畢業(yè)設計---汽包串級三沖量給水

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　現(xiàn)代大型鍋爐的水位動態(tài)特性復雜，汽包存在著嚴重的“虛假水位”現(xiàn)象，為了給水系統(tǒng)的安全可靠，有多種設計方案，三沖量給水系統(tǒng)包括單級三沖量給水系統(tǒng)和串級三沖量給水系統(tǒng)，設計中重點針對串級三沖量給水系統(tǒng)進行了詳細的設計及仿真研究。</p><p>　　本次設計是根據(jù)實驗給定的參數(shù)，用理論計算的方法整定調(diào)節(jié)器

2、的參數(shù)，同時借助MATLAB應用軟件整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并與單沖量給水控制系統(tǒng)進行分析比較。理論計算時，副回路需要用試探法，只能在仿真中進行整定；而主回路要結合所學的專業(yè)課知識，用經(jīng)驗公式計算主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)；再用結合實際的工程整定法也就是衰減曲線法來選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)并進行仿真。</p><p>　　設計中介紹了串級三沖量給水系統(tǒng)的結構組成及工作原理，接著根據(jù)理論計算，并結合工程整定方法，詳細論述了系統(tǒng)的參數(shù)整定問

3、題。參數(shù)整定后要使串級三沖量系統(tǒng)的副回路成為一個快速隨動系統(tǒng)，主回路成為一個衰減率為四分之一的衰減振蕩系統(tǒng)。最后分析了水位擾動、蒸汽流量擾動下的系統(tǒng)的性能和蒸汽流量信號丟失后的水位變化情況。</p><p>　　關鍵詞：汽包鍋爐水位；串級三沖量給水控制系統(tǒng)；MATLAB應用軟件</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

4、t;　　The dynamic characteristic of modern large-scale boiler water level is complicated, the vapor is existing "the false water level " phenomenon, in order to keep water supply system reliable and safe, we can

5、adopt three methods to complete this design, Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler includes single stage three impulses water supply system and cascade three impulses water supply system,

6、in my study, I have made a detailed introduction of water Level Control Sy</p><p>　　This design use theoretical method to adjust the controller parameter basing on parameter of experiment. It chooses the con

7、troller parameter by using MATLAB application software and makes a comparation with water Level Control System of Cascade Single Parameters Control Boiler Drum. In the process of theoretical calculating, the inner circui

8、t needs to use heuristic approach, it can carry out adjusting process only in simulation; But, the outside circuit needs to combine with specialized course k</p><p>　　Design has made a introduction of the st

9、ructure and principle of Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler, adjusting method combining with a project has discussed systematic parameter in detailed. The water level having analyzed wa

10、ter level perturbation motion, lower systematic steam rate of flow perturbation motion function and steam rate of flow signal finally after being lost water level that changes condition.</p><p>　　Keywords: w

11、ater level of steam drum boiler; series three elements water supply control system; MATLAB application software</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><

12、;p>　　第一章 電廠熱工自動化控制的發(fā)展2</p><p>　　1.1 自動控制理論的發(fā)展2</p><p>　　1.1.1 “經(jīng)典控制理論”階段2</p><p>　　1.1.2 “現(xiàn)代控制理論”階段2</p><p>　　1.1.3 “大系統(tǒng)理論和先進控制理論”階段2</p><p>　　1.2

13、控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結構和硬件的發(fā)展3</p><p>　　1.3 國外一些主要的DCS系統(tǒng)4</p><p>　　第二章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律5</p><p>　　2.1 比例調(diào)節(jié)對控制性能的影響5</p><p>　　2.2 積分調(diào)節(jié)對控制性能的影響6</p><p>　　2.3 微分調(diào)節(jié)對控制性能的影響8

14、</p><p>　　第三章 單回路控制系統(tǒng)的介紹11</p><p>　　3.1 單回路控制系統(tǒng)的概述11</p><p>　　3.2 單回路控制系統(tǒng)各組成部分的選擇11</p><p>　　3.3 對象特性對控制過程的影響12</p><p>　　3.3.1 對象放大系數(shù)對控制過程的影響12</p&

15、gt;<p>　　3.3.2 對象時間常數(shù)對控制過程的影響13</p><p>　　3.4 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法14</p><p>　　3.4.1 廣義頻率特性法15</p><p>　　3.4.2 工程整定法16</p><p>　　3.4.3 經(jīng)驗法17</p><p>　　3.4.

16、4 動態(tài)參數(shù)法17</p><p>　　第四章 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)19</p><p>　　4.1 汽包鍋爐簡介19</p><p>　　4.2 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務及基本要求20</p><p>　　4.3 汽包水位的動、靜態(tài)特性21</p><p>　　4.3.1 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性2

17、2</p><p>　　4.3.2 蒸汽流量擾動下水位對象的動態(tài)特性23</p><p>　　4.3.3 爐膛熱負荷擾動下水位變化的動態(tài)特性24</p><p>　　4.3.4 靜態(tài)特性分析25</p><p>　　4.4 鍋爐給水控制系統(tǒng)的方案25</p><p>　　4.4.1 汽包水位單沖量給水控制系統(tǒng)

18、25</p><p>　　4.4.2 汽包水位雙沖量給水控制系統(tǒng)27</p><p>　　4.4.3 汽包水位三沖量給水控制系統(tǒng)29</p><p>　　第五章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)及整定方法31</p><p>　　5.1 串級三沖量給水控制系統(tǒng)結構和工作原理31</p><p>　　5.2 串級三沖量控制

19、系統(tǒng)的特點32</p><p>　　5.3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的分析32</p><p>　　5.3.1 副回路的分析32</p><p>　　5.3.2 主回路的分析33</p><p>　　5.4 蒸汽流量前饋裝置的傳遞函數(shù)的選擇34</p><p>　　第六章 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真及分析3

20、6</p><p>　　6.1 MATLAB的概述36</p><p>　　6.1.1 MATLAB的特點36</p><p>　　6.1.2 熱工自動控制中MATLAB的應用38</p><p>　　6.2 單沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真38</p><p>　　6.2.1 單沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定3

21、8</p><p>　　6.2.2 單沖量給水控制系統(tǒng)模型及仿真圖39</p><p>　　6.3 串級三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真40</p><p>　　6.3.1 副回路的仿真40</p><p>　　6.3.2 主回路的仿真42</p><p>　　6.4 整個系統(tǒng)和各種擾動量下的SIMULINK結

22、構圖和仿真圖45</p><p>　　6.4.1 整個系統(tǒng)的仿真分析45</p><p>　　6.4.2 各種擾動下系統(tǒng)SIMULINK結構圖和仿真圖46</p><p>　　6.5 串級三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真結果分析48</p><p><b>　　參考文獻50</b></p><p&g

23、t;<b>　　謝 辭52</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著電子產(chǎn)品的降價及自動化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢的凸現(xiàn)，越來越多的企業(yè)準備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動化生產(chǎn)線或者對個別關鍵工藝參數(shù)采用自動控制。工業(yè)應用自控技術在中國的推廣使用較晚，但近年來發(fā)展較快。國內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動控制系統(tǒng)方面的

24、設計公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動化技術和電氣技術三者于一體的設計不多，所以人們清楚地認識到自動控制技術在工業(yè)應用中的重要地位和作用，在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來實現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重中之重。</p><p>　　本設計是通過了解鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并在具體分析其動、靜特性的基礎上從單沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設計方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制，具體的方案設計存在的優(yōu)缺點

25、詳見下文解析。</p><p>　　本課題的目的及意義：鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位同時受到鍋爐側和汽輪機側的影響，因此，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，通過給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的重要條件。水位過高或過低，都是不允許的。水位過高會影響汽水分離器的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增加，使過熱器管壁和汽輪機葉片結垢，

26、造成事故；鍋爐出口蒸汽帶水過多還會使過熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過低，則會破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。</p><p>　　本設計的目的是采用串級三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運行,并通過MATLAB仿真，證明所設計的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)、外擾動，實現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。</p><p>　　第一章 電廠熱工自動化控制的發(fā)展</p><

27、p>　　自動控制理論及工程應用的發(fā)展至今已有100多年的歷史，隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，自動控制系統(tǒng)應用范圍也越來越廣泛。電廠熱工系統(tǒng)更不例外主要表現(xiàn)在系統(tǒng)越來越大，高參數(shù)大容積，除了對控制硬件提出了高可靠性要求之外，對控制理論也不斷提出新要求，希望能不斷解決新出現(xiàn)的控制難題，自動控制的發(fā)展主要包括兩個方面：</p><p>　?。?）控制理論的發(fā)展；</p><p>　　（2）控

28、制系統(tǒng)規(guī)模及組成結構和硬件的發(fā)展；</p><p>　　1.1 自動控制理論的發(fā)展</p><p>　　1.1.1 “經(jīng)典控制理論”階段</p><p>　　上世紀50年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對象集中于SISO系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎的波德圖法和根軌跡法

29、，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對數(shù)頻率特性。</p><p>　　1.1.2 “現(xiàn)代控制理論”階段</p><p>　　60年代以后發(fā)展起來的現(xiàn)代控制理論主要研究MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定常或時變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個高階微分方程式來描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個變量均為時間t的函數(shù)，因而屬于時域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處是可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本質(zhì)。主

30、要內(nèi)容包括：</p><p>　?。?）系統(tǒng)運動狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析；</p><p>　　（2）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識別和卡爾曼濾波理論；</p><p>　?。?）非線性系統(tǒng)控制；</p><p>　?。?）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應控制</p><p>　　1.1.3 “大系統(tǒng)理論和先進

31、控制理論”階段</p><p>　　前兩個階段的控制理論的發(fā)展與應用，主要討論存在數(shù)學模型的自動控制系統(tǒng)，但是對于那些不具有數(shù)學模型或很難找到數(shù)學模型的被控對象，應用經(jīng)典控制理論的方法等無法解決。但是，由于計算機技術的快速發(fā)展和價格的下降，使計算機的應用領域越來越寬，先進控制日益發(fā)展和應用起來了。先進控制主要包括自適應控制、預測控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學科的發(fā)展促進了自動控制理論向著智能控制方向發(fā)展，

32、而智能控制和具有智能化的自動控制系統(tǒng)又是人工智能的一個既有廣泛應用前景的研究領域。70年代末開始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開拓，因此在控制工程界受到極大的關注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊控制、學習控制等。智能控制具有如下特點：以專家和熟練操作工人的知識為基礎進行推理、判斷、預測和規(guī)劃，采用符號信息處理、啟發(fā)式程序設計，知識表示和自學習、推理與決策的智能化技術，實現(xiàn)問題的綜合性求解。先進

33、控制離不開前兩個階段的控制理論，只是把自動控制理論推向一個更深化的嶄新階段。</p><p>　　1.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結構和硬件的發(fā)展</p><p><b>　?。?）初級階段</b></p><p>　　本世紀50年代前后，熱工生產(chǎn)過程主要是憑生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，局限于一般的控制元件和機電式控制儀器，采用較笨重的基地式儀表實現(xiàn)機、爐、電各自

34、獨立的分散的局部自動控制。各控制系統(tǒng)之間沒有或很少有聯(lián)系，應用的理論是“經(jīng)典控制理論”。</p><p><b>　　（2）常規(guī)儀表階段</b></p><p>　　50年代末及以后十年間，隨著儀表工業(yè)大力發(fā)展，先后出現(xiàn)了電動單元儀表和巡回監(jiān)測裝置，這些高性能的儀表廣泛應用于熱工過程，且機組容量增大，對效率及安全的要求越來越突出，因此熱工控制的要求和精度變得越來越高。

35、要求實現(xiàn)把機、爐作為一單元整體來進行集中控制，儀表盤表裝在一起監(jiān)視，從而使機、爐啟停更為協(xié)調(diào)，對提高設備效率和強化生產(chǎn)過程有所促進。此時所用的儀表有電動及組裝儀表。理論發(fā)展主要是處于“經(jīng)典控制理論”階段，但也開始考慮最優(yōu)控制等，各種DDZ型儀表廣泛應用于水位控制中。</p><p>　?。?）大型自動化階段</p><p>　　70年代至今，由于集成電路及計算機技術的飛速發(fā)展，實現(xiàn)了過程控

36、制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動化相結合的分散計算機控制，目前火電發(fā)電廠都發(fā)展到了管理、決策、財務、生產(chǎn)過程一體化的（CIPS）階段，整個機組的生產(chǎn)過程的控制只是其中的一個子系統(tǒng)。采用集中分散型計算機控制系統(tǒng)，DCS它把各系統(tǒng)之間、廠級管理、調(diào)度等用大型計算機進行集中管理，而各個子回路分散控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點，是一種比較合理的新型計算機控制系統(tǒng)。隨著這個過程，控制理論的應用有了新的發(fā)展，各種先進控制技術也能廣泛應用于熱工過

37、程。水位控制的模式主要是三沖量，但是先進控制技術也應用到水位控制中來，如自適應控制、預測控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡進行控制。甚至應用建模技術，可以對過程實時建模，更加提高了控制效果。</p><p>　　1.3 國外一些主要的DCS系統(tǒng)</p><p>　　國外DCS系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，計算機集散控制系統(tǒng)已被廣泛應用于包括電廠在內(nèi)的諸多工業(yè)部門。目前，世界上約有40多家公司生產(chǎn)近

38、百種簡單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的橫河——北辰、日立、東芝；德國的Siemens等多跨國公司。這些成熟的DCS系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對于專門的生產(chǎn)過程發(fā)展的DCS系統(tǒng)，可以很方便、任意的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場情況實現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的開放性，用戶可以在此基礎上作二次開發(fā)，把最新的技術應用到自己的系統(tǒng)中來，增

39、強原系統(tǒng)的功能。</p><p>　　第二章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律</p><p>　　調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號與其輸入信號之間的動態(tài)關系，從理論上說可有各種形式的函數(shù)關系，然而在實踐中總結出比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律，廣為采用。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設計出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其

40、動態(tài)特性對控制過程有著很大的影響，因為對象的特性是不容易改變的。本章內(nèi)容的重點是分析和比較不同調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器的控制效果。</p><p>　　2.1 比例調(diào)節(jié)對控制性能的影響</p><p>　　所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號之間成比例關系，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p>

41、<p>　　其中 ——比例增益。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　工程中，常用比例帶來描述其控制作用的強弱，即</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　其物

42、理意義是在調(diào)節(jié)機構的位移改變100%時，被調(diào)量應有的改變量。如，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化100%時，需要其輸入信號變化20%。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)的階躍響應圖如圖2-1所示。從圖中看出，在時刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；時刻偏差信號發(fā)生階躍變化，對于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用將成比例地變化，而且?guī)缀跏峭瑫r產(chǎn)生的。控制作用的變化目的是調(diào)節(jié)進入對象的流入量，消除不平衡流量，使被調(diào)量回到原來的

43、值上。從這一點看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點之一就是調(diào)節(jié)及時、迅速。</p><p>　　由圖2-1還可看出，在時調(diào)節(jié)過程結束，但偏差信號仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過程結束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。因為采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關系，一定大小的控制作用是抵消擾動的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來的保證。在系統(tǒng)受到擾動后，被調(diào)量偏離了其給定值，而出現(xiàn)偏差；調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大

44、或小還要存在，否則偏差為零，控制作用也隨之消失，干擾信號的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。調(diào)節(jié)過程結束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點。</p><p>　　圖2-1 比例調(diào)節(jié)的階躍響應</p><p>　　2.2 積分調(diào)節(jié)對控制性能的影響</p><p>　　比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點是控制及時，控制作用貫穿整個調(diào)節(jié)過程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而

45、比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無差，因此對于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié)）還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。</p><p>　　積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用與其偏差輸入信號隨時間的積累值成正比，即</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　其傳遞函數(shù)形式為</b></p>&l

46、t;p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中為積分時間。</b></p><p>　　積分調(diào)節(jié)器的階躍響應如圖2-2所示。由圖可以看出，當被調(diào)量出現(xiàn)偏差并呈階躍形式變化時，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開始線性增長。從這一點看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時的。只要偏差信號存在，調(diào)節(jié)器輸出值在消除對系統(tǒng)影響

47、的控制作用就一直增加，且其增長的速度始終為初始速度。</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　上式表明，控制作用在積分時間越小的時候越強。</p><p>　　從響應曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達到再次穩(wěn)定狀態(tài)時，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律

48、的另一特點就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的后期。</p><p>　　不過在現(xiàn)實中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚各自的特長，彌補對方的不足。</p><p>　　描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動態(tài)方程是</p><p><b>　?。?-7）</b></p>&l

49、t;p>　　式中，為比例增益；為積分時間。</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　圖2-2 積分作用曲線</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性如圖2-3所示。由圖可以看出，當被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時，調(diào)節(jié)器立即輸出一個與偏差

50、成比例的控制作用，這是比例作用的結果；隨著時間的增長，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來；只要偏差存在，控制作用就一直增長下去，直至消除偏差時，控制作用才停止變化。由此可見，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時和積分作用消除偏差的優(yōu)點，從而克服了單純比例作用時不能消除偏差的缺點和單純積分作用控制不及時的缺點。</p><p>　　圖2-3 比例積分響應曲線</p><p>　　2.3 微分調(diào)節(jié)

51、對控制性能的影響</p><p>　　無論是比例調(diào)節(jié)規(guī)律，還是積分調(diào)節(jié)規(guī)律，一個共同特點就是控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才能產(chǎn)生。這對存在延遲或慣性較大的對象來說，要獲得滿意的調(diào)節(jié)效果是很困難的，這就需要引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號的變化速度成正比。對于定值控制系統(tǒng)，偏差信號的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即</p>

52、<p><b>　?。?-9）</b></p><p><b>　　式中稱為微分時間。</b></p><p><b>　　傳遞函數(shù)式為</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由于受控對象總存在一定的容量

53、，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動作的偏差信號在時間上肯定落后于偏差變化速度信號，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號又稱超前信號。被調(diào)量的變化速度往往反映了對象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對慣性較大的對象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無疑將大大改善調(diào)節(jié)過程。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)作用的大小僅于偏差信號的變化速度有關，而與偏差值大小無關。因此對象在受到較小的擾動后，被調(diào)量變化

54、量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時由于自身動作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動作；這樣，經(jīng)過一段時間后，偏差將積累成一個較大的值。就是說純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　式（2-9）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達式，因為在偏差作階躍變化時的瞬間，控制作用將為無窮大量，這是任何物理元件都不可能實現(xiàn)的。實際的微分

55、調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中——微分時間；——微分增益。</p><p><b>　　由初值定理有</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>&

56、lt;b>　　由終值定理知</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　由上述兩式可以得出微分調(diào)節(jié)的階躍響應曲線，如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 微分調(diào)節(jié)的階躍響應</p><p>　　由圖2-4可以看出，當偏差作幅度為的階躍變化時，微分作用將立即產(chǎn)生，

57、其值為偏差的倍。從這一點上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時且作用強。在時間較長后，微分作用消失，直到為零?？梢娢⒎肿饔弥饕谡{(diào)節(jié)過程的初期，和積分作用恰好相反。</p><p>　　通過前兩節(jié)和本節(jié)對比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律和微分調(diào)節(jié)規(guī)律的分析，可以看出它們對調(diào)節(jié)過程的影響是不同的。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用是按比例反映系統(tǒng)的偏差系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例

58、作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過大的比例作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分作用使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。</p><p>　　積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越小，積分作用就越強，反之大，則積分作用就弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應變慢。微分調(diào)節(jié)作用反映系統(tǒng)偏差信號的變化率，具有預見性，能預見偏差變化的趨勢，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選

59、擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時間。微分作用對噪聲干擾有放大作用，因此過強的微分調(diào)節(jié)，對系統(tǒng)抗干擾不利。</p><p>　　綜上所述，比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用，比例作用貫穿于整個調(diào)節(jié)過程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程后期，用以消除靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過程的初期。實際應用中，應根據(jù)具體情況選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，同時設置適當?shù)谋壤龓?，積分時間，微分時間，才能收到滿意的

60、調(diào)節(jié)效果。</p><p>　　對于一階慣性環(huán)節(jié)，負荷變化不大，工藝要求不高，可采用比例控制，如壓力、液位控制。</p><p>　　對于一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對象，負荷變化不大，控制精度要求高，可采用比例積分控制。因為熱力火電廠，工作環(huán)境較復雜，對于調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高，所以本文所設計的將采用調(diào)節(jié)器。</p><p>　　第三章 單回路控制系統(tǒng)的介紹</p

61、><p>　　3.1 單回路控制系統(tǒng)的概述</p><p>　　單回路反饋控制系統(tǒng)又稱簡單控制系統(tǒng)，它是僅由一個測量變送器，一個調(diào)節(jié)器和一個執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥），連同被控對象組成的閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)。其組成原理方框圖如圖3-1所示。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)是實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的基本單元，其結構簡單、投資少、易于調(diào)整和投運，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過程的控制要求，因

62、此在工業(yè)生產(chǎn)中應用十分廣泛，尤其適用于被控過程的純滯后、慣性小、負荷和擾動變化比較平緩，或是控制質(zhì)量要求不太高的場合。</p><p>　　在熱工生產(chǎn)過程中，最基本的且應用最多的是單回路控制系統(tǒng)。即使在高水平的自動化控制方案中，單回路控制系統(tǒng)目前仍占控制回路的絕大多數(shù)。而且各種復雜控制系統(tǒng)都是在單回路控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的，因此熟練掌握了單回路系統(tǒng)的設計方法稍加拓展就可以設計復雜系統(tǒng)。 </p>

63、<p>　　圖3-1 單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖</p><p>　　3.2 單回路控制系統(tǒng)各組成部分的選擇</p><p><b>　?。?）被調(diào)量的選擇</b></p><p>　　被調(diào)量是表征生產(chǎn)過程是否符合工藝要求的物理量，在熱工生產(chǎn)過程中主要是溫度、壓力、流量、化學成分等。一般情況下，欲維持的工藝參數(shù)就是系統(tǒng)的被調(diào)量，如

64、火力發(fā)電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務就是維持鍋爐過熱器出口蒸汽溫度，所以汽溫控制系統(tǒng)的被調(diào)量就是過熱器出口汽溫。</p><p>　　但是生產(chǎn)過程中，有些工藝參數(shù)目前還沒有得到直接的快速測量手段，如火電廠進入磨煤機的原煤干燥程度的測量。這種情況下往往采用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量，要求被調(diào)量與實際所需維持的工藝參數(shù)之間為單值函數(shù)關系，否則要采用相應的補償措施。對于那些雖有直接測量手段，但所測得的信號過于微弱或延

65、遲較大的情況，不如選用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量。</p><p><b>　?。?）控制量的選擇</b></p><p>　　選擇什么樣的控制量去克服擾動對被調(diào)量的影響呢？原則上是選擇工藝上允許作為控制手段的變量作為控制量，一般不應選擇工藝上的主要物料或不可控制的變量作為控制量。例如：火力發(fā)電廠的鍋爐負荷控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是主蒸汽壓力，而影響主蒸汽壓力的主要因素是汽輪

66、機進汽量和鍋爐燃料量，前者是電力生產(chǎn)要求所確定的，因而不能作為控制量而只能選擇燃料量作為系統(tǒng)的控制手段。</p><p>　　（3）控制通道和擾動通道的選擇</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)傳遞方框圖如圖3-2所示，圖中為對象的傳遞函數(shù)，它是包括了檢測單元、測量變送器、執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的廣義對象特性；為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為擾動信號，為被調(diào)量與擾動信號間的傳遞函數(shù)。擾動信號經(jīng)影響被調(diào)量

67、的信號通道稱為擾動通道；調(diào)節(jié)器輸出的控制信號通過影響被調(diào)量的信號通道稱為控制通道。</p><p>　　圖3-2 單回路控制系統(tǒng)的傳遞方框圖</p><p>　　3.3 對象特性對控制過程的影響</p><p>　　由自動控制理論知，控制過程的品質(zhì)指標一般用衰減率、動態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)偏差、過渡過程時間來衡量，它們描述了控制系統(tǒng)過渡過程的穩(wěn)定性、準確性和快速性。描述對象動

68、態(tài)特性的特征參數(shù)有對象的放大系數(shù)，時間常數(shù)和遲延時間。</p><p>　　3.3.1 對象放大系數(shù)對控制過程的影響</p><p>　　圖3-2所示的單回路控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，設調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，即</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　控制對象的傳遞函數(shù)為</p>&l

69、t;p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　擾動通道的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　　由圖3-2求出</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p>

70、<p>　　當系統(tǒng)受到單位階躍擾動，即作用下，控制系統(tǒng)過渡過程結束時，靜態(tài)偏差為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式（3-5）表明，干擾通道的放大系數(shù)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（又稱靜態(tài)偏差）越大；而控制通道的放大系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。對于線性控制系統(tǒng)，與是一種互補關系，即總可以通過改變調(diào)節(jié)器的比例增益（或比例帶）來滿足和的

71、乘積要求，這就是說對象的放大系數(shù)對控制過程的質(zhì)量沒有什么影響。當然，對非線性對象其值隨負荷變化而變化，要利用來補償，則要求也隨負荷變化而變化，即需要參數(shù)可變調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.3.2 對象時間常數(shù)對控制過程的影響</p><p><b>　?。?）干擾通道</b></p><p>　　設圖3-2中各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)均為1，即：，，。

72、干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)，即</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　（3-7）</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程</b></p><p&g

73、t;<b>　?。?-8）</b></p><p>　　式（3-8）表明，干擾通道的存在使系統(tǒng)的特征方程式產(chǎn)生變化，且干擾通道的慣性階次增加一階，系統(tǒng)就增加一個負實數(shù)閉環(huán)極點。當干擾通道的時間常數(shù)增大時，該新增加的極點就向坐標原點靠近。由自動控制理論可知，這將使控制過程的動態(tài)偏差減小。實際上，具有慣性的干擾通道相當于低通濾波器，從而減弱了干擾信號對系統(tǒng)工作的影響。</p>&l

74、t;p>　　如果干擾通道還存在延遲，則</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中，為干擾通道不存在延時的被調(diào)量，即</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　由延遲定理知</b></p>&

75、lt;p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　上式表明，干擾通道遲延的存在并不影響控制過程的質(zhì)量，只不過是使被調(diào)量在時間軸上順延一個時間而已。</p><p><b>　　（2）控制通道</b></p><p>　　控制通道的時間常數(shù)如果增加，系統(tǒng)的工作頻率下降，反映速度變慢，過渡過程的時間將加長。

76、時間常數(shù)過小，系統(tǒng)反映則過于靈敏，又會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。這就是說，在保證控制系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定程度下，應盡量減小控制通道的時間常數(shù)。實際系統(tǒng)中，控制通道是由執(zhí)行器、變送器、對象串聯(lián)組成的廣義對象。廣義對象內(nèi)部各環(huán)節(jié)的時間常數(shù)之間應相互錯開，要求它們之間有一個良好的匹配關系。</p><p>　　控制通道如果存在遲延（包括純遲延和容積遲延），將會使控制過程質(zhì)量變壞。因為控制作用不能及時影響被調(diào)量，從而使系統(tǒng)的動態(tài)偏

77、差加大，控制過程時間加長。然而在控制通道的時間常數(shù)較大時，延遲時間的影響將會減小?？刂仆ǖ来嬖谶t延，調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量與比值有關，比值越大質(zhì)量越差。</p><p>　　綜上所述，對象的特征參數(shù)、、對調(diào)節(jié)過程質(zhì)量的影響是不同的。干擾通道的放大系數(shù)大，意味著干擾對被調(diào)量的影響大，即增加系統(tǒng)的靜差。控制通道的放大系數(shù)，由于可由調(diào)節(jié)器的比例帶來補償，因而不影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。干擾通道的時間常數(shù)大，對于干擾的濾波作用大，從而有利于

78、調(diào)節(jié)器克服干擾的影響?？刂仆ǖ罆r間常數(shù)小，調(diào)節(jié)及時，但容易引起系統(tǒng)的振蕩趨于不穩(wěn)定。干擾通道的遲延對調(diào)節(jié)過程無影響，而控制通道的遲延總是有害的。</p><p>　　3.4 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)僅由調(diào)節(jié)器和對象兩部分組成；對象的動態(tài)特性是不容易改變的，要取得滿意的調(diào)節(jié)效果，就要設置合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)，因此單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定實際上就是調(diào)節(jié)器的參數(shù)

79、整定問題。合理的設置調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，是針對控制系統(tǒng)某一質(zhì)量指標而言的。在熱工生產(chǎn)過程中，通常要求控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量，即要求過程有一定的衰減率；在這一前提下，要求調(diào)節(jié)過程有一定的快速性和準確性，換言之穩(wěn)定性是首要的。</p><p>　　控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計算方法和工程整定方法，理論計算方法是基于一定的性能指標，結合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動態(tài)特性，通過理論計算求得調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)設定值；而工程整定法，則是

80、源于理論分析，結合試驗、工程實際經(jīng)驗等一套工程上的方法。</p><p>　　3.4.1 廣義頻率特性法</p><p>　　廣義頻率特性法是通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)，使控制系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對穩(wěn)定度的衰減頻率特性，從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。</p><p>　　圖3-3 系統(tǒng)方框圖</p><p>　

81、　圖3-3是由調(diào)節(jié)器和廣義對象組成的單回路控制系統(tǒng)的傳遞方框圖。對大多數(shù)熱工過程控制對象來說，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)=的極點都落在負實軸上。據(jù)控制理論中穩(wěn)定判據(jù)，要使系統(tǒng)響應具有規(guī)定的衰減率，只需選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使開環(huán)頻率特性 軌跡通過點。用數(shù)學式表示</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中，、分別為調(diào)節(jié)器和廣義對象相對穩(wěn)定度為時的廣

82、義頻率特性，、可表示為 </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　根據(jù)式（3-13）所示關系，有</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中 </p><p><b>　　其中

83、</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　由式（3-14）、式（3-15）可得到以下兩組關系式</p><p>　?。?-16） </p><p>

84、;<b>　　（3-17）</b></p><p>　　式（3-16）是式（3-17）的實頻特性和虛頻特性的表達式；式（3-17）則是其幅頻特性和相頻特性的表達式。</p><p>　　用廣義頻率特性法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，就是在已知廣義對象的傳遞函數(shù)后，應用式（3-12）或式（3-16）計算出具有規(guī)定的衰減率（即相對穩(wěn)定度）下調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。利用廣義頻率特性法計算調(diào)

85、節(jié)器的參數(shù)，其前提是獲得對象的傳遞函數(shù)，這一點給工程實際應用帶來困難。另外，該方法計算工作量也大，因此常用工程整定方法加以實現(xiàn)。</p><p>　　3.4.2 工程整定法</p><p><b>　　一、臨界比例帶法</b></p><p>　　臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調(diào)節(jié)器設置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小

86、改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)?？梢钥闯雠R界比例帶法無需知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。</p><p>　　臨界比例帶法在實際運用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對象配比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過

87、程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶及振蕩周期，則無法應用臨界比例帶法。</p><p><b>　　二、衰減曲線法</b></p><p>　　衰減曲線法是在總結臨界比例帶法基礎上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的衰減振蕩()過程時的調(diào)節(jié)器比例帶及過程衰減周期，或衰減振蕩()過程時調(diào)節(jié)器比例帶及過程上升時間，然后根據(jù)公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。</p>

88、<p>　　衰減曲線法的步驟如下：</p><p>　?。?）置調(diào)節(jié)器的積分時間，微分時間，比例帶為一稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。</p><p>　?。?）在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動試驗，觀察控制過程。如果過渡過程衰減率大于0.75，應逐步減小比例帶值，并再次實驗，直到過渡過程曲線出現(xiàn)的衰減過程。對于的調(diào)節(jié)過程，也是一樣地做上述試驗，直到出現(xiàn)的衰減過程。</p&g

89、t;<p>　?。?）按計算結果設置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿意為止。</p><p><b>　　3.4.3 經(jīng)驗法</b></p><p>　　如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運行中經(jīng)常受到擾動影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結果。這時，應該考慮經(jīng)驗法。經(jīng)

90、驗法是人們通過長期實踐，總結了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗。其整定參數(shù)的步驟如下：</p><p>　?。?）將調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大，微分時間置于最小，據(jù)經(jīng)驗設置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，若過渡過程有希望的衰減率（）則可，否則改變比例帶值，重復上述試驗。</p><p>　　（2）將調(diào)節(jié)器的積分時間由最大調(diào)整到某一值，由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，

91、這時應將比例帶值適當增大，一般為純比例作用的1.2倍。作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時間重復試驗，直到滿意為止。</p><p>　　（3）保持積分時間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時間，同樣反復湊試直到滿意為止。如此反復湊試，直到有一組合適的積分時間和比例帶。</p><p>　?。?/p>

92、4）對于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進行完上述調(diào)整試驗后，將微分時間 由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗過程，在感到滿意時停止。</p><p>　　3.4.4 動態(tài)參數(shù)法</p><p>　　動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應曲線求取一組特征參數(shù)、（無自平衡能力對象）或、、（有自平衡能力對象），再根據(jù)經(jīng)驗公式計

93、算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。</p><p>　　（a）有自平衡能力對象 （b）無自平衡能力對象</p><p>　　圖3-4 動態(tài)響應曲線</p><p>　　對于有自平衡能力的對象，其單位階躍響應曲線如圖3-4（a）所示。過響應曲線拐點作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線于，交時間軸與；過點作時間軸垂線并交于，則有。</p><p&

94、gt;　　對于無自平衡能力的對象，其單位階躍響應曲線如圖3-4（b）所示。作響應曲線直線段的漸近線交時間軸于，過直線段上任一點作時間垂線并交于，則。</p><p>　　在取得對象的單位階躍響應曲線后，通過在曲線上作圖，求出對象的特征參數(shù)、、或、，然后按表3-1給出的經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。</p><p>　　生產(chǎn)實踐表明，對象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易的程度；越大，對象就越不

95、好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶就應取大一些，即與成正比。對于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此比例帶為純比例作用時的比例帶值的1.2倍；對于采用比例積分微分調(diào)節(jié)，則因微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而比例帶可為純比例作用時比例帶的0.8倍。</p><p>　　表3-1 動態(tài)參數(shù)法計算公式（）</p><p>　　第四章 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)</p><

96、p>　　4.1 汽包鍋爐簡介</p><p>　　在設計鍋爐汽包水位控制的過程中首先從汽包鍋爐入手，汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動控制的任務與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個方面：</p><p>　?。?）保證系統(tǒng)安全運行；</p><p>　?。?）保持燃燒的經(jīng)濟性；</p><p>　　（3）保持爐膛負壓

97、在一定范圍內(nèi)；</p><p>　?。?）運行中保證汽輪機所需的蒸汽量，過熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。</p><p>　　無論自然循環(huán)鍋爐還是強制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務都是為了保證鍋爐負荷和給水的平衡關系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運行方式、鍋爐的結構、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。</p><p>　　汽

98、包鍋爐的工作原理：汽包鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)有汽包、下降管、分配水管、下聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器組成，這種與直流鍋爐結構的不同的最大優(yōu)點是：這個蒸發(fā)系統(tǒng)是閉合的，工質(zhì)在所有時候都在這個閉合的蒸發(fā)管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)。鍋爐的蒸發(fā)受熱面是有比較明顯的分界線的。無論是自然循環(huán)還是強制循環(huán)汽包鍋爐只是工質(zhì)的循環(huán)方式不同，并不改變汽包鍋爐的工作原理。這主要是由鍋爐運行參數(shù)決定的，而且沒有很嚴格的規(guī)定，當鍋爐壓力工作在9.8MPa～18.

99、6MPa范圍內(nèi)時，汽水密度差可以自行推動工質(zhì)流動，因此可以采用自然循環(huán)；當鍋爐工作壓力≥16MPa時，一般可以采用強制循環(huán)。</p><p>　　調(diào)節(jié)過程特點：汽包水位成為給水控制的唯一標志，因此汽包水位：</p><p>　?。?）反映了鍋爐負荷與給水的平衡關系；</p><p>　?。?）汽包水位影響蒸發(fā)面的改變，影響鍋爐的安全運行。</p>&l

100、t;p>　　因此在汽包鍋爐中，給水控制比直流鍋爐的給水控制簡單，其對象可以看成是帶有可測擾動的兩輸入輸出系統(tǒng)，其指標是單一的，即把水位維持在一個范圍內(nèi)即可。</p><p>　　眾所周知，工業(yè)過程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準確性和經(jīng)濟性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統(tǒng)是否可靠的重要指標。隨著工業(yè)自動化整體水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據(jù)不同的要求和不同的側重點，最優(yōu)方案始終是我們的首選。下面以汽包水位控

101、制系統(tǒng)的設計為例，對幾種方案略解。</p><p>　　汽包水位是鍋爐運行的主要指標之一，是一個非常重要的被控量。維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運行的首要條件，這是因為：</p><p>　?。?）水位過高會影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽溫度急劇下降，該過熱蒸汽作為汽輪機動力的話，將會損壞汽輪機葉片，影響運行的安全性和經(jīng)濟性。</p><p>　　（2）水位過低

102、，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負荷很大時，如不及時調(diào)節(jié)就會使汽包內(nèi)的水全部液化，導致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴加控制。</p><p>　　4.2 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務及基本要求</p><p>　　汽包鍋爐給水控制的任務是使給水量適應鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中的水位保持在一定的范圍內(nèi)，其要求包括以下兩個方面：</p><p>　　（1）維持

103、汽包水位在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　汽包水位是影響鍋爐安全運行的重要因素。水位過高，會破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴重時會導致蒸汽帶水增多，從而增加在過熱器管壁上和汽輪機葉片上的結垢，甚至使汽輪機發(fā)生水沖擊而損壞葉片；水位過低，則會破壞水循環(huán)，引起水冷壁的破裂。</p><p>　　正常運行時的水位波動范圍：±30mm～50mm</p><p>　

104、　汽包異常情況：±200mm</p><p>　　汽包事故情況：>±350mm</p><p>　?。?）保持穩(wěn)定的給水量。</p><p>　　穩(wěn)定工況下，給水量不應該時大時小地劇烈波動，否則，將對省煤器和給水管道的安全運行不利。</p><p>　　上述兩個任務中，第一個任務尤為重要。實踐證明，無論是電站鍋爐，或

105、是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟，其最有效的方法是實現(xiàn)給水自動調(diào)節(jié)。</p><p>　　根據(jù)我們所學知識可知，給水控制系統(tǒng)應該符合以下基本要求：</p><p>　　首先，由于被控對象在給水量擾動下的水位階躍反應曲線表現(xiàn)為無自平衡能力，且有較大的遲延，因此必須采用帶比例作用的調(diào)節(jié)器以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　其次，由于對象在蒸發(fā)量擾

106、動下，水位階躍反應曲線表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的反應速度比內(nèi)擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象對控制系統(tǒng)的不利影響，應考慮引入蒸汽流量的補償信號。</p><p>　　再次，給水壓力是有波動的，為了穩(wěn)定給水量，應當考慮將給水量信號作為反饋信號，用于及時消除內(nèi)擾。</p><p>　　4.3 汽包水位的動、靜態(tài)特性</p><p>　　汽包鍋爐給水控制對象的系統(tǒng)結

107、構如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 汽包鍋爐給水控制對象的結構系統(tǒng)</p><p>　　影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負荷），給水量，鍋爐熱負荷（燃燒率），汽包壓力。控制系統(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為</p><p>　?。?-1）將式（4-1）進一步變換得</p><p><b>　?。?-2）</b><

108、/p><p>　　令，則上式變?yōu)?</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中 ——汽包水位，或； </p><p>　　——汽水分離面積，或；</p><p>　　——蒸發(fā)量，或； </p><p><b>　　——給

109、水量，或；</b></p><p><b>　　——容量系數(shù)；</b></p><p>　　——水的密度，/或/；</p><p>　　——蒸汽密度，/或/。</p><p>　　容量系數(shù)是用來表征鍋爐結構系數(shù)的，而它的動態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時間來表征。</p><p>　　對

110、于汽包鍋爐來說，由飛升速度的定義知</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中——飛升速度，1/。</p><p>　　把擾動量即水位變化量轉(zhuǎn)變成用相對量表示的水位變化范圍，通常的水位允許變化范圍為200，這個范圍擾動量的相對極限值為100%。式（4-4）中</p><p>　　右邊一項表示

111、汽包內(nèi)工質(zhì)的變化量，當給水量時，而蒸發(fā)量為最大時，變化量最大，因此有</p><p><b>　　（4-5）</b></p><p>　　可見這時的擾動量是下降的。故有</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　式中 ——鍋爐最大的蒸發(fā)量；</p><

112、p>　　——水位變化允許的最大范圍。 </p><p><b>　　飛升時間。</b></p><p>　　對于蒸發(fā)量為100～230的單汽包爐，當水位變化時，，對于蒸發(fā)量為更大的汽包爐，它的意義在于當鍋爐在滿負荷運行時，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在內(nèi)將下降，或者換句話說，如果給水量減少，經(jīng)過的時間，水位將下降。<

113、/p><p>　　4.3.1 給水流量擾動下水位的動態(tài)特性 </p><p>　　圖4-2為給水量擾動時水位階躍響應曲線。圖4-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動態(tài)特性。曲線2則是非沸騰式省煤器時的水位動態(tài)特性。</p><p>　　圖4-2 給水流量擾動下水位階段響應曲線</p>&

114、lt;p>　　從物質(zhì)平衡的觀點來看，加大了給水量，水位應立即上升，但實際上并不是這樣，而是經(jīng)過一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因為給水溫度遠低于省煤器的溫度，即給水有一定的過冷度，水進入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總容積減少，因此，進入省煤器內(nèi)的水首先用來填補省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過一段遲延甚至水位下降后，才能因給水量不斷從省煤器進入汽包而使水位