火电厂锅炉过热汽温控制系统设计

河南城建学院本科毕业设计（论文）摘要④燃烧器的运行方式与过热汽温的静态关系在炉膛内投入高度不同的燃烧器或改变燃烧器的摆角会影响炉内温度分布和炉膛出口烟温，因而也会影响过热汽温，火焰中心相对提高时，过热汽温将升高。2.4.2动态特性目前，单元机组厂广泛采用喷水减温方式来控制过热蒸汽温度。影响汽温变化的因素很多，但主要有蒸汽流量、烟气传热量和减温水量等。在各种扰动下，汽温控制对象是有烟池、惯性和自平衡能力的。蒸汽流量扰动下的蒸汽温度对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为：式（2.1）式中：Kc—锅炉负荷扰动时被控对象的放大系数；一负荷扰动后对象的滞后时间；Td为负荷扰动后对象的时间常数。从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其延迟和惯性都比较小，即时间常数和滞后时间都比较小,且较小。动态特性曲线如图2.6（a）所示。(a)蒸汽量D或烟气传热量Q扰动（b）减温水WS扰动图2.6在扰动下温度的变化曲线烟气侧热量扰动下蒸汽温度对象的动态特性当燃料量、送风量或煤种等发生变化时，都会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15-25s之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图2.5（a）所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一个二阶系统，即：式（2.2）式中：为烟气温度但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线如图2.6（a）所示。蒸汽温度在减温水量扰动下的动态特性当减温水量发生扰动时，虽然减温器出口处汽温已发生变化，但要经过较长的过热器管道才能使出口汽温发生变化，其扰动地点（过热器入口）与测量蒸汽温度的地点（过热器出口）之间有着较大的距离，此时过热器是一个有纯滞后的多容对象。.动态曲线图如图2.6（b）所示。当扰动发生后，要隔较长时间才能是蒸汽温度发生变化，滞后时间比较大，滞后时间约为30-60s。综上所述，可归纳出以下几点：1）过热器出口蒸汽温度对象不管在哪一种扰动下都有延迟和惯性，有自平衡能力。而且改变任何一个输入参数（扰动），其他的输入参数都可能直接或间接的影响出口蒸汽温度，这使得控制对象的动态过程十分复杂。2）在减温水流量扰动下，过热器出口蒸汽温度对象具有较大的传递滞后和容量滞后，缩减减温器与蒸汽温度控制点之间的距离，可以改善其动态特性。3）在烟气侧热量和蒸汽流量扰动下，蒸汽温度控制对象的动态特性比较好。由图可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温的响应比过热器出口汽温快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以作为导前信号构成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。在减温水流量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为：式中：式（2.3）—减温水流量扰动下导前汽温的放大系数；—为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数；—阶数；在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为：式中：式（2.4）一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数；—为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数；—阶数；对象惰性区的传递函数可表示为：式（2.5）式中：—减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数；—为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数；—阶数；由于惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的、、和、、来求取，计算公式如下：式（2.6）总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大的差别。河南城建学院本科毕业设计（论文）过热汽温控制系统的基本方案3过热汽温控制系统的基本方案目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两种：串级汽温控制系统和采用导前微分信号的汽温控制系统。由于过热汽温控制通道的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号，形成了本次设计所采用的串级控制系统。下面将加以介绍。3.1串级汽温控制系统单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于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的增大，都使得单回路控制系统显得无能为力，因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点及整定进行讨论。3.2串级控制系统的基本结构和原理单元厂过热汽温串级控制系统的结构图3.1所示：图3.1串级控制系统该汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多采用PID控制规律，其输入偏差信号为-，输出信号为，副调节器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号和主调节器输出信号I，输出为。当过热汽温升高时，增加，主调节器输出减小，副调节器输出减小，减温水量增加，过热汽温下降。在主、副调节器均具有PI控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零，即：=；=由此也可以认为主调节器的输出是导前汽温的给定值。过热汽温串级控制系统的原理方框图如图3.2所示，具有内外两个回路。内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制主汽温(即将作为主信号反馈到调节器PI1,PI1直接去控阀门开度)无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号作为导前信号，增加一个调节器PI2组成如图3.2所示的串级控制系统。调节器PI2根据信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温比提早反映（例如：内扰为喷水量W的自发性变化），那么由于PI2的提前动作，扰动引起的波动很快消除，从而使主汽温基本不受影响。另外，PI2的给定值受调节器PI1的影响，后者根据改变的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持X满足要求。可见，串级系统中采用了两级调节器，各有其特殊任务。图3.2过热汽温串级控制系统原理方框图3.3串级汽温控制系统的设计为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。主、副回路的设计原则1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。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。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取(3.1)式子中：为主回路的振荡周期；为副回路振荡周期，要满足式（3.1），除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。主、副调节器的选型串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。1）副调节器的选型副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI调节器。本次设计采用P调节器。2）主调节器的选型主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质都是很高的，不允许被调量存在静差。因此主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。本次设计采用PID调节器。主、副调节器调节规律的选择作用1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可以采用比例控制。2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差，此时副调节器可以采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。3）主参数要求高，副参数亦有一定要求这时主、副调节器均采用比例积分形式。3.4串级汽温控制系统的整定串级控制系统中，两个控制器串联一起控制调节阀，因此两个控制器是相互关联的，不可避免会产生相互影响。所以两个控制器的参数整定也是相互关联的，需要相互协调，反复整定才能达到最佳效果。另外，系统在运行过程中，主回路和副回路的工作频率是不同的，一般副回路的工作频率较高，主回路的频率较低。工作频率的高低主要取决于被控过程的动态特性，但也与主、副回路的参数整定有关。在整定时应尽量加大副控制器的增益以提高副回路的工作频率，目的是师主、副回路的工作频率尽可能错开，以减少相互作用的影响。在工程实践中，串级控制系统常用的参数整定方法有逐步逼近法、两部整定法，一步整定法等。本设计采用两步整定法。图3.3串级汽温控制系统方框图两步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器1）先整定副调节器当副回路受到阶跃扰动时，在较短时间内副回路控制过程就告结束。在此期间，主回路基本上不参加动作，由图3.3得整定副回路时的方框图，如图3.4（a）所示。可按单回路系统的整定方法整定副调节器。2）整定主调节器 当主回路进行控制时，副回路几乎起理想随动作用，由图3.3可得式（3.1）从而求得副回路的闭和传递函数式（3.2）即在主回路中副回路可看作一个比例环节，由此画出整定主回路时的方框图，如图3.4（b）所示。可按单回路系统的整定方法整定主调节器的参数。在此方法下主副控制器参数的工程整定如下：a.在工况稳定，主、副控制器都在纯比例作用的条件下，将主控制器的比例度先固定在100％的刻度上，然后逐渐减小副控制器的比例度，求取副回路在满足某种衰减比(如4：1)过渡过程下的副控制器比例度δ2S和操作周期T2S。b.在副控制器比例度等于δ2S，的条件下，逐步减小主控制器的比例度，直至得到同样衰减比下的过渡过程，记下此时主控制器的比例度δ1S。和操作周期T1S。c.根据上面得到的δ1S、、T1S、δ2S、、T2S计算主、副控制器的比例度、积分时间和微分时间。d.按“先副后主”、“先比例次积分后微分”的整定方法，将计算出的控制器参数加到控制器上。e.观察控制过程，适当调整，直到获得满意的过渡过程。按上述步骤整定系统后，通常应满足（、分别为主、副回路主导衰减振荡成分的频率）。通过整定可知主、副控制器的参数为图3.4主副调节器分别独立整定时的方框图河南城建学院本科毕业设计（论文）器件的选型4器件的选型4.1温度检测变送器的选择温度变送器将温度传感元件（热电阻或热电偶）与信号转换放大单元有机集成在一起，用来测量各种工艺过程中-200~1800℃范围内的液体、蒸汽及其它气体介质或固体表面的温度。它通常和显示仪表、记录仪表以及各种控制系统配套使用，温度变送器采用热电偶、热电阻作为测温元件，从测量元件输出信号送到变送器模块，经过稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等电路处理后，转换成与温度成线性关系的DC4~20mA和DC1~5ｖ或DC0~10mA和DC0~20ｖ标准电动信号输出。在温度的测量中,热电阻和热电偶是常用的传感器,与之相配的是温度变送器,典型模拟式温度变送器由三部分：输入部分、放大器和反馈部分组成，其测温元件，一般不包括在变送器内，而是通过接线端子与变送器相连接。检测元件把被测温度Ti转换为变送器的输入信号xi，送入变送器。经输入回路变换成直流毫伏信号Ui后，Ui和调零与零迁移电路产生的调零信号Uz的代数和同反馈电路产生的反馈信号进行比较，其差值送入放大器，经放大得到整机的输出信号Io。气动温度变送器还需要将放大器的输出电流信号Io经仪表内的电/气转换器转换成20-100kPa的气压图4.1典型模拟式温度变送器原理框图此次设计所用的温度检测变送器是DDZ-Ⅲ系列S/DBWR热电偶温度变送器。S／DBWR型热电偶温度变送器，是DDZ一Ⅲ／S型系列仪表中的主要品种。它是用热电偶作为测温元件，将温度转换为微小电信号，放大并隔离处理成统一的标准信号1～5VDC或4～20mADC输出,供给指示、记录、调节器、计算机等自动化监控系统。整机由功能模块组成，模块电路先进，技术性能高于DZ一Ⅲ／S系列同类产品，它是DDZ一Ⅲ／S系列温度变送器的提高型产品。功能与特征:将热电偶信号转换为与所测量温度成线性关系的标准信号;本安防爆型仪表:其标志为(ib)ⅡCT6;实行电源-输入-输出之间三隔离;有理想的线性化校正和冷端补偿功能;采用高性能固定模块,结构紧凑,体积小,重量轻;仪表系列化,有架装和短架装二种结构形式。

主要技术指标：输入标准热电偶；输出电流4～20mADC

；输出电压1～5VDC

；输出阻抗250Ω

；允许负载变化范围小于100Ω；冷端补偿误差小于1℃；温度漂移小于0.℃；1基本误差1℃；绝缘电阻绝缘强度强；电源/输入/输出端子间1500VAC/1分钟；环境温度:0～50℃；相对湿度小于90%(RH)；电源电压24VDC(可订制220VAC)功耗小于2W；防爆等级ⅡCT6。

4.2控制器的选型控制器在自动控制系统中的地位和作用是十分重要的。当干扰作用于被控过程时，其被控参数发生变化，使相应的测量值偏离给定值而产生偏差。控制器则根据偏差大小，按照一定的规律使其输出变化，并通过执行器改变控制参数，使被控参数回到给定值，从而抵消干扰对被控参数的影响。所以控制器具有把在干扰作用下偏离给定值的被控参数重新拉回到给定值上的功能。DDZ-Ⅲ型控制器的作用是将变器送来的1~5VDC测量信号与1~5VDC给定信号进行比较得到偏差信号，然后再将其偏差信号进行PID运算，输出4~20mADC信号，最后通过执行器，实现对过程参数的自动控制。一台DDZ-Ⅲ型工业控制器除能实现PID运算外，还具有如下功能，以适应生产过程自动控制的需要。本次设计采用的控制器是DTL-3100型控制器，控制器的侧面板结构如图4.2（b）所示图4.2DTL-3100型控制器外形图DTL-3100型控制器是模拟式控制器中较为常见的一种，它以来自变送器或转换器的1～5V直流测量信号作为输入信号，与1～5V直流设定信号相比较得到偏差信号，然后对此信号进行PID运算后，输出1～5V或4～20mA直流控制信号，以实现对工艺变量的控制。整套仪表可以构成安全火花型防爆系统，而且增加了安全栅，实现控制室与危险场所之间的能量限制和隔离。有软、硬两种手动操作方式，软手动与自动之间相互切换具有双向无平衡无扰动特性，提高了控制器的操作性能。这是因为在自动与软手动之间有保持状态，此时控制器输出可长期保持不变，所以即使有偏差存在，也能实现无扰动切换。采用国际标准信号制，现场传输信号为4～20mA直流电流，控制室联络信号为1～5V直流电压，信号电流和电压的转换电阻为250Ω。由于电气零点不是从零开始，因此容易识别断电、断线等故障。信号传输采用电流传送-电压接受的并联方式，即进出控制室的传输信号为直流电流信号（4～20mA），将此电流信号转换成直流电压信号后，以并联形式传输给控制室各仪表。4.3执行器的选型执行机构使用液体、气体、电力或其它能源并通过电机、气缸或其它装置将其转化成驱动作用。基本的执行机构用于把阀门驱动至全开或全关的位置。用与控制阀的执行机构能够精确的使阀门走到任何位置。电动执行器的执行机构和调节机构是分开的两部分，其执行机构分角行程和直行程两种，都是以两相交流电机为动力的位置伺服机构，作用是将输入的直流电流信号线性的转换为位移量。电动执行机构安全防爆性差，电机动作不够迅速，且在行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。但是由于执行器本身具有伺服功能，无须外接伺服放大器；可以带过载保护单元；任意选择正反动作；断电后阀门自锁；电动机内部有温度保护开关从而保护电机不被烧毁的等特点。电动执行器在不断改进有扩大应用的趋势。电动执行器有五种类型：直行程电动执行器、角行程电动执行器、电动调节伐、PID电动调节执行器和电磁阀。前四种属于DDZ型。下面简要介绍一下直行程电动执行器(DKJ)和角行程电动执行器(DKZ)。直行程与角行程电动执行器的作用是接受调节器或其它仪表送来的DC4一20mA的标准直流电信号，经执行器后变成位移推力或转角力矩，以操作开关、阀门等，完成自动调节的任务。这两种执行器都是由伺服放大器与执行机构两大部分组成的。它们的结构、工作原理和使用方法都是相似的，区别仅在于，一个输出位移(推力)，一个输出转角(力矩)。本次设计的系统执行器采用ZKZ-310C型号。ZKZ型电动执行机构可与III型仪表配套使用，也可与组装仪表、显示调节仪表配用，它以电源为动力，接受统一的标准信号4-20mADC，将此转变成与输入信号相对应的出轴直线位移，可用于发电厂、钢铁厂、化工、轻工等工业部门的调节系统中。仪表具有连续调节、手动遥控，就地手操三种控制方式。使用ZKZ型直行程电动执行机构的自动调节系统，配用DFD-1000型电动操作器，可实现调节系统手动至自动无扰动切换。ZKZ-310C型电动执行器参数：输入信号DC4～20mA；输入电阻250Ω；输入通道3个隔离通道；电源电压AC220V50Hz;环境温度0～50℃;执行机构－10～55℃;相对湿度≤85%;执行机构小于95%；防爆等级dⅡBT4。4.4阀门定位器的选型阀门定位器是调节阀的主要附件，通常与气动调节阀配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。

定位器结构：阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电－气阀门定位器和智能式阀门定位器。阀门定位器能够增大调节阀的输出功率，减少调节信号的传递滞后，加快阀杆的移动速度，能够提高阀门的线性度，克服阀杆的磨擦力并消除不平衡力的影响，从而保证调节阀的正确定位。常用执行机构分气动执行机构，电动执行机构，有直行程、角行程之分。用以自动、手动开闭各类阀门、风板等。

阀门定位器的工作原理

阀门定位器是控制阀的主要附件.它将阀杆位移信号作为输入的反馈测量信号,以控制器输出信号作为设定信号，进行比较，当两者有偏差时，改变其到执行机构的输出信号，使执行机构动作，建立了阀杆位移倍与控制器输出信号之间的一一对应关系。因此，阀门定位器组成以阀杆位移为测量信号，以控制器输出为设定信号的反馈控制系统。该控制系统的操纵变量是阀门定位器去执行机构的输出信号。

阀门定位器的分类

阀门定位器按输入信号分为气动阀门定位器和电气阀门定位器。气动阀门定位器的输入信号是标准气信号，例如，20~100kPa气信号，其输出信号也是标准的气信号。电气阀门定位器的输入信号是标准电流或电压信号，例如，4~20mA电流信号或1~5V电压信号等，在电气阀门定位器内部将电信号转换为电磁力，然后输出气信号到拨动控制阀。按阀门定位器输出和输入信号的增益符号分为正作用阀门定位器和反作用阀门定位器。正作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号也增加，因此，增益为正。反作用阀门定位器的输入信号增加时，输出信号减小，因此，增益为负。按阀门定位器输入信号是模拟信号或数字信号，可分为普通阀门定位器和现场总线电气阀门定位器。普通阀门定位器的输入信号是模拟气压或电流、电压信号，现场总线电气阀门定位器的输入信号是现场总线的数字信号。按阀门定位器是否带CPU可分为普通电气阀门定位器和智能电气阀门定位器。普通电气阀门定位器没有CPU，因此，不具有智能，不能处理有关的智能运算。智能电气阀门定位器带CPU，可处理有关智能运算，例如，可进行前向通道的非线性补偿等，现场总线电气阀门定位器还可带PID等功能模块，实现相应的运算。

本次设计所采用的定位器是SS3智能型阀门定位器。SS3智能型阀门定位器是采用革新的高性能线圈，适用于环境苛刻场合。

特点：自动设定零点与量程；不管怎么连接气接口，自动觉察RA或DA；阀位反馈(4-20mA)；无特别的调整，可以单双作用通用；外形紧凑，可安装于小型执行器上；动作失败时，报警错误信息；检测模式下，可用固定的任意信号都可以检测执行器；工作温度范围是30℃~+75℃。

河南城建学院本科毕业设计（论文）主蒸汽温度控制系统的仿真和改进5主蒸汽温度控制系统的仿真和改进在热工过程控制中，串级PID控制系统能够有效的控制内部扰动，但是对于一些大惯性、大时延，时变的控制系统控制起来就困难了。因为有的过程控制（对象特性）具有较大的纯延迟，使得被调量不能及时反映系统所承受的扰动，且当过程控制通道或测量环节存在延迟时候，会降低系统的稳定性；另外纯迟延会导致被控制量的最大动态偏差增大，系统的动态质量下降，而且之比越大越不容易控制。解决具有纯迟延的过程控制是一个比较棘手的问题，对于闭环系统内的纯迟延若单单采用上述的串级控制等方案是无法保证其控制质量，且响应速度也和很慢，如果在控制精度很高的场合，则须采取其他控制手段，例如补偿控制，采样控制等等。本章仅就预估控制方法进行详细介绍。5.1串级PID系统仿真通过查阅相关资料可知导前区的传递函数为式（5.1）惰性区的传递函数为式（5.2）其调节器为PID调节器，即：式（5.3）用衰减曲线法整定参数得，用MATLAB的Simulink进行仿真，其结构图如图5.1所示，其仿真曲线如图5.2所示图5.1串级PID控制的simulink结构图图5.2串级PID控制的simulink仿真图对系统施加一个给定值阶跃扰动（r=1）时响应曲线如下图5.3所示图5.3给定值阶跃扰动响应曲线给系统施加一个外部阶跃扰动时的仿真如图5.4所示图5.4系统外部阶跃扰动仿真图当惰性区纯滞后时间变为60，惯性时间常数变为100时，其仿真如图5.5所示图5.5变为60，Td变为100时的仿真图当变为当纯滞后时间变为80，惯性时间常数变为120时如图5.6所示图5.6变为80，Td变为120的仿真图由图5.2可以看到在锅炉过热汽温控制系统中，串级PID控制能取得比较令人满意的效果。由图5.3、5.4可以看到串级系统对抑制回路内部干扰效果不错，对外部干扰效果不是太好，因此要尽可能把主要的干扰放在内回路解决。但是随着控制理论的发展和过热汽温串级控制系统的研究发现，常规PID控制器仍然存在较大的不足，比如其响应速度慢、超调量大、过渡时间长。造成这问题的主要原因是，常规PID控制器的参数是固定不变的，对参数的整定只能大致按照整个控制过程的要求进行，而系统在控制过程的各个阶段对参数却有不同的要求。另外，过热汽温控制系统属于大惯性、大延迟的系统，由于串级PID的参数是固定的，很难在工况发生变化时取得令人满意的效果。由图5.5、图5.6可知，为取得较好的控制效果，对于大时延、大惯性的系统，单单的串级控制系统是不够的，因此需要改进其算法。下面就来介绍Smith预估补偿器的作用。5.2基于Smith预估计补偿器的串级汽温控制系统对于有纯迟延过程的控制系统，调节器采用PID控制规律时，系统的静态和动态品质均下降，纯迟延愈大，其性能指标下降的愈大。Smith针对具有纯迟延的过程，提出在PID反馈控制的基础上引入一个预补偿环节，使控制品质大大提高。下面就对Smith预估补偿的原理进行更详细地介绍。当采用简单回路控制时，如图5.7所示图5.7单回路控制系统控制器的传递函数为，对象的传递函数为时，从设定值作用至被控变量的闭环传递函数是：式（5.4）扰动作用至被控变量的闭环传递函数是：式（5.5）如果分母中的项可以除去，情况就大有改善，迟延对闭环极点的不利影响将不复存在。Smith预估补偿方案主题思想就是消去分母中的项，实现的方法是把对象的数字模型引入到控制回路之内，设法取得更为及时的反馈信息，以改进控制品质，这种方案可按不同的角度进行解释说明，下面从内模（模型置于回路之内）的角度来介绍。Smith预估器补偿原理图如图5.8所示。图5.8Smith预估补偿控制原理图在图5.8中是对象除去纯迟延环节以后的传递函数，是Smith预估补偿器的传递函数，假若系统中无此补偿器，则由调节器输出到被调量之间的传递函数为：式（5.6）上式表明，受到控制作用之后的被调量要经过纯迟延之后才能返回到调节器。若系统采用预估补偿器，则调节器与反馈到调节器的之间传递函数是两个并联通道之和，即式（5.7）为使调节器采集的信号不至迟延，则要求式（5.8）为式（5.8）从上式便可得到预估补偿器的传递函数为：式（5.9）一般称式（5.4）表示的预估器为Smith预估器。其实施框图如图5.3所示，只要一个与对象除去纯迟延环节后的传递函数相同的环节和一个迟延时间等于的纯迟延环节就可以组成Smith预估模型，它将消除大迟延对系统过度过程的影响，使调节过程的品质与过程无迟延环节时的情况一样，只是在时间坐标上向后推迟的一个时间。图5.9Smith补偿控制系统方框图从图5.9可以推出系统的闭环传递函数为=式（5.10）式（5.10）式中为无延迟环节时系统闭环传递函数。式（5.11）由式（5.10）可见，对于随动控制经预估补偿，其特征方程中已消去了项，即消除了纯迟延对系统控制品质的不利影响。至于分子之中的仅仅将系统控制过程曲线在时间轴上推迟了一个，所以预补偿完全补偿了纯迟延对过程的不利影响。控制品质与被控过程无纯迟延完全相同。对于定值控制，由式（5.11）可知，闭环传递函数由两项组成。第一项为扰动对象只有时才产生控制作用，当时无控制作用。所以Smith预估补偿控制应用于定值控制其效果不如随动控制。不过，从系统特征方程看，预估补偿方案对定值控制系统品质的改善还是有好处的。通过对Smith预估计的分析，可以推出串级汽温控制系统的原理图5.10，并用simulink对其仿真可以得到其仿真图5.11，如下所示图5.10基于Smith预估补偿的过热汽温串级控制系统的simlink结构图图5.11基于Smith预估补偿的串级控制系统仿真图把惰性区的延迟时间由40s改为60s，再次进行仿真得到的仿真曲线如图5.12所示。图5.12=60时基于Smith估计的串级系统仿真图由仿真图5.2与图5.11相比较得到，由图5.11可以看出Smith预估器使控制品质大大提高，系统的特性非常好。由仿真图5.11与图5.12相比较得到，Smith预估器它对模型的误差十分敏感，当系统参数变化时，由于控制参数不能随之而化，不能对受控过程参数做出适时调整，从而时过程的品质指标恶化。适应性不强，也就是鲁棒性非常差。由于主蒸汽温度被控对象的参数会随着时间的变化而产生变化，所以我们需要的是鲁棒性好的控制系统，要进一步探讨别的方法。5.3基于改进型Smith预估器的串级汽温控制系统史密斯预估补偿控制在理论上可以克服大滞后的影响。但是从史密斯预估补偿原理可知，史密斯预估器的设计需要知道被控过程的精确数学模型，如果被控过程的特性不能精确得到，就很难得到预期的控制效果。为了克服这一缺点，提出了多种史密斯预估补偿控制的改进方案，下面是由Hang等提出的改进型预估器，它比原方案多了一个调节器，其方框图如图5.13所示。图5.13改进型Smith预估器方框图改进型Smith预估器方案比原Smith补偿方案多了一个调节器，但其参数整定还比较简单。为了保证系统输出相应无余差，要求两个调节器均PI为动作调节器。其中主调节器只需按模型完全准确的情况下进行整定。至于辅助调节器的整定似乎要复杂一些，但经分析发现，辅助调节器是在反馈通道上，且与模型传递函数一起构成。如果假设是一阶环节。且设，即使调节器的积分时间等于模型的时间常数，则可简化为：式（5.11）这样，反馈回路上出现了一个一阶滤波器，其中只有一个整定参数，实质上只有中的比例增益需要整定。在单元厂中，主汽温这一调节对象是一个时变的、非线性、大滞后、大惯性的复杂控制对象，控制起来是相当不容易。Smith预估补偿控制从理论上为解决时滞的控制问题提供了一种有效的方法。但是传统的Smith预估补偿由于缺乏被控对象的精确数学模型且不适应参数变化的大延迟过程控制，很难在该类控制中取得令人满意的效果。所以，人们在实践中提出一些改进方案，通过对传统的Smith预估补偿控制进行了改进，使得此类控制得以解决，同时使系统的稳定性和鲁棒性也提高的许多。下面我们就从系统的稳定性和鲁棒性方面进行分析设计，主汽温的原理方框图如图5.14所示。图5.14基于改进型串级汽温控制系统的simulink结构图用simulink对其进行仿真可得其仿真图5.15所示图5.15改进型串级控制系统仿真图现把惰性区传递函数中的时间常数Td由90改变为120和延迟时间常数从40改变为60时，控制系统的Simulink仿真结果图如图5.16所示。图5.16改进型控制系统=60，Td=120时仿真图从仿真结果图5.15、5.16中可以看出，在给定对象的情况下，所设计的系统能快速、准确地跟踪设定值；当惰性区传递函数中的时间常数t由90改变为120和延迟时间常数从40改变为60时，曲线的形状几乎变化不大，这就说明基于改进型Smith预估器对大惯性、纯延迟系统具有较好的控制效果，提高了系统的鲁棒性得以提高，使控制品质变好。河南城建学院本科毕业设计（论文）结论结论本设计首先对串级控制系统进行了分析，并且通过计算、整定和分析，发现在控制方面它们各有特点，但相对于延迟大，外扰多的系统来说，串级控制系统更为适用，所以初期采用串级控制方案。但很快发现对纯延迟过程系统的控制是个非常复杂的问题，单纯的串级控制是无法满足的，通过查阅各种文献资料，选择了添加Smith预估补偿器，Smith针对纯延迟控制有很好的改善作用，使控制品质大大提高。于是代入传递函数进行仿真，当时间常数合适时控制品质很好，但当时间常数有所变动时，系统显示了明显的不适应，即它的鲁棒性还不是很好。于是只好进行进一步改进，为了克服这一缺点，又分别对几种方案进行分析，最后采取了改进型Smith预估器，再次进行仿真，此时改变系统的时间常数，仿真结果与改变前几乎一样，这就说明了系统具有了较好的鲁棒性。本文对具有惯性时间及延迟扰动的主蒸汽温度控制系统进行了预估补偿控制。很好的满足设计所要求的性能。提高了对大惯性、大迟延过程控制的有效性。提高了电厂主蒸汽温度控制系统对负荷(模型变化)的适应性，使系统具有了较好的鲁棒性。河南城建学院本科毕业设计（论文）致谢致谢经过近两个月的毕业设计，在院系领导各个部门的组织下和指导老师的认真辅导下，经过多方的努力，毕业设计的工作顺利完成了。我毕业设计的题目是《过热蒸汽温度控制系统设