【正文】 串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程為 2 0 21 0 1 12 0 2 2( ) ( )1 ( ) ( ) ( ) 01 ( ) ( ) ( )TTmTmW s W sW s W s W sW s W s W s??? （ 311） 可得此時(shí)等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 * 2 0 2 0 1 1012 0 2 2( ) ( ) ( ) ( )() 1 ( ) ( ) ( )TmTmW s W s W s W sWs W s W s W s? ? （ 312） 按照單回路系統(tǒng)整定方法求出主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記作 ? ?1 1()TWs。 這是因?yàn)闅鉁貙?duì)象中的純滯后環(huán)節(jié)造成的，若采用串級(jí)系統(tǒng)，則必須改進(jìn)加入消除大延遲的方案。這個(gè)系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫 2? 的微分信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號(hào)，以改善控制質(zhì)量。 圖 39 導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回 路汽溫控制系統(tǒng) 貲嚼餼鞔 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析 對(duì)于如圖 310 所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖 311(a）所示，控制對(duì)象 ? ?0 0 1 0 2( ) ( ) ( )W s W s W s? 的遲延、慣性較大。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整 定 按補(bǔ)償法進(jìn)行整 定 根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補(bǔ)償法的整定規(guī)則：整定微分器??dWs的參數(shù)（ DK 、 DT ）以形成一個(gè)等效對(duì)象，這個(gè)等效對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等于（或近似等于）在動(dòng)態(tài)時(shí)為導(dǎo)前區(qū)的特性，在靜態(tài)時(shí)為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器TW (S)的參數(shù)（ ? ， iT ）則按等效對(duì)象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定方法） 。 貲嚼餼鞔 圖 312 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)，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響 。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 28 、副兩個(gè)控制回路的工作相對(duì)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。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 29 第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真 在鍋爐機(jī)組的運(yùn)行過程中 ， 氣溫 對(duì)象特性 具有較大的。但對(duì)于實(shí)際的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應(yīng)采用 P 或 PD 調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應(yīng)采 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。 將式（ 322）等號(hào)的兩邊展開為冪級(jí)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 ? ? ? ? ?? … （ 325） 等式右邊為 ? ? ? ?111 22111 1 1 1 1221111 2!1 nnnK K n T s T sTs ?????? ???? ? ??? ??? ???? （ 326） 令等式兩邊 s 的低階項(xiàng)（二階以下項(xiàng)）的系數(shù)相 等 。由于 等效對(duì)象的輸出 的慣性遲延比 控制對(duì)象 小得多，因而等效對(duì)象的輸出的慣性遲延小得多。 由圖 39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(hào)控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖 310 所示。微分作用能反映輸出量的變化趨勢(shì)，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 。 副調(diào)節(jié)器為 P調(diào)節(jié)器 ，在這里 δ = 3，反饋通道比例系數(shù)均為 1，在無(wú)擾動(dòng)的情況下，輸入為單位階躍信號(hào)， 用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖37 所示，其仿真曲線如圖 38 所示。在第一次整定副調(diào)節(jié)器時(shí)，斷開主環(huán)，即按副 回路單獨(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來整定副調(diào)節(jié)器 2()TWs的參數(shù)，記作 ? ?2 1()TWs。因此在式（ 311）假定下： 01ccTT??? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? (310） 式中： ? ?0/ cT? 為控制對(duì)象 0()Ws階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線上 ? 與 cT 的比值，它實(shí)際往往無(wú)法由實(shí)驗(yàn)曲線上直接獲得（如在過汽溫對(duì)象中）。 ② 調(diào)節(jié)器類型的選擇。 圖 34 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 ：先整定副控制器，后整定主控制器 （ 1）先整定副調(diào)節(jié)器 當(dāng)副回路受到階躍擾動(dòng)時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)副回路控制過程就結(jié)束。 （ 2）主調(diào)節(jié)器的選型 主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。一般應(yīng)使副回路的頻率比主回路的頻率高的多 ，當(dāng)副回路的時(shí)間常數(shù)加在一起超過了主回路時(shí)，串 級(jí)控制效果就不明顯 。副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。若采用單回路控制主汽溫 1q ， 無(wú)法取得滿意的控制品質(zhì)。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，本節(jié)將對(duì)其組成、特點(diǎn)及整定進(jìn)行討論。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 15 （ 1） 根據(jù)不 同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，先把 P、 I、 D 各參數(shù)放在基本合適的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來的（按 4： 1 衰減）。這時(shí)的比例度叫臨界比例度 δk，周期為臨界振蕩周期 Tk。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用 PID 控制技術(shù)最為方便。所以噴水減溫還是目前被廣泛使用的過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法。 （ 2）煙氣旁路調(diào)節(jié) 。用改變上、下排二次風(fēng)分配比例的辦法來改變火焰中心位置?；鹧嬷行奈恢媒档蜁r(shí)，則過熱汽溫降低。該鍋爐第二級(jí)噴水減溫器設(shè)在末級(jí)對(duì)流過熱器進(jìn)口 ，被調(diào)參數(shù)是主蒸汽出口溫度，由于此處距主蒸汽出口距離近，且此后蒸汽溫度變化幅度也不大，所以第二級(jí)噴水減溫的靈敏度高，調(diào)節(jié)時(shí)滯也小，能有效的保證主蒸汽出口溫度符合要求，因而該級(jí)噴水調(diào)節(jié)是主蒸汽的細(xì)調(diào)節(jié)。 減溫器通常采用給水作為冷卻工質(zhì)。汽溫過高會(huì)使金屬應(yīng)力下降，將影響機(jī)組的安全運(yùn)行；汽溫降低則會(huì)機(jī)組的循環(huán)的效率。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，要隔較長(zhǎng)時(shí)間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時(shí)間比較大 。 從階躍響應(yīng) 曲線可知，其特點(diǎn)是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延遲和慣性都比較小，即時(shí)間常數(shù) 和滯后時(shí)間 都比較小 ,且 較小。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對(duì)過熱汽溫有顯著的影響。由于二級(jí)過熱器蒸汽溫度控制是鍋爐出口蒸汽溫度的最后一道控制手段，為了保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，要求盡可能提高鍋爐出口蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)。 過熱器 二級(jí)減溫控制系統(tǒng) 過熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖 24 所示。運(yùn)行人員在操作員站上可對(duì)此給定值給予正負(fù)偏置。 鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 這 里針對(duì) 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為設(shè)計(jì)對(duì)象，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。 該 過熱器具有以下特點(diǎn)：由于過熱蒸汽參數(shù)高，爐膛內(nèi)布置大量屏式過熱器。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對(duì)流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。 過熱器的進(jìn)出口聯(lián)箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。 ，確定了一種引入改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器的串級(jí)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)蒸汽溫度的偏差和偏差變化情況調(diào)整控制器的 PID 因子，進(jìn)而調(diào)整 了控制系統(tǒng)的控制策略，解決具有純遲延的過程控制，提高控制品質(zhì)。 本次設(shè)計(jì)的目的 本文的設(shè)計(jì)目的，就是針對(duì)過熱蒸汽溫度的特點(diǎn)，在深入分析過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的過程，過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對(duì)象的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性以及過 熱蒸汽溫度控制的設(shè)計(jì)難的基礎(chǔ)上，確定在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用串級(jí)控制的可行性，并考慮根據(jù)蒸 汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的各個(gè)參數(shù)， 實(shí)現(xiàn)控制過熱蒸汽溫度。過熱汽溫對(duì)象具有時(shí)變性、不確定性、非線性等特點(diǎn)，并且會(huì)有一些隨機(jī)的擾動(dòng)產(chǎn)生，工藝流程復(fù)雜，使其難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。在鍋爐運(yùn)行中，影響過熱器出口蒸汽溫度的因素很多，有蒸汽流量、鍋爐給水溫度、煙氣溫度、流量、流速等。通過使用該系統(tǒng)，可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器營(yíng)壁溫度不超過允許的工作溫度 。 本科生畢業(yè) 設(shè)計(jì) 鍋爐過熱蒸汽的溫度控制 Temperature Control of Superheated Boiler Steam 長(zhǎng)春理工大學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)原創(chuàng)承諾書 1． 本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)《 鍋爐過熱蒸汽的溫度控制 》，是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解 學(xué)校的《長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 工作條例 》后，在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨(dú)立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。但是由于過熱蒸汽溫度是一個(gè)典型的大遲延、大慣性、非線性和時(shí)變性的復(fù)雜系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控 串級(jí)控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。 過熱蒸汽的溫度一般可以看作是多容分布參數(shù)的受控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性描述可用多容慣性環(huán)節(jié)表示，該對(duì)象具有明顯的滯后特性 。 國(guó)內(nèi)外廣大專家學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作人員主要關(guān)注的熱點(diǎn)問題是：面對(duì)具有大延遲、工況 參數(shù)對(duì)模型參數(shù)有較大影響的過熱汽溫，如何穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地對(duì)其進(jìn)行有效的控制。目前比較有效的是模糊 PID 復(fù)合串級(jí)控制系統(tǒng)，較好實(shí)現(xiàn)對(duì)過熱蒸汽溫度的控制。 根據(jù)兩種方案的特點(diǎn)，初步選用串級(jí)控制系統(tǒng)， 將串級(jí)控制引入到過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中， 但串級(jí)控制系統(tǒng)不能克服純之后帶來的影響，在接下來對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。對(duì)流過熱 器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長(zhǎng)的蛇形管束所組成 。為了保持各屏間的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對(duì)管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。 300MW 機(jī)組鍋爐的過熱器，具體結(jié)構(gòu) 如 圖 22所示。 蒸汽流程為：飽和蒸汽由汽包引出后經(jīng)一部分頂棚過熱器進(jìn)入側(cè)墻和后墻包覆過熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進(jìn)入低溫對(duì)流過熱器，出來后再經(jīng)過另一 部分頂棚過熱器進(jìn)入前屏過熱器，流出后經(jīng)過第一級(jí)噴水減溫器減溫，再進(jìn)入后屏過熱器，流出后經(jīng)過第二級(jí)減溫器減溫，進(jìn)入高溫對(duì)流過熱器完成最后一次過熱后，送往汽輪機(jī)。主回路的給定值由代表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量 信號(hào)經(jīng)函數(shù)器 f(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 6 圖 23 過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng) 由于機(jī)組的負(fù)荷會(huì) 改變，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，在大型機(jī)組的蒸汽溫度控制中，可充分利用計(jì)算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)，將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成自動(dòng)隨著負(fù)荷的變化不斷地修改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器，上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是如此。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 7 圖 24 過 熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng) 除了以上內(nèi)容外，二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級(jí)減溫控制系統(tǒng)完全相同。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下 ，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。 其傳遞函數(shù)可以表示為： 2 ()() ( ) 1 sDDSKW S eD S T S ???? ? (21) 式中 ： KD—鍋爐負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)被控對(duì)象的放大系數(shù) ； ?一負(fù)荷擾動(dòng)后對(duì)象的滯后時(shí)間； TD— 對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。 動(dòng)態(tài) 曲線圖如圖 25（ b） 所示。 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的概念和方法 維持穩(wěn)定的汽溫是保證鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須的。 從蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 汽 溫調(diào)節(jié)通常采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段。 這級(jí)減溫器只能作為主蒸汽溫度的粗調(diào)節(jié)。當(dāng)火焰中心位置抬高時(shí)，火焰離過熱器較近，爐內(nèi)輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，則過熱汽溫將升高。 （ 3）變化配風(fēng)工況 。 改變?cè)傺h(huán)煙氣量，可以同時(shí)改變流過過熱器的煙氣流量和煙氣含熱量，因而可以調(diào)節(jié)汽溫。 并且 對(duì)過熱器的安全運(yùn)行比較理想，盡管對(duì)象的調(diào)節(jié)特性不夠理想， 但可以從對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善對(duì)象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài) 特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。 PID 控制器問世至今已有近 70 年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。 PID 參數(shù)整定方法 先在純比例作用下（把積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間放到零），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會(huì)得到一個(gè)臨界振蕩過程。方法同上，得到 10： 1 衰減曲線，記下此時(shí)的比例度 δk和上升時(shí)間 Ts，再按經(jīng)驗(yàn)公式（見附錄）來確定 PID 的數(shù)值。 因而產(chǎn)生了許多新的、較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如串級(jí)控制、導(dǎo)前微分控制、復(fù)合控制、分段控制、多變量控制等。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因?yàn)闇p溫器離過熱器出口較遠(yuǎn)，且過熱器管壁熱容較大，主汽溫對(duì)象