300MW單元機組過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、 引 言火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位，是我國重點能源工業(yè)之一。大型火力發(fā)電機組在國內(nèi)外開展很快。為了開展節(jié)約型社會我國現(xiàn)在規(guī)定300MW機組以下禁止運行。提倡高機組以提高效率節(jié)約能源。我們現(xiàn)以300MW機組為骨干機組，并逐步開展600MW以上機組。目前，國外已建成單機容量1000MW以上的單元機組。單元發(fā)電機組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工藝流程復雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、操縱或控制，而且電能生產(chǎn)還要求有高度的平安可靠性和經(jīng)濟性，因此，大型機組的自動化水平受到特別的重視。目前，采用以分散微機為根底的集散型控制系統(tǒng)TDCS，組成一個完

2、整的控制、保護、監(jiān)視、操作及計算等多功能自動化系統(tǒng)。在鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)中，過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯著的影響電廠的安區(qū)性和經(jīng)濟性。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓局部金屬損壞，因而過熱汽溫的上限一般不應(yīng)超過額定值5。過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率并影響汽輪機的平安經(jīng)濟運行，因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過熱汽溫的額定值通常在500 QUOTE * MERGEFORMAT 。以上，例如高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在540的范圍內(nèi)。在電廠中主要采用串級控制系統(tǒng)和導前微分控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。本文

3、主要是導前微分控制系統(tǒng)對過熱汽溫進行控制的設(shè)計，在進行設(shè)計的同時應(yīng)該先了解過熱汽溫的特性，利用導前微分控制系統(tǒng)對過熱汽溫控制，選擇適宜的調(diào)節(jié)器。通過對導前微分控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定，在參數(shù)整定時主要采用補償法和等效成串級控制系統(tǒng)所應(yīng)用的“先內(nèi)后外的方法，并采用衰減曲線法進行驗證。采用計算機仿真對過熱汽溫導前微分控制系統(tǒng)進行輔助設(shè)計，得出系統(tǒng)在內(nèi)擾和外擾影響下的響應(yīng)曲線，利用仿真曲線對導前微分控制系統(tǒng)性能分析。使系統(tǒng)在計算機仿真中的響應(yīng)曲線到達要求，能夠在現(xiàn)實中應(yīng)用。緒論隨著科學技術(shù)的進步和電力工業(yè)的飛速開展，在燃用礦物燃料的大型發(fā)電廠中，普遍采用大容量、高參數(shù)、單元制機組。單元制機組是指

4、一臺鍋爐和一臺汽輪發(fā)電機構(gòu)成的電力生產(chǎn)設(shè)備整體。在電網(wǎng)中作為相對獨立的單元，具有運行調(diào)度靈活，熱效率高，又便于電站設(shè)計和擴建等優(yōu)點。一臺大容量單元機組的主輔機設(shè)備是十分復雜的。機組運行過程中需要監(jiān)視和控制的工程和參數(shù)很多。特別是在機組啟停以及故障處理中，需要監(jiān)視和控制的工程，需要進行的操作步驟就更為繁多。稍有不慎，就可能造成嚴重的事故，帶來巨大的損失。在正常運行過程中，對運行參數(shù)控制的好壞，也直接影響到機組的經(jīng)濟指標以及設(shè)備壽命。因而，現(xiàn)代大容量單元機組的平安運行，必須要有與之相適應(yīng)的自動控制系統(tǒng)來保證。目前，單元機組的自動化系統(tǒng)與設(shè)備已成為機、爐、電汽主設(shè)備不可分割、同等重要的組成局部。與其

5、他工業(yè)生產(chǎn)過程相比，電力生產(chǎn)過程更加要求保持生產(chǎn)的連續(xù)性，高度的平安性和經(jīng)濟性。因此，保證機組平安經(jīng)濟運行是單元機組自動控制系統(tǒng)的首要任務(wù)。單元機組自動控制系統(tǒng)主要包括自動檢測與監(jiān)視系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、自動保護系統(tǒng)等等。自動監(jiān)測與監(jiān)視系統(tǒng)把反映運行工況的物理參數(shù)，比方溫度、壓力、流量、液位、轉(zhuǎn)速、位移、成份等，以及反映設(shè)備運行狀態(tài)的物理參數(shù)，比方設(shè)備運行/停止、刀閘接通/斷開、閥門開啟/關(guān)閉等進行檢測檢測，提供應(yīng)運行操作人員，以便及時掌握機組的運行狀況，作為操作控制的依據(jù)。同時，也作為自動控制系統(tǒng)進行自動操作的依據(jù)。自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在機組運行過程中，持續(xù)不斷的對主

6、要運行參數(shù)進行調(diào)節(jié)，克服內(nèi)部和外部各種擾動。某些生產(chǎn)設(shè)備需要依照既定的操作步驟和順序進行一系列的操作，例如主輔機設(shè)備的順序啟停、燃料輸送系統(tǒng)的程序控制、化學劑給水的制備預(yù)處理、爐膛與煙道的吹掃等，都可由順序控制系統(tǒng)自動實現(xiàn)。為了確保設(shè)備的平安，在發(fā)生故障時能夠自動的完成必要的操作，使故障及時消除或防止事故擴大，這就需要相應(yīng)的自動保護系統(tǒng)。例如汽輪機保護系統(tǒng)、鍋爐保護系統(tǒng)、繼電保護系統(tǒng)等。總之，單元機組自動控制的內(nèi)容十分豐富。隨著機組容量的增加，這些系統(tǒng)功能越來越完備，性能以及可靠性不斷提高，為機組的平安經(jīng)濟運行提供了可靠的保證。在現(xiàn)代大型單元機組自動控制領(lǐng)域，新理論、新技術(shù)、新設(shè)備不斷被采用。

7、特別是近十幾年以來，取得了突飛猛進的開展。其主要因素首先是微處理技術(shù)的廣泛應(yīng)用。以微處理機為根底的新一代自動控制系統(tǒng)具有高性能、高可靠性的特征，為實現(xiàn)先進的單元機組自動控制系統(tǒng)提供了物質(zhì)保證。其次，控制理論和技術(shù)的開展，為設(shè)計更先進、更合理的新一代單元機組自動控制系統(tǒng)提供了一系列理論和方法。比方多變量控制理論、最優(yōu)化理論、大系統(tǒng)理論以及系統(tǒng)辨識、自適應(yīng)與自整定控制、系統(tǒng)仿真等技術(shù)，在電力生產(chǎn)過程自動控制中已獲得了許多應(yīng)用。另外，大型單元機組從設(shè)計、制造、安裝，就充分考慮到機組自動控制方面的需要，使機組可控性得到了不斷改善和提高，為機組自動化水平的提高奠定了根底。第二章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律及調(diào)節(jié)過

8、程 概述調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出信號與輸入信號之間的動態(tài)關(guān)系，從理論說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而在實踐中總結(jié)出三種根本規(guī)律，廣泛采用。這三種根本調(diào)節(jié)規(guī)律是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律。三種規(guī)律的組合可以設(shè)計出多種調(diào)節(jié)器。比方比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成局部之一，其動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因為對象的特性是不容易改變的。下面分析和比擬不同的調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器的控制效果及其控制特性。 比例調(diào)節(jié)動作規(guī)律所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與輸入信號之間成比例關(guān)系，即：=其中是比例增益。比例調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)： U(S)/ E(S)工程中，

9、常用比例帶來描述其控制作用的強弱，即：1/Kp其物理意義：是指在調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的位移改變100，被調(diào)量的改變量。比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖2-1所示，由此可以看出，在t0時刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；t0時刻偏差信號e(t)發(fā)生階躍變化，調(diào)節(jié)器輸出控制作用成比例變化，幾乎同時產(chǎn)生。可見，比例調(diào)節(jié)規(guī)律產(chǎn)生的調(diào)節(jié)作用的大小成正比。比例調(diào)節(jié)規(guī)律的主要特點是：1及時、迅速調(diào)節(jié)器的輸出成比例變化，幾乎與輸入同時產(chǎn)生，比例作用無遲延、無慣性、動作快。從這一點看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點之一就是及時、迅速。2有差調(diào)節(jié)被調(diào)量偏差存在采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，在系統(tǒng)受到擾動后，被調(diào)量偏離了其給定值，調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次穩(wěn)定

10、，但偏差仍然存在且成比例存在。即在t時調(diào)節(jié)過程結(jié)束，偏離信號e(t)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍然未完全消除。調(diào)節(jié)過程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點。圖2-1 比例調(diào)節(jié)規(guī)律 積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是根本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差，因此對于一些要求較高的控制定值調(diào)節(jié)還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。積分調(diào)節(jié)規(guī)律就是指調(diào)節(jié)器輸出控制作用u(t)與其偏差輸入信號e(t)隨時間的積累值成正比，即： 其傳遞函數(shù)為： 2-1式2-1中為積分時間。積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖

11、2-2所示。由圖可以看出，當被調(diào)量出現(xiàn)偏差并呈階躍形式變化時，積分作用使輸出量不立即變化，而是由開始線性增長。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的主要特點：不及時積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由開始線性增長。從這一點看，圖2-2 積分調(diào)節(jié)規(guī)律積分調(diào)節(jié)作用是不及時的。只要偏差信號作用存在，調(diào)節(jié)器輸出旨在消除對系統(tǒng)影響的控制作用就一直增長，且其增長的速度始終為初始速度。2實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)從積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直存在。只有偏差為0時，積分作用才停止變化。這說明系統(tǒng)到達再次穩(wěn)定狀態(tài)時，被調(diào)量的偏差必為0。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的另一個特點就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用表達在調(diào)節(jié)

12、過程的后期。2.4 比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律及其對過渡過程的影響比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性曲線如圖2-3所示。由圖可以看出：比例作用：當被調(diào)量偏離給定值出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)器立即輸出一個與偏差成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；積分作用：隨著時間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；只要偏差存在，控制作用就一直增長下去，直到消除偏差時，控制作用才停止變化?？刂埔?guī)律的特點：比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時和積分作用消除偏差的優(yōu)點，從而克服了單純比例作用時不能消除偏差和單純積分不能及時控制的特點。圖2-3 比例積分響應(yīng)曲線對PI調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以歸納以下幾點：(1) 采用PI調(diào)節(jié)的能消除被調(diào)量的靜態(tài)偏差，到達

13、無靜差調(diào)節(jié)的目的。這是此類調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要優(yōu)點。凡生產(chǎn)過程中對被調(diào)量靜態(tài)偏差有嚴格要求時，必須采用包含有積分作用的調(diào)節(jié)器。(2) 如果按調(diào)節(jié)器上設(shè)置的和調(diào)整系統(tǒng)，那么一般來說，可以用來調(diào)整主要振蕩成份的衰減率。增大而保持不變時，將使主要振蕩成分的衰減率提高。是調(diào)整主要非周期成分的衰減速度。根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律和調(diào)節(jié)過程的特點，在進行導前微分過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計時就利用PI調(diào)節(jié)器的這幾個特點，所以在系統(tǒng)中采用了PI調(diào)節(jié)器。 單回路控制系統(tǒng)在熱工生產(chǎn)過程中，最根本的且應(yīng)用最多的是單回路控制系統(tǒng)，其它各種復雜控制系統(tǒng)都是在單回路系統(tǒng)的根底上開展起來的，而且許多復雜控制系統(tǒng)的整定都利用了單回路的整

14、定方法，可以說單回路控制系統(tǒng)是過程控制系統(tǒng)的根底。 單回路控制系統(tǒng)的組成所謂單回路控制系統(tǒng)，是指由一個被控對象、一個檢測變送器、一個調(diào)節(jié)器控制器和一個執(zhí)行器包括調(diào)節(jié)閥組成的閉環(huán)負反響控制系統(tǒng)，其組成原理方框圖如圖3-1所示。圖3-1 單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖生產(chǎn)過程是由各個環(huán)節(jié)或工藝設(shè)備組成的，各個工藝設(shè)備之間必然存在著相互聯(lián)系和相互影響。因此，在設(shè)計簡單控制系統(tǒng)時必須有正確的設(shè)計思路。在設(shè)計單回路控制系統(tǒng)時，很重要的一個問題是被調(diào)量和控制量的選擇。選擇的原那么是被控量應(yīng)能反映工藝情況，表達控制指標的要求；操縱變量控制量應(yīng)能滿足快速性、穩(wěn)定性等多項指標，同時必須具有工藝上的合理性，且要綜合

15、考慮經(jīng)濟效果。 單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標，結(jié)合組成系統(tǒng)環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設(shè)定值；而工程整定法，那么是源于理論分析，結(jié)合實驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法。1. 衰減曲線法衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶的根底上開展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4：1衰減振蕩過程時的調(diào)節(jié)器比例帶及過程衰減周期，根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟：把調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)，微分時間常數(shù)，比例帶為一稍大的值，將系統(tǒng)閉環(huán)運行。圖3-2 單回路系統(tǒng)方框圖圖3-3 4：1 衰減曲線在系統(tǒng)處

16、于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動試驗，應(yīng)觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4：1的衰減過程。記錄此時的衰減振蕩過程曲線如圖3-3所示。在圖3-3所示的曲線上求取時的振蕩周期，結(jié)合此過程的調(diào)節(jié)器比例帶，按表3-1計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。表3-1衰減曲線法的計算公式規(guī)律PPIPID-按計算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當?shù)男薷恼{(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到滿意為止。2動態(tài)參數(shù)法動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù)、，再根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器各個參數(shù)。對于有自平衡能力

17、對象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-4所示，對響應(yīng)曲線拐點P作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線C于A，交時間軸于C；過A點作時間軸垂線并交于B，那么=OC， T=CB，=AB/CB在取得對象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上做圖，求出對象的特征參數(shù)、，然后按表3-2給出的經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的整定。圖3-4 動態(tài)響應(yīng)曲線表3-2 動態(tài)參數(shù)計算公式規(guī)律PPIPID-2-生產(chǎn)實踐說明，對象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易程度；越大，對象就越不好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶就應(yīng)取大些，即和成正比。對于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的參加使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此比例帶為純比例作用時的比例帶的1.2倍1。3. 經(jīng)驗法通過長期實踐，

18、人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗，稱為經(jīng)驗法。經(jīng)驗法的參數(shù)整定步驟是：1將調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)放到最大，微分時間常數(shù)置于最小，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶值將系統(tǒng)閉環(huán)運行，穩(wěn)定后作階躍擾動實驗，觀察調(diào)節(jié)過程，假設(shè)過渡過程有希望的衰減率0.9那么可，否那么改變比例帶值，重復上述實驗。2將調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)由最大調(diào)整到某一個值，由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時應(yīng)將比例帶值適當增大，一般為純比例作用的1.2倍。作階躍擾動實驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時間重復實驗，直到滿意為止。3保持積分時間不變改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，假設(shè)有改善繼續(xù)修改比例帶，如無改善那么反方向修改比例帶，到滿意為止。保持比例帶

19、不變修改積分時間常數(shù)，同樣做上述實驗。4三種工程整定方法的比擬衰減曲線法：與臨界比例帶法相似，比擬簡單也容易掌握，沒有臨界比例帶法的限制和缺點能夠廣泛應(yīng)用。經(jīng)驗法：是憑借經(jīng)驗試湊調(diào)節(jié)器的參數(shù)，所以它是看響應(yīng)曲線整定參數(shù)法，方法簡便但工作量很大。動態(tài)參數(shù)法：稱響應(yīng)曲線法，只有知道對象階躍響應(yīng)曲線才能調(diào)節(jié)參數(shù)，而上述的三種方法都不需要知道對象的動態(tài)特性。根據(jù)對上述單回路三種工程整定參數(shù)方法的了解，知道了三種方法的各自的優(yōu)缺點。根據(jù)過熱汽溫控制系統(tǒng)的工藝的特點和平安的要求以及作用到系統(tǒng)的干擾情況，在此次設(shè)計中，選用理論計算法和衰減曲線法對系統(tǒng)參數(shù)進行整定2。第四章 過熱汽溫控制系統(tǒng)4.1 過熱汽溫控

20、制的任務(wù)在鍋爐蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)中，過熱蒸汽溫度自動控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質(zhì)量的重要指標之一，過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯著的影響電廠的安區(qū)性和經(jīng)濟性。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓局部金屬損壞，因而過熱汽溫的上限一般不應(yīng)超過額定值5。過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率并影響汽輪機的平安經(jīng)濟運行，因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在540的范圍內(nèi)。 過熱汽溫控制對象的動態(tài)特性

21、影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙汽溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來，主要有三個方面：蒸汽流量、煙汽熱量和減溫水量。4 蒸汽流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性圖4-1蒸汽流量擾動下過熱器出口溫度的階躍響應(yīng)曲線當鍋爐負荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變，從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反響較快。過熱器出口溫度的階躍響應(yīng)曲線如圖4-1所示。其特點是：有滯后、有慣性、有自平衡能力，且 較小。當鍋爐的負荷增加時，對流式過熱器

22、和輻射式過熱器的出口汽溫隨負荷變化的方向是相反的。負荷增加時，通過對流式過熱器的煙汽溫度和流速都增加，從而使對流式過熱器出口汽溫升高。但是，由于負荷增加時，爐膛溫度升高不多，而爐膛煙溫升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負荷增大所需要的吸熱量，因而當負荷增加時，輻射式過熱器出口汽溫是下降的?，F(xiàn)代大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器的受熱面積大于輻射式過熱器的受熱面積，因此總的汽溫將隨負荷增加而升高。4 煙汽熱量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性 圖4-2 煙汽熱量 階躍變化時過熱汽溫的反響曲線圖4-2表示煙汽熱量 階躍變化時過熱汽溫的反響曲線，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力。煙汽熱量擾動煙汽溫度和流速產(chǎn)生變化

23、時，由于煙汽流速和溫度的變化也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度使煙汽傳遞熱量也同時變化，所以汽溫反響較快，其時間常數(shù) 和延遲 均比其他擾動小。現(xiàn)場當中是通過改變煙汽溫度或改變煙汽流量來求取汽溫響應(yīng)曲線的。4 減溫水流量擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性當減溫水流量擾動時，改變了高溫過熱器的入口汽溫，從而影響了過熱器出口汽溫，其階躍響應(yīng)曲線如圖4-3所示。從圖4-3中可看出，其特點也是有延遲、有慣性、有自平衡能力的。但是由于現(xiàn)代大型鍋爐的過熱器管道很長，因而當減溫水流量擾動時，汽溫反響較慢。對于一般高、中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的延遲時間 ,時間常數(shù) ，因而當煙汽側(cè)擾動時 。可見，當

24、負荷擾動或煙汽熱量擾動時，汽溫的反響較快；而減溫水量擾動時，汽溫的反響較慢。因而從過熱汽溫控制對象動態(tài)特性的角度考慮，改變煙汽側(cè)參數(shù)改變煙溫或煙汽流量的控制手段是比擬理想的因為負荷信號由用戶決定，不能作為控制量，但具體實現(xiàn)比擬困難，所以一般很少被采用。噴水減溫對過熱器的平安運行比擬有利，所以盡管對象的特性不太理想，但還是目前廣泛被采用的過熱蒸汽溫度控制方法。采用噴水減溫時，由于對象控制通道有較大的延遲和慣性以及運行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路控制系統(tǒng)往往不能獲得較好的控制品質(zhì)。針對過熱汽溫控制對象控制通道慣性延遲大、被調(diào)量信號反響慢的特點，應(yīng)該從對象的控制通道中找出一個比被調(diào)量反

25、響快的中間點信號作為調(diào)節(jié)器的補充反響信號，以改善對象控制通道的動態(tài)特性，提高控制質(zhì)量。圖4-3 減溫水流量擾動下過熱器出口汽溫階躍響應(yīng)曲線第五章 300MW單元機組過熱汽溫控制系統(tǒng) 過熱汽溫的控制方案目前，過熱汽溫控制普遍采用改變減溫水流量為控制手段。大型鍋爐的過熱器管道長，慣性和遲延大，為改善過熱汽溫的控制質(zhì)量，采取分段一般分為兩段減溫控制，而且按左右兩側(cè)分開布置。過熱汽溫控制系統(tǒng)的根本構(gòu)成方式為串級控制方式，在此根底上，或加以變換，或加以改良，出現(xiàn)幾種根本方案。 常規(guī)串級汽溫控制系統(tǒng)二級減溫常規(guī)串級汽溫控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-1所示。、級汽溫控制系統(tǒng)是各自獨立的串級控制系統(tǒng)。級汽溫控制系統(tǒng)的

26、任務(wù)是消除來自燃燒工況變化等方面的擾動，穩(wěn)態(tài)時維持屏式過熱器出口汽溫等于給定值，防止屏式過熱器超溫；另外，也作為過熱器出口汽溫的粗調(diào)。級汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)是穩(wěn)態(tài)時保持過熱器出口汽溫等于給定值，以滿足運行要求。圖5-1 二級減溫常規(guī)汽溫控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖常規(guī)串級汽溫控制系統(tǒng)常用于帶根本負荷的機組，或高溫過熱器和屏式過熱器受熱面靜態(tài)特性均以對流性為主的帶變動負荷的機組。 采用導前微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)采用導前微分信號的二級減溫汽溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。此系統(tǒng)、級減溫水流量由兩個獨立的采用導前微分信號的雙回路系統(tǒng)控制。本次設(shè)計采用的就是導前微分信號的雙回路控制系統(tǒng)。圖5-2 采用導前微

27、分信號的汽溫控制系統(tǒng)采用導前微分信號雙回路控制系統(tǒng)是串級控制系統(tǒng)的一種變形。但在儀表硬件結(jié)構(gòu)上，采用導前汽溫微分信號的雙回路較為簡單。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能滿足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛應(yīng)用。 級減溫給定值可變的汽溫控制系統(tǒng)級減溫給定值可變的汽溫控制系統(tǒng)簡稱給定值可變控制系統(tǒng)的構(gòu)成如圖5-3所示。此系統(tǒng)、級減溫均采用串級控制系統(tǒng)。級減溫控制系統(tǒng)的特點是被控量的給定值是經(jīng)過負荷修正的，函數(shù)器給出隨負荷升高給定值降低的規(guī)律。當?shù)蜏剡^熱器主要包括屏式過熱器具有輻射熱交換為主的汽溫靜態(tài)特性，而高溫過熱器具有對流熱交換為主的汽溫靜態(tài)特性時，負荷增大，低溫過熱器出口汽溫 將圖5-3 級減溫給

28、定值可變汽溫控制系統(tǒng)降低，而高溫過熱器出口汽溫將升高。對于常規(guī)串級汽溫控制系統(tǒng)，此時級將減小減溫水流量，級將增大減溫水流量，擴大了兩級減溫水流量之差，且難于控制出口過熱汽溫為給定值。在級定值可變控制系統(tǒng)中，當負荷增大時，的給定值降低，要求增大級減溫水流量；隨的降低，在級減溫水量根本不變的情況下，將降低，從而易于維持出口汽溫等于給定值。由上述可知，當負荷變化例如增大時，改變加大級減溫水流量 ，改變降低及，這對級減溫控制來說是一種超前的調(diào)節(jié)，減小了級汽溫的控制幅度，有利于穩(wěn)定級出口汽溫，同時，級減溫水的改變增大有利于保護處于高溫輻射區(qū)的過熱器管道。5.5 按溫差控制級減溫水的汽溫控制系統(tǒng)按溫差控制

29、級減溫水流量的汽溫控制系統(tǒng)間稱為“按溫差控制的系統(tǒng)的構(gòu)成，如圖5-4所示。級減溫控制系統(tǒng)為串級控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點是被控量級減溫器進、出口的溫差。經(jīng)函數(shù)發(fā)生器 后，送入加法器。函數(shù)器 為一階慣性環(huán)節(jié) ，時間常數(shù)約為10s。其作用是使 的變化帶一些慣性，以減小兩級汽溫控制系統(tǒng)之間的動態(tài)干擾。級減溫控制系統(tǒng)為常規(guī)串級控制系統(tǒng)。圖5-4 按溫差控制級減溫水的汽溫控制系統(tǒng)當負荷變化例如增大時，高溫過熱器具有對流熱交換特性，出口汽溫升高。為使降低到給定值，必須降低入口汽溫對常規(guī)串級控制系統(tǒng)來說，是靠增大級減溫水流量來降低的。按溫差控制的系統(tǒng)，當負荷增大時，低溫過熱器出口汽溫降低，溫差減小，調(diào)節(jié)器PI4輸

30、出信號，增大級減溫水流量 ，使、均降低。在級減溫水流量 根本不變的情況下，降低，溫差上升直到溫差回到給定值。由上述可知，當負荷增大時，按溫差控制的系統(tǒng)將增大級噴水量 。這對級減溫水量的變化幅度明顯減小，有利于主汽溫 的穩(wěn)定。在負荷變化時，兩級減溫器噴水量分配比擬均勻，這就相當于擴大了變負荷中減溫噴水量的調(diào)節(jié)范圍。 級汽溫控制系統(tǒng)為改善過熱汽溫的控制品質(zhì)，除了在級汽溫控制系統(tǒng)上采取一些改良措施如圖5-3與圖5-4外，在級汽溫控制系統(tǒng)上也常采用一些改良措施，如圖5-5所示。圖5-5 改良的幾種級汽溫控制系統(tǒng)a有主汽溫微分信號的系統(tǒng)；b有相位補償回路的系統(tǒng)圖5-5a為有主汽溫的微分信號的系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)

31、器PI2的給定值中，除包含偏差信號經(jīng)PI1作用后還含有主汽溫的微分信號，的起始加強控制作用使主汽溫的動態(tài)偏差小，并能較快回到給定值。此系統(tǒng)適用于主汽溫經(jīng)常受到不定擾動源的擾動的場合4。圖5-5b為帶有相位補償回路的系統(tǒng)。相位補償器是一個二階超前-滯后環(huán)節(jié)，用以補償或減小過熱汽溫高階慣性對象的相位滯后即減小慣性。當不需進行相位補償時，通過切換器T將補償器短接。此系統(tǒng)為采用導前微分信號的雙回路系統(tǒng)。第六章 采用導前汽溫微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)的組成圖6-1 采用導前汽溫微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)采用導前汽溫微分信號發(fā)過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖6-1所示。這個系統(tǒng)中引入了導前汽溫的微分信號作為

32、調(diào)節(jié)器的補充信號，以改善控制質(zhì)量。因為和主汽溫的變化趨勢是一致的，且的反響比快的多，因此它能迅速反響的變化趨勢。引入了的微分信號后，將有助于調(diào)節(jié)器的動作快速性。在動態(tài)時，調(diào)節(jié)器將根據(jù)的微分信號和與的給定值之間的偏差而動作；但在靜態(tài)時，的微分信號消失，過熱汽溫必然等于給定值。如果不采用導前信號的微分信號，那么在靜態(tài)時，調(diào)節(jié)器將保持等于給定值，而不能保持等于給定值。 我們根據(jù)圖可以畫出系統(tǒng)的原理方框圖，如圖6-2所示。圖6-2 采用導前汽溫微分信號的汽溫控制系統(tǒng)原理方框圖從圖6-2可以看出，采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)包括兩個閉合的控制回路：1由控制對象的導前區(qū)、導前汽溫變送器、微分器

33、、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成的副回路導前補償回路；2由控制對象的惰性區(qū)、主汽溫變送器和副回路組成的主回路。 提高系統(tǒng)可靠性和生產(chǎn)過程平安性的措施隨著發(fā)電機組容量的不斷增加，熱工自動控制系統(tǒng)的設(shè)計越來越復雜，因為它們對機組的平安、穩(wěn)定運行起著重要的作用。熱工自動控制系統(tǒng)的可靠性主要包括兩方面內(nèi)容：一是確定系統(tǒng)儀表選型問題，因為這是保證自動控制系統(tǒng)可靠性的根本條件。任何一個控制系統(tǒng)，不管其多么復雜，它都是由許多單臺儀表組合成的，因此儀表本身的可靠性是系統(tǒng)可靠性的物質(zhì)根底。目前各自動化儀表制造廠都在致力于提高儀表的可靠性，世界上先進國家自動化儀表的MTBF平均無故障工作時間約為30年左右，這給

34、自動控制系統(tǒng)可靠性創(chuàng)造了條件。二是在設(shè)計時選用可靠性高的設(shè)計方案。 控制系統(tǒng)的分析對于這個控制系統(tǒng)的工作原理，有兩種不同的分析方法。一 參加導前微分信號可改善對象的動態(tài)特性對于如圖6-2所示的控制系統(tǒng)，當去掉導前汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖6-3a所示，控制對象 的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)參加導前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖6-3b所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量信號 ，但輸出信號為：,這個控制對

35、象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖6-3b求得5。在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效對象控制對象的輸出 ；在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號外，還疊加了導前汽溫的微分信號。由于的慣性遲延比小得多，因而等效對象的輸出 的慣性遲延要比小得多。因此，參加導前汽溫的微分信號的作用可以理解為改變了控制對象的特性6，等效控制對象在減溫水流量擾動下的特性如圖6-4所示，可見，等效控制對象的輸出 比主汽溫的響應(yīng)有很大的改善。所以，在控制對象慣性遲延很大的情況下導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)遠比單回路控制系統(tǒng)好。a單回路系統(tǒng)方框圖b雙回路系統(tǒng)的等效方框圖圖6-3 采用微分信號改變控制對象特

36、性的方框圖圖6-4 減溫水階躍擾動下等效控對象的響應(yīng)曲線二導前汽溫微分信號控制系統(tǒng)是串級系統(tǒng)的變形對于慣性遲延較大的控制對象，采用串級控制系統(tǒng)能獲得較好的控制品質(zhì)。導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)雖然在形式上不同于串級控制系統(tǒng)，但把它當作一種變形的串級控制系統(tǒng)來研究也是可行的。 只要把圖6-2所示的采用導前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)等效變?yōu)閳D6-5所示的串級控制系統(tǒng)，其中微分器傳遞函數(shù)的倒數(shù) 相當于串級控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，而調(diào)節(jié)器與微分器的傳遞函數(shù)乘積 那么相當于串級控制系統(tǒng)中副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。圖6-5 導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)等效為串級系統(tǒng)的方框圖在采用導前微分汽溫信號的雙回路系統(tǒng)中

37、，微分器和調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)一般分別為 式中、分別為微分器的微分增益和微分慣性時間常數(shù)7。所以當?shù)刃榇壪到y(tǒng)時，等效主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)應(yīng)為:1. 等效主調(diào)節(jié)器 由上式可見，等效主調(diào)節(jié)器具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為：等效比例帶： 等效積分時間： 6-12. 等效副調(diào)節(jié)器 在實際應(yīng)用中，通常 比 大的多，因此 所以，等效調(diào)節(jié)器也近視為具有比例積分調(diào)節(jié)器的特性，它的參數(shù)為等效比例帶： 等效積分時間： 當把采用導前微分信號的雙回路控制系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)來分析時，可以清楚地看出微分器參數(shù) 、和調(diào)節(jié)器參數(shù)、對控制系統(tǒng)性能的影響：1微分器的參數(shù) 、相當于串級系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間。

38、即：按串級控制系統(tǒng)的分析方法，當副回路為快速隨動系統(tǒng)時，增大將使主回路的穩(wěn)定性提高，但使主汽溫的動態(tài)偏差增大。增大也會提高主回路的穩(wěn)定性，但影響不太顯著。增大后，主汽溫控制過程的時間拉長。2等效副調(diào)節(jié)器的比例帶是，積分時間是，主要影響副回路的控制過程時間，而那么影響副回路的穩(wěn)定性和動態(tài)偏差。但是，既是副回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)，又是主回路的調(diào)節(jié)器參數(shù)。當增大時，雖然提高了主回路的穩(wěn)定性，卻使副回路的穩(wěn)定性下降。所以，當需要增大時，為了保持副回路的穩(wěn)定性，應(yīng)相應(yīng)增大，使的比值保持不變。 控制系統(tǒng)的整定6 用補償法等效為單回路系統(tǒng)整定根據(jù)前面對系統(tǒng)的分析方法(二)，我們可以得出補償法的整定原那么：整定微分

39、器的參數(shù)、以形成一個等效對象，這個等效對象的動態(tài)特性等于或近視等于在動態(tài)時為導前區(qū)的特性，在靜態(tài)時為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器 的參數(shù)、那么按等效對象的特性整定按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法整定。下面分析如何通過調(diào)整微分器的參數(shù)來獲取等效對象的特性。設(shè)主汽溫對象的傳遞函數(shù)為：=導前汽溫對象的傳遞函數(shù)為：=那么等效對象的傳遞函數(shù)應(yīng)為： = 6-2由式可得： 6-3可見微分器的參數(shù)是根據(jù)控制對象的惰性區(qū)來整定的。假設(shè)求得 =且 那么式6-2可寫為 6-4假設(shè)汽溫對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)是一階的，那么有比擬等式兩邊的對應(yīng)項可得：微分器按此組參數(shù)整定，那么等效對象的傳遞函數(shù)為：那么實現(xiàn)了完全補償?shù)念A(yù)定目的。但

40、是汽溫對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的通常2，那么，式6-4等號兩邊就只能做到近似相等，而不能實現(xiàn)完全補償。下面推導2時，微分器參數(shù)確實定方法。 將式6-4等號兩邊展開為冪級數(shù)的形式：等式左邊為：等式右邊為：令等式兩邊s的低階項二階以下項的系數(shù)相等 項 項 由此可確定微分器的整定參數(shù) 6-5按式6-5求得的 參數(shù)僅能實現(xiàn)對象的近似補償，使在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調(diào)節(jié)器的參數(shù)和應(yīng)按等效對象 來整定按一般單回路系統(tǒng)的整定方法，其原理方框圖如圖6-6所示8。補償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。圖6-6 補償法整定方框圖6

41、先內(nèi)后外當?shù)刃Т壙刂葡到y(tǒng)主、副回路工作頻率相差大時,主、副回路可以分別獨立進行整定。假設(shè)副回路的主導衰減振蕩成分的頻率比主回路的主導衰減振蕩成分的頻率大得多，即滿足條件 6-6時，副回路的控制過程比主回路的控制過快的多。當副回路受到擾動時，副回路立即動作，迅速消除擾動，而控制過程在較短時間內(nèi)就告結(jié)束。在副回路消除擾動的時間內(nèi)，主回路根本不動作。而主回路在消除擾動時，副回路近似于一個理想隨動系統(tǒng)，可等效為一個比例環(huán)節(jié)。這樣，動態(tài)過程，主、副回路之間互相影響很小，就可將主、副回路分別獨立進行整定9。要使等效的串級系統(tǒng)滿足式6-6的條件，首先取決于控制對象的動態(tài)特性，即對象導前區(qū)的慣性應(yīng)比對象控制

42、通道的慣性小得多。如果對象及其導前區(qū)的特性都可以用的形式來描述，那么，當對象導前區(qū)的慣性比對象控制通道的慣性小得多時，即滿足 6-7時，就具備式6-6的條件。因此，也可以用式6-7來判斷串級控制系統(tǒng)主副回路是否可以分別獨立整定10。1. 主回路的整定主回路中待整定的參數(shù)僅是微分器的參數(shù),故先整定主回路比擬簡單。先假定副回路已整定成一個快速隨動系統(tǒng)，它可以近似等效為比例環(huán)節(jié) 。根據(jù)對象惰性區(qū)的特性整定主調(diào)節(jié)器 的、 ；取整定指標；根據(jù)惰性區(qū)的特性選擇一種適合的整定方法11。2. 副回路的整定 當主回路進行控制時，副回路幾乎起理想隨動作用，在主回路中副回路可看作一個比例環(huán)節(jié)?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方

43、法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。按上述步驟整定后，通常應(yīng)滿足 、分別為主、副回路主導衰減振蕩成分的頻率。要到達此要求整定時應(yīng)考慮以下幾點問題：1對象的動態(tài)特性。控制對象導前區(qū)動態(tài)特性與整個控制對象的動態(tài)特性=相比，應(yīng)有較小的遲延和慣性。2調(diào)節(jié)器類型的選擇。副調(diào)節(jié)器可選用P調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選PI調(diào)節(jié)器，以使副回路有較高的衰減振蕩頻率。3整定指標的選擇。副回路可取較低的穩(wěn)定裕量如，而主回路那么取較高的穩(wěn)定裕量如。另外，按此方法整定串級系統(tǒng)時還應(yīng)考慮控制對象惰性區(qū)動態(tài)特性的求取。在圖6-2中，控制對象導前區(qū)的特性可直接由試驗測得，而惰性區(qū)的特性不一定能直接由試驗獲得，但整個控制對象的動態(tài)特性=總是可以由試驗

44、測得，因此對象惰性區(qū)的動態(tài)特性 原那么上可以由 和算出：某鍋爐過熱汽溫控制對象的動態(tài)特性為：導前區(qū)： = 主汽溫: = = 采用導前汽溫微分信號的汽溫控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：=微分器的傳函為，兩個測量變送器的斜率為V/執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)分別為，求使系統(tǒng)衰減率 時，調(diào)節(jié)器和微分器的整定參數(shù)值。 解：采用導前微分信號的雙回路系統(tǒng)時，所給出的控制系統(tǒng)方框圖為圖6-8所示。其中對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)為：=1確定微分器參數(shù)和以知控制對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為：=，即；根據(jù)式4-5，求出=當取此組參數(shù)時，可使補償對象的近似傳遞函數(shù)為: 6-82確定調(diào)節(jié)器參數(shù)和 當求出補償對象的傳遞函數(shù) 之后，圖6-

45、2所示的汽溫控制系統(tǒng)可簡化為圖6-7，由此可寫出系統(tǒng)的特征方程式為：令 ，使系統(tǒng)降為二階；當 時，對應(yīng)的阻尼比 ，故由此可求得 ，因此，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：，。把圖6-9所示的方框圖等效為串級控制系統(tǒng)時，如圖6-9a所示。圖6-7 補償法整定框圖由于控制對象的導前區(qū)慣性較小，故等效串級控制系統(tǒng)的主、副回路可分別表示為圖6-9b和c，在副回路中假定了 。1確定微分器參數(shù) 、 根據(jù)控制對象及其導前區(qū)的傳遞函數(shù)得：圖6-8 系統(tǒng)方框圖a串級控制系統(tǒng)b等效主回路c等效副回路圖6-9 圖-8的等效串級控制系統(tǒng)方框圖，故主、副調(diào)節(jié)器可分別整定。主調(diào)節(jié)器的整定當內(nèi)回路整定好之后，可視為一個快速隨動系統(tǒng)，外回

46、路等效方框圖如圖6-9(b)所示。那么此時廣義被控對象的傳遞函數(shù)為：= = =可得其特征參數(shù)為：；查表6-2得 時，有:=0.218；由此可得: 而等效主調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為=可得 ；通過響應(yīng)曲線法查表6-3可得主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。據(jù) ，可得等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為： 從而求得主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：圖6-9(b)的等效主回路方框圖中，等效主調(diào)節(jié)器為 ，為PI控制作用，廣義被控對象傳遞函數(shù)為，那么微分器的參數(shù)如式6-1： 2確定調(diào)節(jié)器參數(shù) 和 由圖6-9(c)得等效副回路的特征方程式為：令 ，那么特征方程式降階為二階，即對二階系統(tǒng)而言，當 時，對應(yīng)的阻尼系數(shù) ，故以知 ，由此求得 ，。6.4.3

47、比擬兩種整定法的整定結(jié)果在這個具體例子中，對同一系統(tǒng)采用兩種不同的方法整定時，所得到的結(jié)果是不同的 ，兩種方法計算結(jié)果如表6-1所示。表6-1 兩種整定方法的計算結(jié)果參數(shù)等效為串級系統(tǒng)主、副回路分別整定補償法7415501715為了分析和比擬不同參數(shù)值對系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量的影響，可以把采用導前微分信號的雙回路系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)。在這個例子中，等效為串級系統(tǒng)主、副回路分別整定時，兩個回路的衰減率都等于0.75，補償法所得到的整定結(jié)果如下：1副回路的穩(wěn)定性裕量等效副回路的方框圖如圖6-9b所示，等效副調(diào)節(jié)器為：等效副調(diào)節(jié)器的比例帶為 ，積分時間為 等效串級法整定時 補償法整定時 可見，兩種整定方法

48、取相同的值時，采用補償法的副回路比例帶小于等效串級法。因此，如果副回路確實不受主回路影響，那么補償法的整定結(jié)果將使副回路的衰減率低于0.75。應(yīng)該指出，在補償法中調(diào)節(jié)器的參數(shù)是根據(jù)補償對象的特性來計算的，但補償對象卻是近似的，因此在計算調(diào)節(jié)器參數(shù)時，應(yīng)采用較大的穩(wěn)定裕量，例 。2主回路的穩(wěn)定性裕量等效串級系統(tǒng)的等效外回路方框圖如下圖，等效主調(diào)節(jié)器為：等效主調(diào)節(jié)器的比例帶為 ，積分時間為 。等效串級法整定時 補償法整定時 由此組數(shù)據(jù)可以看出，補償法中主調(diào)節(jié)器的比例帶 比等效串級法增大很多，故采用補償法整定雙回路系統(tǒng)時，主回路具有較大的穩(wěn)定性裕量。但當被調(diào)量偏離給定值后，被控動作較緩慢，因此被調(diào)節(jié)

49、量將出現(xiàn)較大的動態(tài)偏差。在補償法中得到的主調(diào)節(jié)器的積分時間 比等效串級法的略小一些，但積分時間略小，對系統(tǒng)穩(wěn)定性裕量影響較小，因此補償法的整定結(jié)果將使主回路的穩(wěn)定性裕量偏大。表6-2 階數(shù)n和時間常數(shù) 及的關(guān)系1234001表6-3 動態(tài)參數(shù)計算公式規(guī)律P-PI-T-第七章 系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)調(diào)節(jié)器和導前參數(shù)沒有整定之前，即令，其模型為7-1，所獲取的輸出波形如圖7-2所示。圖7-1 系統(tǒng)參數(shù)未整定模型圖7-2 未參加調(diào)節(jié)器和微分器的波形從圖7-2的仿真結(jié)果可以看出在調(diào)節(jié)器和微分器的參數(shù)未整定之前，穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能指標都不理想。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差大，輸出不能準確的跟蹤輸入，調(diào)節(jié)時間長，快速性差。為到

50、達理想在輸出狀態(tài)需要對系統(tǒng)進行參數(shù)整定。在第六章已經(jīng)對系統(tǒng)進行了參數(shù)整定，下面通過仿真結(jié)果分析整定的情況。7.1 理論計算下的計算機仿真7 給定值作用下的仿真系統(tǒng)整體整定參數(shù)方框圖如圖7-3所示。采用補償法在時等效的SIMULINK仿真方框圖如圖7-4所示，仿真結(jié)果如圖7-5。圖7-3 系統(tǒng)整體參數(shù)方框圖圖7-4 補償法等效的SIMULINK仿真方框圖圖7-5 補償法在下的階躍響應(yīng)曲線從圖7-5上可得出：%=120因此 =0由性能指標可知，輸出可以準確跟蹤輸入，但主回路具有較大的穩(wěn)定性裕量。動態(tài)偏差大，因此采用當時的參數(shù)整定效果會更好。7.1.2 內(nèi)擾作用下的仿真內(nèi)擾作用10%下的仿真方框圖如

51、圖7-6所示。 圖7-6 內(nèi)擾作用下的仿真方框圖內(nèi)擾作用下的響應(yīng)曲線如圖7-7所示。圖7-7 在內(nèi)擾作用下的響應(yīng)曲線內(nèi)擾作用下的響應(yīng)曲線如圖7-8所示。由仿真結(jié)果可看出，當系統(tǒng)受到內(nèi)擾時，提前克服擾動，正是由于內(nèi)回路引入導前微分信號提前作用，從而使擾動不對主氣溫有影響。 圖7-8 在內(nèi)擾作用下的響應(yīng)曲線7.1.3 外擾作用下的仿真外擾作用下的仿真方框圖如圖7-9所示，當外擾作用時，的響應(yīng)曲線如圖7-10所示，的響應(yīng)曲線如圖7-11所示。圖7-9外擾作用下的仿真方框圖如圖當系統(tǒng)參加外擾時，不經(jīng)過副回路而直接進入主回路。從外擾的仿真曲線可看出，主回路可以迅速抵抗擾動，而內(nèi)回路近似為快速隨動系統(tǒng)。從

52、而可驗證在整定主回路時，把副回路近似為快速隨動系統(tǒng)，即比例環(huán)節(jié)。7.1.4 不加導前微分的仿真 不加導前微分時的仿真方框圖如圖7-12所示。圖7-10 在外擾作用下的響應(yīng)曲線圖7-11 在外擾作用下的響應(yīng)曲線圖7-12 不加導前微分的仿真方框圖不加導前微分信號時的結(jié)果如圖7-13所示。從仿真曲線可以看出，在給定擾動時，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定得一段時間，動態(tài)性能不好，調(diào)節(jié)時間比起參加導前微分信號的時間長，快速性下降。不加導前微分信號時的結(jié)果如圖7-14所示。當沒有導前微分信號時，系統(tǒng)不能使主氣溫等于給定值只能保持等于給定值。圖7-13 不加導前微分信號時的仿真結(jié)果圖7-14 不加導前微分信號時的仿真結(jié)果

53、使用補償法在下的整定及仿真1確定微分器參數(shù) 和 以知控制對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)為：=，即；根據(jù)式4-5，求出=當 取此組參數(shù)時，可使補償對象的近似傳遞函數(shù)為2確定調(diào)節(jié)器參數(shù) 和 當求出補償對象的傳遞函數(shù) 之后，圖4-6所示的汽溫控制系統(tǒng)可簡化為圖6-7，由此可寫出系統(tǒng)的特征方程式為：令 ，使系統(tǒng)降為二階；當 時，對應(yīng)的阻尼比 ，故由此可求得 ，因此，調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為：，。因此系統(tǒng)整體整定參數(shù)方框圖如圖7-15所示。圖7-15系統(tǒng)整體整定參數(shù)方框圖在給定值擾動下等效的仿真方框圖如圖7-16所示。階躍響應(yīng)曲線如圖7-17所示。從圖7-17上可得出：%=120 因此 =0圖7-16 補償法在下的仿真

54、方框圖由性能指標可看出來，當時，動態(tài)性能優(yōu)于，穩(wěn)定性裕量降低。因此，運用補償法整定參數(shù)時，要在時進行，可提高系統(tǒng)的性能。圖7-17 補償法在的階躍響應(yīng)曲線8所示。圖7-18 內(nèi)擾作用下的仿真方框圖在內(nèi)擾作用下的仿真曲線如圖7-19所示。在內(nèi)擾作用下的響應(yīng)曲線如圖7-20所示。 圖7-19 在內(nèi)擾作用下的仿真曲線 圖7-20 在內(nèi)擾作用下的仿真曲線從仿真結(jié)果可知提前抵抗擾動，對主回路的影響降低。21、7-22所示。圖7-21 在外繞變化下的仿真方框圖在的整定下系統(tǒng)在受到外擾時可以快速的抵抗擾動，由仿真曲線可以看出比反響快，就是因為在內(nèi)回路參加了導前微分信號使的導前區(qū)比惰性區(qū)反響要迅速。參加導前微

55、分信號的好處就是可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在外擾作用下的響應(yīng)曲線 在外擾作用下的響應(yīng)曲線圖7-22 和在外擾作用下的仿真曲線7.2 利用衰減曲線法整定下的計算機仿真考慮到減溫器可以看作是一個時間常數(shù)很小的一階環(huán)節(jié)，內(nèi)回路的調(diào)節(jié)過程進行的比外回路快，因此把內(nèi)回路從整個系統(tǒng)中別離出來，分別按快慢兩個回路進行各自的整定。1內(nèi)回路參數(shù)整定對于快速的內(nèi)回路它的整定參數(shù)是調(diào)節(jié)器的和,可以用任何適當?shù)恼ǚ椒?。需要注意的是，此時微分器參數(shù)和尚屬未知?？紤]到內(nèi)回路的工作頻率比擬高，而微分器在高頻率可近似看作是比例環(huán)節(jié)，并且可以暫時令它的增益=1，這樣方便了內(nèi)回路的整定。的正確值要在整定外回路時能確定，一旦確定后

56、只需改變調(diào)節(jié)器的就不會影響內(nèi)回路的性能。2外回路參數(shù)整定微分器的參數(shù)和是在外回路的整定中確定的，和內(nèi)回路一樣外回路也可以簡化假定下進行整定。 下面分別利用衰減曲線法按內(nèi)、外回路分別進行整定。7系統(tǒng)內(nèi)回路參數(shù)整定將系統(tǒng)內(nèi)回路看作為，把微分器看作是比例環(huán)節(jié)，即令=1，那么內(nèi)回路仿真結(jié)構(gòu)方框圖,如圖7-23所示。將置調(diào)節(jié)器的積分時間，比例帶為一稍大的值，將系統(tǒng)閉環(huán)運行。在系統(tǒng)中作階躍擾動實驗，調(diào)節(jié)比例帶使過渡過程曲線衰減率為4：1。經(jīng)過調(diào)節(jié)比例帶使系統(tǒng)響應(yīng)曲線的即，此時=，其響應(yīng)曲線如圖7-24所示。在圖7-24中可以看出=29s，記錄下77，查表3-1衰減曲線法的計算公式可知：圖7-23 內(nèi)回路仿

57、真結(jié)構(gòu)方框圖7-24 內(nèi)回路仿真結(jié)果=% =s7.2.2 系統(tǒng)外回路參數(shù)整定進行外回路整定時，我們很清楚的知道，把內(nèi)回路等效成為一個PI環(huán)節(jié)，在上述整定中把內(nèi)回路等效成，=，然后把外回路看作是一個單回路系統(tǒng)，利用衰減曲線法對參數(shù)進行整定。根據(jù)衰減曲線法的步驟，=，=為一稍大的值，使系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。在系統(tǒng)中作階躍擾動試驗，其系統(tǒng)的方框圖如圖7-25所示，到衰減率為4：1的衰減響應(yīng)曲線如圖7-26所示。 圖7-25 系統(tǒng)外回路仿真方框圖圖7-26 外回路參數(shù)整定響應(yīng)曲線圖7-26響應(yīng)曲線，其，因此由圖可知： =132s 45查表3-1及衰減曲線法的計算公式可知： =66s =%那么 66s， 0

58、.54 系統(tǒng)在擾動下仿真曲線的分析1. 系統(tǒng)在內(nèi)擾變化10%下的響應(yīng)曲線分析導前微分控制系統(tǒng)在內(nèi)擾變化10%下的響應(yīng)方框圖如圖7-27所示。在內(nèi)擾的擾動作用下，過熱器的出口溫度和減溫器出口溫度的響應(yīng)曲線如圖7-28所示，的遲延小的多，導前汽溫比主汽溫能提前反響控制作用。這是因為的測點比的測點更接近減溫器。從曲線中看出，導前汽溫快速消除擾動回到穩(wěn)定值，改善了主汽溫動態(tài)特性。使主汽溫快速的回到穩(wěn)定值。圖7-27 導前微分控制系統(tǒng)內(nèi)擾變化10%下的方框圖a系統(tǒng)內(nèi)擾變化10%的響應(yīng)曲線 b系統(tǒng)內(nèi)擾變化10%的響應(yīng)曲線圖7-28 導前微分控制系統(tǒng)內(nèi)擾變化響應(yīng)曲線2. 系統(tǒng)在外擾變化10%下的響應(yīng)曲線分析

59、導前微分控制系統(tǒng)在外擾變化10%下的方框圖如圖7-29所示；其響應(yīng)曲線如圖7-30所示。由這兩個圖可以看出系統(tǒng)在參加外部擾動時，即系統(tǒng)中出現(xiàn)蒸汽擾動或者是煙汽的外部擾動，擾動信號沒有經(jīng)過導前微分信號，即沒有經(jīng)過內(nèi)回路負反響信號，所以曲線有一定的擾動偏差，而經(jīng)過外部回路的調(diào)節(jié)使汽溫信號能夠抵抗擾動回到穩(wěn)定值。由此說明整定好的此系統(tǒng)的參數(shù)能夠使系統(tǒng)到達滿意的結(jié)果。圖7-29 導前微分控制系統(tǒng)在外擾變化10%下的方框圖a系統(tǒng)外擾變化10%的響應(yīng)曲線 b系統(tǒng)外擾變化10%的響應(yīng)曲線圖7-30 導前微分控制系統(tǒng)在外擾變化10%下的方框圖7.3 使用PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定及仿真比例-積分-微分PID調(diào)節(jié)器

60、是工業(yè)過程控制中最常見的一種調(diào)節(jié)器，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制系統(tǒng)中。PID有幾個重要的功能；提供反響控制；通過積分作用可以消除穩(wěn)態(tài)誤差；通過微分作用預(yù)測將來以減小動態(tài)偏差。PID調(diào)節(jié)器特別適用于過程的動態(tài)性能是線性的，而且控制性能要求不太高的場合。PID調(diào)節(jié)器的整定就是針對具體的控制對象和控制要求調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，求取控制質(zhì)量最好的調(diào)節(jié)器參數(shù)值。具體的說，就是確定最適宜的比例系數(shù)、積分時間和微分時間。在SIMULINK環(huán)境下，可以根據(jù)連續(xù)系統(tǒng)模塊庫中提供的模塊快速的建立起PID調(diào)節(jié)器的模型，并進行相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)器模型的建立可按圖7-31組成PID調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)表達式為:其中比例環(huán)