【導(dǎo)讀】于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其他建設(shè)方面。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改善勞。學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。家的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)水平先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過(guò)程自。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要是針對(duì)單元機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。要包括過(guò)熱蒸汽和再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。過(guò)熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在。允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器，使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。至燒壞過(guò)熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。不超過(guò)±10℃，長(zhǎng)期偏差不超過(guò)±5℃。熱經(jīng)濟(jì)性將下降約1%；且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，一般規(guī)定過(guò)熱汽溫下限不低于其額定值10℃。高參數(shù)電廠都要求保持過(guò)熱汽溫在540℃的范圍內(nèi)。頂棚過(guò)熱器，受熱面為緊靠爐頂?shù)闹惫?，稱為頂棚管。代表的輻射過(guò)熱器的汽溫卻大幅下降了。根據(jù)已采用屏式過(guò)熱器的許多鍋爐運(yùn)行實(shí)踐證

　　

【正文】 K T K n T????? 2s 項(xiàng) ? ?11221112 12DD nnK T K T???? ?? 由此可以確定微分器的整定參數(shù) 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 29 1 11212 1D nKK n????? ? 1 112D nTT?? （ 220） 按式（ 220）求得的 ??dWs參數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)象的近似補(bǔ)償，即使 * 00 022( ) ( )KW s W s K? 在確定了等效對(duì)象的傳遞函數(shù)之后，對(duì)于調(diào)節(jié)器 ()TWs的參數(shù) ? 和 iT 應(yīng)按等效對(duì)象 *0()Ws來(lái)整定（按一般單回路系統(tǒng)的整定方法），其原理框圖如圖 29 所示。 圖 29 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。 按等效為串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法來(lái)整定 采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的控制系統(tǒng)等效為串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖 29。整定步驟和前面已討論過(guò)的串級(jí)控制系統(tǒng)相同。 當(dāng) 11( ) 1T iWs Ts? ????????和 ()1 DDd DK T sWs Ts? ?時(shí)，等效副調(diào)節(jié)器 *2()TWs為 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為： ? ?*2 111TDDWs TsK? ???????? 而等效主調(diào)節(jié)器 ??*1TWs也是 PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為 *1 11( ) 1TDDWs K T s???????? 此時(shí)可根據(jù)對(duì)象導(dǎo)前區(qū)特性和主汽溫特性，按串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法，分別求內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 30 得 等 效 副 調(diào) 節(jié) 器 *2()TWs和 等 效 主 調(diào) 節(jié) 器 *1()TWs的 各 個(gè) 參 數(shù) ， 從 而 求 得i D DT K T?、 、 、 。 兩種汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較 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)。 把采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)看待 時(shí)，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。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)采用 PI或 PID 調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系 統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級(jí)系統(tǒng)；在主回路中，串級(jí)系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器可具有微分作用，故控制品質(zhì)也比雙回路系統(tǒng)好，特別對(duì)于慣性、延遲較大的系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量不如串級(jí)系統(tǒng)。 串級(jí)控制系統(tǒng)主、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。而有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)整定時(shí)相互影響，不容易掌握 從儀表硬件結(jié)構(gòu)上看，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能夠滿足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。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)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 31 第三章 大遲延控制系統(tǒng) 在熱工過(guò)程控制中，有的過(guò)程控制（對(duì)象特性）具有較大的純延遲，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，且當(dāng)過(guò)程控制通道或測(cè)量環(huán)節(jié)存在延遲時(shí)候，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會(huì)導(dǎo)致被控制量的最大動(dòng)態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降，而且 / cTt 之比越大越不容易控制。 解決具有純遲延的過(guò)程控制是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題，對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級(jí)控制等方案是無(wú) 法保證其控制質(zhì)量 ，且響應(yīng)速度也和很慢，如果在控制精度很高的場(chǎng)合，則須采取其他控制手段，例如補(bǔ)償控制， 采樣控制等等。本章僅就預(yù)估控制方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。 Smith 預(yù)估補(bǔ)償器 對(duì)于有純遲延過(guò)程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用 PID 控制規(guī)律時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降的愈大。 Smith 針對(duì)具有純遲延的過(guò)程，提出在 PID 反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個(gè)預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對(duì)Smith 預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑?進(jìn)行更詳細(xì)地介紹。 當(dāng)采用簡(jiǎn)單回路控制時(shí)， 如圖 31 所示 圖 31 單回路控制系統(tǒng) 控制器的傳遞函數(shù)為 ()TWs，對(duì)象的傳遞函數(shù)為 ( ) ( )39。00 sW s W s e t= 時(shí)，從設(shè)定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： ( )( )( ) ( )( ) ( )39。039。01sTsTY s W s W s eR s W s W s ett= + （ 31） 擾動(dòng)作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是： ( )( )( )( ) ( )39。039。01ssTY s W s eF s W s W s ett= + （ 32） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 32 如果分母中的 set 項(xiàng)可以除去，情況就大有改善，遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。 Smith 預(yù)估補(bǔ)償方案主題思想就是消去分母中的 set 項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)的方法是把對(duì)象的數(shù)字模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時(shí)的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)，這種方案可按不同的角度進(jìn)行解釋說(shuō)明，下面從內(nèi)模（模型置于回路之內(nèi)）的角度來(lái)介紹。 Smith 預(yù)估器補(bǔ)償原理圖 如圖 32 所示。 圖 32 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖 在 圖 32 中 ()39。0Ws是對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié) set 以后的傳遞函數(shù)， ()39。sWs是 Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)償器，則由調(diào)節(jié)器輸出 ()sm 到被調(diào)量 ()Ys之間的傳遞函數(shù)為： ( )( ) ( )39。0 sYs W s es tm = 上式表明，受到控制作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過(guò)純 遲延 t 之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則調(diào)節(jié)器 ()sm 與反饋到調(diào)節(jié)器的 ()39。Ys之間傳遞函數(shù)是兩個(gè)并聯(lián)通道之和，即 ( )( ) ( ) ( )39。 39。39。0 s sYs W s e W ss t tm =+ （ 33） 為使調(diào)節(jié)器采集的信號(hào) ()39。Ys不至遲延 t ，則要求式（ 33）為 ( )( ) ( ) ( ) ( )39。 39。 39。 39。00s sYs W s e W s W ss t tm = + = 從上式便可得到預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為： ( ) ( )( )39。39。0 1 ssW s W s e t= （ 34） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 33 一般稱式（ 44）表示的預(yù)估器為 Smith 預(yù)估器。其實(shí)施框圖如圖 43 所示，只要一個(gè)與對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù) ()39。sWs相同的環(huán)節(jié)和一個(gè)遲延時(shí)間等于 t 的純遲延環(huán)節(jié) 就可以組成 Smith 預(yù)估模型，它將消除大遲延對(duì)系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程的影響，使調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)與過(guò)程無(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)的情況一樣，只是在時(shí)間坐 標(biāo)上向后推遲的一個(gè)時(shí)間 t 。 圖 33 Smith 補(bǔ)償系統(tǒng)方框圖 從圖 33 可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ? ?39。39。0039。039。01 ( ) ( ) ( )() ()( ) 1 ( ) ( ) sTTsTW s W s W s W s eYs W s eR s W s W s ?? ?? ????? ????? = ?????? ?? ?? )()(1 )()(1)(39。039。039。0 sWsW esWsWesW TsTs ?? ( ) ( )[ ]39。011ssW s e W s ett= （ 35） ( ) ( ) ( )( ) ( )39。01 39。01TTW s W sWs W s W s= + 式中 ()1Ws為無(wú)延遲環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。 ( )( )( ) ( )( ) ( ) ( )39。0139。01s sTTY s W s W s e W s eR s W s W st t ==+ （ 36） 由式（ 36）可見(jiàn)，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了 set 項(xiàng)，即內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 34 消除了純遲延對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分之中的 set 僅僅將系統(tǒng)控制過(guò) 程曲線在時(shí)間軸上推遲了一個(gè) t ，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過(guò)程的不利影響?？刂破焚|(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延完全相同。 對(duì)于定值控制，由式（ 35）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成。第一項(xiàng)為擾動(dòng)對(duì)象只有 2t t 時(shí)才產(chǎn)生控制作用，當(dāng) 2t ?? 時(shí)無(wú)控制作用。所以 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。不過(guò)，從系統(tǒng)特征方程看，預(yù)估補(bǔ)償方案對(duì)定值控制系統(tǒng)品質(zhì)的改善還是有好 處的。 下面以傳遞函數(shù) 5001 21 90 sWes ?? ?為對(duì)象進(jìn)行仿真研究： 其調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，即 ? ? 111T iWs Ts? ????????。 用衰減曲線法整定參數(shù)得。 55iT? ??， 加上 Smith 預(yù)估器用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示，其仿真曲線如圖 35 所示。 圖 34 史密斯預(yù)估器控制的系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖 把對(duì)象傳遞函數(shù)中的遲延時(shí)間由 50s 改為 40s，再次進(jìn)行仿真得到的仿真曲線如圖 36 所示。 由 仿真圖 35 與圖 36 相比較得到，由圖 35 可以看出 Smith 預(yù)估器使控制品質(zhì)大大提高，系統(tǒng)的特性非常好。但是它對(duì)模型的誤差十分敏感，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對(duì)受控過(guò)程參數(shù)做出適時(shí)調(diào)整，從而時(shí)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)惡化。適應(yīng)性不強(qiáng)，也就是魯棒性非常差。 由于主蒸汽溫度被控對(duì)象的參數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化，所以我們需要的內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 35 是魯棒性好的控制系統(tǒng)，要進(jìn)一步探討別的方法。 史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的改進(jìn) 由于 Smith 預(yù)估器對(duì)模型的誤差十分敏感，因而難于在熱工過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用，如何克服 Smith 預(yù)估器的這個(gè)不足至今仍使研究的課題之一。 圖 35 在對(duì)象參數(shù)準(zhǔn)確情況下史密斯預(yù)估器控制階躍響應(yīng)的曲線 圖 36 改變對(duì)象參數(shù)后的仿真圖 抗干擾的 Smith 預(yù)估器 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 36 如果在史密斯補(bǔ)償回路中增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié) ()fWs如圖 37 所示，則系統(tǒng)可以達(dá)到完全抗干擾的目的。由 圖 37 可看出被調(diào)量 ()Ys對(duì)干擾 ()Fs的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： ? ?? ?????????????????????sTsTfsTfsesWsWesWsWsWsWesWsWsWsWeSWsF sY ????)()(1)()()()(11)()()()(1)()( )( 39。039。039。039。039。039。0 ? ??????????????? ??)()()()(11)()()()(1)(39。039。039。039。039。0 sWsWsWsWesWsWsWsWeSWTfsTfs ?? （ 37） 圖 37 實(shí)現(xiàn)完全抗干擾的 史密斯補(bǔ)償器 若要完全不受干擾 ()Fs的影響，則只要上式中分子為零，即 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )39。39。001 1 0sfTW s W s W s W s e t+ + = 由此可以得到新增反饋環(huán)節(jié) ()fWs為 ( ) ( ) ( ) ( )( )39。0 39。011 sTf W s W s eWs Ws t+= (38) 再寫(xiě)出上述系統(tǒng)中被調(diào)量 ()Ys對(duì)設(shè)定值 ()Rs的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 ( )( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )39。039。 39。 39。0 0 011sTssf T TY s W s W s eR s W s W s W s W s e W s W s ettt= + + + ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )39。039。39。001sTfTW s W s eW s W s W s W st= + （ 39