán)在外面，稱為主環(huán)，起著細(xì)調(diào)作用。這樣一來對于發(fā)電廠汽輪發(fā)電機(jī)蒸汽溫度控制，就能有很好的控制效果了。</p><p><b>　　3.2系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　3.2.1結(jié)構(gòu)框圖及說明<

13、/p><p>　　系統(tǒng)包括兩臺溫度變送器（T1與T2）、一臺減溫器、一臺PI調(diào)節(jié)器以及電/氣轉(zhuǎn)換、升壓型氣動繼動器、帶閥門定位器的氣動活塞式執(zhí)行機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)閥本體等。由于減溫水的壓力很高，所以調(diào)節(jié)閥應(yīng)選用耐高壓與流通能力大的閥門。</p><p>　　3.2.2系統(tǒng)儀器的選擇</p><p>　　1：主調(diào)節(jié)器選用PI控制算法（反作用）</p><p&g

14、t;　　主參數(shù)允許的波動范圍很小，要求無余差，因此選用PI控制規(guī)律。</p><p>　　2：副調(diào)節(jié)器與用P控制算法 （反作用）</p><p>　　因為若采用積分規(guī)律會延長控制過程，減弱副回路的快速作用。</p><p>　　3：調(diào)節(jié)閥用自力式溫度調(diào)節(jié)閥SLZW氣開型</p><p>　　SLZW型自力式溫度調(diào)節(jié)閥不需外界能源而進(jìn)行溫度自動

15、調(diào)節(jié)。它適用于蒸汽、熱水、熱油等為介質(zhì)的各種換熱工況。 廣泛應(yīng)用于供暖、空調(diào)、生活熱水中的溫度自動調(diào)節(jié)，以及特殊工況的溫度自動調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　主要特點：</b></p><p>　?。?）無需任何外加能源，利用被調(diào)介質(zhì)自身能量實現(xiàn)介質(zhì)溫度自動調(diào)節(jié)的執(zhí)行器產(chǎn)品。</p><p>　?。?）有較寬的溫度設(shè)定范圍，顯示清晰、精度高

16、，并設(shè)有過載保護(hù)裝置，安全可靠。</p><p>　　4：傳感器、變送器的選擇</p><p>　　傳感器選用FR-01系列的溫度傳感器，它采用進(jìn)口鉑電阻芯片制做而成，適合測量-100——500溫度區(qū)間，該產(chǎn)品具有良好的抗震能力、高精度、長期穩(wěn)定性好和安裝簡單等特性，在各個行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。</p><p>　　變送器選用SBWZ系列Pt1000熱電阻溫度變送器，它

17、采用二線制傳送方式(兩根導(dǎo)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4～20mA的輸出信號。</p><p><b>　　主要特點：</b></p><p>　　（1）采用環(huán)氧樹脂密封結(jié)構(gòu)，因此抗震、耐溫，適合在惡劣現(xiàn)場環(huán)境中安裝使用。 （2）現(xiàn)場安裝于熱電阻的接線盒內(nèi)，直接輸出4～20mA，這樣既省去較貴的補(bǔ)償導(dǎo)

18、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、使用環(huán)境溫度范圍寬、工作穩(wěn)定可靠。 （4）量程可調(diào)，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(bǔ)償功能。應(yīng)用面廣，既可與熱電阻形成一體化現(xiàn)場安裝結(jié)構(gòu)，也可作為功能模塊安裝入檢測設(shè)備中。</p><p><b>　　4 參數(shù)整定</b></p><p>　　根據(jù)任務(wù)書中

19、T1、T2的單位輸入響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)，可以用最小二乘法進(jìn)行擬合，或用曲線法計算參數(shù)。</p><p><b>　　4.1 T1參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)T1實驗值經(jīng)EXCEL計算，得到下圖：</p><p><b>　　靜態(tài)放大系數(shù) </b></p><p><b>　　相對值&

20、lt;/b></p><p><b>　　（a）</b></p><p><b>　?。╞）</b></p><p>　?。╝）和（b）取對數(shù)，聯(lián)立，得</p><p><b>　　取, </b></p><p><b>　　解得<

21、;/b></p><p><b>　　靜態(tài)放大系數(shù) </b></p><p>　　所以控制系統(tǒng)中T1的傳遞函數(shù)為 (1)</p><p><b>　　4.2 T2參數(shù)</b></p><p>　　根據(jù)T2實驗值經(jīng)EXCEL計算，得到下圖</p><p

22、><b>　　靜態(tài)放大系數(shù) </b></p><p><b>　　相對值</b></p><p><b>　　(a)</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　?。╝）和（b）取對數(shù)，聯(lián)立，得</p><

23、;p><b>　　取,,則可得</b></p><p><b>　　解得 </b></p><p><b>　　靜態(tài)放大系數(shù) </b></p><p>　　所以T2的對象模型為 (2)</p><p>　　由上述兩式得與

24、的關(guān)系可得</p><p><b>　　(3) </b></p><p>　　4.3 主副調(diào)節(jié)器的參數(shù)</p><p>　　主調(diào)節(jié)器用的是PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器只用比例控制即可，整定參數(shù)使最大超調(diào)量小于10%且調(diào)整時間小于300秒，由仿真得圖形可知符合要求即可。</p><p><b>　　仿真調(diào)試</

25、b></p><p><b>　　實驗框圖如圖：</b></p><p><b>　　對應(yīng)的響應(yīng)曲線：</b></p><p><b>　　分析：</b></p><p><b>　　1.調(diào)整時間</b></p><p>　　

26、由圖直接得出大約為300秒，符合要求。</p><p><b>　　2.最大超調(diào)量</b></p><p>　　沒有超調(diào)量，符合要求。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　這個系統(tǒng)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(nèi)。串級控制在對于時延較大和存在純滯后

27、環(huán)節(jié)的控制上控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)的PID控制。本實驗設(shè)計的控制系統(tǒng)基本滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　7 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 邵裕森，戴先中.過程控制工程[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000</p><p>　　2 張玉鐸，王滿稼.自動控制系統(tǒng)[M].水利電力出版社</p><p&g