第8章动力工程计算机控制系统实例

第8章

动力工程计算机控制系统实例

8.1 电炉温度控制系统电炉温度控制的任务:1. 使炉内温度能抗拒电源电压波动、炉内物体改变、环 境条件变化等因素的干扰，维持温度为恒定值； 2. 使炉内温度根据工艺要求按照某个指定的升温或保温 规律变化。

采用电炉温度控制系统的原因：1. 可方便地达到控制电炉温度的目的；

2. 可通过软件改变系统的控制规律、整定值、设定值以 及温度控制范围。

8.1.1系统硬件结构实时时钟：Z80-CTC芯片

模拟量输出通 道 ：D/A转换 V/I转换电路 可控硅交流调压 0~5V 器 0~10mA

控制对象——管式电炉最高温度为1000℃ 额定功率1000W 额定电压220V 最大工作电流4.5A

Z80—CTC

0~220V

TP—801 单板机

D/A

V/I

可控硅交 流调压器

电炉

控制计算机TP801单板微 机

0~5V

E (mV)

T

A/D

放大电路

检测部件

模拟量输入通道：检测元件：采用镍铬-镍硅热电偶 ,输出 E 放大电路：放大电压 A/D转换: ADC0804

8.1.2 系统设计1、被控对象的建模被控对象: 可控硅交流调压器、电炉、热电偶K 0 e s 模型为： G0 ( s) T1 s 1K0:增益， T1:时间常数(50分钟) τ :纯滞后时间(55秒)

τ 相对于T1可忽略不计，因此对象数学模型如下：

K0 G( s) T1 s 1

系统设计的依据之一

2、系统的数学模型Z80—CTC0~5V 0~10mA 0~220V

TP—801 单板机0~5V

D/A

V/IE (mV)

可控硅交 流调压器

电炉

T

A/D

放大电路

检测部件

Y (z )

R (z )

E (z )

-

D(z )f (t )

ZOH零阶保持器

K1

PI控制规律

K0 T1s 1

Y (s )

K3

K2

K1:V/I电路转换系数；K2:温度和毫伏比例系数；K3:放大电路增益

2、系统的数学模型Y (z )

R (z )

E (z )

-

D(z )f (t )

ZOH零阶保持器

K1

PI控制规律

K0 T1s 1

Y (s )

K2 K3 K1:V/I电路转换系数；K2:温度和毫伏比例系数；K3:放大电路增益

Ki K p (1 z 1 ) 1 zR (z ) E (z ) 1

K (1 e T / T1 ) z 1 1 e T / T1 z 1

K0 K1KFY (z )

Gd (z)D(z )f (t )

ZOH零阶保持器

PI控制规律

K T1s 1

1 KFK2 K3

3、系统的参数整定基本原则：系统稳定由闭环系统特征方程为：

z 2 Az B 0

A K (1 e T / T1 )(K p Ki ) (1 e T / T1 )

B e T / T1 KK p (1 e T / T1 )

根据舒尔—科恩判据，二阶系统的稳定条件为： A B 1 0 T / T1

1 B 0 1 A B 0

1 Kp K

1 e 1 e T / T1

1 Ki 2

已知T1=50分钟，若式中其它参数取： T=4~8s, K=5, Ki=1,1<Kp<10, 则系统满足稳定条件。

8.1.3 控制软件设计1. 炉温控制对软件的要求：(1) 以采样周期T定时采样炉温；

(2) 在炉温与设定值相差较大时，按某一升温速

度升温；(3) 当炉温与设定值之差小于某值e0时，微机输出一开关 量并开始定时保温。在保温时间内，系统采用PI控制； (4) 保温一定时间后，微机输出一开关量信号，结束保温 状态，并自动降温； (5) 为了抑制干扰信号，对输入至微机的采样信号，按算 术均值算法进行预处理。

2、数字控制算法在|e(k)|<e0小偏差范围内，系统的基本算法如下: (1) 第k采样周期算术均值N

1 f (k ) N(2) 系统的误差信号e(k)

f (k )i 1 i

e(k ) r (k ) f (k )(3) PI控制算法k

r(k)为设定值

u (k ) K p e(k ) K i e(i)i 1

3启动

控制软件流程e(k)> 0 Y e(k)>e0

设置：PIO工作方式、采样周期 保温时间、输入计数 N

N

输 出 减 小 输 出 某 常 值

采样？Y 求f(k) 求e(k)

Y

N I/O口输出一开关量 t=Δ t ? Y I/O口输出一开关量 N

求Ki、∑e(i) 溢出? N 求u(k) Y

输 出 某 常 值 输 出 某 常 值

输出0 溢出? N 停机 输出u(k)

Y

4、运行效果(1)可使温度控制范 围最大达0~1000℃;温度T (0C)500 400 300 200 定时温度 100 时间t (分) 20 40 60 80 100

(2)为提高控制精度， 可将零点迁移，即采 用区域控制方法，区 域控制范围为400~ 500℃和500~600℃, 控制精度可达±1℃。

控制温度为500℃时温度上升曲线

8.2 工业锅炉控制系统8.2.1 系统功能的基本要求： 1、控制功能汽包水位、蒸汽压力、风/煤比、烟气含氧量、炉膛压力

2、控制参数的在线修改被控参数给定值、控制参数整定值、工艺变动参数

3、无扰动切换功能自动/手动控制之间自平衡双向无扰动切换

4、打印、显示和报警功能

火电厂控制系统1、锅炉燃烧控制系统(燃烧量、风量、炉膛压力)

2、锅炉蒸汽温度控制系统(主蒸汽温度、再热蒸汽温度)

3、锅炉汽包给水控制系统 4、汽轮机旁路控制系统

8.2.2 锅炉控制方案 1、 汽包水位控制汽包水位控制意义(水位太高、太低)给水系统 影响汽包水位的主要因素(主蒸汽流量、给水流量)

给水量——水位：大惯性蒸汽量——水位：虚假水位 串级三冲量(水位H、给水量W、蒸汽量D)控制D 前馈补偿 器 H0 + H -0 + 水位控制器 + + 流量控制器 给水阀 流量对象 变送器Ⅲ W

DW水位对象 H

水位控制器

水位对象

H

变送器Ⅱ 变送器Ⅰ 变送器Ⅰ

单冲量水位控制系统结构原理 三冲量水位控制系统结构原理

信号采集和处理 水位：三联中(三位置采样),越限即切除主燃料 给水量：受温度、压力影响

主蒸汽流量：计算得到，与主蒸汽压力、背压有关前馈补偿 器 H0 + -

变送器Ⅲ

D W H

水位控制器

+ -

+ 流量控制器 给水阀 流量对象

水位对象

变送器Ⅱ

变送器Ⅰ

三冲

量水位控制系统结构原理