1、第二節計算機仿真技術計算機仿真是指以計算機為主要工具，運行真實系統或預研系統的仿真模型，通過對計 算機輸出信息的分析與研究，實現對實際系統運行狀態和演化規律的綜合評估與預測。它是 分析評價現有系統運行狀態或設計優化未來系統性能與功能的一種技術手段，在工程設計、 電力工業、航空航天、交通運輸、經濟管理、生態環境、通訊網絡和計算機集成等領域中有 著廣泛的應用。動態系統計算機仿真是一門以系統科學、計算機科學、系統工程理論、隨機網絡理論、 隨機過程理論、概率論、數理統計和時間序列分析等多個學科理論為基礎的、以工程系統和 各類社會經濟系統為主要處理對象的、以數學模型和數字計算機為主要研究工具的新興的邊

2、緣學科。它屬于技術科學的范疇。動態系統計算機仿真的目的是通過對動態系統仿真模型運 行過程的觀察和統計，獲得系統仿真輸出和掌握模型基本特性，推斷被仿真對象的真實參數 （或設計最佳參數），以期獲得對仿真對象實際性能的評估或預測，進而實現對真實系統設計 與結構的改善或優化。根據仿真過程中所采用計算機的類型不同，動態系統計算機仿真可分為模擬機仿真、數 字機仿真和模擬一數字混合機仿真。隨著計算機技術的快速發展，特別是并行處理機和并行 處理技術的研究與發展，數字仿真成為了計算機仿真的主流。建立適合于研究并能較好地體現實際系統各關鍵特征的模型是系統仿真的基礎。模型分 析方法是現代科學的基本研究方法之一，它通

3、過對實際系統抽象的或本質的描述，構造出與 實際系統之間存在同構或同態關系的、簡化的數學模型或物理模型，以模型分析與模型實驗 為基礎，達到對實際系統的認識、控制和優化。根據研究對象、表示方式和使用途徑不同，系統模型有多種不同分類體系。一般地，從 表示方式可劃分為物理模型和數學模型，計算機仿真中主要采用系統數學模型。系統數學模 型根據時間關系可劃分為靜態模型、連續時間動態模型、離散時間動態模型和混合時間動態 模型。根據系統的狀態描述及其變化方式，可劃分為連續變量系統模型和離散事件系統變化 模型。目前，面向系統的計算機仿真技術既涵蓋了連續變量動態系統的仿真也涉及離散事件動 態系統的仿真。在連續變量系

4、統模型中，系統各主要因素之間變化關系以及系統的演化規律 主要采用方程式描述。例如，微分方程、偏微分方程、差分方程、回歸方程等。對于離散事 件動態系統模型，由于系統狀態的變化域為離散空間，狀態變化發生在一串難以預知的離散 時間點上，因而難以建立定量變化關系方程，主要采用以網絡圖為基礎的各類流圖模型。電廠機組的各種不同熱力系統都是由一些熱力設備，如換熱器、風機、水泵、閥門、容 器等經過管道連接而成，形成一個個流體網絡。熱力系統的動態過程不僅取決于各熱力設備 本身的特性，即設備模塊;還取決于這些設備的連接方式，即拓撲結構。因此流體網絡建模 技術成為電廠仿真中的一項重要技術。本次課題研究的目的在于利用

5、本軟件系統進行電廠自動調節系統的參數整定，因側重點 不同，在這里，就不再關于系統建模問題進行展開論述。本章中凡遇到需要建模的問題，將 直接給出模型，而不再討論具體建模過程。第三節導前氣溫微分信號調節系統采用中間被調量微分信號的調節系統概述對于時間常數大、階次高和遲延大的對象，為了改善其調節品質，可以采用引入中間被 調量微分信號的調節系統。例如過熱氣溫調節系統，其中間被調量就是減溫器后的氣溫，氣 溫調節器除接受過熱器出口溫度信號外，還同時接受減溫器后氣溫的微分信號。圖5-1表示 采用中間被調量微分信號調節系統的方框圖。5-1果用中闕被調量微分信號的訓節系統這個系統的特點是，調節器除了接受調節對象

6、的主被調量信號外，還接受一個中間被調量的 微分信號。由于中間被調量的響應比主被調量快，因此，這個微分信號起著導前作用，以補 償主被調量的滯后。/在穩態時，中間被調量微分信號等于零，調節器維持主被調量為規定 值。設圖5-1中調節對象工的傳遞函數為Gol (s)，調節對象II的傳遞函數為Got (s)，調節 器的傳遞函數為Gr (s)，微分器的傳遞函數為Gd (s)，令g鏟切等敷上調節野的傳遂用Kt為或(加以沮(加育警江 1 +/jj從上面兩式可以看出，等效主調節器是比例積分型的，等效副調節器是比例積分一比例微分 混合型的。如果TiTd，則近似于比例微分型:如果TdTi，則近似于比例微分型:如果T

7、i=Td, 則是比例型的。如果在副回路中存在著頻率較高的干擾，致使中間被調信號含有高頻成分，那么由于 微分器對于高頻干擾信號沒有抑制作用，而有放大作用，所以不宜采用具有中間被調量微分 信號的調節系統。5. 3. 2過熱氣溫調節的任務、調節對象的動態特性及調節方案過熱蒸汽溫度是鍋爐運行質量的重要指標之一。過熱蒸汽溫度過高或過低都會顯 著的影響電廠的安全性和經濟性。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;過熱蒸汽溫度過低，會引起電廠熱耗上升，并使汽輪機軸向推力增大 而造成推力軸承過載，還會引起汽輪機末級蒸汽適度增加，從而降低汽輪機的內效率，加劇 對葉片的侵蝕。所以，

8、在鍋爐運行中，必須保持過熱氣溫穩定在穩定值附近。一般要求過熱器溫與規 定值的暫時偏差不超過士 10 0C，長期偏差不超過土 5 0C o過熱蒸汽溫度的自動調節使鍋爐 自動調節的困難任務之一，主要是因為：造成過熱蒸汽溫度變化的擾動因素很多，而各種擾動之間又互有影響，使對象的動 態過程很復雜。鍋爐結構設計與自動調節的要求存在一定矛盾。為使調節作用的遲延最小，希望把 減溫器布置在過熱器的出口或盡量接近出口;但從過熱器的金屬壁溫不超過允許值的安全角 度出發，則希望把減溫器布置在某段過熱器的入口，以便保護過熱器。調節對象和測溫元件的遲延比較大，測溫元件又有較大的慣性，這樣在擾動發生之 后，溫度不能立即發

9、生變化，因此要保持很小的蒸汽溫度偏差是很困難的。過熱氣溫調節對象的動態特性是指引起過熱氣溫變化的擾動與氣溫之間的動態關系。 引起過熱蒸汽溫度變化的原因包括蒸汽流量變化、燃燒工礦變化、進入過熱器的蒸汽溫度變 化、流過過熱器的煙氣的溫度和流速變化等。歸結起來，過熱氣溫調節對象的擾動主要來自 三個方面:蒸汽流量變化（符合變化），加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化（過熱器入口氣 溫變化）。從過熱氣溫動態特性的角度考慮，改變煙氣側參數（改變煙溫或煙氣流速）的調節手 段是比較理想的，但具體實現比較困難，所以一般很少被采用。噴水減溫對過熱器的安全運 行比較有利，所以盡管對象的調節特性不夠理想，但還是目前被廣

10、泛采用的過熱蒸汽溫度調 節方法。采用噴水減溫時，由于對象調節通道有較大的延遲和慣性以及運行中要求有較小的 氣溫控制偏差，所以采用單回路調節系統往往不能獲得較好的調節品質。針對過熱氣溫調節 對象調節通道慣性遲延大、被調量信號反饋慢的特點，應該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， 提高調節系統的質量。目前采用的過熱蒸汽溫度自動調節系統主要有兩種方案:采用導前氣溫的微分信號作為 補充信號的調節系統方案和串級調節系統方案。本節我們將介紹前一種方案，關于串級調節 系統方案，我們將在下一節中給予詳細介紹。5. 3. 3采用導前氣溫微

11、分信號的雙回路氣溫調節系統具有導前微分信號的雙沖量氣溫調節系統，也叫雙沖量氣溫自動調節系統，該系統如 圖5-1所示。這個系統引入了導前氣溫的微分信號作為調節器的補充信號，以改善調節質量。 因為el和02的變化趨勢是一致的，且el的反應比e2快得多，因此它能迅速的反映02的 變化趨勢。引入了。1的微分信號后，將有助于調節器的動作快速性。在動態時，調節器將 根據d e 1/dt和02與82的給定值之間的偏差而動作;但在靜態時，d e 1/dt信號消失，過熱氣 溫e2必然等于給定值。如果不采用導前信號e1的微分信號a e 1/dt，則在靜態時，調節器 將保持e 1+e2等于給定值，而不能保持e2等于

12、給定值。采用導前氣溫微分信號的雙回路氣溫調節系統方框圖如圖5-2所示:這個系統包括兩個閉合的調節回路:一個是由對象調節通道的導前區G1 （s）、導前氣溫 變送器Y 01、微分器Gd (s)、調節器Gr (s)、執行器Kz和減溫水調節閥Ku組成的副回路; 另一個是由對象調節通道的惰性區G2 (s)、主氣溫變送器r e2、和副回路組成的主回路。加入導前氣溫微分信號可改善調節對象的動態特性。對于上圖所示的調節系統，當去 掉導前氣溫的微分信號時，系統就成為單回路調節系統，調節對象的慣性遲延較大。當系統 加入導前氣溫微分信號之后，調節器將同時接受兩個輸入信號，系統也成了雙回路結構。但 對這個雙回路系統作

13、適當的變換后，發現仍可把它當作一個單回路系統來處理，如圖5-3所 示。只是此時由于微分信號的引入改變了調節對象的動態特性。這個新的等效調節對象的輸 入仍然是減溫水流量信號W,l，但輸出信號為用3用微分信號改交調節肘尊特性的方樞閨 單回路系統方柢幽：5職回玲系弱的等效力根囹W節對象的M速函虹可以根乩方框留案徹琳)=黯莓)?沖)+查打入)在靜態時，微分器輸出為零，所以等效調節對象的輸出8z，二8z;在動態過程中，等效 調節對象的輸出中除了主氣溫信號e:外，還疊加導前氣溫的微分信號d e /dt。由于e:的慣 性遲延比e:要小得多，因而等效對象的輸出e:，的慣性遲延比e:的小得多。因此，加入導前 氣

14、溫微分信號的作用可以理解為改變了調節對象的動態特性。等效調節對象在減溫水流量擾 動下的輸出ez，比主氣溫e:的動態響應有很大的改善。所以，在調節對象慣性遲延比較大 的情況下導前氣溫微分信號的雙回路氣溫調節系統的調節品質遠比單回路氣溫調節系統為 好。5. 3. 4導前氣溫調節系統子模塊本小節將介紹本套軟件系統中電廠典型自動調節系統模塊中的導前氣溫調節系統子模 塊。在圖2-7所示的主界面下，通過鼠標單擊電廠調節系統菜單下的導前氣溫調節系統子菜 單，或者在按鈕區點擊電廠典型調節系統下拉按鈕框中的導前氣溫調節系統，都可以進入如 圖5-4所示的仿真環境。-LD1 xl牡.叮器漓下囂Hs E 也哼額zkt

15、心I 田hi TfiQl：f處（1+時G*）七隊嶺隋5 i果用導前氣部袖分信號的雙問格氣溫調節系統廿0圖在.圖所示的彷-色邦境下.國h削象導前區和的節對遂情性區的數學模型分別為主氣汨調節系統框圖（尋前調節方式）主氣周圭ii器瑚5城得永世市閥調估嗣象導前區上述兩個環節均利用S IMIJL工NK的封裝機制封裝好成子系統，用戶如需更改數學模 型設置，可選擇“Edii”菜單下的“Look Under Mask”選項，或者使用快捷鍵Ctrl+U，將 出現封裝的子系統的內部實現，用戶可根據需要進行修改。如果需要設置其他環節的參數， 可直接用鼠標雙擊該環節，在彈出的屬性設置對話框中進行設置。在采用導前微分信

16、號的雙回路系統中，需要整定的參數有微分器的k。和T。值，以及 調節器的T:和6值。具體的整定方法這里不再加以詳細介紹，使用者可以根據自己的習慣 采用“補償法”或其他方法。使用者也可以在整定參數過程中，進一步理解各參數的變化對 系統動態特性的影響。星S-S呆沖導苗溫微分帽號咧歷系氐的彷直如圖所示，主氣沿在擾動下的詢差只有3琢右而FL調節時間在三汾鐘內就達射了穩 淀圾布.故此謫節系統出色的完成鍋爐蒸汽溫度自動調節任務.當然，使用者還可以在此甚 曲之上進一步遍軒勘放紋定工作，以就將史加令人泄意的訓t效建“第四節電站主氣溫串級調節系統5. 4. 1串級調節系統概述串級調節系統的調節品質較好，它在熱工自

17、動控制中得到了廣泛的應用。對于時間常 數較大，階次較高和有較大延遲的調節對象，在某些場合下即使采用PID調節規律依然不 能得到滿意的調節品質，這是可以采用串級調節系統。系統中除了主被調量外，還有一個輔 助被調量，輔助被調量對調節作用的響應要比較迅速。例如鍋爐過熱氣溫調節系統，當減溫 水量改變后，過熱氣溫的變化較慢，減溫器出口氣溫的變化較快，這時就可以把減溫器出口 氣溫作為過熱氣溫調節系統中的輔助被調量，形成一個調節回路，構成串級調節系統。申教調節系統的結構方框圖如新5/所頑,俚5-6申象調節系統的幼構方蜓隈它與單回路調節系統的區別在于有兩個調節器，有兩個閉合回路。有調節單元I、執行 器、調節對

18、象I和測量單元I構成的回路稱為副回路（或稱內回路），調節單元I稱為副調節 器，調節對象I的輸出信號稱為輔助被調量。有調節單元II,副回路、調節對象II和測量單 元II構成的回路稱為主回路（或稱外回路），調節單元II稱為主調節器，調節對象II的輸出信號稱為主被調量，調節對象I和調節對象II統稱是系統的調節對象。串級調節系統具有下列特點：對副回路所受到的擾動具有很強的克服能力。從圖5-6可以看出，進入副回路的擾動 為U1，主被調量對擾動U1的響應比較慢，輔助被調量對擾動U1的響應相當快。如果沒有 副回路，擾動U1的影響就需要由主被調量的變化通過主調節器來克服。如果具有副回路， 擾動U1的影響就可以

19、很快的由輔助被調量的變化通過輔助調節器來加以克服。由于副回路起了改善調節對象動態特性的作用，從而提高了整個系統的調節品質。串 級調節系統在結構上區別于單回路調節系統的主要標志就是用一個閉合的副回路代替原來 的一部分對象。在設計串級調節系統時，必須遵循下列兩條原則:一個原則是副回路必須是 快通道，包含在副回路中的調節對象時間常數要盡量小于包含在主回路中的調節對象時間常 數，也就是說，副回路的通頻帶要高于主回路的通頻帶，如果副回路對象時間常數與主回路 對象時間常數相差無幾，串級調節的副回路就起不到改善調節品質的作用，系統還可能因為 主回路和副回路的通頻帶相近而產生共振;另一個原則就是盡可能的把激劇

20、的擾動納入副回 路中，因為副回路對擾動能及時克服或削弱擾動的影響。對于電廠中的串級調節系統，生產過程的要求是被調量等于給定值，而對輔助被調量則 沒有嚴格的要求。針對這種情況，副調節器應該選用P作用或者PD作用，使內回路盡快地 消除擾動，以減少擾動對被調量的影響(實現粗調);而主調節器一般選用PI或者PID作用， 使穩態被調量等于給定值。如圖5-7所示為平教調節系統的方機圖.圖*7吊綴調節系墟的方框圖瞄g Wal(s)一主譴節游.刷苦宵器的竹通函思 尬處一咋節磐象字前區的悟通函數：Wo2 魂節汨決情性區的傳遞函數I W映(sj W阻動一一調節我象的傳述函鴕Wh2(S).幡1($割量單元的怡述函眺

21、：Wu2(s). Wul(s)調書對家的被調量y和輔助械調散ya注擾動作用下的柱遞函數，國48 過給氣渤審級職節系統串級氣溫調節系統圖5-8為過熱氣溫串級調節系統圖。氣溫調節對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流 量W.l為對象調節通道的輸入信號，過熱器出口氣溫為輸出信號。為了改善調節品質，系統 中也采用減溫器出口處氣溫作為輔助調節信號。過熱蟄 活溫果過熱器7VOrW4*Dp-I對于串級氣溫調節系統，都是優于單回路調節系統的。(1)擾動發生在副回路內，無論擾動發生在副調節回路還是發生在主調節回路，其調節品質例如當減溫水流量WJ 發生自發性波動(可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變)而引起減溫水流量擾動變

22、化時，對于單 回路氣溫調節系統，由于沒有副調節回路去迅速消除wJ的波動，所以必然要影響到主氣溫 的穩定;對于串級氣溫調節系統，由于有副回路的存在，而且導前區的慣性又很小，副調節 器將能及時動作，快速消除掉減溫水流量的自發性波動，從而使過熱氣溫基本不變。(2)擾動發生在副回路以外，引起過熱氣溫偏離給定值時，串級系統首先由主調節器改變 其輸出信號，通過副調節回路去改變減溫水流量，使過熱氣溫恢復到給定值。這時，主調節 器的調節對象的慣性遲延比采取單回路氣溫調節系統時的調節對象的要小。因此在這種情況 下，串級調節系統的調解質量還是高于單回路系統的。可見，在串級氣溫調節系統中，副回路的任務是盡快消除減溫

23、水流量的自發性擾動和其 他進入副回路的各種擾動，對過熱氣溫的穩定起粗調作用。氣溫系統的副調節器一般采用比 例調節器，主調節器的任務是保持過熱氣溫等于給定值，可采用比例積分或者比例積分微分 調節器。5. 4. 2主氣溫串級調節系統子模塊本小節將介紹本套軟件系統中電廠典型自動調節系統模塊中的主氣溫串級調節系統 子模塊。在圖2-7所示的主界面下，通過鼠標單擊電廠調節系統菜單下的主氣溫串級調節系 統子菜單，或者在按鈕區點擊電廠典型調節系統下拉按鈕框中的主氣溫串級調節系統，都可 以進入如圖5-9所示的仿真環境。圖5羽主氣溫串級調節素統姑真圖軍站王氣涇串級道節系蜿方推圖E 11留所示的切真站境下，導前區和悟性區對象的數學模呈勺圖5仿氏環境下的對弊數 學模型相同.怛在本次仿真中加入外擾，外擾(即燃燒率攪動的牡學模卯為二岐(加一 蝦/ ! + 20j封霰過的子系統與其他環節的具體沒置現節參.號導前氣醍微分朋節系埴的趾置方沌。參選整定后的彷賓粘果圖如圖S-2所術，IE51O主氣溫串圾調腎系統做且結果圖如上司所術.主氣溫在就動下的偏是只有KG1C五若，而且調節時間在四分扣右達到了 崔定就擊.可見，甲M調節系統比導前代混微分信號調節系統的調節疫果里好，不過，有系統 仿其囹可以看