【導讀】第一章第一章給水控制系統(tǒng)的動態(tài)特性···············································3. 鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務····························································3. 給水控制對象和各種擾動下水位變化的動態(tài)特性······························3. 給水控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及分析··································&#183

　　

【正文】 ，包括 蒸汽流量變送器斜率 D? 和 蒸汽流量分壓系數(shù) Dn 、副 回路和被控對象 )(2 sWD 。 這個系統(tǒng)中使用了兩個調(diào)節(jié)器，構(gòu)成串級控 制系統(tǒng)。 為保證被調(diào)量無靜差，主調(diào)節(jié)器采用 PI控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器采用 PI或 P控制規(guī)律，副調(diào)節(jié)器接受三個輸入信號，信號之間有靜態(tài)配合問題，但系統(tǒng)的靜態(tài)特性由主調(diào)節(jié)器決定，因此蒸汽流量信號并不要求與給水流量信號相等。 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償外擾，主要用于克服虛假水位現(xiàn)象。 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的 SAMA 圖 下圖為串級三沖量給水控制系統(tǒng)的 SAMA 圖 ： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 33 圖 43 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的 SAMA圖 調(diào)節(jié)器的選 擇 調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào) 節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關(guān)系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而在實踐中總結(jié)出三種基本調(diào)節(jié)關(guān)系，廣為采用。這三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律就是比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設計出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因為對象的特性是不容易改變的。 比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差。積分作用可以實現(xiàn)無 差調(diào)節(jié)，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化，這表明系統(tǒng)達到再次穩(wěn)定狀態(tài)時，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的特點就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。但是，具有積分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器不能完全消除偏差。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律要比純積分調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)越得內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 34 多。因此工程中很少采用純積分調(diào)節(jié)器，廣泛采用的是比例積分調(diào)節(jié)器。然而在比例積分調(diào)節(jié)器中，積分作用的強弱要適當，過強的積分作用可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因為積分作用旨在消除偏差，但使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。因此與采用純 比例調(diào)節(jié)器相比，比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶應適當加大，以補償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。 微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。微分調(diào)節(jié)作用的大小僅與偏差信號的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無關(guān)。因此對象在受到較小的擾動后，被調(diào)量變化量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時由于自身動作的不靈敏 區(qū) 的存在而始終不動作 。這樣經(jīng)過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純 微 分 作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。 微分作用的引入使系統(tǒng)控制過程的穩(wěn)定性和準確性都得以提高，但它不能像積分作用那樣消除穩(wěn)態(tài)偏差。 比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用。比例作用貫徹于整個調(diào) 節(jié) 過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期，用于消除靜態(tài)偏差，微分調(diào)節(jié)作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。 主、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)量要求不十分嚴格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時，主、副調(diào)節(jié)器均可采用比例控制。 （ 2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差（穩(wěn)態(tài)誤差）， 此時副調(diào)節(jié)器可采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 （ 3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定的要求，這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。 串級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 在串級三沖量給水控制系統(tǒng)中，副回路是一個 PI 調(diào)節(jié)器 2()TWs，一般用試探法整定副回路的 2/ Gn? 和 2iT 。主 回路參數(shù)整定是把副回路等效成一個比例環(huán)節(jié)，然后用經(jīng)驗公式進行整定；前饋通路的 Dn 選擇是基于“虛假水位”而定的。它主要是為了補償“虛假水位”現(xiàn)象。下面分別對它們進行參數(shù)整定。 副回路 可看作一個隨動系統(tǒng)，如圖 44所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 35 圖 44 副回路等效圖 把調(diào)節(jié)閥和普通管道系統(tǒng)作為被調(diào)對象，則作為 fK 以外的環(huán)節(jié)都作為等效調(diào)節(jié)器。 )()( )()( 22 sWKnsG ssW TZGGT ?? ??? 若 )(2 sWT 采 用 型 如 )11(122 sTi??的調(diào)節(jié)規(guī)律，則 )11()( )()( 222 sTKnsG ssW iZGGT ???? ??? （ 41） 式中 2? 副調(diào)節(jié)器比例帶； 2iT 副調(diào)節(jié)器積分時間。 調(diào)節(jié)器的比例帶 2? 和積分時間 2iT 都應該取得很小，給水流量信號和蒸汽 流量信號的 分壓系數(shù) Gn 、 Dn 一般均取為 1。當給水被控對象“虛假水位”嚴重時，需加大蒸汽流量信號的作用強度，以改善控制過程品質(zhì)，此時可取 1?Dn ，并通過試驗來減小Gn， Dn / Gn 最好為整數(shù)（一般為 2，即 Gn =）。由 于 內(nèi)回路快速隨動，故副調(diào)節(jié)器也可用純比例 型調(diào)節(jié)器。 式（ 41）表明，副回路的等效調(diào)節(jié)器也可看作一個 PI規(guī)律的調(diào)節(jié)器。 2222iiZGGTTKn??????? （ 42） 副回路的對象為 fK ，可近似為比例環(huán)節(jié)，所以調(diào)節(jié)器的比例帶和積分時間都可以整定得很小，實際應用中， ZK 、 G? 可通過試驗獲得；因此副回路也是整定 Gn/? 和2iT 的問題，一般也用試探法求得。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 36 主回路的整定是建立在副回路可以等效為一個快速比例環(huán)節(jié)基礎上的。它的示意圖如圖 45所示，其中 )/(1 GGn? 為等效副回路。 圖 45 主回路等效圖 把 )(1 sWD 看成是被控對象，其余的環(huán)節(jié)可看成是 等效調(diào)節(jié)器。 )()( )()( 11 sWnsH sGsW TGG HT ???? ?? 若： )11()()11(1)(11111sTnsWsTsWiGGHTIiT????????? 也是一個 PI 調(diào)節(jié)器。 1111iiHGGTTn???????? （ 43） 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 公式整定： ???? ??iT 所以 ???? ??11????iGGHTn 由式（ 42）和式（ 43）兩式可知： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 37 GGnn????121?? 即當 Gn 增加時，內(nèi)回路穩(wěn)定性降低，外回路穩(wěn)定性增強，反之相反。 一般取 Gn =1，則只需整定 1? 、 2? 、 1iT 和 2iT 。則有 22222iiGTTn????? ??? 111 ii TT ???? ??? ? ??????11??iGHT 前饋通路的設計 前饋通路的簡化圖見圖 46， 通路中 Dn 的選擇是基于“虛假水位”情況而定的。 圖 46 前饋通路等效圖 前饋通路中完全補償條件為： )()()(1)(1212 sW sWnsWnsWnDDGGDGGDDD ??? ???? )( )(12 sW sWnn DDD GGD ??? ?? （ 44） 若前饋通路的設計只考慮靜態(tài)補償，且 )(1 sWD 與 )(2 sWD 的靜態(tài)比值為一常數(shù) K ，則有： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 38 Knn D GGD ??? ?? 其中 K 是虛假水位現(xiàn)象決定的常數(shù)，虛假水位現(xiàn)象嚴重時， K 值大，反之 K 值小。負號表示前饋調(diào)節(jié)方向與虛假水位方向相反。 由式（ 44）可得量的關(guān)系 GGDD nKn ?? ? 在負荷開始變化時，為使蒸汽流量信號更好 地 補償虛假水位現(xiàn)象，改善負荷擾動時調(diào)節(jié)過程的 質(zhì)量，一般使蒸汽流量信號大大高于給水流量信號，即令 1?K 。 這時有 GGGGDD nnKn ??? ?? 1?K 若 GD ?? ? ，則 GD Knn ? 1?K 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 39 第五章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真 MATLAB 概述 火電廠是高度重視安全生產(chǎn)的企業(yè)之一，控制系統(tǒng)一旦投入運行，是不允許無關(guān)人員隨便亂動的。因此，對控制系統(tǒng)的分析研究和自動化人員生產(chǎn)技能 的培訓只能在仿真控制系統(tǒng)上進行。以往的仿真控制系統(tǒng)主要是物理和半物理仿真，建立這樣的仿真控制系統(tǒng)投資大，安裝和維護費用也大。尤其是自動化儀表發(fā)展如此之快，使這些仿真控制系統(tǒng)不得不進行設備的更新改造，其經(jīng)濟損失是顯而易見的。 MATLAB是Mathworks公司于 1982年推出的一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構(gòu)成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。利用 MATLAB軟件中的 SIMULINK功能可對自動控制系統(tǒng)進行仿真研究，它的仿真結(jié)果將會對自動控制系統(tǒng)的設計、安 裝調(diào)試和運行維護有著重要的指導意義。在火電廠中，DEH(汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng) )是汽輪機運轉(zhuǎn)的神經(jīng)中樞，該系統(tǒng)性能只能通過動態(tài)過程才能反映出來。為此，利用 MATLAB仿真工具和 VB開發(fā)界面，建立 DEH仿真平臺，在不干擾生產(chǎn)的情況下，對 DEH系統(tǒng)動態(tài)過程進行分析研究， 從而避免了對系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的盲目性，使 DEH系統(tǒng)各部分的動態(tài)過程完整地呈現(xiàn)出來。這對 DEH系統(tǒng)優(yōu)化運行中參數(shù)的整定、修改起到了預測和指導作用。實踐證明，利用 MATLAB對自動控制系統(tǒng)進行仿真，具有安全、可靠、節(jié)省人力、物力和財力等優(yōu)點，它為加快大型 火電機組熱工自動控制系統(tǒng)的調(diào)試速度，提高火電廠熱工自動控制系統(tǒng)的投入率，又提供了一個新的方法和手段。 串級三沖量 給水控制 系統(tǒng) 的 仿真 系統(tǒng)參數(shù)： 給水流量傳函 ： )201( )1()( )()(1 sssssW SHsW D ????? ?? 蒸汽流量傳函 ： ssssTKsD sHsW D )( )()( 222 ??????? ? 負荷從 0～ 100t/h 變化時，開方器輸出 0～ 100mA 調(diào)節(jié)器輸出從 0～ 10mA 變化時，閥門開度變化 0%～ 100%，即執(zhí)行器放大系數(shù) 100 1 0 % /10zK mA?? 。 閥門 系數(shù) fK =2 t/h/%，給水量及蒸汽流量變送器斜率 DG ?? ? = ， 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 40 水位變送器 ：在最大的水位波動范圍 ? 150 mm 內(nèi)，變送器輸出電壓是 0～ 10V，所以， 水位變送器斜率 H? =3010=（ V/mm） 副回路的仿真 由 第四章的分析結(jié)果 可知 ， 可以把 副 回路作為一般的回路來分析 ， 由于執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥和 Gn 都可以認為是一個比例環(huán)節(jié)，將 第四章 圖 44 中的 KZ、 Gn 、 G? 看作被控對象 K ，這樣副回路由調(diào)節(jié)器 )(2 SWT 和廣義被控對象 K=KZ fK Gn G? 組成 ， 所以可進一步等效為圖 51： 圖 51 等效方框圖 由圖我們可以算得： K = fZKK GGn? =10 2 1 = 根據(jù)經(jīng)驗法，將 2? 、 2iT 取的很小 ，一般 情況下積分時間 2iT ≤ s10 ，試探過程中，可以任意設置 Gn 值，就可以得到一個滿意的比例帶 2? 值 : )11(1)( 222 sTsW iT ?? ? = sss )(10)211( ??? 副回路 SINMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖 見圖 52和圖 53。 圖 52 副回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 41 圖 53 副回路的仿真圖 由仿真曲線 可知，將副回路整定成快速隨動系統(tǒng)。 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快速比例環(huán)節(jié)基礎上的。它的示意圖如圖 54所示，其中 )/(1 GGn? 為等效副回路。 圖 54 主回路等效圖 根據(jù)第四章的參數(shù)整定過程 ， 帶入數(shù)據(jù)可以求得 ： 11?????????????? ??iGHT sssTW iT )66/1()6611( 1)11(1 111 ?????? ? 主 回路 SINMULINK 結(jié)構(gòu)圖及仿真圖 見圖 55和圖 56。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 42 圖 55 主回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 圖 56 主回路的仿真圖 上圖中縱坐標的 eHH 表示 相對水位， 也就是期望達到的 穩(wěn)定水位，這里穩(wěn)定 值設 為 1。 從主回路 SIMULINK 仿真圖可以看出， 雖然仿真曲線最終能達到穩(wěn)定 值 1， 但是并不理想， 這是因為 我們在整定主回路的時候把 等效副回路 )/(1 GGn? 中的 給 水流量信號 的 分壓系數(shù) Gn 的值取為了 ，所以下面用試探法修改參數(shù) Gn ，并進行仿真。 修改參數(shù) 后主回路 的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 如圖 57 所示： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 43 圖 57 主回路的 SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖 修改參數(shù)后的主回路仿真圖如圖 58 所示 ： 圖 58 主回路的仿真圖 修改參數(shù)后的主回路的仿真曲線是一波半，顯示出很好的控制特性， 并能穩(wěn)定在穩(wěn)定 值 1， 這是因為在進行參數(shù)整定的時候， 為了不降低副回路控制過程的快速性，同時要減小副調(diào)節(jié)器的比例帶 2? ， 為了配合方便， Dn / Gn 最好為整數(shù)（一般為 2，即 Gn =） ，而在一般情況下 ， 若要求在負荷不變的情況下，水位無靜差， 給水流量信號的 分壓系數(shù) Gn 一般都取為 1。 動態(tài)性能分析： 穩(wěn)態(tài) 是 控制系統(tǒng)能夠運行的首要條件，因此只有當動態(tài)過程收斂時，研究系統(tǒng)的動態(tài)性能才有意義。從圖 58 可看出，系統(tǒng)能夠收斂于固定值， 所以我們計算下圖 的性能指標。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學本科畢業(yè)設計說明書 44 圖 59 主回路 仿真圖 從 圖 59可知： 延遲時間 ：響應曲線第一次到達其終值一半所需的時間 dt =25s 上升時間： 響應從終值 10%上升到終值 90%所需 的時間 rt =40s 峰值時間：響應超過其終值到達第一個峰值所需的時間 pt =77s 調(diào)節(jié)時間：響應到達并保持在終值 %5? 內(nèi)所需的時間 st =300s 超調(diào)量：響應的最大偏離量 )(pth 與終值 )(?h 的差與終值 )(?h 比的百分數(shù)，即 ??? ??? %100)( )()(% h hth p? 1 ? %43%100 ??