【正文】 定處理。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。除了文中特別加以標(biāo) 注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描 等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 、圖表要求： 1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的。再次，實(shí)現(xiàn)積分分離的 PID 控制算法。鍋爐控制現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采用傳統(tǒng)的基于模擬技術(shù)的控制器、儀器儀表或單片機(jī)，不僅結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，效率比較低，而且可靠性也不高。主要蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)非常重要的。一般規(guī)定過熱器的溫度與規(guī)定值的暫時(shí)偏差不超過 +10 攝氏度，長期 偏差不超過 +5攝氏度。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在 540 攝氏度的范圍內(nèi)。 要求在畢業(yè)設(shè)計(jì)中： 研究 火力發(fā)電廠 鍋爐蒸汽溫度控制 要求，特點(diǎn)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，充分理解課題意義，設(shè)計(jì)電廠 鍋爐 蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)，達(dá)到要求的 主要技術(shù)指標(biāo) ； 控制系統(tǒng)方案論證，并 建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行溫度控制系統(tǒng) 分析 ； ，設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)控制規(guī)律，并進(jìn)行參數(shù)整定； ，進(jìn)行數(shù)學(xué) 仿真，并驗(yàn)證 設(shè)計(jì) ； 。常見鍋爐設(shè)備的工業(yè)流程如圖 21 所示： 圖 21鍋爐設(shè)備的主要工藝流程 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)由給水泵、給水調(diào)節(jié)閥、省煤器、汽包及循環(huán)管組成。 鍋爐設(shè)備的控制任務(wù)：根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的要求，供應(yīng)一定壓力或溫度的蒸汽，同時(shí)要使鍋爐在安全、經(jīng)濟(jì)的條件下運(yùn)行。高壓鍋爐，尤其超高壓鍋爐，加熱水的熱量和過熱熱量增大很多，而蒸發(fā)熱減少，當(dāng)有中間再過熱時(shí)，情況更為突出，這時(shí)必須把一部分過熱器受熱布置在爐膛內(nèi)，是吸收部分輻射熱。超高壓機(jī)組采用中間再熱時(shí)，理論上可使循環(huán)經(jīng)濟(jì)性相對提高 6~8%，在實(shí)際設(shè)備中，由于有壓降損失，熱經(jīng)濟(jì)性的提高比理論值稍低。引起過熱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(jìn)入過熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過熱器的煙氣的溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢、給水母管壓力和減溫水量等等，這些因素還可能相互制約。結(jié)構(gòu)形式不同的過熱器，在相同蒸汽流量的擾動(dòng)下，汽溫變化的特性是不一樣的。當(dāng)煙氣熱量擾動(dòng) (煙氣溫度和流速產(chǎn)生變化 )時(shí)，由于煙氣流速和溫度的變化也是沿整個(gè)過熱器同時(shí)改變的，因而沿過熱器整個(gè)長度使煙氣傳遞熱量也同時(shí)變化，所以汽溫反應(yīng)較快，時(shí)間常數(shù)和延遲均比其它擾動(dòng)小。其動(dòng)態(tài)特性曲線如下圖所示。 圖 24減溫水?dāng)_動(dòng)下過熱器出 IZl汽溫的階躍響應(yīng)曲線 由圖 24 可見，在減溫水流量擾動(dòng)下，減溫器出口過熱汽溫 θl的響應(yīng)比過熱器出口汽溫 θ2 快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，以θl 作為導(dǎo)前信號構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。另外它還有保護(hù)屏式過熱器和對流過熱器受熱面的作用。目前，過熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷。對象動(dòng)態(tài)特性是確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律、設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)的依據(jù)，那么根據(jù)對象動(dòng)態(tài)特性和生產(chǎn)過程對控制質(zhì)量的要求，確定調(diào)節(jié)參數(shù)的數(shù)值是控制系統(tǒng)投入前要做的一項(xiàng)重要工作。簡單蒸汽溫度控制系統(tǒng)原理方框圖如圖 32所示 : 圖 32簡單控制系統(tǒng)方框圖 過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制策略的設(shè)計(jì) 當(dāng)蒸汽溫度的測量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門不動(dòng)，則系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化使蒸汽溫度上升，造成給定值和測量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號經(jīng)過控制器的方向判斷及 數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號使噴水閥門開大，則減溫水流量增大。目前關(guān)于蒸汽溫度控制系統(tǒng)主要有串級控制、前 饋控制和多變量解耦等控制，其中最普遍的是串級控制系統(tǒng)。這一特點(diǎn)說明即使在外擾作用下，由于副回路減小了對象的時(shí)間常數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)的工頻得以提高，因此仍能改善整個(gè)系統(tǒng)過渡過程的品質(zhì)。 22 采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的條件 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)需滿足如下兩個(gè)條件： (1)控制對象可以分段。 θl 為被調(diào)量，一般為系統(tǒng)的給定值，火電廠過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)符合這兩個(gè)條件。熱蒸汽溫度基本不受影響。系統(tǒng)中有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器 WTl(S)接受過熱蒸汽溫度信號 θl，用于維持過熱蒸汽溫度，使其等于給定值；副調(diào)節(jié)器 WT2(S)接受主調(diào)節(jié)器的輸出信號和減溫器出口溫度信號 θ2，副調(diào)節(jié)器的輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu) Kz的大小，從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門的開度。主副回路的選擇 原則。如果在干擾作用下，主、副參數(shù)任一個(gè)先振蕩，必將引起另一個(gè)也振蕩，這樣，兩個(gè)參數(shù)互相促進(jìn)，振蕩更加劇烈，這就 是所謂的“共振效應(yīng) ，顯然應(yīng)力求避免。相對于過于簡 25 單的單回路控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量明顯優(yōu)越。 這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個(gè)信號。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制 性能。引入了 2? 的微分信號后。 由圖 36 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我們可以畫出導(dǎo)前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖 37所示。但對于這個(gè)雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個(gè)單回路系統(tǒng)來處理，如圖 38（ b）所示。由于 2? 的慣性遲延比 1? 小得多，因而等效對象的輸出 *1? 的慣性遲延比 1? 小得多。 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。 將式（ 35）等號的兩邊展開為冪級數(shù)的形式： 等式左邊為： ? ?2 2 3 311 DD D D D D DDK T s K T s T s T s T sTs ? ? ? ? ?? … 等式右邊為： 30 ? ? ? ?1 11 22111 1 1 1 1221 111 2!1 n nnK K n T s T sTs ?????? ???? ? ??? ??? ???? 令等式兩邊 s 的低階項(xiàng)（二階以下項(xiàng)）的系數(shù)相等 s 項(xiàng) 11 1 12DDK T K n T????? 2s 項(xiàng) ? ?11221112 12DD nnK T K T???? ?? 由此可以確定微分器的整定參數(shù)： 1 11212 1D nKK n????? ? 1 112D nTT?? （ 36） 按式（ 36）求得的 ??dWs參數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對象的近似補(bǔ)償，即使： * 00 022( ) ( )KW s W s K? 在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調(diào)節(jié)器 ()TWs的參數(shù) ? 和 iT 應(yīng)按等效對象 *0()Ws來整定（按一般單回路系統(tǒng)的整定方法），其原理框圖如圖 39所示： 圖 39 補(bǔ)償法整定框圖 補(bǔ)償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實(shí)用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時(shí)，可以 31 不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。 兩種汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較 前面討論了串級過熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們在實(shí)際應(yīng)用中一般都能滿足生產(chǎn)上的要求，但這兩種控制系統(tǒng)在控制質(zhì)量、系統(tǒng)構(gòu)成、整定調(diào)試等方面各有特點(diǎn)。 32 串級控制系統(tǒng)主、副兩個(gè)控制回路的工作相對比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)的整定、調(diào)試直觀、方便。 33 第四章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)控制參數(shù)的確定 主變量的選擇 根據(jù)串級控制系統(tǒng)選擇主變量的原則：在條件允許的情況下，首先應(yīng)盡量選擇能直接反應(yīng)控制目 的的參數(shù)為主變量；其次，要選擇與控制目的有些單值對應(yīng)關(guān)系的間接單數(shù)作為主變量；最后，所選擇的主變量必須足夠的變化靈敏度。同時(shí)要求主、副對象的時(shí)間常數(shù) 應(yīng)適當(dāng)匹配。其中，干擾時(shí)刻存在的，它是影響系統(tǒng)平穩(wěn)操作的主要因素，而操縱變量的主要作用是克服煩擾的影響，是系統(tǒng)能重新穩(wěn)定運(yùn)行的因素，選擇操縱變量的基本原則為： 選擇對所選定的被控變量影響較大的舒服變量作為操縱變量； 在 1的前提下，選擇變化范圍較大作為控制變量，以便于控制； 在 1的基礎(chǔ)上選擇被控 制變量作用效應(yīng)較快的輸入變量作為控制變量，是控制系統(tǒng)響應(yīng)較快； 綜上所述，應(yīng)選擇減溫水的輸入量作為操縱變量； 34 執(zhí)行器的選擇 在本系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥是系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是按照調(diào)節(jié)器所給定的信號大小和方向，改變閥門的開度，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體流量的裝置。 調(diào)節(jié)閥按驅(qū)動(dòng)方 式可分為：氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和液動(dòng)調(diào)節(jié)，即以壓縮空氣為動(dòng)力源的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以電動(dòng)力源的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)壓力為動(dòng)力的電液動(dòng)調(diào)節(jié)閥；由于生產(chǎn)現(xiàn)場有防爆要求，所以應(yīng)選擇氣動(dòng)執(zhí)行器。在串級控制系統(tǒng)中，選用的儀表不同，具體的實(shí)施方案也不同。 由電動(dòng) III 型儀表構(gòu)成的串級控制系統(tǒng)的基本方案有如下兩種： 35 主 控 制 器主 變 送 器副 變 送 器雙 筆 記 錄 儀主 對 象副 對 象控 制 閥電 氣 轉(zhuǎn) 換 器副 控 制 器 圖 41 用電動(dòng) III 型儀表組成的串級控制系統(tǒng)方塊圖 該方案中采用了兩臺控制器，主、副變量通過一臺雙筆記錄儀進(jìn)行記錄。 串級控制系統(tǒng)主副回路和主副調(diào)節(jié)器選擇 為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)當(dāng)合理選擇主副回路及主副調(diào)節(jié)器的規(guī)律。原則是兩者相差大一些。因此，在選擇副回路時(shí)，主副對象的時(shí)間常數(shù)比值應(yīng)當(dāng)選取適當(dāng)，一般21TT =2~6（或 3~10）之間較為合適。 （ 2）要求主參數(shù)波動(dòng)范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差），此時(shí)副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 副回路的正、反作用的選擇：副回路的具體情況決定論副控制器的正、反作用，而與主回路無關(guān)。模型的建立方法可分為機(jī)理建模方法和測試建模方法，下面分別進(jìn)行闡述。用機(jī)理法建模時(shí)，有時(shí)也會出現(xiàn)模型中有些參數(shù)難以確定的情況， 這時(shí)可用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)崪y工業(yè)數(shù)據(jù)來確定這些參數(shù)。 測試法建模又可分為經(jīng)典辨識法和系統(tǒng)辨識法兩大類； ① 經(jīng)典辨識法 不考慮測試數(shù)據(jù)中偶然性誤差的影響，只需對少量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較簡單 的數(shù)學(xué)處理，計(jì)算工作量一般較小。對本類方法的對象，只需做出線性假定，并不需要事先確定模型的 具體結(jié)構(gòu)，因而本類方法使用范圍廣，工程上獲得了廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)辨識方法不需要過程的先驗(yàn)知識。它具有原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點(diǎn) ； 選擇系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的目的，是使調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)對象能很好地匹配，使組成的控制系統(tǒng)能滿足工藝上所提出的動(dòng)、靜態(tài)性能指標(biāo)的要求。 積分（ I）調(diào)節(jié) 積分調(diào)節(jié)器的突出特點(diǎn)是，只要被調(diào)量存在偏差，其輸出的調(diào)節(jié)作用便隨時(shí)間不斷加強(qiáng)，直到偏差為零。但是單純的微分調(diào)節(jié)對靜態(tài)偏差毫無抑制作用，因此不能單獨(dú)使用，總要和比例或比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合起來，稱為 PD 調(diào)節(jié)器和 PID 調(diào)節(jié)器。它的傳遞函數(shù)為： 41 Gc(S)=Kp(1+1/T1S+ TDS) PID 控制系統(tǒng) 圖 51 PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)，即： e(t)=r(t)c(t) 將偏差的比例 (P)、積分 (I)、微分 (D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對過程對象進(jìn)行控制，故稱為 PID 控制器。 衡量控制器參數(shù)是否最佳，需要規(guī)定一個(gè)明確的反應(yīng)控制系統(tǒng)質(zhì)量的性能指標(biāo)，一般分為穩(wěn)態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)。顧名思義，理論計(jì)算整定法是在已知過程的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，依據(jù)控制理論，通過理論計(jì)算來求取“最佳整定參數(shù) ” ；而工程整定法是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在過程控制系統(tǒng)中進(jìn)行的控制器參數(shù)整定方法。這種方法是人們在長期的工程實(shí)踐中，從各種控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響的定性分析中總結(jié)出來的一種行之有效，并且得到廣泛運(yùn)用的工程整定方法。 43 表 51經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù) 系統(tǒng) 參 數(shù) δ（ %） T1(min) TD(min) 溫度 20～ 60 3～ 10 ～ 3 流量 40～ 100 ～ 1 壓力 30～ 70 ～ 3 液位 20～ 80 （ 2）臨界比例度法 這種整