热工控制系统课堂_第五章串级控制系统

1、第五章串级控制系统第五章串级控制系统单回路控制系统单回路控制系统-各种复杂控制系统基础，并被广泛应用各种复杂控制系统基础，并被广泛应用; ; 但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数提出越来越严格要求；对工业参数提出越来越严格要求； 而且生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯而且生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性增大，使得单回路控制显得无能为力，因而产生许多新的、复性增大，使得单回路控制显得无能为力，因而产生许多新的、复杂的控制系统：杂的控制系统：串级控制串级控制、导前微分控制、导前微分控制、复

2、合控制复合控制、分段控制分段控制、多变量控制多变量控制第一节第一节 串级控制系统的组成串级控制系统的组成第二节第二节 串级控制系统的特点串级控制系统的特点第三节第三节 串级控制系统主副回路和主副调节器选择串级控制系统主副回路和主副调节器选择第四节第四节 串级控制系统实例分析过热蒸汽温度串级控制串级控制系统实例分析过热蒸汽温度串级控制本章章节本章章节第一节串级控制系统的组成第一节串级控制系统的组成 下面举两例说明串级控制系统的组成：下面举两例说明串级控制系统的组成： 例一例一 电厂汽包锅炉蒸汽压力和燃料控制系统电厂汽包锅炉蒸汽压力和燃料控制系统 控制过程为：燃料输送器控制过程为：燃料输送器阀门开

3、度变化将使风和煤粉按阀门开度变化将使风和煤粉按一定的比例进入炉膛。如果一定的比例进入炉膛。如果 开大开大, ,则则QrQr、以及、以及P PM M 都随之都随之,因此把母管的压力作为一个因此把母管的压力作为一个主信号反馈到调节器主信号反馈到调节器T T1 1, , 这时这时T T1 1 可直接去控制阀门使可直接去控制阀门使 ,与与P PM M 也随之也随之,最后可使最后可使P PM M 维持在一个希望值上。维持在一个希望值上。 为了提高控制质量为了提高控制质量, ,往往再取一个对燃烧率变化反映快的信号往往再取一个对燃烧率变化反映快的信号, ,比如热量信号比如热量信号Q Qr r 作为反馈信号作

4、为反馈信号, ,相应地再增加一个调节器相应地再增加一个调节器T T2 2 , ,这样这样就组成了一个新的控制系统。就组成了一个新的控制系统。 图图5-1 5-1 压力燃料控制系统原理框图压力燃料控制系统原理框图 压力调节压力调节器器燃料调燃料调节器节器执行机构执行机构阀门阀门炉膛炉膛汽压汽压对象对象测量变送器测量变送器压力变送器压力变送器压力压力定值定值内扰内扰外扰外扰QrQr- - -PMPM 但由于燃烧率的变化反映到但由于燃烧率的变化反映到P PM M 的变化过程速度很慢的变化过程速度很慢, ,迟延时间迟延时间大大, ,因而这样组成的单回路控制系统必会使动态偏差很大因而这样组成的单回路控制

5、系统必会使动态偏差很大, ,控制品控制品质下降。质下降。 这个控制系统由两个调节器串接在一起工作这个控制系统由两个调节器串接在一起工作, ,因此称为串级控因此称为串级控制系统制系统, ,其原理方框图如图其原理方框图如图5-15-1所示。所示。 例二、汽包锅炉过热蒸汽的温度控制系统例二、汽包锅炉过热蒸汽的温度控制系统 汽包锅炉蒸汽温度控制系统结构如下图所示：汽包锅炉蒸汽温度控制系统结构如下图所示： 若采用单回路调节，只取若采用单回路调节，只取 1 1一个温度信号到调节器去控制减温一个温度信号到调节器去控制减温水阀门开度水阀门开度 ，由于汽温对象的大滞后和大惯性，无法得到令人满，由于汽温对象的大滞

6、后和大惯性，无法得到令人满意的控制品质。为此再取一个控制中间温度信号意的控制品质。为此再取一个控制中间温度信号 2 2，增加一个调节，增加一个调节器，组成串级控制系统如图器，组成串级控制系统如图5-25-2所示：所示： 温度调温度调节器节器温度调温度调节器节器执行机构执行机构阀门阀门减减温温器器过热过热器器温度变送器温度变送器温度变送器温度变送器温度温度定值定值- - - 2 2内扰内扰 图图5-2 5-2 过热蒸汽温度控制原理方框图过热蒸汽温度控制原理方框图 主参数主参数( (主变量主变量) )：串级控制系统中起主导作用的那个被调节参串级控制系统中起主导作用的那个被调节参数称为主参数。例一中

7、是母管蒸汽压力数称为主参数。例一中是母管蒸汽压力P PM M，例二中是过热蒸汽温度，例二中是过热蒸汽温度( (高温段高温段)1 1。( (返回例一返回例一, ,返回例二返回例二) ) 串级控制系统有两个调节器，它们的作用是完全不同的。为了串级控制系统有两个调节器，它们的作用是完全不同的。为了说明这个问题，下面介绍串级控制系统的说明这个问题，下面介绍串级控制系统的有关概念有关概念： 副参数副参数( (副变量副变量) )：其给定值随主调节器的输出而变化，能提前其给定值随主调节器的输出而变化，能提前反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是一个为了提高控反映主信号数值变化的中间参数称为副参数。这是

8、一个为了提高控制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量制质量而引进的辅助参数。例一中为锅炉热量Q Qr r ，例二中为蒸汽，例二中为蒸汽温度（低温段）温度（低温段） 2 2。 主调节器主调节器( (主控制器主控制器) )：根据主参数与给定值的偏差而动作根据主参数与给定值的偏差而动作, ,其其输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器输出作为调节器的给定值的那个调节器称为主调节器, ,如压力调节如压力调节器器, ,温度调节器。温度调节器。 主回路主回路( (外回路外回路) )：断开副调节器的反馈回路后的整个外回路断开副调节器的反馈回路后的整个外回路称为主回路。称为主回路。 副调节器副调节器(

9、 (副控制器副控制器) )：其给定值由主调节器的输出决定其给定值由主调节器的输出决定, ,并根并根据副参数对给定值据副参数对给定值( (即主调节器输出即主调节器输出) )的偏差动作的那个调节器称为的偏差动作的那个调节器称为副调节器副调节器, ,如燃料调节器如燃料调节器, ,温度调节器。温度调节器。 副对象副对象( (导前区导前区) )：副参数所处的那一部分工艺设备副参数所处的那一部分工艺设备, ,它的输入它的输入信号为主调节器输出信号信号为主调节器输出信号, ,其输出信号为副参数（副变量）。其输出信号为副参数（副变量）。 主对象主对象( (惰性区惰性区) )：主参数所处的那一部分工艺设备主参数

10、所处的那一部分工艺设备, ,它的输入它的输入信号为副变量信号为副变量, ,输出信号为主参数（主变量）。输出信号为主参数（主变量）。 副回路副回路( (内回路内回路) )：由副参数、副调节器及其所包括的一部分对由副参数、副调节器及其所包括的一部分对象等环节所组成的闭合回路称作副回路，副回路有时还称随动回路。象等环节所组成的闭合回路称作副回路，副回路有时还称随动回路。第二节第二节 串级控制系统的特点串级控制系统的特点 总体上看总体上看, ,串级控制系统仍然是一个串级控制系统仍然是一个定值控制系统定值控制系统, ,主参数在干主参数在干扰作用下的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形扰作用下

11、的控制过程与单回路控制系统的过程具有相同的指标和形式式, ,但与单回路控制系统比较但与单回路控制系统比较, ,串级控制系统具有以下特点：串级控制系统具有以下特点： 一、串级系统具有很强的克服内扰的能力一、串级系统具有很强的克服内扰的能力把串级控制系统用方框图表示成一般形式把串级控制系统用方框图表示成一般形式, ,如图如图5-35-3所示。所示。 WT1(S)WT2(S)WZ(S)Wf(S)WD2(S)WD1(S)Wm1(S)Wm2(S)-X1X2Z2Y2Y1 图图5-3 5-3 串级控制系统原理方框图串级控制系统原理方框图 图中图中Z Z2 2是进入副环的扰动，从副回路看，传递函数为：是进入副

12、环的扰动，从副回路看，传递函数为： 这里要注意的是扰动这里要注意的是扰动Z Z2 2 除了能直接影响副参数以外，又通过除了能直接影响副参数以外，又通过W WD1D1影响主参数。影响主参数。 SWSWSWSWSWSWSWSzSySWZmDfTDfD22222221(5-1)WT1(S)WT2(S)WZ(S)Wf(S)WD2(S)WD1(S)Wm1(S)Wm2(S)-X1X2Z2Y2Y1 图图5-3 5-3 串级控制系统原理方框图串级控制系统原理方框图输出对于扰动输出对于扰动Z Z2 2的传递函数：的传递函数： 输出对输入输出对输入x x1 1的传递函数：的传递函数： WSy Sz SWS WSW

13、S WS WS WS WS W SZDDTTDDmZ21212121211(5-2)WSySxSWS WS WS WSWS WS WS WS WS WSXTTDDTTDDmZ1111212121211(5-3)WT1(S)WT2(S)WZ(S)Wf(S)WD2(S)WD1(S)Wm1(S)Wm2(S)-X1X2Z2Y2Y1 图图5-3 5-3 串级控制系统原理方框图串级控制系统原理方框图 对于一个定值系统，扰动造成的影响应该越小越好对于一个定值系统，扰动造成的影响应该越小越好, ,而定值部而定值部分应尽量保持恒定，因此，式分应尽量保持恒定，因此，式5-25-2越接近于越接近于0 0，式，式5-

14、35-3越接近于越接近于1 1（令（令WmWm1 1 1 1），则控制系统性能越好。），则控制系统性能越好。现有现有 即为两个调节器的乘积。即为两个调节器的乘积。 W SW SW SW SXZTT1212 WSWSy Sx Sy SzSXZ121112 也即用以表征克服干扰能力的式子：也即用以表征克服干扰能力的式子： 的值越的值越大越好。大越好。 W SK W SKTTTT1122,则：则： 212111TTKKSzSySxSy如果如果一般有：一般有：121TTTKKK 所以可得出如下结论：所以可得出如下结论：系统的开环放大倍数越大，稳态误差越系统的开环放大倍数越大，稳态误差越小，克服干扰的能

15、力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个优点越显著。这个优点越显著。 若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子：若采用单回路控制系统则其表征克服干扰能力的式子： ySxSySzSWKTT111211 二、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对二、串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系统的工作频率象动态特性，提高系统的工作频率 设对象是惯性环节设对象是惯性环节, ,其它均为比例环节其它均为比例环节, , 即：即：WSKT SWSKT SWSKWSKWSKWSKzWKWKDDTTTTffzmmmm2

16、221111122112211（5-4）由图由图5-35-3得：得： W Sy Sx SW S W S WS W SW S W S WSWS W SbTfDzTfDmz222222221（5-5）则有：则有： WSK KK KKK K KKTKK K KKSbzTfTfmzTfmz2222222222111令：令：KK K K KK K K KKTTK K K KKbzTfTfmzbTfmz2222222222211,则：则： WSKTSbbb2221 由此看出，由此看出，T Tb2b2T T2 2，也即内回路闭环传递函数的时间常数小于，也即内回路闭环传递函数的时间常数小于不加控制前的传递函数

17、中的时间常数。从而改善了动态特性。原因不加控制前的传递函数中的时间常数。从而改善了动态特性。原因在于原来的被控对象是在于原来的被控对象是W WD2D2与与W WD1D1串联，加上副调节器后变成串联，加上副调节器后变成W Wb2b2与与W Wb1b1串联，总的惯性时间减小了。串联，总的惯性时间减小了。 由于系统的时间常数变小了，它的工作频率将有所提高，证明由于系统的时间常数变小了，它的工作频率将有所提高，证明如下：如下： WT1(S)WT2(S)WZ(S)Wf(S)WD2(S)WD1(S)Wm1(S)-X1Z2Y2Y2图图5-4 5-4 串级控制系统简化方框图串级控制系统简化方框图从图从图5-4

18、5-4简化的方框图可得系统特征方程式：简化的方框图可得系统特征方程式： 1012211WS WS W S WS WS WSTTzDDm(5-6)将式将式5-1(W5-1(WD2D2(S)(S)代入式代入式5-65-6并化简得：并化简得： 0111221222SWSWSWSWSWSWSWSWSWSWSWSWmDDfzTTmDfzT将式将式5-45-4代入上式并化简得：代入上式并化简得： T T STTKK K KK T SKK K KKKKK K KK KTzfmTzfmTTzfm1221222212221211210(5-7)化成二阶系统的标准形：化成二阶系统的标准形： SS200220211

19、22221021TTTKKKKKTTmfzT串串由式由式5-75-7可得：可得：则：则：串串串串串211121122221202TTTKKKKKTTmfzT同法求得单回路控制系统的工作频率同法求得单回路控制系统的工作频率 ：单单单11221212TTT T2112222122221211222211111TTTKKKKKTTKKKKKTTTTTKKKKKTTmfzTmfzTmfzT单串假定串级、单回路控制以同样衰减率工作，即令：假定串级、单回路控制以同样衰减率工作，即令： 串单显然：显然： 由此可见，串级控制系统由于改善了对象的特征，从而使整个由此可见，串级控制系统由于改善了对象的特征，从而使

20、整个系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，且副控制器的系统的工作频率比单回路系统的工作频率有所提高，且副控制器的放大倍数放大倍数K KT T2 2越大，工作频率越高。越大，工作频率越高。单串单串 , 1（5-8） 这一特点还说明即使在外扰作用下这一特点还说明即使在外扰作用下, ,由于副回路减小了对象的由于副回路减小了对象的时间常数时间常数, ,使整个系统的工作频率得以提高，因此仍能改善整个系使整个系统的工作频率得以提高，因此仍能改善整个系统过度过程的品质。统过度过程的品质。 三、串级控制系统具有一定的自适应能力三、串级控制系统具有一定的自适应能力 串级控制系统主回路是一个串级控制系统主

21、回路是一个定值系统定值系统，其副回路是一个，其副回路是一个随动系随动系统统，它的定值是主调节器的输出，是一个变化量，主调节器按照被，它的定值是主调节器的输出，是一个变化量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值，控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器的给定值，副调节器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性，副调节器使系统时间常数缩短，能很快克服扰动，改善动态特性，这就是一种自适应能力。这就是一种自适应能力。 而采用单回路控制系统就没有这种随动控制系统的作用。这而采用单回路控制系统就没有这种随动控制系统的作用。这种自适应能力可以从系统的稳态

22、偏差上看出来。种自适应能力可以从系统的稳态偏差上看出来。 图图5-55-5为一个串级控制系统，主、副调节器若都用为一个串级控制系统，主、副调节器若都用P P 调节，由调节，由控制理论，系统输出量的稳态偏差计算如下：控制理论，系统输出量的稳态偏差计算如下：KT2WD2(S)WD1(S)KT1Y2Y1Z2X1- 图图5-5 5-5 串级控制的特殊形式串级控制的特殊形式 把副回路看成是一个动态环节，这个环节的输出为：把副回路看成是一个动态环节，这个环节的输出为： 222222222211xSWKSWKzSWKSWyDTDTDTD令令: : WSKWSKWSbTDTD222221则有：则有： 1212

23、222121( )1( )11DDzTDTbDWSWSy SWSz SKWSKWSWS 假定假定Z2 Z2 是一个单位阶跃扰动，系统输出量的稳态值大小就能是一个单位阶跃扰动，系统输出量的稳态值大小就能体现出稳差偏差的大小。为便于计算，设体现出稳差偏差的大小。为便于计算，设 均是比例增均是比例增益为益为1 1的惯性环节，有：的惯性环节，有： WS WSDD12, SWSWKSzSSWKSWSWSSzSWSSyDbTDTDDz1212222122111,0lim0lim代入各环节的值，最后结果为：代入各环节的值，最后结果为： 212111TTTKKKy 若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法

24、，可以得到若采用单回路控制，在同样条件下采用同样的方法，可以得到它的稳态输出为：它的稳态输出为： yKT1111 因此，因此，y1() y1() y1()y1()，也就是说，串级系统的稳态偏差，也就是说，串级系统的稳态偏差比单回路系统的稳态偏差要小得多，其原因在于前者具有一定的自比单回路系统的稳态偏差要小得多，其原因在于前者具有一定的自适应能力。适应能力。 第三节第三节 串级控制系统主副回路和串级控制系统主副回路和主副调节器选择主副调节器选择 一、主副回路的选择原则一、主副回路的选择原则 、副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变、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

25、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；副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定； 、主副对象的时间常数应适当匹配。串级系统与单回路系统、主副对象的时间常数应适当匹配。串级系统与单回路系统相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关相比，其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的，原则是两者相差大一些，效果好一些。的，原则是两者相差大一些，效果好一些。 、选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量、选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包

26、括进去，以尽量减少他们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力；减少他们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力； 由式由式5-85-8可知，在一定的系统中，若可知，在一定的系统中，若 确确定，可作出函数：定，可作出函数： 1222K K K K KTzfmfTTKK K KKT TT TTzfm122221212111 串单由上式关系可作出函数曲线图如图由上式关系可作出函数曲线图如图5-65-6所示：所示：T1/T2单串061022610图图5-6 5-6 串串/ /单与单与T T1 1/T/T2 2 的关系曲线的关系曲线 同时，同时，T T2 2过小，将导致副环过于敏感而不稳定。在选择副回路过小，将导

27、致副环过于敏感而不稳定。在选择副回路时，一般取时，一般取T T1 1/ /T T2 22 2 6 6（或（或3 3 1010）较合适。）较合适。 T1/T2单串061022610图图5-6 5-6 串串/ /单与单与T T1 1/T/T2 2 的关系曲线的关系曲线 从图从图5-65-6可见，串级控制系统频率增长的速度，在主、副对象可见，串级控制系统频率增长的速度，在主、副对象时间常数的时间常数的比值比值T T1 1/T/T2 2较小时最为显著较小时最为显著；一方面我们希望一方面我们希望T T2 2小一点可以使副回路灵敏些；小一点可以使副回路灵敏些； 另一方面，另一方面，T T2 2过小，必然使

28、比值过小，必然使比值T T1 1/ /T T2 2加大，此时对提高系统加大，此时对提高系统的工作频率意义不大；的工作频率意义不大； 1 1、当、当T T1 1/ /T T2 2 1010时，表明时，表明T T2 2很小，副回路包括的干扰因素越来很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。越少，副回路克服干扰能力强的优点未能充分利用。 2 2、当、当T T1 1/ /T T2 2 3 3时，表明时，表明T T2 2过大，副回路包括的干扰多，控制作过大，副回路包括的干扰多，控制作用不及时。用不及时。 3 3、当、当T T1 1/ /T T2 2 1 1时，主副对象之

29、间的动态联系十分紧密，如果时，主副对象之间的动态联系十分紧密，如果在干扰作用下在干扰作用下 主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是所谓的这样，两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是所谓的“共振共振效应效应”，显然应力求避免。，显然应力求避免。二、主、副回路调节器调节规律的选择原则二、主、副回路调节器调节规律的选择原则 、主参数控制质量要求不十分严格，同时对副参数的要求也、主参数控制质量要求不十分严格，同时对副参数的要求也不高时，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均不高时，为使两者兼顾而

30、采用串级控制方式时，主、副调节器均可采用比例控制。可采用比例控制。 、主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主、副调节、主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主、副调节器采用比例积分形式。器采用比例积分形式。 、要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），、要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节器可采用比例形式，主调节器采用比例积分形式。此时副调节器可采用比例形式，主调节器采用比例积分形式。第四节第四节 串级控制系统实例分析串级控制系统实例分析过热蒸汽温度串级控制过热蒸汽温度串级控制一、过热蒸汽温度控制的任务一、过热蒸汽温度控制的任务 过热蒸汽温度控制的任务过热

31、蒸汽温度控制的任务: :维持过热器出口蒸汽温度在允维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工许的范围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。作温度。 过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，一般规过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度最高点，一般规定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值定过热蒸汽的温度上限不能高于其额定值+5+5。 如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，据估计，汽温估计，汽温每降低每降低55，热经济性将下降约，热经济性将下降约1%1%； 且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，

32、甚至使之带水，严且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽湿度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机的安全运行。重影响汽轮机的安全运行。 一般规定过热汽温下限不低于其额定值一般规定过热汽温下限不低于其额定值1010。通常，高参数。通常，高参数电厂都要求保持过热汽温在电厂都要求保持过热汽温在530530545 545 的范围内。的范围内。二、过热蒸汽温度控制对象的动态特征性二、过热蒸汽温度控制对象的动态特征性 影响汽温变化的扰动因素很多，例如蒸汽负荷，烟气温度和流影响汽温变化的扰动因素很多，例如蒸汽负荷，烟气温度和流速，给水温度，炉膛热负荷，送风量，给水母管压力和减温水量。速，给水温度，炉膛热负荷，送风量，给水母

33、管压力和减温水量。 蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后蒸汽从汽包出来以后通过过热器的低温段，至减温器，然后再到过热器的高温段，最后至汽轮机。再到过热器的高温段，最后至汽轮机。 归纳归纳: 蒸汽流量蒸汽流量，烟气传热量烟气传热量和和减温水减温水三个方面的扰动。三个方面的扰动。、蒸汽扰动下对象的动态特性、蒸汽扰动下对象的动态特性 引起蒸汽流量扰动的原因有两个引起蒸汽流量扰动的原因有两个: : 结构不同的过热器，在相同蒸汽流量扰动下，汽温变化的动结构不同的过热器，在相同蒸汽流量扰动下，汽温变化的动态特性是不同的。态特性是不同的。一是蒸汽母管压力变化；一是蒸汽母管压力变化；二是汽轮机

34、调速汽门的开度变化。二是汽轮机调速汽门的开度变化。 对于对流式过热器的出口温度对于对流式过热器的出口温度, ,随着蒸汽流量随着蒸汽流量的增加的增加, ,通过通过过热器的烟气量也增加过热器的烟气量也增加, ,此时汽温升高此时汽温升高; ; 对于辐射式过热器对于辐射式过热器, ,蒸汽流量蒸汽流量增加时增加时, ,炉膛温度升高较少炉膛温度升高较少, ,炉炉膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需的热量要少膛辐射给过热器受热面的热量比蒸汽流量的增加所需的热量要少, ,因此辐射式过热器的出口汽温反而会下降。因此辐射式过热器的出口汽温反而会下降。其静特性如图其静特性如图5-75-7所示：所示：D D

35、（t/h)t/h)（）100%100%0 0350350500500550550对流式对流式辐射式辐射式 图图5-7 5-7 对流与辐射过热器出口汽温变化静特性对流与辐射过热器出口汽温变化静特性 实际生产中，通常把两种过热器结合使用，还增设实际生产中，通常把两种过热器结合使用，还增设“屏式过热屏式过热器器”，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量要多，因，且对流方式下吸收的热量比辐射方式下吸收的热量要多，因此综合而言，过热器出口汽温是随流量的增加而升高的。此综合而言，过热器出口汽温是随流量的增加而升高的。对象动态特性的特点是对象动态特性的特点是有延迟有延迟，有惯性有惯性且有且有自平衡能力

36、自平衡能力。、烟气扰动下过热器温对象的动态特性、烟气扰动下过热器温对象的动态特性 烟气传热量扰动引起的原因很多：烟气传热量扰动引起的原因很多：t()图图5-85-8烟气流量变化对过热汽温的影响烟气流量变化对过热汽温的影响 尽管引起烟气传热量扰动的原因很多，但对象特征总的特点尽管引起烟气传热量扰动的原因很多，但对象特征总的特点是：是：有延迟有延迟、有惯性有惯性、有自平衡能力有自平衡能力。其特性曲线如下图其特性曲线如下图5-85-8所示：所示： 给粉机给粉不均匀给粉机给粉不均匀；煤中水分改变煤中水分改变；蒸发受热面结渣蒸发受热面结渣；过剩；过剩空气系数改变；空气系数改变；汽包给水温度变化汽包给水温

37、度变化；燃烧火焰中心位置的改变等；燃烧火焰中心位置的改变等. 烟气侧来的扰动量使沿整个长度的过热器的传热量发生变烟气侧来的扰动量使沿整个长度的过热器的传热量发生变化，所以汽温变化反映较快，延迟时间只有化，所以汽温变化反映较快，延迟时间只有10102020秒。秒。烟气传烟气传热量扰动热量扰动可以用来作为调节量信号。可以用来作为调节量信号。、减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性、减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性 常用减温方法常用减温方法: :喷水式减温喷水式减温和和表面式减温表面式减温; ;前者效果比后前者效果比后者好。者好。安装安装: :末级过热器高温段前面末级过热器高温段前面; ;作用作用

38、: :保护过热器高温段保护过热器高温段; ;改善了调节性能改善了调节性能; ; 过热器的这种安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相过热器的这种安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比比, ,延迟时间能减小延迟时间能减小1/41/4。 减温水量扰动下的对象特征曲线见图减温水量扰动下的对象特征曲线见图5-95-9。其特点是。其特点是有延有延迟迟，有惯性有惯性和有和有自平衡能力自平衡能力。延迟时间约为。延迟时间约为30306060秒。秒。t()图图5-9 5-9 减温水量变化对过热汽温的影响减温水量变化对过热汽温的影响 就就/ /T TC C 值而言，减温水量扰动时其值最大，烟气扰动下值而言，减温水量扰

39、动时其值最大，烟气扰动下次之，蒸汽流量扰动时为最小。次之，蒸汽流量扰动时为最小。 减温水量是经常使用的调节量。减温水量是经常使用的调节量。 综上综上, ,汽温对象在各种扰动下都有延迟汽温对象在各种扰动下都有延迟, ,有惯性有惯性, ,有自平衡有自平衡能力。能力。三、汽温串级控制系统的结构三、汽温串级控制系统的结构 过热蒸汽温度采用过热蒸汽温度采用直接喷水式直接喷水式控制控制, ,即即通过改变减温水阀门开度通过改变减温水阀门开度来改变减温水量来改变减温水量, ,控制蒸汽温度。控制蒸汽温度。为了防止减温水喷水阀漏流的影响为了防止减温水喷水阀漏流的影响, ,专门设置了专门设置了降温闭锁阀降温闭锁阀。

40、 采用串级控制系统，系统中有主副两个调节器，过热器出口温采用串级控制系统，系统中有主副两个调节器，过热器出口温度测量值作为主信号。度测量值作为主信号。 减温器出口信号是导前信号，主调节器的输出作为副调节器减温器出口信号是导前信号，主调节器的输出作为副调节器的定值。的定值。实际系统应正确接线实际系统应正确接线, ,使主调节器正反作用与实际要求相符。使主调节器正反作用与实际要求相符。WT1(S)WT2(S)KZKfWD1(S)WD2(S)Km1Km2f(x)V2-VT1+-+V1VT2Gj12V2图图5-10 5-10 串级控制系统原理方框图串级控制系统原理方框图 汽机第一级压力经函数组件汽机第一

41、级压力经函数组件f(x) f(x) 修正后作为主调节器的定值，修正后作为主调节器的定值，可以保证在不同工况下起动时，升温速度有所不同，从而保证机组可以保证在不同工况下起动时，升温速度有所不同，从而保证机组安全运行。安全运行。其原理方框图如图其原理方框图如图5-105-10所示：所示： 断开主调节器，按单回路方法整定副调节器。断开主回路的原断开主调节器，按单回路方法整定副调节器。断开主回路的原理框图如图理框图如图5-115-11所示：所示： WT2（S）WD2（S）KfKZKm22I2IT1IT2- 图图5-11 5-11 汽温串级控制系统副回路汽温串级控制系统副回路 把阀门和减温器看作一体为广

42、义对象，其它部分均视作等效调把阀门和减温器看作一体为广义对象，其它部分均视作等效调节器。则广义对象的传递函数为：节器。则广义对象的传递函数为：WSKWSDfD22*等效调节器的传递函数为：等效调节器的传递函数为：WSSSKKWSTmzT2222*四、系统中调节器参数的整定步骤四、系统中调节器参数的整定步骤若若W WT2T2（S S）采用比例调节器且比例带为）采用比例调节器且比例带为2 2，比例系数为，比例系数为K KT2T2 则：则： W SKK W SK KTmzTmz2222221*222*KKmz 对于主汽温被控对象对于主汽温被控对象, ,特点为有自平衡。据第四章特点为有自平衡。据第四章

43、, ,只要求出、只要求出、T TC C的值即可：的值即可： 等效调节比例带等效调节比例带 用动态参数法用动态参数法, , 由广义对象特性由广义对象特性 值求出。值求出。 *2*2*2,2* 2222222202*.,TTCC时2KKTzmC2222*22222*2220.082.60.21.5,0.7CCCTTT时2KKTTzmCC2222222 60 080 7.*1522222.,*TC时2KKzm2221* 以上解法基于温度以上解法基于温度()()和阀门开度和阀门开度()()特性曲线求得的。如果特性曲线求得的。如果测出的特性曲线是给水量测出的特性曲线是给水量( (减温水量减温水量) )与

44、与 2 2之间的关系，则应将阀门之间的关系，则应将阀门包括到等效调节器中。包括到等效调节器中。 求出副调节器求出副调节器W WT2T2（S S）值后，副回路的闭环传递函数即可求出：）值后，副回路的闭环传递函数即可求出： 22222222222211mzDfTTzDfbmzDfTzDfTbKKSWKKKKSWKSWKKSWKSWKSWKSWSW 据上式可以用各种方法整定主调节器参数。下面介绍一种近似据上式可以用各种方法整定主调节器参数。下面介绍一种近似简便方法。简便方法。 对象导前区的特性参数越小，则副调节器的比例带对象导前区的特性参数越小，则副调节器的比例带2 2整定的整定的也越小，即副环正向

45、环节的放大倍数就越大，那么副环就越接近于也越小，即副环正向环节的放大倍数就越大，那么副环就越接近于快速随动系统，即可以认为快速随动系统，即可以认为 ： WS KWSKTfDz221此时有此时有: : 22222222222211TfDzbTfDzmTfDzTfDzmmWS KWSKWSKKWSKKWS KWSKWS KWSK KK 从前几节对串级控制系统的分析中可以得知，在设计串级控从前几节对串级控制系统的分析中可以得知，在设计串级控制系统时，应尽量保证副回路是一个快速随动系统，以便于提高制系统时，应尽量保证副回路是一个快速随动系统，以便于提高控制系统的各项指标。控制系统的各项指标。 若将副回

46、路看作一个比例环节，则主回路的等效框图如图若将副回路看作一个比例环节，则主回路的等效框图如图5-125-12所示：所示： WT1（S）WB2（S）WD1（S）KM11 图图5-12 5-12 汽温串级控制系统主回路汽温串级控制系统主回路 假定主调节使用假定主调节使用PIDPID调节规律，等效调节器如图中虚线框所示，调节规律，等效调节器如图中虚线框所示，有：有： WSKKWSKKT ST STmmTmmid1121121111111*设设111121*KKmm则：则： WST ST STid1111111* , 或 TTC11111*,TTid 式中式中 是等效调节的参数，如果能得出是等效调节的

47、参数，如果能得出W WD1D1（S S）的阶）的阶跃响应曲线，即可求得其动态参数跃响应曲线，即可求得其动态参数 ，也就可求，也就可求得得 ，继而求得：，继而求得： 111*,TTid112111KKTTmmii* 实际中实际中, ,能求得减温水能求得减温水G Gj j或阀门开度或阀门开度与主汽温与主汽温 , ,导前汽温导前汽温 2 2之之间的特性关系曲线间的特性关系曲线, ,但却很难求取但却很难求取 2 2与与 之间的特性曲线。也就是说之间的特性曲线。也就是说在在W WD D(S)=W(S)=WD1D1(S)W(S)WD2D2(S)(S)中，能够求得中，能够求得W WD D(S)(S)和和W WD2D2(S)(S)特性。当然，我们特性。当然，我们可以用级数展开形式求得所需可以用级数展开形式求得所需W WD1D1（S S）。）。 串级控制系统中的副对象的延迟和惯性通常都很小串级控制系统中的副对象的延迟和惯性通常都很小, , 可近似成可近似成一比例环节。一比例环节。 2221 KSWD所以有：所以有：