【正文】 低頻段預(yù)補(bǔ)償法是在 s=0 條件下，設(shè)計(jì)實(shí)常數(shù)預(yù)補(bǔ)償陣 Kp，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦，因此在低頻段實(shí)現(xiàn)近似解耦。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 36 圖 56 UB和 UT 作用功率的輸出曲線 圖 57 UB和 UT 作用主汽壓的輸出曲線 由以上的仿真結(jié)果可以看出系統(tǒng)在輸入與輸出之間存在著關(guān)聯(lián)與耦合，功率和機(jī)前壓力受燃料量和閥門開度的相互影響，使控制的難度加大，下一節(jié)通過 低頻段預(yù)補(bǔ)償法設(shè)計(jì)實(shí)常數(shù)預(yù)補(bǔ)償陣 Kp，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦 來(lái)消除和削弱這種相互間的關(guān)聯(lián)和耦 合。 圖 52 解耦前系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖 下面對(duì)其進(jìn)行仿真，結(jié)果如下： 圖 53 UT 作用功率的輸出曲線 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 35 圖 53 UT 作用主汽壓的輸出曲線 當(dāng)閥門開度的加大，首先會(huì)利用蓄熱使功率有個(gè)暫時(shí)的增加，隨后達(dá)到新的 穩(wěn)態(tài)值，而主汽壓會(huì)下降最后趨于穩(wěn)定值。則單元機(jī)組可簡(jiǎn)化為一個(gè)兩個(gè)輸入兩個(gè)輸出的對(duì)象，如圖 51所示。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(lái)確定 [4]。 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(shuō)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(lái)確定，而遲延時(shí)間 ? 又是影響過渡過程周期的主要因素。 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)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 32 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。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???? 。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??? ? ?。 （ 4）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(wú)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)。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。 3） 保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無(wú)改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無(wú)改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。 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。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 31 ? 值。經(jīng)驗(yàn)法可以說(shuō)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。 （ 3） 經(jīng)驗(yàn)法 如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動(dòng)影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。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。 表 42 衰減曲線法計(jì)算公式 ? 規(guī)律 ? iT dT P PI PID s? ? ? — — — ? 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。記錄下 4:1（或 10:1）的衰減振蕩過程曲線。 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。 （ 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(lái)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)。 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。一般振蕩持續(xù) 4~5 個(gè)振幅即可，試驗(yàn)記錄曲線。 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。 （ 1）臨界比例帶法 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 29 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。因此，計(jì)算還是有必要的。 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(lái)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。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。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。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。 PID 參數(shù)的整定 控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對(duì)象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù) ( iDTT?、 )使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。 靜態(tài)解耦補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)常數(shù)矩陣，可通過下式求得 Kp=G1? (411) 靜態(tài)解耦的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。 特別是火電廠熱工過程，一般頻率比較低，常采用低頻段預(yù)補(bǔ)償法設(shè)計(jì) Kp。靜態(tài)解耦可使系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下成為非耦合系統(tǒng)，而在動(dòng)態(tài)條件下，即系統(tǒng)信號(hào)頻率不等于零時(shí)，存在一定的耦合?，F(xiàn)在就介紹一種工程上常用的解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。239。然而，補(bǔ)償器往往會(huì)很復(fù)雜，甚至不可實(shí)現(xiàn)。以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，如果系統(tǒng)中某一側(cè)擾動(dòng)對(duì)另一側(cè)系統(tǒng)輸出的影響較小，可忽略不計(jì)，或者受干擾側(cè)控制回路消除干擾的能力較強(qiáng)，就可以考慮采用單向解 耦 ，省去 其中的一個(gè)補(bǔ)償器。 由此可得： （ 49） 則有 （ 410） 這樣就實(shí)現(xiàn)了完全解耦。239。221139。 以下以一個(gè)具有兩個(gè)輸入和兩個(gè)輸出的對(duì)象為例，如圖 49所示。這不僅使之實(shí)現(xiàn)有困難，而且當(dāng)對(duì)象中的參數(shù)變化而造成數(shù)學(xué)模型的改變時(shí)，可能造成系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，從而帶來(lái)控制上的困難。由此上述式中： 所以根據(jù)上述式子不難得出： 1eA A I= （ 3）和差補(bǔ)償法 以上所介紹的幾種解耦方法，在理論上具有較好的解耦效果，但實(shí)際上，常遇到以下問題：一是所設(shè)計(jì)的解耦補(bǔ)償環(huán)節(jié)，經(jīng)常是在物理上不可實(shí)現(xiàn)的。 圖 48 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖 不難看出： 1()eA I A =+ 由于 則： )( AIWW e ?? 其中 We—— 解耦后等效對(duì)象傳遞矩陣。解耦網(wǎng)絡(luò) A 可等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)，然后借助串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算來(lái)求出。 圖 47 反饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)框圖 由解耦網(wǎng)絡(luò) A 組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量 U和擾動(dòng)向量 M 具有相同通道。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受 到內(nèi)擾 u 的交叉干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖46 所示。12R = R12/R22= G12/G11 （ 45） 39。12R 、 39。12R =R12/R22 39。 ○ 2 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 這種解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 43所 示。 串聯(lián)前補(bǔ)償解耦可以消除定值 x 擾動(dòng)時(shí)對(duì)其它回路被調(diào)量的影響，但不能對(duì)發(fā)生在對(duì)象輸入側(cè)的擾動(dòng) u 實(shí)現(xiàn)解耦。 ○ 1 串聯(lián)前補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 以雙輸入雙輸 出系統(tǒng)為例，在被控對(duì)象的輸入側(cè)串聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，如圖 44所示，這種補(bǔ)償方式稱之為串聯(lián)前補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。即： WC=We(除對(duì)角元素不為 0，其余都為 0)。 C={Cij}為解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞矩陣。 （ 1）串聯(lián)補(bǔ)償法 ?????????????nnnnnnW. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .212222111211? ?TyyyY n...21?? ?Tnuuuu .. .21?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 22 采用串聯(lián)補(bǔ)償法解耦的多變量控制 系統(tǒng)如圖 43 所示。 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 對(duì)于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對(duì)選擇，可降低各回路間的耦合。 若對(duì)象的傳遞矩陣 W 可表示為三角形矩陣，則稱之為半耦合對(duì)象。若 Wij=0，則表明 yi不受 uj作用影響。然而若經(jīng)配對(duì)選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需要考慮解 耦 設(shè)計(jì)，解 耦 設(shè)計(jì)的基本原理在于設(shè)置一個(gè)補(bǔ) 償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路之間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實(shí)現(xiàn)單變量控制， 把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)單變量控制問題來(lái)處理。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從機(jī)爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選擇合理的控制信號(hào)，采用前饋、反饋、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)炔呗?，?shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。這些系統(tǒng)對(duì)內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 21 過程模型精度方面的要求并不是很高的 [4]。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)在最主要、最本質(zhì)的特征，對(duì)于設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。 控制系統(tǒng)對(duì)模型精度的要求 不同控制理論和算法對(duì)模型的要求是不同的。機(jī)組容量越大，相對(duì)的這種蓄熱能力越小。 （ 3）根據(jù)以上機(jī)爐特性的基本特征 ，利用汽輪機(jī)調(diào)門開度 △ u 作為 控制量，可以快速的改變機(jī)組的被控量 △ PT 和 △ N。而在汽輪機(jī)控制量 △ u 的作用下，輸出被控量 △ PT 和 △ N 的響應(yīng)則是一個(gè)快速的過程。通過對(duì)機(jī)爐內(nèi)在機(jī)理的分析，可以看出其動(dòng)態(tài)特性方面的以下基本特征。 機(jī)爐動(dòng)態(tài)特性的基本特征 構(gòu)成單元機(jī)組受控對(duì)象的設(shè)備是鍋爐 和汽輪發(fā)電機(jī)組兩大部分?？梢钥闯?，機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放蓄熱量而產(chǎn)生的。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時(shí)的增加，故輸出功率 N 相應(yīng)也有暫時(shí)的增加。蒸汽流量的增加是因?yàn)殄仩t汽壓下降而釋放出一部分蓄熱，這只是暫時(shí)的。汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加后，一開始進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量立刻成比例增加，同時(shí)汽壓 PT也隨之立刻階躍下降 △ PT（ △ PT階躍下降的大小與蒸汽流量的階躍增量成正比，且與鍋爐的蓄熱量大小有關(guān)）。當(dāng)蒸汽流量不變時(shí)，輸出電功率也趨于一個(gè)較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。當(dāng)蒸汽流量與燃燒率達(dá)到新的平衡時(shí)，汽壓 PT 就趨于一個(gè)較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過遲延后逐漸升高。 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性分析 單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象的階躍響應(yīng)特性如圖 42所示。 GNu 和 GNB分別為發(fā)電機(jī)實(shí)發(fā)功率對(duì)開