【正文】 串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 為充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)施控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)合理的設(shè)計(jì)主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)多大，取決于整個(gè)對(duì)象的容積分布情況以及各種擾動(dòng)影響的大小。 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律 及調(diào)節(jié)器的選型 主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對(duì)副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可以采用比例控制。如果控制對(duì)象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時(shí)又有主要擾動(dòng)落在副回路以外的話，就可以考慮采用 PID 調(diào)節(jié)器。一般取積分時(shí)間 sTi 10? ，試探過程中，可以任意設(shè)置 Gn 值，得到一個(gè)滿意的比例帶 ? 值后，再次改變 Gn 值，改變時(shí)須使 /Gn ? 保持不變，即保證副回路的開環(huán)放大倍數(shù)不變。 圖 33 前饋通路 令 ()B D DW s n ?? ，而 ( ) 1/T G GW s n ?? ，那么完全補(bǔ)償條件為 ： )()( )()( 12 sWsW sWsW DT DB ?? 把 ()BWs和 ()TWs的值代入得 ： )( )(12 sW sWnn DDD GGD ??? ?? （ 34） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 在式（ 34）中，負(fù)號(hào)是由前饋裝置極性開關(guān)實(shí)現(xiàn)， G? 、 D? 的值是變送器的斜率，一般是給定的。它主要是為了補(bǔ)償 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象。 式（ 35）表明，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個(gè) PI 規(guī)律的調(diào)節(jié)器。則有 22222iiGTTn????? ??? 111 ii TT ???? ??? ? ??????11??iGHT 前饋通路的設(shè)計(jì) 前饋通路的簡(jiǎn)化圖見圖 36，通路中 Dn 的選擇是基于 “ 虛假水位 ” 情況而定的。在試探時(shí)，給水流量反饋裝置的傳遞函數(shù)可設(shè)置為任意數(shù)值，以得到滿意的比例帶值。 圖 39 單級(jí)三沖量主回路的等效 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 圖 310 單級(jí)三沖量主回路的等效仿真圖 蒸汽流量前饋環(huán)節(jié) 不在 控制 系統(tǒng)反饋回路之內(nèi)，因此它們的動(dòng)態(tài)特性及取值大小不會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定值，故可以根據(jù)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)使水位不發(fā)生變化的原則來確定前饋環(huán)節(jié)的參數(shù)，因此 前饋裝置 Dn 的 整定 ， 根據(jù)無靜差原則得 ： ??? GD GGD nnn ?? 如圖 311 為單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖， 由于給定值為 ，水位測(cè)量變送器傳遞系數(shù) 為 ， 所以示波器輸出穩(wěn)定值為 100mm。所以前饋通道能夠抵抗蒸汽流量的擾動(dòng)，使系統(tǒng)性能良好。 圖 321 串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng) 主回路等效圖 根據(jù) 響應(yīng)曲線整定法中給出的計(jì)算等效主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)， 30, ?? ?? ，可求得 1? 、 1iT 為 sT iGH 11?????????????? ?? )9911( 1)11(1 111 ???? sTW iT ? 主回路 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖 322 和圖 323。調(diào)整后如圖 326 所示，在 600S 和 800s 處分別加入給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)，如圖 327 超調(diào)為 45%， Ts 為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 450s，顯然性能變好 ， 115, 11 ?? iT? s。 給水流量擾動(dòng)是內(nèi)擾，串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是校正水位，這比單級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的工作更為合理。因此， Gn 大小在單級(jí)和串級(jí)給水控制系統(tǒng)里產(chǎn)生的影響不一樣。這樣，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位穩(wěn)定值是靠主調(diào)節(jié)器 PI1來維持的。通過仿真證明 了串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng) 能夠有效的克服“虛假水位”現(xiàn)象和內(nèi)擾， 副回路 能 快速消除給水流量擾動(dòng)，前饋通路用于補(bǔ)償蒸汽流量擾動(dòng)，克服 “ 虛假水位 ” 現(xiàn)象 。 最后，十分感謝論文評(píng)審組的各位 教授、老師，感謝你們?cè)诎倜χ校槌鰧氋F的時(shí)間，提出你們寶貴的意見，謝謝！ 。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 42 結(jié) 論 本文介紹了發(fā)電廠的概況和熱工自動(dòng)化在電廠中的應(yīng)用，說明了鍋爐水位控制的重要性，主要 掌握 了氣泡鍋爐給水控制對(duì)象 的動(dòng)態(tài)特性，分析了 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性、蒸汽流量擾動(dòng)下的水位的動(dòng)態(tài)特性和爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 。主調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)和給水流量，蒸汽流量都作用到副調(diào) 節(jié)器 P12 上 ， 在一般的情況下，副調(diào)節(jié)器可采用比例調(diào)節(jié)器，以保證副回路的快速性。而串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)則由主 、副兩個(gè) PI 調(diào)節(jié)器分別控制兩個(gè)回路。 蒸汽流量擾動(dòng)是外擾，在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，蒸汽流量信號(hào)使給水調(diào)節(jié)閥一開始就向正方向移動(dòng)，保持給水量和蒸汽流量平衡，即蒸汽流量增加，給水調(diào)節(jié)閥開大，抵消了由于 “ 虛假水位 ” 引起的反方向動(dòng)作因而減少了水 位和給水流量的波動(dòng)幅度。 在 600s 和 800s 處分別加內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 34 入給水流量和蒸汽流量擾動(dòng)。 主回路的仿真 主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個(gè)快速比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上的。 圖 317 說明對(duì)應(yīng) 有前饋通道的 系統(tǒng)能夠抵抗蒸汽流量擾動(dòng)，系統(tǒng)最后達(dá)到穩(wěn)定值 0，而圖 318 說明對(duì)應(yīng)無前饋通道的系統(tǒng)不能夠抵抗蒸汽流量擾動(dòng)，系統(tǒng)穩(wěn)定值為 ，存在靜態(tài)偏差。 單級(jí)三沖量 副回路 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖見圖 37 和圖 38， 內(nèi)回路經(jīng)過整定后，其控制過程非?？?，為調(diào)節(jié)器為比例積分 特性， ? 和 iT 設(shè)置的較小，故 它 能快速動(dòng)作，則 副回路可以看成具有近似比例特性的快速隨動(dòng)系統(tǒng)。 下面分別對(duì) 主 、副 回路 進(jìn)行 整定 。 1111iiHGGTTn???????? （ 37） G? 和 H? 為已知，所以回路只要整定 Gn 、 1? 和 1iT 的問題，用以下經(jīng)驗(yàn)公式整定： ???? ??iT 所以 ???? ??11????iGGHTn 由式（ 36）和式（ 37）兩式可知： GGnn????121?? 即當(dāng) Gn 增加時(shí)，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強(qiáng)，反之相反。當(dāng)給水被控對(duì)象 “ 虛假水位 ” 嚴(yán)重時(shí)，需加大蒸汽流量信號(hào)的作用強(qiáng)度，以改善控制過程品質(zhì)，此時(shí)可取 Dn ＞ 1，并通過試驗(yàn)來減小Gn， Dn / Gn 最好為 整數(shù)（一般為 2，即 Gn =）。 串級(jí)三沖量 給水控制系統(tǒng)的參數(shù) 整定 主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 在串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個(gè) PI 調(diào)節(jié)器 2()TWs， 一般用試探法整定副回路的 2/ Gn? 和 2iT 。因此在整定外回路時(shí)若改變 Gn ，應(yīng)相應(yīng)改變 PI 調(diào)節(jié)器的比例帶 ? ，使兩者比值不變，以保證內(nèi)回路穩(wěn)定性。 圖 31 副回路等效圖 以給定值 V? g為基值，考慮增量情況， HDV V V? ? ? ，這時(shí)可把它當(dāng)作 為 單回路來分析。凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過程，對(duì)控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時(shí)，會(huì)引起副回路中參數(shù)振幅增加，而副參數(shù)的變化傳到主回路后，又迫使主參數(shù)變化幅度增大，如此循環(huán)往復(fù)，就會(huì)使主 、副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間大幅度波動(dòng)，這就是所謂串級(jí)系統(tǒng)的“ 共振現(xiàn)象 ” ， 一旦發(fā) 生 共振 現(xiàn)象 系統(tǒng)就失去控制，不僅使系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化，如不及時(shí)處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重后果。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動(dòng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 當(dāng)給水流量信號(hào) Ig 和蒸汽流量信號(hào) ID兩個(gè)信號(hào)中由于變送器故障而失去一個(gè)信號(hào)，或變送器特性發(fā)生變化， ID和 Ig 平衡關(guān)系失去時(shí)，主調(diào)節(jié)器由于積分作用可補(bǔ)償失去平衡的電流，使系統(tǒng)暫時(shí)維持工作；而單級(jí)系統(tǒng)當(dāng) ID 或 Ig 因產(chǎn)生故障而失去時(shí)，則無法控制水位在額定值，因此串級(jí)系 統(tǒng)的安全性較好。 在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，副回路卻是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)。這是因?yàn)榇?jí)控制系統(tǒng)具有以下幾方面的特點(diǎn)： 由干副回路具有快速作用，因此， 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力。副回路的作用主要為快速消除內(nèi)擾，主回路用于校正水位偏差，而前饋通路則用于補(bǔ)償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。副對(duì)象是整個(gè)控制對(duì)象的 一部分，常稱為控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)；主對(duì)象是整個(gè)控制對(duì)象中的另一部分，常稱為控制對(duì)象的惰性區(qū)。蒸汽流量 D 和給水流量 G 的變化是引起水位變化的原因 （ 擾動(dòng)信號(hào) ） ，它們分別作為水位控制的前饋信號(hào)和反饋信號(hào)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 第 二 章 給水自動(dòng)控制系統(tǒng) 的介紹 根據(jù)汽包鍋爐給水控制對(duì)象 動(dòng) 態(tài)特性的特點(diǎn)，我們確定給水控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在外部負(fù)荷突然減小時(shí)（如汽輪機(jī)甩負(fù)荷）， “ 虛假水位 ” 約在 20 秒內(nèi)即達(dá)到最低值，并且， “ 虛假水位 ” 達(dá)到最低值的時(shí)間和負(fù)荷達(dá)到的最低值的時(shí)間基本 相同。在給水流量擾動(dòng)下實(shí)際的水位變化曲線 2可以認(rèn) 為是曲線 1 和曲線 3 的合成 ??1 。 圖 13 燃料量擾動(dòng)下水位階躍響應(yīng)曲線 在 負(fù)荷突然增加時(shí)，雖然鍋爐的給水流量小于蒸發(fā)量，但開始階段的水位不僅 不下降，反而迅速上升（反之，當(dāng)負(fù)荷突然減少時(shí)，水位反而先下降），這種現(xiàn)象稱為“ 虛假水位 ” 現(xiàn) 象。 鍋爐熱負(fù)荷擾動(dòng)下的水位動(dòng)態(tài)特性 汽包水位的變化與鍋爐負(fù)荷的變化有密切關(guān)系，因?yàn)樨?fù)荷的變化不僅影響蒸發(fā)受熱面中水的消耗量，而且由此引起汽壓變化，將使鍋 爐 水狀態(tài)發(fā)生變化 ， 其容積也相應(yīng)變化。39。()CA????，則上式變?yōu)? DGdtdHC ?? （ 12） 式中 ： H — 汽包水位 ， m 或 cm ； A — 汽水分離面積， 2m 或 2cm ； 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 D — 蒸發(fā)量， /th或 /kgs ； G — 給水量， /th或 /kgs ； C — 容量系數(shù)； 39。39。150mm 異常情況： 177。內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 汽包水位過低，致使下降管進(jìn)口帶汽 ， 循環(huán)流動(dòng)壓頭降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起水循環(huán)的破壞，使水冷壁管超溫過熱 ， 嚴(yán)重缺水時(shí)還可能造成汽包干鍋和水冷壁燒損等嚴(yán)重事故，因此正確認(rèn)識(shí)汽包水位的影響因素加強(qiáng)對(duì)水位的監(jiān)視和調(diào)整對(duì)汽包鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。排出的蒸汽稱為乏汽，它排入凝汽器。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 汽水循環(huán)系統(tǒng) 給水經(jīng)給水泵送入省煤器和汽包，然后進(jìn)入下降管、水冷壁，水在水冷壁中加熱后成為汽水混合物又回到汽包并經(jīng)汽、水分離，分離出的水繼續(xù)進(jìn)入下降管循環(huán)，分離出的飽和蒸汽離開汽包進(jìn)入過熱器系統(tǒng)。自然循環(huán)鍋爐和控制循環(huán)鍋爐的共同特點(diǎn)是都有汽包。由于水的密度要大于汽水混合物的密度，所以在下降管和水冷壁之間就會(huì)產(chǎn)生壓力差，在這種壓力差的推動(dòng)下，給水和汽水混合物在蒸發(fā)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。電廠鍋爐在火電廠中是提供動(dòng)力的關(guān)鍵設(shè)備，因而電廠鍋爐技術(shù)的進(jìn)步對(duì)電力生產(chǎn)的發(fā)展有著直接影響。 現(xiàn)在是 “ 信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化 ” 的時(shí)代， 隨著世界高科技的飛速發(fā)展和我國(guó)機(jī)組容量的快速提高，電廠熱工自動(dòng)化技術(shù)不斷地從相關(guān)學(xué)科中吸取最新成果而迅速發(fā)展和完善，近幾年更是日新月異，一方面作為機(jī)組主要控制系統(tǒng)的DCS，已在控制結(jié)構(gòu)和控制范圍上發(fā)生了巨大的變化。而具有提高系統(tǒng)的安全性 、 可靠性以及使系統(tǒng)更容易靈活操作的集散控制 系統(tǒng) DCS(Distributed Control System)，是作為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的后起之秀，DCS 為生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制提供了強(qiáng)有力的控制手段，因此它廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)。但從能量轉(zhuǎn)換觀點(diǎn)分析，其基本過程都是：燃料的化學(xué)能 → 熱能 → 機(jī)械能→ 電能。 鍋爐汽包的給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)有三種基本結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螞_量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、雙沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，低負(fù)荷階段，由于疏水和鍋爐排污等因素的影響，給水和蒸汽流量存在著嚴(yán)重的不平衡，而且流量