第8章动力工程计算机控制系统实例课件

第第8 8章章 动力工程计算机控制系统实例动力工程计算机控制系统实例 8.1 8.1 电炉温度控制系统电炉温度控制系统1.使炉内温度能抗拒电源电压波动、炉内物体改变、环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；境条件变化等因素的干扰，维持温度为恒定值；电炉温度控制的任务电炉温度控制的任务:1.可方便地达到控制电炉温度的目的；可方便地达到控制电炉温度的目的；2.使炉内温度根据工艺要求按照某个指定的升温或保温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。规律变化。采用电炉温度控制系统的原因：采用电炉温度控制系统的原因：2.可通过软件改变系统的控制规律、整定值、设定值以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。及温度控制范围。8.1.18.1.1系统硬件结构系统硬件结构控制对象控制对象管式电炉管式电炉最高温度为最高温度为1000额定功率额定功率1000W额定电压额定电压220V最大工作电流最大工作电流4.5A 模拟量输入通道：模拟量输入通道：检测元件：采用镍铬检测元件：采用镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶,输出输出E E放大电路：放大电压放大电路：放大电压A/DA/D转换转换:ADC0804:ADC0804控制计算机控制计算机TP801TP801单板微单板微机机实时时钟：实时时钟：Z80-CTCZ80-CTC芯片芯片 模拟量输出通道：模拟量输出通道：D/AD/A转换转换V/IV/I转换电路转换电路可控硅交流调压可控硅交流调压器器Z80CTCTP801单板机单板机A/DD/AV/I可控硅交可控硅交流调压器流调压器电炉电炉放大电路放大电路检测部件检测部件05V05V010mA0220VE（mV）T8.1.2 8.1.2 系统设计系统设计1 1、被控对象的建模、被控对象的建模 被控对象被控对象:可控硅交流调压器、电炉、热电偶可控硅交流调压器、电炉、热电偶 K K0 0：增益，：增益，T T1 1：时间常数（：时间常数（5050分钟）分钟）：纯滞后时间（：纯滞后时间（5555秒）秒）相对于相对于T T1 1可忽略不计，因此对象数学模型如下：可忽略不计，因此对象数学模型如下：系统设计的依据之一系统设计的依据之一模型为：模型为：2 2、系统的数学模型、系统的数学模型K K1 1：V/IV/I电路转换系数电路转换系数；K K2 2：温度和毫伏比例系数温度和毫伏比例系数；K K3 3：放大电路增益放大电路增益-PIPI控制规律控制规律零阶保持器零阶保持器 Z80CTCTP801单板机单板机A/DD/AV/I可控硅交可控硅交流调压器流调压器电炉电炉放大电路放大电路检测部件检测部件05V05V010mA0220VE（mV）T2 2、系统的数学模型、系统的数学模型K K1 1：V/IV/I电路转换系数电路转换系数；K K2 2：温度和毫伏比例系数温度和毫伏比例系数；K K3 3：放大电路增益放大电路增益-PIPI控制规律控制规律零阶保持器零阶保持器 -PIPI控制规律控制规律零阶保持器零阶保持器 3 3、系统的参数整定、系统的参数整定基本原则：系统稳定基本原则：系统稳定 由闭环系统特征方程为：由闭环系统特征方程为：根据舒尔根据舒尔科恩判据，二阶系统的稳定条件为：科恩判据，二阶系统的稳定条件为：已知已知T T1 1=50=50分钟，若式中其它参数取：分钟，若式中其它参数取：T=4T=48s8s，K=5 K=5，Ki=1 Ki=1，1Kp101Kp10，则系统满足稳定条件。则系统满足稳定条件。8.1.3 8.1.3 控制软件设计控制软件设计 (5)(5)为为了了抑抑制制干干扰扰信信号号，对对输输入入至至微微机机的的采采样样信信号号，按按算算术均值算法进行预处理。术均值算法进行预处理。1.1.炉温控制对软件的要求：炉温控制对软件的要求：(1)(1)以采样周期以采样周期T T定时采样炉温；定时采样炉温；(2)(2)在炉温与设定值相差较大时，按某一升温速度升温；在炉温与设定值相差较大时，按某一升温速度升温；(3)(3)当炉温与设定值之差小于某值当炉温与设定值之差小于某值e e0 0时，微机输出一开关时，微机输出一开关 量并开始定时保温。在保温时间内，系统采用量并开始定时保温。在保温时间内，系统采用PIPI控制；控制；(4)(4)保温一定时间后，微机输出一开关量信号，结束保温保温一定时间后，微机输出一开关量信号，结束保温 状态，并自动降温；状态，并自动降温；2 2、数字控制算法、数字控制算法在在|e(k)|e|e(k)|e(k)0 0e(k)ee(k)e0 0I/OI/O口输出一开关量口输出一开关量t=tt=t?I/OI/O口输出一开关量口输出一开关量输出输出0 0停机停机输出输出u(k)u(k)溢出溢出?求求u(k)u(k)溢出溢出?求求K Ki i、e(i)e(i)输出某常值输出某常值输出某常值输出某常值输出某常值输出某常值输出减小输出减小N NN NN NY YY YY YY YY YN NN N4 4、运行效果、运行效果（1 1）可使温度控制范）可使温度控制范围最大达围最大达0 010001000；（2 2）为提高控制精度，）为提高控制精度，可将零点迁移，即采可将零点迁移，即采用区域控制方法，区用区域控制方法，区域控制范围为域控制范围为400400500500和和500500600600，控制精度可达控制精度可达11。控制温度为控制温度为500500时温度上升曲线时温度上升曲线温度温度T T（0 0C C）时间时间t t（分）（分）5005004004003003002002001001002020404060608080100100定时温度定时温度8.2 8.2 工业锅炉控制系统工业锅炉控制系统8.2.1 8.2.1 系统功能的基本要求：系统功能的基本要求：1 1、控制功能、控制功能 汽包水位、蒸汽压力、风汽包水位、蒸汽压力、风/煤比、烟气含氧量、炉膛压力煤比、烟气含氧量、炉膛压力2 2、控制参数的在线修改、控制参数的在线修改 被控参数给定值、控制参数整定值、工艺变动参数被控参数给定值、控制参数整定值、工艺变动参数3 3、无扰动切换功能、无扰动切换功能 自动自动/手动控制之间自平衡双向无扰动切换手动控制之间自平衡双向无扰动切换4 4、打印、显示和报警功能、打印、显示和报警功能火电厂控制系统火电厂控制系统1 1、锅炉燃烧控制系统、锅炉燃烧控制系统 （燃烧量、风量、炉膛压力）（燃烧量、风量、炉膛压力）2 2、锅炉蒸汽温度控制系统、锅炉蒸汽温度控制系统 （主蒸汽温度、再热蒸汽温度）（主蒸汽温度、再热蒸汽温度）3 3、锅炉汽包给水控制系统、锅炉汽包给水控制系统4 4、汽轮机旁路控制系统、汽轮机旁路控制系统8.2.2 8.2.2 锅炉控制方案锅炉控制方案 1 1、汽包水位控制汽包水位控制 汽包水位控制意义（水位太高、太低）汽包水位控制意义（水位太高、太低）给水系统给水系统 影响汽包水位的主要因素影响汽包水位的主要因素 （主蒸汽流量、给水流量）（主蒸汽流量、给水流量）给水量给水量水位：大惯性水位：大惯性蒸汽量蒸汽量水位：水位：虚假水位虚假水位 串级三冲量（串级三冲量（水位水位H H、给水量、给水量W W、蒸汽量、蒸汽量D D）控制）控制 单冲量水位控制系统结构原理单冲量水位控制系统结构原理水位对象水位对象水位控制器水位控制器变送器变送器H H0 0+-W WH HD D三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前馈补偿前馈补偿器器变送器变送器流量控制器流量控制器给水阀给水阀流量对象流量对象水位对象水位对象水位控制器水位控制器变送器变送器变送器变送器H H0 0+-+W WH HD D三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前馈补偿前馈补偿器器变送器变送器流量控制器流量控制器给水阀给水阀流量对象流量对象水位对象水位对象水位控制器水位控制器变送器变送器变送器变送器H H0 0+-+W WH HD D信号采集和处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、背压有关主蒸汽流量：计算得到，与主蒸汽压力、背压有关给水控制系统的切换给水控制系统的切换1 1）低负荷（）低负荷（202030%30%负荷）：单负荷）：单冲量给水控制冲量给水控制2）高负荷（大于高负荷（大于30%负荷）：负荷）：三冲量给水控制三冲量给水控制单冲量水位控制系统结构原理单冲量水位控制系统结构原理水位对象水位对象水位控制器水位控制器变送器变送器H H0 0+-W WH HD D三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前馈补偿前馈补偿器器变送器变送器流量控制器流量控制器给水阀给水阀流量对象流量对象水位对象水位对象水位控制器水位控制器变送器变送器变送器变送器H H0 0+-+W WH HD D2.2.锅炉的燃烧控制系统锅炉的燃烧控制系统任务任务:1.1.根据蒸汽流量大小、蒸汽压力高低改变根据蒸汽流量大小、蒸汽压力高低改变燃料投入量燃料投入量2.2.根据燃料投入量和燃烧情况确定根据燃料投入量和燃烧情况确定送风量送风量3.3.使引风量和送风量配合以保证使引风量和送风量配合以保证炉膛压力炉膛压力稳定稳定用三个调节器控制三个调节变量（燃料量、送风量、引风量）用三个调节器控制三个调节变量（燃料量、送风量、引风量）以维持三个被调量（主蒸汽压力、含氧量、炉膛压力）的稳定以维持三个被调量（主蒸汽压力、含氧量、炉膛压力）的稳定 目的目的:维持蒸汽压力稳定，保证燃烧经济性，提高锅炉热效率维持蒸汽压力稳定，保证燃烧经济性，提高锅炉热效率 2.2.锅炉的燃烧控制锅炉的燃烧控制1）燃烧量控制）燃烧量控制根据蒸汽流量和蒸汽压力控制燃烧量，使燃料燃烧提供的热量满根据蒸汽流量和蒸汽压力控制燃烧量，使燃料燃烧提供的热量满足蒸汽负荷需求足蒸汽负荷需求影响因素：锅炉负荷、给水温度、煤发热量、总风量、一次风量影响因素：锅炉负荷、给水温度、煤发热量、总风量、一次风量通过调节磨煤机的一次风量进行控制通过调节磨煤机的一次风量进行控制2）送风控制）送风控制保证燃料在炉膛中的充分燃烧保证燃料在炉膛中的充分燃烧影响因素：锅炉负荷、烟气含氧量影响因素：锅炉负荷、烟气含氧量通过调节送风机动（静）导叶的开度进行控制通过调节送风机动（静）导叶的开度进行控制3）炉膛压力控制）炉膛压力控制维持炉膛压力为恒定值，以稳定燃烧，保证安全维持炉膛压力为恒定值，以稳定燃烧，保证安全影响因素：送风量、引风量影响因素：送风量、引风量通过调节引风机动（静）导叶开度或入口挡板进行控制通过调节引风机动（静）导叶开度或入口挡板进行控制2.2.锅炉的燃烧控制锅炉的燃烧控制汽包压力汽包压力P PPIDPID2 2给煤给煤对象对象风量风量对象对象给煤给煤机构机构送风门送风门变送器变送器压力压力对象对象PIDPID3 3n n1 1n n2 2PIDPID1 1变送器变送器变送器变送器汽压给汽压给定值定值P P0 0-氧量给定值氧量给定值氧量校正氧量校正主调节器主调节器含氧量含氧量风煤比值并行燃烧控制系统风煤比值并行燃烧控制系统3 3、炉膛压力控制、炉膛压力控制 维持炉膛压力稳定：维持炉膛压力稳定：1 1）改变引风机挡板开度）改变引风机挡板开度(控制引风量控制引风量)2 2）调节）调节引风机动（静）导叶开度引风机动（静）导叶开度炉膛压力炉膛压力Y YAMAM前馈补偿器前馈补偿器PIDPID执行器执行器压力压力对象对象变送器变送器炉膛压力炉膛压力给定值给定值Y Y0 0-送风门开度送风门开度限幅器限幅器 前馈加反馈的单回路复合控制系统前馈加反馈的单回路复合控制系统8.2.3 8.2.3 系统的硬件组成系统的硬件组成STDSTD总线结构的工业锅炉总线结构的工业锅炉DDCDDC系统示意图系统示意图开关开关按钮按钮指示器指示器CPUCPU（80888088）MEMMEM模板模板开关量开关量输入模板输入模板A/DA/D模板模板D/AD/A模板模板开关量开关量输出模板输出模板变送器变送器执行器执行器S T D S T D 总总 线线键盘键盘CRTCRT键盘键盘/显示模板显示模板打印机打印机打印机打印机接口模板接口模板总线匹配总线匹配模板模板生生 产产 过过 程程STDSTD总线工业控总线工业控制机组成：制机组成：CPU/MEMCPU/MEM板板键盘键盘/显示接口板显示接口板打印机接口板打印机接口板开关量输入板开关量输入板开关量输出板开关量输出板8.2.4 8.2.4 系统的软件组成系统的软件组成最低层最低层通用子程序库通用子程序库一般性子程序、过程控制通用子程序、驱动子程序一般性子程序、过程控制通用子程序、驱动子程序第二层第二层功能模块层功能模块层单回路单回路PIDPID控制、串级控制、前馈加单回路反馈控制、前馈加控制、串级控制、前馈加单回路反馈控制、前馈加串级反馈控制、自动选择性控制、串级反馈控制、自动选择性控制、CRTCRT画面选择、打印模块等画面选择、打印模块等最高层最高层系统主程序系统主程序调用各种功能模块来实现既定的控制策略调用各种功能模块来实现既定的控制策略YYN开始开始初始化初始化参数采样输入参数采样输入报警输出报警输出水位控制水位控制综合燃烧控制综合燃烧控制负压控制负压控制工程量转换工程量转换计算累积量计算累积量CRT画面刷新画面刷新打印输出打印输出在线修改参数在线修改参数打印周期到？打印周期到？请求修改参数请求修改参数控制周期到？控制周期到？NY作用作用:保证处于手动控保证处于手动控制时制时D/A转换器的模转换器的模拟量输出，总是自动拟量输出，总是自动跟踪并等于手动控制跟踪并等于手动控制的输出信号的输出信号Vi（自平（自平衡无扰动）衡无扰动）1、跟踪程序、跟踪程序读开关读开关K的状态的状态是手动吗？是手动吗？由由A/D通道读入通道读入Vf控制器跟踪处理控制器跟踪处理Vf送输出单元送输出单元输出到输出到D/A输出输出控制器执行本回路的控制器执行本回路的控制运算控制运算运算结果送输出单运算结果送输出单元元NY主主机机 系系 统统 总总 线线D/AD/A执行机构执行机构被被控控对对象象传感器传感器滤波滤波整流整流I/VI/V前置前置放大放大器器A/DA/D接口接口接口接口功率放大器功率放大器检测被控对检测被控对象输出量象输出量抑制无用抑制无用频率信号频率信号交流信号交流信号转为直流转为直流电流信号电流信号转为电压转为电压放大信号放大信号模拟信号模拟信号转为数字转为数字格式或电格式或电平转换平转换信息传输信息传输或缓冲或缓冲数字信号数字信号转为模拟转为模拟控制信号转换成位移控制信号转换成位移（直线或角）、形变（直线或角）、形变调节机构调节机构改变被控对象的物改变被控对象的物质流或能量流质流或能量流 2 2、系统整定参数的在线修改、系统整定参数的在线修改 1.1.通通过过CRTCRT显显示示器器和和键键盘盘操操作作来来实实现现控控制制系系统统各种整定参数的在线修改；各种整定参数的在线修改；2.2.参参数数值值的的修修改改以以增增减减量量的的形形式式进进行行，增增减减方方式分为增、快增、减和快减式分为增、快增、减和快减4 4档；档；3.3.参数在线修改工作是在前一周期的控制任务参数在线修改工作是在前一周期的控制任务已完成，而下一控制周期尚未开始时进行，已完成，而下一控制周期尚未开始时进行，参数变更不会影响系统正常控制任务的完成。参数变更不会影响系统正常控制任务的完成。必要性：必要性：1.1.系系统统对对各各个个控控制制回回路路实实行行分分时时控控制制（相相隔隔一一段段时时间间才才轮轮流流对对每每个个回回路路进进行行一一次次检检测测、控控制制运运算算和和输输出），即控制周期；出），即控制周期；2.2.生生产产现现场场的的管管理理要要求求系系统统能能提提供供当当前前的的实实时时时时钟钟用于显示和打印报表。用于显示和打印报表。3 3、实时时钟、实时时钟 实实时时时时钟钟常常由由软软件件组组成成。用用CPU/MEMCPU/MEM模模板板上上的的1616位位定定时时器器，每每1 1秒秒产产生生一一次次定定时时中中断断申申请请，计计算算机机通通过过执执行行时时钟钟中中断断服服务务程程序序，将将当当前前的的时时间间按按年年、月月、日日、时时、分、秒分别存入相应的地址单元。分、秒分别存入相应的地址单元。时钟中断服务程序时钟中断服务程序Y YN NN NY YN N保护现场保护现场置周期标志置周期标志秒单位加秒单位加1 1恢复现场恢复现场小时单元清零小时单元清零日期单元加以日期单元加以1 1日期单元置日期单元置1 1月份单元加月份单元加1 1月份单元置月份单元置1 1年份单元加年份单元加1 1满满1 1个月？个月？满满1 1年？年？满满1 1小时？小时？满满1 1分钟？分钟？置打印标志置打印标志分单元清零小时分单元清零小时单元加单元加1 1满满 24 24小时？小时？中断返回中断返回秒单位清零秒单位清零分单位加分单位加1 1Y YN NN N8.3 8.3 冷库控制系统冷库控制系统8.3.1 8.3.1 冷库计算机控制系统冷库计算机控制系统 1.1.对控制系统的基本要求对控制系统的基本要求 （3 3）可对现场参数实现巡回检测，报警监视。）可对现场参数实现巡回检测，报警监视。（1 1）实现能量匹配的自动控制，以提高制冷效率；）实现能量匹配的自动控制，以提高制冷效率；（2 2）对各制冷系统作闭环控制，使高温和低温冷库分别）对各制冷系统作闭环控制，使高温和低温冷库分别实现恒温控制，结冻系统能达到速冻、低耗的效果；实现恒温控制，结冻系统能达到速冻、低耗的效果；冷库制冷系统：冷库制冷系统：结冻系统、低温冷藏系统、高温冷藏系统结冻系统、低温冷藏系统、高温冷藏系统工程任务：工程任务：实现三个制冷系统的计算机控制实现三个制冷系统的计算机控制 2.2.系统组成系统组成外部设备外部设备计算机计算机备用计算机备用计算机模模拟拟量量输输入入通通道道开开关关量量输输入入通通道道开开关关量量输输出出通通道道压压缩缩机机回回路路氨氨泵泵回回路路冷风机冷风机电磁阀电磁阀压缩机压缩机氨泵氨泵自自动动控控制制器器高温高温-15-150 0c c低温低温-28-280 0c c冻结冻结-33-330 0c c制冰制冰-25-250 0c c冲霜冲霜回路回路水回路水回路油回路油回路放气放气回路回路冷冷 库库对话对话报警报警控制控制控制台控制台3 3、系统的功能、系统的功能（1 1）模模拟拟量量输输入入通通道道对对各各温温度度点点、压压力力点点的的参参数数进进行行巡巡检检测测，定定时时打打印印制制表表，人人工工选选点点巡巡检检、数数字显示，人工巡检速度可调；字显示，人工巡检速度可调；（2 2）对现场对现场8484个限值监视点进行声、光报警监视；个限值监视点进行声、光报警监视；（3 3）实现温度闭环控制；实现温度闭环控制；（4 4）自动启停和能量匹配；自动启停和能量匹配；（5 5）事故处理。事故处理。8.3.2 8.3.2 制冷系统的预测智能控制制冷系统的预测智能控制1.1.智能优化控制规则智能优化控制规则 制冷系统运行的专家知识采用产生式结构表示：制冷系统运行的专家知识采用产生式结构表示：IFIF THEN THEN 制冷系统的制冷系统的5 5条温度控制规律：条温度控制规律：1 1：若当前温度：若当前温度y(k)y(k)高于上限高于上限THTH，则打开电磁阀或启动压缩机供液；，则打开电磁阀或启动压缩机供液；2 2：若当前温度：若当前温度y(k)y(k)低于下限低于下限TLTL，则关闭电磁阀或停止压缩机工作。，则关闭电磁阀或停止压缩机工作。（开）（开）（关）（关）两条基本规则，保证库温两条基本规则，保证库温尽快回到允许范围之内尽快回到允许范围之内8.3.2 8.3.2 制冷系统的预测智能控制制冷系统的预测智能控制1.1.智能优化控制规则智能优化控制规则 制冷系统的制冷系统的5 5条温度控制规律：条温度控制规律：3 3：若温度在允许范围内，为了克服大时滞、大惯性的影响，需要进：若温度在允许范围内，为了克服大时滞、大惯性的影响，需要进行预测；若行预测；若L L步预测仍在允许范围内，则保持原输出状态。步预测仍在允许范围内，则保持原输出状态。4 4：在轻负荷或重负荷作用下，为了克服超调。需提前：在轻负荷或重负荷作用下，为了克服超调。需提前d d步动作。步动作。8.3.2 8.3.2 制冷系统的预测智能控制制冷系统的预测智能控制1.1.智能优化控制规则智能优化控制规则 制冷系统的制冷系统的5 5条温度控制规律：条温度控制规律：5 5：若库温已在允许范围内但下降缓慢，根据预测，即使再运行较长：若库温已在允许范围内但下降缓慢，根据预测，即使再运行较长时间也不能到达下限，则关电磁阀或压缩机，以避免由于冷风机时间也不能到达下限，则关电磁阀或压缩机，以避免由于冷风机结霜等因素使降温迟缓，从而节省能量。结霜等因素使降温迟缓，从而节省能量。2 2、控制算法流程、控制算法流程开始开始置初始状态置初始状态数据采集数据采集数值滤波数值滤波当前值当前值高于上限高于上限当前值当前值低于下限低于下限预测预测L L步步正常正常负荷负荷预测预测L+dL+d步步预测值预测值在限内在限内预测值预测值高于上限高于上限阀处于阀处于关状态关状态开阀开阀阀处于阀处于开状态开状态关阀关阀阀处于阀处于关状态关状态切换阀切换阀门状态门状态开阀开阀关阀关阀N NN NN NN NN NN NN NN N3 3、运行效果、运行效果 1.1.运用计算机对制冷系统进行检测、控制与管理运用计算机对制冷系统进行检测、控制与管理时，时，2424小时的实测库温表明，在线预测储藏温小时的实测库温表明，在线预测储藏温度绝对误差小于度绝对误差小于0.10.1，相对误差小于，相对误差小于4%4%；2.2.在出在出/进货进货(热负荷大热负荷大)时时,由于采用了预测技术由于采用了预测技术提前进行控制，避免了库温大幅度波动。提前进行控制，避免了库温大幅度波动。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日