【正文】 統(tǒng)由于副回路的存在，改善了對象特性，使調(diào)節(jié)過程加快，具有超前控制作用，從而有效地克服滯后，提高控制質(zhì)量。因此，當(dāng)對象的調(diào)節(jié)通道很長，容量滯后大或時間常數(shù)大，采用簡單控制系統(tǒng)不能滿足控制質(zhì)量的要求時，可考慮采用串級控制系統(tǒng)。圖31所示為主汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖。主蒸汽溫度調(diào)節(jié)的主要困難在于引起蒸汽溫度變化的擾動因素很多，不容易控制。如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙汽溫度和流速、爐膛受熱面結(jié)焦和過熱器積灰的變化等等，都會使主蒸汽溫度發(fā)生變化。其中起主要作用的是蒸汽流量和減溫水流量兩個方面。由于被控對象（過熱器通道）具有較大的延遲和慣性以及運行中要求有較小的溫度控制偏差，所以采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往不能獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。針對主汽溫調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號反饋慢的特點，應(yīng)該從對象的調(diào)節(jié)通道中選擇一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點信號作為調(diào)節(jié)的補充反饋信號，以改善調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 所示主蒸汽溫調(diào)節(jié)原理圖轉(zhuǎn)化為方框圖，圖31主蒸汽溫串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖即為圖32所示，由圖32 所示可以看出，此串級控制回路是用兩個串聯(lián)的PID控制器和一個執(zhí)行器來控制主汽溫度的。其基本原理就是系統(tǒng)根據(jù)主蒸汽溫度設(shè)定值和反饋值y1的偏差e1作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器經(jīng)過PID 運算后的輸出U1作為副調(diào)節(jié)器的輸入設(shè)定值，此設(shè)定值與二級噴水減溫器的出口溫度反饋y2的偏差e2作為二級過熱器出口溫度調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出u2作為執(zhí)行器的輸入動作指令。一般在主蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副調(diào)節(jié)回路的動態(tài)特性的遲延和慣性比較小，在這種情況下，副回路的調(diào)節(jié)過程快得多，當(dāng)副回路消除噴水?dāng)_動時，主蒸汽溫度基本上不受影響。因此，當(dāng)副回路動作時主回路可以看作是開路，主回路動作時，副回路可以看作是迅速動作的隨動系統(tǒng)，即二級減溫器出口溫度基本上與校正信號e2成比例變化。圖32串級PID控制圖串級計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如下圖33所示，系統(tǒng)中有兩個PID控制器，Gc2(s)稱為副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，包圍Gc2(s)的內(nèi)環(huán)稱為副回路。Gc1(s)稱為主調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，包圍Gc1(s)的外環(huán)稱為主回咱。主調(diào)節(jié)器的輸出控制量u1作為副回路的給定量R2(s).【19】33串級控制系統(tǒng)圖串級控制系統(tǒng)的計算機順序是先主回路(PID1),后副回路(PID2)。控制方式有兩種：一種是異步采樣控制，即主回路的采樣控制周期T1是副回路采樣控制周期T2的整數(shù)倍。這是因為一般串級控制系統(tǒng)中主控對象的響應(yīng)速度慢、副控對象的響應(yīng)速度快的緣故。另一種是同頻采樣控制，即主、副回路的采樣控制周期相同。這時，應(yīng)根據(jù)副回路選擇采樣周期，因為副回路的受控對象的響應(yīng)速度較快。串級控制的主要優(yōu)點：將干擾加到副回路中，由副回路控制對其進行抑制；副回路中參數(shù)的變化，由副回路給予控制，對被控制量Gc1的影響大為減弱；副回路的慣性由副回路給予調(diào)節(jié)，因而提高了整個系統(tǒng)的響應(yīng)速度。副回路是串級系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)健。副回路設(shè)計的方式有很多種，下面介紹按預(yù)期閉環(huán)特性設(shè)計副調(diào)節(jié)器的設(shè)計方法。由副回路框圖可得副回路閉環(huán)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：可得副調(diào)節(jié)器控制規(guī)律：一般選擇 式中n為有理多項式分母最高次冪。4．1主汽溫控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型【20】以某廠300MW 機組主汽溫為被控對象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù): G1 (s) = ，導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù): G2 (s) = 串級控制系統(tǒng)中主副兩個回路是彼此互相影響的，而副控制器的整定對主控制器的影響是一目了然的，因為副回路的特性本身就是主回路廣義對象的一個組成部分。主回路的特性對副回路的影響可以這么來考慮，即主控制器的輸出本身就是副回路的設(shè)定值，當(dāng)然對副回路的響應(yīng)有影響。如果主回路的工作頻率相差很大，例如十倍以上，則對副回路而言在其控制過程中可以近似認(rèn)為主回路還沒有來得及反應(yīng)，可以忽略主回路對副回路的影響，則控制器參數(shù)整定可以按由內(nèi)而外的原則，分別獨立按單回路系統(tǒng)控制器的參數(shù)整定方法整定。根據(jù)兩步整定法：它是一種先整定副環(huán), 后整定主環(huán)的方法, 具體步驟是:① 先整定副環(huán)。在主、副環(huán)均閉合, 主、副調(diào)節(jié)器都置于純比例作用條件下, 將主調(diào)節(jié)器的比例帶δ放在100% 處, 按單回路整定法整定副環(huán), 這時得到副調(diào)節(jié)器的衰減率ψ= 時的比例帶δ2s和副參數(shù)振蕩周期T 20。② 整定主環(huán)。主、副環(huán)仍然閉合, 副調(diào)節(jié)器置于δ2s值上, 用同樣方法整定主調(diào)節(jié)器, 得到主調(diào)節(jié)器在ψ= 下的比例帶δ1s值和被調(diào)量的振蕩周期T 10。③ 依據(jù)上面兩次整定得到的δ1s、δ2s和T 10與T 20 , 按所選調(diào)節(jié)器的類型, 利用“衰減曲線法”的計算公式, 分別求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。當(dāng)然, 按計算出來的整定參數(shù)進行投運, 不一定能滿足要求, 仍需繼續(xù)試驗, 適當(dāng)修正, 直到符合要求。PID串級控制方框圖如圖下：圖41 （a）PID串級控制方框圖根據(jù)PID串級控制方框圖在MATLAB中進行仿真試驗。由傳遞函數(shù)：惰性區(qū)傳遞函數(shù): G1 (s) = ，導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù): G2 (s) = 。在MATLAB中進行參數(shù)整定。在=，=，=，=0時，得到較好的曲線，如下圖所示：系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線：圖41 （b）雙回路控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線由圖41可知，其中系統(tǒng)輸出的衰減率ψ=%，超調(diào)量σ=5%，調(diào)節(jié)時間Ts=1000s。控制器調(diào)節(jié)較平緩。控制器輸出曲線：加階躍入擾動后，系統(tǒng)方框圖如下圖：圖42（a）主汽溫串級控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線如下：42（b）加入擾動后系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線由圖可以看出，副回路是個快速回路，能很快消除作用于內(nèi)回路的擾動。此時=，=，=，=0?？刂破鬏敵銮€：42（c）控制器輸出響應(yīng)曲線對串級控制系統(tǒng)而言，它對二次擾動的抑制能力比對一次擾動的抑制能力更強，而且在系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié)特性不變的情況下，副控制器的增益越大，則副回路的抗干擾能力越強，這點在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時應(yīng)該加以注意。串級控制系統(tǒng)對動態(tài)過程的改善更為明顯，一般認(rèn)為對二次擾動的最大動態(tài)偏差可以減小幾十倍，對一次擾動的最大動態(tài)偏差也可以減小幾倍。 ：主汽溫串級控制系統(tǒng)的出口溫度為二階對象，將G1的延遲時間τ1增加20%即τ1=66，則G1 (s) = ，得PID串級控制系統(tǒng)方框圖如下：43（a）PID串級控制系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線如下圖：43（b）主汽溫串級控制輸出響應(yīng)曲線控制器輸出響應(yīng)曲線：43（c）控制器輸出響應(yīng)曲線由圖可以看出，此控制系統(tǒng)有較強的克服內(nèi)、外擾動的能力和較好的跟蹤性，對模型的變化有較好的魯棒性。仿真結(jié)果表明，不管是給定值單位階躍擾動還是其他擾動, 采用串級控制均可明顯改善調(diào)節(jié)效果。通過MATLAB 仿真技術(shù)的應(yīng)用, 可以方便地進行串級控制系統(tǒng)的參數(shù)整定及分析設(shè)計,用串級控制方案，使其輸出較好的跟蹤系統(tǒng)設(shè)定值，較好的解決了火電廠主汽溫被控對象的大遲延、大慣性且模型不確定的特點，同時它能夠很好的解決時變性特征，具有較好的魯棒性。 結(jié)論本文著力于解決火電廠主汽溫被控對象的大遲延、大慣性且模型不確定的特點，基于主汽溫控制方法，設(shè)計了主汽溫串級控制系統(tǒng)。用PID控制的控制方式對主汽溫系統(tǒng)進行了仿真實驗。根據(jù)串級控制系統(tǒng)的特點，當(dāng)對象的滯后和時間常數(shù)很大，干擾作用強而頻繁，負(fù)荷變化大，簡單控制系統(tǒng)滿足不了要求時，使用串級控制系統(tǒng)是合適的，尤其是當(dāng)主要干擾來自控制閥方面時，選擇控制介質(zhì)的流量或壓力作為副變量來構(gòu)成串級控制系統(tǒng)是很適宜的。上述控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)具有較好的抗干擾性和魯棒性，并在一定程度上緩解了主汽溫串級控制系統(tǒng)的大慣性大遲延的特性。文獻資料[1]李建強，牛成林，劉吉臻數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在火電廠優(yōu)化運行中的應(yīng)用[J].動力工程，2006，(6)．[2] XiangJie L，JiZhen L．Neum—Fuzzy Generalized Predictive ControlOf Boiler Steam Temperature[A]．The Sixth World Congress[C]．2006653l~ 6535．[3] 劉長良，劉吉臻，牛玉廣，等．一種模糊控制算法在主汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，7(5)：388～391．[4]楊蘋，許禮尉．聚焦式模糊變結(jié)構(gòu)控制及其在主汽溫控制中的應(yīng)用[J].控制理論與應(yīng)用，2007，24(1)：l37～142.[5] 馮曉露．智能控制在電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]．浙江大學(xué)，2006.[6] 王東風(fēng)，韓璞．基于免疫遺傳算法優(yōu)化的汽溫系統(tǒng)變參數(shù)PID控制[J]．中國電機工程學(xué)報，2003，23(9)：212～217．[7]周強泰.《鍋爐原理》.中國電力出版社，2009.[8]夏澤中，施三寶．主蒸汽溫度預(yù)測PID串級控制應(yīng)用研究[C].[9]金以慧 ． 《過程控制》.北京：清華大學(xué)出版社，1993(2007．5重印).[10]付新河．火電廠鍋爐蒸汽溫度控制方案的探討[J].廣東電力，2007,20(5).[11] [J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007,17（8）.[12] 張泉靈，王樹清，控制理論及應(yīng)用，（4）.[13]夏蕾，[J].,38(5).[14]于開江，呂劍虹．鍋爐主汽溫和一級汽溫的優(yōu)化控制[J]．動力工程，2004，24(2)：212—214． [15]葉智，劉偉，楊新民．DMCPID串級控制在火電廠過熱汽溫控制中的研究應(yīng)用IJ]．熱力發(fā)電，2005，(3)：58～60．[16]馬平，李偉，鄭貴文，等．基于無模型自適應(yīng)控制的主汽溫度控制系統(tǒng)[J]．電力科學(xué)與工程，2006，(1)：19—21．[17]肖軍，任挺進，李東海，等．單神經(jīng)元PID控制器在過熱汽溫控制中的應(yīng)用Ij]．熱力發(fā)電，2004，(2)；59．[18]劉春勝，,19(9)[19] [M]．北京：水力電力出版社，1988，大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2001，7(5)：388～391．[20]劉紅軍．韓璞．王東風(fēng)．黃成靜． [J].2002,21(6).致謝在論文即將完成之際，回首大學(xué)四年的生活，收獲了許多，成長了許多。感謝我所有的任課老師，他們傳授給我的知識，是我在大學(xué)里最大的收獲。衷心感謝我的導(dǎo)師平玉環(huán)老師對我的幫助和支持。在我完成論文期間，特別是仿真實驗階段，遇到我所不能解決的問題時，都能與平玉環(huán)老師還有武英杰同學(xué)的交流討論，解除我的疑惑，指出我的錯誤。正是有了平玉環(huán)老師及時而有效的幫助，才使我的論文能夠順利完成。同時，也要真誠感謝我們小組的同學(xué)對我論文內(nèi)容以及格式等等方面的幫助；我還要感謝我的同學(xué)朋友們，感謝你們在我有困難的時候向我伸出了援助之手，正是因為你們的鼓勵和幫助，才是我在論文的寫作中備感輕松，也讓我有更多的時間和精力去研究那些未知的新事物。未來的路還很長，而我們在一起的日子卻有限了，在這即將離別日子里，提前祝愿你們在今后的人生里一帆風(fēng)順，事業(yè)有成。最后，我向我的父母家人致以深深的謝意，他們始終關(guān)心、支持和鼓勵著我，為我付出了許多辛勞，使我能專心學(xué)習(xí)。33