热工控制系统课堂第七章前馈--反馈复合控制系统ppt课件

1、第七章第七章 前馈反响复合控制系统前馈反响复合控制系统第六节第六节 带冲击负荷锅炉的给水控制系统带冲击负荷锅炉的给水控制系统第一节第一节 前馈控制系统的组成前馈控制系统的组成第二节第二节 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点第三节第三节 复合控制系统特性分析复合控制系统特性分析第四节第四节 复合控制系统实例分析复合控制系统实例分析 三冲量给水控制系统三冲量给水控制系统第五节第五节 串级三冲量给水控制系统实例分析串级三冲量给水控制系统实例分析第一节第一节 前馈控制系统的组成前馈控制系统的组成 假设干扰曾经发生，而被调参数还未变化时，调理器是不会假设干扰曾经发生，而被调参数还未变化时，调理器是不会

2、动作的。即反响控制总是落后于干扰作用。因此称之为动作的。即反响控制总是落后于干扰作用。因此称之为“不及时控不及时控制。制。 前两章讨论的串级、导前微分系统都是反响控制，它是根据前两章讨论的串级、导前微分系统都是反响控制，它是根据被调参数的偏向值来控制的。被调参数的偏向值来控制的。反响控制的特点反响控制的特点: 必需在被调量与给定值的偏向出现后，调理器才干对其进展必需在被调量与给定值的偏向出现后，调理器才干对其进展调理来补偿干扰对被调量的影响。调理来补偿干扰对被调量的影响。 在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和在热工控制系统中，由于被控对象通常存在一定的纯滞后和容积滞后，因此从干

3、扰产生到被调量发生变化需求一定的时间。容积滞后，因此从干扰产生到被调量发生变化需求一定的时间。 从偏向产生到调理器产生控制造用以及支配量改动到被控量从偏向产生到调理器产生控制造用以及支配量改动到被控量被调量发生变化又要经过一定的时间。被调量发生变化又要经过一定的时间。 可见，这种反响控制方案的本身决议了无法将干扰对被控量可见，这种反响控制方案的本身决议了无法将干扰对被控量的影响抑制在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统的影响抑制在被控量偏离设定值之前，从而限制了这类控制系统控制质量的进一步提高。控制质量的进一步提高。 思索到偏向产生的直接缘由是干扰作用的结果，假设直接按思索到偏向产生的

4、直接缘由是干扰作用的结果，假设直接按扰动而不是按偏向进展控制，也就是说，当干扰一出现调理器就扰动而不是按偏向进展控制，也就是说，当干扰一出现调理器就直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进展控制。直接根据检测到的干扰大小和方向按一定规律去进展控制。 结论：假设系统中的调理器能根据干扰作用的大小和方向就对结论：假设系统中的调理器能根据干扰作用的大小和方向就对被调介质进展控制来补偿干扰对被调量的影响被调介质进展控制来补偿干扰对被调量的影响, ,那么这种控制就叫那么这种控制就叫做做“前馈控制或前馈控制或“扰动补偿。扰动补偿。 由于干扰发生后被控量还未显示出变化之前，调理器就产生由于干扰发生后被控

5、量还未显示出变化之前，调理器就产生了控制造用，这在实际上就可以把偏向彻底消除。了控制造用，这在实际上就可以把偏向彻底消除。 按照这种实际构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前按照这种实际构成的控制系统称为前馈控制系统，显然，前馈控制对于干扰的抑制要比反响控制系统及时得多。馈控制对于干扰的抑制要比反响控制系统及时得多。 当被加热水流量发生变化时，假设蒸汽量不发生变化，而要当被加热水流量发生变化时，假设蒸汽量不发生变化，而要使出口温度坚持不变，就必需在被加热水量发生变化的同时改动使出口温度坚持不变，就必需在被加热水量发生变化的同时改动蒸汽量。这就是一个前馈控制系统。蒸汽量。这就是一个前馈控制系统

6、。Y(1)WDZSWDSWBSKBZ+ 图图7 71 1 前馈控制原理框图前馈控制原理框图下面以换热器为例阐明：下面以换热器为例阐明：前馈控制系统的原理框图如图前馈控制系统的原理框图如图71所示：所示： 换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液换热器是用蒸汽的热量加热排管中的料液，工艺上要求料液出口温度一定。出口温度一定。图中，图中， KB：丈量变送器的变送系数；：丈量变送器的变送系数；WDZ(S)：干扰通道对象传送函数；：干扰通道对象传送函数；WD(S)： 控制通道对象传送函数；控制通道对象传送函数；WB(S)： 前馈控制安装或前馈调理器的传送函数。前馈控制安装或前馈调理器的传送

7、函数。第二节第二节 前馈控制系统的特点前馈控制系统的特点 实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器前馈调理器实现对干扰完全补偿的关键是确定前馈控制器前馈调理器的控制造用，显然的控制造用，显然WB(S)WB(S)取决于对象控制通道和干扰通道特性。取决于对象控制通道和干扰通道特性。由图由图7-17-1得得: : SzSWSWKSWSYDBBDz 理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统可以完全补偿理想的情况下，针对某种扰动的前馈控制系统可以完全补偿因扰动而引起的对被调量的影响。因扰动而引起的对被调量的影响。Y(1)WDZSWDSWBSKBZ+ 图图7 71 1 前馈控制原理框图前馈控制原理框图 式

8、中式中Z(S)Z(S)是干扰，是干扰，Y(S)Y(S)是干扰引起的输出。在理想的情况下，是干扰引起的输出。在理想的情况下，经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓经过前馈控制以后，被调量不变，即实现了所谓“完全补偿，此完全补偿，此时：时： 0SWSWSWSzSYDBDz令令KB=1KB=1那么有：那么有： Y Sz SWSWSWSDzBD所以所以, ,前馈控制器控制规律为：前馈控制器控制规律为： WSWSWSBD zD(7-1) 式式7 71 1阐明前馈控制的控制规律完全是由对象阐明前馈控制的控制规律完全是由对象特性决议的，它是干扰通道和控制通道传送函数之商，特性决议的，它是干扰通道和控制通

9、道传送函数之商，式中负号表示控制造用的方向与干扰作用相反。式中负号表示控制造用的方向与干扰作用相反。 假设假设WD(S)WD(S)和和WDZ(S)WDZ(S)可以很准确测出，且可以很准确测出，且WB(S)WB(S)完全和完全和式式(7-1)(7-1)确定的特性一致，那么不论干扰信号是怎样的方确定的特性一致，那么不论干扰信号是怎样的方式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，从而使被调量因式，前馈控制都能起到完全补偿的作用，从而使被调量因干扰而引起的动态和稳态偏向均为零。干扰而引起的动态和稳态偏向均为零。第三节第三节 复合控制系统特性分析复合控制系统特性分析 正如前面所述，前馈控制能根据干扰值的大小在

10、被调参正如前面所述，前馈控制能根据干扰值的大小在被调参数偏离给定值之前进展控制，使被调量一直坚持给定值。数偏离给定值之前进展控制，使被调量一直坚持给定值。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。这样一个看起来相当完美的控制方式也有其局限性。 首先，表如今前馈控制系统中不存在被调量反响，即对首先，表如今前馈控制系统中不存在被调量反响，即对于补偿结果没有检验的手段。因此，当前馈作用并没有最后于补偿结果没有检验的手段。因此，当前馈作用并没有最后消除偏向时，系统无法得知这一信息而将作进一步的校正。消除偏向时，系统无法得知这一信息而将作进一步的校正。 其次，由于实践工业对象存在着多个干扰，为了补偿

11、它其次，由于实践工业对象存在着多个干扰，为了补偿它们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，添加了投资费们对被调量的影响，势必设计多个前馈通道，添加了投资费用和维护任务量。用和维护任务量。 此外，当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数此外，当干扰通道的时间常数小于控制通道的时间常数时，不能实现完全补偿。时，不能实现完全补偿。 再者，前馈控制模型的精度也遭到多种要素的限制，对再者，前馈控制模型的精度也遭到多种要素的限制，对象特性受负荷和工况等要素的影响而产生偏移，必然导致象特性受负荷和工况等要素的影响而产生偏移，必然导致WD(S)和和WDZ(S)的变化的变化,因此一个事先固定的前馈模型不能因此

12、一个事先固定的前馈模型不能够获得良好的控制质量。够获得良好的控制质量。 工程实践中，为抑制前馈控制的局限性从而提高控制质工程实践中，为抑制前馈控制的局限性从而提高控制质量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参量，对一两个主要扰动采取前馈补偿，而对其它仪器被调参数变化的干扰采用反响控制来抑制。数变化的干扰采用反响控制来抑制。以这种方式组成的系统称为前馈反响复合控制系统。以这种方式组成的系统称为前馈反响复合控制系统。 前馈反响复合控制系统既能发扬前馈调理控制及时的优点，前馈反响复合控制系统既能发扬前馈调理控制及时的优点，又能坚持反响控制对各种扰动要素都有抑制造用的优点，因此得到又能坚持

13、反响控制对各种扰动要素都有抑制造用的优点，因此得到广泛运用。广泛运用。复合控制系统具有以下几个特点复合控制系统具有以下几个特点: :一、引入反响控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变一、引入反响控制后，前馈控制中的完全补偿条件不变图图7 72 2为前馈反响复合控制系统的原理方框图：为前馈反响复合控制系统的原理方框图：WBWBS SWDZWDZS SWTWTS SWDWDS SY YX XZ Z+ +- -+ +图图7-2 7-2 复合控制系统原理方框图复合控制系统原理方框图由图可得由图可得, ,没有参与反响作用时完全补偿条件为：没有参与反响作用时完全补偿条件为： WSWSWSBDzD 加上反响后

14、有：加上反响后有： y SWSWSWSWSx SWS WSWSWSWSz STDTDBDDzTD11WBWBS SWDZWDZS SWTWTS SWDWDS SY YX XZ Z+ +- -+ +图图7-2 7-2 复合控制系统原理方框图复合控制系统原理方框图上式中上式中,X(S)=0,Z(S)0,X(S)=0,Z(S)0,运用不变性原理有：运用不变性原理有： WS WSWSWSWSBDDzTD10即：即： WSWSWSBDzD 而假设不加前馈作用而假设不加前馈作用, ,即假设即假设WB(S)=0WB(S)=0，显然：，显然： SzSWSWSWSxSWSWSWSWSyDTDzDTDT11由于由

15、于WDZ(S)0WDZ(S)0，因此扰动对系统输出是有影响的，因此扰动对系统输出是有影响的 。二、复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通二、复合控制系统补偿控制的控制规律不仅与对象控制通道和干扰通道有关，还与反响调理器的位置有关道和干扰通道有关，还与反响调理器的位置有关 假设复合控制系统的组成如图假设复合控制系统的组成如图7 73 3所示，反响调理器所示，反响调理器与图与图7 72 2相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后相比，不是放在前馈信号前面，而是放在它的后面，那么有：面，那么有： WDZWDZS SWTWTS SWDWDS SY YX X- -+ +WBWBS SZ Z+

16、+ + 图图7 73 3 复合控制系统原理方框图之二复合控制系统原理方框图之二 可得完全补偿的条件：可得完全补偿的条件： SWSWSWSWDTDzB由图由图7-37-3得：得： y SWSWSWSWSx SWSWSWSWSWSWSz STDTDBTDDzTD11WDZWDZS SWTWTS SWDWDS SY YX X- -+ +WBWBS SZ Z+ + + 图图7 73 3 复合控制系统原理方框图之二复合控制系统原理方框图之二 三、复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多三、复合控制时，扰动对输出的影响要比纯前馈时小得多 为便于比较，设系统为定值控制，即为便于比较，设系统为定值控制，

17、即X(S)=0X(S)=0，专门讨论扰动，专门讨论扰动Z(S)Z(S)对系统的影响。由于前馈控制不能够完全补偿，即对系统的影响。由于前馈控制不能够完全补偿，即Y(S)Y(S)的第二的第二项不能够完全为零，令其为项不能够完全为零，令其为(S)(S)，那么，纯前馈控制时：，那么，纯前馈控制时： SzSSzSWSWSWSyDBDz1参与反响后那么：参与反响后那么： ySSW SWSz STD11由于由于1+WT(S)WD(S)11+WT(S)WD(S)1，所以：，所以： Y1 Y1(S)(S)Y1(S)Y1(S)对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。

18、四、前馈补偿对于系统的稳定性没有影响四、前馈补偿对于系统的稳定性没有影响 这一点是显而易见的，由于前馈无论加在什么位置，这一点是显而易见的，由于前馈无论加在什么位置，它都不构成回路，系统的输入输出传送函数的分母它都不构成回路，系统的输入输出传送函数的分母均坚持不变，因此不会影响系统的稳定性。均坚持不变，因此不会影响系统的稳定性。第四节复合控制系统实例分析第四节复合控制系统实例分析 三冲量给水控制系统三冲量给水控制系统一、给水控制的义务一、给水控制的义务 汽包锅炉给水控制的义务是使给水量顺应锅炉蒸发量，并使汽汽包锅炉给水控制的义务是使给水量顺应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位坚持在一定范围内。详细要

19、求有以下两个方面：包中的水位坚持在一定范围内。详细要求有以下两个方面： 1 1维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉平安运维持汽包水位在一定范围内。汽包水位是影响锅炉平安运转重要要素。水位过高，会破坏汽水分别安装的正常任务，严重时转重要要素。水位过高，会破坏汽水分别安装的正常任务，严重时会导致蒸汽带水增多，因此添加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的会导致蒸汽带水增多，因此添加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，那么会破结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，那么会破坏水循环，引起水冷壁破裂坏水循环，引起水冷壁破裂 。 2 2坚持稳定的给水

20、量。给水量不应该时大时小地猛烈动摇坚持稳定的给水量。给水量不应该时大时小地猛烈动摇, ,否那么，将对省煤器和给水管道的平安运转不利。否那么，将对省煤器和给水管道的平安运转不利。二、给水控制对象的动态特征二、给水控制对象的动态特征 影响水位的要素主要有：锅炉蒸发量负荷影响水位的要素主要有：锅炉蒸发量负荷D D，给水量，给水量G G，炉，炉膛热负荷熄灭率膛热负荷熄灭率M M，汽包压力。，汽包压力。 控制系统的物质平衡方程为：控制系统的物质平衡方程为：dtDGDdtGdtdHF 将上式进一步变换得：将上式进一步变换得：DGdtdHF 令令 ，那么上式变为：，那么上式变为： FCCd Hd tGD 容

21、量系数是用来表征锅炉的构造系数的，而它的动态特性那容量系数是用来表征锅炉的构造系数的，而它的动态特性那么往往用飞升速度或飞升时间来表征。么往往用飞升速度或飞升时间来表征。 对于汽包炉来说，由飞升速度的定义知：对于汽包炉来说，由飞升速度的定义知：dydtzdHdtHCGDHmaxmaxmaxmaxmax1 把扰动量即水位变化量转成用相对量表示的水位变化范围，通把扰动量即水位变化量转成用相对量表示的水位变化范围，通常的水位允许变化范围为常的水位允许变化范围为200mm200mm，这个范围扰动量的相对极限制为，这个范围扰动量的相对极限制为100%100%。上式中。上式中: :dHdtCGDmaxma

22、x1 右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量右边一项表示汽包内工质的变化量，当给水量0 0，而蒸发，而蒸发量为最大时，变化量最大，因此有：量为最大时，变化量最大，因此有：dHdtCD maxmax1可见这时的扰动量是下降的。故有：可见这时的扰动量是下降的。故有： FHDHDC11maxmaxmaxmax式中式中:：Dmax 锅炉最大的蒸发量；锅炉最大的蒸发量；Hmax水位变化允许的范围。水位变化允许的范围。飞升时间飞升时间TaTa为：为：Ta1 对于蒸发量为对于蒸发量为100100 230t/h230t/h的单汽包炉，当水位变化的单汽包炉，当水位变化100mm100mm时时TaTa60-30

23、s60-30s，对于蒸发量为更大的汽包炉，对于蒸发量为更大的汽包炉TaTa30s30s，它的意义在于当，它的意义在于当锅炉在满负荷运转时，假设忽然停顿供水，那么由于蒸发量和给水锅炉在满负荷运转时，假设忽然停顿供水，那么由于蒸发量和给水量的不平衡呵斥水位迅速下降，在量的不平衡呵斥水位迅速下降，在30s30s内将下降内将下降200mm200mm或者换句话说，或者换句话说，假设给水量减少假设给水量减少10 %10 %，经过，经过30s30s的时间，水位将下降的时间，水位将下降20mm20mm。 下面分别讨论各种扰动下水位变化的动态特性。下面分别讨论各种扰动下水位变化的动态特性。一给水量扰动下水位变化

24、的动态特性一给水量扰动下水位变化的动态特性H H1 12 22 21 1图图7-4 7-4 给水量扰动时水位阶跃呼应曲线给水量扰动时水位阶跃呼应曲线 图图7-47-4中曲线中曲线1 1为沸腾式省煤器情形下水位动态特性。曲线为沸腾式省煤器情形下水位动态特性。曲线2 2那那么是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。么是非沸腾式省煤器时的水位动态特性。水位在给水扰动下的传送函数可表示为：水位在给水扰动下的传送函数可表示为： 11HSG SSTSTS S 水位对象可近似以为是一个积分环节和一个惯性环节串联的方水位对象可近似以为是一个积分环节和一个惯性环节串联的方式。用一阶近似表示时：式。用一阶近似表示时：

25、HSGSSes.二蒸汽流量扰动下水位的动态特性二蒸汽流量扰动下水位的动态特性T2DtH2(t)H1(t)H(t)H 图图7-57-5蒸汽量蒸汽量D D 扰动下水位阶跃呼应曲线扰动下水位阶跃呼应曲线 假设只从物质平衡的角度来假设只从物质平衡的角度来看，蒸发量忽然添加时，蒸发量看，蒸发量忽然添加时，蒸发量高于给水量，汽包水位是无自平高于给水量，汽包水位是无自平衡才干的，所以水位应该直线下衡才干的，所以水位应该直线下降，如图降，如图7-57-5中所示那样。中所示那样。 其缘由负荷添加，在汽水循其缘由负荷添加，在汽水循环回路中蒸发强度也将成比例添环回路中蒸发强度也将成比例添加，水面下汽包的容积添加得也

26、加，水面下汽包的容积添加得也很快，此时熄灭量很快，此时熄灭量M M还来不及添还来不及添加，汽包中汽压下降，汽泡膨胀，加，汽包中汽压下降，汽泡膨胀，使汽泡体积增大而水位上升。使汽泡体积增大而水位上升。 但实践水位是先上升再下降，这种景象称为但实践水位是先上升再下降，这种景象称为“虚伪水位景象虚伪水位景象，如图中，如图中H(t)H(t)所示。所示。 如图如图7-5中曲线中曲线H2(t)所示。在开场的一段时间所示。在开场的一段时间H2(t)的作用大的作用大于于H1(t)。当过了一定时间后，当汽泡容积和负荷相顺应而到达稳。当过了一定时间后，当汽泡容积和负荷相顺应而到达稳定后，水位就要反映出物质平衡关系

27、而下降。定后，水位就要反映出物质平衡关系而下降。T2DtH2(t)H1(t)H(t)H 图图7-57-5蒸汽量蒸汽量D D 扰动下水位阶跃呼应曲线扰动下水位阶跃呼应曲线因此，水位的变化应是上述两者之和因此，水位的变化应是上述两者之和, ,即：即： tHtHtH21传送函数也为两者之代数和：传送函数也为两者之代数和： H SD SKT SS221三炉膛负荷扰动下水位变化的动态特性三炉膛负荷扰动下水位变化的动态特性此处的炉膛负荷扰动即是指燃料量此处的炉膛负荷扰动即是指燃料量M的扰动。的扰动。 燃料量添加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，假燃料量添加时，锅炉吸收更多的热量，使蒸发强度增大，假设

28、不调理蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，设不调理蒸汽阀门，由于锅炉出口汽压提高，蒸汽流量也增大，这时蒸发量大于给水量，水位应下降。这时蒸发量大于给水量，水位应下降。 当蒸发量与熄灭量相顺应时，水位便会迅速下降，这种当蒸发量与熄灭量相顺应时，水位便会迅速下降，这种“虚伪虚伪水位景象比蒸汽量扰动时要小一些，但其继续时间却更长。水位景象比蒸汽量扰动时要小一些，但其继续时间却更长。 为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必需坚持平衡，所以这为了保证汽压的稳定，燃料量和蒸发量必需坚持平衡，所以这两者往往是一同变化的，只是先后的差别。两者往往是一同变化的，只是先后的差别。 但由于在热负荷添加时蒸

29、发强度的提高，使汽水混和物中的但由于在热负荷添加时蒸发强度的提高，使汽水混和物中的汽泡容积添加，而且这种景象必然先于蒸发量添加之前发生，从汽泡容积添加，而且这种景象必然先于蒸发量添加之前发生，从而使汽包水位先上升，引起虚伪水位景象。而使汽包水位先上升，引起虚伪水位景象。 影响水位的要素除此之外，还有给水压力，汽包压力，汽轮影响水位的要素除此之外，还有给水压力，汽包压力，汽轮机调速汽门开度，二次风分配等。机调速汽门开度，二次风分配等。不过这些要素几乎都可以用不过这些要素几乎都可以用D、M、G的变化表达出来。的变化表达出来。给水扰动是内扰，其他是外扰给水扰动是内扰，其他是外扰 。 三、给水自动控制

30、系统的根本要求三、给水自动控制系统的根本要求 根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应根据上述给水控制系统对象动态特性的分析，给水控制系统应符合以下根本要求：符合以下根本要求： 其次，由于对象在蒸汽量其次，由于对象在蒸汽量D D 扰动下，水位阶跃反响曲线表现相扰动下，水位阶跃反响曲线表现相互有互有“虚伪水位虚伪水位“景象，这种景象反响速度比内扰快，为了抑制虚景象，这种景象反响速度比内扰快，为了抑制虚伪水位伪水位“景象对控制的不利影响，应思索引入蒸汽流量的补偿信号。景象对控制的不利影响，应思索引入蒸汽流量的补偿信号。 首先，由于被控对象在给水量首先，由于被控对象在给水量G G 扰动

31、下的水位阶跃反响曲线扰动下的水位阶跃反响曲线表现为无自平衡才干，且有较大的迟延，因此必需采用带比例作表现为无自平衡才干，且有较大的迟延，因此必需采用带比例作用调理器以保证系统的稳定性。用调理器以保证系统的稳定性。 第三，给水压力是有动摇的，为了稳定给水量，应思索将给第三，给水压力是有动摇的，为了稳定给水量，应思索将给水量信号作为反响信号，用于及时消除内扰。水量信号作为反响信号，用于及时消除内扰。四、前馈反响三冲量给水控制系统四、前馈反响三冲量给水控制系统 但由于流量但由于流量G G对水位对水位H H的影响，其迟延要比蒸汽量的影响，其迟延要比蒸汽量D D对对H H的影响要的影响要大，用大，用H

32、H作为反响信号去控制不够及时，使得其动态偏向增大。作为反响信号去控制不够及时，使得其动态偏向增大。 前馈反响复合控制系统能补偿由于外扰前馈反响复合控制系统能补偿由于外扰D D引起的水位变化引起的水位变化，抑制虚伪水位的影响，改善了控制质量，比单冲量反响控制要，抑制虚伪水位的影响，改善了控制质量，比单冲量反响控制要优越的多。优越的多。 为了抑制这一缺乏，引入另外一个反响信号即给水流量信号为了抑制这一缺乏，引入另外一个反响信号即给水流量信号，构成一个新型的复合控制系统，称作前馈反响三冲量给水，构成一个新型的复合控制系统，称作前馈反响三冲量给水控制系统。控制系统。一系统构造一系统构造 前馈反响三冲量

33、给水控制系统的原理框图如图前馈反响三冲量给水控制系统的原理框图如图7-67-6所示，所示，由于系统中只用了一个调理器，而调理器的输入有三个，因此称之由于系统中只用了一个调理器，而调理器的输入有三个，因此称之为单级三冲量给水控制系统。为单级三冲量给水控制系统。 这种系统与双冲量系统相比，多了一个流量反响信号，给水量这种系统与双冲量系统相比，多了一个流量反响信号，给水量G G发生变化时，流量信号自然要比水位信号快得多。发生变化时，流量信号自然要比水位信号快得多。 H HWT(S)WT(S)WDZ(S)WDZ(S)WD1(S)WD1(S)KZKZKfKfnDnDnGnG?G G?H H?D DVHV

34、H-H-HnGVGnGVG- -+ +VgVg- -+ +T TVTVTG G+ + +H1H1H2H2VDVDD DnDVDnDVDVGVG图图7-67-6单级三冲量给水控制系统原理框图单级三冲量给水控制系统原理框图 图中标出的图中标出的为内回路，为内回路，IIII为主回路外回路，为主回路外回路，IIIIII为前馈通路。为前馈通路。 二调理器正反作用开关及入口信号接线极性二调理器正反作用开关及入口信号接线极性 图图7-6中各信号接入调理器的极性：中各信号接入调理器的极性： 水位水位H H上升时上升时VHVH下降调理器应关小阀门，是负反响，所以下降调理器应关小阀门，是负反响，所以信号信号VH

35、VH 的极性为的极性为“正接；正接；HWT(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnG?G?H?DVH-HnGVG-+Vg -+TVTG+H1H2VDDnDVDVG图图7-6单级三冲量给水控制系统原理框图单级三冲量给水控制系统原理框图 图中标出的图中标出的为内回路，为内回路，II为主回路外回路，为主回路外回路，III为前馈通路。为前馈通路。 当蒸汽量当蒸汽量D D 增大时增大时(VD (VD 也增大也增大)nDVD)nDVD也增大，调理器应开大阀也增大，调理器应开大阀门，所以门，所以nDVD nDVD 的极性应是的极性应是“正接；正接； 当给水流量增大时当给水流量增大时VGVG也增大也增大

36、nGVG nGVG 也增大，调理器应也增大，调理器应关小阀门，是负反响，所以关小阀门，是负反响，所以nGVGnGVG的极性应是的极性应是“反接。反接。 内部给定信号内部给定信号Vg Vg 与水位信号与水位信号VH VH 相平衡，相平衡，VH VH 极性为极性为“正，正，那么那么VgVg的的 极性为极性为“负。负。H HWT(S)WT(S)WDZ(S)WDZ(S)WD1(S)WD1(S)KZKZKfKfnDnDnGnG?G G?H H?D DVHVH-H-HnGVGnGVG- -+ +VgVg- -+ +T TVTVTG G+ + +H1H1H2H2VDVDD DnDVDnDVDVGVG图图7-

37、67-6单级三冲量给水控制系统原理框图单级三冲量给水控制系统原理框图 图中标出的图中标出的为内回路，为内回路，IIII为主回路外回路，为主回路外回路，IIIIII为前馈通路。为前馈通路。 三控制系统的静态特性三控制系统的静态特性 参照图参照图7-67-6，设调理器采用，设调理器采用PI PI 调理规律，静态时调理规律，静态时, ,输入增量为输入增量为0,0,输出为定值，即有如下关系：输出为定值，即有如下关系：0GGDDgHInInIII上式可变为：上式可变为： IIn In IgHDDGGKg Kg 为将给定值电压为将给定值电压VgVg转化成给定水位转化成给定水位HGHG的转换系数；的转换系数

38、；IH = -H H H为水位丈量变送器传送系数，负号表示与为水位丈量变送器传送系数，负号表示与VH变化方向变化方向相反；相反；Ig = KgHgIG =GG G IG =GG G 为给水流量丈量变送器的传送系数；为给水流量丈量变送器的传送系数；所以上式可变为：所以上式可变为：HHHHKgHgKgHgnDDD nDDD nGGGnGGGID =DD D ID =DD D 为蒸汽流量丈量变送器的传送系数；为蒸汽流量丈量变送器的传送系数；假设忽略排污那么有假设忽略排污那么有G GD D，上式变为：，上式变为： 当当D=D0D=D0，H=Hg H=Hg 时可得：时可得：gH HggH HgKg Hg

39、 Kg Hg ng ng nGgG 0nGgG 0 7-27-27-17-1HHHHKgHgKgHgnDDnDDnGGnGGD D式式7-17-1与式与式7-27-2相减得：相减得：HHnnDDgDDGGHggg0根据上式可有以下三个结论：根据上式可有以下三个结论： nnDDGGgg(1) (1) 时时,H,HHgHg，为无差调理。，为无差调理。GGDDnngg (2) (2) 时时, ,越大越大,H,H与与HgHg负差值越大。这是一根向下负差值越大。这是一根向下特性曲线。特性曲线。GGDDnngg (3) (3) 时时,D,D越大越大,H,H与与HgHg正差值越大。这是一根向上的正差值越大。

40、这是一根向上的特性曲线。特性曲线。四控制系统的参数整定：四控制系统的参数整定：以给定值以给定值VgVg为基值，思索增量情况，为基值，思索增量情况，V=VH+VD V=VH+VD ，这时可把，这时可把它当作一单回路来分析。假设把调理器分压系数以外的环节看作是它当作一单回路来分析。假设把调理器分压系数以外的环节看作是调理对象调理对象, ,那么广义调理对象：那么广义调理对象：内回路等效图如下内回路等效图如下: : 是一个近似的比例环节，因此调理器的比例带和积分时间都可是一个近似的比例环节，因此调理器的比例带和积分时间都可以获得很小，详细值可以经过试探法来决议，以保证内回路不振荡以获得很小，详细值可以

41、经过试探法来决议，以保证内回路不振荡为目的。为目的。WSVSV SKKDGTfzG内*g 普通取积分时间普通取积分时间Ti=10s,Ti=10s,试探过程中可恣意设定试探过程中可恣意设定nGnG值值, ,得到一得到一称心比例带称心比例带,再次改动再次改动nGnG值值, ,改动时必需坚持改动时必需坚持nG/nG/坚持不变坚持不变, ,即保即保证内回路的开环放大系数不变。证内回路的开环放大系数不变。 在试探时可将外回路开路在试探时可将外回路开路, ,切除水位信号切除水位信号, ,使使VH=0,VH=0,设置设置TiTi和和/nG/nG值值, ,手动操作给水阀门手动操作给水阀门, ,使给水量产生一个

42、阶跃变化后立刻投使给水量产生一个阶跃变化后立刻投入自动入自动, ,察看给水量过渡过程曲线外形察看给水量过渡过程曲线外形, ,能快速稳定即可。能快速稳定即可。 主回路中主回路中 为快速副回路的等效环节，把为快速副回路的等效环节，把WD1(S)WD1(S)和和 ?H H看作看作一个等效调理器所控制的对象，那么：一个等效调理器所控制的对象，那么： 1 nGGgWSVGWSDHHD外*g1主回路方框图如下所示主回路方框图如下所示: 从内、外回路的比例带来看，给水流量的分流系数从内、外回路的比例带来看，给水流量的分流系数nGnG对内外回对内外回路的影响正好是相反的，路的影响正好是相反的，nGnG假设增大

43、，主回路稳定性加强，副回路假设增大，主回路稳定性加强，副回路那么减弱，反之那么情况相反。那么减弱，反之那么情况相反。 另外，另外，WD1(S)WD1(S)的对象特性可用实验方法测得，它实践上就是水的对象特性可用实验方法测得，它实践上就是水位在位在G G 扰动下，扰动下，IH IH 的变化曲线，从曲线上可求出飞升速度的变化曲线，从曲线上可求出飞升速度，迟，迟延延 ，那么：，那么： 外nGGg 而而 那么是一个常数那么是一个常数, ,这是一个等效比例调理器，这是一个等效比例调理器，比例带：比例带： WnGG内1gg外*nGG SWSWSWSWnSWnSWDTDBGGTDDB12:1,完全补偿的条件

44、为而令gg 前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以前馈部分对系统稳定性没有影响，因此在整定前馈通路时可以独立思索：独立思索： 把把WB(S)WB(S)和和WT(S)WT(S)的值代入得：的值代入得： nnWSWSDGGDDD gg21整定的本质就是确定分压系数整定的本质就是确定分压系数nDnD的值。的值。 由上式可知：由上式可知：nDnD为一复杂的动态环节，普通按静态特性整定，为一复杂的动态环节，普通按静态特性整定，即要求在负荷不同的情况下，水位均无静差，如前，其条件为：即要求在负荷不同的情况下，水位均无静差，如前，其条件为： DDGGnngg通常有：通常有： DGgg故：故：

45、 DGnnnnGGDDgg3 3根据无静差要求，整定根据无静差要求，整定nD nD 值，使值，使 。 2 2根据水位在内扰时的动态特性，整定外回路等效调理器根据水位在内扰时的动态特性，整定外回路等效调理器的比例带，即确定的比例带，即确定nGnG值，在改动值值，在改动值nGnG时，要保证已整定好的比值时，要保证已整定好的比值/nG/nG不变。不变。 综上所述，我们可以得出前馈反响三冲量给水系统的整定综上所述，我们可以得出前馈反响三冲量给水系统的整定步骤：步骤： 1按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求用试凑法整定内按照迅速消除内扰、稳定给水量的要求用试凑法整定内回路回路PI调理器的比例带调理器的比例

46、带/nG值和积分时间值和积分时间Ti值。值。第五节串级三冲量给水控制系统实例分析第五节串级三冲量给水控制系统实例分析串级三冲量给水控制系统的原理图如以下图串级三冲量给水控制系统的原理图如以下图7-77-7所示所示 ： 这个系统中运用了两个调理器，构成串级控制系统。如图示，这个系这个系统中运用了两个调理器，构成串级控制系统。如图示，这个系统也有三个回路：即统也有三个回路：即I I为副回路，为副回路，IIII为主回路，为主回路，IIIIII为前馈回路。为前馈回路。 图图7-7 7-7 串级三冲量给水控制系统原理框图串级三冲量给水控制系统原理框图WT2(S)WDZ(S)WD1(S)KZKfnDnG?

47、G?H?DIH-HnGIG-Ig-+IT2G+H1H2IDDnDIDVGWT1(S)+下面讨论主、副调理器的参数整定问题：下面讨论主、副调理器的参数整定问题： 为保证被调量无静差，主调理器采用为保证被调量无静差，主调理器采用PIPI控制规律，副调理器采控制规律，副调理器采用用PI PI 或或P P 控制规律，副调理器接受三个输入信号，信号之间有静控制规律，副调理器接受三个输入信号，信号之间有静态配合问题，但系统的静态特性由主调理器决议，因此蒸汽流量信态配合问题，但系统的静态特性由主调理器决议，因此蒸汽流量信号并不要求与给水流量信号相等。号并不要求与给水流量信号相等。 副回路的作用主要为快速消除

48、内扰，主回路用于校正水位偏副回路的作用主要为快速消除内扰，主回路用于校正水位偏向，而前馈通路那么用于补偿外扰，主要用于抑制虚伪水位景象。向，而前馈通路那么用于补偿外扰，主要用于抑制虚伪水位景象。 1 1副回路与单级情况一样，可看作是一个随动系统，把调理副回路与单级情况一样，可看作是一个随动系统，把调理阀和管道系统作为被调对象，那么作为阀和管道系统作为被调对象，那么作为Kf Kf 以外的环节都作为等效以外的环节都作为等效调理器。调理器。WSSG SnKWSTGGzT22*g图图7-7 7-7 串级三冲量给水控制系统原理框图串级三冲量给水控制系统原理框图WT2(S)WDZ(S)WD1(S)KZKf

49、nDnG?G?H?DIH-HnGIG-Ig-+IT2G+H1H2IDDnDIDVGWT1(S)+上式阐明，副回路的等效调理器也可看作一个上式阐明，副回路的等效调理器也可看作一个PI PI 规律的调理器。规律的调理器。 g222212*GGziinKTT假设假设 的的PIPI调理规律，那么：调理规律，那么： W ST STi222111采用形如 *22211GGzTiSnKWSG ST Sg式中：式中：22为副调理器的比例带；为副调理器的比例带；Ti2Ti2为副调理器的积分时间。为副调理器的积分时间。 2 2主回路整定是建立在副回路可以等效为一个快速比例环主回路整定是建立在副回路可以等效为一个快

50、速比例环节根底上。把节根底上。把WD1(S)WD1(S)看成是被控对象，其他的环节可看成是等效调看成是被控对象，其他的环节可看成是等效调理器，那么：理器，那么：WSG SH SnWSTHGGT11*gg图图7-7 7-7 串级三冲量给水控制系统原理框图串级三冲量给水控制系统原理框图WDZ(S)WD1(S)1/nGGnD?H?DIH-HIg-+G+H1H2IDDnDIDWT1(S)+假设：假设：WST STi111111 STnSWiGGHT11*111gg也是一个也是一个PIPI规律的调理器：规律的调理器： ) 2( T=T) 1 ( 1*11*1iiHGGngg 3 3前馈通路中前馈通路中n

51、DnD的选择是基于的选择是基于“虚伪水位虚伪水位 情况而定的。前情况而定的。前馈通路中完全补偿条件为：馈通路中完全补偿条件为：gggDDDGGDGGDDnWSnWSnWSWS21211nnWSWSDGGDDD gg21 假设前馈通道的设计只思索静态补偿，且假设前馈通道的设计只思索静态补偿，且WD1(S) WD1(S) 与与WD2(S)WD2(S)的的静态比值为一常数静态比值为一常数K K，那么有：，那么有： GGDDnnKgg 其中其中K K是虚伪水位景象决议的常数，虚伪水位景象严重时，是虚伪水位景象决议的常数，虚伪水位景象严重时，K K值值大，反之大，反之K K值小。负号表示前馈调理方向与虚

52、伪水位方向相反。值小。负号表示前馈调理方向与虚伪水位方向相反。 在负荷开场变化时在负荷开场变化时, ,为使蒸汽流量信号更好地补偿虚伪水位景为使蒸汽流量信号更好地补偿虚伪水位景象象, ,改善负荷扰动时调理过程质量改善负荷扰动时调理过程质量, ,普通使蒸汽流量信号大大高于给普通使蒸汽流量信号大大高于给水流量信号水流量信号, ,即令即令K 1K 1。那么：。那么： 1 KnnKnGGGGDDggg1K n DGGDnK则若gg第六节带冲击负荷锅炉的给水控制系统第六节带冲击负荷锅炉的给水控制系统 承当冲击负荷锅炉承当冲击负荷锅炉, ,其给水控制系统主要义务是在顺应负荷要其给水控制系统主要义务是在顺应负

53、荷要求的情况下求的情况下, ,尽能够降低水位动摇尽能够降低水位动摇, ,同时使给水量的动摇不过于猛烈。同时使给水量的动摇不过于猛烈。 在一个电网中在一个电网中, ,如存在带冲击负荷的设备如大型轧钢厂如存在带冲击负荷的设备如大型轧钢厂, ,它们将给电网带来冲击负荷。它们将给电网带来冲击负荷。 这就需求某些机组频繁参与调峰这就需求某些机组频繁参与调峰, ,而这种延续的周期性的大幅而这种延续的周期性的大幅度负荷升降会引起汽包压力及过热器压力大幅度变化度负荷升降会引起汽包压力及过热器压力大幅度变化, ,呵斥水位猛呵斥水位猛烈动摇烈动摇, ,从而是虚伪数位更为严重。从而是虚伪数位更为严重。以下所引见的系

54、统能完成这一义务。以下所引见的系统能完成这一义务。 一、给水流量信号加惯性环节的三冲量给水控制系统一、给水流量信号加惯性环节的三冲量给水控制系统 这种系统与单级三冲量控制系统的区别在于它在给水流量反响这种系统与单级三冲量控制系统的区别在于它在给水流量反响回路中加了一个一阶惯性环节，所以在分析内回路时有些不同。其回路中加了一个一阶惯性环节，所以在分析内回路时有些不同。其原理方框图如图原理方框图如图7-87-8所示：所示： WT(S)WD2(S)WD1(S)KZKfnDnG?G?H?D-H-+Ig-+G+H1H2DSTG11图图7-8 7-8 给水流量加惯性的三冲量给水控制系统方框图给水流量加惯性的三冲量给水控制系统方框图 此时内回路不再是一个可以等效的比例环节，而是一个比例微此时内回路不再是一个可以等效的比例环节，而是一个比例微分环节，形如：分环节，形如： WST SnDGGG1 g 主回路中主回路中WD1(S)WD1(S)对象传送函数通常由惯性环节和积分环节构成，对象传送函数通常由惯性环节和积分环节构成，即即 ：WSTS SD11那么其等效对那么其等效对象象 ：WSS等效调理器：等效调理器： WSnTHGGgg 1 等效对象成为一个无迟延无惯性的纯积分环节，其调理效果将等效对象成为一个无迟延无惯性的纯积分环节，其调理效果将大为改善