畢業(yè)設(shè)計---電廠300mw機組再熱氣溫控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(論文)的題目是鐵嶺電廠300MW機組再熱氣溫控制系統(tǒng)設(shè)計。通過對機組的再熱汽溫控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場實地觀察、原理分析、可靠性論證，從而提出保證該系統(tǒng)長期穩(wěn)定處于協(xié)調(diào)控制的方案。</p><p>　　在大型機組中，新蒸汽在汽輪機高壓缸內(nèi)膨脹做功后，需再送回到鍋爐再熱器中加熱升溫，然后再送入汽輪機

2、中、低壓缸繼續(xù)做功。采取蒸汽中間再熱可以提高電廠循環(huán)熱效率，降低汽輪機末端葉片的蒸汽濕度，減少汽耗等。為了提高電廠的熱經(jīng)濟性，大型火力發(fā)電機組廣泛采用了蒸汽中間再熱技術(shù)。</p><p>　　再熱蒸汽溫度控制的意義與過熱蒸汽溫度控制一樣，是為了保證再熱器、汽輪機等熱力設(shè)備的安全，發(fā)揮機組的運行效率，提高電廠的經(jīng)濟性。再熱蒸汽溫度控制的任務(wù)，是保持再熱器出口蒸汽溫度在動態(tài)過程中處于允許的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時等于給定值。&

3、lt;/p><p>　　在再熱蒸汽溫度控制中，由于蒸汽負荷是由用戶決定的，所以幾乎都采用改變煙氣流量作為主要控制手段，例如改變再循環(huán)煙氣流量，改變尾部煙道通過再熱器的煙氣分流量或改變?nèi)紵鳎ɑ鹱欤┑膬A斜角度。</p><p>　　關(guān)鍵字 再熱汽溫，過熱蒸汽，串級</p><p><b>　　Abstract</b></p><p

4、>　　This graduation project (paper) is through the hot steam warm control system carries on the principle analysis, the reliable proof, the scene again to the TieLing three electricity 300MW units on the spot observes,

5、 guarantee this system which proposed long-term stability is in the coordination control the plan. </p><p>　　In the large-scale unit, the new steam inflates the acting after the steam turbine high pressure c

6、ylinder, must again return to the boiler reheater in heats up elevates temperature, then sees somebody off again in the steam turbine, the low pressure cylinder continues the acting. Adopts among the steam hot to be poss

7、ible to enhance the power plant circulation thermal efficiency again, reduces the steam turbine terminal leaf blade the steam humidity, reduces the steam consumption and so on. In or</p><p>　　Again the hot v

8、apor temperature control significance and the superheat vapor temperature control is same, is in order to guarantee thermal energy equipment and so on reheater, steam turbine securities, the display unit's operating

9、efficiency, enhances the power plant the efficiency. Again the hot vapor temperature control duty, is maintains the reheater to export the vapor temperature to be in the permission in the dynamic process in the scope, wh

10、en stable state is equal to the given value.</p><p>　　In again hot vapor temperature control, because the steam load is by the user decision, therefore nearly all uses the change haze current capacity to tak

11、e the primary control method, for example the change circulates again the haze current capacity, the change rear part flue or changes the burner through the reheater haze divergence quantity (spout) the angle of tilt. &l

12、t;/p><p>　　Key words Reheat steam，Superheat steam，Cascade</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b&g

13、t;　　1 引言1</b></p><p>　　1.1 設(shè)計課題的目的、意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)背景1</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2</p><p>　　2 火力發(fā)電廠發(fā)電工藝簡介3<

14、;/p><p>　　2.1 火力發(fā)電廠概述3</p><p>　　2.1.1 火力發(fā)電廠基本原理3</p><p>　　2.1.2 主要生產(chǎn)過程簡述3</p><p>　　2.2 火電廠三大控制系統(tǒng)4</p><p>　　2.2.1 鍋爐給水控制系統(tǒng)4</p><p>　　2.2

15、.2 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.2.3 再熱蒸汽溫度控制系5</p><p>　　3 火電廠的控制系統(tǒng)6</p><p>　　3.1 自動控制系統(tǒng)基本概念6</p><p>　　3.2 自動控制系統(tǒng)的分類6</p><p>　　3.2.1 前饋控制系統(tǒng)6</p>

16、<p>　　3.2.2 反饋控制系統(tǒng)7</p><p>　　3.2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)8</p><p>　　3.3 性能指標(biāo)8</p><p>　　3.4 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律9</p><p>　　3.4.1 基本調(diào)節(jié)作用10</p><p>　　3.4.2 調(diào)節(jié)器的控制作用11&l

17、t;/p><p>　　3.5 單回路控制系統(tǒng)13</p><p>　　3.5.1 單回路控制系統(tǒng)原理分析13</p><p>　　3.5.2 調(diào)節(jié)器的正反控制作用14</p><p>　　3.6 串級控制系統(tǒng)15</p><p>　　3.6.1 串級控制系統(tǒng)的特點15</p><p&

18、gt;　　3.6.2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)節(jié)器的選型16</p><p>　　3.7 汽水系統(tǒng)17</p><p>　　4 再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)22</p><p>　　4.1 火電廠再熱汽溫控制系統(tǒng)概述22</p><p>　　4.1.1 再熱蒸汽溫度控制的意義與任務(wù)22</p><p>　　4

19、.1.2 再熱蒸汽的特點22</p><p>　　4.1.3 再熱蒸汽溫度的影響因素23</p><p>　　4.1.4 再熱蒸汽溫度控制的方法手段23</p><p>　　4.2 鐵嶺電廠300MW機組再熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計概述29</p><p>　　4.3 鐵嶺電廠300MW機組再熱汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖設(shè)計說明30&

20、lt;/p><p>　　4.3.1 擺動燃燒器控制系統(tǒng)30</p><p>　　4.3.2 噴水減溫控制系統(tǒng)32</p><p>　　4.4 MATLAB 仿真35</p><p>　　5 OVATION介紹40</p><p>　　5.1 西屋Ovation介紹40</p><p&g

21、t;　　5.2 Ovation控制系統(tǒng)的特點40</p><p><b>　　結(jié)論42</b></p><p><b>　　致謝43</b></p><p><b>　　參考文獻44</b></p><p><b>　　1 引言</b><

22、/p><p>　　1.1 設(shè)計課題的目的、意義</p><p>　　再熱蒸汽溫度控制的目的與過熱蒸汽溫度控制一樣，是為了保證再熱器、汽輪機等熱力設(shè)備的安全，發(fā)揮機組的運行效率，提高電廠的經(jīng)濟性。再熱蒸汽溫度控制的任務(wù)，是保持再熱器出口蒸汽溫度在動態(tài)過程中處于允許的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時等于給定值。</p><p>　　隨著時代的發(fā)展，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化對國民經(jīng)濟的發(fā)展有十分重

23、大的意義。在火力發(fā)電廠中實現(xiàn)熱力過程自動化后能使機組安全、可靠、經(jīng)濟地運行。實現(xiàn)熱力過程自動化具有：（1）提高機組運行的安全可靠性；（2）提高機組運行的經(jīng)濟性；（3）減少運行人員，提高勞動生產(chǎn)率；（4）改善勞動條件等特點。在大型機組中，新蒸汽在汽輪機高壓缸內(nèi)膨脹做功后，需再送回到鍋爐再熱器中加熱升溫，然后再送人汽輪機中、低壓缸繼續(xù)做功。采取蒸汽中間再熱可以提高電廠循環(huán)熱效率，降低汽輪機末端葉片的蒸汽濕度，減少汽耗等。為了提高電廠的熱經(jīng)濟

24、性，大型火力發(fā)電機組廣泛采用了蒸汽中間再熱技術(shù)。因此，再熱器出口蒸汽溫度的控制成為大型火力發(fā)電機組不可缺少的一個控制項目。此外，再熱氣溫如果控制不好，容易造成再熱器高溫腐蝕，以及聯(lián)通管泄露等事故，所以再熱氣溫的良好控制至關(guān)重要。某電廠在數(shù)年的運行中，由于負荷變化頻繁，一直存在微量噴水減溫器出口的再熱蒸汽溫度波動大的問題，出現(xiàn)的最大溫度變化超過140℃。由于再熱氣溫完全依賴噴水減溫調(diào)節(jié)，使減溫器后的蒸汽過熱度發(fā)生很大的波動，該點的蒸汽過熱

25、度最大變化是由150℃快速降到接近飽和蒸汽溫度。由于蒸汽溫度變</p><p>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)背景</p><p>　　火力發(fā)電廠在我國電力工業(yè)中占有主要地位，是我國重點能源工業(yè)之一。大型火力發(fā)電機組在國內(nèi)外發(fā)展很快，我國現(xiàn)以300MW機組為骨干機組，并逐步發(fā)展600MW以上機組。目前，國外已經(jīng)建成單機容量

26、1000MW以上的單元機組。</p><p>　　單元發(fā)電機組是有鍋爐、汽輪發(fā)電機和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。由于其工藝流程復(fù)雜，設(shè)備眾多，管道縱橫交錯，有上千個參數(shù)需要監(jiān)視、操作或控制，而且電能生產(chǎn)還要求有高度的安全可靠性和經(jīng)濟性，因此，大型機組的自動化水平受到特別的重視。目前，采用以分散微機為基礎(chǔ)的集散型控制系統(tǒng)（TDCS），組成一個完整的控制、保護、監(jiān)視、操作及計算等多功能自動化系統(tǒng)。 </p&g

27、t;<p>　　我國自從70 年代發(fā)展125MW 等級的中間再熱大型電站鍋爐機組以來, 緊接著有200MW ,300MW 的國產(chǎn)機組問世, 80 年代又相繼從國外引進各種300MW 以上的爐型, 均無一例外為中間再熱機組, 所以有關(guān)再熱汽溫調(diào)節(jié)問題也引起了鍋爐界同仁的關(guān)注。國產(chǎn)鍋爐的再熱汽調(diào)溫方式大致上經(jīng)歷了3個發(fā)展階段, 即:</p><p>　　(1) 煙氣再循環(huán)調(diào)溫技術(shù), 早在70 年代上海鍋

28、爐廠生產(chǎn)的配125MW 機組的400MW 鍋爐采用這一技術(shù), 其中多數(shù)是燃煤機組。</p><p>　　(2) 80年代中尾部分隔煙道擋板再熱汽調(diào)溫方式得到鍋爐制造廠的青睞。</p><p>　　隨后成立的北京巴威公司生產(chǎn)的300MW 和600MW 鍋爐也采用了這種調(diào)溫方式。</p><p>　　(3) 80年代后期隨大型電站鍋爐引進美國CE 公司技術(shù)后, 以CE

29、公司鍋爐技術(shù)特方式之一的擺動燃燒器調(diào)節(jié)再熱汽溫, 已作為300MW 等以上容量鍋爐的調(diào)溫手段。此外, 汽—汽熱交換面式減溫器也曾用于某些200MW 鍋爐的再熱汽溫調(diào)節(jié), 但受先天性缺陷的限制, 如管組和閥門的泄漏、調(diào)溫幅度小和動態(tài)特性差等, 影響了其效能。近幾年來, 隨著各地工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迅猛發(fā)展,電力建設(shè)事業(yè)進展極快, 各電廠均注重降低煤耗和發(fā)電成本, 爭取低價上網(wǎng), 而且由于地方電網(wǎng)裝機總量的增大, 一些200MW 甚至300MW 容

30、量的機組作調(diào)峰運行已屢見不鮮, 低負荷運行經(jīng)濟性已提上日程; 過去影響機組安全運行的問題多半已解決, 電廠領(lǐng)導(dǎo)和職能、運行管理人員所關(guān)心的已是“挖潛節(jié)能”, 故對于再熱汽調(diào)溫問題已十分重視。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p>　　國內(nèi)的現(xiàn)狀是大部分執(zhí)行機構(gòu)老化或技術(shù)不夠先進，我們國內(nèi)有很好的控制理論和控制系統(tǒng)，但是到執(zhí)行機構(gòu)這里就出現(xiàn)問題了！就好像一個人

31、有靈活的大腦，卻有笨拙的四肢，無法很好的支配一樣。彭城電廠再熱器控制系統(tǒng)就是一例，它就是以擺動燃燒器噴嘴為主要調(diào)節(jié)，微量噴水調(diào)節(jié)為輔助調(diào)節(jié)的控制手段。它的控制系統(tǒng)“軟件”沒有問題，但是執(zhí)行機構(gòu)這個“硬件”就有問題了：如四角不能同時擺動、執(zhí)行機構(gòu)卡澀、燃燒器擺角下垂(出現(xiàn)單個燃燒器下垂，也有整組燃燒器下垂)，這些問題曾導(dǎo)致鍋爐運行中燃燒不穩(wěn)定，甚至造成鍋爐滅火。經(jīng)多次檢修處理，卻不能解決這些問題，不得不將燃燒器擺角固定在一定的角度，不再參

32、與再熱汽溫調(diào)節(jié)。因此微量噴水調(diào)節(jié)就成為正常工況下汽溫調(diào)整的唯一手段。由于完全依賴噴水調(diào)節(jié)再熱汽溫，導(dǎo)致運行過程中所投入的減溫水量超過設(shè)計值。如在額定設(shè)計工況下減溫水用量是5.0 t/h，實際中需投用減溫水量達到20～30 t/h。噴水量大幅度地頻繁變化，導(dǎo)致減溫器后的汽溫變化幅度超過規(guī)定范圍，對減溫器后的管道產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力。</p><p>　　國內(nèi)發(fā)展趨勢是盡量恢復(fù)燃燒器擺角作為再熱汽溫的主調(diào)節(jié)手段；改善被控

33、對象的控制品質(zhì)；負荷變化時，使再熱汽溫盡可能穩(wěn)定。</p><p>　　2 火力發(fā)電廠發(fā)電工藝簡介</p><p>　　2.1 火力發(fā)電廠概述</p><p>　　火力發(fā)電廠是利用化石燃料燃燒釋放的熱能發(fā)電的動力設(shè)施，包括燃料燃燒釋熱和熱能電能轉(zhuǎn)換以及電能輸出的所有設(shè)備、裝置、儀表器件，以及為此目的設(shè)置在特定場所的建筑物、構(gòu)筑物和所有有關(guān)生產(chǎn)和生活的附屬設(shè)施。主

34、要有蒸汽動力發(fā)電廠、燃氣輪機發(fā)電廠、內(nèi)燃機發(fā)電廠幾種類型。</p><p>　　2.1.1 火力發(fā)電廠基本原理</p><p>　　電磁感應(yīng)理論：任何變化的電場都要在其周圍空間產(chǎn)生磁場，任何變化的磁場都要在其周圍空間產(chǎn)生電場。</p><p>　　熱力學(xué)第一定律：熱可以變?yōu)楣?，功也可以變?yōu)闊?，消耗一定熱量時，必產(chǎn)生相當(dāng)數(shù)量的功，消耗一定量的功時，必出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)量的熱

35、。</p><p>　　熱力學(xué)第二定律：高溫物體的熱能可以自動傳遞給低溫物體，而低溫物體的熱能卻不能自動地傳遞給高溫物體。機械能可以自動轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能卻不能自動轉(zhuǎn)化為機械能。</p><p>　　2.1.2 主要生產(chǎn)過程簡述 </p><p>　　儲存在煤場中的原煤由輸煤設(shè)備從煤場送到鍋爐的原煤斗中,再由給煤機送到磨煤機中磨成煤粉。煤粉送至分離器進行分離,合格

36、的煤粉送到煤粉倉儲存(倉儲式鍋爐)。煤粉倉的煤粉由給粉機送到鍋爐本體的噴燃器,由噴燃器噴到爐膛內(nèi)燃燒(直吹式鍋爐將煤粉分離后直接送入爐膛)。燃燒的煤粉放出大量的熱能將爐膛四周水冷壁管內(nèi)的水加熱成汽水混合物。混合物被鍋爐汽包內(nèi)的汽水分離器進行分離,分離出的水經(jīng)下降管送到水冷壁管繼續(xù)加熱,分離出的蒸汽送到過熱器,加熱成符合規(guī)定溫度和壓力的過熱飽和蒸汽,經(jīng)管道送到汽輪機做功。過熱蒸汽在汽輪機內(nèi)做功推動汽輪機旋轉(zhuǎn),汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電,發(fā)電機發(fā)

37、出的三相交流電通過發(fā)電機端部的引線經(jīng)變壓器升壓后引出送入電網(wǎng)。在汽輪機內(nèi)作完功的過熱蒸汽被凝汽器冷卻成凝結(jié)水,凝結(jié)水經(jīng)凝結(jié)泵送到低壓加熱器加熱,然后送到除氧器除氧,再經(jīng)給水泵送到高壓加熱器加熱后,送到鍋爐繼續(xù)進行熱力循環(huán)。再熱式機組采用中間再熱過程,把在汽輪機高壓做功之后的蒸汽送到鍋爐的再熱器中再熱, 溫度合格的再熱蒸汽被送到汽輪機中、低壓缸繼續(xù)推動汽輪機做功，如圖2-1。 </p><p>　　以上只簡單地講述

38、了電廠從煤到電的過程，但是實際上每個設(shè)備中所進行過程都十分復(fù)雜，除了主要設(shè)備的工作原理、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外，還有自動控制保護以及設(shè)計計算、經(jīng)濟運行等問題。</p><p>　　圖2-1 火力發(fā)電廠生產(chǎn)過程</p><p>　　2.2 火電廠三大控制系統(tǒng)</p><p>　　2.2.1 鍋爐給水控制系統(tǒng)</p><p>　　汽包鍋爐給水控制的主

39、要任務(wù)是使鍋爐的給水量跟蹤鍋爐的蒸發(fā)量，保證鍋爐進出的物質(zhì)平衡和正常運行所需的工質(zhì)，對于國產(chǎn)300MW機組普通采用的汽包鍋爐來說，就是維持汽包水位在允許范圍內(nèi)變化。所以，鍋爐給水控制又稱“鍋爐水位控制”。</p><p>　　汽包水位間接地反映了鍋爐內(nèi)物質(zhì)平衡狀況（主要是蒸汽負荷與給水量的平衡關(guān)系），因此，它是表征鍋爐安全運行的重要參數(shù)之一，也是保證汽輪機安全運行的重要條件之一。汽包水位過高，會降低汽包內(nèi)汽水分離

40、裝置的汽水分離效果，導(dǎo)致出口蒸汽水分過多，使其含鹽濃度增大，從而使過熱器管壁結(jié)垢而導(dǎo)致燒壞過熱器；汽包出口蒸汽中水分過多，還會使過熱汽溫產(chǎn)生急劇變化；而且使汽輪機葉片也易于結(jié)垢，降低汽輪機的出力，直接影響機組運行的安全性和經(jīng)濟性。汽包水位過低，則會破壞鍋爐的水循環(huán)，使某些水冷壁管束得不到爐水冷卻而燒壞，甚至引起鍋爐爆炸事故。因此，為保證機組安全運行，正常情況下一般限制汽包水位在-50～+50mm范圍內(nèi)變化。</p><

41、;p>　　鍋爐水位實現(xiàn)自動控制，不僅可提高鍋爐汽輪機組的安全性，還可提高鍋爐運行的經(jīng)濟性。采用自動控制會使鍋爐的給水連續(xù)均勻、相對穩(wěn)定，從而使鍋爐汽壓穩(wěn)定，保證鍋爐在合適的參數(shù)下穩(wěn)定運行，使鍋爐具有較高的運行效率。因此，電廠鍋爐的給水實現(xiàn)自動控制以及自動控制系統(tǒng)保持優(yōu)良的工作性能是十分重要性的。</p><p>　　2.2.2 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)</p><p>　　鍋爐過熱蒸汽

42、溫度是影響鍋爐生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)?，F(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是全廠整個汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。過熱器采用的是耐高溫、高壓的合金鋼材料，過熱器正常運行時的溫度已接近材料所允許的最高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易燒壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹變形而毀壞，影響機組的安全運行；如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低全廠的熱效率，一般蒸汽溫

43、度每降低5～10℃，熱效率約降低1%，不僅增加燃料消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱蒸汽溫度降低還會導(dǎo)致汽輪機高壓部分級的焓降減小，引起各級反動度增大，軸向推力增大，也對汽輪機的安全運行帶來不利。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。</p><p>　　為了保證過熱蒸汽的品質(zhì)和生產(chǎn)過程的安全性、經(jīng)濟性，過熱蒸汽溫度必須通過自動化手段加以控制。

44、因此，過熱蒸汽溫度的控制任務(wù)是：維持過熱器出口蒸汽溫度在生產(chǎn)允許的范圍內(nèi)，一般要求過熱蒸汽溫度的偏差不超過額定值(給定值)的+5～-10℃。</p><p>　　2.2.3 再熱蒸汽溫度控制系</p><p>　　在大型機組中，新蒸汽在汽輪機高壓缸內(nèi)膨脹做功后，需再送回到鍋爐再熱器中加熱升溫，然后再送人汽輪機中、低壓缸繼續(xù)做功。采取蒸汽中間再熱可以提高電廠循環(huán)熱效率，降低汽輪機末端葉片的

45、蒸汽濕度，減少汽耗等。為了提高電廠的熱經(jīng)濟性，大型火力發(fā)電機組廣泛采用了蒸汽中間再熱技術(shù)。因此，再熱器出口蒸汽溫度的控制成為大型火力發(fā)電機組不可缺少的一個控制項目。</p><p>　　再熱蒸汽溫度控制的意義與過熱蒸汽溫度控制一樣，是為了保證再熱器、汽輪機等熱力設(shè)備的安全，發(fā)揮機組的運行效率，提高電廠的經(jīng)濟性。再熱蒸汽溫度控制的任務(wù)，是保持再熱器出口蒸汽溫度在動態(tài)過程中處于允許的范圍內(nèi)，穩(wěn)態(tài)時等于給定值。<

46、/p><p>　　3 火電廠的控制系統(tǒng)</p><p>　　3.1 自動控制系統(tǒng)基本概念</p><p>　　調(diào)節(jié)量：由調(diào)節(jié)機構(gòu)（閥門、擋板等）改變的流量（或能量），用以控制被調(diào)量的變化，稱為調(diào)節(jié)量。又稱控制量。</p><p>　　被調(diào)量：又稱被控制量。表征生產(chǎn)過程是否正常運行并需要加以調(diào)節(jié)的物理量。</p><p>

47、;　　給定值：按生產(chǎn)要求被調(diào)量必須維持的希望值，簡稱給定值。在許多情況下給定值是不變的（如正常運行時鍋爐的汽包水位、過熱蒸汽溫度等），但在有些情況下給定值是變化的，如汽輪機啟動過程中轉(zhuǎn)速的給定值就應(yīng)不斷改變。</p><p>　　調(diào)節(jié)對象（有平衡 無自衡）：又稱被控對象。即被調(diào)節(jié)的生產(chǎn)過程或設(shè)備稱為調(diào)節(jié)對象。</p><p>　　調(diào)節(jié)器：可用來改變進入控制對象的物質(zhì)或能量的裝置稱為調(diào)節(jié)器。

48、</p><p>　　擾動：引起被調(diào)量偏離給定值的各種原因稱為擾動。如果擾動不包括在控制回路內(nèi)部就稱外擾。如果擾動發(fā)生在控制回路內(nèi)部，稱為內(nèi)擾。其中，由于調(diào)節(jié)機構(gòu)開度變化造成的擾動，稱為基本擾動。變更控制器的給定值的擾動稱為定值擾動，有時也稱控制作用的擾動。</p><p>　　前饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)（開環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)）：控制系統(tǒng)中不是根據(jù)被調(diào)量的偏差而是直接根據(jù)擾動進行控制，及時消除擾動的影響而使被調(diào)

49、量基本不變化（或很少變化）。這種直接根據(jù)擾動進行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)有時也稱“擾動補償”。</p><p>　　3.2 自動控制系統(tǒng)的分類</p><p>　　3.2.1 前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　在自動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常又擾動的產(chǎn)生。當(dāng)擾動發(fā)生后，被控對象受到擾動，系統(tǒng)會發(fā)生偏差。如果根據(jù)被調(diào)量和給定值之間的偏差進行控制的負反饋控制

50、系統(tǒng)只有當(dāng)被控對象受到擾動后，只有等被調(diào)量發(fā)生變化，偏差出現(xiàn)后才開始控制，這種控制動作落后于擾動，必然造成控制過程中存在（動態(tài)）偏差。可以設(shè)想，如果控制系統(tǒng)不是根據(jù)被調(diào)量的偏差而是根據(jù)直接擾動進行控制，就有可能及時消除擾動的影響而使被調(diào)量基本不變化（或變化很小）。這種直接根據(jù)擾動進行控制的系統(tǒng)，稱為前饋控制系統(tǒng)。前饋控制系統(tǒng)又稱“擾動補償”。</p><p>　　1. 前饋控制系統(tǒng)的分析</p>&

51、lt;p>　　前饋控制系統(tǒng)的原理框圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 前饋控制系統(tǒng)</p><p>　　圖3.1表示一個前饋控制系統(tǒng)，擾動量λ是引起被調(diào)量y變化的原因，而前饋調(diào)節(jié)器在擾動出現(xiàn)的同時就根據(jù)擾動信號λ進行調(diào)節(jié)，用此控制作用去抵消擾動λ對被調(diào)量的影響。如果完全抵消，被調(diào)量就可可以保持不變。在前饋控制系統(tǒng)中，沒有被調(diào)量（及其它）的反饋信號，所以系統(tǒng)是不閉合的，

52、因此也稱開環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　2. 前饋控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)是直接根據(jù)擾動進行控制的因此可以消除擾動對被調(diào)量的影響，減小被調(diào)量的動態(tài)偏差，而且不像反饋控制系統(tǒng)那樣根據(jù)被調(diào)量的偏差反復(fù)調(diào)節(jié)，因此前饋控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間ts也較小。</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，不存在系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。但是，由于系統(tǒng)中不存在被調(diào)

53、量的反饋信號，因而控制過程結(jié)束后不易得到靜態(tài)偏差的具體數(shù)值。</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)只能用來克服生產(chǎn)過程中主要的、可測的擾動。在實際工業(yè)生產(chǎn)中使被調(diào)量發(fā)生變化的原因（擾動）是很多的，對每一種擾動都需要一個獨立的前饋控制，這就會使控制系統(tǒng)變得非常復(fù)雜；而且有的擾動往往是難于測量的，對于這些擾動就無法實現(xiàn)前饋控制。</p><p>　　前饋控制系統(tǒng)一般只能實現(xiàn)局部補償而不能保證被調(diào)量

54、的完全不變。</p><p>　　3.2.2 反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　這種控制系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)被調(diào)量與其給定值之間的偏差進行調(diào)節(jié)，最后達到減小或消除偏差，簡單說就是“按偏差調(diào)節(jié)”。為了取得偏差信號，必須要有被調(diào)量測量值的反饋信號，因而將系統(tǒng)構(gòu)成一個閉合回路，所以這種系統(tǒng)也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.反饋控制系統(tǒng)的分析</p&

55、gt;<p>　　反饋控制系統(tǒng)框圖如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 反饋控制系統(tǒng)</p><p>　　2. 反饋控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)中，輸入量和輸出量存在一一對應(yīng)的關(guān)系。</p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)中，除輸入量對輸出量產(chǎn)生控制作用外，輸出量也參與系統(tǒng)的控制，因而閉環(huán)系統(tǒng)具有抗

56、干擾能力。</p><p>　　為了檢測偏差，必須直接或間接地檢測出輸出量，并將其變換為與輸入量相同的物理量以便與給定量相比較，得出偏差信號。所以反饋控制系統(tǒng)必須有檢測環(huán)節(jié)、給定環(huán)節(jié)和比較環(huán)節(jié)。</p><p>　　閉環(huán)控制環(huán)節(jié)是利用偏差量作為控制信號來糾正偏差的，因此系統(tǒng)中必須具有執(zhí)行糾正偏差這一任務(wù)的執(zhí)行能夠機構(gòu)。反饋系數(shù)正是靠放大的偏差信號來推動執(zhí)行機構(gòu)，進一步對控制對象進行控制。只

57、要輸出量與給定值之間存在偏差，就有控制作用存在，力圖糾正這一偏差。由于反饋控制系統(tǒng)是利用偏差信號作為控制信號，自動糾正輸出量與其期望值之間的誤差，因此可以構(gòu)成精確的控制系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.3 復(fù)合控制系統(tǒng)</p><p>　　在反饋控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入前饋控制系統(tǒng)就稱為前饋－反饋復(fù)合控制系統(tǒng)。將經(jīng)常發(fā)生的主要擾動（負荷）做為前饋信號，由于前饋信號快于被調(diào)量的偏差信號，故可

58、以進行“立即”調(diào)節(jié)，及時克服主要擾動對被調(diào)量的影響。利用反饋來克服其它擾動，使系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時能準(zhǔn)確地控制在給定值。在復(fù)合控制系統(tǒng)中把前饋控制稱為粗調(diào)，把反饋控制稱為細調(diào)。只要充分利用前饋與反饋的優(yōu)點，可以提高控制質(zhì)量。</p><p><b>　　3.3 性能指標(biāo)</b></p><p>　　一個控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，常用一些性能指標(biāo)來評價。性能指標(biāo)可以用計

59、算的方法得到，也可以從控制過程曲線（被調(diào)量的階躍響應(yīng)曲線）上直觀地得出。最常用的設(shè)計是時域（以時間為自由變量的研究領(lǐng)域)性能指標(biāo)。時域性能指標(biāo)有可以分為單項性能指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)。</p><p>　　在過程控制種對定值控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)的要求不同，就產(chǎn)生了兩類不同要求的性能指標(biāo)。對于定值控制系統(tǒng)，控制要求的是克服擾動的影響，市被控量保持在給定的范圍。對于隨動控制系統(tǒng)，控制要求是使被控制量跟蹤新給定值。這兩類

60、系統(tǒng)同樣要求被控制量接近給定值，但控制要求不完全相同。在定制控制系統(tǒng)中，突出的要求是克服擾動的性能。在擾動發(fā)生后，希望被控制量穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地達到給定值或新的平衡狀態(tài)。在隨動控制系統(tǒng)中突出的要求是跟蹤性能，希望被控制量穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地跟蹤新給定值。</p><p>　　從以上的論述可以看出衡量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)劣的性能指標(biāo)可以歸納為三個，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性?？刂七^程的穩(wěn)定性是對控制系統(tǒng)最基本的要求

61、。不穩(wěn)定的系統(tǒng)在生產(chǎn)上是不能采用的。邊界穩(wěn)定的系統(tǒng)一般也是不符合生產(chǎn)要求的，只有穩(wěn)定系統(tǒng)才能完成正常的調(diào)節(jié)任務(wù)。</p><p>　　準(zhǔn)確性是指被調(diào)量的實際值與給定值之間的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。動態(tài)偏差表示系統(tǒng)短期偏離給定值的程度。靜態(tài)偏差表示長期偏離給定值的程度。所偏離越大，則控制系統(tǒng)離開規(guī)定的工況就越遠，這是不希望的。最大靜態(tài)偏差往往出現(xiàn)在負荷發(fā)生最大幅度的變化時，即有滿負荷跌到零負荷時。</p>

62、<p>　　快速性是指控制過程持續(xù)時間，控制過程的時間越短，即控制過程進行得越迅速，說明控制系統(tǒng)克服干擾的能力越強。</p><p>　　上述性能指標(biāo)在同一系統(tǒng)中是相互制約的，在不同的系統(tǒng)中，則各有其重要性。因此，在設(shè)計自動控制系統(tǒng)時，應(yīng)該根據(jù)具體情況分清主次、區(qū)別對待，對于那些主要的指標(biāo)應(yīng)優(yōu)先予以保證。</p><p>　　3.4 調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律</p>&

63、lt;p>　　自動調(diào)節(jié)器（簡稱調(diào)節(jié)器）和控制對象組成一個相互作用的閉合回路如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意圖</p><p>　　調(diào)節(jié)器根據(jù)被調(diào)量y與規(guī)定值r的偏差信號e而使執(zhí)行機構(gòu)按一定規(guī)律動作，從而引起調(diào)節(jié)機關(guān)位置μ的變化。調(diào)節(jié)器輸入量為偏差e，輸出量為調(diào)節(jié)機關(guān)位置，動態(tài)特性是指調(diào)節(jié)器的輸出量與輸入量的動態(tài)關(guān)系，常稱作調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。常用的調(diào)節(jié)器按

64、其規(guī)律可分為比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器。這些調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律都是由基本調(diào)節(jié)作用比例、積分、微分組合而成。</p><p>　　3.4.1 基本調(diào)節(jié)作用</p><p>　　1. 比例作用（簡稱P作用）</p><p>　　比例作用的動態(tài)方程式為(式3.1）</p><p><b&g

65、t;　　e＝r－y</b></p><p>　　式中e——被調(diào)量偏差，調(diào)節(jié)器的輸入信號；</p><p>　　μ——調(diào)節(jié)機關(guān)的位置，調(diào)節(jié)器的輸出信號；</p><p>　　——比例作用的比例系數(shù)。</p><p><b>　　它的傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　

66、?。ㄊ?.2）</b></p><p>　　從式中看出，輸出μ與輸入e的大小成正比?；蛘哒f，調(diào)節(jié)機關(guān)移動速度與偏差信號的變化速度成正比。這說明比例作用無慣性、無延遲、動作快，而且調(diào)節(jié)動作的方向正確。因此，比例作用在控制系統(tǒng)中是促使控制過程穩(wěn)定的因素。</p><p>　　從式（3.1）還可以看出μ與輸入e之間有一一對應(yīng)的關(guān)系。調(diào)節(jié)機關(guān)位置μ隨對象負荷的改變而改變，這樣才能適應(yīng)負

67、荷變化的要求。因此，當(dāng)對象變化時，調(diào)節(jié)機關(guān)位置必須改變，即被調(diào)量與給定值之間的偏差必然發(fā)生改變。所以調(diào)節(jié)結(jié)果被調(diào)量（靜態(tài)）偏差，有時稱比例作用為有差調(diào)節(jié)。</p><p>　　積分作用(簡稱I作用)</p><p>　　積分作用的動態(tài)表達式為</p><p><b>　?。ㄊ?.3）</b></p><p>　　或表示為

68、 （式3.4）</p><p>　　式中KI——積分速度。</p><p>　　它的傳遞函數(shù)為 （式3.5）</p><p>　　式（3.3）說明，輸入e隨時間的積累就是輸出μ。只要偏差存在，調(diào)節(jié)機關(guān)的位置就一直變化下去。只有當(dāng)偏差為零時，調(diào)節(jié)機關(guān)的位置就保持不變了。也可以

69、說控制過程結(jié)束時，被調(diào)量與其給定值之間沒有穩(wěn)態(tài)偏差。</p><p>　　式（3.4）說明，調(diào)節(jié)機關(guān)移動速度只與偏差e的大小成正比，而不考慮偏差變化速度的大小和方向，這一特點使積分調(diào)節(jié)作用有時產(chǎn)生方向錯誤，容易引起調(diào)節(jié)過程振蕩，所以積分作用在控制系統(tǒng)中是使過程振蕩的因素。這種控制作用很少單獨使用。</p><p>　　微分作用(簡稱D作用)</p><p>　　微分

70、作用的動態(tài)方程式為</p><p><b>　?。ㄊ?.6）</b></p><p>　　式中Kd——表示微分作用的比例系數(shù)。</p><p><b>　　它的傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　　（式3.7）</b></p><p>　　式（

71、3.6）說明調(diào)節(jié)機關(guān)的位置與被調(diào)量偏差的變化速度成正比，在控制過程開始階段，被調(diào)量偏離給定值很小，但變化速度很大，即微分作用很強，他可以使調(diào)節(jié)機關(guān)的位置產(chǎn)生一個較大的變化，限制偏差的進一步增大，微分的作用可以有效的減少被調(diào)量的動態(tài)偏差。從以上分析可知微分動作快于比例動作，即微分作用具有超前調(diào)節(jié)的特點，因此微分作用在控制系統(tǒng)中能提高過程的穩(wěn)定性。</p><p>　　調(diào)節(jié)過程結(jié)束時，de/dt等于零，由式（3.6）

72、可知，μ＝0，即調(diào)節(jié)機關(guān)的位置不變，這樣就不能適應(yīng)負荷的變化。也可以說，微分作用對恒定不變的偏差是沒有克服能力的。因此，只有微分作用的調(diào)節(jié)器是不能執(zhí)行調(diào)節(jié)任務(wù)的，即這種控制作用不能單獨使用。</p><p>　　綜上所述，比例作用能單獨地執(zhí)行調(diào)節(jié)任務(wù)，并能使控制過程趨于穩(wěn)定，但使被調(diào)量產(chǎn)生靜態(tài)偏差。積分作用只有極少的情況才能單獨使用，會使控制過程變成振蕩甚至不穩(wěn)定，但能使被調(diào)量無靜態(tài)偏差。微分作用不能單獨使用，但

73、能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效地減少被調(diào)量的動態(tài)偏差。由于比例、積分、微分作用給有其特點，所以目前工業(yè)上常用P、PI、PD、PID調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.4.2 調(diào)節(jié)器的控制作用</p><p><b>　　比例調(diào)節(jié)器</b></p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的動態(tài)方程式與比例作用的動態(tài)方程式相同，即</p><p&

74、gt;<b>　　（式3.8）</b></p><p>　　傳遞函數(shù)為 （式3.9）</p><p>　　式中KP——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，即偏差改變一個單位時，調(diào)節(jié)機構(gòu)的位移變化量，它是調(diào)節(jié)器的參數(shù)；</p><p>　　δ——比例系數(shù)KP的倒數(shù)，即當(dāng)調(diào)節(jié)機關(guān)的位置改變100％時，偏差應(yīng)有的改變量，稱比例帶。</p>

75、<p>　　比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖3.4所示。</p><p>　　δ是可調(diào)的表示比例作用強弱的參數(shù)，δ越大比例作用越弱；δ越小比例作用越強?？梢钥闯觯敵鰧斎毽0的響應(yīng)無遲延、無慣性、由于調(diào)節(jié)方向正確，比例調(diào)節(jié)器在控制系統(tǒng)作用中是使控制過程穩(wěn)定的因素。當(dāng)控制對象的負荷發(fā)生變化之后，執(zhí)行機構(gòu)必須移動到一個與負荷相適應(yīng)的位置才能使控制對象再度平衡。因此調(diào)節(jié)的結(jié)果是有差的。因而比例調(diào)節(jié)器稱為有差調(diào)

76、節(jié)器。</p><p>　　圖3.4 比例調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線 圖3.5 PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線</p><p>　　比例積分（PI）調(diào)節(jié)器</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器是比例作用和積分作用的疊加，它的動態(tài)方程為</p><p><b>　　（式3.10）</b></p><p

77、><b>　　或?qū)懗?</b></p><p><b>　　（式3.11）</b></p><p><b>　　調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</b></p><p><b>　?。ㄊ?.12）</b></p><p>　　式中KI——調(diào)節(jié)器的積分速度，即當(dāng)偏

78、差改變100％時，調(diào)節(jié)機構(gòu)的移動速度。</p><p><b>　　Ti——積分時間。</b></p><p>　　這種調(diào)節(jié)器有兩個可供調(diào)整的參數(shù)，即KI和KP。當(dāng)時比例積分作用調(diào)節(jié)器就成比例作用調(diào)節(jié)器。當(dāng) 時即就成為積分作用調(diào)節(jié)器。積分時間越小，表示積分作用越強。反之，積分時間越大，表示積分作用越弱。比例帶不但影響比例作用的強弱而且也影響積分作用的強弱。</p

79、><p>　　PI 調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如圖3.5所示。階躍響應(yīng)曲線的方程式為</p><p>　　(式3.13) </p><p>　　當(dāng)t=0時被調(diào)量偏差有一階躍Δe0,調(diào)節(jié)器立即輸出一個階躍值Δe0/δ,然后隨時間逐漸上升。從圖3.5可以看出，比例作用是即時的、快速的。而積分作用是緩慢的、漸進的、這兩種作用綜合后，某部分的調(diào)節(jié)方向還是錯誤的，易造成控制系統(tǒng)振

80、蕩。</p><p>　　由于比例積分調(diào)節(jié)器是在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上，有加上積分調(diào)節(jié)，相當(dāng)于再“粗調(diào)”的基礎(chǔ)上再加上“細調(diào)”，能使控制過程結(jié)束后沒有靜態(tài)偏差。</p><p>　　3.5 單回路控制系統(tǒng)</p><p>　　控制器和控制對象是單回路控制系統(tǒng)的兩個主要組成部分。它們的特征將決定控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，因此討論控制對象的特征參數(shù)和調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)參數(shù)對控制質(zhì)量的

81、影響是非常必要的。</p><p>　　3.5.1 單回路控制系統(tǒng)原理分析</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖</p><p>　　它是由測量變送器、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器及控制對象組成的單閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。圖中WT(s)為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，Wz(s)為執(zhí)行器

82、的傳遞函數(shù)，Wm(s)為測量變送器的傳遞函數(shù)，WO(s)為控制對象的傳遞函數(shù)。為了便于分析，將測量變送器、執(zhí)行器和控制對象做為一個整體看待，改整體稱為“廣義對象”。這樣圖3.6所示的單回路控制系統(tǒng)就由調(diào)節(jié)器和廣義對象兩部分組成，其等效原理方框圖如圖3.7所示，圖中WO*(s)為廣義對象的傳遞函數(shù)。實際上在做對象動態(tài)特性實驗時，總是以調(diào)節(jié)器的手動輸出做為對象的輸入信號，以測量變送器的輸出作為對象的輸出信號，這樣測得的對象特性包括了測量變送

83、器和執(zhí)行器的特征。</p><p>　　若試驗取得的對象特性包括了測量變送器的動態(tài)特性，則廣義對象的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　(式3.14)</b></p><p>　　這時等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（式3.15）</b></p><p&g

84、t;　　上式中的執(zhí)行器的動態(tài)特性可以近似認為是比例環(huán)節(jié),當(dāng)調(diào)節(jié)器為PID控規(guī)律時等效時等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（式3.16）</b></p><p><b>　　式中等效比例帶</b></p><p><b>　?。ㄊ?.17）</b></p><p&g

85、t;　　若試驗取得的對象動態(tài)特性包括了執(zhí)行器的動態(tài)特性，則廣義對象的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。ㄊ?.18）</b></p><p>　　這時等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（式3.19）</b></p><p>　　上式中的測量變送器的動態(tài)特性可近似為是比例環(huán)節(jié)當(dāng)

86、控制器為PID控制規(guī)律時等效調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（式3.20）</b></p><p><b>　　式中比例帶為</b></p><p><b>　?。ㄊ?.21）</b></p><p>　　3.5.2 調(diào)節(jié)器的正反控制作用</p>

87、<p>　　調(diào)節(jié)器有正作用和反作用，單回路控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的正反作用方式選擇的目的是使閉環(huán)系統(tǒng)在信號關(guān)系上形成負反饋。調(diào)節(jié)器的正反作用的選擇同控制對象的正反特性、測量變送單元的正反特性及調(diào)節(jié)閥形式有關(guān)。對于組成控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性是這樣規(guī)定的：正作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測量值減給定值增加時，調(diào)節(jié)器的輸出也增加；反作用調(diào)節(jié)器，即當(dāng)系統(tǒng)的測量值減給定值時，調(diào)節(jié)器的輸出減??；控制對象的正特性，即當(dāng)控制對象的輸入量增加時，其輸出也增加

88、；控制對象的反特性，即當(dāng)控制對象的輸入量增加時，其輸出卻減小。測量變送單元的輸入增加其輸出也增加為正特性；測量變送單元的輸入增加其輸出減小為反特性。氣開調(diào)節(jié)閥正特性；氣開調(diào)節(jié)閥為正特性；氣關(guān)調(diào)節(jié)閥為反特性。</p><p>　　確定調(diào)節(jié)器正、反作用的次序一般為：首先根據(jù)生產(chǎn)過程安全等原則確定調(diào)節(jié)閥的形式、測量變送器單元的正反特性，然后確定被控對象的正反特性，最后確定調(diào)節(jié)器的正反作用。對于圖1.6所示的單回路控制系

89、統(tǒng)，使系統(tǒng)正常工作使組成該系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的極性相乘必須為負。一般變送器的靜態(tài)放大系數(shù)Km通常為正極性，故只需調(diào)節(jié)KT、調(diào)節(jié)閥Kμ和對象的K0極性相乘必須為負即可。對于組成控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的極性是這樣規(guī)定的：正作用調(diào)節(jié)器，其靜態(tài)放大系數(shù)KT取正；反作用調(diào)節(jié)器，其靜態(tài)放大系數(shù)取負。氣開式調(diào)節(jié)器，其靜態(tài)放大系數(shù)Kμ取正，氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，其靜態(tài)放大系數(shù)Kμ負。被控對象的正特性，其靜態(tài)放大系數(shù)K0取正，被控對象的反特性，其靜態(tài)放大系數(shù)K0取負。根據(jù)上

90、述靜態(tài)放大系數(shù)正負的規(guī)定和組成系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)極性相乘必需為負的原則來確定調(diào)節(jié)器的正反作用方式。</p><p>　　在工程上實現(xiàn)調(diào)節(jié)器的正、反作用，對于電動調(diào)節(jié)器來說，可以通過電動調(diào)節(jié)器的正、反作用來選擇開關(guān)來實現(xiàn)。</p><p>　　3.6 串級控制系統(tǒng)</p><p>　　簡單控制系統(tǒng)雖然是一種最基本、使用最廣泛的控制系統(tǒng)，但是對于有些較難控制

91、的過程，控制質(zhì)量要求很嚴格的參數(shù)就無能為力了。因此，需要改進控制結(jié)構(gòu)、增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。而串級控制系統(tǒng)就是改善控制過程品質(zhì)極為有效的方法，得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　圖3.7 串級控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.6.1 串級控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　串級控制系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了

92、兩個閉一個閉環(huán)在外面，被稱為外回路或者主回路，用來完成細調(diào)任務(wù)，以最終保證被調(diào)量滿足生產(chǎn)要求。無論主回路還是副回路都有各自的控制對象，測量變送器和調(diào)節(jié)器。在主回路內(nèi)的控制對象、被側(cè)參數(shù)和調(diào)節(jié)器分別被稱為主對象、主參數(shù)和主調(diào)節(jié)器。在副回路內(nèi)則相應(yīng)地被稱為副對象、副參數(shù)和副調(diào)節(jié)器。副對象是整個控制對象的一部分，常稱為控制對象的導(dǎo)前區(qū)；主對象是整個控制對象中的另一部分，常稱為控制對象的惰性區(qū)。應(yīng)該指出，系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，它們的作用各不相同。

93、主調(diào)節(jié)器具有自己獨立的給定值，它的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出信號則是送到調(diào)節(jié)機構(gòu)去控制生產(chǎn)過程。比較串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)，前者只比后者多了一個測量變送器和一個調(diào)節(jié)器，增加的儀表投資并不多，但控制效果卻有明顯的改善。</p><p>　　3.6.2 串級控制系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)節(jié)器的選型</p><p>　　為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的特點，在設(shè)計實施控制系統(tǒng)時，還應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計主、副回

94、路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。</p><p>　　1.主、副回路的設(shè)計原則</p><p>　　副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反映靈敏。通常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容積遲延和慣性的。因此，在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，應(yīng)設(shè)法找到一個反映靈敏的副參數(shù)，使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大提高。</p><p

95、>　　副回路應(yīng)包含被控對象所受到的主要干擾。串級控制系統(tǒng)對進入副回 的擾動有很強的克服能力。為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計時，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多地包括一些擾動。但這將與要求副回路控制通道短，反映快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計中加以協(xié)調(diào)。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)有多大，決定于這個對象的容積分布情況以及各種擾動影響的大小。副回路的范圍也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同時還可能使主回路的控制性能惡化。一般應(yīng)使副

96、回路的頻率比主回路的頻率高得多，當(dāng)副回路的時間常數(shù)加在一起超過了主回路時，采用串級控制就沒有什么效果。</p><p>　　主、副回路工作頻率應(yīng)適當(dāng)匹配。由于串級系統(tǒng)中主、副回路是兩個相互獨立有密切相關(guān)的回路。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進入副回路時，會引起副回路中副參數(shù)振幅增加，而副參數(shù)的變化傳到主回路后，又迫使主參數(shù)變化幅度增加，如此循環(huán)往復(fù)，就會使主、副參數(shù)長時間大幅度的波動，這就是所謂串級系統(tǒng)的“共

97、振現(xiàn)象”。一旦發(fā)生了共振，系統(tǒng)就失去控制，不僅使控制品質(zhì)惡化，如不及時處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴重后果。</p><p>　　2.主、副調(diào)節(jié)器的選型</p><p>　　串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對于他們的選型即控制規(guī)律的選擇也有不同考慮。</p><p>　　(1)副調(diào)節(jié)器的選型</p><p>　　副調(diào)節(jié)器的任

98、務(wù)是要快速動作以迅速進入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般就選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可考慮采用PI調(diào)節(jié)器。</p><p>　　(2)主調(diào)節(jié)器的選型</p><p>　　主調(diào)節(jié)器的任務(wù)準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求，凡是采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制品質(zhì)的要求總是很高的，不允許被調(diào)量

99、存在靜差。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器，如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　3.7 汽水系統(tǒng)</b></p><p>　　圖3.8 汽水系統(tǒng)監(jiān)控圖</p><p>　　1． 水冷壁及自然循環(huán)：</p><p&

100、gt;　　吸收火焰和煙氣的熱量而使水產(chǎn)生蒸汽的受熱面稱為蒸發(fā)受熱面。自然循環(huán)回路是由不受熱的下降管、受熱的上升管、汽包、水冷壁下集箱，水冷壁上集箱和汽水引出管等組成。汽包具有較大的容積，其中下半部充滿水，上半部為蒸汽空間，兩者之間的分界面叫做蒸發(fā)面，整個回路中的水叫做鍋爐水。上升管中受熱達到飽和溫度屏產(chǎn)生部分蒸汽，而下降管中為飽和水或未飽和水。由于蒸汽的密度小于水的密度，因而上升管中汽水混合物平均密度小于下降管中水的密度，這個密度差推動

101、上升管中汽水混合物向上流動進入汽包，并在汽包中進行汽水分離，分離出來的蒸汽由汽包送出，分離出來的飽和水和給水混合后進入下降管，并且從上向下流動，形成汽水循環(huán)。自然循環(huán)的推動力是由下降管中的工質(zhì)密度和上升管中工質(zhì)密度值差而產(chǎn)生的，自然循環(huán)回路的循環(huán)推動力稱為運動壓頭。自然循環(huán)的優(yōu)點是可以利用連續(xù)排污和定期排污來調(diào)整和保證爐水品質(zhì)，因而對給水品質(zhì)要求不太高。自然循環(huán)鍋爐的水容積和畜熱能力大，因而對自動化程度要求不高。</p>

102、<p>　　鍋爐運行中，影響水冷壁安全運行的因素很多，既有管內(nèi)諸多因素的影響，也有管外復(fù)雜因素的影響。管內(nèi)的因素有：（1）水質(zhì)不良導(dǎo)致的水冷壁管內(nèi)結(jié)垢與腐蝕；（2）水冷壁受熱偏差的影響導(dǎo)致的個別管子出現(xiàn)循環(huán)流動的停滯或倒流；（3）水冷壁熱負荷過大導(dǎo)致的管子內(nèi)壁出現(xiàn)膜態(tài)沸騰；（4）汽包水位過低引起水冷壁中循環(huán)流量不足，甚至發(fā)生更為嚴重的“干鍋”。管外的影響因素有：（1）燃燒產(chǎn)生的腐蝕性氣體對管壁的高溫腐蝕；（2）結(jié)渣和集灰導(dǎo)致的

103、對管壁的侵蝕；（3）煤粉氣流或含灰氣流對管壁的磨損。</p><p>　　水冷壁管內(nèi)汽水混合物流動的情況，與壓力、質(zhì)量、流速、質(zhì)量含汽率和管外熱負荷等因素有關(guān)，汽水混合物在垂直管內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)主要有四種：汽泡狀、汽彈狀、汽柱狀和汽霧狀。當(dāng)水冷壁管內(nèi)汽水混合物流動狀態(tài)為汽泡狀、汽彈狀、汽柱狀時，其傳熱屬于核態(tài)傳熱區(qū)域，此時管壁是安全的；在高參數(shù)大容量鍋爐爐膛高熱負荷區(qū)域的水冷壁管中，有時會產(chǎn)生膜態(tài)沸騰，這是管內(nèi)蒸汽直

104、接與壁面接觸以致傳熱惡化，這是內(nèi)部工質(zhì)換熱系數(shù)急劇下降，壁溫突然升高，大大超過管內(nèi)工質(zhì)的飽和溫度，很容易導(dǎo)致管子破壞。為了避免水冷壁管在工作中超溫損壞，必須避免蒸汽直接與管內(nèi)壁接觸，因為蒸汽與管內(nèi)壁之間的換熱系數(shù)比水與管內(nèi)壁之間的換熱系數(shù)小的多。停滯、倒流、膜態(tài)沸騰都將影響水冷壁安全運行。水循環(huán)停止實際上導(dǎo)致的是水冷壁傳熱惡化，水循環(huán)停止現(xiàn)象主要發(fā)生在受熱弱的管子上。倒流管的壓差大于同一片管屏或同一回路的平均壓差，從而迫使工質(zhì)向下流動，

105、在發(fā)生倒流的管子中，水向下運動，而汽泡由于受到浮力向上運動。當(dāng)?shù)沽魉俣容^慢且等于汽泡向上運動的速度的時候，向下流的水帶不走汽泡，造成汽泡不上不下的狀態(tài)，引起汽塞，發(fā)生傳熱惡化，以致使管子出現(xiàn)局部超溫。如果管外的熱負荷很</p><p>　　自然循環(huán)安全性能指的是鍋爐在運行過程中，循環(huán)回路中的所有上升管能有連續(xù)的水膜來冷卻它，具體指標(biāo)有：（1）受熱最弱的管子不發(fā)生停滯和倒流；（2）受熱最強的管不發(fā)生傳熱惡化；（3）

106、回路循環(huán)倍率大于界限循環(huán)倍率，使循環(huán)具有補償特性；（4）下降管入口不形成漩渦漏斗；（5）各循環(huán)回路流速和循環(huán)倍率都在推薦范圍內(nèi)。為提高循環(huán)安全性，可采取下列措施：（1）減少受熱不均；（2）確定合適的上升管吸熱量；（3）確定合適的上升管高度核管徑；（4）確定合適的汽水導(dǎo)管高度和截面積；（5）減少旋風(fēng)分離器阻力；（6）減少下降管阻力。減少受熱不均勻，在運行上的要求是：（1）限制最小負荷，因為負荷小，受熱不均勻增大；（2）不要使火焰偏斜；（3

107、）防止結(jié)渣，結(jié)渣后要及時清除。</p><p>　　2． 汽包及其內(nèi)部裝置：</p><p>　　汽包是自然循環(huán)鍋爐以及強制循環(huán)鍋爐中最重要的承壓部件，汽包的主要作用是：（1）連接上升管和下降管組成的自然循環(huán)回路，同時接收省煤器來的給水，還向過熱器輸送飽和蒸汽。因而，汽包是加熱、蒸發(fā)與過熱這三個過程的連接樞紐；（2）儲水儲汽；（3）蒸汽凈化，汽包內(nèi)部的各種裝置，可以進行蒸汽凈化從而獲得品

108、質(zhì)良好的蒸汽；（4）汽水分離，從水冷壁、沸騰式省煤器或?qū)α鞴苁鴣淼钠旌衔铮?jīng)汽包內(nèi)的汽水分離裝置分離出的蒸汽被送入過熱器過熱，稱為過熱蒸汽。另外，汽包上裝有壓力表、水位計、事故防水門、安全閥等附屬設(shè)備，用以控制汽包壓力、監(jiān)視汽包水位，以保證鍋爐安全工作。 </p><p>　　鍋爐給水一般來自除氧器，在進水過程中，因汽包壁熱阻很大，壁內(nèi)加熱很慢，該汽包金屬溫升比外壁迅速，內(nèi)壁溫度因此高于外壁，在汽包

109、壁厚范圍內(nèi)，溫度成拋物線分布。汽包內(nèi)壁溫度較高，向外膨脹，而外壁因溫度較低阻止發(fā)生膨脹。于是，內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，外壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，汽包進行冷卻，過程與之相反，即內(nèi)壁溫度低于外壁溫度，內(nèi)壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，外壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。此外，在鍋爐啟動過程中，汽包的汽空間和水空間的壁溫是不一樣的，為了保證汽包的安全運行，必須采取以下措施：（1）嚴格控制汽包溫差，防止內(nèi)外壁溫差過高引起過大的溫度應(yīng)力；（2）汽包采用環(huán)形夾套結(jié)構(gòu)；（3）鍋爐起停初期，適當(dāng)?shù)倪M