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1、控制系统课程设计题目：蒸汽温度控制系统设计系 另归电气工程系专 业：自动化姓 名：学 号：指导教师：河南城建学院2013年01月11日摘要木文是针对锅炉过热蒸汽温度控制系统进行的分析和设计。控制系统采用吊级控制以 提高系统的控制性能，在系统中采用了主控吊级控制的切换装置，使系统可以适用于不同 的工作环境。通过使用该系统，可以使得锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化， 并保护过热器营壁温度不超过允许的工作温度。关键字：过热蒸汽控制 吊级控制系统 口动控制 主控吊级切换目录1生产工艺介绍11蒸汽过热系统的控制12控制原理简介12控制方案选择22.1.1单回路控制方案22.1.2串级控制方案22
2、.2串级控制方案论证33控制系统设计43系统控制参数确定43.1.1主变量的选择43.1.2副变量的选择53.3操纵变量的选择53.2调节阀的选择53.3控制器设计63.3.1控制器控制规律的选择63.3.2控制器正、反作用选择63.3.3控制器的电路实现74控制仪表的选择75系统控制流程图86总结体会86设计总结86.2心得体会8参考文献10蒸汽温度控制系统设计1生产工艺介绍1.1蒸汽过热系统的控制蒸汽过热系统则是锅炉系统安垒正常运行，确保蒸汽品质的重要部分。木设计主要考 虑的部分是锅炉过热蒸汽系统的控制。蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。控制任务是使过热器出口温度 维持在允许
3、范围内，并保护过热器吋管壁温度不超过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过 高，过热器容易损坏，汽轮机也因内部过度的热膨胀而严重影响安全运行；过热温度过低, 一方面使设备的效率降低，同吋使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必 须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。锅炉过热蒸汽系统主要由一级过热器、减温器和二级过热器组成，在锅炉生产过程中, 过热蒸汽温度是整个汽水通道中最高的温度。过热器温度过高将导至过热器损坏，同吋还 会危及汽轮机的安全运行。过热器温度过低则将使设备效率降低，影响经济指标。影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的
4、有：过热器是一个多容且延迟较大的惯性 环节，设备结构设计与控制要求存在若矛盾，各种扰动因素之闻相互影响，如蒸汽量、燃 烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焙，流经过热器的烟气温度及流速的变化等。 而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。因此，过热蒸汽温度控制的 主要任务就是：(1) 克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保持蒸气品质合格：(2) 保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。木设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。2控制原理简介随着控制理论的发展，越来越多的智能控制技术，如自适应控制、模型预测控制、模 糊控制、神经网
5、络等，被引入到锅炉过热蒸汽温度控制中。但这些控制技术主要是为了改 善和提高控制系统的控制品质，并没有从引起过热蒸汽温度波动的源头入手。通常，烟气 温度过高是引起过热蒸汽温度过高的主耍原因。一般，过热蒸汽温度在烟气扰动下延迟较 小，而在减温水量扰动下延迟较大，这种特性将使过热蒸汽温度的控制滞后。2.1控制方案选择2.1.1单回路控制方案在运行过程中。改变减温水流量，实际上是改变过热器出I蒸汽的热焙，亦改变进口 蒸汽温度，如下图所示。从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单, 因此，应用得最多。减温器有表面式和喷水式两种。减温器应尽可能地安装在靠近蒸汽出I处，但一定要 考虑过热器材
6、科的安全问题，这样能够获得较好的动态特蛀。但作为控制对象的过热器， 由于管壁金属的热容量比较大，使Z有较大的热惯性。加上管道较长有一定的传递滞后， 如果用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出I蒸汽温度t变化后，调节器才开始动 作，去控制减温水流量W.W的变化又要经过一段时向才能影响到蒸汽温度t这样，既不能 及早发现扰动，又不能及时反映控制的效杲，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。 影响锅炉生产的安全和经济运行。图21改变减温水量控制蒸汽温度系统实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常 数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。因此常采用
7、串级控制 系统，减温器出口温度为副参数，以捉高对过热蒸汽温度的控制质量。2.1.2串级控制方案过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图所示。采用两级调节器，这两级调 节器串在一起，各冇其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受 到调节器2的控制，形成了特冇的双闭环系统，由副调节器调节器和减温器出口温度形成 的闭环称为副环。由主调节器和主信号一出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环 是串在主环Z中。图2-2过热蒸汽温度串级调节系统原理图调节器2称主调节器，调节器1称为副调节器。将过热器出口蒸汽温度调节器的输出 信号，不是用来控制调节阀而是用来改变调节器2的给定值，起着最
8、后校正作用。串级系统是一个双冋路系统，实质上是把两个调节器串接起来，通过它们的协调工作, 使一个被控量准确地保持为给定值。通常串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主 环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，希望主副环的工作频率相差三倍以上, 以免频率相近时发生共振现象面破坏正常工作。串级控制系统可以看作一个闭合的副冋路 代替了原来的一部分对象，起了改善对象特征的作用。除了克服落在副环内的扰动外，还 提高了系统的工作频率，加快过渡过程。串级控制由于副环的存在，改善了对象的特性，使等效副对彖的时间常数减小，系统 的工作频率提高。同时，由于串级系统具有主、副两只控制器，使控制器的总放大倍数
9、增 大，系统的抗干扰能力增强，因此，一般来说串级控制系统的控制质量要比单冋路控制系 统高。在炉温过热蒸汽温度控制系统中，为了获得更好的控制精度，所以采用串级控制系统 以得到良好的控制特性。2.2串级控制方案论证串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求 越来越高，简单控制系统己不能满足工艺要求的情况下产生的。图23串级控制系统方框图由上图可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。 主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副 控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副
10、环 是一个随动控制系统。串级控制系统中，两个控制器串联工作，以主控制器为主导，保证主变量稳定为目的, 两个控制器协调一致，互相配合。若干扰來门副环，副控制器首先进行“粗调，主控制器 再进一步进行“细调J因此控制质量优于简单控制系统。串级控制有以卜优点 由于副回路的存在，减小了对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加及 时； 提高了系统的工作频率，使振荡周期减小，调节时间缩短，系统的快速性增强了； 对二次干扰具有很强的克服能力，对客服一次干扰的能力也有一定的提高； 对负荷或操作条件的变化有一定的门适应能力。一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副冋路进入吋，其最大偏差将会 较小到控
11、制系统的丄丄，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制10 100系统的丄丄。但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。因35此，串级控制系统的设计合理性十分重要。3控制系统设计3.1系统控制参数确定3.1.1主变量的选择串级控制系统选择主变量时要遵循以下原则：在条件许可的情况下，首先应尽量选择 能直接反应控制R的的参数为主变量；其次要选择与控制A的有某种单值对应关系的间接 单数作为主变量；所选的主变量必须有足够的变化灵敏度。综合以上原则，在本系统中选择送入负荷设备的出I蒸汽温度作为主变量。该参数可 直接反应控制冃的。3.1.2副变量的选择副回路的设计质量是保证
12、发挥吊级系统优点的关键。副变量的选择应遵循以卜原则： 应使主耍干扰和更多的干扰落入副回路； 应使主、副对象的时间常数匹配； 应考虑工艺上的合理性、可能性和经济型综合以上原则，选择减温器和过热器Z间的蒸汽温度作为副变量。3.1.3操纵变量的选择工业过程的输入变量有两类：控制变量和扰动变量。其中，干扰时客观存在的，它是 影响系统平稳操作的因素，而操纵变量是克服干扰的影响，使控制系统重新稳定运行的因 素。操纵变量的基本原则为： 选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为操纵变量； 在以上而提厂 选择变化范围较大的输入变量作为控制变量，以便易于控制； 在的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作
13、为控制变量，使控制系统 响应较快；综合以上原则，选择减温水的输入量作为操纵变量。3.2调节阀的选择在木系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改 变阀的开度，以实现调节流体流量的装置。调节阀的I径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。为了保证系统有较好的流 通能力，需耍使控制阀两端的压降在整个管线的总压降中占有较大的比例。调节阀的开、关形式需耍考虑到以卜几种因素： 生产安全角度：当气源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况卞，应该确保生 产工艺设备的安全，不至发生事故； 保证产品质量：当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应 降低; 尽可能的降低
14、原料、产品、动力损耗； 从介质的特点考虑。综合以上齐种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气开阀。调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开 特性三种，在木系统中调节阀的流量特性选择线性特性。阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接 受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位 移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹 簧的不稳定以及齐运动部件的干摩擦，从而提高调节阀的精度和可靠性，实现准确定位； 阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞
15、后，加快阀杆的移动速度； 阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。3.3控制器设计由上文论述可知，系统的控制结构选择串级控制。3.3.1控制器控制规律的选择在串级控制中，主变量直接关系到产品的质量或生产的安全，所以主变量一般耍求不 得有余差，而对副变量的要求一般都不很严格，允许有一定的波动和余差。从串级控制的 结构上看，主环是一个定制系统，主控制器起着定值控制作用，为使其稳定，主控制器通 常选用比例积分控制器，对于木系统由于控制通道容量Z后较大，为克服容量滞后，选用 比例积分微分控制器作为主控制器。副环是一个随动系统，它的给定值随主控制器输出的变化而变化，为了加快跟踪，副 控制器一般不带积分作用。若副控制器有微分作用，一旦主控制器航五输出稍有变化，控 制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，故副控制器只选用比例控制器。3.3.2控制器正、反作用选择对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。副控制器的正、反作用耍根据副环的貝体情况决定，而与主环无关。为了使副环回路 构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大 倍数符号的乘积
