自动调节器典型调节规律及调节过程分析

1、热力过程自动化第八章 调节器调节规律第 153 页共287页第八章调节器调节规律及其对过程影响第一节自动调节器典型调节规律及调节过程分析调节器的基本调节规律是模拟运行人员的基本操作，是运行人员调节动作精华的总结。选择合适的调 节器动作规律是热工自动人员的职责范畴，但运行人员如果能理解各种动作的调节过程，就能够使用好相 应的自动调节系统。自动调节的目的是要及时准确地进行调节，前面我们已经讲到基本环节由比例、积分、惯性、微分、 迟延组成。因为惯性、迟延环节不符合及时准确的要求，所以我们可考虑的就只有比例、积分、微分这三 种特性了（积分、微分调节规律一般不能单独使用）。自动调节器的典型动作规律按照环

2、节特性可分为比例（P）、比例积分（PI）、比例微分（PD）、比例积分微分（PID ）。一、典型调节规律1. 比例（P）调节规律比例调节作用简称为 P作用，是所有调节器必不可少的一种典型调节作用。P作用实质上就是典型环节中的比例作用。不过这个环节一般用电子元件构成的电路来实现，其输入输出都是电信号。比例环节的传递函数 W二Kp , Kp称为比例环节的比例放大系数；而在比例（P）调节作用中，传1递函数习惯上表示成 WP = -，（ 8-1）51式中一一调节器的比例带（比例度），：越大，比例作用越弱。KP下面以如图8-1所示的采用浮子式比例调节器的水位调节系统为例，说明比例调节器的调节规律。该 系统

3、的被调对象是有自平衡能力的单容水箱；浮子起到检测器的作用，用于感受水位的变化；比例调节器 就是杠杆本身，杠杆以 0点为支点可以顺时针或逆时针转动。给定值的大小与给定值连杆的长短有关；选 择流入侧阀门作为调节阀，由调节器来控制它的开度变化。当某种扰动使水位升高时（说明此时流入量q流出量q2）,浮子随之升高，通过杠杆作用使阀门芯下移，关小调节阀，流入量q减小直至等于流出量C2。反之，当某种扰动使水位降低时（说明此时流入量q v流出量q，浮子随之降低，通过杠杆作用使阀门芯上移，开大调节阀，流入量q加大直至等于流出量 qz。这样，就可以自动地把水位H维持在某个高度附近，完成水位的自动调节。h =，h，

4、动作方向始终正确，朝着减小被调量波动的方向努力。比例调节器的动画演示见光盘第八章目录下”比例调节器流出侧扰动（阶跃减少）”和“比例调节器流出侧扰动（阶跃增加）”具有比例调 节作用的杠 杆调节 阀门给定值连杆图8-1比例（P）调节系统图示中连杆长度为 L,水位如图8-1所示。假设在目前调节阀门开度下流入流出正好平衡，水位稳定不变。此时，将给定值连杆变短后重新装入，由于连杆变短，水位还是原数值没有变化，所以调节器杠 杆右侧下降左端升高，调节阀门开度阶跃开大，使流入量q阶跃增加，q1 q2，进而引起水位H上升，水位上升的同时，调节杠杆右侧又不断回升，杠杆左端下移，调节阀开度不断关小， 使q减小，当q

5、 q2时，水位处于新的平衡状态。这个新的水位高于原来的水位，所以给定值连杆长度变短相当于给定值的增加，给定值连杆的长度就代表给定数值的大小。自动调节系统主体是由被调对象（单容水箱）、调节机构（流入侧阀门）、检测器（浮子）、调节器（杠杆）、执行器（阀门杆）组成，方框图如图8-2所示。第152页，故图8-2上省略执行器）；K#11反映流入侧阀门开度和流量之间的关系；-为调节器传函，此系统 丄二一5d bR2代表水箱流出侧阀门阻力；代表流出侧阀门开度扰动;与水位的关系；流量之间的关系。选择给定值G为输入，水位H为输出，传递函数可化简为K 1 R2心丄K % R21反映水箱这一环节净流量AsKj2反映

6、流出侧阀门开度与K1R2W= (AD K 1R2 (AR2s 1)K .1 R2AR2sKR2AR2 s 1d + KR2K ,1.1 R2(8-2)是一个一阶惯性环节，稳态放大系数K =右 + KpjR2Xo的阶跃扰动时，输出水位的稳态值为当给定值扰动为幅值为(8-3)hC K1R2 Xo6+K#R2(8-4)e( =) =G -h()=xo -oK.1R2K.1R26Xo = Xo() = Xo图8-2比例调节系统方框图(8-5)可以看出，静态偏差与如图8-2所示系统，给定值单位阶跃扰动仿真曲线如图 8-3所示，从图中可知, 也相应f,但响应曲线始终体现为一阶惯性环节特性，为非周期响应，系

7、统始终很稳定。 盘第八章目录下“ BiLiXT01.mdl ”。成正比。随着f,静态偏差e（-）Matlab文件见光图中Km代表检测器（浮子）传递函数，此系统 Km = 1 ；（为了分析方便，对调节系统进行简化，假 设检测器和执行器的传递函数都等于1 （实际系统虽然不等于 1但等于常数）Kiu =1,只2 =1；A = 10图8-3给定值单位阶跃响应给定值G不变，流出侧阶跃扰动时，H的仿真曲线如图 8-4所示，从曲线上可以看出，流出侧阀门开大时( T),水位H 且随着静差e(g) f,响应曲线为非周期响应。Matlab文件见光盘第八章目录下Kj, =1,R2 =1,A = 10,K.2 =18

8、-5所图8-4流出侧入单位阶跃扰动该调节系统只有被调量一个反馈回路，简称单回路调节系统，典型单回路调节系统方框图如图示,测量变送器图8-5单回路调节系统方框图为了分析方便，假设执行器We =1 ；检测器Wm = 1 ；调节机构W 1 ；( 8-6 )1调节器采用比例(P)调节器，Wc = 1 ；(8-7)被调对象为有自平衡多容对象，调节通道等效传函表示为W。(T.S 1)n1(8-8)干扰通道等效传函表示为 W。二仏一2(8-9)(T。炉+ 1)给定值G加入单位阶跃扰动的双容对象调节系统仿真曲线如图8-6所示，从图上可以看出，随着比例带：的增大，响应曲线振荡程度逐渐减小，系统稳定性提高，但静态

9、偏差也逐渐加大。动画演示见光盘第八章目录下“比例调节器配双容水箱”。Matlab文件见光盘第八章目录下“BiLiXT03.mdl ”。热力过程自动化第八章 调节器调节规律第 #页共287页厂冷=0卫1=0:41=M1WoA =(20s 1)2图8-6给定值单位阶跃扰动响应（比例调节器配接双容对象）1:.(Ts 1)2t2、T2s22、Ts 亠1(8-10)对方框图8-5进行等效变换，化简出给定值作为输入时的系统等效传函为:1第154页2(Ts 1)可看出该系统属于振荡环节,与振荡环节标准传函S22-n - n 比较可得出(8-11)，系统稳定程度提高，对提高系统随着：，K 7 ,静态偏差e（：

10、），静态准确性指标变坏;稳定性有利；八，振荡频率f响应曲线振荡周期加大（调节时间加长）通过上面分析，可以得出比例调节作用的优点：动作方向始终正确，且加大比例带对提高系统的稳定性有利（多容对象）；缺点：存在静态偏差，且静差与比例带成正比。因为现场对象多数是多容对象， 所以，当调节比例带时，其对系统稳定性和准确性的影响正好相反。2. 积分（I）调节规律比例调节的最大缺点是存在静态偏差，要想静差为0,比例带就要选择的非常小，而这会使系统的稳定性大大降低，这是我们不希望的。积分调节器就是前面研究过的积分环节，输入信号是误差e，输出信号是阀门开度 J。表达式如下0时，调节阀1edt，此式表明调节阀的开度

11、变化与误差对时间的积分成正比。只有当误差为 Ti开度才能保持不变。传递函数为W|TiS(8-12)Ti 积分时间常数， Ti越小输出的变化就越快，称为积分作用越强。热力过程自动化第八章 调节器调节规律第157页 共287页所以，采用积分调节器可以消除被调量的静态偏差，这是积分调节规律的主要特点，也是它的优点。1对于如图8-5所示的单回路调节系统，调节器采用积分调节器，传函为Wc=，对象采用有自平衡TiSK单容对象，调节通道传函表示为W。0;选择给定值G作为输入，被调量y作为输出，构成的负 丁。严1反馈回路如图8-7所示，系统传递函数为图8-7积分调节系统方框图（配接有自平衡单容对象）1Ko .

12、1W 二1 T用1丄K。TiS 1 Ts1Ko.K。2 Ko.Ti ToThis K。s2 丄 sTo, I TiTo .i(8-13)第155页与二阶系统的标准传函W二飞2比较，列出联立方程组TiTo -IK*(8-14)s2 + 2r（ons+co ；TiTo1T.i解之得1Ti2 Ko.To.i(8-15)Xo的阶跃扰动，yf：） = Kxo = &，静态由上式可知，K =1与其它变量无关，对于给定值为幅值为偏差e（：）二G -y（：） = x0 -冷=0。分析得出积分作用的优点：可以消除静态偏差。比例作用配接有自平衡的单容对象构成的系统总是稳定的，而采用积分作用当=1Ti12* KoP

13、i时，系统响应则为衰减振荡，说明引入积分作用降低了系统的稳定性，造成振荡。的大小与积分时间Ti成正比，即T减小，匚减小，系统稳定性下降，振荡加剧。积分调节器配接单容水箱的演示文件见光盘第八章目录下“积分调节器”（使用时先选择“水位升高” 或“水位降低”按钮后再选择绿色的“播放”按钮。对于积分作用来说，只要存在误差，积分环节的输出就会一直朝某方向变化，这种变化作用在对象的输入端（调节作用），目的是消除误差。例如单容水箱当h G时，偏差e（G - h） ： 0，数值为负，所以积分调节器输出减小，进而关小调节阀门减小流入量。h G水位偏低会加大流入量。但这种调节只以水位是否等于给定值作为调节目标，而

14、不是以流入流出量平衡作为调节目标。假设给定值G不变，对象受到流出侧扰动，水位响应曲线如图8-11所示，在t0 t2时刻，h G，e ：0,积分输出持续减小，会关小流入侧阀门；在t2 t4时刻，h ：G，e .0,积分输出持续增大，会开大流入侧阀门。而水位的变化是 反映流入与流出是否平衡的标志，to ti、t3 t4阶段水位上升说明流入大于流出，正确调节应关小流入侧阀门；ti t3水位下降说明流入小于流出，应开大流入侧阀门。采用积分作用，在to ti阶段，应该关小且实际调节也关小，方向正确；在ti t2阶段，应该开大而实际调节关小，方向错误；在t2 t3阶段，应该开大且实际调节也开大，方向正确；

15、在t3 t4阶段，应该关小而实际调节开大，方向错误。一个周期内有一半的时间调节方向是错误的，这种错误调节会引起过调现象的产生，过调是引起系统输出振荡 的原因。通过分析可以得出积分作用的缺点：过程中容易产生过调，引起被调量反复振荡，系统稳定性下降。 积分时间越小其积分作用越强，输出的变化越快，过调就越严重，系统的振荡就越剧烈。单容有自平衡水 箱配接积分调节器给定值单位阶跃扰动的水位仿真曲线如图8-8所示。可以看出，Ti J时，动差f （匚T,ym f）,稳定性J（半J） ; Ti f时，动差J（ J, ym J）,稳定性f（ f）。对稳定性和动差的 影响正好相反。但 Ti也不是越大越好。（a）、

16、（b）图比较可知，Ti过大，系统的响应迟缓，调节时间ts加大，快速性指标变坏。说明选择积分调节器的参数既要能很快地消除误差（尽量小，以缩短ts）,又要尽量使系统稳定（Ti尽量大）。因为积分调节会造成振荡现象，使得积分作用在实际系统中一般不单独使 用，需要和比例配接，构成比例积分（PI）调节，调节器采用 P、I、PI规律的仿真曲线如图 8-9所示。可以看出，单纯的P作用稳定性最好，但存在静态偏差；单纯的 I作用可以消除静差，但动差最大，稳定性 最差；采用PI，既消除了静差（和 P 比）,又提高了稳定性（和I比）。图8-8 （a）图Matlab文件见光盘第 八章目录下“ JiFenXTOl.mdl

17、”，（b）图Matlab文件见光盘第八章目录下“ JiFenXT02.mdl ”。图8-9 Matlab 文件见光盘第八章目录下“ JiFenXT03.mdl ”。z1 N/ / A 、r = moo= 700= +叩L（a） Ti较小（b） Ti过大1图8-8 I调节器配接单容对象 Wo（G单位阶跃扰动）20s+ -0.5, T i20s 图8-9 P、I、PI效果比较（G单位阶跃扰动）3. 微分（D ）调节规律比例及积分两种调节规律的输出均只与被调量误差的大小及正负有关,而不考虑误差的变化速度。只有微分调节规律的输出是与误差的变化速度成正比，即-TDdt传递函数表示为 WD =TdS（ 8

18、-16）TD 微分时间，TD越大，微分作用越强。当调节对象的主容积中一旦出现流入量与流出量不平衡时，立刻就有一个与此不平衡流量成正比的被 调量变化速度出现。而此瞬时后被调量才能逐渐发生变化，在一小段时间内，因被调量的偏离还很小，比 例、积分调节器的输出均很小。按式8-16，微分调节作用接受被调量偏差变化速度壯为输入信号，输出dt信号立即去改变调节阀的开度，迅速减小流量差，有效地抑制了被调量的变化幅度（即使被调量的动态偏 差大为减小）。这是微分调节规律的主要优点，且对于惯性和容量迟延大的对象尤为有利。当扰动出现后，被调量误差变化速度 生？超前于误差 启信号，使得微分作用较之比例积分作用提前，dt

19、故将微分作用称为超前调节。微分作用虽然有超前调节作用，但在反馈调节中不能单独使用，主要原因有：（1 ）调节过程结束后，被调量误差变化速度为零，这时不论被调量与给定值的稳态误差有多大，调 节器都不动作，显然不能满足生产过程的要求。（2）如果调节对象只受到很小的扰动，则被调量以调节器不能察觉到的微小速度“爬行”，这种微小速度又不能象误差那样可以叠加起来由小变大，所以微分调节器不会动作，但经过一段时间后，被调量的 误差却可以积累到相当大的数值得不到纠正，这也是生产上不能允许的。所以，微分调节规律在反馈调节中只能起辅助调节作用（必须与比例P配合）。但在前馈（开环）调节中，常用微分器获得超前的调节信号，

20、使调节阀提前动作，以改善调节品质。例如炉膛负压调节系统中，被调量是炉膛负压 pf，调节量是引风量G。送风量V是一种主要的外扰，引入送风量V的微分前馈信号， 可以明显改善调节效果。有自平衡双容对象配接比例微分调节规律的调节系统，当给定值发生单位阶跃扰动时，仿真曲线如图8-10所示，从图上可以看出，当比例带相同时，引入微分作用可以在静态偏差相同的情况下，减小动态偏差，改善系统性能。Matlab文件见光盘第八章目录下 ”BILIWeiFenXT01.mdl ”。f JLfS存们 III 】p f Td- 2rTdi-4* fc1 1Wpd（1 TdS）,W。-2右（20s + 1）图8-10 PD调

21、节规律（G单位阶跃扰动）图8-11列出了采用PID调节器的水箱系统受到负荷 扰动时的调节器动作规律曲线，从图上可以看 出，P调节器输出与偏差成正比，目的是减小偏差；I调节器的输出与偏差的正负有关，目的是消除偏差；D调节器输出与偏差的变化速度有关，目的是减小流入流出量差值，减小动态偏差。hI I I I 1 |i 1 4 4 t； 1 -F 1 1G e iti i / 11 |I-InIII11l1II14i|_4l|I|ll +1 Bliildh1ri,s.(1 P 1-/ 1 1 1 1iJ1111l1n|n|1*1i|iiniin11呻亠、1i*l1IIl l - 一 i|-(11 11

22、1lii- iiii il-111i111iniin11II1K111111Ia*!11iiiigiiii1 D 1till- i _ I11_ 1 _ _- fc5ii| i!IIIInIIn11Ii11h14uZiija iibibi11111*14Iiiiniint t t t t图8-11 PID调节特点分析二、对象特性对调节质量的影响调节系统过渡过程的性能指标用稳定性（衰减率申或衰减比n ）、准确性（动态偏差 ym）和静态偏差e）、快速性（调节时间ts和峰值时间tP ）来表示。作为被调对象（以有自平衡为例），引起被调量变化的因素可分为干扰作用和调节作用，它们到输出量（被调量）的信号联

23、系称为调节通道KK（=出一eY）和干扰通道（W】=），描述通道特性的特征参数是放大系数K、（T.s 1）n（To.s 1）n时间常数Tc（T）和迟延时间.（n），通道的特征参数变化会对调节系统的调节质量产生相应的影响。1.干扰通道的特征参数对调节质量的影响（1）放大系数Ko对调节质量的影响1在图8-5所示的单回路调节系统方框图中，设调节器为P调节规律，传函WcKp，干扰通道和调节通道的放大系数为 Ko、K。，测量变送器、执行器、调节机构等效为比例环节，W = 1。选择干扰信号作为输入，被调量 y作为输出，可求出调节系统闭环传递函数为(8-17)(8-18)Y（s） _Wo：（S）_（s）1 W

24、c（s）W*（s）在单位阶跃扰动下，按照终值定理，可求出系统的稳态值Wo. （s）1Ko,y（ ： ） = lim s -s 0 1 Wc（s）W.i（s） s 1 KpKo.i式8-18说明，干扰通道的放大系数 Ko，越大，在扰动作用下系统的动态偏差、静态偏差（稳态偏差）越大;如果多个扰动同时存在，则它们对动态偏差、 静态偏差的影响取决于各扰动通道的放大系数。图8-12列出了干扰通道的放大系数 Ko，分别为1、2、3时的仿真曲线，可以看出系统的动态偏差、静态偏差随着Ko.的增大而增大，而稳定性指标（或n ）、快速性指标（ts和tP）不变。因此干扰通道放大系数越小越好，这样可以减小动差、静差，

25、提高调节精度。热力过程自动化第八章 调节器调节规律第 163 页共287页图8-12干扰通道K。，不同时的仿真曲线(扰动)(2)时间常数T。，和阶次n对调节质量的影响1 设图8-5中干扰通道放大系数K。= 1,且干扰通道为一阶惯性环节，则W。，则被调量对扎To,s + 1扰动的传递函数可表示为1(8-19)Y(s)_Wo(S_1 To.s_1(s) _1 Wc(s)Wods)1 Wc(s)Ws)-(1 WcW(1 To.s) 式中To 干扰通道的时间常数在单位阶跃扰动下，按照终值定理，可求出系统的稳态值1yWlims31s 0 1 WT(s)W0j(s) sWt(；WL(s)11KpK昇(8-

26、20)第152页式8-20说明，干扰通道的时间常数不影响系统的静态偏差。图8-13列出了干扰通道的时间常数T。，分别为20、40、80时的仿真曲线，可以看出随着干扰通道时间常数To.的增大，系统的稳定性(；：)提高，动态偏差(ym、二)减小，静态偏差保持不变。图8-13干扰通道To，不同时的仿真曲线(若干扰通道为高阶惯性环节，即从图上可以看出，系统的动态偏差随着W(S(1 T.S)n时,当n = 1、2、3时的仿真曲线如图8-14所示,n的增大而减小。Wo(s)_1 Wc(s)W/s)(s)e(8-21)(8-22)(8-23)图8-14干扰通道阶次n不同时的仿真曲线(扰动)(3)迟延时间.对

27、调节质量的影响当干扰通道存在迟延.时，相当于该通道又串联了一个纯迟延环节，这时系统的传递函数可表示为Y(s)Wo(s) e_e(s)1 Wc(s)W.(s)按照迟延定理：y(t) = %(t -v)式中y1 (t)无迟延时间的被调量。%(t - J y1 (t)平移了迟延时间时的被调量。由式8-23可知，干扰通道迟延时间.的存在仅使被调量在时间轴上平移了一个值，即调节系统的过渡过程增加了一个.时间，但系统的调节质量不受影响，稳定性、准确性、快速性指标不变。图8-15列出了干扰通道存在迟延时间 .时的仿真曲线，可以看出系统的被调量y(t)是y1(t)平移了迟延时间.。但调节通道存在纯迟延时，系统

28、稳定性将变得很差，严重时出现剧烈振荡。图8-15干扰通道存在纯迟延时 G扰动仿真曲线2.调节通道的特征参数对调节质量的影响(1)放大系数K。对调节质量的影响在图8-5所示的单回路调节系统方框图中，选择为输入，被调量y为输出，式8-17已得出系统传函w。(s)1 Wc(s)W*(s)式 8-18 已得出单位阶跃扰动下，系统稳态值为Wo(s)_1Wc(s)WMs)s1KpK*上式说明，调节通道的放大系数K. i越大，在扰动，作用下系统的静态偏差就越小。调节器参数Kp保持不变，K。分别等于1、2、3时的扰动仿真曲线如图8-16所示，可以看出随着调节通道放大系数Koj的增大，动态偏差、静态偏差减小，但

29、稳定性下降。图8-16调节通道K。变化时扰动仿真曲线应该注意到调节器与调节通道是串联关系，使KpK。形成一种互补的关系，对于线性调节系统KpK。.i可以通过调整调节器的比例系数Kp来保证两者的乘积保持不变，满足设计的要求，使性能指标不受影响。对于非线性对象，其K。随着负荷变化，要利用 Kp来补偿，则要 Kp也随负荷而变化，即采用非线性调节器。若 Kp保持不变，则 K。的变化会对调节质量产生影响。在系统设计即确定调节参数时， 要使KpK。 Ko (2)时间常数、迟延时间对调节质量的影响1) n阶惯性对象时间常数 T、阶次n对调节质量的影响(纯迟延 = 0)以二阶惯性对象为例，调节通道的时间常数T

30、增大，系统的反应速度减慢，工作频率下降，系统的过渡过程时间加长。调节通道的时间常数T如果减小，表示被调量对调节作用的反应快，能迅速反映出调节的效果(能迅速反映调节对象内部物质或能量的平衡程度)，工作频率将上升，调节过程时间ts缩短。因此减小调节通道的时间常数T，能提高调节系统的调节质量。图8-17列出了调节通道的时间常数 T分别为20、40、60时的仿真曲线，(a)图为扰动响应，(b)图为G扰动响应，可以看出随着 T加大，调节 系统响应的峰值时间tp加大，曲线f降低，调节时间ts增大，快速性指标变坏。(a) 单位阶跃扰动 图8-17调节通道T变化时仿真曲线在实际组成调节系统时，调节通道是由执行

31、器、变送器及对象串联组成广义对象。广义对象内部各环 节具有不同的时间常数，这些时间常数之间应相互错开，要求它们之间有一个良好的匹配关系，因为它们 之间的匹配关系对调节质量有重要影响。1若调节通道为高阶惯性环节，即W(s)1 -时，惯性对象阶次 n越大对被调量的影响越慢，(1 +Ts)-调节得也越慢，使调节系统的动态偏差、调节过程的时间增大，稳定性下降，稳准快三项指标均变坏，因此调节通道的惯性对象阶次n越小越好。图8-18列出了调节通道的惯性对象阶次n分别等于1、2、3、4时的仿真曲线，可以看出随着n的加大，性能指标变坏。图8-18调节通道阶次n不同的G单位阶跃响应2）有纯迟延对象对调节质量的影

32、响调节通道存在迟延I会对调节质量产生不利的影响。图8-19表示了迟延时间变化对调节质量的影响。从曲线上可以看出，当对象特性的其他条件不变时，迟延.越大，动态偏差 ym和匚加大、调节时间ts加大，衰减率变小，只有静态偏差 e（-）与之无关。IIW图8-19调节通道.不同时扰动仿真曲线通过上面的分析，结论如下：从提高调节质量角度要求，希望干扰通道的放大系数Ko小，时间常数T。，大，阶次n高；调节通道的时间常数 T、阶次n、迟延时间.则越小越好。一第二节典型调节系统原理单回路调节系统（只有被调量一个反馈回路）也称为简单调节系统，虽然是一种最基本的、使用最广 泛的调节系统，但由于现场实际对象多半属于大

33、迟延大惯性，用单回路调节系统性能指标很差，若调节质 量要求较严时就无能为力了。因此，需要改进调节结构、增加辅助回路或添加其它环节，组成串级、前馈 反馈复合调节系统。电厂最典型的调节系统是过热汽温串级调节系统和串级三冲量给水调节系统。一、串级过热汽温调节系统过热汽温调节的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并且保护过热器，使管壁温度不超 过允许的工作温度。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而 过热汽温的上限一般不应超过额定值5C。过热蒸汽温度过低，又会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全经济运行，因而过热汽温的下限一般不低于额定值10C。过热汽温的额定

34、值通常在500C以上，例如高压锅炉过热器额定汽温为 540C，那么过热汽温长期要保持在540 5C范围内变化，短期可以在土10C范围内变化。1.过热汽温调节对象动态特性影响过热器出口蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况变化、锅炉给水温度变化、进 入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气温度和流速变化、锅炉受热面结垢等。但归纳起来，主要有 三个方面：蒸汽流量（负荷）D扰动、烟气热量 Qy扰动、减温水量 W扰动。图8-24列出了三种扰动的出口汽温仿真曲线，从图上可以看出，汽温响应的共同特点是：有迟延、有惯性、有自平衡能力。其中D、Qy扰动与汽温变化成正比，W扰动与汽温变化成反比。Qy扰

35、动的迟延和惯性最小，W扰动的迟延和惯性对于负荷D扰动增加时，因为锅炉同时会加大燃烧率，从而使烟气温度速度均增加，且烟气速度增加的幅度更大，使得对流式过热器出口汽温增加，辐射式过热器出口汽温出口汽温下降（因炉膛温度升高不 多，辐射传热并没有明显增加）。但因现代大型锅炉对流受热面大于辐射受热面，因此总汽温将随负荷增 加而升高。烟气热量Qy扰动（烟气温度速度变化）时，由于烟气温度速度变化是沿整个过热器同时改变的，因此沿过热器整个长度使烟气传递热量同时变化，因此汽温反应较快，其时间常数Tc和迟延.最小。减温水量 W扰动时，改变了高温过热器的入口汽温，进而影响出口汽温。但由于要沿整个过热器管道传 输，所

36、以汽温反应最慢。对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间 =3060s，时间常数Tc =100s，而当烟气侧扰动时，.=10 20s,Tc ：100s。可见负荷扰动和烟气热量扰动迟延和惯性比减温水量扰动小，但因负荷信号由用户决定，不能作为调 节手段；烟气热量扰动（改变烟温或烟气流量）具体实现比较困难，而喷水减温对过热器的安全运行比较 有利，所以尽管对象的特性不太理想，还是现场目前广泛被采用的过热蒸汽温度调节方法。针对过热汽温 调节对象调节通道惯性迟延大、被调量出口汽温反馈慢的特点，从对象的调节通道中找出一个比被调量反 应快的中间点信号（喷水减温器出口汽温）作为调节器的补充反馈信

37、号，以改善对象调节通道的动态特性， 提高调节质量。构成的串级过热汽温调节系统如图8-21所示。.e 1变送器给定主调节器i给+被调量e减 温 水WB变送器副调节器执行器图8-21串级过热汽温调节系统2.串级调节系统结构系统中有主副两个调节器，主调节器接受被调量出口汽温| ._!及其给定值信号，主调的输出I给与喷水减温器出口汽温|日共同作为副调节器输入，副调节器输出It控制执行机构位移，从而控制减温水调节阀门的开度。假如有喷水量wb的自发性f造成的内扰，如果不及时加以调节，出口汽温e将会J。但因为喷水内扰引起的e 1J快于e的温度测量变送器输出|日j,副调节器输出it通过执行器使喷水阀开度卩则W

38、bJ，使扰动引起的e 1波动很快消除，从而使主汽温e基本不受影响。另外副调还受到主调输出的影响，假如负荷或烟气扰动引起主汽温0 f,测量变送器输出f, L对主调是反作用，主调输出I给J, I给对副调也是反作用，使副调输出 ItT，通过执行器使喷水阀开度 卩彳，则 WbT，从而稳定 王汽温0 O从图8-21中可看到，串级系统和单级系统有一个显著的区别，即在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面，被称为内回路或副回路，包括副对象 （其输入为调节量 Wb,输出为0 J、副参数0 i测量变送器、 副调节器、执行器、喷水阀，内回路任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动（喷水减温器入口

39、蒸汽温度、流量变化），在调节过程中起着粗调的作用，副调一般采用P或PD调节器。一个闭环在外面，被称为外回路或主回路，包括主对象（即过热器，其输入为0 1,输出为0 ）、主参数0测量变送器、主调节器、副回路，外回路的任务是保持过热器出口汽温等于给定值，起细调作用，主调一 般采用PI或PID调节器。【例8-1】设过热汽温串级调节系统的方框图如图8-22所示，其中主副对象的传递函数分别为Woi1.27(40s 1)4W02-1(15s 1)2主副调节器参数分别为1 1W”(1)、Wt21T i1s执行器传函KZ -10 ；调节阀传函 K .严1 ；测量变送器传函 弓二= 1图8-22过热汽温串级调节

40、系统原理框图仿真结果如图8-23所示。当采用串级调节系统时，主副调节器参数为 5=0.8、几=143、：2=0.8 ;采用单回路调节系统时，调节器参数为 =1.3、Ti1 =100。系统衰减率均为0.75。可以看出，采用串级 调节，内扰下的最大偏差从单回路调节时的0.80减小到0.049;给定值扰动下的最大动态偏差也从单回路调节时的0.476减小到0.32，并且调节时间ts也大大缩短。可见串级控制明显改善了控制效果。热力过程自动化第八章 调节器调节规律第 167 页共287页二、汽包锅炉串级三冲量给水调节系统汽包锅炉给水自动调节的任务是使锅炉的给水量适应锅炉蒸发量的需要，并且维持汽包水位在规定

41、的 范围之内。汽包水位是锅炉运行中一个重要的监控参数。它间接反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系， 维持汽包水位正常是保证锅炉和汽轮机安全运行的必要条件。汽包水位过高，会影响汽包内汽水分离装置 的正常工作，造成出口蒸汽水分过多而使过热器管壁结垢，容易烧坏过热器，严重时会造成汽轮机损坏， 直接影响机组运行的安全性和经济性。汽包水位过低，可能破坏锅炉水循环，造成水冷壁管过热而破裂。1给水被调对象的动态特性汽包锅炉给水被调对象的结构示意图如图8-24所示，给水经省煤器进入汽包，蒸汽经过热器流出汽包，汽包下部通过下降管将水引入水冷壁经加热后返回汽包。汽包内的水处于沸腾状态，水位是由汽包中的贮 水量

42、和水面下的汽泡容积共同决定，因此，凡是引起汽包中贮水量变化和水面下的汽泡容积变化的各种因 素都是给水被调对象的扰动。其中主要的扰动有：给水流量W、锅炉蒸发量 D、汽包压力pb、炉膛热负荷等。235I给水图8-24给水被调对象结构示意图1、过热器2、汽包3、省煤器4、水冷壁5、给水调节阀(1) 给水流量 W扰动体现为有迟延、有惯性、无自平衡能力的特点，阶跃响应如图8-25所示，可知W f, H f,迟延、惯性及无自平衡能力加大了调节的难度。图8-25给水流量W阶跃扰动下的水位 H响应当Wf时，虽然 WD，按物质平衡原理水位 H应该上升，但由于给水温度低于汽包内饱和水温度， 使给水吸收原有饱和水中

43、的部分热量使水面下汽泡容积减小，所以扰动初期水位不会立即升高。当水面下 汽泡容积变化过程逐渐平衡，水位才会逐渐上升。图8-25中曲线1为仅考虑物质不平衡时的水位反应曲线；曲线3为仅考虑汽泡容积变化引起的水位变化。实际水位变化曲线2是曲线1、2的合成。H (s)8 STz用传递函数可表示为：Wow(s)(8-24)W(s) s 4 +s(4+s)式中一一迟延时间，单位 s (秒)g飞升速度(响应速度)，即给水流量变化一个单位时水位的变化速度，单位mm/s/t/h。ah 1；、可用作图法求得，作图8-25中曲线2的延长线，与横轴交点为A、纵轴交点为B，则；=T AW(W为给水流量的阶跃值)(8-2

44、5)OA迟延时间;和.的大小和锅炉的容量及参数有关。例一台容量为410t/h，参数为9.8Mpa、蒸汽温度为540 C的高压炉，= 10s, g = 0.015mm/s对于容量为670t/h，参数为13.72Mpa、蒸汽温度为540 C的超高压炉，T = 510s, e = 0.00950.0125mm/s由此可见，随着锅炉容量的增大和参数的提高，水位内扰特性 的迟延时间减小，响应速度也略有下降，对水位 H的调节是有利的。但是，如果按照锅炉容量的增大来计 算响应速度（以额定容量的1 %来计算），则得到的相对响应速度逐渐增大，说明随着锅炉容量和参数的提高，对水位H调节的要求也越高。（2）蒸汽流量

45、D扰动体现为虚假水位和无自平衡能力的特点，阶跃响应如图8-26所示，可知D T, H初期不仅不下降，反而迅速上升，出现虚假水位，经过一段时间，H才会由物质平衡关系下降，呈无自平衡能力。图8-26蒸汽流量D阶跃扰动下的水位 H响应D T时，按物质平衡原理水位应该下降。但由于汽包水空间内汽泡的体积与压力成反比，压力升高汽 泡受压则体积缩小；压力降低则体积膨胀。蒸汽流量D的扰动体现为负荷的变化，当负荷需要增加时，主汽门开大，D的增加会引起主汽压力的下降，汽泡体积膨胀引起水位上升；同时由于协调系统的工作，在加大D的同时，锅炉会加强燃烧，这也加剧了水冷壁内水的沸腾。压力和燃烧这两个因素均使水位在初期上升

46、，体现为虚假水位。Hk2(8-26)传递函数表小为WOD = DT2s 1 sK2 H2曲线的放大系数；2H 2曲线的时间常数；H !曲线的响应速度（3）炉膛热负荷B扰动下与D扰动类似，阶跃响应也与图8-26类似，可知燃料量BT, H初期不降反 升，体现为虚假水位，经过一段时间后，H才会下降。和蒸汽流量 D扰动相比，虚假水位幅度小，但迟延时间较长。当燃料量B扰动增加时，锅炉热负荷增强，从而使锅炉蒸发强度增大，若此时汽机热负荷未增加，则 汽轮机进汽阀开度不变， 随着炉膛热负荷的增大， 锅炉出口压力提高， 蒸汽流量也相应增加， 这样D W, 水位应该下降。但是蒸发强度增大同样也使水面下汽泡容积增大

47、，因此也会出现虚假水位现象。2. 串级三冲量给水调节系统通过分析被调对象的特征参数对性能指标的影响可知，对象的调节通道的惯性时间T、迟延、阶次n的增加会加大动态偏差、提高调节时间ts、稳定性下降，从而使性能指标变坏，由于给水W需要经过省煤 器进入汽包，使汽包水位H存在较大的迟延和惯性，若采用单回路调节汽包水位（直接把H作为主信号反馈到调节器，调节器直接去调节给水阀门开度）无法取得满意的调节品质。同时蒸汽流量D作为主要干扰，引起的虚假水位会造成调节器的错误调节，引起振荡，使性能指标变坏。所以，单回路调节系统在克 服给水流量 W的内扰和蒸汽流量 D的外扰方面能力很差，必须改进调节结构、增加辅助回路

48、或增添其他 环节，组成串级、前馈反馈调节系统。串级、前馈一一反馈锅炉汽包三冲量水位调节系统如图8-27所示。被调对象是锅炉汽包， 被调量是汽包水位H，给水调节的核心是要保证汽包水位 H的恒定。引起水位变化的主要原因是给水流量 W、蒸汽流 量D的扰动，为此，调节器共引入了 H、W、D三个冲量信号（所以称为三冲量调节系统） 。过热器图8-27串级三冲量给水调节系统图P 差压变送器；.开方器；:w 给水流量信号灵敏度；：5 蒸汽流量信号灵敏度；Kz 执行机构；PI1 主调节器；PI2副调节器与单级汽包水位调节系统相比，其水位调节任务由两个调节器PI1 （接受水位H检测信号）、PI2 （接受主调节器输

49、出 Vh和蒸汽流量信号 Vd、给水流量信号 Vw）来完成，构成串级调节。系统采用改变给水阀门开度（或给水泵转速）的方法来调节给水流量W，其中汽包水位 H是被调量，也称为主信号。为了改善调节品质，引入蒸汽流量D的前馈调节和给水流量 W的反馈调节。具体分析如下：假设水位H受到干扰f,水位检测变送器平衡容器输出差压差压变送器输出差压作用到主调 节器PI1输入端，因主调节器是正作用，相应主调节器PI1输出Vh J。由于副调节器是反作用，PI2入口处，Vh为给定数值，副调节器 PI2输出J,驱动执行机构相应减少给水流量W，使升高的水位 H得以恢复。从分析可知，水位反馈信号目的是校正水位H与水位给定值的偏

50、差。假设蒸汽流量D增加，由于D增加引起虚假水位 H增加，使得主调节器 PI1输出Vh减小，要求副调 节器PI2输出减少（此调节动作错误）；而在副调节器上，蒸汽流量和Vh叠加后作为给定信号，又因为副调节器为反作用调节器，所以蒸汽流量D增加后相当于副调节器给定数值增加，副调节器输出会增加，这样会抵消Vh减小而引起的副调节器输出减小的作用。调节器最终的动作是H和D两种作用的叠加，可知蒸汽流量D的前馈信号能有效地克服或减小虚假水位所引起的调节器误动作，并能当D改变时正确迅速地调节给水流量 W，保证D和W的平衡。假设给水流量 W由于给水管路的内扰 （给水管路压力变化） 增加，如果不及时加以调节，会使水位

51、H升高；而随着 W的增加，给水流量 W检测变送器转换为的给水流量信号Vw增大，由于副调节器为反作用，所以副调节输出减小，相应减小给水流量W，可知给水流量 W反馈信号能够迅速消除给水管路自发性内扰。该串级调节系统主调节器 PI1接受水位H与水位给定值的偏差信号，任务是实现水位无静态偏差，对 水位H进行精确调节，所以采用比例积分PI或比例积分微分 PID调节规律。主调节器 PI1输出和蒸汽流量信号叠加后作为副调节器给定数值，给水流量信号作为副调节器的测量信号。因此副调节器PI2的主要任务是用以消除给水压力波动等因素引起的给水流量自发性扰动以及当蒸汽负荷改变时迅速调节给水流 量，以保证给水流量和蒸汽

52、流量平衡，为了保证副回路的快速性，副调节器PI2可采用比例P或比例微分PD调节器，对水位 H的稳定起粗调作用。当负荷变化时，水位稳态值是靠主调节器PI1来维持的，并不要求进入副调节器 PI2的蒸汽D信号的作用强度和给水流量W的作用强度相同，这样就可以根据对象在外扰下虚假水位的严重程度来适当加强蒸汽流量信号D的作用强度（c（d可不等于口W ）,从而改变负荷扰动下的水位调节品质。调节器接受的D、W、H三个冲量信号， W是调节量、H是被调量、D是主要的外扰， W、H在调节 回路之内，属于反馈信号；D由外界负荷决定，在调节回路之外，属于前馈信号。第152页热力过程自动化第八章 调节器调节规律第 169

53、 页共287页三、串级、前馈一反馈调节系统的设计方法：确定该被调对象的被调量，找出引起被调量变化的各种原因（多为该对象的流入量、流出量、流经量）。 即被调量是对象的输出量，所有引起被调量变化的原因是对象的输入量。在输入量中按照工作原理确定其中的一个流量作为调节系统的调节量，其它原因处于调节系统回路之 外，统称为外扰。主调节器接受被调量的反馈信号并与给定值加以比较，保证稳态时被调量等于给定值。主调节器的输 出作为副调节器的给定输入。副调节器除了接受主调节器的输出以外，还接受调节量的反馈信号用以消除调节量的内扰（调节机构 开度变化以外的调节量变化原因，如阀门前后端压力变化引起的流量变化等）、接受主要外扰的前馈信号、接受被调对象中能提前反映被调量变化的中间变量以便及时消除进入副回路的扰动。即副调节器主要是消 除内外扰的影响。四、送风调节系统在锅炉的送风调节系统中，主要目标是要保证燃烧的安全经济性。这一目标既可用送进炉膛的风量和 燃料维持合适的比例来实现，也可用维持烟气中的氧含量02% （反映过剩空气系数的大小）来实现。这样就形成了两种思路的调节系统。1比值送风调节