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热工控制系统课程设计指导书

曾竞 王鸿懿编

长沙理工大学能源与动力工程学院
2013年12月

热工控制系统课程设计指导书

前言

“热工控制系统课程设计”是“热工过程控制系统”课程的一个重要组成部分。通过实际火电厂单元机组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。

第一部分 被控对象数学模型的建立

被控对象是指各种具体热工设备，例如热工过程中的各种热交换器，加热炉、锅炉、贮液罐及流体输送设备等。尽管它们的结构和生产过程的物理性质很不相同，从控制的观点来看它们在本质上有许多相似之处。被控对象是自动控制系统中的一个重要组成部分。它的输出信号通常是生产过程中要求控制的被调量；它的输入信号是引起被调量变化的各种因素 (扰动作用和控制作用)。被控对象的动态特性取决于它的内部过程的物理性质，设备的结构参数和运行条件等，原则上可以用分析方法写出它的动态方程式。但是由于一般热工对象内部过程的物理性质比较复杂，加之运行过程中的一些实际条件很难全面予以考虑 因此用分析方法并不容易得到动态特性的精确数学表达式。比较常用的方法是在运行条件下通过实验来获得被控对象的动态特性。根据测定到的对象阶跃响应曲线，可以把它拟合成近似的传递函数，根据阶跃响应曲线求近似传递函数有很多方法，采用的传递函数在形式上也是各式各样的。任务书给出的对象的不同工况下的动态特性，根据所选择的系统多项式形式的传递函数，根据系统阶跃响应曲线，利用两点法确定形如的对象的传递函数。
若选定的传递函数的形式为 ：
上式中有三个待定的参数：放大系数 K，时间常数 T 和阶数n，传递函数的放大系数 K
的求取方法按前面求取公式确定。
(1)作稳态值的渐近线 ，则　

在试验获得的阶跃响应曲线上，求得及 )时对应的时间t1、t2后，利用下式求阶数 n：　
利用两点法公式可知：由曲线可知放大系数K，利用两点法可确定 t1，t2，利用如下公式计算对象阶次和惯性时间。

上式求得的 n 值不是整数时，应选用与其最接近的整数。
为了计算方便起见，由上式计算得出下表，直接根据 t1/t2值由表中查得相应的 n值。表中下面一行列出了 t1/t2 的数值范围。

要求：建立火电厂单元机组中重要的三大系统（蒸汽汽温控制系统、给水控制系统和燃烧控制系统）中的被控对象的传递函数数学模型。

第二部分 单回路控制系统参数整定

在被控对象数学模型建立的基础之上，通过实例讲解调节器参数的理论整定方法和工程整定方法，在参数整定的过程中进一步加深了解调节器三个参数（比例带、积分时间和微分时间）变化对控制质量的影响。利用第一部分建立的对象传递函数，进行参数整定。
2.1 广义频率特性法参数整定
单回路控制系统的原理方框图如图 2-1 所示：

图 2-1 控制系统原理框图
以对象为例，通过计算确定。
2.2 临界比例带法确定调节器参数
采用等幅振荡法通过试凑法逐步确定等幅振荡时比例调节器的比例增益， 和计算确定的调节器参数进行比较。将计算确定的参数 。投入系统运行，系统结构如下图所示：

2.2 仿真系统结构图
根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的等幅振荡周期，可以查表确定当系统衰减率φ =0.75时调节器参数、、 。
根据查表确定的调节器参数，投入闭环运行，观察运行效果。
一、根据上节所确定的传递函数形式（对主汽温系统，最好选择惰性区的传递函数，阶次比较高），利用广义频率特性法计算系统调节器参数，并利用matlab 进行仿真分析。 理解广义频率特性法对试凑法的指导意义。
二、利用临界比例带法实验确定调节器参数，要求记录下参数整定的典型步骤和典型曲线。
三、深入理解比例、积分、微分调节器的作用以及比例系数、积分系数和微分系数对调节过程的影响。主要分为以下几个主要步骤：
1、分析并理解比例增益 对调节过程的影响，增大和减小并观察记录系统阶跃响应曲线的输出。
2、分析并理解比例增益 对调节过程的影响，增大和减小并观察记录系统阶跃响应曲线的输出。
3、分析并理解比例增益 对调节过程的影响，增大和减小并观察记录系统阶 跃响应曲线的输出。
4、同时改变 、、的数值并观察记录对调节过程的影响，记录系统阶跃响应曲线的输出。

第三部分 串级控制系统参数整定

3.1蒸汽温度控制系统控制器参数整定
蒸汽温度控制系统，讲解蒸汽温度控制的任务和控制对象的特点及动态特性。利用多媒体课件，详细分析讲解串级控制和导前微分控制两种主蒸汽温度控制方式的特点和其控制系统的组成结构及原理框图，说明各种常用的再热蒸汽温度控制方式的特点，分析当前电站主蒸汽和再热蒸汽温度控制系统的实例；能够看懂火电厂蒸汽温度自动控制系统SAMA 图。

3.1 过热汽温串级控制系统原理结构图
由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：

3.2 过热汽温串级控制系统方框图

3.3 过热汽温串级控制系统仿真组态图
根据教材上的串级控制系统飞整定方法，首先整定内回路（副调节器参数的整定），然后整定外回路（主调节器参数的整定）。
蒸汽温度控制系统控制器参数整定要求：
一、了解过热汽温串级控制系统的结构组成以及过热汽温串级控制系统的性能特点。
二、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。
三、分析不同负荷变化时对控制系统控制品质的影响。
3.2锅炉给水控制系统控制器参数整定
锅炉给水控制系统，利用多媒体课件，讲解锅炉给水控制系统的任务和控制对象的动态特性，分析不同的给水控制系统各自的特点和工作原理，并了解各控制系统中控制信号的选取、作用及静态整定方法。以当前电站锅炉给水自动控制系统实例进行串级三冲量给水自动控制系统分析和参数整定。
锅炉给水控制系统控制器参数整定要求：
一、了解给水串级控制系统的结构组成以及给水控制系统的特点。
二、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。
三、分析给水流量扰动和蒸汽流量扰动对水位的影响以及负荷变化时对控制系统控制品质的影响。
3.3 燃烧控制系统控制器参数整定
燃烧控制系统，讲解锅炉燃烧控制系统的组成原则和基本任务，分析不同燃烧控制系统设计方案的特点、适用对象和控制信号的构成，详细讲解燃料量、风量和炉膛压力3个控制系统的组成、控制逻辑、工作原理和相互间的耦合影响关系。以当前火电厂实际燃烧控制系统为例进行分析。通过实验深入理解控制器参数对控制过程的影响以及单回路控制系统的工程整定方法，掌握串级控制系统的组成和特点，内、外控制器在串级控制系统中的作用及对控制过程影响的特点、串级控制系统的工程整定方法。
燃烧控制系统控制器参数整定要求：
一、了解给燃烧控制系统的结构组成以及燃烧控制系统的特点。
二、掌握串级控制系统调节器参数的实验整定方法。
三、分析扰动对被调量的影响以及调节器参数一定负荷变化时对控制系统控制品质的影响。

第四部分 某电厂热工系统 SAMA 图分析

针对某电厂协调控制系统、主汽温控制系统SAMA 图、锅炉给水控制系统SAMA 图和燃烧控制系统SAMA图进行分析，看懂SAMA图所代表的含义，根据自己理解画出其主 要系统结构图。
本节要求：
一、掌握 SAMA 图表示方法，能够看懂 SAMA 图所表示的意义
二、分析 SAMA 图中具体结构和功能
三、画出其简化结构图