给水系统PID控制课件

1、 给水系统给水系统PIDPID控制控制主讲：肖建勇2013年11月28日主要内容 1.1自动控制的基本知识 1.2自动控制系统的主要任务 1.3自动调节器的动作规律 2.1直流锅炉给水控制系统 （一）直流锅炉给水控制的特点与给水对象动态特性 （二）超零界锅炉的控制任务 （三）超零界直流锅炉给水控制系统 （1）给水流量控制系统 （2）给水泵转速控制回路 （3）给水泵出口压力控制系统 （4）汽水分离器储水罐水位控制系统 （四）给水控制系统的运行1.1自动控制的基本知识 为了理解自动控制系统的一般概念，首先以人工控制锅炉汽包水位为例，分析完成一个控制任务的需要哪些功能，以及这些功能在自动控制系统中是

2、如何实现的。 锅炉汽包水位控制示意如图下页所示。下图是锅炉汽包水位人工控制示意图，图中W为流入锅炉的给水流量，D为流出锅炉的蒸汽流量，h为汽包水位。水位是表征锅炉运行状态的一个重要参数。为保证锅炉的安全运行，通常希望将水位保持在某一规定的数字附近，这个数值就是汽包水位的希望值，称为水位给定值，用h0表示。水位是反映锅炉流入量与流出量是否平衡的标志，当实际水位稳定在希望值附近时，锅炉的流入量与流出量平衡，不需要调节。当锅炉负荷变化时汽包水位发生变化，操作人员必须调整给水控制阀凯迪来改变给水流量，使之与蒸汽流量平衡。 为便于分析说明上述控制过程，先介绍自动控制理论的几个常用术语。 一. 相关基本概

3、念 被调量（被控量）：表征生产过程是否正常运行并需要加以调节的物理量汽包水位H。 给定值：按生产要求被调量必须维持的希望值希望的汽包水位H0。 调节对象（被控对象）：被调节的生产过程或设备汽包或锅炉。 调节机构：可用来改变控制对象的物质或能量的装置给水调节阀。 调节量（控制量）：由调节机构改变的值用以控制被调量的变化给水流量。 扰动：引起被调量偏离给定值的各种原因 内扰：扰动包含在控制回路内部。 外扰：扰动不包含在控制回路内部。 调节作用：由调节机构控制被调量 调节任务：操作调节机构，产生调节作用，抵消扰动对被调量的影响。二.调节的基本概念及人工调节 调节：运行人员对设备进行操作、使参数保持为

4、希望的数调节：运行人员对设备进行操作、使参数保持为希望的数 人工调节：调节任务由人来完成人工调节：调节任务由人来完成 自动调节：用一整套自动控制装置来代替人工操作自动调节：用一整套自动控制装置来代替人工操作 三.自动控制系统的组成 自动控制系统是由控制对象和控制设备组成，自动控制 统包括其控制作用的自动控制装置（如变送器，调节器，执行器等）和在自动控制装置控制下运行的生产设备。自动控制系统中的各设备是通过信号的传递和转换相互联系起来的。如图1-1（b）所示的给水自动控制系统中，当负荷变化使蒸汽流量D发生变化时，汽包水位h就会发生变化，反映水位高低的测量值ih也随之变化，ih与其给定值ih0进行

5、比较得到偏差信号e0。在调解器中按预定的规律对偏差信号进行运算得到控制信号i，i在执行器中进行功率放大后推动给水控制阀，改变控制阀开度u，从而改变给水流量w，以抵消蒸汽流量变化对水位的影响。四.自动控制系统的分类 按控制系统的结构分类 （一）开环控制系统（三）复杂控制系统 按给定值进行分类 恒值调节系统 程序调节系统 随动调节系统 比值调节系统 其他分类 依照回路数目分为单回路和多回路调节系统。 依照系统性能分为线性系统和非线性系统 自动调节系统的过渡过程 1.几个基本概念 静态（稳态）：被调量不随时间变化的平衡状态。 动态：被调量随时间变化的不平衡状态。 调节过程（过渡过程）：控制系统在受到

6、某一扰动后，被调量偏离原来的稳态值产生偏差，系统的控制作用又使其趋近于原来的稳态值。 调节过程的本质就是在控制设备的控制作用下，克服扰动的影星，从动态重新进入稳态的过程。 结论：调节过程能够反映调节系统工作品质的好坏。2.阶跃输入作用下的过渡过程曲线 选用比较典型或经常出现的扰动形式作为输入，观察系统的输出。热工系统中经常使用的是单位阶跃函数来观察对象的输出，研究对象的过渡过程。 过渡过程曲线（阶跃响应曲线）：控制系统在阶跃信号的作用下，将其被调量随时间的变化规律用一条曲线来描述。以通过对过渡过程曲线的研究来评价控制系统的品质。 (a)- 非周期(inertial)调节过程， (b)- 衰减振

7、荡(attenuate oscillation)调节过程. (c)- 等幅振荡(constant oscillation)调节过程。 (d)- 渐扩振荡(divergent oscillation)调节过程3.控制过程品质指标 （1）、稳定性 指标-衰减率(decrement) 衰减率定义：131311MMMMM=1 =1 非周期的调节过程非周期的调节过程 =0 =0 等幅振荡的调节程等幅振荡的调节程0 01 1 衰减振荡的调节过程衰减振荡的调节过程0 0 渐扩振荡的调节过程渐扩振荡的调节过程越大，系统稳定程度越高。越大，系统稳定程度越高。（2） 快速性：调节过程持续时间的长短。 调节时间ts

8、：当被调量进入稳定值的 +2%或 +5%之间这个范围并不再超越出此范围时，所经历的时间为调节时间ts。（3） 准确性：被调量偏差的大小。 动态偏差Cm：调节过程中被调量偏离给定值的最大偏差值。 静态偏差C（）：调节过程结束后被调量和给定值之间的偏差。 要求：对于一个调节系统，必须首先保证其稳定性，同时兼顾调节的快速性和准确性。1.2 锅炉自动控制系统的主要任务： 根据机组的负荷要求，向汽轮机供给足够的、在规定压力和温度范围内的蒸汽，同时保证锅炉安全经济运行。（单元机组协调控制系统的基础级控制）汽包锅炉：汽包锅炉：控制燃烧控制负荷控制燃烧控制负荷控制给水控制汽包水位控制给水控制汽包水位喷水减温控

9、制蒸汽温度喷水减温控制蒸汽温度直流锅炉：直流锅炉：给水、汽温、燃烧控制密切相关，不能独立。给水、汽温、燃烧控制密切相关，不能独立。1.3 自动调节器的动作规律 1.比例调节作用（简称P作用）人工调节过程分析：正确的调节作用应使调节阀门开度的变化量与偏差e大小成比例。调节器实现（比例调节）：用e表示调节器的输入信号， 表示调节器的输出信号，则输入信号与输入信号e成正比，表示为：1pk ee或pk比例系数比例带动作规律：根据偏差的大小进行控制。根据偏差的大小进行控制。特点：a.控制及时，能有效地抑制扰动控制及时，能有效地抑制扰动快速调节。快速调节。 b.控制过程结束后有静态偏差控制过程结束后有静态

10、偏差 有差调节。有差调节。 调节过程分析： 输出信号与输入信号在数值上存在一一对应关系，输出信号迅速无迟延的反映输入信号的变化； 调节过程结束后，被调量水位比扰动前下降了，没有回到初始值，即系统存在稳态误差。2.积分调节作用（简称I作用） 问题引入： 调节过程的后期，操作人员并不再关心偏差的大小与阀门开度变化量的数值关系，而是仔细地观察偏差的方向，据此不断缓慢地调整调节阀门的开度。如果水位高了就稍关阀门;如果水位低了就稍开阀门，直到偏差为零才停止动作。有偏差就根据偏差的方向缓慢地动作，直到偏差消除为止，这个动作规律就称为积分调节。 调节规律：把调节阀门的开度变化量看成是偏差信号e对时间的积分。

11、i1eTdtiT 积分时间常数 动作规律：根据偏差的大小进行控制。 特点：a.能实现无差控制。 执行机构位移是偏差e对时间的积分，执行机构停止动作的必要条件是偏差信号e为零。 b.会造成过调，引起被控量振荡。 c.调节过程缓慢。3.微分调节作用（简称D作用） 问题引入： 右图a、c两点，偏差大小相同，方向不同，积分作用的作用相同，但亮点所代表的状态并不完全相同。 解决方案： 在C点，当发现偏差以较快的速度减小时，可知q1与q2之差已经较大，应及时减小q1，及时关小调节阀门，以期取得较好的效果。微分调节的定义：使执行机构的位移与偏差信号e的变化速度成比例。dTddedtT微分时间常数动作规律：根

12、据偏差的变化趋势进行控制。根据偏差的变化趋势进行控制。特点： a.具有具有“超前超前”偏差变化量的作用偏差变化量的作用(有迟延对象有迟延对象) 。 b.根据变化趋势进行调节，可以有效克服调节过头现象，根据变化趋势进行调节，可以有效克服调节过头现象，减小动态偏差，改善调节品质。减小动态偏差，改善调节品质。 c.过程结束后过程结束后 ，故不能，故不能单独使用。单独使用。比例调节过程1.比例调节器的动作规律(1)(1)动态方程：1pkee（2）比例带：当控制机构的位置改当控制机构的位置改变变100%时，偏时，偏差应有的改变量。差应有的改变量。（3）阶跃响应曲线杠杆阀门水箱浮球h0hh-eq12.调节

13、过程分析 杠杆的输入输出关系：0paek ebehh调节阀在杠杆的作用下，改变水箱的流入量：t0时刻负荷发生变化，流出量阶跃上升q0，即：，即：列出扰动和液位的关系：1qK20qq120dhAqqKqdt 000()ppK k eqK khhq设设h0=0，则有：，则有：001pppdhAK k hqdtAdhhqK kdtK k T=1KppAK kK k惯性时间常数 系统放大系数 =-求输出h h（t t） 结论：调节过程结束后，被调量偏离给定值的数值，系统存在稳态误差。 原因：增加流入量q1是以水位下降、偏离给定值为条件的。 关系提升：负荷扰动越大，稳态偏差越大；增加比例系数可以减少稳态

14、偏差；一个无自衡的对象加入比例作用后，能稳定下来，提升了系统的稳定性；比例系数过大，会导致系统震荡。000h()(1)(1)httTTppqtKqeeKkqtKk 趋 于 无 穷 ( )=比例积分调节规律1.比例积分调节器的动作规律 （1 1）动态方程 （2 2）阶跃响应 (3)(3)整定参数： 、Ti 。 积分时间Ti ：控制器 的输出为比例作用所造成的 变化加倍所需要的时间。1()pikeedtT0(1)pitk eT2.比例积分调节过程分析 采用PIPI调节时：011(1)PPIiPIpIk edtTqKKKqq结论：调节过程的震荡是积分作用造成的，积分作用越调节过程的震荡是积分作用造成

15、的，积分作用越强，过调越严重，过程震荡越强烈。强，过调越严重，过程震荡越强烈。比例作用是稳定因素。比例作用是稳定因素。调节后期，积分实现了无差调节。调节后期，积分实现了无差调节。比例积分微分调节过程 1.比例积分微分调节器的调节过程 （1）理想微分的PID动态方程 （2）实际微分的PID动态方程 （3）阶跃响应曲线2.比例积分微分调节过程 过程分析：把流入量看成三个部分的和。1PIDqqqq特点：微分作用能减小动态偏差，加速调节微分作用能减小动态偏差，加速调节过程。过程。微分作用在一定程度上提高了系统的微分作用在一定程度上提高了系统的稳定性稳定性对信号中的高频干扰敏感，容易造成对信号中的高频干

16、扰敏感，容易造成执行机构的频繁动作。执行机构的频繁动作。3.不同调节作用调节效果的比较2.1 直流锅炉给水控制系统一、直流锅炉给水控制的特点与给水对象动态特性给水控制的主要任务：以汽水分离器出口温度作为被调量，控制给水量以保持燃料量和给水量的适当比例，满足机组不同负荷下给水量的需求。直流锅炉给水控制的特点 湿态运行：水冷壁进入汽水分离器的工质为汽水混合物 任务：维持储水罐正常水位，保持最小安全流量干态运行：给水在水冷壁中全变为蒸汽 任务：维持分离器干态运行；控制分离器出口蒸汽的过热度任务：维持分离器干态运行；控制分离器出口蒸汽的过热度二.超临界直流炉的静态特性热力学理论认为，在22.125MP

17、a、温度374.15时，水的汽化会在一瞬间完成，即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的两相区存在，两者的参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等，因此在临界压力下无法维持自然循环，只有采用直流炉。超临界直流炉的汽水形程经历了加热、蒸发和过热三个过程，如图2.15 所示。燃水比发生变化，锅炉的各个受热面的分界就会发生移动。燃烧增强时，蒸发段和过热段的分界前移，加热段、蒸发段缩短，过热段加成，过热气温升高。给水增强时，蒸发段和过热段的分界后移，加热段、蒸发段伸长，过热段缩短，过热气温下降。控制气温的基本手段是控制控制气温的基本手段是控制燃水比燃水比。直流锅炉给水控制必须与燃。直流锅

18、炉给水控制必须与燃烧率变化相适应，这不仅是机组负荷控制的需要，也是过热汽温烧率变化相适应，这不仅是机组负荷控制的需要，也是过热汽温控制的需要。控制的需要。2.2 直流锅炉给水控制系统直流锅炉的动态特性多输入多输出的复杂控制对象。燃烧率给水流量汽机调门开度主汽压力主汽温度1. 汽机调门开度扰动（图 2-16a） 汽机扰动对锅炉是一种负荷扰动，对超临界机组的影响具有典型的耦合特性：汽机调门开度变化不仅影响了锅炉出口的压力，还影响了汽水流程的加热段，导致了温度的变化。 1) 主汽流量迅速增加，随着主汽压力的下降而逐渐下降直至等于给水流量。 2) 主汽压力迅速下降，随着主汽流量和给水流量逐步接近，主汽

19、压力的下降速度逐渐减直至稳定在新的较低压力。 3) 过热汽温一开始由于主汽流量的增加而下降，但由于过热器金属释放蓄热的补偿作用，汽温下降的并不多，最终主汽流量等于给水流量，且燃水比未发生变化，故过热汽温近似不变。 4) 由于蒸汽流量急剧增加，功率也显著上升，这部分多发功率来自锅炉的蓄热，由于燃料量没有发生变化，功率有逐渐恢复到原来的水平。2. 燃料量扰动（图2-16b） 燃料量扰动是指燃料量、送风量、引风量同时变化的一种扰动。 1) 由于给水流量保持不变，因此主汽流量最终仍保持原来的数值。但由于燃料量的增加而导致加热段和蒸发段缩短，锅炉中贮水量减少，因此主汽流量在燃料量扰动后经过一段时间的延迟

20、会有一个上升的过程。 2) 主汽压力在短暂的延迟后逐渐上升，最后稳定在较高的水平。最初的上升是由于主汽流量的增大，随后保持在较高的水平是由于过热汽温的升高，蒸汽容积流量增大，而汽机调速阀开度不变，流动阻力增大所致。 3) 过热汽温一开始由于主汽流量的增加而略有下降，然后由于燃料量的增加而稳定在较高的水平。 4) 功率最初的上升是由于主汽流量的增加，随后的上升是由于过热汽温（新汽焓）的增加。3. 给水流量的扰动（图2-16c）1) 随着给水流量的增加，主汽流量也会增大。但由于燃料量不变，加热段和蒸发段都要延长。在最初阶段，主汽流量只是逐步上升，在最终稳定状态，主汽流量必将等于给水流量，稳定在新的

21、平衡点。2) 主汽压力开始随着主汽流量的增加而增加，然后由于过热温的下降而有所回落。3) 过热汽温经过一段较长时间的延迟后单调下降直至稳定在较低的数值。4) 功率最初由于蒸汽流量的增加而增加，随后则由于气温降低而减少。因为燃料量未变，所以最终的功率基本不变，只是由于蒸汽参数的下降而稍低于原有水平。 直流锅炉给水控制系统总结：1.负荷扰动时，汽压变化快，幅度大。因为直流炉没有汽包，蓄热能力小。给水不变，气温变化小。2.单独改变燃烧率或给水流量是，汽温、汽压、蒸汽流量都要明显改变，尤其是汽温，而且汽温变化的延迟比较大。因此，变负荷过程中，给水量必须与燃料量保持适当比例协调动作。3.由于过热器出口气

22、温延迟过大，不宜作为燃水比的校正信号，因此，一般取汽水分离器出口温度作为中间点温度，来校正给水或燃料量。三.超零界锅炉的控制任务超临界直流锅炉主要输出量为汽温、汽压和蒸汽流量（负荷），主要输入量是给水量、燃烧率和汽机调门开度如图2-4 所示。由于是强制循环且受热区段之间无固定界限，一种输入量扰动则将对各输出量产生影响，如单独改变给水量或燃料量，不仅影响主汽压与蒸汽流量，过热器出口汽温也会产生显著的变化，所以比值控制（如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等）和变定值、变参数调节是直流锅炉的控制特点。超临界机组的控制任务：1) 快速、准确响应负荷并维持主汽压在一定的范围内，使锅炉的蒸发

23、量适应负荷的需求；2) 维持过热气温和再热气温在一定的范围内；3) 维持燃烧的经济性；4) 维持炉膛负压；锅炉给水控制系统的主要任务超临界发电机组没有汽包，锅炉给水控制系统的主要任务不再是控制汽包水位；而是以汽水分离器出口温度或焓值作为表征量，保证给水量与燃料量的比例不变，满足机组不同负荷下给水量的需求。当给水量或燃料量扰动时，汽水行程中各点工质焓值的动态特性相似；在锅炉的燃水比保持不变时（工况稳定），汽水行程中某点工质的焓值保持不变，所以采用微过热蒸汽焓代替该点温度作为燃水比校正是可行的，其优点在于：1) 分离器出口焓（中间点焓）值对燃水比失调的反应快，系统校正迅速。2) 焓值代表了过热蒸汽

24、的做功能力，随工况改变焓给定值不但有利于负荷控制，而且也能实现过热汽温（粗）调整。3) 焓值的物理概念明确，用“焓增”来分析各受热面的吸热分布更为科学。它不仅受温度变化影响，还受压力变化影响，在低负荷压力升高时（分离器出口温度有可能进入饱和区），焓值的明显变化有助于判断，进而能及时采取相应措施。因此，静态和动态燃水比值及随负荷变化的焓值校正是超临界直流锅炉给水系统的主要控制特征。锅炉给水系统的控制策略给水控制系统原理图如2-6。在机组燃烧率低于35%BMCR、锅炉出处于非直流运行方式，分离器处于湿态运行，分离器中的水位由分离器至除氧器以及分离器至扩容器的组合控制阀进行调节，给水系统处于循环工作

25、方式。在机组燃烧率大于35%BMCR 后，锅炉逐步进入直流运行状态，此时的给水控制是燃水比调节。1. 汽水分离器水位调节分离器水位通过改变锅炉给水量来实现。当发生水膨胀时，由调节阀来辅助控制分离器水位。根据锅炉汽水分离器贮水灌得水位，按比例控制锅炉汽水分离器贮水灌水位调节阀开度。贮水灌水位在11.3 米以下，贮水灌水位调节阀全关；贮水灌水位达到15.4 米以上，贮水灌调节阀全开。下列情况锅炉汽水分离器贮水灌水位控制强制手动：贮水灌水位控制阀交流电源失去；贮水灌水位控制阀直流电源失去；控制指令信号故障；分离器贮水灌压力信号故障；分离器注水罐水位信号故障。图图2-6 给水控制系统原理图给水控制系统

26、原理图2. 燃水比调节1) 一级减温器前后温差如果各受热面的吸热比例不变，过热器出口焓值为一常数，那么减温器后蒸汽焓值也是一个常数，与负荷无关，保持减温器前后温差为一常数，也就间接保持了减温器前蒸汽温度为一常数，相当于用减温器前微过热汽温作为校正燃水比信号。由于在运行过程中上、下排喷燃器的切换以及蒸汽吹灰的投入与否。过热器属于对流过热或热辐射的吸热特性等诸多因素，锅炉受热面在不同负荷时的吸热比例变化比较大，若要保持微过热段汽温和各级减温器出口汽温为定值，则各级喷水量变化就比较大。为了克服上述缺点，采用保持减温器前后温差的调节系统与直接调节微过热段汽温调节系统相比，其调节品质有降低，但有改善一级

27、减温器工作条件的优点。2) 总给水量A 侧一级减温水流量、B 侧一级减温水流量、A 侧二级减温水流量和B 侧二级减温水流量经平滑处理相加得总喷水流量。三个主给水流量信号经主动给水温度修正后三取中，得主给水量。总喷水流量与主给水量相加得总给水流量。3) 控制策略A、B 两侧一级减温器前后温差二取一，与负荷经f(x)形成的要求值进行比较，偏差送入温差PID控制器，其输出与调速级压力、平均温度等前馈量相加，作为焓值设定值与用分离器出口温度和出口压力计算出的焓值比较，偏差送入焓值PID 调解器，输出加上燃料偏差作为给水量的要求值，与实际总水量的偏差送入给水调解器，产生给水指令。给水指令经平衡算法，送入

28、2台汽泵和1台电泵，去控制给水量。当汽泵A、B都自动时，可手动给定泵的偏差量，以承担不同负荷要求。当A、B有手动时，自动生成偏置，实现两泵的平衡。而电泵只能手动给定泵的偏置量。4) 给水泵转速控制在给水泵控制系统中，给水主控发出的给水需求指令，被送到给水转速控制器，通过改变给水泵转速来维持给水流量。5) 给水调节门控制给水调节门不直接调节给水流量，调节门仅控制给水母管压力。当给水母管压力发生偏差时，通过给水调节门的调节来维持给水母管压力，以保证对过热器的喷水压力。6) 给水泵最小流量控制电动给水泵和汽动给水泵都设计有最小流量控制系统，通过给水再循环，保证给水泵出口流量不低于最小流量设定值，以保

29、证给水泵设备安全。给水泵最小流量控制系统通常为单回路调节系统，流量测量一般采用二取一。给水泵最小流量控制系统仅工作在给水泵启动和低负荷阶段；锅炉给水量只要大于最小流量定值，给水再循环调节阀门就关闭。最小流量给水再循环调节阀通常设计为反方向动作即控制系统输出为0时，阀门全开；输出为100时，阀门全关。这样在失电或失去气源时，阀门全开，可保证设备的安全。直流锅炉给水控制系统超临界直流锅炉给水控制系统v给水流量控制系统给水流量控制系统v给水泵出口压力控制给水泵出口压力控制v给水泵流量再循环控制给水泵流量再循环控制v储水罐水位控制系统储水罐水位控制系统2.2 直流锅炉给水控制系统给水流量控制系统 给水流量指令形成回路给水泵转速控制回路副调节器副调节器PID2：维持给水流量维持给水流量为给定值，保为给定值，保持合适的燃水持合适的燃水比比主调节器主调节器PID1：被调量为中间被调量为中间点温度。输出点温度。输出对对PID2的给定的给定值进行校正。值进行校正。迟延环节：目迟延环节：目的是当的是当PB增加增加时，先加燃料，时，先加燃料，后加水。后加水。f1x：间接：间