主汽温控制系统仿真

1、第二节计算机仿真技术计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模型，通过对计 算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综合评估与预测。它是 分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、 电力工业、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通讯网络和计算机集成等领域中有 着广泛的应用。动态系统计算机仿真是一门以系统科学、计算机科学、系统工程理论、随机网络理论、 随机过程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个学科理论为基础的、以工程系统和 各类社会经济系统为主要处理对象的、以数学模型和数字计算机为主要研究工具的新兴的边

2、缘学科。它属于技术科学的范畴。动态系统计算机仿真的目的是通过对动态系统仿真模型运 行过程的观察和统计，获得系统仿真输出和掌握模型基本特性，推断被仿真对象的真实参数 （或设计最佳参数），以期获得对仿真对象实际性能的评估或预测，进而实现对真实系统设计 与结构的改善或优化。根据仿真过程中所采用计算机的类型不同，动态系统计算机仿真可分为模拟机仿真、数 字机仿真和模拟一数字混合机仿真。随着计算机技术的快速发展，特别是并行处理机和并行 处理技术的研究与发展，数字仿真成为了计算机仿真的主流。建立适合于研究并能较好地体现实际系统各关键特征的模型是系统仿真的基础。模型分 析方法是现代科学的基本研究方法之一，它通

3、过对实际系统抽象的或本质的描述，构造出与 实际系统之间存在同构或同态关系的、简化的数学模型或物理模型，以模型分析与模型实验 为基础，达到对实际系统的认识、控制和优化。根据研究对象、表示方式和使用途径不同，系统模型有多种不同分类体系。一般地，从 表示方式可划分为物理模型和数学模型，计算机仿真中主要采用系统数学模型。系统数学模 型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态 模型。根据系统的状态描述及其变化方式，可划分为连续变量系统模型和离散事件系统变化 模型。目前，面向系统的计算机仿真技术既涵盖了连续变量动态系统的仿真也涉及离散事件动 态系统的仿真。在连续变量系

4、统模型中，系统各主要因素之间变化关系以及系统的演化规律 主要采用方程式描述。例如，微分方程、偏微分方程、差分方程、回归方程等。对于离散事 件动态系统模型，由于系统状态的变化域为离散空间，状态变化发生在一串难以预知的离散 时间点上，因而难以建立定量变化关系方程，主要采用以网络图为基础的各类流图模型。电厂机组的各种不同热力系统都是由一些热力设备，如换热器、风机、水泵、阀门、容 器等经过管道连接而成，形成一个个流体网络。热力系统的动态过程不仅取决于各热力设备 本身的特性，即设备模块;还取决于这些设备的连接方式，即拓扑结构。因此流体网络建模 技术成为电厂仿真中的一项重要技术。本次课题研究的目的在于利用

5、本软件系统进行电厂自动调节系统的参数整定，因侧重点 不同，在这里，就不再关于系统建模问题进行展开论述。本章中凡遇到需要建模的问题，将 直接给出模型，而不再讨论具体建模过程。第三节导前气温微分信号调节系统采用中间被调量微分信号的调节系统概述对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为了改善其调节品质，可以采用引入中间被 调量微分信号的调节系统。例如过热气温调节系统，其中间被调量就是减温器后的气温，气 温调节器除接受过热器出口温度信号外，还同时接受减温器后气温的微分信号。图5-1表示 采用中间被调量微分信号调节系统的方框图。5-1果用中阙被调量微分信号的训节系统这个系统的特点是，调节器除了接受调节对象

6、的主被调量信号外，还接受一个中间被调量的 微分信号。由于中间被调量的响应比主被调量快，因此，这个微分信号起着导前作用，以补 偿主被调量的滞后。/在稳态时，中间被调量微分信号等于零，调节器维持主被调量为规定 值。设图5-1中调节对象工的传递函数为Gol (s)，调节对象II的传递函数为Got (s)，调节 器的传递函数为Gr (s)，微分器的传递函数为Gd (s)，令g铲切等敷上调节野的传遂用Kt为或(加以沮(加育警江 1 +/jj从上面两式可以看出，等效主调节器是比例积分型的，等效副调节器是比例积分一比例微分 混合型的。如果TiTd，则近似于比例微分型:如果TdTi，则近似于比例微分型:如果T

7、i=Td, 则是比例型的。如果在副回路中存在着频率较高的干扰，致使中间被调信号含有高频成分，那么由于 微分器对于高频干扰信号没有抑制作用，而有放大作用，所以不宜采用具有中间被调量微分 信号的调节系统。5. 3. 2过热气温调节的任务、调节对象的动态特性及调节方案过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热蒸汽温度过高或过低都会显 著的影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机 的高压部分金属损坏;过热蒸汽温度过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大 而造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级蒸汽适度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧 对叶片的侵蚀。所以，

8、在锅炉运行中，必须保持过热气温稳定在稳定值附近。一般要求过热器温与规 定值的暂时偏差不超过士 10 0C，长期偏差不超过土 5 0C o过热蒸汽温度的自动调节使锅炉 自动调节的困难任务之一，主要是因为：造成过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，而各种扰动之间又互有影响，使对象的动 态过程很复杂。锅炉结构设计与自动调节的要求存在一定矛盾。为使调节作用的迟延最小，希望把 减温器布置在过热器的出口或尽量接近出口;但从过热器的金属壁温不超过允许值的安全角 度出发，则希望把减温器布置在某段过热器的入口，以便保护过热器。调节对象和测温元件的迟延比较大，测温元件又有较大的惯性，这样在扰动发生之 后，温度不能立即发

9、生变化，因此要保持很小的蒸汽温度偏差是很困难的。过热气温调节对象的动态特性是指引起过热气温变化的扰动与气温之间的动态关系。 引起过热蒸汽温度变化的原因包括蒸汽流量变化、燃烧工矿变化、进入过热器的蒸汽温度变 化、流过过热器的烟气的温度和流速变化等。归结起来，过热气温调节对象的扰动主要来自 三个方面:蒸汽流量变化（符合变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口气 温变化）。从过热气温动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数（改变烟温或烟气流速）的调节手 段是比较理想的，但具体实现比较困难，所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运 行比较有利，所以尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广

10、泛采用的过热蒸汽温度调 节方法。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的 气温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得较好的调节品质。针对过热气温调节 对象调节通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出一个比 被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性， 提高调节系统的质量。目前采用的过热蒸汽温度自动调节系统主要有两种方案:采用导前气温的微分信号作为 补充信号的调节系统方案和串级调节系统方案。本节我们将介绍前一种方案，关于串级调节 系统方案，我们将在下一节中给予详细介绍。5. 3. 3采用导前气温微

11、分信号的双回路气温调节系统具有导前微分信号的双冲量气温调节系统，也叫双冲量气温自动调节系统，该系统如 图5-1所示。这个系统引入了导前气温的微分信号作为调节器的补充信号，以改善调节质量。 因为el和02的变化趋势是一致的，且el的反应比e2快得多，因此它能迅速的反映02的 变化趋势。引入了。1的微分信号后，将有助于调节器的动作快速性。在动态时，调节器将 根据d e 1/dt和02与82的给定值之间的偏差而动作;但在静态时，d e 1/dt信号消失，过热气 温e2必然等于给定值。如果不采用导前信号e1的微分信号a e 1/dt，则在静态时，调节器 将保持e 1+e2等于给定值，而不能保持e2等于

12、给定值。采用导前气温微分信号的双回路气温调节系统方框图如图5-2所示:这个系统包括两个闭合的调节回路:一个是由对象调节通道的导前区G1 （s）、导前气温 变送器Y 01、微分器Gd (s)、调节器Gr (s)、执行器Kz和减温水调节阀Ku组成的副回路; 另一个是由对象调节通道的惰性区G2 (s)、主气温变送器r e2、和副回路组成的主回路。加入导前气温微分信号可改善调节对象的动态特性。对于上图所示的调节系统，当去 掉导前气温的微分信号时，系统就成为单回路调节系统，调节对象的惯性迟延较大。当系统 加入导前气温微分信号之后，调节器将同时接受两个输入信号，系统也成了双回路结构。但 对这个双回路系统作

13、适当的变换后，发现仍可把它当作一个单回路系统来处理，如图5-3所 示。只是此时由于微分信号的引入改变了调节对象的动态特性。这个新的等效调节对象的输 入仍然是减温水流量信号W,l，但输出信号为用3用微分信号改交调节肘尊特性的方枢闺 单回路系统方柢幽：5职回玲系弱的等效力根囹W节对象的M速函虹可以根乩方框留案彻琳)=黯莓)?冲)+查打入)在静态时，微分器输出为零，所以等效调节对象的输出8z，二8z;在动态过程中，等效 调节对象的输出中除了主气温信号e:外，还叠加导前气温的微分信号d e /dt。由于e:的惯 性迟延比e:要小得多，因而等效对象的输出e:，的惯性迟延比e:的小得多。因此，加入导前 气

14、温微分信号的作用可以理解为改变了调节对象的动态特性。等效调节对象在减温水流量扰 动下的输出ez，比主气温e:的动态响应有很大的改善。所以，在调节对象惯性迟延比较大 的情况下导前气温微分信号的双回路气温调节系统的调节品质远比单回路气温调节系统为 好。5. 3. 4导前气温调节系统子模块本小节将介绍本套软件系统中电厂典型自动调节系统模块中的导前气温调节系统子模 块。在图2-7所示的主界面下，通过鼠标单击电厂调节系统菜单下的导前气温调节系统子菜 单，或者在按钮区点击电厂典型调节系统下拉按钮框中的导前气温调节系统，都可以进入如 图5-4所示的仿真环境。-LD1 xl牡.叮器漓下嚣Hs E 也哼额zkt

15、心I 田hi TfiQl：f处（1+时G*）七队岭隋5 i果用导前气部袖分信号的双问格气温调节系统廿0图在.图所示的彷-色邦境下.国h削象导前区和的节对遂情性区的数学模型分别为主气汨调节系统框图（寻前调节方式）主气周圭ii器瑚5城得永世市阀调估嗣象导前区上述两个环节均利用S IMIJL工NK的封装机制封装好成子系统，用户如需更改数学模 型设置，可选择“Edii”菜单下的“Look Under Mask”选项，或者使用快捷键Ctrl+U，将 出现封装的子系统的内部实现，用户可根据需要进行修改。如果需要设置其他环节的参数， 可直接用鼠标双击该环节，在弹出的属性设置对话框中进行设置。在采用导前微分信

16、号的双回路系统中，需要整定的参数有微分器的k。和T。值，以及 调节器的T:和6值。具体的整定方法这里不再加以详细介绍，使用者可以根据自己的习惯 采用“补偿法”或其他方法。使用者也可以在整定参数过程中，进一步理解各参数的变化对 系统动态特性的影响。星S-S呆冲导苗温微分帽号咧历系氐的彷直如图所示，主气沿在扰动下的询差只有3琢右而FL调节时间在三汾钟内就达射了稳 淀圾布.故此谪节系统出色的完成锅炉蒸汽温度自动调节任务.当然，使用者还可以在此甚 曲之上进一步遍轩勘放纹定工作，以就将史加令人泄意的训t效建“第四节电站主气温串级调节系统5. 4. 1串级调节系统概述串级调节系统的调节品质较好，它在热工自

17、动控制中得到了广泛的应用。对于时间常 数较大，阶次较高和有较大延迟的调节对象，在某些场合下即使采用PID调节规律依然不 能得到满意的调节品质，这是可以采用串级调节系统。系统中除了主被调量外，还有一个辅 助被调量，辅助被调量对调节作用的响应要比较迅速。例如锅炉过热气温调节系统，当减温 水量改变后，过热气温的变化较慢，减温器出口气温的变化较快，这时就可以把减温器出口 气温作为过热气温调节系统中的辅助被调量，形成一个调节回路，构成串级调节系统。申教调节系统的结构方框图如新5/所顽,俚5-6申象调节系统的幼构方蜓隈它与单回路调节系统的区别在于有两个调节器，有两个闭合回路。有调节单元I、执行 器、调节对

18、象I和测量单元I构成的回路称为副回路（或称内回路），调节单元I称为副调节 器，调节对象I的输出信号称为辅助被调量。有调节单元II,副回路、调节对象II和测量单 元II构成的回路称为主回路（或称外回路），调节单元II称为主调节器，调节对象II的输出信号称为主被调量，调节对象I和调节对象II统称是系统的调节对象。串级调节系统具有下列特点：对副回路所受到的扰动具有很强的克服能力。从图5-6可以看出，进入副回路的扰动 为U1，主被调量对扰动U1的响应比较慢，辅助被调量对扰动U1的响应相当快。如果没有 副回路，扰动U1的影响就需要由主被调量的变化通过主调节器来克服。如果具有副回路， 扰动U1的影响就可以

19、很快的由辅助被调量的变化通过辅助调节器来加以克服。由于副回路起了改善调节对象动态特性的作用，从而提高了整个系统的调节品质。串 级调节系统在结构上区别于单回路调节系统的主要标志就是用一个闭合的副回路代替原来 的一部分对象。在设计串级调节系统时，必须遵循下列两条原则:一个原则是副回路必须是 快通道，包含在副回路中的调节对象时间常数要尽量小于包含在主回路中的调节对象时间常 数，也就是说，副回路的通频带要高于主回路的通频带，如果副回路对象时间常数与主回路 对象时间常数相差无几，串级调节的副回路就起不到改善调节品质的作用，系统还可能因为 主回路和副回路的通频带相近而产生共振;另一个原则就是尽可能的把激剧

20、的扰动纳入副回 路中，因为副回路对扰动能及时克服或削弱扰动的影响。对于电厂中的串级调节系统，生产过程的要求是被调量等于给定值，而对辅助被调量则 没有严格的要求。针对这种情况，副调节器应该选用P作用或者PD作用，使内回路尽快地 消除扰动，以减少扰动对被调量的影响(实现粗调);而主调节器一般选用PI或者PID作用， 使稳态被调量等于给定值。如图5-7所示为平教调节系统的方机图.图*7吊缀调节系墟的方框图瞄g Wal(s)一主谴节游.刷苦宵器的竹通函思 尬处一咋节磐象字前区的悟通函数：Wo2 魂节汨决情性区的传递函数I W映(sj W阻动一一调节我象的传述函鸵Wh2(S).幡1($割量单元的怡述函眺

21、：Wu2(s). Wul(s)调书对家的被调量y和辅助械调散ya注扰动作用下的柱递函数，国48 过给气渤审级职节系统串级气温调节系统图5-8为过热气温串级调节系统图。气温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流 量W.l为对象调节通道的输入信号，过热器出口气温为输出信号。为了改善调节品质，系统 中也采用减温器出口处气温作为辅助调节信号。过热蛰 活温果过热器7VOrW4*Dp-I对于串级气温调节系统，都是优于单回路调节系统的。(1)扰动发生在副回路内，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路，其调节品质例如当减温水流量WJ 发生自发性波动(可能是减温水压力或蒸汽压力改变)而引起减温水流量扰动变

22、化时，对于单 回路气温调节系统，由于没有副调节回路去迅速消除wJ的波动，所以必然要影响到主气温 的稳定;对于串级气温调节系统，由于有副回路的存在，而且导前区的惯性又很小，副调节 器将能及时动作，快速消除掉减温水流量的自发性波动，从而使过热气温基本不变。(2)扰动发生在副回路以外，引起过热气温偏离给定值时，串级系统首先由主调节器改变 其输出信号，通过副调节回路去改变减温水流量，使过热气温恢复到给定值。这时，主调节 器的调节对象的惯性迟延比采取单回路气温调节系统时的调节对象的要小。因此在这种情况 下，串级调节系统的调解质量还是高于单回路系统的。可见，在串级气温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温

23、水流量的自发性扰动和其 他进入副回路的各种扰动，对过热气温的稳定起粗调作用。气温系统的副调节器一般采用比 例调节器，主调节器的任务是保持过热气温等于给定值，可采用比例积分或者比例积分微分 调节器。5. 4. 2主气温串级调节系统子模块本小节将介绍本套软件系统中电厂典型自动调节系统模块中的主气温串级调节系统 子模块。在图2-7所示的主界面下，通过鼠标单击电厂调节系统菜单下的主气温串级调节系 统子菜单，或者在按钮区点击电厂典型调节系统下拉按钮框中的主气温串级调节系统，都可 以进入如图5-9所示的仿真环境。图5羽主气温串级调节素统姑真图军站王气泾串级道节系蜿方推图E 11留所示的切真站境下，导前区和悟性区对象的数学模呈勺图5仿氏环境下的对弊数 学模型相同.怛在本次仿真中加入外扰，外扰(即燃烧率搅动的牡学模卯为二岐(加一 虾/ ! + 20j封霰过的子系统与其他环节的具体没置现节参.号导前气醍微分朋节系埴的趾置方沌。参选整定后的彷宾粘果图如图S-2所术，IE51O主气温串圾调肾系统做且结果图如上司所术.主气温在就动下的偏是只有KG1C五若，而且调节时间在四分扣右达到了 崔定就击.可见，甲M调节系统比导前代混微分信号调节系统的调节疫果里好，不过，有系统 仿其囹可以看