【正文】 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。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(wú)疑是 階躍變化的。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。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。 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(shuō)明書 41 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) 。下文將通過(guò)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 。 系統(tǒng) Simulink 圖如下所示。 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。但是，在比例積分調(diào)節(jié)器的使用過(guò)程中， 積分作用的強(qiáng)弱要適當(dāng)，過(guò)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。 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(shuō)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)。如此反復(fù)試湊，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 38 （ 3） 保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過(guò)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 ? 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(guò)程；如果過(guò)渡過(guò)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(guò)程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過(guò)程滿意為止。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。 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(guò)渡過(guò)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)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(guò)直線段上任一點(diǎn) A 作時(shí)間垂線并交于 B，則 ,/OC AB CB???? 。過(guò)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(guò) A 點(diǎn)作時(shí)間軸垂線并交于 B，則： , , /CO C T CB A B CB??? ? ?。 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(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)。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 s? ? — — — 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶 s? 即過(guò)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(guò)程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過(guò)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。 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。因此，計(jì)算還是有必要的。 在熱工生產(chǎn)過(guò)程中，比較實(shí)用的是現(xiàn)場(chǎng)整定方法，即通過(guò)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(guò)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(guò)渡過(guò)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(guò)正確的整定，才能達(dá)到預(yù)期的控制質(zhì)量。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 34 PID 參數(shù)的整定及 系統(tǒng) 仿真 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。 當(dāng)閥門開度和燃煤量同時(shí)作用時(shí)，主汽壓力的輸出曲線如 圖 413 所示。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 33 當(dāng)閥門開度和燃煤量同時(shí)作用時(shí)，功率的輸出曲線如 圖 412 所示。 圖 410 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 411 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 主汽壓力設(shè)定值擾動(dòng)， 燃料量的加大時(shí)，受熱加大必然使蒸汽增多 ，汽壓 顯然會(huì)增加，氣體的增加必然導(dǎo)致會(huì)使主汽 壓增加， 170 秒左右達(dá)到峰值，經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的慣性過(guò)程， 300 秒左右達(dá)到穩(wěn)定值 ，如圖 411 所示。這是由于 閥門開度的增大 ，蒸汽的迅速排出， 壓力顯然會(huì)隨著 蒸汽流失 而減小，在 90 秒左右達(dá)到最低值 ，在 220 秒左右達(dá)到平衡值。 圖 48 閥門開度 動(dòng)作 下功率輸出曲線 圖 49 閥門開度 動(dòng)作 下 主汽壓力 輸出曲線 當(dāng) 功率設(shè)定值擾動(dòng) ，閥門開度增加時(shí)，汽體壓力迅速排出， 系統(tǒng)由于受到蒸汽增加和鍋爐蓄熱作用 ， 功率 在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了峰值，隨后 在 500 秒左右 達(dá)到 擾動(dòng) 穩(wěn)態(tài)值。上述理論以下的系統(tǒng)仿真得以驗(yàn)證。 2．不帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦方框圖及仿真研究 針對(duì) 125MW 中間再熱燃煤機(jī)組給出的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，可用如圖47 所示的系統(tǒng)進(jìn)行解耦。而當(dāng)汽機(jī)閥門開度動(dòng)作時(shí)，功率和主汽壓力的響應(yīng)曲線方向相反，所以可以大致的把 ?NG與 ?BG 之比也近似為一個(gè)負(fù)的常數(shù)。 從上面的分析可以看出，系統(tǒng)存在嚴(yán)重耦合，功率的輸出不僅受閥門開度的影響，還受燃煤量地影響；主汽壓力不僅受燃煤量的影響，還受閥門開度的影響。由于蒸汽流量的增加使汽輪機(jī)輸出功率增加，輸出電功率也增加。由于汽輪機(jī)調(diào)門開度保持不變，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量增加，從而自發(fā) 的限制了汽壓的升高。 圖 46 燃煤量作用下的主汽壓力輸出曲線 當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門開度不變，而燃煤量發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)，輸出電功率和主蒸汽壓力的響應(yīng)曲線如圖 4 46 所示。 當(dāng)只有燃煤量單獨(dú)作用時(shí)，功率的輸出曲線如 圖 45 所示。最終，蒸汽流量仍恢復(fù)到與燃燒率相適應(yīng)的擾動(dòng)前的數(shù)值，蒸汽 量 也逐漸趨于一個(gè)較低的新穩(wěn)態(tài)值，同時(shí) 主 汽壓 力 也隨之立刻階躍下降， 功率也將逐漸下降回到穩(wěn)定值。 圖 44 閥門開度作用下的主汽壓力輸出曲線 當(dāng)鍋爐燃燒率保持不變，而汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加后，主蒸汽壓力和功率的響應(yīng)曲線如圖 4 44 所示，一開始進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量立刻成比例增加，功率迅速增加。111212 00101 GGGGG GRGGGGGR PBP PNPBNBPN ? ???? （ 420） 系統(tǒng)無(wú)調(diào)節(jié)仿真研究 1．未解耦環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析 圖 42 系統(tǒng)無(wú)解耦 Simulink 圖 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 28 解耦前仿真結(jié)果： 當(dāng)只有閥門開度單獨(dú)作用時(shí)，功率的輸出曲線如 圖 43 所示。2239。 根 據(jù)式 （ 47）給出的解耦條件：PBNBGGGGR ????221212 ,由于 NBG 與 PBG 特性的相似性，可以近似的認(rèn)為兩者的極點(diǎn)可以抵消，即： )180()183( 1 2212 ??????? SSR （ 414） 即補(bǔ)償矩陣為： ??????????????? 145 )( 12RSC 受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型及等效傳遞 矩陣 考慮圖 43 所示的雙輸入、雙輸出系統(tǒng)，受控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)表示為 ????????????????????? ?? ?BsGsG sGsGNP T )()( )()(22211211 （ 415） 圖 41 汽壓溫度系統(tǒng)對(duì)象傳遞函數(shù)框圖 各傳遞函數(shù)為 )112)(182( )( )()(11 ?????? Ss SsB sPsG T （ 416） 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 27 212 )183( 1)( )()( ?????? SsB sPsG T （ 417） 1124 )()( )()(21 ? ?????? S SsB sNsG （ 418） 222 )180( )( )()( ????? SsB sNsG （ 419） 式中， TP? 為主蒸汽壓力，量綱為 MPa； N? 為電功率，量綱為 MW； B? 為燃料量，量綱為 t/h； ?? 為汽輪機(jī)同步器位移，量綱為 mm。采用完全和差解耦時(shí)，對(duì)被控對(duì)象的傳遞矩陣的形式有較高的要求。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到擾動(dòng) ? 的交叉干擾。 系統(tǒng)解耦框架圖及數(shù)學(xué)模型 系統(tǒng)采用串聯(lián)后補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。為簡(jiǎn)化起見，只考慮了主蒸汽壓力和電功率兩個(gè)回路之間的協(xié)調(diào)，而沒有考慮機(jī) 組的汽溫控制回路。采用單相串聯(lián)補(bǔ)償解耦