【文章內容簡介】 “虛假液位”現(xiàn)象屬于液位的反向特性，其變化與鍋爐的氣壓和蒸發(fā)量的變化的大小有關系，但是與給水量無關。 汽泡液位在燃料量擾動下的動態(tài)特性 汽泡液位在燃料量 B擾動下的響應曲線如圖 所示，當燃料量增加時，相對的鍋爐的吸熱量就會增加，蒸發(fā)強度也會隨之增大。如果氣輪機側的用汽量不加調節(jié)，那么伴隨著汽泡壓力的增加，汽泡輸出蒸汽量也將會增加，使得蒸發(fā)量大于給水 量，暫時性的產生了汽泡進出流量的不平衡。伴隨著水面下的蒸汽容積的增大，這個時候也會出現(xiàn)虛假液位現(xiàn)象，但由于燃燒率的增加也將氣量 D緩慢增加，因此，虛假液位現(xiàn)象要比 D擾動下緩和得多。 第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設計 9 △ B 圖 汽泡液位在燃燒率擾動下的階躍響應曲線 鍋爐 汽泡液位 控制系統(tǒng) 鍋爐汽泡液位控制系統(tǒng)控制方案的選擇 單沖量液位控制系統(tǒng)是以汽泡液位測量信號為唯一的控制信號，即液位測量信號經變送器送到液位調 節(jié)器，調節(jié)器根據(jù)汽泡液位測量值與給定值的偏差去控制給水調節(jié)閥，改變給水量以保持汽泡液位在允許范圍內。單沖量液位控制系統(tǒng)，是汽泡液位控制系統(tǒng)中最簡單最基本的一種形式 。 這種控制結構簡單，是單回路定制控制系統(tǒng)，在汽泡內水的停留時間較長，負荷又比較穩(wěn)定的場合下再配上一些鎖報警裝置就可以安全操作。 然而，在停留時間較短，負荷變化較大時，采用單沖量液位控制系統(tǒng)就不能適用。這是由于：①負荷變化時產生的“虛假液位“將使調節(jié)器反向錯誤動作，負荷增大時反向關小給水調節(jié)閥，一到閃急汽化平息下來，將使液位嚴重下降，波動厲害，動態(tài)品 質很差。②負荷變化時，控制作用緩慢。即使”虛假液位“現(xiàn)象不嚴重，從負荷變化到液位下降要有一個過程，再有液位變化到閥動作已滯后一段時間。如果液位過程時間常數(shù)很小，偏差必然相當顯著。 沖量液位控制系統(tǒng)是在單沖量液位控制系統(tǒng)的基礎上加入了以蒸汽流量信號為前饋信號的鍋爐汽泡液位控制系統(tǒng)。由于引入了蒸汽流量前饋信號，當蒸汽量變化時，就有一個與蒸汽量同方向變化的給水流量信號，可以減少或抵消由于“虛假液位”現(xiàn)象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的錯誤動作。使調節(jié)閥一開始就向正確的方向動作。因而能極大的減小給水量和液位的波動， 縮短過度過程時 間。 華北理工大學電氣工程學院 10 雙沖量控制由于有以上特點，所以能在負荷頻繁變化的工程下較好的完成液位控制任務。在給水流量比較平穩(wěn)時，采用雙沖量控制是能夠達到控制要求的。 雙沖量液位控制系統(tǒng)存在的問題是：控制作用不能及時的反映給水方面的擾動，當給水量發(fā)生擾動時，要等到汽泡液位變化時才通過調節(jié)器作用執(zhí)行器進行調節(jié)，滯后時間長，液位波動較大。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節(jié)閥前后壓差不能保持正常時，不宜采用雙沖量控制。 近代鍋爐都向大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，一般講鍋爐容量越大，汽泡的容水量相對就越小，允許波動 的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在 1030秒內就會發(fā)生危險液位，如果僅是給水量與蒸發(fā)量不相適應，在一分鐘到幾分鐘內也將發(fā)生缺水或滿水事故。這樣對液位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運行中經常會有自發(fā)性的變化，當幾臺鍋爐并列運行時，還可能發(fā)生幾臺鍋爐的液位調節(jié)互相干擾的現(xiàn)象。當某一臺鍋爐負荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量液位調節(jié)中，對于給水量這種自發(fā)變化不能及時反映出來，要經過一定的遲延時間之后，給水量的擾動才能通過汽泡液位的變化而被發(fā)覺，此后在克服擾動時，幾臺 鍋爐的液位調節(jié)又互相影響，使得調節(jié)過程非常復雜。 針對上述情況，為了把液位控制穩(wěn)定，鍋爐液位調節(jié)常輔助有蒸汽流量和給水流量動態(tài)補償，由液位、蒸汽流量 D和給水流量 W組成了三沖量汽泡液位調節(jié)系統(tǒng)，如圖 所示。在這個系統(tǒng)里，汽泡液位 H是被調量，是主沖量信號，蒸汽流量 D 、給水流量 W 是兩個輔助沖量信號。 D 、 W 引入系統(tǒng)的符號 ，根據(jù)各自信號的增減對液位 H的影響來定。如蒸汽流量 D ，當 D W 時，液位 H 降低，要使液位 H 不變就必須在原有給定值上加上由于蒸汽流量加大而引起液位下降的值，所以 H 引入系統(tǒng)的符號為“ +”。 H 、 W 引入系統(tǒng)的符號可用同樣的方法來確定。由于三沖量調節(jié)系統(tǒng)抗干擾能力和調節(jié)品質都比單沖量、雙沖量調節(jié)要好，因此應用也最多。 因此，本設計也采用了三沖量的控制系統(tǒng)。 圖 第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設計 11 圖 是三沖量液位調節(jié)系統(tǒng)的原理圖。從方塊圖可以看出，這個系統(tǒng)有兩個閉合回路； (l)是由給水流量 W、給水分流器 W? 、調節(jié)器 CG 、調節(jié)閥 VK 組成的副回路。 (2)由液位調節(jié)對象 01G 和內回路構成的主回路。其中，蒸汽流量 D 、分流器 DQ 、對象FG ：均在閉合回路之外，它們的引入不但可以改善控制系統(tǒng)的調節(jié)質量，還不會影響閉合回路工作的穩(wěn)定性。所以三沖量調節(jié)的實質是前饋加反 饋的閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)。 圖 三沖量液位調節(jié)系統(tǒng)原理圖 在這個系統(tǒng)里，內回路為串級調節(jié)的副環(huán)，當給水流量產生擾動時（給水流量的擾動也稱為內部擾動），由于副回路的快速調節(jié)作用，其對液位影響較小。在分析內回路時可認為主回路是開路，內回路是一個隨動的控制系統(tǒng)。內回路的方塊圖可表示為圖 。如果把調節(jié)器以外的控制環(huán)節(jié)都看作是系統(tǒng)的調節(jié)對象，那么調節(jié)對象的動態(tài)特性可以近似為比例環(huán)節(jié)，這樣的調節(jié)器的比例帶和積分時間 T 可設置得較小。 圖 其中 HO D HI I I I? ? ?Δ ,因此可認為： W? PI VK Δ I + W W 華北理工大學電氣工程學院 12 ()WWIWS???WΔ1=ΔI(S) 則圖 6進一步簡化為圖 ，在內回路分析基礎上，可以畫出主回路的簡化方塊圖 ，從圖 8可以看出，主回路也是一個單回路系統(tǒng)。調節(jié)對象以給水量 W 作為輸入，以液位 H作為控制對象的輸出。等效的調節(jié)器是比例調節(jié)器，等效的比例帶 ?WWδ= 。 圖 液位調節(jié)系統(tǒng)內回路等效方塊圖 圖 液位調節(jié)系統(tǒng)主回路簡化方塊圖 D? 的選擇 由于蒸汽流量信號不在調節(jié)系統(tǒng)閉合回路之內，它的大小不影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，蒸汽流量信號的大小原則上可以這樣來確定，當蒸汽流量 D發(fā)生擾動時，就利用這個擾動信號作為調節(jié)信號，通過 ?D 調整的液位 H變化很小或基本不變。 ????F2 D W 01F2DW01G (s )= G (s )G (s )=G (s ) 這樣就要求 ?D 取值上式值 時，就可實現(xiàn)蒸汽流量擾動下液位不變的設想。但這時的 ?D就不可能是一個比較簡單的控制系數(shù)，而是一個相對于比較復雜的動態(tài)環(huán)節(jié)。在一般情況下，如果 ?D 是一個比例環(huán)節(jié)，那么在蒸汽流量 D變化時就能把鍋爐液位控制在允許的范圍內。通常我們都根據(jù)蒸汽流量信號與給水流量信號靜態(tài)配合的原則來選擇 ?D 、如果要求在整個蒸汽流量 D的范圍內，液位的穩(wěn)定值不變，那么?。? ?D 01G F2G ?D 0H ΔI W H D + + — + ?W1 ΔI 第三章 鍋爐汽泡液位的控制系統(tǒng)的設計 13 ??DW= 、 即蒸汽流量 D信號的前饋系數(shù)等于給水流量 W信號的分流系數(shù)。 汽泡液位的串級三沖量 PID 控制系統(tǒng) 由于在采用三沖量串級控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)中控制器的輸入端有 2個輸入信號，這就液位極易引起偏差，因此，本設計根據(jù)汽泡液位控制系統(tǒng)的運行情況，提出了消除三沖量調節(jié)系統(tǒng)消除液位控制偏差的兩個方法 : (1) 輔助信號自消的方法 所謂自消就是輔助信號 ()xt 經一個不完全微分環(huán)節(jié) (或帶濾波器的微分環(huán)節(jié) )得到信號 ()xt再加至控制器，當系統(tǒng)穩(wěn)定時有： l im ( ) l im ( ) 01ataTx t x sTs???????????sγ (2) 輔助信號對消的方法所謂對消就是輔助信號滿足對消條件 設有兩輔助信號 1()xt和 2()xt,滿足對消條件： 12lim ( ) lim ( ) 0ttx t x t? ? ? ??? 本設計汽泡液位控制系統(tǒng)采用三沖量 PID控制系統(tǒng)如圖 所示。與一般串級系統(tǒng)不同的是引 入了蒸汽流量作為靜態(tài)的前饋信號，也就是一個帶有靜態(tài)前饋的串級控制系統(tǒng)。串級系統(tǒng)比三沖量系統(tǒng)多用了一個調節(jié)器，但它對信號的靜態(tài)配合要求不很嚴格，這是因為主調節(jié)器能自動校正信號配合不準所引起的誤差。液位偏差控制采用蒸汽流量 D與給水流流量 W對消方式來消除偏差即取 WD DKn K?。 其中 , DK 、 WK 、 HK 分別為蒸汽流量、給水流量、液位變送器的傳遞系數(shù)。 WDDKn K? 為靜態(tài)前饋系數(shù)。 華北理工大學電氣工程學院 14 圖 H 1()cGs 2()cGs PK ()PGs WK HK ()DGs Dn DK rH D W + + + + + — — 第四章 PID 控制系統(tǒng) 15 第四章 PID控制系統(tǒng) 原理 PID 控制是迄今為止，工業(yè)生產中最為普遍采用的控制方法。大多數(shù)反饋控制用 PID 控制方法或其較小的變形來控制。 PID 及其改進型是在工業(yè)過程控制中最常見的控制器 (從PID 產生到現(xiàn)在，在全世界過程控制中用的 84%仍是純 PID 調節(jié)器，若改進型包含在內則超過了 90%，幾乎占據(jù)了過程控制控制器的全部 )。 PID控制器是比例、積分、微分并聯(lián) 的控制器。 PID 控制器的數(shù)學模型可以用下式表示 : 其中 :u(t)：控制器的輸出 e(t)；控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號； Kp：控制器的比例系數(shù)；。 Ti：控制器的積分時間； Td：控制器的微分時間； 因此，在 PID 控制器中，它的數(shù)學模型由比例、積分、微分三部分組成。這三部分 別是 : (1)比例 比例數(shù)學式表示如下 : )(tekp? 系統(tǒng)的偏差一旦產生，控制器就會立即產生控制作用，使控制量朝著減小偏差的方向變化，控制作用強弱取決于比例系數(shù) Kp， Kp越大，那么過渡過程就越短，控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差也越??； Kp 越大，超調量也越大，控制系統(tǒng)就越容易產生振蕩，導致系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞，甚至會造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。故而，比例系數(shù) Kp，選擇必須適當，才能達到過渡時間少、穩(wěn)態(tài)誤差小而又穩(wěn)定的效果。 ? ? ? ?1 ()() di d e tu t K p e t e t d t T dtT??? ? ??????華北理工大學電氣工程學院 16 (2)積分 積分數(shù)學表達式表示如下 : 只要系統(tǒng)存在偏差，則積分的控制作用就會不斷地積累，輸出控制量就可以消除偏差?？梢?，積分控制部分的作用是消除系統(tǒng)的偏差。但是，積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使超調量加大，控制系統(tǒng)的動態(tài)性能就會變差，甚至會造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。積分時間 Ti對積分部分的作用影響比較大。當 Ti較大時，積分作用較弱，有利于系統(tǒng)減小超調，過渡過程不易產生振蕩，但消除誤差所需時間較長；當 Ti較小時，則積分作用較強。系統(tǒng)過渡過程中有可能產生振蕩，消除誤差所需的時間較短。 (3)微分 微分部分的數(shù)學表達式表示如下 : 增大系統(tǒng)的微分控制作用可加快系統(tǒng)的響應速度，減小超調量，克服系統(tǒng)的振蕩，提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是使系統(tǒng)抑制干擾的能力降低。微分作用強弱由微分時間 Td 決定。Td越大，抑制 e(t)變化的作用越強， Td越小，反抗 e(t)變化的作用越弱。由于微分作用對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響。因此，在控制系統(tǒng)中，控制器是通過計算機 PID 控 制算法程序來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制的。 PID 直接數(shù)字控制系統(tǒng)大多為是采樣數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。進入計算機的連續(xù)時間信號，必須經過采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能夠進入計算機的存貯器和寄存器，而在數(shù)字計算機中的計算和處理中，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計算法去逼近。因此， PID 控制規(guī)律的實現(xiàn)，也必須采用數(shù)值逼近法。當采樣周期相當短的時候，可以用求和代替積分，用差商代替微商，使 得 PID 算法離散化，就可以將描述連續(xù)時間 的PID算法的微分方程變成的為描述離散時間 PID 算法的差分方程，即數(shù)字 PID 位置型控制算式，如下： dtteTKi ?)(pdttdeTk dp )(?])1()()()([)( 0