【正文】 ......... 13 PID 控制器 .................................................. 13 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器 ................................ 13 PID 參數(shù)整定方法 ......................................... 14 串級(jí)溫度控制系統(tǒng) ............................................ 15 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理 ......................... 15 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ................................... 16 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的整定 ................................... 18 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的仿真 ................................... 21 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) ............................................ 22 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 ............................. 22 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析 ................................... 23 長(zhǎng)春理工大學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定 ................................... 24 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的仿真 ................................... 26 兩種自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇 ........................ 27 第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真 .............................. 29 Smith 預(yù)估補(bǔ)償器 ............................................. 29 改進(jìn)型史密斯預(yù)估器 ........................................... 32 帶有改進(jìn)型 Smith 預(yù)估器的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 ......... 34 第 5 章 結(jié) 論 ...................................................... 37 參考文獻(xiàn) ........................................................... 38 致 謝 ............................................................. 39 附 錄 ............................................................. 40 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 選題的 背景 及意義 鍋爐的過(guò)熱蒸汽溫度是工業(yè)蒸汽鍋爐安全，穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)之一。運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的高效率、高可靠性、全自動(dòng)的微機(jī)工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)始日益得到重視。隨著控制理論的不斷發(fā)展，控制領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的控制方法，如預(yù)測(cè)控制方法、自適應(yīng)控制方法、各種智能控制方法 (包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等等 )。在各種擾動(dòng)作用 下反映出非線性、時(shí)變等特性，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。 過(guò)熱器的分類及基本結(jié)構(gòu) 過(guò)熱器的分類 過(guò)熱器可以根據(jù)傳熱方式分為對(duì)流過(guò)熱器、半輻射過(guò)熱器及輻射過(guò)熱器三種。 （ 3）屏式過(guò)熱器和包覆過(guò)熱器 除了 以上 兩種過(guò)熱器，還有一種介于兩者之間的半輻射過(guò)熱器。 為了得到較好的傳熱效果，最好把屏式過(guò)熱器布置在煙溫為 950— 1050℃的煙道中 。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過(guò)熱器之后，用來(lái)調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃 料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化，為粗調(diào)。 過(guò)熱器 一 級(jí)減溫控制系統(tǒng) 過(guò)熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖 23 所示。其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值進(jìn)行比較，形成一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加而形成的。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 8 過(guò)?？諝饬扛淖儠r(shí)，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。在各種擾動(dòng)下，汽溫控制對(duì)象是有 延遲 、慣性和自平衡能力的 [4]。它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類似。 （ 3） 在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動(dòng)下，蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較好。所謂蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)，是指通過(guò)改變蒸汽的熱焓來(lái)調(diào)節(jié)溫度。當(dāng)汽溫偏高時(shí)，開(kāi)大調(diào)節(jié)門(mén)增加減溫水量；當(dāng)汽溫偏低時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)閥門(mén)減少減溫水量，或者根據(jù)需要將減溫器撤出運(yùn)行。 由于噴水減 溫設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，調(diào)節(jié)又靈敏，所以仍得到廣泛應(yīng)用。 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 12 （ 2）改變噴燃器的運(yùn)行方式 。 若改變流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對(duì)流傳熱系數(shù)變化，從而改變了煙氣對(duì)過(guò)熱器的放熱量。調(diào)節(jié)送風(fēng)量可以改變流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣量，即改變煙氣流速，達(dá)到調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的目的。 由于過(guò)熱汽溫控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號(hào)反應(yīng)慢，因此選擇減溫器后的汽溫作為局部反饋信號(hào)，形成了上述的兩種雙回路控制系統(tǒng)。 比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器 理想的比例積分微分（ PID）調(diào)節(jié)器由比例、積分和微分三種調(diào)節(jié)作用疊加而成，其動(dòng)態(tài)方程為： ???????? ????? ?t0 di dtdeTe d tT1e1 (31) 其傳遞函數(shù)為： ( ) ( )( ) +1+11=sE=s sTsTsW diP I D ?? (32) 式中： 積分時(shí)間： pi IKT K?； 微分時(shí) 間：ddpKT K? ； 比例帶： 1pK??； 微分慣性時(shí)間常數(shù)： dD DTT K? PID 調(diào)節(jié)器中，有三個(gè)可以調(diào)整的參數(shù)：即比例帶 δ、積分時(shí)間 Ti 和微分時(shí)間 Td。記下此時(shí)的比例度 δk 和振蕩周期 Ts。而國(guó)外應(yīng)用最為廣泛的方法是軟件自 動(dòng)整定法，方便、快捷、可靠。在主、副調(diào)節(jié)器均具有PI 控制規(guī)律的情況下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零，即 ： 2I? = 0I? ； 1I? = 1TI 由此也可以認(rèn)為主調(diào)節(jié)器的輸出 1TI 是導(dǎo)前汽溫 1I? 的給定值?？梢?jiàn)，串級(jí)系統(tǒng)中采用了兩級(jí)調(diào)節(jié)器。但這將與要求副回路控制通道短，反應(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。一旦發(fā)生了共振系統(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。 、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則 （ 1）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)的要求也不高的情長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 18 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?？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器 ??1TWs的參數(shù)。 Wr 2( s ) W0 2( s )Wm 2( s )Wr 1( s )Wm 1( s )1 / Wm 2( s )R2( s )Y2( s )a )W0 1( s )b )R2( s ) Y2( s ) 圖 35 主副調(diào)節(jié)器分別獨(dú)立整定時(shí)的方框圖 另外，按此方法整定串級(jí)系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)考慮控制對(duì)象惰性區(qū)動(dòng)態(tài)特性的求取。 （ 3） 根據(jù)上面得到的 δ1S、 T1S、 δ2S、 T2S計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。 圖 36 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖的等效變換 （ 4）如果 ? ?2 2()TWs的參數(shù)值與第（ 1）步得到 ? ?2 1()TWs的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。 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(hào)。引入了 2? 的微分信號(hào)后。但對(duì)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(lái)處理，如圖 311（ b）所示。 設(shè)主汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 000 0 2 0 10( ) ( ) ( ) (1 ) nKW s W s W s Ts?? ? （ 318） 導(dǎo)前區(qū)汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 25 22022() (1 )nKWs Ts? ? （ 319） 則等效對(duì)象的傳遞函數(shù) 為 ? ?2* 2 0 00 0 2 0 1 0 21 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )d nKKW s W s W s W s W sT s K??????? ? ? ??? ??? （ 320） 由上式可得 0 012( ) ( )d KW s W sK????????12???? （ 321） 可見(jiàn)微分器的參數(shù)時(shí)根據(jù)控制對(duì)象的惰性區(qū)來(lái)整定的，用控制對(duì)象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法， 由 1 0 2/K K K? 。經(jīng)過(guò)整定可得 ： 11255178 ?? s s.)s(Wd (331) 其中調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，用補(bǔ)償法整定得 δ=16， Ti=56。 ，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。若被控對(duì)象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質(zhì)量，則應(yīng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)。 兩種自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇 前面討論了串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?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)。但是汽溫對(duì)象的惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的（通常 1 2n? ），那么，式（ 322）等號(hào)兩邊就只能作到近似相等，而不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。這個(gè)新的控制對(duì)象的輸入仍然是減溫水流量信號(hào)BW ，但輸出信號(hào)為 *1? ，等效控制對(duì)象的傳遞 函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。在動(dòng)態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器將根據(jù) 2? 的微分信號(hào)和 1? 與 1? 的給定值 之間的偏差而動(dòng)作；但在靜態(tài)時(shí)， 2? 的微分信號(hào)消失，過(guò)熱汽溫 1? 必然等于給定值。在時(shí)間和相位上，后一個(gè)信號(hào)超前于主信號(hào)，因此把這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) [6]。 溫 度 控制系統(tǒng)的仿真 以某廠 300MW 機(jī)組主汽溫為被控對(duì)象為例： 惰性區(qū)傳 遞函數(shù)為： 5001 21 90 sWes ?? ? (314) 導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： 802 101 35 sWes ?? ? (315) 其中主調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，即 ? ? 111T iWs Ts? ????????。 （ 5） 觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程。利用級(jí)數(shù)展開(kāi)和低階近似，惰性區(qū)的動(dòng)態(tài)特征可表示為： 11101 21()() ( ) (1 ) nsKWs s T s???? ? （ 38） 式中： ? ?222 0 0 2 20 0 0 2 21 1 1 222 0 0 2 2 0 0 2 2。要達(dá)到此要求整定時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題： ① 對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。 （ 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時(shí)主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。 、副調(diào)節(jié)器的選型 串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對(duì)于它們的選型即控制規(guī)律的選擇也有不同考慮 。副回路的范圍也不是愈大愈好。 、副回路的設(shè)計(jì)原則 （ 1）副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。內(nèi)回路由導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對(duì)象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路組成。但隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工業(yè)參數(shù)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，并且由于生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)間的關(guān)系復(fù)雜化及控制對(duì)象遲延和慣性的增大，都使得單回路控制系統(tǒng) 不能滿足要求 。 （ 2） 10： 1 衰減曲線法 有的過(guò)程， 4： 1 衰減仍嫌振蕩過(guò)強(qiáng)，可采用 10： 1 衰減曲線法。 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示： 長(zhǎng)春理工大 學(xué) 本科 畢業(yè) 設(shè)計(jì) 14 teoΔ e0tμo0e??D0K1 e???DPIP I D 圖 31 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器在階躍輸入下，開(kāi)始時(shí)微分作用的輸出變化最大，使總的輸出大幅度地變化，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的超前調(diào)節(jié)作用，把這種調(diào)節(jié)作用看成為預(yù)調(diào)；然后微分作用消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)地位，只要靜態(tài)偏差存在，積分作用便不斷增加