【正文】 一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng) 已能夠滿足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號， 用 MATLAB 進行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 313 所示，其仿真曲線如圖 314 所示 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 27 313 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖 圖 314 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)曲線 由圖可知，應(yīng)用導(dǎo)前微分控制的系統(tǒng)也能達到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)器對給定的變化響應(yīng)速度比串級控制系統(tǒng)要快， 系統(tǒng)性能也不錯，對大滯后系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)作用，是一種不錯的控制方案 。 則式（ 321）可寫 為 ： 111121( ) 11 (1 )DDd nDK T sW s KT s Ts ??????? ? ??????? (322) 假設(shè)汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時一階 的（即 1 1n? ），則 有 111 1 111 2 1 21 1 1DDDK T s T s K T sKT s T s T s??????? ? ? （ 323） 比較等式兩邊的對應(yīng)項可 得 DT ＝ 1T DK ＝ 1K 12???? 微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù) 為 ： 2* 002() (1 )nKWs Ts? ? （ 324） 則實現(xiàn)了完全補償?shù)念A(yù)定目的。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。將有助于調(diào)節(jié)器的動作快速性。一個信號是主汽溫經(jīng)變送器直接進入調(diào)節(jié)器的信號，另一個信號則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號。兩個調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)步驟分別為（ 1）和（ 2）中求得的參數(shù)，否則應(yīng)根據(jù) ? ?2 2()TWs重復(fù)步驟（ 2）、（ 3），直到出現(xiàn)兩次整定結(jié)果基本相同為止 。 （ 4） 按 “先副后主 ”、 “先比例次積分后微分 ”的整定方法，將計算出的控制器參數(shù)加到控制器上。在圖 35 中，控制對象導(dǎo)前區(qū)的特性 02()Ws可直接由實驗測得，而惰性區(qū)的特性01()Ws不一定 能直接由實驗獲得，但整個控制對象的動態(tài)特性 0 01 02( ) ( ) ( )W s W s W s?總是可以由實驗測得，因此對象惰性區(qū)的動 態(tài)特性 01()Ws原則上可以由 0()Ws和02()Ws算出： 001 02()() ()WsWs Ws? （ 35） 例如：鍋爐過熱蒸汽溫度控制對象及其導(dǎo)前區(qū)的動態(tài)特性?？杀硎緸椋? 0010 0 1 0 2 0()( ) ( ) ( ) ( ) (1 ) nKsW s W s W s s T s??? ? ? ? （ 36） 22202 2()() ( ) (1 ) nsKWs s T s???? ? （ 37） 式中： ? 為減溫水閥門的開度。 按上述步驟整定系統(tǒng)后，通常應(yīng)滿足 213??? （ 1? 、 2? 分別為主、副回路主導(dǎo)衰減振蕩成分的頻率）。 （ 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此時副調(diào)節(jié)器可以采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅， 一般取 ? ?123 ~ 10ddTT? （ 33） 式子中： 為主回路的振蕩周期； 為副回路振蕩周期，要滿足式子（ 33），除了在副回路設(shè)計中加以考慮之外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)多大，取決于整個對象的容積分布情況以及各種擾動影響的大小。 溫 度調(diào) 節(jié) 器 1溫 度調(diào) 節(jié) 器 2執(zhí) 行 器閥 門減 溫 器過 熱 器溫 度 變 送 器 2溫 度 變 送 器 1內(nèi) 擾溫 度 測 量 值溫 度 給 定 值圖 33 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖 串級 溫度 控制系統(tǒng)的設(shè)計 為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，在設(shè)計實施控制系統(tǒng)時，還應(yīng)適當(dāng)合理的設(shè)計主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 33 所示，具有內(nèi)外兩個回路。 串級溫 度 控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡單而得到廣泛應(yīng)用。再按經(jīng)驗公式（見附錄）來確定 PID 數(shù)值。適當(dāng)選擇這三個參數(shù)的數(shù)值，可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量。下面將 分別加以介紹 并確定控制方案 。調(diào)節(jié)送風(fēng)量首先必須滿足燃燒工況的要求，以保證鍋爐機組運行的安全性和經(jīng)濟性。煙氣量增多時，煙氣流速大，使汽溫升高；煙氣量減少時，煙氣流速小，使汽溫降低。當(dāng)沿爐膛高度布置有多排噴燃器時，可以將不同高度的噴燃器組投入或停止工作，即通過上、下排噴燃器的切換，來改變火焰中心位置。 從煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 改變火焰中心位置。 單 元機組的鍋爐對汽溫要求較高，故通常裝置兩級以上的噴水減溫器。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水，噴 入的水的加熱和蒸發(fā)要消耗過熱蒸汽的一部分熱量，從而使汽溫下降，調(diào)節(jié)噴長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 11 入的水量，可以達到調(diào)節(jié)汽溫的目的。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 10 由圖可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫 1? 的響應(yīng)比過熱器出口汽溫 2? 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 1? 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。煙氣熱量的擾動也幾乎同時 影響過熱器管道長度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個具有自平衡 能力、滯后和慣性都不大的對象，其傳遞函數(shù)可表示為一個二階系統(tǒng)，見式 (22) 2 2212() 1() ( ) 1SSWS S T S T S? ???? ?? (22) 式中： ()SS? 為煙氣溫度 但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲 線如圖 25（ a） 所示。 引起蒸汽流量擾動的原因有兩個：一是蒸汽母管的壓力變化； 二是汽輪機 調(diào)節(jié)閥的開度變化。因此，當(dāng)增大過?？諝饬繒r將使過熱汽溫上升。 二級減溫控制的主回路前饋信號采用了基于焓值計算的較為完善的方案。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號疊加形成。該系統(tǒng)是在一個串級雙回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號和防超溫保護回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。 第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。根據(jù)已采用屏式過熱器的許多鍋爐運行實踐證明，它能夠在 1000— 1300℃ 煙溫區(qū)內(nèi)可靠工作，并具有良好的汽溫變化特性。最常用的半輻射過熱器是布置在燃燒 室上部或出口處的高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過熱器?，F(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成 [3]。 介紹了串級控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)，并加以分析、比較。除此之外 還有綜合了幾種控制形式的混合式智能控制器等多種形式，如以模糊控制為基礎(chǔ)的專家模糊控制系統(tǒng)，最常見的是以常規(guī) PID 數(shù)字控制為基礎(chǔ)，通過專家系統(tǒng)在線實時整定 PID 控制參數(shù)，即智能自適應(yīng) PID 控制器 [2]。 80 年代后期至今，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機測控系統(tǒng)，明顯的改善了鍋爐的運行狀況，但還不夠完善 。溫度過高，會使蒸汽帶水過多，汽水分離差，使后續(xù)的過熱管壁結(jié)垢，傳熱效率下降，過熱蒸汽溫度下降，影響生產(chǎn)和安全；溫度過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)還不能滿足工藝要求，嚴(yán)重時會引起爆炸。過熱蒸汽溫度較高時，機組熱效率則相對較高，但過高時，汽機的金屬材料又無法承受，氣溫過低則影響機組效率。 3． 在畢業(yè)設(shè)計中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。 cascade control system。所以針對上述情況設(shè)計的控制系統(tǒng)，既要求對煙氣側(cè)擾動及負(fù)荷擾動等較大外擾具有足夠快的校正速度，同時又要求能夠?qū)p溫水的內(nèi)擾有較強的抑制能力，從而使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和良好的控制品質(zhì)，并能保證系統(tǒng)運行的安全性。所以常規(guī) PID 控制方法更難以取得滿意的控制效果。 本次設(shè)計的內(nèi)容 1．分析了過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)，靜態(tài)特性，在蒸汽流量 擾動、 煙氣流量擾動、減溫水流量擾動三種主要擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性，過熱汽溫控制的難點和設(shè)計原則，并對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進行了大致的介紹。仿真結(jié)果表明，基 于改進型 Smith 預(yù)估器對大慣性、純延遲系統(tǒng)具有較好的控制效果，提高了系統(tǒng)的魯棒性得以提高，使控制品質(zhì)變好。 （ 2）輻射過熱器：輻射過熱器可布置在燃燒室四壁，也稱墻式或壁式過熱器，或布置在爐頂，稱頂棚過熱器，直接吸收輻射熱。從圖中可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷從 33%增加到滿負(fù)荷時，曲線 1 所示的屏式過熱器的汽溫變化非常平穩(wěn)，僅上升了 10℃；曲線 2 和 3所示的對流過熱器的汽溫上升了 42℃和 50℃；而曲線 4代表的 輻射過熱器的汽溫卻大幅下降了。低溫過熱器采用逆流布置，以便獲得較大的傳熱溫差，從而節(jié)約鋼材。過熱器設(shè)計成兩級噴水減溫方式，除可以有效減小過熱蒸汽溫度在基本擾動下的延遲，改善過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級噴水減溫還 具有防止屏式過熱器超溫、確保機組安全運行的作用。主回路控制器接受二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經(jīng)控制運算后其輸出送至副回路。 二級減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主 回路的給定值進行比較，形成二級過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，主回路的給定值由運行人員手動設(shè)定，對于 300MW 機組在正常負(fù)荷時，給定值一般為 540℃ 。 過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性 靜態(tài)特性 對于對流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，會使出口汽溫的 穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，會使出口汽溫 的穩(wěn)態(tài)值降低。 動態(tài)特性 目前，單元機組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 9 (a)蒸汽量 D 或煙氣傳熱量 Q 擾動 （ b）減溫水 WS擾動 圖 25 在擾動下溫度的變化曲線 當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時 ，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變化 ，導(dǎo)致過熱器出口溫度的變化。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù) ，其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復(fù)雜。 對汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是：調(diào)節(jié)慣性或延遲時間小，調(diào)節(jié)范圍大，對熱循環(huán)熱效率影響小，結(jié)構(gòu)簡單可靠及附加設(shè)備消耗少。被調(diào)溫的過熱蒸汽由于放熱，所以汽溫降低，達 到了調(diào)溫的目的。 噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫的特點是， 只能使蒸汽減溫而不能升溫。在高負(fù)荷時，將噴燃器向下傾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使進入過熱器區(qū)的煙氣溫度下降，減小過熱器的傳熱溫差，使汽溫降低。當(dāng)汽溫低時，則關(guān)小上排二次風(fēng)，開大下排二次風(fēng)，以抬高火焰中心。在旁路煙道中的受熱面之后裝有煙氣擋板，調(diào)節(jié)煙氣擋板的開度，即可改變通過主煙道的煙氣流速，從而改變主煙道中 受熱面的吸熱量。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 13 第 3 章 過熱 蒸 汽溫 度 控制系統(tǒng)的基本方案 過熱氣溫控制中一般 應(yīng)用 PID 控制器來進行調(diào)節(jié) ，下面將簡單介紹 PID 控制器和 PID 參數(shù)整定的方法。 PID 控制，實際中也有 PI 和 PD 控制。 臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用 衰減曲線法較簡單，一般又有兩種方法。 （ 1） 在自動或手動模式下對回路引入一個階躍測試； （ 2） 軟件自動收集過程數(shù)據(jù)，運用專家系統(tǒng)加以分析，并建立數(shù)學(xué)模型； （ 3） 使用建立的學(xué)模型自動計算出 具有 魯棒 性 的 PID 參數(shù)。由于汽溫對象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用 PID 控制規(guī)律，其輸入偏差信號為 0I? 2I? ，輸出信號為 1TI ，副調(diào)節(jié)器采用 PI 或 P 控制規(guī)律，接受導(dǎo)前汽溫信號 1I? 和主調(diào)節(jié)器輸長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 16 出信號 I1T ，輸出為 2TI 。調(diào)節(jié)器 PI2 根據(jù) 2q 信號控制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫 2q 比 1q 提早反映， 那么由于 PI2 的提前動作，擾動引起的 2q 波動很快消除，從而使主汽溫 1q 基本不受影響。 （ 2）副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。由于串級系統(tǒng)中主、副回路是兩個相互獨立又密切相關(guān)的回路。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器 ??2TWs。 長春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計 19 ③ 整定指標(biāo)的選擇。 （ 2） 在副控制器比例度等于 δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過渡過程，記下此時主控制器的比例度 δ1S。由圖 35 可以寫出