【導讀】1．本人承諾：所呈交的畢業(yè)設計《鍋爐過熱蒸汽的溫度控制》，是認真學習理解學校的《長春理工大學本科畢業(yè)設計工作條例》后，虛作假，不抄襲別人的工作內容。人和集體均已在文中注明。相應的法律責任。以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！性已成為保證單元機組安全性和經(jīng)濟性的重要因素。但是由于過熱蒸汽溫度是一個典型的大遲延、大慣性、非線性和時。了主控-串級控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。壁溫度不超過允許的工作溫度。

　　

【正文】 定副調節(jié)器 2()TWs，由圖 36 寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? 01 1010212022 ??? sWsWsWsWsWsWsW mTmT （ 313） 可得此時等效控制對 象為 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?sWsWsWsWsWsW 1m01022m02*02 ?? （ 314） 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 21 然后根據(jù)單回路系統(tǒng)的整定方法求出副調節(jié)器的參數(shù)，記為 ? ?2 2()TWs。 圖 36 串級控制系統(tǒng)方框圖的等效變換 （ 4）如果 ? ?2 2()TWs的參數(shù)值與第（ 1）步得到 ? ?2 1()TWs的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。兩個調節(jié)器的整定參數(shù)步驟分別為（ 1）和（ 2）中求得的參數(shù)，否則應根據(jù) ? ?2 2()TWs重復步驟（ 2）、（ 3），直到出現(xiàn)兩次整定結果基本相同為止 。 溫 度 控制系統(tǒng)的仿真 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)為： 5001 21 90 sWes ?? ? (314) 導前區(qū)傳遞函數(shù)為： 802 101 35 sWes ?? ? (315) 其中主調節(jié)器為 PI 調節(jié)器，即 ? ? 111T iWs Ts? ????????。 用衰減曲線法整定參數(shù)得，δ=； Ti=60。 副調節(jié)器為 P調節(jié)器 ，在這里 δ = 3，反饋通道比例系數(shù)均為 1，在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號， 用 MATLAB 進行仿真，其結構圖如圖37 所示，其仿真曲線如圖 38 所示。 圖 37 串級汽溫控制系統(tǒng) Simulink 結構圖 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 22 圖 38 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)階躍給定響應曲線 由圖可 知衰減 比為 8： 1，系統(tǒng)雖然穩(wěn)定，但 系統(tǒng)超 調 且 具有較大延遲。 這是因為氣溫對象中的純滯后環(huán)節(jié)造成的，若采用串級系統(tǒng)，則必須改進加入消除大延遲的方案。 導前微分控制系統(tǒng) 在溫度控制系統(tǒng)中，常用的一種便是導前微分控制系統(tǒng)。 這種控制系統(tǒng)的結構特點是：只用了一個調節(jié)器，調節(jié)器的輸入取了兩個信號。一個信號是主汽溫經(jīng)變送器直接進入調節(jié)器的信號，另一個信號則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調節(jié)器的信號。在時間和相位上，后一個信號超前于主信號，因此把這種系統(tǒng)稱為導前微分控制系統(tǒng) [6]。又因為它有兩個信號直接送入到調節(jié)器 ，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導前微分信號的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制性能 。 導前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 采用導前微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖 39 所示。這個系統(tǒng)引入了導前汽溫 2? 的微分信號作為調節(jié)器的補充信號，以改善控制質量。因為 2? 和主汽溫 1?的變化趨勢是一致的，切 2? 的變化比 1? 快的多，因此它能迅速反映 1? 的變化趨勢。引入了 2? 的微分信號后。將有助于調節(jié)器的動作快速性。在動態(tài)時，調節(jié)器將根據(jù) 2? 的微分信號和 1? 與 1? 的給定值 之間的偏差而動作；但在靜態(tài)時， 2? 的微分信號消失，過熱汽溫 1? 必然等于給定值。如果不采用導前信號 2? 的微分信號，則在靜態(tài)時，調節(jié)器將保持 12()??? 等于給定值，而不能保持 1? 等于給定值 。 由圖 39所示的系統(tǒng)結構圖我們可以畫出導前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖 310 所示。它包括兩個閉合的控制回路： 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 23 由控制對象的導前區(qū) 02()Ws，導前汽溫變送器 2r? 、微分器 ()dWs、調節(jié)器 ()TWs、執(zhí)行器 ZK 和減溫水調節(jié)閥 K? 組成的副回路（導前補償回路） ； 由控制對象的惰性區(qū) 01()Ws、主汽溫變送器 1r? 和副回路組成的主回路 。 圖 39 導前汽溫微分信號的雙回 路汽溫控制系統(tǒng) 貲嚼餼鞔 導前微分控制系統(tǒng)的分析 對于如圖 310 所示的控制系統(tǒng)，當去掉導前汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖 311(a）所示，控制對象 ? ?0 0 1 0 2( ) ( ) ( )W s W s W s? 的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)加入導前汽溫微分信號后，調節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結構。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖 311（ b）所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量信號BW ，但輸出信號為 *1? ，等效控制對象的傳遞 函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。其中： ** 210 0 2 0 1 1()( ) ( ) ( ) ( )() dB sW s W s W s W sWs ???? ???? ? ????? （ 317） 圖 310 采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 24 a)——單回路系統(tǒng)方框圖； b)——雙回路系統(tǒng)的等效方框圖 圖 311 采用微分信號改變控制對象特性的方框圖 在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出 ； 在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號外，還疊加了導前汽溫的微分信號。由于 等效對象的輸出 的慣性遲延比 控制對象 小得多，因而等效對象的輸出的慣性遲延小得多。因此加入導前汽溫微分信號的作用可以理解為改變了控制 對象的動態(tài)特性，在控制對象慣性遲延較大的情況下導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質遠比單回路控制系統(tǒng)好。 導前微分控制系統(tǒng)的整 定 按補償法進行整 定 根據(jù)前面對系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補償法的整定規(guī)則：整定微分器??dWs的參數(shù)（ DK 、 DT ）以形成一個等效對象，這個等效對象的動態(tài)特性等于（或近似等于）在動態(tài)時為導前區(qū)的特性，在靜態(tài)時為主汽溫的特性，而調節(jié)器TW (S)的參數(shù)（ ? ， iT ）則按等效對象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定方法） 。 下面分析如何通過調整微分器的參數(shù)來獲取等效對象的特性 。 設主汽溫對象的傳遞函數(shù)為 000 0 2 0 10( ) ( ) ( ) (1 ) nKW s W s W s Ts?? ? （ 318） 導前區(qū)汽溫對象的傳遞函數(shù)為 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 25 22022() (1 )nKWs Ts? ? （ 319） 則等效對象的傳遞函數(shù) 為 ? ?2* 2 0 00 0 2 0 1 0 21 2 2( ) ( ) ( ) ( ) ( 1 )d nKKW s W s W s W s W sT s K??????? ? ? ??? ??? （ 320） 由上式可得 0 012( ) ( )d KW s W sK????????12???? （ 321） 可見微分器的參數(shù)時根據(jù)控制對象的惰性區(qū)來整定的，用控制對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法， 由 1 0 2/K K K? 。 則式（ 321）可寫 為 ： 111121( ) 11 (1 )DDd nDK T sW s KT s Ts ??????? ? ??????? (322) 假設汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時一階 的（即 1 1n? ），則 有 111 1 111 2 1 21 1 1DDDK T s T s K T sKT s T s T s??????? ? ? （ 323） 比較等式兩邊的對應項可 得 DT ＝ 1T DK ＝ 1K 12???? 微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù) 為 ： 2* 002() (1 )nKWs Ts? ? （ 324） 則實現(xiàn)了完全補償?shù)念A定目的。但是汽溫對象的惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的（通常 1 2n? ），那么，式（ 322）等號兩邊就只能作到近似相等，而不能實現(xiàn)完全補償。下面推導 1 2n? 時，微分器參數(shù)的確定方法 。 將式（ 322）等號的兩邊展開為冪級數(shù)的形式 ： 等式左邊 為 ? ?2 2 3 311 DD D D D D DDK T s K T s T s T s T sTs ? ? ? ? ?? … （ 325） 等式右邊為 ? ? ? ?111 22111 1 1 1 1221111 2!1 nnnK K n T s T sTs ?????? ???? ? ??? ??? ???? （ 326） 令等式兩邊 s 的低階項（二階以下項）的系數(shù)相 等 。 由此可以確定微分器的整定參 數(shù) 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 26 1 11 212 1D nKK n????? ? 1 112D nTT?? （ 327） 按式（ 327）求得的 ??dWs參數(shù)僅能實現(xiàn)對象的近似補償，即 使 * 00 02 2( ) ( ) KW s W s K? （ 328） 在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調節(jié)器 ()TWs的參數(shù) ? 和 iT 應按等效對象 *0()Ws來整定（按一般單回路系統(tǒng)的整定方法），其原理框圖如圖 312 所示。 貲嚼餼鞔 圖 312 補償法整定框圖 補償法是整定雙回路系 統(tǒng)的一種很實用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時，可以不考慮內外回路之間的相互影響 。 導前微分控制系統(tǒng)的仿真 仍以某廠 300MW 機組主汽溫為被控對象為例： 惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 5001 21 90 sWes ?? ? (329) 導前區(qū)傳遞函數(shù)為： 802 101 35 sWes ?? ? (330) 令 ZK ， ?K , 1?? ， 2?? 的值都為 1。經(jīng)過整定可得 ： 11255178 ?? s s.)s(Wd (331) 其中調節(jié)器為 PI 調節(jié)器，用補償法整定得 δ=16， Ti=56。 在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號， 用 MATLAB 進行仿真，其結構圖如圖 313 所示，其仿真曲線如圖 314 所示 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 27 313 導前微分控制系統(tǒng)系統(tǒng) Simulink 結構圖 圖 314 導前微分控制系統(tǒng)階躍給定響應曲線 由圖可知，應用導前微分控制的系統(tǒng)也能達到穩(wěn)定，調節(jié)器對給定的變化響應速度比串級控制系統(tǒng)要快， 系統(tǒng)性能也不錯，對大滯后系統(tǒng)有較好的調節(jié)作用，是一種不錯的控制方案 。 兩種自動控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇 前面討論了串級過熱汽溫控制系統(tǒng)和導前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們在實際應用中一般都能滿足生產(chǎn)上的要求，但這兩種控制系統(tǒng)在控制質量、系統(tǒng)構成、整定調試等方面各有特點。 時，其等效主、副調節(jié)器均為 PI 調節(jié)器。但對于實際的串級汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調節(jié)器應采用 P 或 PD 調節(jié)器，而主調節(jié)器應采 PI 或 PID 調節(jié)器。因此，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統(tǒng)；在主回路中，串級系統(tǒng)的主調節(jié)器可具有微分作用 ，故控制品質也比雙回路系統(tǒng)好，特別對于慣性、延遲較大的系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的控制質量不如串級系統(tǒng)。 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 28 、副兩個控制回路的工作相對比較獨立，因此系統(tǒng)投運時的整定、調試直觀、方便。而有導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)的兩個回路在參數(shù)整定時相互影響，不容易掌握。 ，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)較為簡單。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用。若被控對象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質量，則應采用串級控制系統(tǒng)。 綜上分析，本次設計采用串級溫度控制系統(tǒng) ， 而氣溫對象具有較大的延遲，我們要在串級控制系統(tǒng)的基礎上加以改進，消除大滯后的影響， 對系統(tǒng)的響應速度加以改善 。 長春理工大 學 本科 畢業(yè) 設計 29 第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進與仿真 在鍋爐機組的運行過程中 ， 氣溫 對象特性 具有較大的