【正文】 第 4 章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真在鍋爐機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，氣溫對(duì)象特性具有較大的純延遲，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，且當(dāng)過(guò)程控制通道或測(cè)量環(huán)節(jié)存在延遲時(shí)候，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會(huì)導(dǎo)致被控制量的最大動(dòng)態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降，而且 /cTt之比越大越不容易控制。若被控對(duì)象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質(zhì)量，則應(yīng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)。，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。、副兩個(gè)控制回路的工作相對(duì)比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)的整定、調(diào)試直觀、方便。但對(duì)于實(shí)際的串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應(yīng)采用 P 或 PD 調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應(yīng)采 PI 或 PID 調(diào)節(jié)器。 兩種自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較及控制方案選擇前面討論了串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?shí)際應(yīng)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(zhì)量、系統(tǒng)構(gòu)成、整定調(diào)試等方面各有特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)整定可得：ZK?1??2 127??s.)(Wd (331)其中調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，用補(bǔ)償法整定得 δ=16， Ti=56。貲嚼餼鞔. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 312 補(bǔ)償法整定框圖補(bǔ)償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實(shí)用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時(shí)，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。將式（322 ）等號(hào)的兩邊展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)的形式：等式左邊為 ??23DDDKTsTss????… （325）等式右邊為 ????1 1211 122!n nKKTssTs???????????????????? （326）令等式兩邊 s的低階項(xiàng)（二階以下項(xiàng)）的系數(shù)相等。但是汽溫對(duì)象的惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的（通常 12n?） ，那么，式（322）等號(hào)兩邊就只能作到近似相等，而不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。設(shè)主汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 00021()())nKWssTs??? （318）導(dǎo)前區(qū)汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為 202()1)nsTs?? （319）則等效對(duì)象的傳遞函數(shù)為 ??2* 202202022 2()()()dnKWssWWsTs??????????? （320）由上式可得 012()()dKss????????12?? （321） 可見(jiàn)微分器的參數(shù)時(shí)根據(jù)控制對(duì)象的惰性區(qū)來(lái)整定的，用控制對(duì)象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法，由 102/?。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定按補(bǔ)償法進(jìn)行整定根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補(bǔ)償法的整定規(guī)則：整定微分器 ??dWs的參數(shù)（ DK、 T）以形成一個(gè)等效對(duì)象，這個(gè)等效對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等于（或近似等于）在動(dòng)態(tài)時(shí)為導(dǎo)前區(qū)的特性，在靜態(tài)時(shí)為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器 T(S)的參數(shù)（ ?， i）則按等效對(duì)象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定方法） 。由于等效對(duì)象的輸出的慣性遲延比控制對(duì)象小得多，因而等效對(duì)象的輸出的慣性. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手遲延小得多。這個(gè)新的控制對(duì)象的輸入仍然是減溫水流量. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手信號(hào) BW，但輸出信號(hào)為 *1?，等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。但對(duì)于這個(gè)雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個(gè)單回路系統(tǒng)來(lái)處理，如圖 311（b）所示。圖 39 導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)貲嚼餼鞔 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析對(duì)于如圖 310 所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖 311(a）所示，控制對(duì)象 ??0012()()Wss?的遲延、慣性較大。由圖 39 所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我們可以畫(huà)出導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖 310 所示。在動(dòng)態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器將根據(jù) ?的微分信號(hào)和 1與 的給定值之間的偏差而動(dòng)作；但在靜態(tài)時(shí)，2?的微分信號(hào)消失，過(guò)熱汽溫 ?必然等于給定值。引入了 2的微分信號(hào)后。這個(gè)系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫 2?的微分信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號(hào)，以改善控制質(zhì)量。微分作用能反映輸出量的變化趨勢(shì)，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。在時(shí)間和相位上，后一個(gè)信號(hào)超前于主信號(hào)，因此把這種系統(tǒng)稱為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) [6]。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個(gè)信號(hào)。這是因?yàn)闅鉁貙?duì)象中的純滯后環(huán)節(jié)造成的，若采用串級(jí)系統(tǒng)，則必須改進(jìn)加入消除大延遲的方案。副調(diào)節(jié)器為 P 調(diào)節(jié)器，在這里 δ = 3，反饋通道比例系數(shù)均為1，在無(wú)擾動(dòng)的情況下，輸入為單位階躍信號(hào)，用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 37 所示，其仿真曲線如圖 38 所示。 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)的仿真以某廠 300MW 機(jī)組主汽溫為被控對(duì)象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 500129sWe??? (314)導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： 80235s? (315)其中主調(diào)節(jié)器為 PI 調(diào)節(jié)器，即 ??1Tis?????????。圖 36 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖的等效變換（4）如果 ??2()TWs的參數(shù)值與第（ 1）步得到 ??21()TWs的參數(shù)值基本相同，那么整定就告完成。由圖 35 可以寫(xiě)出串級(jí)控制系統(tǒng)的特征方程為 201 012()() ()0TT mmWss? ? （311）可得此時(shí)等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為 *202212()()()Tmsss? （312）按照單回路系統(tǒng)整定方法求出主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記作 ??1()TWs。在第一次整定副調(diào)節(jié)器時(shí)，斷開(kāi)主環(huán)，即按副回路單獨(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來(lái)整定副調(diào)節(jié)器 2()TWs的參數(shù)，記作 ??21()TWs。（5）觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整，直到獲得滿意的過(guò)渡過(guò)程。（3）根據(jù)上面得到的 δ1S、 、T 1S、δ 2S、 、T 2S 計(jì)算主、副控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。（2）在副控制器比例度等于 δ2S，的條件下，逐步減小主控制器的比例度，直至得到同樣衰減比下的過(guò)渡過(guò)程，記下此時(shí)主控制器的比例度 δ1S。因此在式（311）假定下： 01ccT???????? (310）式中： ??0/cT?為控制對(duì)象 0()Ws階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線上 ?與 cT的比值，它實(shí)際往往無(wú)法由實(shí)驗(yàn)曲線上直接獲得（如在過(guò)汽溫對(duì)象中） 。利用級(jí)數(shù)展開(kāi)和低階近似，惰性區(qū)的動(dòng)態(tài)特征可表示為： 1102())nsKT??? （38）式中： ??22022112。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手Wr 2( s ) W0 2( s )Wm 2( s )Wr 1( s )Wm 1( s )1 / Wm 2( s )R2( s )Y2( s )a )W0 1( s )b )R2( s ) Y2( s )圖 35 主副調(diào)節(jié)器分別獨(dú)立整定時(shí)的方框圖另外，按此方法整定串級(jí)系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)考慮控制對(duì)象惰性區(qū)動(dòng)態(tài)特性的求取。③ 整定指標(biāo)的選擇。 ② 調(diào)節(jié)器類型的選擇。要達(dá)到此要求整定時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題： ① 對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器 ??1TWs的參數(shù)。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器 ??2TWs。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手 圖 34 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖 ：先整定副控制器，后整定主控制器（1）先整定副調(diào)節(jié)器當(dāng)副回路受到階躍擾動(dòng)時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)副回路控制過(guò)程就結(jié)束。（3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時(shí)主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則（1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時(shí)在對(duì)副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級(jí)控制方式時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器均可以采用比例控制。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器。（2）主調(diào)節(jié)器的選型主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。、副調(diào)節(jié)器的選型串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對(duì)于它們的選型即控制規(guī)律的選擇也有不同考慮。一旦發(fā)生了共振系統(tǒng)就失去控制，不僅使. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化，如不及時(shí)處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重后果。由于串級(jí)系統(tǒng)中主、副回路是兩個(gè)相互獨(dú)立又密切相關(guān)的回路。一般應(yīng)使副回路的頻率比主回路的頻率高的多，當(dāng)副回路的時(shí)間常數(shù)加在一起超過(guò)了主回路時(shí)，串級(jí)控制效果就不明顯。副回路的范圍也不是愈大愈好。但這將與要求副回路控制通道短，反應(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。（2）副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。、副回路的設(shè)計(jì)原則（1）副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏?？梢?jiàn)，串級(jí)系統(tǒng)中采用了兩級(jí)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器PI2 根據(jù) 2q信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)使汽溫 2比 1提早反映，那么由于 PI2 的提前動(dòng)作，擾動(dòng)引起的 2q波動(dòng)很快消除，從而使主汽溫 q基本不受影響。若采用單回路控制主汽溫 1q，無(wú)法取得滿意的控制品質(zhì)。內(nèi)回路由導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對(duì)象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路組成。在主、副調(diào)節(jié)器均具有 PI 控制規(guī)律的情況下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零，即： 2I?= 0； 1I?= T 由此也可以認(rèn)為主調(diào)節(jié)器的輸出 T是導(dǎo)前汽溫 1I?的給定值。由于汽溫對(duì)象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用 PID 控制規(guī)律，其輸入偏差信號(hào)為 0I? 2，輸出信號(hào)為 1TI，副調(diào)節(jié)器采用 PI 或 P 控制規(guī)律，接受導(dǎo)前汽溫信號(hào) 1和主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào) I ，輸出為 2TI。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，本節(jié)將對(duì)其組成、特點(diǎn)及整定進(jìn)行討論。但隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工業(yè)參數(shù)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，并且由于生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)間的關(guān)系復(fù)雜化及控制對(duì)象遲延和慣性的增大，都使得單回路控制系統(tǒng)不能滿足要求。而國(guó)外應(yīng)用最為廣泛的方法是軟件自動(dòng)整定法，方便、快捷、可靠。（1）在自動(dòng)或手動(dòng)模式下對(duì)回路引入一個(gè)階躍測(cè)試；（2）軟件自動(dòng)收集過(guò)程數(shù)據(jù)，運(yùn)用專家系統(tǒng)加以分析，并建立數(shù)學(xué)模型；（3）使用建立的學(xué)模型自動(dòng)計(jì)算出具有魯棒性的 PID 參數(shù)。（1）根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點(diǎn)，先把 P、I、D 各參數(shù)放在基本合適的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得來(lái)的（按 4：1 衰減） 。（2）10：1 衰減曲線法. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手有的過(guò)程，4：1 衰減仍嫌振蕩過(guò)強(qiáng)，可采用 10：1 衰減曲線法。記下此時(shí)的比例度 δk 和振蕩周期 Ts。臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡(jiǎn)單，一般又有兩種方法。這時(shí)的比例度叫臨界比例度 δk，周期為臨界振蕩周期 Tk。實(shí) 際 PID 調(diào) 節(jié) 器 的 階 躍 響 應(yīng) 曲 線 如 下 圖 所 示 ：teoΔ e0tμo0e??D0K1e???DPIP I D 圖 31 實(shí)際 PID 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線實(shí) 際 PID 調(diào) 節(jié) 器 在 階 躍 輸 入 下 ， 開(kāi) 始 時(shí) 微 分 作 用 的 輸 出 變 化 最 大 ， 使 總的 輸 出 大 幅 度 地 變 化 ， 產(chǎn) 生 一 個(gè) 強(qiáng) 烈 的 超 前 調(diào) 節(jié) 作 用 ， 把 這 種 調(diào) 節(jié) 作 用 看 成為 預(yù) 調(diào) ； 然 后 微 分 作 用 消 失 ，