1、編號本科生畢業(yè)設(shè)計鍋爐過熱蒸汽的溫度控制Temperature Control of Superheated Boiler Steam學(xué)生姓名專 業(yè)自動化學(xué) 號 110431208指導(dǎo)教師學(xué) 院電子信息工程二一五年六月長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計原創(chuàng)承諾書1. 本人承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計鍋爐過熱蒸汽的溫度控制， 是認(rèn)真學(xué)習(xí)理解學(xué)校的長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計工作條例后， 在教師的指導(dǎo)下，保質(zhì)保量獨立地完成了任務(wù)書中規(guī)定的內(nèi)容， 不弄 虛作假，不抄襲別人的工作內(nèi)容。2. 本人在畢業(yè)設(shè)計中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加 以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個 人和集體

2、均已在文中注明。3. 在畢業(yè)設(shè)計中對侵犯任何方面知識產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān) 相應(yīng)的法律責(zé)任。4. 本人完全了解學(xué)校關(guān)于保存、使用畢業(yè)設(shè)計的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交論文和相關(guān)材料的印刷本和電子版本；同意學(xué)校保留畢業(yè)設(shè)計的復(fù)印件和電子版本，允許被查閱和借閱；學(xué)校可以采用影 印、縮印或其他復(fù)制手段保存畢業(yè)設(shè)計， 可以公布其中的全部或部分 內(nèi)容。以上承諾的法律結(jié)果將完全由本人承擔(dān)！摘要過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)是單元機(jī)組不可缺少的重要組成部分，其性能和可靠性已成為保證單元機(jī)組安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。過熱蒸汽溫度較高時，機(jī)組熱效率則相對較高，但過高時，汽機(jī)的金屬材料又無法承受，氣溫過低則影響機(jī) 組效率。過

3、熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運行非常重要，所以對其控制有較高的要求。但是由于過熱蒸汽溫度是一個典型的大遲延、大慣性、非線性和時變性的復(fù)雜系統(tǒng)，本次設(shè)計采用串級控制以提高系統(tǒng)的控制性能，在系統(tǒng)中采用了主控-串級控制的切換裝置，使系統(tǒng)可以適用于不同的工作環(huán)境。通過使用該 系統(tǒng)，可以使得鍋爐過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)變化，并保護(hù)過熱器營壁溫度不超過允許的工作溫度。關(guān)鍵詞：過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)Smith預(yù)估器MATLAB仿真I長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計AbstractThe superheated steam temperature control system is an importa

4、nt and indispensable unit aircrew part, its performanee and reliability has become ensure safety and econo mic behavior of the un it aircrew importa nt factors. The superheated steam temperature is higher, the thermal efficiency is relatively high, but is high, the metal materials and the turbine un

5、able to bear, the temperature is too low will in flue nee the unit efficie ncy. The superheated steam temperature stability of the un it safe and economic operation is very important, so for the control have higher requirements. But because the superheated steam temperature is a typical time-delayed

6、, large inertia, nonlinear and changeablecomplex system, this design USES the cascade control in order to improve the control performance of the system, in the system by the master-cascade con trol of switchi ng device, make the system can be used in different working environment. By using this syst

7、em, can make the boiler overheating export steam temperature in allowed within the scope of the change, and the protection of superheater wall temperature not more than allow the camp of worki ng temperature.Key words: the superheated steam temperature; cascade con trol system;Smith predictor;MATLAB

8、 simulatio n長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1選題的背景及意義 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.3本次設(shè)計的目的 21.4本次設(shè)計的內(nèi)容 2第2章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的組成與對象特性 32.1過熱器的分類及基本結(jié)構(gòu) 32.1.1 過熱器的分類 32.1.2過熱器的基本結(jié)構(gòu) 42.2鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理 52.2.1 過熱器一級減溫控制系統(tǒng) 52.2.2過熱器二級減溫控制系統(tǒng) 62.3過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性 72.3.1 靜態(tài)特性 72.3.2動態(tài)特性 82.4過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的概念和方法 102.4.1

9、從蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 112.4.2煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫 11第3章過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本方案 133.1 PID控制器 133.1.1比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器 133.1.2 PID參數(shù)整定方法 143.2 串級溫度控制系統(tǒng) 153.2.1串級溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理 153.2.2串級溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計 163.2.3串級溫度控制系統(tǒng)的整定 183.2.4串級溫度控制系統(tǒng)的仿真 213.3 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng) 223.3.1導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理 223.3.2導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析 23333導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定 243.3.4導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的仿真 263.4兩種自動控制系統(tǒng)的

10、比較及控制方案選擇 27第4章 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真 294.1 Smith預(yù)估補償器 294.2改進(jìn)型史密斯預(yù)估器 324.3帶有改進(jìn)型Smith預(yù)估器的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 34第5章結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38致謝 39附 錄 40長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計第1章緒論1.1選題的背景及意義鍋爐的過熱蒸汽溫度是工業(yè)蒸汽鍋爐安全， 穩(wěn)定運行的重要指標(biāo)之一。溫度 過高，會使蒸汽帶水過多，汽水分離差，使后續(xù)的過熱管壁結(jié)垢，傳熱效率下降， 過熱蒸汽溫度下降，影響生產(chǎn)和安全；溫度過低又將破壞部分水冷壁的水循環(huán)還 不能滿足工藝要求，嚴(yán)重時會引起爆炸。因此，在鍋爐運行中，保證過熱蒸汽的 溫度

11、達(dá)標(biāo)是非常重要的1。過熱蒸汽的溫度一般可以看作是多容分布參數(shù)的受控對象，其動態(tài)特性描述可用多容慣性環(huán)節(jié)表示，該對象具有明顯的滯后特性。在鍋爐運行中，影響過熱器出口蒸汽溫度的因素很多，有蒸汽流量、鍋爐給水溫度、煙氣溫度、流量、流 速等。在這些因素的共同作用下，過熱汽溫對象除了具有多容、大慣性、大延遲 的特性之外，往往還表現(xiàn)出一定的非線性和時變特性，因此，過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)是鍋爐各項控制系統(tǒng)中較為復(fù)雜的控制系統(tǒng)之一。所以針對上述情況設(shè)計的控制系統(tǒng)，既要求對煙氣側(cè)擾動及負(fù)荷擾動等較大外擾具有足夠快的校正速度， 同時又要求能夠?qū)p溫水的內(nèi)擾有較強的抑制能力，從而使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和良好的控制品質(zhì)

12、，并能保證系統(tǒng)運行的安全性。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著自動化技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展， 微型計算機(jī)、工業(yè)專用控制計算機(jī)的出 現(xiàn)以及廣泛的應(yīng)用，為鍋爐控制領(lǐng)域開辟了一片廣闊的天地。 運用計算機(jī)技術(shù)的 高效率、高可靠性、全自動的微機(jī)工業(yè)測控系統(tǒng)開始日益得到重視。80年代后期至今，國內(nèi)外已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的鍋爐微機(jī)測控系統(tǒng)，明顯的改善了鍋爐的運行狀況，但還不夠完善。隨著控制理論的發(fā)展，PID控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了鍋爐的過熱蒸汽溫度控制 中。國內(nèi)外廣大專家學(xué)者和現(xiàn)場工作人員主要關(guān)注的熱點問題是：面對具有大延遲、工況參數(shù)對模型參數(shù)有較大影響的過熱汽溫，如何穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速地對其 進(jìn)行有效的控制。過熱汽溫對象

13、具有時變性、不確定性、非線性等特點，并且會 有一些隨機(jī)的擾動產(chǎn)生，工藝流程復(fù)雜， 使其難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。同時還 具有延遲和慣性較大等特性。所以常規(guī)PID控制方法更難以取得滿意的控制效果。因此，許多火電廠都希望能有一種理想的控制策略實現(xiàn)對過熱汽溫的有效控 制。隨著控制理論的不斷發(fā)展，控制領(lǐng)域出現(xiàn)了許多新的控制方法， 如預(yù)測控制 方法、自適應(yīng)控制方法、各種智能控制方法 （包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算 法等等）。除此之外還有綜合了幾種控制形式的混合式智能控制器等多種形式， 如以模糊控制為基礎(chǔ)的專家模糊控制系統(tǒng)，最常見的是以常規(guī)PID數(shù)字控制為基 礎(chǔ)，通過專家系統(tǒng)在線實時整定 PID控制參數(shù)，

14、即智能自適應(yīng) PID控制器2 直以來，國內(nèi)外許多專家學(xué)者都在積極研究將這些新的控制算法應(yīng)用到過熱蒸汽 溫度的控制上。目前比較有效的是模糊-PID復(fù)合串級控制系統(tǒng)，較好實現(xiàn)對過 熱蒸汽溫度的控制。1.3本次設(shè)計的目的本文的設(shè)計目的，就是針對過熱蒸汽溫度的特點，在深入分析過熱蒸汽溫度 調(diào)節(jié)的過程，過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象的靜態(tài)特性、 動態(tài)特性以及過熱蒸汽溫度控 制的設(shè)計難的基礎(chǔ)上，確定在過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中應(yīng)用串級控制的可行性， 并考慮根據(jù)蒸汽溫度偏差和偏差的變化情況調(diào)整控制器的各個參數(shù)，實現(xiàn)控制過熱蒸汽溫度。并且通過仿真驗證來控制效果。1.4本次設(shè)計的內(nèi)容1 分析了過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的任務(wù)，靜態(tài)特性

15、，在蒸汽流量擾動、煙氣流 量擾動、減溫水流量擾動三種主要擾動下過熱汽溫的動態(tài)特性，過熱汽溫控制的難點和設(shè)計原則，并對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了大致的介紹。2. 由于汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增 加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，使其控制難度加大。 在各種擾動作用下反映出非線性、時變等特性，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難 度。介紹了串級控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)，并加以分析、比較。并對該系統(tǒng) 參數(shù)進(jìn)行整定。根據(jù)兩種方案的特點，初步選用串級控制系統(tǒng)，將串級控制引入到過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，但串級控制系統(tǒng)不能克服純之后帶來的影響，在接 下來對串級

16、控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。3. 通過對控制系統(tǒng)的改進(jìn)與仿真，確定了一種引入改進(jìn)型Smith預(yù)估器的串級控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)蒸汽溫度的偏差和偏差變化情況調(diào)整控制器的PID因子，進(jìn)而調(diào)整了控制系統(tǒng)的控制策略，解決具有純遲延的過程控制，提高控制品 質(zhì)。同時，通過相應(yīng)控制器去控制減溫水調(diào)節(jié)閥的閥位開度， 根據(jù)調(diào)節(jié)減溫水的 流量大小來控制過熱蒸汽溫度的變化， 從而實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度控制。仿真結(jié)果 表明，基于改進(jìn)型Smith預(yù)估器對大慣性、純延遲系統(tǒng)具有較好的控制效果， 提 高了系統(tǒng)的魯棒性得以提高，使控制品質(zhì)變好。第2章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的組成與對象特性這里主要是針對300MW的單元機(jī)組鍋爐，通過了解其高

17、溫、亞臨界壓力、 自然循環(huán)、單爐膛前后對沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機(jī)為單軸、三缸、兩排 汽、再熱、凝汽沖動式，說明過熱器與再熱器在鍋爐中的位置及布置情況，從而 全面掌握研究對象的生產(chǎn)過程，并熟悉其動靜態(tài)特性及分析影響汽溫變化的各種 因素。2.1 過熱器的分類及基本結(jié)構(gòu)2.1.1 過熱器的分類過熱器可以根據(jù)傳熱方式分為對流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三 種。現(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成3。（1）對流過熱器：布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對流傳熱的過熱器，稱為對 流式過熱器。對流過熱器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長的蛇形管束所組成。過熱器的

18、進(jìn)出 口聯(lián)箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。蛇形管與聯(lián)箱上的管接頭焊 接在一起。（2）輻射過熱器：輻射過熱器可布置在燃燒室四壁，也稱墻式或壁式過熱器，或布置在爐頂，稱頂棚過熱器，直接吸收輻射熱。在做墻式布置時輻射過熱 器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以僅布置在燃燒室上部，也可以沿燃燒室高度全部布置；它可以集中布置在某一區(qū)域，也可以與蒸發(fā)受熱面管 子間隔布置。（3）屏式過熱器和包覆過熱器除了以上兩種過熱器，還有一種介于兩者之間的半輻射過熱器。 最常用的半 輻射過熱器是布置在燃燒室上部或出口處的高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過熱器。其管屏懸掛在爐頂?shù)匿摿荷希軣岷竽茏杂傻南蛳屡蛎洝榱吮３指?/p>

19、屏間的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。圖2-1是布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器的汽溫特性示意圖。從圖中可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷從33%曾加到滿負(fù)荷時，曲線1所示的屏式過熱器的汽溫變化非 常平穩(wěn)，僅上升了 10C；曲線2和3所示的對流過熱器的汽溫上升了 42C和50 C；而曲線4代表的輻射過熱器的汽溫卻大幅下降了。 由于屏式過熱器具有過熱 汽溫平穩(wěn)的特點，在現(xiàn)代大型鍋爐上廣泛地采用了這種過熱器。為了得到較好的傳熱效果，最好把屏式過熱器布置在煙溫為 950 1050C的 煙

20、道中。根據(jù)已采用屏式過熱器的許多鍋爐運行實踐證明， 它能夠在10001300 C煙溫區(qū)內(nèi)可靠工作，并具有良好的汽溫變化特性。:45040舊汽邊'C30011 10二/3/1-布置在煙溫1200 C區(qū)域的屏式過熱器； 2、3-布置在煙溫為1000 C和900 C區(qū)域內(nèi)的對流過熱器； 4-布置在燃燒室內(nèi)的輻射過熱器圖2-1布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器氣溫特性2.1.2 過熱器的基本結(jié)構(gòu)300MW單元機(jī)組是是我國火力發(fā)電機(jī)組的主要型號。300MW機(jī)組鍋爐的過熱器，具體結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。該過熱器具有以下特點：由于過熱蒸汽參數(shù)高，爐 膛內(nèi)布置大量屏式過熱器。采用輻射式、半輻射式和對流過熱器聯(lián)合

21、過熱系統(tǒng)， 以獲得良好的過熱蒸汽溫度變化特性。低溫過熱器采用逆流布置，以便獲得較大的傳熱溫差，從而節(jié)約鋼材。1-汽包；2-前屏過熱器；3-后屏過熱器；4-頂棚過熱器；5-側(cè)墻包覆過熱器；6-后墻包覆過熱器；7-低溫對流過熱器;4長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計8-第一級減溫器；9-第二級減溫器；10-高溫對流過熱器圖2-2 300MW機(jī)組過熱器系統(tǒng)圖#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計采用兩級噴水減溫，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保 護(hù)過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，用來調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化， 為粗調(diào)。第二級噴水減溫器布置在

22、高溫對 流過熱器之前，這一級熱慣性小， 可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。 減溫器共有 四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一半。蒸汽流程為：飽和蒸汽由汽包引出后經(jīng)一部分頂棚過熱器進(jìn)入側(cè)墻和后墻包 覆過熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進(jìn)入低溫對流過熱器，出來后再經(jīng)過另一部分 頂棚過熱器進(jìn)入前屏過熱器，流出后經(jīng)過第一級噴水減溫器減溫， 再進(jìn)入后屏過 熱器，流出后經(jīng)過第二級減溫器減溫，進(jìn)入高溫對流過熱器完成最后一次過熱后， 送往汽輪機(jī)。2.2 鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理這里針對300MW機(jī)組鍋爐的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為設(shè)計對象，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。該300MW機(jī)組鍋爐的

23、過熱蒸汽溫度控制采用二級噴水減溫控制方式。過熱器設(shè)計成兩級噴水減溫方式，除可以有效減小過熱蒸汽溫度在基本擾動下的延 遲，改善過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級噴水減溫還具有防止屏式過熱器超 溫、確保機(jī)組安全運行的作用。本機(jī)組鍋爐過熱器一、二級噴水減溫器的控制目標(biāo)就是在機(jī)組不同負(fù)荷下維 持鍋爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度為設(shè)定值。2.2.1 過熱器一級減溫控制系統(tǒng)過熱器一級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖 2-3所示。該系統(tǒng)是在一個串級雙 回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號和防超溫保護(hù)回路而形成噴水減溫控制系 統(tǒng)。主回路的被控量為二級減溫器入口的蒸汽溫度，其實測值送入主回路與其給 定值進(jìn)行比

24、較，形成二級減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號。 主回路的給定值由代 表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量信號經(jīng)函數(shù)器 f(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。 運行人員在操作員站上可對此給定值給予正負(fù)偏置。主回路的控制由PID1來完成。主回路控制器接受二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經(jīng)控制運算后其輸出送至副回路。副回路的被控量為一級減溫器出口的蒸汽溫度。 其溫度的測量值送入副回路 與其給定值進(jìn)行比較，形成一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。 副回路的給定 值是由主回路控制器的輸出與前饋信號疊加形成。副回路采用 PID2調(diào)節(jié)器，它 接受一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。圖2-3過熱器一級減溫控制系統(tǒng)由于機(jī)組的負(fù)荷

25、會改變，控制對象的動態(tài)特性也隨之而變， 為了在較大的負(fù) 荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)， 在大型機(jī)組的蒸汽溫度控制中，可充分利 用計算機(jī)分散控制的優(yōu)點，將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計成自動隨著負(fù)荷的變化不斷地修 改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器，上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是如此。2.2.2 過熱器二級減溫控制系統(tǒng)過熱器二級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖 2-4所示。該系統(tǒng)與一級減溫控制 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，不同之處在于：主、副調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號不同，采用 的前饋信號也不同。二級減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主回路的給定值進(jìn)行比較，形成二級過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，主回 路的給定值由運

26、行人員手動設(shè)定，對于 300MW機(jī)組在正常負(fù)荷時，給定值一般 為 540C。副回路的被控量為二級減溫器出口蒸汽溫度， 其溫度的測量值送入副回路與 其給定值比較，形成二級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。 副回路給定值是上主 回路控制器的輸出與前饋信號疊加而形成的。二級減溫控制的主回路前饋信號采用了基于焓值計算的較為完善的方案。其前饋信號有主蒸汽溫度和壓力的給定值的函數(shù)，還有主蒸汽流量代表機(jī)組負(fù)荷以及送風(fēng)量、燃燒器火嘴擺動傾角等。二級過熱器出口減溫二級減溫器出口減溫除了以上內(nèi)容外，二級減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級減溫控 制系統(tǒng)完全相同。由于二級過熱器蒸汽溫度控制是鍋爐出口蒸汽溫度的最后一

27、道 控制手段，為了保證汽輪機(jī)的安全運行，要求盡可能提高鍋爐出口蒸汽溫度的調(diào) 節(jié)品質(zhì)。因此本次設(shè)計主要是對二級減溫控制系統(tǒng)的設(shè)計，使機(jī)組在不同負(fù)荷下 維持鍋爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度為設(shè)定值。2.3 過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性2.3.1 靜態(tài)特性1. 鍋爐負(fù)荷與過熱汽溫的關(guān)系對于對流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高； 輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性， 即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時，會使出口汽溫的 穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性。2. 過剩空氣系數(shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系過剩空氣量改變時，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸

28、熱隨之 改變，而且對離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。因此， 當(dāng)增大過剩空氣量時將 使過熱汽溫上升。3. 給水溫度與汽溫關(guān)系提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料 量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同 燃料下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。則是否投入高壓給水加熱 器將使給水溫度相差很大，這對過熱汽溫有顯著的影響。4. 燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會影響爐內(nèi)溫度分布 和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫， 火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升 高。2.3.2 動態(tài)特性目前，單元

29、機(jī)組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動下， 汽溫控制對象是有延遲、慣性和自平衡能力的4。1. 蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態(tài)特性引起蒸汽流量擾動的原因有兩個：一是蒸汽母管的壓力變化；二是汽輪機(jī) 調(diào)節(jié)閥的開度變化。當(dāng)鍋爐負(fù)荷擾動時，蒸汽流量的變化使沿整個過熱器管路長 度上各點的蒸汽流速幾乎同時改變， 從而改變過熱器的對流放熱系數(shù)，使沿整個 過熱器各點的蒸汽溫度幾乎同時改變，因而汽溫反應(yīng)較快。其傳遞函數(shù)可以表示為：W(S)=以S)D(S)Kd1 TdSes(2-1)式中：Kd鍋爐負(fù)荷擾動時被控對象的放大系數(shù)；一

30、負(fù)荷擾動后對象的滯后時間； T d對象的時間常數(shù)。從階躍響應(yīng)曲線可知，其特點是：有延遲、有慣性、有自平衡能力，但其延 遲和慣性都比較小，即時間常數(shù) 和滯后時間 都比較小,且 較小。動態(tài)特性曲線 如圖2-5（a）所示。圖2-5在擾動下溫度的變化曲線2. 煙氣側(cè)熱量擾動下蒸汽溫度對象的動態(tài)特性當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變 化，導(dǎo)致過熱器出口溫度的變化。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應(yīng)曲線如圖 2-5(a)所示 它與蒸汽量擾動下的情況類似。煙氣熱量的擾動也幾乎同時影響過熱器管道長度方向各處的蒸汽溫度，故它是一個具有自平衡能力、滯后和慣性都不大的對象, 其傳遞函數(shù)可表示為一個

31、二階系統(tǒng)，見式(2-2)W(S)二E(S)i21 T1S T，S(2-2)式中：，s(S)為煙氣溫度但對象特征總的特點是：有遲延，有慣性，有自平衡能力，其動態(tài)特性曲 線如圖2-5 (a)所示。3. 蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化， 但要經(jīng)過較長 的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化， 其擾動地點與測量蒸汽溫度的地點之間 有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。動態(tài)曲線圖如圖2-5(b)所示。當(dāng)擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間 比較大。綜上所述，可歸納出以下幾點：(1) 過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾

32、動下都有延遲和慣性，有自平 衡能力。而且改變?nèi)魏我粋€輸入?yún)?shù)，其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響 出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復(fù)雜。(2) 在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和 容量滯后，減小減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。(3) 在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。由圖可見，在減溫水流量擾動下，減溫器出口過熱汽溫“的響應(yīng)比過熱器出口汽 溫R 快得多，可以肯定，在噴水減溫過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中， 以刊作為導(dǎo)前信號構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可大大改善控制系統(tǒng)的性能。 在減溫水流量擾動下，導(dǎo)前汽溫的傳遞函數(shù)可表示為

33、:W02(S)船K2(1 T2S)n(2-3)10長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計式中:K2 減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)；T2 為減溫水流量擾動下導(dǎo)前汽溫對象的時間常數(shù);壓一階數(shù);在減溫水流量擾動下，過熱汽溫的傳遞函數(shù)可表示為:Wo(S)K(S) J(S)(1 ToS)no(2-4)#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計式中:Ko 一減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的放大系數(shù)；To 為減溫水流量擾動下過熱蒸汽溫度的時間常數(shù);no 階數(shù)；對象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為：a(s)Ki(2-5)W0i(S)11 nE(S)(1 T1S)ni式中：Ki 減溫水流量擾動

34、下惰性區(qū)溫度的放大系數(shù);Ti 為減溫水流量擾動下惰性區(qū)溫度的時間常數(shù);ni 階數(shù)；總的來說，根據(jù)對過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象做階躍擾動試驗得出的動態(tài)特性曲 線可知，它們均為有延遲的慣性環(huán)節(jié)，但各自的動態(tài)特性參數(shù)值有較大的差別。2.4 過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)的概念和方法維持穩(wěn)定的汽溫是保證鍋爐安全和經(jīng)濟(jì)運行所必須的。汽溫過高會使金屬應(yīng) 力下降，將影響機(jī)組的安全運行；汽溫降低則會機(jī)組的循環(huán)的效率。因此，要求 鍋爐設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)溫手段，以減小擾動對汽溫波動的影響。對汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是：調(diào)節(jié)慣性或延遲時間小，調(diào)節(jié)范圍大，對熱 循環(huán)熱效率影響小，結(jié)構(gòu)簡單可靠及附加設(shè)備消耗少。汽溫的調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩大類：蒸汽側(cè)的調(diào)

35、節(jié)和煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)。所謂蒸汽側(cè)的 調(diào)節(jié)，是指通過改變蒸汽的熱焓來調(diào)節(jié)溫度。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水， 噴入的水的加熱和蒸發(fā)要消耗過熱蒸汽的一部分熱量，從而使汽溫下降，調(diào)節(jié)噴 入的水量，可以達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。 煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，使通過改變鍋爐內(nèi)輻射受 熱面和對流受熱面的吸熱量分配比例的方法或改變流經(jīng)過熱器的煙氣量的方法 來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度。2.4.1 從蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫汽溫調(diào)節(jié)通常采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段。減溫器通常采用給水作為冷 卻工質(zhì)。噴水減溫的方法是將水呈霧狀直接噴射到過熱蒸汽中去與之混合，吸收過熱蒸汽的熱量使本身加熱，蒸發(fā)，過熱，最后也成為過熱蒸汽的一部分。被調(diào) 溫的過熱蒸汽由于放熱

36、，所以汽溫降低，達(dá)到了調(diào)溫的目的。噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡單，只要根據(jù)汽溫的變化適當(dāng)?shù)淖兏鄳?yīng)的減溫水調(diào)節(jié) 閥門開度，改變進(jìn)入減溫器的減溫水量即可達(dá)到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。當(dāng)汽溫偏高時，開大調(diào)節(jié)門增加減溫水量；當(dāng)汽溫偏低時，關(guān)小調(diào)節(jié)閥門減少減溫水量， 或者根據(jù)需要將減溫器撤出運行。單元機(jī)組的鍋爐對汽溫要求較高， 故通常裝置兩級以上的噴水減溫器。 第一 級布置在分隔屏過熱器之前，被調(diào)參數(shù)是屏式過熱器出口汽溫， 其主要任務(wù)是保 護(hù)屏式過熱器，防止壁管超溫。這級減溫器只能作為主蒸汽溫度的粗調(diào)節(jié)。 該鍋 爐第二級噴水減溫器設(shè)在末級對流過熱器進(jìn)口， 被調(diào)參數(shù)是主蒸汽出口溫度，由 于此處距主蒸汽出口距離近，且此后

37、蒸汽溫度變化幅度也不大， 所以第二級噴水 減溫的靈敏度高，調(diào)節(jié)時滯也小，能有效的保證主蒸汽出口溫度符合要求， 因而 該級噴水調(diào)節(jié)是主蒸汽的細(xì)調(diào)節(jié)。第二級噴水減溫器往往分兩側(cè)布置，以減小過 熱汽溫?zé)崞睢娝疁p溫器調(diào)節(jié)汽溫的特點是，只能使蒸汽減溫而不能升溫。因此，鍋爐 按鍋爐額定負(fù)荷設(shè)計時，過熱器受熱面的面積是超過需要的，也就是說，鍋爐在額定負(fù)荷下運行時過熱器吸收的熱量將大于蒸汽所需要的過熱熱量，這時就必須用減溫水來降低蒸汽的溫度使之保持額定值。 由于噴水減溫設(shè)備簡單，操作方便， 調(diào)節(jié)又靈敏，所以仍得到廣泛應(yīng)用。242 從煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫1、改變火焰中心位置。改變火焰的中心位置可以改變爐內(nèi)輻射吸熱

38、量和進(jìn)入過熱器的煙氣速度，因而可以調(diào)節(jié)過熱汽溫。當(dāng)火焰中心位置抬高時，火焰離過熱器較近，爐內(nèi)輻射吸 熱量減少，爐膛出口煙溫升高，貝U過熱汽溫將升高。火焰中心位置降低時，則過 熱汽溫降低。改變火焰中心位置的方法有：(1) 調(diào)整噴燃器的傾角。在高負(fù)荷時，將噴燃器向下傾斜某一角度，可以 使火焰中心位置下移，使進(jìn)入過熱器區(qū)的煙氣溫度下降，減小過熱器的傳熱溫差， 使汽溫降低。而在低負(fù)荷時，將噴燃器向上傾斜適當(dāng)角度，則可以使火焰中心位 置提高，使汽溫升高。（2）改變噴燃器的運行方式。當(dāng)沿爐膛高度布置有多排噴燃器時，可以將不同高度的噴燃器組投入或停止工作，即通過上、下排噴燃器的切換， 來改變火 焰中心位置。

39、當(dāng)汽溫高時應(yīng)盡量先投用下排的燃燒器， 汽溫低時可切換成上排噴 燃器運行。（3）變化配風(fēng)工況。用改變上、下排二次風(fēng)分配比例的辦法來改變火焰中 心位置。當(dāng)汽溫高時，可開大上排二次風(fēng)，關(guān)小下排二次風(fēng)，以壓低火焰中心。 當(dāng)汽溫低時，則關(guān)小上排二次風(fēng)，開大下排二次風(fēng)，以抬高火焰中心。2. 改變煙氣量。若改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對流傳熱系數(shù)變化， 從而改變了煙氣對過熱器的放熱量。煙氣量增多時，煙氣流速大，使汽溫升高； 煙氣量減少時，煙氣流速小，使汽溫降低。改變煙氣量即改變煙氣流速的方法有：（1）采用煙氣再循環(huán)。改變再循環(huán)煙氣量，可以同時改變流過過熱器的煙 氣流量和煙氣含熱量，因而可以

40、調(diào)節(jié)汽溫。（2）煙氣旁路調(diào)節(jié)。采用這種方法是將過熱器處的對流煙道分隔成主煙道 和旁路煙道兩部分。在旁路煙道中的受熱面之后裝有煙氣擋板， 調(diào)節(jié)煙氣擋板的 開度，即可改變通過主煙道的煙氣流速，從而改變主煙道中受熱面的吸熱量。（3）調(diào)節(jié)送風(fēng)量。調(diào)節(jié)送風(fēng)量可以改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，即改變煙氣 流速，達(dá)到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。調(diào)節(jié)送風(fēng)量首先必須滿足燃燒工況的要求， 以 保證鍋爐機(jī)組運行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。由以上分析可知噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡單， 調(diào)節(jié)又靈敏，只要根據(jù)汽溫的變化 適當(dāng)?shù)淖兏鄳?yīng)的減溫水調(diào)節(jié)閥門開度， 改變進(jìn)入減溫器的減溫水量即可達(dá)到調(diào) 節(jié)過熱汽溫的目的。并且對過熱器的安全運行比較理想， 盡管對象

41、的調(diào)節(jié)特性不 夠理想，但可以從對象的調(diào)節(jié)通道中找出一個比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點信號作為 調(diào)節(jié)器的補充反饋信號，以改善對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。 所以噴水減溫還是目前被廣泛使用的過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法。本次設(shè)計就是采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段。12長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計13長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計第3章 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本方案過熱氣溫控制中一般應(yīng)用 PID控制器來進(jìn)行調(diào)節(jié)，下面將簡單介紹PID控制 器和PID參數(shù)整定的方法。過熱汽溫的控制方案很多，傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩 種：串級汽溫控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號的汽溫控制系統(tǒng)。由于過熱汽溫控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號

42、反應(yīng)慢，因此選擇減溫器后的汽溫作為局部 反饋信號，形成了上述的兩種雙回路控制系統(tǒng)。 下面將分別加以介紹并確定控制3.1 PID控制器在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制， 簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)問。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其 結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng) 被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確 定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象， 或不能通過有效的測量手段來獲得系

43、統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積 分、微分計算出控制量進(jìn)行控制的。3.1.1比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)器理想的比例積分微分（PID ）調(diào)節(jié)器由比例、積分和微分三種調(diào)節(jié)作用疊加 而成，其動態(tài)方程為：4 =丄6J< Ttde(3-1)其傳遞函數(shù)為:Wpid(S)Ms) =E(s)1 1=61 + "+"(3-2)式中：積分時間：TKP;微分時間：T d Kd ；比例帶：帝1 ；KiKpKp微分慣性時間常數(shù)：td二衛(wèi)KdPID調(diào)節(jié)器中，有三個可以調(diào)整的參數(shù)：即比例帶$積分時間Ti和微分時間T

44、d。適當(dāng)選擇這三個參數(shù)的數(shù)值，可以獲得良好的調(diào)節(jié)質(zhì)量實際PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線如下圖所示:圖3-1實際PID調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)曲線實際PID調(diào)節(jié)器在階躍輸入下，開始時微分作用的輸出變化最大，使 總的輸出大幅度地變化，產(chǎn)生一個強烈的超前調(diào)節(jié)作用，把這種調(diào)節(jié)作用 看成為預(yù)調(diào)；然后微分作用消失，積分作用逐漸占主導(dǎo)地位，只要靜態(tài)偏 差存在，積分作用便不斷增加，把這種調(diào)節(jié)作用可看成為細(xì)調(diào)，一直到靜 態(tài)偏差完全消失，積分作用才停止；而在PID的輸出中，比例作用是自始至終與偏差相對應(yīng)的，它是一種基本的調(diào)節(jié)作用。3.1.2 PID參數(shù)整定方法1臨界比例度法先在純比例作用下（把積分時間放到最大，微分時間放到零

45、），在閉合的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，從大到小地逐漸地改變調(diào)節(jié)器的比例度，就會得到一個臨界振蕩過程。 這時的比例度叫臨界比例度 &，周期為臨界振蕩周期Tk。記下&和Tk,然后按 經(jīng)驗公式來確定調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。2. 衰減曲線法臨界比例度法是要系統(tǒng)等幅振蕩，還要多次試湊，而用衰減曲線法較簡單， 一般又有兩種方法。（1）4: 1衰減曲線法使系統(tǒng)處于純比例作用下，在達(dá)到穩(wěn)定時，用改變給定值的辦法加入階躍干 擾，觀察記錄曲線的衰減比，然后逐漸從大到小改變比例度，使出現(xiàn)4: 1的衰減比為止。記下此時的比例度 &和振蕩周期Tso再按經(jīng)驗公式（見附錄）來確 定PID數(shù)值。（2）10: 1衰減曲線法

46、有的過程，4: 1衰減仍嫌振蕩過強，可采用10: 1衰減曲線法。方法同上， 得到10: 1衰減曲線，記下此時的比例度 sk口上升時間Ts，再按經(jīng)驗公式（見 附錄）來確定PID的數(shù)值。3. 經(jīng)驗試湊法（1）根據(jù)不同調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點，先把 P、I、D各參數(shù)放在基本合適的經(jīng)驗數(shù)值上，這些數(shù)值是由大量實踐經(jīng)驗總結(jié)得來的（按4： 1衰減）。（2）看曲線，調(diào)參數(shù)，根據(jù)操作經(jīng)驗，看曲線的形狀，直接在閉合的調(diào)節(jié) 系統(tǒng)中逐步反復(fù)試湊，一直得到滿意數(shù)據(jù)。4. 軟件自動整定法（1）在自動或手動模式下對回路引入一個階躍測試；（2）軟件自動收集過程數(shù)據(jù)，運用專家系統(tǒng)加以分析，并建立數(shù)學(xué)模型；（3） 使用建立的學(xué)模型自動計

47、算出具有魯棒性的PID參數(shù)。目前國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的方法是經(jīng)驗試湊法，但需要工程師的經(jīng)驗。而國外應(yīng)用最為廣泛的方法是軟件自動整定法，方便、快捷、可靠。3.2 串級溫度控制系統(tǒng)單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡單而得到廣泛應(yīng) 用。但隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新，工業(yè)生產(chǎn)過程對工業(yè)參數(shù)提出了越來越嚴(yán)格的 要求，并且由于生產(chǎn)過程中各參數(shù)間的關(guān)系復(fù)雜化及控制對象遲延和慣性的增 大，都使得單回路控制系統(tǒng)不能滿足要求。因而產(chǎn)生了許多新的、較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如串級控制、導(dǎo)前微分控制、復(fù)合控制、分段控制、多變量控制等。串級 控制系統(tǒng)對改善控制品質(zhì)有獨到之處，本節(jié)將對其組成、特點及整定進(jìn)行討論。3.2

48、.1 串級溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理過熱蒸汽溫度串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 3-2所示:蒸汽過熱器高溫段去汽輪機(jī)K耳-執(zhí)行器圖3-2過熱汽溫串級控制系統(tǒng)該汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個調(diào)節(jié)器。由于汽溫對象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用PID控制規(guī)律，其輸入偏差信號為1=-冷2，輸出信號為IT1，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制規(guī)律，接受導(dǎo)前汽溫信號冷和主調(diào)節(jié)器輸 出信號I T1，輸出為IT2。當(dāng)過熱汽溫升高時，I專增加，主調(diào)節(jié)器輸出I T1減小, 副調(diào)節(jié)器輸出1丁2減小，減溫水量增加，過熱汽溫下降。在主、副調(diào)節(jié)器均具有 PI控制規(guī)律的情況下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時，主、畐9調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零， 即：

49、I 72=I70 ； I=IT1由此也可以認(rèn)為主調(diào)節(jié)器的輸出Iti是導(dǎo)前汽溫I刁的給定值。過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖 3-3所示，具有內(nèi)外兩個回路。內(nèi) 回路由導(dǎo)前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回 路由主汽溫對象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個內(nèi)回路組成。系統(tǒng)中以減溫器的 噴水作為控制手段，因為減溫器離過熱器出口較遠(yuǎn)，且過熱器管壁熱容較大，主汽溫對象的滯后和慣性較大。若采用單回路控制主汽溫q ,無法取得滿意的控制 品質(zhì)。為此再取一個對減溫水量變化反映快的中間溫度信號q?作為導(dǎo)前信號，增加一個調(diào)節(jié)器PI2組成如圖3-2所示的串級控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器PI2根據(jù)C2信號控

50、 制減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫Cb比q提早反映，那么由于PI2的提前動作， 擾動引起的Cfe波動很快消除，從而使主汽溫q基本不受影響。另外，PI2的給定 值受調(diào)節(jié)器PI1的影響，后者根據(jù)q改變Q的給定值，從而保證負(fù)荷擾動時，仍 能保持X滿足要求。可見，串級系統(tǒng)中采用了兩級調(diào)節(jié)器。圖3-3過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖3.2.2串級溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，在設(shè)計實施控制系統(tǒng)時，還應(yīng)適當(dāng)合理的 設(shè)計主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。1. 主、副回路的設(shè)計原則(1) 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，反應(yīng)靈敏。通 常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容

51、積遲延和慣性。副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的 主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)力求把變化幅度最大、最劇烈和最頻繁的干擾包括在副回 路內(nèi)，以充分發(fā)揮副回路改善系統(tǒng)動態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。因此， 在設(shè)計串級控制系統(tǒng)時，應(yīng)設(shè)法找到一個反應(yīng)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)量有很大的提 高。（2）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(jìn)入副回路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的包括一些擾動。 但這將與要求副回路控制通道短， 反應(yīng) 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

52、圍應(yīng)當(dāng)多大，取決 于整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)使副回路的頻率比主回路的頻率高的多， 當(dāng)副回路的時間常數(shù)加在一 起超過了主回路時，串級控制效果就不明顯。（3）主、副對象的時間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。由于串級系統(tǒng)中主、副回路是兩個 相互獨立又密切相關(guān)的回路。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進(jìn)入副回路 時，會引起副回路中參數(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)變化幅度增大，如此循環(huán)往復(fù)，就會使主、副參數(shù)長時間大幅度波動，這就是所謂串級系統(tǒng)的共振現(xiàn)象” 一旦發(fā)生了共振

53、系統(tǒng)就失去控制，不僅使系統(tǒng)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(yán)重后果。為確保串級 系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取Td廠 310 Td2（3-3）式子中：為主回路的振蕩周期；為副回路振蕩周期，要滿足式子（3-3），除了在副回路設(shè)計中加以考慮之外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。2. 主、畐寸調(diào)節(jié)器的選型串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同， 對于它們的選型即控制 規(guī)律的選擇也有不同考慮。（1）副調(diào)節(jié)器的選型副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是要快速動作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選 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

54、，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很 大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。（2）主調(diào)節(jié)器的選型主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級控制的生 產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。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， 同時又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。3. 主、副回路調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇原則（1）主參數(shù)控制質(zhì)量要求不十分嚴(yán)格，同時在對副參數(shù)的要求也不高的情況下，為使兩者兼顧而采用串級控制方式時， 主、副調(diào)節(jié)器均可以采用比例控制 要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此

55、時副調(diào)節(jié)器可以采用 主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積（2）比例控制，（3）分形式。3.2.3串級溫度控制系統(tǒng)的整定在如圖3-4所示的串級系統(tǒng)中，因為兩個調(diào)節(jié)器串在一起，在一個系統(tǒng)中工 作，相互之間或多或少的有些影響，因此在串級系統(tǒng)的整定要比簡單系統(tǒng)復(fù)雜些。18長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計#長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計圖3-4串級控制系統(tǒng)方框圖1. 兩步整定法：先整定副控制器，后整定主控制器（1）先整定副調(diào)節(jié)器當(dāng)副回路受到階躍擾動時，在較短時間內(nèi)副回路控制過程就結(jié)束。在此期間， 主回路基本上不參加動作，由圖 3-3得整定副回路時的方框圖，如圖 3-5（a）所 示。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器 WT2 s。（2）整定主調(diào)節(jié)器當(dāng)主回路進(jìn)行控制時，副回路幾乎起理想隨動作用，由圖3-4可得副回路的 閉和傳遞函數(shù)：（3-4）Y2（s）1R2（s） _Wm2（S）即在主回路中副回路可看作一個比例環(huán)節(jié)，由此畫出整定主回路時的方