1、熱力過程自動化第八章 調節器調節規律 第 170 頁 共287 頁第八章 調節器調節規律及其對過程影響第一節 自動調節器典型調節規律及調節過程分析調節器的基本調節規律是模擬運行人員的基本操作，是運行人員調節動作精華的總結。選擇合適的調節器動作規律是熱工自動人員的職責范疇，但運行人員如果能理解各種動作的調節過程，就能夠使用好相應的自動調節系統。自動調節的目的是要及時準確地進行調節，前面我們已經講到基本環節由比例、積分、慣性、微分、遲延組成。因為慣性、遲延環節不符合及時準確的要求，所以我們可考慮的就只有比例、積分、微分這三種特性了（積分、微分調節規律一般不能單獨使用）。自動調節器的典型動作規律按照

2、環節特性可分為比例（P）、比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例積分微分（PID）。一、典型調節規律1. 比例（P）調節規律比例調節作用簡稱為P作用，是所有調節器必不可少的一種典型調節作用。P作用實質上就是典型環節中的比例作用。不過這個環節一般用電子元件構成的電路來實現，其輸入輸出都是電信號。比例環節的傳遞函數，稱為比例環節的比例放大系數；而在比例（P）調節作用中，傳遞函數習慣上表示成， （8-1）式中 調節器的比例帶（比例度），越大，比例作用越弱。下面以如圖8-1所示的采用浮子式比例調節器的水位調節系統為例，說明比例調節器的調節規律。該系統的被調對象是有自平衡能力的單容水箱；浮子起到檢測器

3、的作用，用于感受水位的變化；比例調節器就是杠桿本身，杠桿以O點為支點可以順時針或逆時針轉動。給定值的大小與給定值連桿的長短有關；選擇流入側閥門作為調節閥，由調節器來控制它的開度變化。當某種擾動使水位升高時（說明此時流入量流出量），浮子隨之升高，通過杠桿作用使閥門芯下移，關小調節閥，流入量減小直至等于流出量。反之，當某種擾動使水位降低時（說明此時流入量流出量，浮子隨之降低，通過杠桿作用使閥門芯上移，開大調節閥，流入量加大直至等于流出量。這樣，就可以自動地把水位H維持在某個高度附近，完成水位的自動調節。，動作方向始終正確，朝著減小被調量波動的方向努力。比例調節器的動畫演示見光盤第八章目錄下”比例調

4、節器流出側擾動(階躍減少)”和“比例調節器流出側擾動(階躍增加)”圖8-1 比例（P）調節系統圖示中連桿長度為L，水位如圖8-1所示。假設在目前調節閥門開度下流入流出正好平衡，水位穩定不變。此時，將給定值連桿變短后重新裝入，由于連桿變短，水位還是原數值沒有變化，所以調節器杠桿右側下降左端升高，調節閥門開度階躍開大，使流入量階躍增加，進而引起水位H上升，水位上升的同時，調節杠桿右側又不斷回升，杠桿左端下移，調節閥開度不斷關小，使減小，當時，水位處于新的平衡狀態。這個新的水位高于原來的水位，所以給定值連桿長度變短相當于給定值的增加，給定值連桿的長度就代表給定數值的大小。自動調節系統主體是由被調對象

5、（單容水箱）、調節機構（流入側閥門）、檢測器（浮子）、調節器（杠桿）、執行器（閥門桿）組成，方框圖如圖8-2所示。圖8-2 比例調節系統方框圖圖中代表檢測器（浮子）傳遞函數，此系統1；（為了分析方便，對調節系統進行簡化，假設檢測器和執行器的傳遞函數都等于1（實際系統雖然不等于1但等于常數），故圖8-2上省略執行器）；反映流入側閥門開度和流量之間的關系；為調節器傳函，此系統；反映水箱這一環節凈流量與水位的關系；代表水箱流出側閥門阻力；代表流出側閥門開度擾動；反映流出側閥門開度與流量之間的關系。選擇給定值G為輸入，水位為輸出，傳遞函數可化簡為 （8-2）是一個一階慣性環節，穩態放大系數 （8-3）

6、當給定值擾動為幅值為的階躍擾動時，輸出水位的穩態值為 （8-4） （8-5）可以看出，靜態偏差與成正比。如圖8-2所示系統，給定值單位階躍擾動仿真曲線如圖8-3所示，從圖中可知，隨著，靜態偏差也相應，但響應曲線始終體現為一階慣性環節特性，為非周期響應，系統始終很穩定。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT01.mdl”。圖8-3 給定值單位階躍響應給定值G不變，流出側階躍擾動時，的仿真曲線如圖8-4所示，從曲線上可以看出，流出側閥門開大時（），水位，且隨著，靜差e()，響應曲線為非周期響應。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT02.mdl”。圖8-4 流出側單位階躍擾動該

7、調節系統只有被調量一個反饋回路，簡稱單回路調節系統，典型單回路調節系統方框圖如圖8-5所示，圖8-5 單回路調節系統方框圖為了分析方便，假設執行器；檢測器；調節機構； （8-6）調節器采用比例（P）調節器，； （8-7）被調對象為有自平衡多容對象，調節通道等效傳函表示為 （8-8）干擾通道等效傳函表示為 （8-9）給定值G加入單位階躍擾動的雙容對象調節系統仿真曲線如圖8-6所示，從圖上可以看出，隨著比例帶的增大，響應曲線振蕩程度逐漸減小，系統穩定性提高，但靜態偏差也逐漸加大。動畫演示見光盤第八章目錄下“比例調節器配雙容水箱”。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT03.mdl”。圖8

8、-6給定值單位階躍擾動響應（比例調節器配接雙容對象）對方框圖8-5進行等效變換，化簡出給定值作為輸入時的系統等效傳函為： （8-10）可看出該系統屬于振蕩環節，與振蕩環節標準傳函比較可得出同時 （8-11）隨著，靜態偏差，靜態準確性指標變壞；，系統穩定程度提高，對提高系統穩定性有利；，振蕩頻率，響應曲線振蕩周期加大（調節時間加長）。通過上面分析，可以得出比例調節作用的優點：動作方向始終正確，且加大比例帶對提高系統的穩定性有利（多容對象）；缺點：存在靜態偏差，且靜差與比例帶成正比。因為現場對象多數是多容對象，所以，當調節比例帶時，其對系統穩定性和準確性的影響正好相反。2. 積分（I）調節規律比例

9、調節的最大缺點是存在靜態偏差，要想靜差為0，比例帶就要選擇的非常小，而這會使系統的穩定性大大降低，這是我們不希望的。積分調節器就是前面研究過的積分環節，輸入信號是誤差，輸出信號是閥門開度。表達式如下，此式表明調節閥的開度變化與誤差對時間的積分成正比。只有當誤差為0時，調節閥開度才能保持不變。傳遞函數為 （8-12）積分時間常數，越小輸出的變化就越快，稱為積分作用越強。所以，采用積分調節器可以消除被調量的靜態偏差，這是積分調節規律的主要特點，也是它的優點。對于如圖8-5所示的單回路調節系統，調節器采用積分調節器，傳函為，對象采用有自平衡單容對象，調節通道傳函表示為；選擇給定值G作為輸入，被調量作

10、為輸出，構成的負反饋回路如圖8-7所示，系統傳遞函數為圖8-7 積分調節系統方框圖（配接有自平衡單容對象） （8-13）與二階系統的標準傳函比較，列出聯立方程組 （8-14）解之得 （8-15）由上式可知，與其它變量無關，對于給定值為幅值為的階躍擾動，靜態偏差。分析得出積分作用的優點：可以消除靜態偏差。比例作用配接有自平衡的單容對象構成的系統總是穩定的，而采用積分作用當時，系統響應則為衰減振蕩，說明引入積分作用降低了系統的穩定性，造成振蕩。的大小與積分時間成正比，即減小，減小，系統穩定性下降，振蕩加劇。積分調節器配接單容水箱的演示文件見光盤第八章目錄下“積分調節器”（使用時先選擇“水位升高”或

11、“水位降低”按鈕后再選擇綠色的“播放”按鈕。對于積分作用來說，只要存在誤差，積分環節的輸出就會一直朝某方向變化，這種變化作用在對象的輸入端（調節作用），目的是消除誤差。例如單容水箱當時，偏差，數值為負，所以積分調節器輸出減小，進而關小調節閥門減小流入量。水位偏低會加大流入量。但這種調節只以水位是否等于給定值作為調節目標，而不是以流入流出量平衡作為調節目標。假設給定值G不變，對象受到流出側擾動，水位響應曲線如圖8-11所示，在時刻，積分輸出持續減小，會關小流入側閥門；在時刻，積分輸出持續增大，會開大流入側閥門。而水位的變化是反映流入與流出是否平衡的標志，、階段水位上升說明流入大于流出，正確調節應

12、關小流入側閥門；水位下降說明流入小于流出，應開大流入側閥門。采用積分作用，在階段，應該關小且實際調節也關小，方向正確；在階段，應該開大而實際調節關小，方向錯誤；在階段，應該開大且實際調節也開大，方向正確；在階段，應該關小而實際調節開大，方向錯誤。一個周期內有一半的時間調節方向是錯誤的，這種錯誤調節會引起過調現象的產生，過調是引起系統輸出振蕩的原因。通過分析可以得出積分作用的缺點：過程中容易產生過調，引起被調量反復振蕩，系統穩定性下降。積分時間越小其積分作用越強，輸出的變化越快，過調就越嚴重，系統的振蕩就越劇烈。單容有自平衡水箱配接積分調節器給定值單位階躍擾動的水位仿真曲線如圖8-8所示。可以看

13、出，時，動差（，），穩定性（）；時，動差（，），穩定性（）。對穩定性和動差的影響正好相反。但也不是越大越好。（a）、（b）圖比較可知，過大，系統的響應遲緩，調節時間加大，快速性指標變壞。說明選擇積分調節器的參數既要能很快地消除誤差（盡量小，以縮短），又要盡量使系統穩定（盡量大）。因為積分調節會造成振蕩現象，使得積分作用在實際系統中一般不單獨使用，需要和比例配接，構成比例積分（PI）調節，調節器采用P、I、PI規律的仿真曲線如圖8-9所示。可以看出，單純的P作用穩定性最好，但存在靜態偏差；單純的I作用可以消除靜差，但動差最大，穩定性最差；采用PI，既消除了靜差（和P比），又提高了穩定性（和I比）

14、。圖8-8（a）圖Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT01.mdl”，（b）圖Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT02.mdl”。圖8-9 Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT03.mdl”。 （a）較小 （b）過大圖8-8 I調節器配接單容對象（G單位階躍擾動）圖 8-9 P、I、PI效果比較（G單位階躍擾動）3. 微分（D）調節規律比例及積分兩種調節規律的輸出均只與被調量誤差的大小及正負有關，而不考慮誤差的變化速度。只有微分調節規律的輸出是與誤差的變化速度成正比，即傳遞函數表示為 （8-16）微分時間，越大，微分作用越強。當調節對象的主容積中一旦出

15、現流入量與流出量不平衡時，立刻就有一個與此不平衡流量成正比的被調量變化速度出現。而此瞬時后被調量才能逐漸發生變化，在一小段時間內，因被調量的偏離還很小，比例、積分調節器的輸出均很小。按式8-16，微分調節作用接受被調量偏差變化速度為輸入信號，輸出信號立即去改變調節閥的開度，迅速減小流量差，有效地抑制了被調量的變化幅度（即使被調量的動態偏差大為減小）。這是微分調節規律的主要優點，且對于慣性和容量遲延大的對象尤為有利。當擾動出現后，被調量誤差變化速度超前于誤差信號，使得微分作用較之比例積分作用提前，故將微分作用稱為超前調節。微分作用雖然有超前調節作用，但在反饋調節中不能單獨使用，主要原因有：（1）

16、調節過程結束后，被調量誤差變化速度為零，這時不論被調量與給定值的穩態誤差有多大，調節器都不動作，顯然不能滿足生產過程的要求。（2）如果調節對象只受到很小的擾動，則被調量以調節器不能察覺到的微小速度“爬行”，這種微小速度又不能象誤差那樣可以疊加起來由小變大，所以微分調節器不會動作，但經過一段時間后，被調量的誤差卻可以積累到相當大的數值得不到糾正，這也是生產上不能允許的。所以，微分調節規律在反饋調節中只能起輔助調節作用（必須與比例P配合）。但在前饋（開環）調節中，常用微分器獲得超前的調節信號，使調節閥提前動作，以改善調節品質。例如爐膛負壓調節系統中，被調量是爐膛負壓，調節量是引風量。送風量是一種主

17、要的外擾，引入送風量的微分前饋信號，可以明顯改善調節效果。有自平衡雙容對象配接比例微分調節規律的調節系統，當給定值發生單位階躍擾動時，仿真曲線如圖8-10所示，從圖上可以看出，當比例帶相同時，引入微分作用可以在靜態偏差相同的情況下，減小動態偏差，改善系統性能。Matlab文件見光盤第八章目錄下”BILIWeiFenXT01.mdl”。圖8-10 PD調節規律（G單位階躍擾動）圖8-11列出了采用PID調節器的水箱系統受到負荷擾動時的調節器動作規律曲線，從圖上可以看出，P調節器輸出與偏差成正比，目的是減小偏差；I調節器的輸出與偏差的正負有關，目的是消除偏差；D調節器輸出與偏差的變化速度有關，目的

18、是減小流入流出量差值，減小動態偏差。圖8-11 PID調節特點分析二、對象特性對調節質量的影響調節系統過渡過程的性能指標用穩定性（衰減率或衰減比）、準確性（動態偏差和靜態偏差）、快速性（調節時間和峰值時間）來表示。作為被調對象（以有自平衡為例），引起被調量變化的因素可分為干擾作用和調節作用，它們到輸出量（被調量）的信號聯系稱為調節通道（）和干擾通道（），描述通道特性的特征參數是放大系數K、時間常數Tc（T）和遲延時間（），通道的特征參數變化會對調節系統的調節質量產生相應的影響。1. 干擾通道的特征參數對調節質量的影響(1) 放大系數對調節質量的影響在圖8-5所示的單回路調節系統方框圖中，設調節

19、器為P調節規律，傳函，干擾通道和調節通道的放大系數為、，測量變送器、執行器、調節機構等效為比例環節，W1。選擇干擾信號作為輸入，被調量作為輸出，可求出調節系統閉環傳遞函數為 （8-17）在單位階躍擾動下，按照終值定理，可求出系統的穩態值 （8-18）式8-18說明，干擾通道的放大系數越大，在擾動作用下系統的動態偏差、靜態偏差（穩態偏差）越大；如果多個擾動同時存在，則它們對動態偏差、靜態偏差的影響取決于各擾動通道的放大系數。圖8-12列出了干擾通道的放大系數分別為1、2、3時的仿真曲線，可以看出系統的動態偏差、靜態偏差隨著的增大而增大，而穩定性指標（或）、快速性指標（和）不變。因此干擾通道放大系

20、數越小越好，這樣可以減小動差、靜差，提高調節精度。圖8-12 干擾通道不同時的仿真曲線（擾動）(2) 時間常數和階次對調節質量的影響設圖8-5中干擾通道放大系數1，且干擾通道為一階慣性環節，則，則被調量對擾動的傳遞函數可表示為 （8-19）式中 干擾通道的時間常數在單位階躍擾動下，按照終值定理，可求出系統的穩態值 （8-20） 式8-20說明，干擾通道的時間常數不影響系統的靜態偏差。圖8-13列出了干擾通道的時間常數分別為20、40、80時的仿真曲線，可以看出隨著干擾通道時間常數的增大，系統的穩定性（）提高，動態偏差（）減小，靜態偏差保持不變。圖8-13 干擾通道不同時的仿真曲線（擾動）若干擾

21、通道為高階慣性環節，即時，當1、2、3時的仿真曲線如圖8-14所示，從圖上可以看出，系統的動態偏差隨著的增大而減小。圖8-14干擾通道階次不同時的仿真曲線（擾動）(3) 遲延時間對調節質量的影響當干擾通道存在遲延時，相當于該通道又串聯了一個純遲延環節，這時系統的傳遞函數可表示為 （8-21） （8-22）按照遲延定理： （8-23）式中 無遲延時間的被調量。平移了遲延時間時的被調量。由式8-23可知，干擾通道遲延時間的存在僅使被調量在時間軸上平移了一個值，即調節系統的過渡過程增加了一個時間，但系統的調節質量不受影響，穩定性、準確性、快速性指標不變。圖8-15列出了干擾通道存在遲延時間時的仿真曲

22、線，可以看出系統的被調量是平移了遲延時間。但調節通道存在純遲延時，系統穩定性將變得很差，嚴重時出現劇烈振蕩。圖8-15 干擾通道存在純遲延時G擾動仿真曲線2. 調節通道的特征參數對調節質量的影響(1) 放大系數對調節質量的影響在圖8-5所示的單回路調節系統方框圖中，選擇為輸入，被調量為輸出，式8-17已得出系統傳函為，式8-18已得出單位階躍擾動下，系統穩態值為上式說明，調節通道的放大系數越大，在擾動作用下系統的靜態偏差就越小。調節器參數保持不變，分別等于1、2、3時的擾動仿真曲線如圖8-16所示，可以看出隨著調節通道放大系數的增大，動態偏差、靜態偏差減小，但穩定性下降。圖8-16 調節通道變

23、化時擾動仿真曲線應該注意到調節器與調節通道是串聯關系，使形成一種互補的關系，對于線性調節系統可以通過調整調節器的比例系數來保證兩者的乘積保持不變，滿足設計的要求，使性能指標不受影響。對于非線性對象，其隨著負荷變化，要利用來補償，則要也隨負荷而變化，即采用非線性調節器。若保持不變，則的變化會對調節質量產生影響。在系統設計即確定調節參數時，要使 。（2） 時間常數、遲延時間對調節質量的影響1) 階慣性對象時間常數、階次對調節質量的影響（純遲延0）以二階慣性對象為例，調節通道的時間常數增大，系統的反應速度減慢，工作頻率下降，系統的過渡過程時間加長。調節通道的時間常數如果減小，表示被調量對調節作用的反

24、應快，能迅速反映出調節的效果（能迅速反映調節對象內部物質或能量的平衡程度），工作頻率將上升，調節過程時間縮短。因此減小調節通道的時間常數，能提高調節系統的調節質量。圖8-17列出了調節通道的時間常數分別為20、40、60時的仿真曲線，（a）圖為擾動響應，（b）圖為擾動響應，可以看出隨著加大，調節系統響應的峰值時間加大，曲線降低，調節時間增大，快速性指標變壞。 (a)單位階躍擾動 (b)單位階躍擾動圖8-17 調節通道變化時仿真曲線在實際組成調節系統時，調節通道是由執行器、變送器及對象串聯組成廣義對象。廣義對象內部各環節具有不同的時間常數，這些時間常數之間應相互錯開，要求它們之間有一個良好的匹配

25、關系，因為它們之間的匹配關系對調節質量有重要影響。若調節通道為高階慣性環節，即時，慣性對象階次越大對被調量的影響越慢，調節得也越慢，使調節系統的動態偏差、調節過程的時間增大，穩定性下降，穩準快三項指標均變壞，因此調節通道的慣性對象階次越小越好。圖8-18列出了調節通道的慣性對象階次分別等于1、2、3、4時的仿真曲線，可以看出隨著的加大，性能指標變壞。圖8-18 調節通道階次不同的單位階躍響應2) 有純遲延對象對調節質量的影響調節通道存在遲延會對調節質量產生不利的影響。圖8-19表示了遲延時間變化對調節質量的影響。從曲線上可以看出，當對象特性的其他條件不變時，遲延越大，動態偏差和加大、調節時間加

26、大，衰減率變小，只有靜態偏差與之無關。圖8-19 調節通道不同時擾動仿真曲線通過上面的分析，結論如下：從提高調節質量角度要求，希望干擾通道的放大系數小，時間常數大，階次高；調節通道的時間常數、階次、遲延時間則越小越好。第二節 典型調節系統原理單回路調節系統（只有被調量一個反饋回路）也稱為簡單調節系統，雖然是一種最基本的、使用最廣泛的調節系統，但由于現場實際對象多半屬于大遲延大慣性，用單回路調節系統性能指標很差，若調節質量要求較嚴時就無能為力了。因此，需要改進調節結構、增加輔助回路或添加其它環節，組成串級、前饋反饋復合調節系統。電廠最典型的調節系統是過熱汽溫串級調節系統和串級三沖量給水調節系統。

27、一、串級過熱汽溫調節系統過熱汽溫調節的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內，并且保護過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機的高壓部分金屬損壞，因而過熱汽溫的上限一般不應超過額定值5。過熱蒸汽溫度過低，又會降低全廠的熱效率并影響汽輪機的安全經濟運行，因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐過熱器額定汽溫為540，那么過熱汽溫長期要保持在540±5范圍內變化，短期可以在±10范圍內變化。1. 過熱汽溫調節對象動態特性影響過熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工

28、況變化、鍋爐給水溫度變化、進入過熱器的蒸汽溫度變化、流經過熱器的煙氣溫度和流速變化、鍋爐受熱面結垢等。但歸納起來，主要有三個方面：蒸汽流量（負荷）D擾動、煙氣熱量Qy擾動、減溫水量W擾動。圖8-24列出了三種擾動的出口汽溫仿真曲線，從圖上可以看出，汽溫響應的共同特點是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。其中D、Qy擾動與汽溫變化成正比，W擾動與汽溫變化成反比。Qy擾動的遲延和慣性最小，W擾動的遲延和慣性最大。圖8-20 W、D、Qy擾動下出口汽溫仿真曲線對于負荷D擾動增加時，因為鍋爐同時會加大燃燒率，從而使煙氣溫度速度均增加，且煙氣速度增加的幅度更大，使得對流式過熱器出口汽溫增加，輻射式過熱器出口

29、汽溫出口汽溫下降（因爐膛溫度升高不多，輻射傳熱并沒有明顯增加）。但因現代大型鍋爐對流受熱面大于輻射受熱面，因此總汽溫將隨負荷增加而升高。煙氣熱量Qy擾動（煙氣溫度速度變化）時，由于煙氣溫度速度變化是沿整個過熱器同時改變的，因此沿過熱器整個長度使煙氣傳遞熱量同時變化，因此汽溫反應較快，其時間常數和遲延最小。減溫水量W擾動時，改變了高溫過熱器的入口汽溫，進而影響出口汽溫。但由于要沿整個過熱器管道傳輸，所以汽溫反應最慢。對于一般高、中壓鍋爐，當減溫水流量擾動時，汽溫的遲延時間，時間常數，而當煙氣側擾動時，,。可見負荷擾動和煙氣熱量擾動遲延和慣性比減溫水量擾動小，但因負荷信號由用戶決定，不能作為調節手

30、段；煙氣熱量擾動（改變煙溫或煙氣流量）具體實現比較困難，而噴水減溫對過熱器的安全運行比較有利，所以盡管對象的特性不太理想，還是現場目前廣泛被采用的過熱蒸汽溫度調節方法。針對過熱汽溫調節對象調節通道慣性遲延大、被調量出口汽溫反饋慢的特點，從對象的調節通道中找出一個比被調量反應快的中間點信號（噴水減溫器出口汽溫）作為調節器的補充反饋信號，以改善對象調節通道的動態特性，提高調節質量。構成的串級過熱汽溫調節系統如圖8-21所示。圖8-21 串級過熱汽溫調節系統2. 串級調節系統結構系統中有主副兩個調節器，主調節器接受被調量出口汽溫及其給定值信號，主調的輸出與噴水減溫器出口汽溫共同作為副調節器輸入，副調

31、節器輸出IT控制執行機構位移，從而控制減溫水調節閥門的開度。假如有噴水量WB的自發性造成的內擾，如果不及時加以調節，出口汽溫將會。但因為噴水內擾引起的1快于的，溫度測量變送器輸出，副調節器輸出IT，通過執行器使噴水閥開度，則WB，使擾動引起的1波動很快消除，從而使主汽溫基本不受影響。另外副調還受到主調輸出的影響，假如負荷或煙氣擾動引起主汽溫，測量變送器輸出，對主調是反作用，主調輸出I給，I給對副調也是反作用，使副調輸出IT，通過執行器使噴水閥開度，則WB，從而穩定主汽溫。從圖8-21中可看到，串級系統和單級系統有一個顯著的區別，即在結構上形成了兩個閉環。一個閉環在里面，被稱為內回路或副回路，包

32、括副對象（其輸入為調節量WB，輸出為1）、副參數1測量變送器、副調節器、執行器、噴水閥，內回路任務是盡快消除減溫水量的自發性擾動和其他進入內回路的各種擾動（噴水減溫器入口蒸汽溫度、流量變化），在調節過程中起著粗調的作用，副調一般采用P或PD調節器。一個閉環在外面，被稱為外回路或主回路，包括主對象（即過熱器，其輸入為1，輸出為）、主參數測量變送器、主調節器、副回路，外回路的任務是保持過熱器出口汽溫等于給定值，起細調作用，主調一般采用PI或PID調節器。【例8-1】設過熱汽溫串級調節系統的方框圖如圖8-22所示，其中主副對象的傳遞函數分別為、，主副調節器參數分別為、執行器傳函；調節閥傳函；測量變送

33、器傳函圖8-22 過熱汽溫串級調節系統原理框圖仿真結果如圖8-23所示。當采用串級調節系統時，主副調節器參數為、；采用單回路調節系統時，調節器參數為、。系統衰減率均為0.75。可以看出，采用串級調節，內擾下的最大偏差從單回路調節時的0.80減小到0.049；給定值擾動下的最大動態偏差也從單回路調節時的0.476減小到0.32，并且調節時間也大大縮短。可見串級控制明顯改善了控制效果。圖8-23 例【8-1】仿真曲線二、汽包鍋爐串級三沖量給水調節系統汽包鍋爐給水自動調節的任務是使鍋爐的給水量適應鍋爐蒸發量的需要，并且維持汽包水位在規定的范圍之內。汽包水位是鍋爐運行中一個重要的監控參數。它間接反映了

34、鍋爐蒸汽負荷與給水量之間的平衡關系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機安全運行的必要條件。汽包水位過高，會影響汽包內汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過多而使過熱器管壁結垢，容易燒壞過熱器，嚴重時會造成汽輪機損壞，直接影響機組運行的安全性和經濟性。汽包水位過低，可能破壞鍋爐水循環，造成水冷壁管過熱而破裂。1 給水被調對象的動態特性汽包鍋爐給水被調對象的結構示意圖如圖8-24所示，給水經省煤器進入汽包，蒸汽經過熱器流出汽包，汽包下部通過下降管將水引入水冷壁經加熱后返回汽包。汽包內的水處于沸騰狀態，水位是由汽包中的貯水量和水面下的汽泡容積共同決定，因此，凡是引起汽包中貯水量變化和水面下的汽泡

35、容積變化的各種因素都是給水被調對象的擾動。其中主要的擾動有：給水流量W、鍋爐蒸發量D、汽包壓力、爐膛熱負荷等。圖8-24 給水被調對象結構示意圖1、過熱器 2、汽包 3、省煤器 4、水冷壁 5、給水調節閥(1) 給水流量W擾動體現為有遲延、有慣性、無自平衡能力的特點，階躍響應如圖8-25所示，可知W，H，遲延、慣性及無自平衡能力加大了調節的難度。圖8-25 給水流量W階躍擾動下的水位H響應當W時，雖然WD，按物質平衡原理水位H應該上升，但由于給水溫度低于汽包內飽和水溫度，使給水吸收原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡容積減小，所以擾動初期水位不會立即升高。當水面下汽泡容積變化過程逐漸平衡，水位才

36、會逐漸上升。圖8-25中曲線1為僅考慮物質不平衡時的水位反應曲線僅考慮汽包內貯水量變化的水位特性。；曲線3為僅考慮汽泡容積變化引起的水位變化。實際水位變化曲線2是曲線1、2的合成。用傳遞函數可表示為： （8-24）式中 遲延時間，單位s（秒） 飛升速度（響應速度），即給水流量變化一個單位時水位的變化速度，單位mm/st/h。、可用作圖法求得，作圖8-25中曲線2的延長線，與橫軸交點為A、縱軸交點為B，則（為給水流量的階躍值） （8-25） 遲延時間和的大小和鍋爐的容量及參數有關。例一臺容量為410t/h，參數為9.8Mpa、蒸汽溫度為540的高壓爐，10s，0.015mm/s；對于容量為670

37、t/h，參數為13.72Mpa、蒸汽溫度為540的超高壓爐，510s，0.00950.0125mm/s。由此可見，隨著鍋爐容量的增大和參數的提高，水位內擾特性的遲延時間減小，響應速度也略有下降，對水位H的調節是有利的。但是，如果按照鍋爐容量的增大來計算響應速度（以額定容量的1來計算），則得到的相對響應速度逐漸增大，說明隨著鍋爐容量和參數的提高，對水位H調節的要求也越高。(2) 蒸汽流量D擾動體現為虛假水位和無自平衡能力的特點，階躍響應如圖8-26所示，可知D，H初期不僅不下降，反而迅速上升，出現虛假水位，經過一段時間，H才會由物質平衡關系下降，呈無自平衡能力。圖8-26 蒸汽流量D階躍擾動下的

38、水位H響應D時，按物質平衡原理水位應該下降。但由于汽包水空間內汽泡的體積與壓力成反比，壓力升高汽泡受壓則體積縮小；壓力降低則體積膨脹。蒸汽流量D的擾動體現為負荷的變化，當負荷需要增加時，主汽門開大，D的增加會引起主汽壓力的下降， 汽泡體積膨脹引起水位上升；同時由于協調系統的工作，在加大D的同時，鍋爐會加強燃燒，這也加劇了水冷壁內水的沸騰。壓力和燃燒這兩個因素均使水位在初期上升，體現為虛假水位。傳遞函數表示為 （8-26）曲線的放大系數；曲線的時間常數；曲線的響應速度(3) 爐膛熱負荷B擾動下與D擾動類似，階躍響應也與圖8-26類似，可知燃料量B，H初期不降反升，體現為虛假水位，經過一段時間后，

39、H才會下降。和蒸汽流量D擾動相比，虛假水位幅度小，但遲延時間較長。當燃料量B擾動增加時，鍋爐熱負荷增強，從而使鍋爐蒸發強度增大，若此時汽機熱負荷未增加，則汽輪機進汽閥開度不變，隨著爐膛熱負荷的增大，鍋爐出口壓力提高，蒸汽流量也相應增加，這樣DW，水位應該下降。但是蒸發強度增大同樣也使水面下汽泡容積增大，因此也會出現虛假水位現象。2. 串級三沖量給水調節系統通過分析被調對象的特征參數對性能指標的影響可知，對象的調節通道的慣性時間T、遲延、階次的增加會加大動態偏差、提高調節時間、穩定性下降，從而使性能指標變壞，由于給水W需要經過省煤器進入汽包，使汽包水位H存在較大的遲延和慣性，若采用單回路調節汽包

40、水位（直接把H作為主信號反饋到調節器，調節器直接去調節給水閥門開度）無法取得滿意的調節品質。同時蒸汽流量D作為主要干擾，引起的虛假水位會造成調節器的錯誤調節，引起振蕩，使性能指標變壞。所以，單回路調節系統在克服給水流量W的內擾和蒸汽流量D的外擾方面能力很差，必須改進調節結構、增加輔助回路或增添其他環節，組成串級、前饋反饋調節系統。串級、前饋反饋鍋爐汽包三沖量水位調節系統如圖8-27所示。被調對象是鍋爐汽包，被調量是汽包水位H，給水調節的核心是要保證汽包水位H的恒定。引起水位變化的主要原因是給水流量W、蒸汽流量D的擾動，為此，調節器共引入了H、W、D三個沖量信號（所以稱為三沖量調節系統）。圖8-

41、27 串級三沖量給水調節系統圖差壓變送器； 開方器； 給水流量信號靈敏度； 蒸汽流量信號靈敏度； 執行機構； PI1主調節器； PI2副調節器與單級汽包水位調節系統相比，其水位調節任務由兩個調節器PI1（接受水位H檢測信號）、PI2（接受主調節器輸出VH和蒸汽流量信號VD、給水流量信號VW）來完成，構成串級調節。 系統采用改變給水閥門開度（或給水泵轉速）的方法來調節給水流量W，其中汽包水位H是被調量，也稱為主信號。為了改善調節品質，引入蒸汽流量D的前饋調節和給水流量W的反饋調節。具體分析如下：假設水位H受到干擾，水位檢測變送器平衡容器輸出差壓，差壓變送器輸出差壓，作用到主調節器PI1輸入端，因

42、主調節器是正作用，相應主調節器PI1輸出VH。由于副調節器是反作用，PI2入口處，VH為給定數值，副調節器PI2輸出，驅動執行機構相應減少給水流量W，使升高的水位H得以恢復。從分析可知，水位反饋信號目的是校正水位H與水位給定值的偏差。假設蒸汽流量D增加，由于D增加引起虛假水位H增加，使得主調節器PI1輸出VH減小，要求副調節器PI2輸出減少（此調節動作錯誤）；而在副調節器上，蒸汽流量和VH疊加后作為給定信號，又因為副調節器為反作用調節器，所以蒸汽流量D增加后相當于副調節器給定數值增加，副調節器輸出會增加，這樣會抵消VH減小而引起的副調節器輸出減小的作用。調節器最終的動作是H和D兩種作用的疊加，

43、可知蒸汽流量D的前饋信號能有效地克服或減小虛假水位所引起的調節器誤動作，并能當D改變時正確迅速地調節給水流量W，保證D和W的平衡。假設給水流量W由于給水管路的內擾（給水管路壓力變化）增加，如果不及時加以調節，會使水位H升高；而隨著W的增加，給水流量W檢測變送器轉換為的給水流量信號VW增大，由于副調節器為反作用，所以副調節輸出減小，相應減小給水流量W，可知給水流量W反饋信號能夠迅速消除給水管路自發性內擾。該串級調節系統主調節器PI1接受水位H與水位給定值的偏差信號，任務是實現水位無靜態偏差，對水位H進行精確調節，所以采用比例積分PI或比例積分微分PID調節規律。主調節器PI1輸出和蒸汽流量信號疊

44、加后作為副調節器給定數值，給水流量信號作為副調節器的測量信號。因此副調節器PI2的主要任務是用以消除給水壓力波動等因素引起的給水流量自發性擾動以及當蒸汽負荷改變時迅速調節給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡，為了保證副回路的快速性，副調節器PI2可采用比例P或比例微分PD調節器，對水位H的穩定起粗調作用。當負荷變化時，水位穩態值是靠主調節器PI1來維持的，并不要求進入副調節器PI2的蒸汽D信號的作用強度和給水流量W的作用強度相同，這樣就可以根據對象在外擾下虛假水位的嚴重程度來適當加強蒸汽流量信號D的作用強度（可不等于），從而改變負荷擾動下的水位調節品質。調節器接受的D、W、H三個沖量信號，W

45、是調節量、H是被調量、D是主要的外擾，W、H在調節回路之內，屬于反饋信號；D由外界負荷決定，在調節回路之外，屬于前饋信號。三、串級、前饋反饋調節系統的設計方法：確定該被調對象的被調量，找出引起被調量變化的各種原因（多為該對象的流入量、流出量、流經量）。即被調量是對象的輸出量，所有引起被調量變化的原因是對象的輸入量。在輸入量中按照工作原理確定其中的一個流量作為調節系統的調節量，其它原因處于調節系統回路之外，統稱為外擾。主調節器接受被調量的反饋信號并與給定值加以比較，保證穩態時被調量等于給定值。主調節器的輸出作為副調節器的給定輸入。副調節器除了接受主調節器的輸出以外，還接受調節量的反饋信號用以消除

46、調節量的內擾（調節機構開度變化以外的調節量變化原因，如閥門前后端壓力變化引起的流量變化等）、接受主要外擾的前饋信號、接受被調對象中能提前反映被調量變化的中間變量以便及時消除進入副回路的擾動。即副調節器主要是消除內外擾的影響。四、送風調節系統在鍋爐的送風調節系統中，主要目標是要保證燃燒的安全經濟性。這一目標既可用送進爐膛的風量和燃料維持合適的比例來實現，也可用維持煙氣中的氧含量（反映過剩空氣系數的大小）來實現。這樣就形成了兩種思路的調節系統。1. 比值送風調節系統凡使兩個或兩個以上的參數維持一定比值關系的調節系統就稱為比值調節系統。電廠最典型的例子就是保持燃料量和送風量成比例關系的送風調節系統。

47、如圖8-28所示的單閉環比值送風調節系統（單回路比值調節系統），燃料量信號B通過比例環節K后作為送風調節器的給定值；送風量信號V作為反饋信號引入送風調節器，構成一個單閉環比值調節系統，可以實現送風量快速跟蹤燃料量的變化。圖8-28 單閉環比值送風調節系統由于送風調節器采用PI作用調節器，所以靜態時，調節器入口信號平衡關系為 或 （8-27）式中 風煤比例系數只要調整比例系數到適當的值，調節系統就能使進入鍋爐的送風量和燃料量保持最合適的比例，達到經濟燃燒的目的。實際調節系統圖通常省略了調節對象、測量變送器及執行器，只畫出調節器部分。圖8-28的簡化圖如圖8-29（a）所示。圖8-29 送風調節系

48、統在實際運行中，送風量和燃料量的最佳比例值不是常數，是隨不同的負荷和燃燒品種變化的。圖8-28所示系統把選為常數，就不能始終保證燃燒過程的最佳經濟性。而送風量V和燃料量B的最佳比例是隨不同負荷、不同燃料品種而變化的。因此，可以選用隨負荷、燃料品種變化而修正送風量的送風調節系統，如圖8-29（b）所示。這個系統是用乘法器構成的單閉環比值送風調節系統，燃料量的修正值作為送風量的給定值，實現B與V的比值控制。根據負荷、燃料品種的變化去修正最佳風煤比例系數K，此系統結構簡單、整定投運方便，但負荷和燃料品種的修正系數在實際應用中較難確定。2. 氧含量串級、前饋反饋送風調節系統采用氧量作為校正信號的送風調節系統如圖8-29（c）所示。它是一個串級比值調節系統，主調節器（氧量校正調節器）接受氧量和氧量定值信號。副調節器接受燃料信號B，反饋信號V及氧量校正調節器的輸出，副回路保證風煤的基本比例，起粗調作用。主