【正文】 ，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對(duì)象的運(yùn)行方式不當(dāng)，或者系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案不合理，測(cè)量?jī)x表和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高等，則無論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過正確的整定，才能達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量。 從理論上看，通過計(jì)算來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。采用各種計(jì)算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對(duì)振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動(dòng)態(tài)偏差、控制過程時(shí)間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實(shí)現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問題是計(jì)算方法要以控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性為依據(jù)，而動(dòng)態(tài)特性測(cè)取時(shí)含有不精確性，更難以處理的是在工況變動(dòng)時(shí)，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可能發(fā)生變化。另外，對(duì)控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對(duì)調(diào)節(jié)器本身在計(jì)算時(shí)也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。 由于這些原因，各種計(jì)算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考依據(jù)。 在熱工生產(chǎn)過程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場(chǎng)整定方法，即通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場(chǎng)整定也要在正確的理論指導(dǎo)下才能有效進(jìn)行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計(jì)算和分析，盲目地實(shí)踐可能會(huì)延誤時(shí)機(jī)，甚至帶來麻煩。因此，計(jì)算還是有必要的。不過計(jì)算分析不必要求達(dá)到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗(yàn)性圖表，先略估計(jì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場(chǎng)整定提供參考。 參數(shù)整定方法簡(jiǎn)介 1．臨界比例帶法 臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè) 置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶 k? 以及振蕩周期 kT ，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，可以看出臨界比例帶法無須知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。 臨界比例帶的具體步驟是： （ 1） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即 iT?? ；置微 分時(shí)間 0dT? ；置比例帶? 于一個(gè)較大的值。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 35 （ 2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶 ? ，直到進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù) 4~5 個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線。 （ 3） 根據(jù)記錄曲線的振蕩周期 kT 此狀態(tài)下調(diào)節(jié)器比例帶為 k? ，然后按表 41計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過程滿意為止。 表 41 臨界比例帶法計(jì)算公式（ ?? ） 規(guī) 律 ? iT dT P PI PID 2k? ? ? — — — 臨界比例帶法在實(shí)際應(yīng)用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對(duì)象用比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶 k? 即振蕩周期kT ，則無法應(yīng)用臨界比例帶法。 2． 衰減比例帶法 衰減比例帶法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的 4:1 衰減振蕩（ ?? ）過程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶 s? 即過程上升時(shí)間 rt ，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 衰減曲線法的具體步驟是： （ 1） 置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT?? ，微分時(shí)間 0dT? ，比例帶 ? 為稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。 （ 2） 在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，應(yīng)觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于 ，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗(yàn)，直到過渡過程曲線出現(xiàn) 4:1 的衰減過程，對(duì)于 ?? 的調(diào)節(jié)過程也是一樣的做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn) 10:1 的衰減過程。記錄下 4:1（或 10:1）的 衰減振蕩過程曲線。在曲線上求取 ?? 時(shí)的振蕩周期 sT 或?? 時(shí)的上升時(shí)間 st ，按表 42 計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 表 42 衰減曲線法計(jì)算公式 ? 規(guī)律 ? iT dT P PI s? ? — — — 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 36 PID ? ? 規(guī)律 ? iT dT P PI PID s? ? ? — 2rt — — （ 3）按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。 與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。從表 22可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于 ?? ，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律是引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，仍然能得到 ?? 的衰減率，就須將 s? 放大 倍后作為比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶值。對(duì)于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將 s? 減小至 ? 后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時(shí)積分時(shí)間與無微分作用下相比也適當(dāng)減小了。 3． 動(dòng)態(tài)參數(shù)法 動(dòng)態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取經(jīng)驗(yàn)一組特征參數(shù) ? 、 ? （無自衡能力對(duì)象）或 ? 、 ? 、 ? （有自衡能力對(duì)象），再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 對(duì)于有自平衡能力對(duì)象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖 411（ a）所示。過響應(yīng)曲線拐點(diǎn) P 作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線 C（ ? ）于 A，交時(shí)間軸與 C；過 A 點(diǎn)作時(shí)間軸垂線并交于 B，則： , , /CO C T CB A B CB??? ? ?。對(duì)無自平衡能力對(duì)象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖 411（ b）所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時(shí)間軸于 C，過直線段上任一點(diǎn) A 作時(shí)間垂線并交于 B，則 ,/OC AB CB???? 。 圖 414 有無自平衡能力對(duì)象飛升曲線 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 37 在取得對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上作圖，求出對(duì)象的特征參數(shù) ? 、? 、 ? 或 ? 、 ? ，然后按表給出經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。 生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)象特征參數(shù) ? 和 ? 的乘積反映了控制難易的程度； ?? 越大，對(duì)象就越不好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶就應(yīng)取大一些，即 ? 與 ?? 成正比。對(duì)于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此比例帶 ? 為純比例作用時(shí)的比例帶值的 倍；對(duì)于采用比例積分微分調(diào)節(jié)，則因微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此比例帶 ? 可為純比例作用比例帶的 倍。 表 43 動(dòng)態(tài)參數(shù)法計(jì)算公式（ ?? ） 規(guī)律 ? iT dT P PI PID ?? ?? ?? — ? 2? — — ? 積分作用主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，且希望被調(diào)量波動(dòng)一個(gè)周期后消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用應(yīng)基本結(jié)束；就是說積分時(shí)間 iT 的大小應(yīng)根據(jù)被調(diào)量波動(dòng)周期大小來確定，而遲延時(shí)間 ? 又是影響過渡過程周期的主要因素。因此，對(duì)象的遲延時(shí)間大，則積分作用就應(yīng)相對(duì)較弱，即積分時(shí)間 iT 應(yīng)與 ? 成正比；有微分作用加入時(shí)， iT 可適當(dāng)減少一些 [4]。一般地，在對(duì)象慣性和遲延都較大時(shí)，需加入微分控制作用，即微分時(shí)間 dT 的值也應(yīng)根據(jù)遲延時(shí)間 ? 來確定。 4． 經(jīng)驗(yàn)法 通過長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法可以說是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入 閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 經(jīng)驗(yàn)法整定具體步驟： （ 1） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 放到最大，微分時(shí)間置于最小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶 ? 值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，若過渡過程有希望的衰減率（ ~ ? ? ）則可，否則改變比例帶 ? 值，重復(fù)上述試驗(yàn)。 （ 2） 將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 iT 由最大調(diào)整到某一值，由于積分時(shí)間的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時(shí)應(yīng)將比例帶 ? 值適當(dāng)增大，一般為純比例作用的 倍。做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 38 （ 3） 保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反方向 修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時(shí)間，同樣反復(fù)試湊直到滿意為止。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。 （ 4） 對(duì)于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行完上述調(diào)整試驗(yàn)后，將微分時(shí)間 dT 由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗(yàn)過程，在感到滿意時(shí)便停止 。 對(duì)于本設(shè)計(jì)的單相解耦方式采用 PID 控制，控制圖如下 ： 圖 415 PID 控制的結(jié)構(gòu)框圖 鍋爐、汽機(jī)控制器分別為 G G2，傳遞函 數(shù)的表達(dá)式為： 采用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù) 反復(fù) 進(jìn)行整定，得到： G1的調(diào)節(jié)器參數(shù)為： KP1= ， Ti1=82 G2的調(diào)節(jié)器參數(shù)為： KP2= ， Ti2=80 即： SSSTkSG iP 82 )11()( 111 ???? ???????????)11()()11()(222111STkSGSTkSGipip內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 39 SSSTkSG iP 80 )11()( 222 ???? 帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦方框圖及仿真分析 該 系統(tǒng) 采用 PI 調(diào)節(jié)。比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律要比比例調(diào)節(jié)或積分調(diào)節(jié)都要優(yōu)越可以發(fā)揮各自的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)各自的不足。但是，在比例積分調(diào)節(jié)器的使用過程中， 積分作用的強(qiáng)弱要適當(dāng)，過強(qiáng)的積分作用可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定，使系統(tǒng)響應(yīng)曲線發(fā)散，所以積分調(diào)節(jié)作用旨在消除偏差，但使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。因此與采用比例調(diào)節(jié)器而言，比例積分調(diào)節(jié)器的比例帶應(yīng)適當(dāng)加大，以補(bǔ)償積分作用造成的穩(wěn)定性下降。 在加入 調(diào)節(jié)器后，在給定值的擾動(dòng)下， 系統(tǒng)超調(diào)、系統(tǒng)靜差會(huì)明顯減小。 系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)有明顯的改善。 系統(tǒng) Simulink 圖如下所示。 圖 416 加調(diào)節(jié)器單向解耦系統(tǒng) Simulink 圖 系統(tǒng)采用了單向解耦環(huán)節(jié)，并通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。下文將通過分別對(duì)閥門開度設(shè)值擾動(dòng)下功率、主汽壓力的響應(yīng)和燃煤量設(shè)定值 擾動(dòng)下功率、主汽壓力的響應(yīng)進(jìn)行仿真分析 。 仿真曲線分析： 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 40 當(dāng)只有 功率 設(shè)定值 擾動(dòng)，閥門開度動(dòng)作 時(shí)， 系統(tǒng) 的輸出曲線如 圖 41 418 所示。 圖 417 功率 設(shè)定值 擾動(dòng)時(shí) 閥門開度擾動(dòng)下的功率輸出曲線 圖 418 閥門開度設(shè)定值擾動(dòng)下的主汽壓力輸出曲線 當(dāng)只有 功率 設(shè)定值擾動(dòng) ，閥門開度加大 時(shí)，功率如圖 417 所示，會(huì)有階躍 跟隨響應(yīng) ，在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了階躍穩(wěn)定，比較圖 417 和圖 48 可知，加調(diào)節(jié)器后響應(yīng)時(shí)間要比沒有調(diào)節(jié)器更短，而且在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定值，基本上消除了超調(diào) 。而主汽壓力仍 有較大的波動(dòng)，最大偏差達(dá)到了幾乎 ，峰值達(dá)到了 ，波谷達(dá)到了 左右，而且波動(dòng)持續(xù)大約 500 秒后才能達(dá)到穩(wěn)定，說明主汽壓力仍然受到閥門開度的耦合作用。 當(dāng)只有 主汽壓力 設(shè)定值擾動(dòng) ，燃煤量動(dòng)作 時(shí)， 系統(tǒng) 的輸出曲線如 圖 41 420內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 41 所示 。 圖 419 主汽壓力 設(shè)定值擾動(dòng)燃煤量 動(dòng)作下 功率輸出曲線 圖 420 主汽壓力 設(shè)定值擾動(dòng)燃煤量 動(dòng)作下 主汽壓力輸出曲線 當(dāng)只有 主汽壓力設(shè)定值擾動(dòng)， 燃煤量單獨(dú) 作用 而閥門開度沒有動(dòng)作時(shí)， 主汽壓力無疑會(huì)隨加熱增加而增加。經(jīng)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，主汽壓力在 220秒左右達(dá)到峰值 ，之后在 600 秒左右達(dá)到穩(wěn)定值 1MP。而功率 由于 解耦 作用， 最大偏差僅 ?? MW，說明系統(tǒng)經(jīng)解耦后，已消除燃煤量對(duì)功率的影響，實(shí)現(xiàn)了功率對(duì)閥門開度單一控制。比較圖 419 和圖 4 420 和 411 可以看出，加調(diào)節(jié)器后，減小了系統(tǒng)超調(diào)，達(dá)到了滿意的調(diào)節(jié)效果。 當(dāng)閥門開度和燃煤量設(shè)定值同時(shí)作用時(shí)，功率的輸出曲線如 圖 421 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 42 圖 421 閥門開度和燃煤量設(shè)定值同時(shí)擾動(dòng)下功率輸出曲線 當(dāng)閥門開度餓和燃煤量同時(shí)作用時(shí)，功率無疑是 階躍變化的。從圖 423 與圖 414可以看出，由于調(diào)節(jié)器作用，該響應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定值用時(shí)短，超調(diào)小，能達(dá)到滿意的穩(wěn)定值。 當(dāng)閥門開度餓和燃煤量同時(shí)作用時(shí)，主汽壓力的輸出曲線如 圖 422 所示。 圖 422 閥門開度和燃煤量設(shè)定值同時(shí)擾動(dòng)下的主汽