第4-5章热工自动控制系统

1、第四章 采用导前微分的双回路系统4-1 系统结构一、主汽温对象分析影响过热器出口蒸汽温度的因素很多，主要有以下三种扰动：过热器分段喷水减温示意图1锅炉汽包； 2一级喷水减温3二级喷水减温1蒸汽流量扰动汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。同时， 燃烧率发生变化，改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温变化。引起的温度响应具有自平衡特性，而且惯性和迟延都比较小。这是因为蒸汽量变化时，沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。 2烟气侧传热量的扰动 燃料量增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿

2、着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很小，一般在1020s之间。它与蒸汽量扰动下的情况类似。 3喷水量扰动过热汽温的响应曲线a) 蒸汽量D减少或烟气传热量Q增加扰动；(b) 减温水w扰动应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式。对于这种控制方式，喷水量扰动就是基本扰动。过热器具有分布参数的对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象。当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终引起出口蒸汽温度氏的变化。因此，响应有很大的迟延。减温器与过热器出口越远，迟延越大。二、控制结构：三、原理结构根据上图画出原理图（a） 系统由两个回路组成 ；（b）

3、 微分器WD(S)取实际微分： （c） 调节器Wa(S)取PI 或 PID： 问题：系统调节结束能否保证y=r? 为什么？ （能，因为结束后为零）4-2 系统分析系统主要特点：1）引入缩短了迟延导前微分信号时间，等效地改善了控制对象的动态特性。不加微分回路 y 的迟延， 时间常数TC。加上微分 综合信号 2）引入导前微分信号能减少动态偏差，改善控制品质；阶跃减小后，要ya上升后，y才变化；y变化后，调节才会开大，而开大后，又须经ya上升后y才能反映（调节作用）。而用，减小后，只要ya 上升，即变化；当然动作，也要等ya 上升后，y才反映。3）导前微分控制系统有很强的抗干扰的能力。等效成串级系统

4、分析：等效主调节器：为PI调节器，KD： 比例带 TD ：积分时间等效副调节器：不同于一般工业调节器，而具有积分微分特点：i. 若TDTi， 则具有比例+积分作用（惯性）ii. 若TD Ti ，则具有比例+微分作用。iii. 若TD =Ti ，则=具有比例作用。正因为导前微分系统可以等效为：主、副调节器均为PI控制规律的串级控制系统，因此它也具有很强的克服内扰的能力。4-3 导前微分系统的整定一、 等效为串级系统，且主副调节器可分别独立整定。（注：要满足独立整定的条件）要注意的是，这里先整定主调节器主回路为：副回路快速随动，等效为：。利用单回路整定方法，可先确定KD、TD，然后整定副调节器，副

5、回路为：主回路开路。要注意的是：由于主副回路可独立整定，那么副回路的响应频率一定较高，WD(S)可近似为比例环节。 （）所以）用单回路整定方法，求出Ti，由于KD已求出，故也可求出 。二、 用“补偿法”整定将图转化为：把调节器和执行器之间连接断开，调节器Kp=1,在执行器前加测试信号，在调节器后测等效对象响应输出。等效（特征方程相同，但闭环传递函数的分子不同）框图：1) 关于等效对象W0e(S)如何选取。前面已讨论过希望W0e(S)动态特性较好，那么，W0e(S)应是什么形式 ？ 设W0（S）=W01（S）W02（S）=W01（S）= W02（S）=惰性区 导前区一般希望：W0e(S)（ 蓝框

6、）静态时具有W0(S)的特性，动态时具有W02（S）的特性。即W0e(S)=，其中W0（S），W02（S）均可直接由试验求得 。2）WD（S）的整定因为W0e(S)= W02（S）W01（S）+WH2（S）WD（S）WD（S）=K11-对上式可进行如下讨论：a) KD、D是根据对象的惰性区动态特性选择的。b) 若惰性区为一阶环节，即n1，则可实现完全补偿 比较等式两边的系数后得：TD=T1 ; KD=K1c) 若惰性区为二阶以上，即n12，等式两边完全相等不可能，只能做到近似补偿。）（注：将在S=0处泰勒展开 ，=比较两项的系数得：，则，3）Wa（S）整定按单回路整定。思考题：1. 对于采用导

7、前微分信号的双回路系统， 当调节结束时能否保证被调量等于给定值？为什么？2. 采用导前微分信号的双回路系统有哪几种整定方法？3. 补偿法整定调节器参数步骤是什么？等效对象是如何选取的？ 4. 图示说明导前微分系统为什么相当于改善了对象动态特性 5. 图示说明导前微分系统为什么可以减小动态偏差，改善控制品质。习题：东北电院：P29 第2、5、61. 陈书 P378 第一题2. 系统如下图所示已知系统满足两回路独立整定条件，且按一定，整定了、Ti、KD和TD现由于某种原因要提高主回路的稳定性，而保持副回路不变，问、KD应如何变？为什么？ 注：将系统等效成串级系统，副调节器 主调节器 P2调节器，要

8、提高稳定性，须减小比例作用，即增大KD；要保持副回路不变，应使随KD增大，副调节器的比例系数不变。4-4 采用导前微分信号的双回路汽温控制系统一、 系统结构及其分析、整定其中 ，该系统的分析与整定在前面已学过，在这里不讲，不过列出几个该掌握的问题。1. 该系统有哪几种整定方法？ 整定步骤？2. 如何将该系统等效为串级系统框图？3. 如何等效为补偿法整定主框图。二、 KD、TD、Ti对系统调节过程的影响KD 、TD、Ti对系统的方法整定系统时，可知：主调节器：副调节器：Wa2(S)=WD(S)Wa(S)=在主、副回路可以分别独立整定的条件下，系统内回路的响应频率较高，当TDTi时， （TD为主回

9、路的积分时间，TD增加，主回路调节越慢。 TD同时为副回路的微分时间，TD增加，副回路调节越快。）所以，TD越大，主副回路差别就越大。主调节器：比例带a1=KD，积分常数Ti1=TD副调节器：比例带a2=，积分常数Ti2=Ti主回路： KD增加，1增大，调节过程动作速度减慢，动态偏差增大； TD增加，1增大（不很明显），调节时间增大；副回路：KD增加，a2减小，2减小，a校正动作增大，a动态偏差减小。当主回路要求变 KD时，为保证副回路2不变，应用使不变。Ti增大，2增大（不明显），a调节时间增大。KD主要影响主回路；Ti影响副回路，KD同时影响两个回路且方向相反。三、 KD、TD的试验确定方

10、法 前面介绍已知，KD、TD的整定原则是以构造一个动态特性较好的广义被控对象。即有 ：通过比较可得：KD、TD；KD、TD通过实验的方法来确定：（） 将与断开，并取：，那么，调节器的输出信号就是等效对象的输出信号；（） 将不同的，在运行稳定时，作减温水阶跃扰动试验，记录一组等效对象的动态响应曲线如下：的考虑：起始阶段主要考虑；衰减速度主要考虑。四、两种汽温调节系统的比较导前微分信号的系统：时，相当于串级：主： 副：串级：（一般采用） 双回路控制一般使主回路的稳定裕量偏大，调节质量不如串级，尤其当调节对象：惰性区的迟延和惯性比较大时更明显；但前者节省调节设备，使用了一个调节器。4-5 再热汽温控

11、制系统特点：1 大型机组为提高经济型，采用再热循环系统。2 再热汽温的控制，一般采用改变烟气流量的控制为主。比采用喷水减温控制有较高的热经济性。喷水减温控制简单可靠，作为保护辅助手段。3 再热汽温随负荷变化较大。当机组负荷降低30%，再热汽温如不加控制，将降低2835。(负荷每下降10%,再热温度降低10）。主要控制方法：1. 变化烟气挡板位置。2. 采用烟气再循环。3. 摆动喷燃器角度：改变炉膛火焰中心点位置，来改变入口烟温。4. 采用多层布置的圆形燃烧器 5喷水减温6采用汽汽热交换器和蒸汽旁通。一、 采用烟气挡板控制再热汽温的控制系统1. 结构 见图，把尾部烟道分成两个并列烟道。1) 通过

12、调节主烟道挡板，可以改变流过再热器的烟气量，从而调节再热温度。2) 有两个挡板，主、旁路烟道，挡板开度变化是相反的（即一开一关），改变挡板可改变60%的烟气流量；再热器出口温度可变化50左右。3) 灵敏度差，调温幅度小，成非线性。再热汽温对象的动态特性：主烟道挡板开度变化再热器出口汽温变化的动态特性。测试表明，对象为多容惯性环节，即例如：某125MW机组：K: 0%100% =52 K=0.52/% T=80S2.控制系统三个组成部分：1）再热汽温给定值计算 2）再热汽温主调节器回路（调主烟道挡板开度）3）再热汽温事故调节（调节喷水量）（1）给定值计算一般要求： ² 当负荷高于75%

13、时，再热汽温给定值恒定（540）。² 当负荷低于75%时，再热汽温给定值应小于（540），并随负荷下降而下降。² 不能低于某一选定的最低温度。图中 ：: 测量元件（蒸汽流量）: 小选器 :大选器 : 给定器（540） Zr 再热汽温给定值 f1(x) 函数发生器其中f1(x)：将蒸汽流量与再热汽温给定值，按线性输出。所以f1(x)的输出： （1） 当负荷高于75%时，输出大于540 （2） 当负荷低于75%时，输出小于540（2）再热汽温主调节回路调节任务：根据实测再热汽温2与给定值Zr之间的偏差来调节挡板开度。如下图：f4(x): 将主蒸汽流量该负荷下需求的烟气挡板开度信

14、号，该路信号主要起前馈作用。为什么2上是“”号呢？因为D调节BV流过再热器的烟温和烟量上升-再热汽温上升，应关小挡板。所以前馈为负的。将上面系统图画成原理图为：（包括前面的给定值计算）(3) 再热汽温的事故调节（喷水）在正常情况下，通过上面的调节烟气挡板开度就能使再热汽温维持于给定值。但当锅炉异常时，再热汽温出现超温。此时必须喷入冷水进行强制降温。当再热汽温恢复正常时，必须停止喷水。实现： Z超温PI2输出增大经过偏差报警装置：（1）报警（2） 打开电磁阀调节减温水。Z正常关闭电磁阀停止喷水。二、 采用烟气再循环控制再热汽温的自动控制系统1. 结构原理：利用再循环风机，从烟道尾部抽取低温烟气并

15、送入炉膛。这改变了炉膛温度和烟温、烟量，使辐射受热面吸收热量下降，对流受热面吸热量上升，达到了调节再热汽温的目的。热风管路：当风机停用时，起密封作用；而在正常运行时，应切断热风。优点：经济性高；缺点： （1）对过热汽温、主汽压和蒸汽流量会产生较大扰动。（） 烟气再循环风机叶片容易被磨损和腐蚀。烟气再循环装置 烟气再循环对其他参数的影响2、 控制系统 负荷（或送风量）-前馈这部分的调节原理图为：请同学们解释：为什么环节出来是“-”？ 因为负荷（or V ）增大烟气量增大对流受热面吸热量增大Z增大，应及时关小挡板。情况：（1）正常情况下的调节回路： 当Z下降（低于给定值时）Z上升（PI1）挡板上升

16、VG上升Z上升。VG经烟温修正后作为PI1的反馈信号，形成内回路，及时消除烟气侧的扰动（指再循环烟气流量和烟温的自发性扰动）。情况（）非正常情况下的动作回路：当ZZr通过调节，使挡板开度，VG若挡板已关死，但ZZr时，则（1）不再进行烟气再循环 （2）经偏差报警装置，报警（-P2，G/D），打开热风门，封锁再循环烟道，防止高温路烟倒流。（3）事故喷水（-P1，±PI3）进行强制降低。Z时，才能进行喷水。比例偏置器±表示，只能当Z高出Zr一定数值后，PI3才能动作，开启喷水调节阀，这样做的目的是允许再热汽温存在少量偏差，以防止喷水调节阀过于频繁动作。三、 采用汽汽热交换的再热

17、汽温控制用一次蒸汽加热再热蒸汽，并利用三通阀改变流经热交换器的再热蒸汽流量来控制再热汽温。由于汽汽热交换器的调整范围很小，还必须辅以喷水。汽温控制系统小结（一）汽温调节对象的动态特性主要影响因素：（1）减温水量DPS（=3040S，TC=40100S）（2）蒸气量D（=1020S，TC=40100S）（3）烟气侧扰动（=1020S，TC=40100S）特点：这些因素对过热汽温的阶跃响应曲线都有迟延，有惯性；有自平衡的曲线，其中，迟延和惯性见上。过热汽温的调节量是喷水；再热汽温调节量是烟气量（烟温），蒸汽量由外界确定，故不能作为调节量。（二） 串级汽温自动调节系统串级：（1）内回路：及时消除减温

18、水的自发扰动。 （2）外回路：消除一切引起汽温变化的扰动，使汽温等于给定值。整定:(1)内外回路工作频率相差很大(,or )分别整定,一般,(2) 内外回路工作频率相接近,等效为可改善对象惰性区的的单回路反馈系统,各用补偿整定.整定原则:首先按希望的等效对象确定主调节器的根据等效对象特性,按一般单回路调节系统整定付环节调节器(三) 采用导前微分信号的双回路气温调节系统导前气温测定后,输入实际的微分环节,起加强和超前作用.整定:(1) 等效为串级系统;可独立整定(2) 按补偿法 ,等效为改善对象特性的单回路系统进行整定.整定原则: 按希望的等效对象,确定实际的微分环节 希望:对象怎样选择?根据等

19、效对象特性,按一般单回路调节系统整定调节器.这里必须说明, 对内外回路调节过程的影响.(四)再热汽温的调节系统 一般用烟气侧流量作为主要的调节手段,而喷水作为事故的保护调节,这主要考虑到烟气调节使调节的延迟和惯性较小的优点;另外再热器一般安装在烟温较低的地方,这样有可能装设挡板等调节机构. 介绍了:(1) 采用烟气挡板的再热汽温控制.(2) 采用烟气再循环再热汽温控制-.必须需要分析这两个系统,特别是将主调节部分的功能图画成调节原理图来分析. 第五章 汽包锅炉给水自动控制系统 (前馈-反馈复合系统)5-1 前馈-反馈调节系统一.前馈调节原理 前面讨论的自动调节系统都属于反馈调节系统，其特点是利

20、用被调量与其给定值的偏差来消除偏差，因此，调节器的动作总是落后于扰动。 调节过程中被调量的动态偏差较大，且调节过程也较长。因此，仅采用反馈调节不是一种最完善的调节手段。如果能直接根据扰动进行调节，它可以使是被调量的动态偏差大大减小。这就是下面讨论的前馈调节。注: 为前馈装置的传递函数，为扰动通道的传递函数。1. 定义 直接根据造成被调量偏差的原因进行调节的系统，称为前馈调节系统。即:调节作用不是根据被调量偏差经调节器输入到对象,而是根据扰动的大小，通过调节，直接加入到对象输入端。特点：扰动一产生，被调量还未发生变化，调节就动作，及时抵消扰动，控制及时。2. 前馈的类型及整定前馈调节的类型很多，

21、因而的规律不同。这里介绍几种:(a) 注释:扰动有单独的传递通道。整定前馈装置的参数主要依据不变性原理。不变性原理：设计前馈补偿器，使被调量y与扰动无关。或者在一定程度下无关。注释:负号表示控制作用的方向与干扰作用的方向相反.(b)注释:扰动作用在对象之前,补偿作用在调节器之前。例如:喷水压力改变时对温度的影响。(c)注释:扰动有单独通道，补偿作用在调节器之后。(d)注释：扰动有单独通道，补偿在调节之前。除第一种情况外，都称为前馈反馈调节系统。由上可知, 不仅与扰动通道的传递函数有关,还可能与调节器及有关，导致的表达形式过于复杂。工程上，要实现这样的是比较困难的。因而，不能做到完全补偿。常用静

22、态前馈或者一些特定形式的动态前馈。(a) 静态前馈即根据不变性原理求出，用其静态放大系数作为补偿装置,它是一个比例环节: (b) 动态前馈 直接根据不变性原理求得一般比较复杂，故在热工过程控制中常用： -超前滞后环节当时 ,超前补偿(PD作用)，改善动态特性，加快响应速度。当时, 滞后补偿(P惯性作用)，降低响应速度，改善稳态精度(I控制)3. 存在缺点:(1) 只能针对一种或者几种典型扰动设计,然而生产过程中扰动因素很多,因而调节效果受到限制。(2) 对不可测量的扰动，无法实现补偿。(3) 不能做到完全补偿，实现复杂。采用或者近似补偿。由于上面的缺点,如果一个控制系统仅用前馈来完全消除偏差是

23、很困难的,而必须将前馈和反馈结合起来进行调节，利用前馈来减小扰动对被调量的影响，而反馈作用保障被调量等于给定值.二.前馈反馈调节系统.1.概念:由上面分析, 合理的系统是将前馈和反馈结合起来构成前馈反馈调节. 前馈控制：作用是有效及时抑制主要扰动，开环控制。反馈控制：保证系统稳定，即最终消除扰动，使。2. 前馈反馈复合控制系统的特点:（1）前馈完全补偿条件不变。（2）前馈对闭环系统的稳定性没有影响。（3）2者结合，可以使前馈控制器采用简单的形式（大致抵消扰动），而主控制器的动作放慢。显著地减少被调量的动态偏差。（4）适当地提高了系统的稳定性裕量。3. 系统整定 在整定前馈反馈调节系统时 ，反馈

24、回路和前馈调节要分别整定。即:(i) 在整定反馈回路是，只考虑是反馈形成的闭合回路,具有适当的稳定性裕度，而不要考虑前馈部分。(ii) 在整定前馈装置时，不考虑反馈的调节所引起的稳定性问题，直接用不变性原理整定。4工程整定(只介绍前馈调节整定)(1) 静态前馈系统的的整定(a) 开环整定法使闭环系统稳定断开反馈回路加扰动由小到大记下。(b)闭环整定法开环整定法的主要缺点是容易造成被调量失控的事故，故工程上常用闭环整定法。断开使反馈系统稳定加扰动待再次稳定后记下（c）前馈反馈复合整定.这是一种试探式的方法.前馈和反馈都投入在相同的扰动下, 由小变大观察被调量的响应曲线取过程最佳时的。(2) 动态

25、前馈模型的参数整定动态前馈模型的参数整定比静态前馈系数的整定复杂,目前尚缺乏成熟经验,这里仅提供一个整定原则： 取 可在的条件下按前述方法确定.若有条件可先通过通过仿真实验确定和,然后再到现场修正.例题：例1.(1) 说明环节k的作用,并按静态整定k值 .(2) 若环节改为 (值为上述整定值),则在反馈断开时,扰动x的单位阶跃变化能否使y做到静态不变？为什么？若y改变，则y稳态变化量为多少？解：（1），静态时，。（2）不能。由于当x阶跃扰动达到静态时，实际微分环节输出为0，对y无前馈补偿作用。 例2.图示系统：问：1.这是什么系统？2.说明调节器的作用。3.当的惯性<<的惯性时,说

26、明的整定方法(画出相应的方框图)4.系统在运行过程中与y是否同方向变化?5.系统运行过程中,若突然断开,则系统仍能稳定运行么?为什么?答:1. 前馈串级调节系统.2. -前馈调节器. -副调节器. -主调节器.2. 副回路3. 主回路: 前馈:4. 不一定. 5. 能.因为是前馈调节器,不在闭合回路内,不能影响系统的稳定性.5-2 给水调节的任务和调节对象的动态特性一. 任务给水量适应锅炉的蒸发量，并且保持汽包水位在一定范围内波动。汽包水位1.过高：出口蒸汽带水，含盐浓度增加，损坏过热器和汽轮机。 2.过低：破坏水循环，损坏水冷壁。正常：±3050mm异常：±200mm事故

27、：>±350mm二. 动态特性 锅炉给水调节对象的结构：流入量是给水量W，流出量是蒸汽流量D。显然水位与这两个量有关。除此以外，水位还与水面下的汽泡容积有关，与汽包压力P有关。以上量都和燃烧率B相关。因此，画成:水位变动的综合影响因素，包含如下3个方面：1蒸发量D与输入给水量W之间的物质不平衡 D，降；D<, 升。2汽包压力p的影响 汽包压力p上升， H上升。（从压力变化对汽、水密度的影响来考虑）3汽包水下汽容积的影响 上升管内蒸汽增多，循环流量变大，进入汽包的水量增大，H升高。所以，分析水位变动时， 要综合考虑以上3种因素。水位变动的扰动量：因为要求汽机功率经常变化，所

28、以D是经常性的扰动。主要是给水压力和给水调节阀开度的变化。B主要影响蒸发量。如果蒸发量大于给水量,则H下降，如果蒸发量小于给水量，则H升高。（稳态）反映汽水系统内p蒸发与凝结的强度，是中间参数。在这四个因素中，尤以D、W、B为重要。1. W扰动系H变化的动态特性.两方面:（） 对于等截面的容器,当时,水位按斜线上升；对汽包，当水位变化较小时,近似看成等截面,如果不考虑水面下汽泡容积变化，则水位按斜线变化。（） 另一方面，汽包内工质处于饱和状态,水面下是汽水混合物。由于给水的温度较低，进入汽包的给水在包内需要吸收热量。当W上升时,吸收热量增加,使得水面下汽水混合物中汽的容积减少(饱和蒸汽释放热量

29、后成饱和水)，由于汽容积减小，因而水位下降。曲线如。 实际的水位响应曲线应该是曲线和的合成,即:-实际水位响应曲线;-不考虑水下汽容积变化时,只考虑物质不平衡所引起的水位曲线;-仅考虑水下汽容积变化时的水位反应曲线.所以实际水位曲线的特点:(a) 有迟延.(b) 呈积分状态(无自平衡能力)根据这个特点,可设想对象具有下列形式:其中,.-反应速度,单位给水流量变化引起水位变化速度的变化.-迟延时间;-阶次，整数。这三个参数, 可有阶跃响应线上获得,(怎么求,自己复习 .)当时,因此,可认为有两部分组成:-不考虑水下汽容积变化时,H的响应曲线: ;-仅考虑水下汽容积变化时,H的响应曲线;对于蒸发量

30、为100T/H-230T/H的汽包锅炉蒸发量大于230T/H, .2. D扰动下H变化的动态特性.也从两个方面进行考虑:蒸汽流量D扰动是由汽机调节阀开度变化引起的。（w假定不变）(1) 一方面，D上升将导致D>W,即汽包中流出量>流入量根据物质平衡关系，水位H下降-h1；(2) 蒸汽流量D上升，汽包压力下降， 实际水位.从H 曲线上看出, 当D升高时,尽管汽包的流出量D大于流入量W,但水位H不仅不下降,反而在起始时迅速上升，这种现象成为虚假水位。传递函数注:关于D阶跃扰动:D阶跃只是为定性说明问题而假定的，实际上D阶跃是很难做到的。引起D变化的如下:从图上不难看出,影响D主要有两个

31、因素:1. 阀门开度2. 阀门前后的压差注:实际上D是变化的.因为当压力下降后,响应的水的饱和温度下降,水的蒸发量应略有增加.若能即使跟上,而保证不变,那么可使D阶跃,遗憾的是做不到.3. BH锅炉燃料量扰动对水位的影响请同学们自己分析回答:(i) 为什么出现虚假水位?即水位先上升,后下降?(ii) 为什么起始时基本不变化?虚假水位原因：(i) B上升蒸发量上升汽包产生的蒸汽量增多h1下降(最终)(ii) B上升蒸发量上升水面下的汽容积上升h2上升(起始)(iii) B上升汽包压力上升汽包水位上升h3上升(起始)起始基本不变的原因:(i) B上升蒸发量上升水面下汽容积上升 气压上升饱和水焓上升

32、部分蒸汽凝结成饱和水水下汽容积下降起始时水面下汽容积上升较慢H上升较慢.(ii) 另外,BD 的变化,必有一定的热惯性.说明:(a)关于虚假水位 虚假水位可能导致调节作用相反。如: 而实际上，为保证D平衡，应该有W上升。(c) 设计控制系统需考虑:(i) 由于WH有迟延,所以只根据水位偏差来调节给水量会造成较大的,因而出现反向调节.(ii) 设法减少活抵消由于虚假水位现象，而是W与D相反方向的变化趋势。二.给水自动控制系统的基本要求P117.共3点.53.给水调节系统 (选择给水的调节阀的开度,即给水量作为调节作用)一、单冲量给水调节系统二、双冲量给水调节系统前馈反馈复合系统。P117119三

33、、单级三冲量给水调节系统.1系统组成:a. 原理结构图:冲量：进入调节器的过程量。给水调节器根据H，D，W(三个量)来调节给水流量。Ø 只根据H来调节给水量，称为单冲量给水调节系统；Ø 只根据H,D来调节给水量，称为双冲量给水调节系统。,-给水和蒸汽流量信号的灵敏度或分流系数.静态时：ID-Iw+IH = H0若：ID=Iw, 则I H = H0 , 水位无差 若：IDIw, 则I H H0, 水位有差 一般取， =。b. 各冲量的作用.(i) 蒸汽流量D作用：既起到负荷前馈作用，又能有效地克服虚假水位的影响;当负荷D变化时，水位会发生变化。而由于D信号引入了PI调节器，能

34、及时改变给水调节阀的开度，控制水位变化。(起前馈作用)Ø 没引入蒸汽流量时，D增加H起始时上升水位调节使W下降(反向调节,)。Ø D接入调节器后相当于短时加大水位给定值，打大给水阀，W上升抑制虚假水位的方向影响.(ii) 水位H作用： 反馈的被调量。动态过程中，起校正作用，保证在稳态时，使.(iii) 给水量W作用：导前信号量。能有效的消除给水的自发性扰动(如给水压力的变化)C 各冲量信号接入调节器的极性规定规定：当信号增大时，要求开大调节阀-信号与调节输出信号同向，该信号标以 + 号；当信号减小时，要求开大调节阀-信号与调节输出信号反向，该信号标以 号。如图中：Ø

35、; 蒸汽流量增大要求开大给水阀门，故 +;Ø 给水流量信号增大要求关小给水阀，故 号 .Ø 当汽包水位H升高应关小给水阀，号。但水位传感器是，水位H升高，压差减小，水位变送器下降，具有反号性故 +号。故以 + 接入.2. 分析与整定.(1) 系统原理图.;结构特点： 前馈反馈复合调节系统，可变换成前馈串级系统。内回路：PIPI任务：快速消除给水量的自发性扰动。动作频率要大大快于外回路。外回路： 内回路任务：消除各种干扰对水位的影响,并使稳态时汽包水位等于器给定值。需整定的参数: ,。特点：运用串级整定的方法，2个回路单独整定。(2) 内回路:这是一个单回路系统，需整定的参数

36、有三个:及PI: 现将归入PI作为等效调节器;其他环节作为等效对象.等效调节器: 等效对象: -此为比例环节由于等效对象为比例环节,理论上, ,可取得非常小,仍能保证系统稳定;而实际上，给水调节阀、测量变送器、执行器都有一些惯性，且执行器还有明显的非线性作用，因此,一般都用实验方法来整定。内回路实验方法整定:取,设定一定值手操作给水调节器(造成给水量阶跃扰动) 观察W记录曲线是否很快稳定如不能改变,重新实验，直到W曲线基本不震荡，且能很快稳定。记下。增加内回路等效比例带下降系统趋于不稳定,即下降.对外回路的影响相反.(见后面分析)(3) 外回路.显然，内回路是一个快速随动系统。即: 所以: 因

37、此，内回路可看作是比例环节。外回路为：习惯上,将负号改为+。可把看成等效调节器.等效比例为:.按一般的单回路整定方法，得到。上升等效比列带增加系统趋于稳定增加。 (4) 前馈的确定.蒸汽流量信号不在闭合回路内，因此不影响系统的稳定性。可用不变性原理进行整定。取,取静态前馈:(5)调节系统的静态特性.按上面方法整定的参数能否保证稳态时水位等于给定值呢?研究系统的静态特性，应有W=D，才能保证水位不变。静态时，调节器入口：要使水位等于定值，即,只有而当稳态时, ,所以有: 按上面整定的参数能保证如果在稳态时, ,则水位不能恒定,随着负荷的变化而变化.两种情况下,水位随D变化如下：(i) 即，且随着

38、蒸汽流量增加而减小。,且随着蒸汽流量的增加而增加.(ii) 且随D增加而增加.,且随着负荷增加而降低.3. 整定小结.(1)步骤.(i) 先整定外回路,确定(ii) 整定内回路，确定, sec (选定)(通过实验方法)注:按照迅速消除内扰,稳定给水器的要求用试凑法.(iii) 前馈：(用不变性原理)(2) 为保证不变(即不变) ,以保证水位稳态时恒定.例5-1汽包锅炉单级三冲量给水调节系统如下图，试对系统进行整定()已知: , ,解：(1)确定的整定值值可通过外回路来确定:特征方程:取=0.9,则因此,可取0.230.49（有效比例系数）中的某一数值,如取(2)用实验法确定内回路W1W1加阶跃

39、：第一次实验:取,实验曲线为曲线1.第二次实验,取,实验曲线为曲线2.第三次实验,取,实验曲线为曲线3.曲线1：过程进行缓慢(由于太小);曲线：过程振荡较严重。(太大);曲线3：过程基本不振荡且结束较快，应选择这组数组数据。(3)整定例5-2已知三冲量给水系统如前例， ,，试确定分流系数的大小.解：(1) 的整定外回路: 用临界比例带法整定:使的幅相特征经过(-1, j0)点，即：根据临界比例带法:(2)=0.21四、 串级三冲量给水调节系统1. 特点：它是在单级基础上增加了主调节器，使该系统如下特点：(1) 主副调节器的任务明确.Ø :动态校正水位，使稳定时水位等于给定值。

40、6; :(i) D扰动时迅速改变给水流量，使水位较小变化。(ii)W自发扰动时，能及时予以解决。使两个调节器的工作相对独立，相互影响，调节质量优于单级。单级时，所有的功能均须一个 调节器完成。(2)的设置比较的灵活.Ø 对于单级,为保证即若,则有；Ø 对于串级,无需这个条件.水位有调节器维持,因此,可以根据虚假水位的严重程度适当提高,如对虚假水位严重时,可取。(3) 系统的可靠性有所提高.当或失去一个信号时(由于变送器故障)串级: 仍能继续工作,安全性好.单级:,无法维持水位恒定,无法工作.(4) 对过程的影响程度不同.串级时, 对过程的影响相同于单级，但影响程度要弱,为什么?因为对单级,是等效主调节器的等效比例带,所以对主回路稳定性影响很大,而对串级, 对水位稳定性不起主导作用(还有发挥作用)2. 整定.(1) 画成框图.例5-3: 已知.解:1.的整定. 外回路: 等效调节器:根据方法如下:(a) 查表法(响应