【正文】 習(xí)好幫手圖 32 過熱汽溫串級控制系統(tǒng) 該汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。當(dāng)過熱汽溫升高時(shí)， 2I?增加，主調(diào)節(jié)器輸出 1TI減小，副調(diào)節(jié)器輸出 減小，減溫水量增加，過熱汽溫下降。過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 33 所示，具有內(nèi)外兩個(gè)回路。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因?yàn)闇p溫器離過熱器出口較遠(yuǎn)，且過熱器管壁熱容較大，主汽溫對象的滯后和慣性較大。為此再取一個(gè)對減溫水量變化反映快的中間溫度信號 2作為導(dǎo)前信號，增加一個(gè)調(diào)節(jié)器 PI2 組成如圖 32 所示的串級控制系統(tǒng)。另外，PI2 的給定值受調(diào)節(jié)器 PI1 的影響，后者根據(jù) 1改變 2的給定值，. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手從而保證負(fù)荷擾動時(shí)，仍能保持 X 滿足要求。溫 度調(diào) 節(jié) 器 1溫 度調(diào) 節(jié) 器 2執(zhí) 行 器閥 門減 溫 器過 熱 器溫 度 變 送 器 2溫 度 變 送 器 1內(nèi) 擾溫 度 測 量 值溫 度 給 定 值圖 33 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖 串級溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)施控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)合理的設(shè)計(jì)主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。通常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容積遲延和慣性。因此，在設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法找到一個(gè)反應(yīng)靈敏的副參數(shù)，使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大的提高。串級控制系統(tǒng)對進(jìn)入副回路的擾動有很強(qiáng)的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)多大，取決于整個(gè)對象的容積分布情況以及各種擾動影響的大小。太大了，副回路本身的控制性能就差，同時(shí)還可能使主回路的控制性能惡化。（3）主、副對象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路時(shí)，會引起副回路中參數(shù)振幅增加，而副參數(shù)的變化傳到主回路后，又迫使主參數(shù)變化幅度增大，如此循環(huán)往復(fù)，就會使主、副參數(shù)長時(shí)間大幅度波動，這就是所謂串級系統(tǒng)的“ 共振現(xiàn)象 ”。為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取 （33）??123~0ddT?式子中： 為主回路的振蕩周期； 為副回路振蕩周期，要滿足式子（33） ，除了在副回路設(shè)計(jì)中加以考慮之外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。（1）副調(diào)節(jié)器的選型副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選 P 調(diào)節(jié)器，也可采用 PD 調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，在一般情況下，采用 P 調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用 PI 調(diào)節(jié)器。凡是需采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時(shí)又有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用 PID 調(diào)節(jié)器。（2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此時(shí)副調(diào)節(jié)器可以采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。 串級溫度控制系統(tǒng)的整定 在如圖 34 所示的串級系統(tǒng)中，因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器串在一起，在一個(gè)系統(tǒng)中工作，相互之間或多或少的有些影響，因此在串級系統(tǒng)的整定要比簡單系統(tǒng)復(fù)雜些。在此期間，主回路基本上不參加動作，由圖 33 得整定副回路時(shí)的方框圖，如圖 35（a）所示。 （2）整定主調(diào)節(jié)器 當(dāng)主回路進(jìn)行控制時(shí)，副回路幾乎起理想隨動作用，由圖 34 可得副回路的閉和傳遞函數(shù)： 22()1()mYsR? （34） 即在主回路中副回路可看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，由此畫出整定主回路時(shí)的方框圖，如圖 35（b）所示。按上述步驟整定系統(tǒng)后，通常應(yīng)滿足 213??（ 、 2分別為主、副回路主導(dǎo)衰減振蕩成分的頻率） ?？刂茖ο笄皡^(qū)動態(tài)特性 02()s與整個(gè)控制對象的動態(tài)特性 0012()()Wss?相比，應(yīng)有較小的遲延和慣性。副調(diào)節(jié)器 2()TWs可選用 P（或 PD）調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器應(yīng)選用 PI 調(diào)節(jié)器，以使副回路有較高的衰減振蕩頻率。副回路可取較低的穩(wěn)定性裕量（例如 ??）而主回路則取較高的穩(wěn)定性裕度（例如 ??） 。在圖 35 中，控制對象導(dǎo)前區(qū)的特性 02()s可直接由實(shí)驗(yàn)測得，而惰性區(qū)的特性 01()s不一定能直接由實(shí)驗(yàn)獲得，但整個(gè)控制對象的動態(tài)特性 02()Ws?總是可以由實(shí)驗(yàn)測得，因此對象惰性區(qū)的動態(tài)特性 01()Ws原則上可以由 和 算出： 0012()Ws? （35）例如：鍋爐過熱蒸汽溫度控制對象及其導(dǎo)前區(qū)的動態(tài)特性?？杀硎緸椋? 010102()() )nKssT????? （36） 220())nsW （37）式中： ?為減溫水閥門的開度。KnTn?? 如果控制對象及其導(dǎo)前區(qū)動態(tài)特性可以用式（34） 、 （35）來表示，而且有 2n?和 03?，那么當(dāng) 023?時(shí)（ 0T和 2分別為 0()Ws和 02()分母中 s 項(xiàng)的系數(shù)） ，可以滿足主、副調(diào)節(jié)器按圖 35 分別整定的條件，而惰性區(qū)對象表示為：. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手 (39)020221 ns)T(Kns)(s)W???這樣避免了由 0(和 02計(jì)算出 1的麻煩，尤其用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線整定主調(diào)節(jié)器時(shí)更為簡便。在此方法下主副控制器參數(shù)的工程整定如下：（1）在工況穩(wěn)定，主、副控制器都在純比例作用的條件下，將主控制器的比例度先固定在 100％的刻度上，然后逐漸減小副控制器的比例度，求取副回路在滿足某種衰減比(如 4：1)過渡過程下的副控制器比例度 δ2S 和操作周期T2S。和操作周期 T1S 。（4）按“先副后主 ”、 “先比例次積分后微分”的整定方法，將計(jì)算出的控制器參數(shù)加到控制器上。（1）先整定副調(diào)節(jié)器 2()TWs。（2）根據(jù) ??21()Ts整定主調(diào)節(jié)器 1()Ts。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手（3）據(jù)（2）得到的 ??1()TWs，再整定副調(diào)節(jié)器 2()TWs，由圖 36 寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程為 （313?????????01 1021202 ???smTmT）可得此時(shí)等效控制對象為 （314??????sss1m022m0*02?）然后根據(jù)單回路系統(tǒng)的整定方法求出副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，記為 ??2()TW。兩個(gè)調(diào)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(yīng)根據(jù) 2()T重復(fù)步驟（2） 、 （3） ，直到出現(xiàn)兩次整定結(jié)果基本相同為止。 用衰減曲線法整定參數(shù)得，δ=；T i=60。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 37 串級汽溫控制系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖圖 38 串級主蒸汽溫度控制系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)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(diào)且具有較大延遲。 導(dǎo)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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。一個(gè)信號是主汽溫經(jīng)變送器直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器的信號，另一個(gè)信號則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號。又因?yàn)樗袃蓚€(gè)信號直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導(dǎo)前微分信號的雙沖量控制系統(tǒng)。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手采用導(dǎo)前微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖 39 所示。因?yàn)?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。將有助于調(diào)節(jié)器的動作快速性。如果不采用導(dǎo)前信號 2?的微分信號，則在靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器將保持 12()?等于給定值，而不能保持 1等于給定值。它包括兩個(gè)閉合的控制回路：由控制對象的導(dǎo)前區(qū) 02()Ws，導(dǎo)前汽溫變送器 2r?、微分器 ()dWs、調(diào)節(jié)器 ()TWs、執(zhí)行器 ZK和減溫水調(diào)節(jié)閥 K?組成的副回路（導(dǎo)前補(bǔ)償回路） ；由控制對象的惰性區(qū) 01()s、主汽溫變送器 1r?和副回路組成的主回路。當(dāng)系統(tǒng)加入導(dǎo)前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時(shí)接受兩個(gè)輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。其中： * 2100211()()dBsWs?????????? （317）圖 310 采用導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖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(shí)，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(dǎo)前汽溫的微分信號。因此加入導(dǎo)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(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質(zhì)遠(yuǎn)比單回路控制系統(tǒng)好。下面分析如何通過調(diào)整微分器的參數(shù)來獲取等效對象的特性。則式（321）可寫為： 112()()Dd nKTsWTs??????????? (322)假設(shè)汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時(shí)一階的（即 ?） ，則有. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手 11122DKTsKTss???????? （323）比較等式兩邊的對應(yīng)項(xiàng)可得 DT＝ 1 K＝ 2??微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù)為： 2*00()1)nWsTs?? （324）則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償?shù)念A(yù)定目的。下面推導(dǎo) 1時(shí)，微分器參數(shù)的確定方法。由此可以確定微分器的整定參數(shù) 12DnK???? 12DnT?? （327）按式（327 ）求得的 ??dWs參數(shù)僅能實(shí)現(xiàn)對象的近似補(bǔ)償，即使 *002()KsW? （328）在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調(diào)節(jié)器 ()Ts的參數(shù) ?和 iT應(yīng)按等效對象 *0()s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。 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的仿真仍以某廠 300MW 機(jī)組主汽溫為被控對象為例：惰性區(qū)傳遞函數(shù)為： 500129sWe??? (329)導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為： 80235s? (330)令 ， , ， 的值都為 1。在無擾動的情況下，輸入為單位階躍信號，用 MATLAB 進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖 313 所示，其仿真曲線如圖 314 所示 313 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)系統(tǒng) Simulink 結(jié)構(gòu)圖. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手圖 314 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)階躍給定響應(yīng)曲線由圖可知，應(yīng)用導(dǎo)前微分控制的系統(tǒng)也能達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)節(jié)器對給定的變化響應(yīng)速度比串級控制系統(tǒng)要快，系統(tǒng)性能也不錯(cuò)，對大滯后系統(tǒng)有較好的調(diào)節(jié)作用，是一種不錯(cuò)的控制方案。時(shí)，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為 PI 調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)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(diào)節(jié)器可具有微分作用，故控制品質(zhì)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(zhì)量不如串級系統(tǒng)。而有導(dǎo)前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)整定時(shí)相互影響，不容易掌握。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(yīng)用。. . . .. . 學(xué)習(xí)好幫手綜上分析，本次設(shè)計(jì)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(chǔ)上加以改進(jìn)，消除大滯后的影響，對系統(tǒng)的響應(yīng)速度加以改善。對于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級控制等方案是無法保證其