第3章 串级调节系统

1、第一章 串级调节系统3-1 概述一、 单回路反馈调节系统的特点_+1、 调节过程显然，调节器动作明显迟后于的变化，即不能及时消除干扰对被调量的影响，造成变化较大。2、的整定是根据对象来整定的，而热工对象一般是惯性大，阶次高，为保证系统稳定，的动作必须缓慢，造成调节过程太长。二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个：1）可控性差(如惯性大)2）系统结构不为最佳针对上述原因，加以改进：1） 对于外扰，设法设计一个装置以及时消除因扰动而产生的偏差2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，

2、则无疑会改善调节变量。根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和多变量调节系统等。3-2 串级调节系统一、 串级调节系统的结构1、 实例 执行器低过 喷水减温高过蒸汽口a单回路调节系统只有在变化后，pi才会动作，因而减温水阀才动作。由于过热器惯性大，动态偏差大b 串级调节系统（加上测量元件）添加一个控制中间信号，一个调节器，只要发生变化，执行机构就能动作。2、串级系统方框图_+a 定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。b 几个名词：1）导前区和惰性区: 调节对象中间点参数以前的部分，称为调节对象的导前区，以后的部分称

3、为调节对象的惰性区。2）主、副参数：整个调节对象的被调量称为主参数，导前区的被调量称为副参数，也称中间点或辅助参数。3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。4）主、副回路：副回路或内回路，随动回路主回路3、和主、副调节器类型地选择从热工自动控制系统来看，串级系统有两类：1)要求，均等与给定值。对于这种情况，只能由生产过程要求确定，而主、副调节器均应选择pi，以使稳态时，均等于给定值。2）等与给定值，不加限制。如汽温调节系统：选择能提前反应较多的扰动 能测量副调节器：选p或pd,以尽快消除内

4、回路扰动；主调节器：选pi或pid，保证。4、主、副回路的选择原则1） 副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。2） 选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力。3） 主副对象的时间常数应适当匹配，原则是两者相差大一些，效果好。5、主副回路调节器调节规律的选择原则1） 主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。2） 要求主参数波动范围很小，且不允

5、许有静差，此时副调节器可采用比例调节，主调节器采用pi3） 主参数要求高，副参数也有一定要求时，主副调节器均采用pi二、串级系统分析分析它的抗干扰能力和跟踪能力。如对于下图系统，_+若定值经常变化，而系统要求跟着变化，可看作是随动系统。这时越快越好，即，跟踪能力好，如内回路。若不变，系统的目的使维持，那若扰动，看作是定值系统，常希望系统的抗干扰能力强，即，如串级系统外回路。不同的扰动，串级系统的调节效果是不同的。1副回路内的扰动1） 串级系统能有效抑制副回路的扰动假定则 ，一般情况可整定的较大。显然的静态放大系数小于的静态放大系数，即由于副回路的存在减小了对的影响。由于副回路地存在，当扰动时，

6、的变化会在很短时间内达到平衡。2）串级系统可以看作是改善了调节对象动态特性的单回路调节系统，提高了调节品质。若无副回路：调节对象有副回路：等效对象因此，副回路相当于改变了导前区的动态特性：a 在主回路工作时，副回路是作为随动系统参与的；b 如果比起惯性和延迟均很小，则副回路相对于主回路而言，可看作是快速随动系统。即，又副回路可等效为故串级系统的等效框图为2、 副回路外的扰动当扰动发生在副回路外时，尽管它不能直接削弱对的影响。但由于副回路改善了对象动态特性，即把，所以串级系统比单回路系统而言，的动态偏差要小，调节过程要短。但要注意，对象特性改善的程度不是很大，很多惯性很大的汽温控制，控制品质不尽

7、人意。3、 结论a） 副回路作为随动系统参与主回路工作，若导前区的延迟，惯性和整个对象相比小得多，则副回路为快速随动系统。b） 副回路的存在改善对象导前区的动态特性，提高了对发生在副回路的扰动的抑制力，也提高了主回路的控制性能。三、串级系统的整定单回路整定据闭环特征方程式1、 一般方法a 主调节器整定串级闭环系统特征方程式： (a)注意中包含了副调节器b 副调节器的整定系统特征方程为： (b)注意中包含了主调节器步骤：（逐步逼近法）这种方法比较繁琐，介绍两种简单方法。2、 两种简化整定方法工程上在合理的假定下，往往会使问题大大简化1） 当副回路的调节过程比主回路快得多时这时，当副回路受到扰动时

8、，会立即消除，基本上不影响主回路，而当主回路调节时，副回路为快速随动系统，即可将副回路看成是一个比例环节。这时，两回路可单独整定。这里有两个问题需要交代：能独立整定的条件a 的选择：使延迟和惯性远小于 快得多的含义：b 取为比例调节器，为pi调节器，使副回路衰减振荡频率较高。c 整定指标副回路：调节过程快一些，稳定性差一些主回路：调节过程慢一些，稳定性高一些一般来说，如果主回路的衰减振荡频率和副回路的频率满足，则可用此法整定。关于主回路调节器整定时用到的对象对于热工对象可用试验方法得到，但无法用实验得到，必须计算记 则 利用技术展开及除法，可近似用来整定当时，可将串级系统简化为两个单回路系统来

9、整定。2） 主副回路动作快慢差不多时这种情况就不能用上述方法整定，下面介绍另一种方法-补偿法步骤：a 将串级系统图做等价变换b等效调节器： c 等效对象：的等效对象为d 选择构造一个动态特性较好的-补偿法的概念e 据整定的参数，并求出该方法的优点是不必考虑主副回路互相影响，并能使系统有足够的稳定性的裕量。3、 串级系统的工程整定方法这种方法适用于主副回路频率相差较大的情况1） 整定副调节器a 主副调节器投入闭环，设置，副调节器的较大b ，使副回路产生等幅振荡，记下c 2）整定 a 将设置好b 设置c 闭合主副回路，使主回路等幅振荡，记下d 用临界比例带法求出e 将主副调节器均设置好，投入闭环，

10、观察调节过程，适当修改参数。3-3 过热汽温串级系统控制系统一、 过热汽温控制的任务过热汽温控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。过热汽温过高：管壁金属强度下降，烧坏高温段，严重影响安全；过热汽温是汽水系统中的最高点。540+5。过低：1）降低全厂效率：温度下降，效率下降2）使汽机尾部蒸汽温度升高，使汽机叶片遭受损失，影响汽机安全。二、过热汽温调节对象的动态特性引起过热汽温变化的因素很多，归纳起来为：蒸汽流量给水温度 喷水量 喷水温度 过热器吸热量给水量主要归纳为： 蒸汽负荷扰动下汽温对象的动态特性）对流受热面：，流过对流过热器的烟温

11、和烟量 对流过热器出口温度）辐射受热面：炉膛温度上升不多辐射过热器吸热量基本不变（）辐射式过热器后的出口温度特性见下图：较小的原因是当扰动时，沿整个过热器流程上各点的蒸汽流速几乎同时发生变化，因而烟气传给蒸汽的热量也几乎沿流程同时发生变化。对的反应较快、烟气扰动下汽温对象的动态特性烟气侧扰动对汽温的影响归纳起来有两条途径：烟气温度（导热）烟气速度（对流换热）综合起来：温度 管壁温度（外壁）内壁工质温度流速它和特性相差不多。，特性较好。调节手段：（1）利用烟气再循环改变烟气流速和流量。（2）改变喷燃器角度。缺点：（1）装置的可靠性较差，用得较少。（2）炉膛内一般希望稳定燃烧，不希望有较大的波动。

12、3、减温水量扰动下汽温对象的特性喷水减温调节过热器出口汽温是目前常用的调节手段，它是将给水的一部分喷入减温器，使之与蒸汽混合，以调节。几个问题：1）设计锅炉时，额定负荷下比给定值要高（中压：+25-40，高压+40-60）。这样才有足够多的调节余量。2） 正常运行时，减温器是一直工作的，也即总在喷水。3） 既然采用喷水减温调节汽温，那么调节阀开度的变化就是调节作用。讨论动态特性直观的，改变，不会立刻影响；但最终会使变化动态特性具有下列形式：导前区动态特性为：两个动态特性的阶跃响应曲线如下图：延迟和惯性较大4、讨论1）关于喷水减温表面式减温器：优点：锅炉热效率减低少些喷水减温 缺点：反应不灵敏混

13、合式减温器：优点：反应灵敏缺点：热效率降低较多2）仅用过热器出口汽温的偏差来改变喷水量，其惯性较大，所以目前均采用导前汽温信号构成串级调节系统。三、串级汽温控制系统1、系统及其整定当采用喷水减温调节时，可得下面的方框图注意：实际应用中应注意正确连接，使调节器的正反作用与实际要求相等。说明三点：1）-喷水量扰动调节作用改变的喷水量喷水量变化2）各环节的输入、输出和单位3）在测试对象动态特性时，输入信号往往在执行器之前加入，故所获得对象包括这是个串级系统，前面已经学过它的整定：1） 主副回路动作相差较大 独立整定-副回路快速随动-等效为比例环节2） 主副回路动作差不多-补偿法2、 串级汽温系统应掌握的内容1） 主要扰动对如何影响（动态特性）2） 调节手段（及选哪个调节量）的选择原则3） 中间点的选择原则4） 整定：两个回路分别整定的条件，补偿法的基本思想。3、例题1 ，试求主副调节器参数解：首先判别内外回路的惯性差别，所以内外回路可以分别进行整定1） 副调节器的整定内回路内回路是一个二阶系统，用阻尼系数研究的方法较方便。特征方程为按，则阻尼系数能否用临界比例带法？（注：，不可能等幅振荡）2）的整定内回路看成是快速随动系统，即则内回路等价为主回路为先求按，查表2-2（p26）得到对象阶跃响应特征