引言

在生產和科學技術的發展過程中，自動控制起著主要的作用，目前已廣泛應

用于工農業生產及其他建設方面。生產過程自動化是保持生產穩定、降低成本、

改善勞動成本、促進文明生產、保證生產安全和提高勞動生產率的重要手段，是

20世紀科學與技術進步的特征，是工業現代化的標志之一。可以說，自動化水平

是衡量一個國家的生產技術和科學水平先進與否的一項重要標志。電力工業中電

廠熱工生產過程自動化技術相對于其他民用工業部門有較長的歷史和較高的自動

化水平，電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產技術的先進與否和企業現代

化的重要標志。

設計所討論的汽溫控制系統包括鍋爐主蒸汽溫度控制系統。主蒸汽溫度與再

熱蒸汽溫度的穩定對機組的安全經濟運行是非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任

務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內，并保護過熱器，使其管壁溫度

不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統中的溫度最高點，蒸汽溫

度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。

一般規定過熱器的溫度上限不高于其額定值5℃o

如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，據估計，溫度每降低5℃,

熱經濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水,

嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規定過熱汽溫下限不低于其額定值10℃。通常,

高參數電廠都要求保持過熱汽溫在540℃的范圍內。

由于汽溫對象的復雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現在以

下幾個方面：

（1）影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負荷、減溫水量、煙氣側的過剩

空氣系數和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽溫變化。

（2）汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，尤其隨著機組容量和參數的增加,

蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進一步加大了汽溫控

制的難度。

（3）汽溫對象在各種擾動作用下（如負荷、工況變化等）反映出非線性、時

變等特性，使其控制的難度加大。

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第一章汽溫控制系統的作用、特點和調節規律

本章將以300MW的單元機組鍋爐為例，通過研究其高溫、亞臨界壓力、中間

再熱、自然循環、單爐膛前后對沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機為單軸、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過程，并熟悉其動態特性及分析影響汽溫變化的各

種因素。

1.1過熱器和再熱器的汽溫特性

所謂汽溫特性，是過熱器和再熱器出口蒸汽溫度與鍋爐負荷之間的關系，輻

射式過熱器只吸收爐內的直接輻射熱。隨著鍋爐負荷的增加，輻射過熱器中工質

的流量和鍋爐的燃料耗量按比例增大，但爐內輻射熱并不按比例增加，因為爐內

火焰溫度的升高不太多。也就是說，隨鍋爐負荷的增加，爐內輻射熱的份額相對

下降，輻射式過熱器中蒸汽的熔增減少，出口蒸汽溫度下降，如圖「la中曲線1

所示。當鍋爐負荷增大時，將有較多的熱量隨煙氣離開爐膛，被對流過熱器等受

熱面所吸收；對流過熱器中的煙速和煙溫提高，過熱器中工質的熠增隨之增大。

因此，對流式過熱器的出口汽溫是隨鍋爐負荷的提高而增加的。過熱器布置遠離

爐膛出口時，汽溫隨鍋爐負荷的提高而增加的趨勢更加明顯，如圖『1a中曲線2、

3所示，對流式過熱器的出口汽溫是隨著負荷的增加而增大的。過熱器離爐膛出

口越遠，過熱器進口煙溫廠降低，煙氣對過熱器的輻射換熱份額減少，汽溫隨

負荷增加而上升的趨勢更明顯，這就是圖中曲線3的斜率大于曲線2的原因。可

以預期，屏式過熱器的汽溫特性將稍微平穩一些，因它以爐內輻射和煙氣對流兩

種方式吸收熱量。不過它的汽溫特性有可能是在高負荷時對流傳熱占優勢而低負

荷時則輻射傳熱占優勢。高壓和超高壓鍋爐的過熱器，雖然是由輻射、半輻射和

對流三種吸熱方式的份額畢竟不大，整個過熱器的汽溫特性仍是對流式的，即負

荷降低時，出口汽溫將下降。

再熱器的汽溫特性也幾乎都是對流式的，其再熱蒸汽溫度隨鍋爐負荷變化規

律與過熱器。

汽溫比較，對流式再熱器汽溫隨負荷降低而降低要嚴重些，相反，輻射式再

熱器汽溫隨負荷降低而升高要平緩些。因為再熱器多半布置在對流煙道中，而且

常常布置在高溫對流過熱器之后。此外，負荷降低時，再熱器的入口汽溫（汽輪

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機高壓缸的排汽溫度）還要下降，這就使得負荷降低時再熱蒸汽溫度的下降比過

熱蒸汽要嚴重的多（圖ITb）o

1-輻射式過熱條2'3—對流式過熱器I一過熱莖汽,2_再轆汽

圖1-1汽溫特性圖

1.2過熱蒸汽溫度控制對象的動態特征

1.2.1過熱蒸汽溫度控制對象的動態特征

過熱汽溫調節對象的動態特性是指引起過熱汽溫變化的擾動與汽溫之間的動

態關系O

蒸汽從汽包出來以后通過過熱器的低溫段，至減溫器，然后再到過熱器的高

溫段，最后至汽輪機。通常的大中型鍋爐都采用減溫器減溫的方式控制過熱蒸汽

溫度。各種鍋爐結構不同過熱器的結構布置也不同（輻射式、屏式、對流式）。影

響溫度變化的擾動因素很多，如煙氣溫度和流速，給水溫度，爐膛熱負荷，送風

量，給水母管壓力和減溫水量。歸納起來主要為蒸汽流量，煙氣傳熱量，減溫水

三方面的擾動。

1、蒸汽流量擾動

汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過熱器和煙氣之間

的傳熱條件，導致氣溫變化。可以看到，溫度響應具有自平衡特性，而且慣性和

遲延都比較小，這是因為蒸汽量變化時，沿過熱器管道長度方向的各點溫度幾乎

同時變化。

2、煙氣側傳熱量的擾動

燃料量增減，燃料種類的變化，送風量、吸風量的改變都將引起煙氣流速和

煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱氣出口溫度的變化。由于煙氣

傳熱量的改變是沿整個過熱器長度方向上同時發生的，因此汽溫變化的遲延很小，

一般在10~20之間。它與蒸汽量擾動下的情況類似。

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3、噴水量的擾動

應用噴水來控制蒸汽溫度是目前廣泛使用的一種方式。對于這種控制方式，

噴水量擾動是基本擾動。過熱器是具有分布參數的對象，可以把管內的蒸汽和金

屬管壁看作是無窮多個單容對象串聯組成的多容對象。當噴水量發生改變后，需

要通過這些串聯單容對象，最終引起出口蒸汽溫度0s的變化。因此，0s的響應

有很大的遲延。

1.2.2對過熱蒸汽溫度控制對象的特性進行分析

1、煙氣側熱量擾動下蒸汽溫度對象的動態特性

煙氣側熱量擾動，包括煙氣流速和煙氣溫度的擾動，在這種擾動下煙氣與蒸

汽之間換熱條件發生了變化，由于這個變化是在全部過熱器中同時發生的，因此

過熱器吸收熱量的改變應該沒有傳遞滯后，當燃料或空氣量發生擾動時，傳遞滯

后很小，這個傳遞滯后主要決定于從擾動發生到過熱器周圍煙道中煙氣量或煙氣

溫度發生變化所需要的時間。因此，煙氣側熱量擾動下的動態特性要比減溫水擾

動下的動態特性好的多。

圖1-2在擾動下溫度的變化曲線

2、蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態特性

蒸汽流量擾動時，過熱器出口蒸汽溫度變化的動態特性與煙氣側熱量擾動下

的動態特性是相似的，有較小的時間常數。綜合上述可歸納出下列幾點：

（1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有自平衡能力。而且改

變熱和一個輸入參數，其他的輸入參數都可能直接或間接的影響過熱器出口蒸汽

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溫度，這使得控制對象的動態過程十分復雜。

(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

容量后，縮短減溫器與蒸汽溫度控制之間的距離，可以改善其動態特性。

(3)在煙氣側熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態特性比較好,

動態曲線如圖1-2所示。

3、蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態特性

減溫水量擾動時，其擾動地點(過熱器入口)與測量蒸汽溫度的地點(過熱

器出口)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。動態曲

線圖如圖1-2所示。當擾動發生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發生變化，滯后

時間比較大。滯后時間產生的原因有：

(1)由于擾動地點到測量被調量地點之間的距離造成傳遞滯后。

(2)由于過熱器管壁儲量和表面傳熱阻力造成的容量滯后。過熱器管壁的

熱容量越大，則傳遞滯后與時間常數的數值都越大。

1.3過熱蒸汽溫度控制系統的基本結構與工作原理

這里以300MW機組分散控制系統的過熱蒸汽溫度控制系統為例，對其系統結

構和工作原理進行介紹。

該300MW機組的過熱蒸汽溫度控制采用二級噴水減溫控制方式。過熱器設計

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

過熱蒸汽溫度的調節品質外，第一級噴水減溫還具有防止屏式過熱器超溫、確保

機組安全運行的作用。

本機組過熱器一、二級噴水減溫器的控制目標就是在機組不同負荷下維持鍋

爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度為設定值。

1.3.1過熱器一級減溫控制系統

該系統是在一個串級雙回路控制系統的基礎上，引入前饋信號和防超溫保護

回路而形成噴水減溫控制系統。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行比較，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組負荷的主蒸汽流量信號(代表機組負荷信號)

經函數器f(x)產生，其含義為給定值是負荷的函數。運行人員在操作員站上可對此

給定值給予正負偏置。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，經控制運算后其輸出送至副回路。

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圖1-3過熱器一級減溫控制系統

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調節器，它接

受一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。

系統引入的前饋信號有機組負荷、送風量、噴燃器火嘴傾角等外擾信號。這

些信號會引起過熱蒸汽溫度的明顯變化，因此將他們作為前饋信號引入系統，來

抑制他們對過熱蒸汽溫度的影響，改善一級過熱蒸汽溫度的控制品質。

由于機組的負荷會改變，控制對象的動態特性也隨之而變，為了在較大的負

荷變化范圍內都具備較高的控制品質，在大型機組的蒸汽溫度控制中，可充分利

用計算機分散控制的優點，將主、副調節器設計成自動隨著負荷的變化不斷地修

改整定參數的調節器，上述蒸汽溫度控制系統就是如此。

1.3.2二級減溫控制系統

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過熱器二級減溫控制系統的組態如圖:

二級過熱器出口減溫

二級減溫器出口減溫

該系統與一級減溫控制系統的結構基本相同，也是一個串級雙回路控制系統,

不同之處在于：主、副調節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

路的給定值由運行人員手動設定，對于300MW機組在正常負荷時，給定值一般為

540℃o

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。

二級過熱器蒸汽溫度控制是鍋爐出口蒸汽溫度的最后一道控制手段，為了保

證汽輪機的安全運行，要求盡可能提高鍋爐出口蒸汽溫度的調節品質。因此，二

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級減溫控制的主回路前饋信號采用了基于焰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，還有主蒸汽流量代表機組負荷以及送風

量、燃燒器火嘴擺動傾角等。

除了以上內容外，二級減溫控制系統的其他部分以及工作原理與一級減溫控

制系統完全相同。

1.3.3再熱器控制系統：

再熱蒸汽溫度調節采用擺動火嘴加噴水減溫的控制方式。

按設計，再熱蒸汽溫度正常情況下由噴燃器火嘴傾角的擺動來控制。也就是

說，再熱器汽溫控制的減溫水閥門平常是全關的，它對再熱汽溫只起一種輔助的

或保護性質的調節作用。

1、擺動火嘴：

擺動燃燒器火嘴傾角是設計用來調節再熱汽溫的正常手段，它是一個帶前饋

信號的單回路調節系統。在鍋爐A,B側末級再熱器出口聯箱上各裝有兩個出口蒸

汽溫度測點，可由運行人員在OIS上手動選擇每側的某一測點或兩個測點的平均

值作為本次再熱汽溫控制使用。

根據主蒸汽流量經函數發生器給出的隨機組負荷變化的再熱汽溫設定值，與

運行人員手動設定值經小值選擇器后與再熱蒸汽測量值進行比較，偏差進入控制

器。控制器設計為SMITH預估器和PID調節器互相切換的方式，兩者只能由一個

起控制作用，可由熱控工程師通過軟件調節。為了提高再熱汽溫在外擾下的調節

品質，控制回路設計了機組負荷和送風量經函數發生器給出的前饋信號。根據再

熱汽溫的偏差經控制器的控制運算后在加上前饋信號，形成了對燃燒器火嘴傾角

的控制指令，這個指令信號分四路并列輸出去驅動爐膛四角的燃燒器火嘴傾角。

當進行爐膛吹掃時，火嘴傾角將被自動連鎖到水平位置。

2、噴水減溫：

噴水減溫只起輔助或保護性質的減溫作用。每側的再熱汽溫有兩個測量信號,

當擺動火嘴在自動控制狀態時，噴水減溫的再熱汽溫設定在擺動火嘴控制系統設

定值的基礎上加上根據擺動火嘴控制指令經函數發生器給出的偏置量，意在當擺

動火嘴有調節與低時抬高噴水減溫控制系統設定值以確保噴水減溫閥門關死。當

擺動火嘴控制指令接近下限而將失去調節余地時，該偏置量應該減小到零以便再

熱汽溫偏高時噴水閥門接替擺動火嘴的減溫手段。

由于噴水減溫系統只是設計用作輔助調節手段，故系統設計比較簡單，再熱

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汽溫設定值與測量值的偏差經PID調節器后直接作為噴水減溫閥門開度指令，控

制器未設計SMITH預估器，也未設計任何前饋信號。

圖1-5再熱汽溫控制SAMA圖

1.4溫度變化對機組的影響

過熱蒸汽的溫度和再熱蒸汽的溫度是蒸汽質量的重要指標之一，也是鍋爐運

行中必須監視控制的主要參數之一。大型單元機組對氣溫要求非常嚴格。通常規

定在額定溫度的5℃范圍內變動。

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過熱氣溫偏高會加快金屬材料的蠕變，還會使過熱器、蒸汽管道、汽輪機高

壓缸等承壓部件產生額外的熱應力，縮短設備的使用壽命。如12CrMoV鋼在585

度下工作時有10萬小時的持續強度，當溫度升到595℃下工作時，運行3萬小時

則喪失強度。發生嚴重超溫時甚至會造成過熱器管爆管。當壓力不變而過熱汽溫

降低時，蒸汽的熱焰必然減少，因而做功能力降低。在汽輪機負荷一定時，就必

須增加汽耗量，電廠經濟性降低。通常從超高壓到亞臨界壓力的鍋爐機組，如果

過熱器出口汽溫每降低10℃,汽耗量將增加1.3%—1.5%,大約會使循環熱效率

降低0.3%。

單元機組的再熱汽溫過高也會使設備使用壽命縮短，甚至發生爆管事故。特

別是再熱汽溫的急劇變化，將可能導致汽輪機中壓缸的膨脹差發生顯著變化。超

過其允許值時可能引起汽輪機的劇烈振動，威脅設備的安全。再熱氣溫低也會使

汽輪機的耗汽量增加，經濟性下降。如果再熱汽溫過低，汽輪機低壓缸最后幾級

的蒸汽濕度過大，就會加劇汽水對葉片的侵蝕作用，縮短葉片壽命。嚴重時可能

出現水擊，直接威脅汽輪機的安全。當蒸汽溫度偏離額定數值過大時，將會影響

鍋爐和汽輪機運行的安全性和經濟性。

再熱器的汽溫變化特性與對流式過熱器的汽溫特性基本相同。但是應當指出，

由于再熱蒸汽的溫度高而壓力低因而再熱蒸汽的比熱容比過熱蒸汽小，這樣等量

的蒸汽在獲得相同熱量時再熱蒸汽溫度的變化就比過熱蒸汽要大。止匕外，再熱汽

溫不僅受到鍋爐方面因素的影響，而且汽輪機工況的改變對它的影響也較大。因

為在過熱器中，其進口蒸汽溫度始終等于汽包壓力下的飽和溫度，而再熱器的進

口蒸汽溫度則是隨汽輪機負荷的增加而升高，隨負荷的減少而降低。所以再熱汽

溫受工況變化的影響要比過熱蒸汽溫度敏感，再熱汽溫的波動也比過熱汽溫大。

1.5影響氣溫變化的因素

影響汽溫變化的因素很多，如鍋爐負荷、給水溫度、燃料性質、燃燒情況及

受熱面的清潔程度等工況的改變都將引起再熱汽溫發生變化，同時再熱汽溫還受

到過熱汽溫變化的影響。通常將影響因素分為煙氣測和蒸汽側兩個方面。這些因

素在實際運行中常常可能同時產生影響。

1、煙氣測的主要影響因素

(1)燃料性質變化。燃料性質的變化主要是燃煤揮發份、水分、灰分和含碳

量以及煤粉細度的改變。當燃煤的揮發分降低，含碳量增加或煤粉較粗時，煤粉

在爐內燃盡的時間增加，火焰中心上移，爐膛出口煙溫升高，則將使汽溫升高。

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燃煤中的水分和灰分增加時，燃煤的發熱量降低。為了保證鍋爐蒸發量，必須增

加燃料消耗量。因為水分揮發和灰分本身的提高均要吸收爐膛內的熱量，故使爐

膛內溫度水平降低，爐內輻射傳熱量減少，爐膛出口煙溫升高。同時水分的增加

也使煙氣體積增大，煙氣流速增加。爐膛出口煙溫的升高和煙速的增加，使對流

傳熱增加，也就使得對流過熱器的吸熱量增加，故汽溫升高。當從燃煤改為燃油

時。由于油的燃燒迅速，其火焰長度比煤粉短，使火焰中心降低。同時由于油火

焰的輻射強度比煤大，而使爐內輻射傳熱增強，相應爐膛出口煙溫降低，因而將

使對流過熱器的汽溫降低，輻射過熱器的汽溫升高。

（2）燃料量變化。送入爐內的燃料量取決于鍋爐負荷，負荷發生變化，燃料

量必須相應地變動。燃料量變動，爐膛出口煙溫就會發生變動，煙氣流速也會發

生變化。這樣就必然引起爐內傳熱量的改變，從而引起過熱器內工質吸熱量的改

變，使過熱蒸汽溫度發生變動。

（3）風量調節變化。當送風量或漏風量增加而使爐內過熱空氣量增加時，由

于低溫空氣的吸熱，將使爐膛溫度降低，輻射傳熱減弱，爐膛出口煙溫升高。同

時過剩空氣量的增加將使流經對流過熱器的煙氣量增多，煙氣流速增大，使對流

傳熱增強，從而引起對流過熱器的汽溫升高和輻射過熱器的汽溫降低。若風量不

足，燃燒不好，在煙道發生再燃燒時，也會引起對流過熱器的汽溫升高。在總風

量不變的情況下，由于配風工況不同，造成爐內火焰中心位置的變化，也會引起

汽溫的變化。例如對于四角布置切圓燃燒方式的噴燃器，當使其上面的二次風加

大而下面的二次風減小時，將使火焰中心壓低，于是爐膛出口煙溫降低，從而使

對流過熱器的汽溫降低。當引風和配風配合不當，例如引風量過大，爐膛負壓值

太大，使火焰中心提高，則過熱汽溫會隨之不正常的升高。

（4）噴燃器運行方式變化。噴燃器運行方式改變時，將引起燃燒室火焰中心

位置的改變，因而可能引起汽溫變化。例如，噴燃器從上排切換至下排時，汽溫

可能會降低。

（5）給水溫度變化。給水溫度的變化對汽溫有很大的影響。當給水溫度變化

時工質在鍋爐中的熔增也發生變化，為了維持鍋爐蒸發量不變，燃料量勢必相應

的改變，以適應加熱給水所需熱量的變化。由此將造成流經對流過熱器的煙氣流

速和煙氣溫度發生變化，因而引起汽溫變化。例如，當給水溫度降低時，加熱給

水所需的熱量增多，燃料量必然要加大。但這時蒸發量未變，即由飽和蒸汽加熱

到額定溫度的過熱蒸汽所需的熱量未變，因而燃料量加大的結果必然造成過熱器

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煙氣測的傳熱量大于蒸汽測的需熱量，這就必然引起過熱汽溫的升高。

(6)受熱面的清潔程度。當過熱器受熱面本身結渣，嚴重積灰或管內結鹽垢

時，將使汽溫降低。水冷壁或凝渣管管外積灰，結渣或管內結垢將引起汽溫升高。

因為無論是灰，渣或水垢都會阻礙傳熱，使水冷壁或結渣管的吸熱量減少，而使

過熱器進口的煙溫升高，因而引起汽溫升高。過熱器管內結垢不但會影響汽溫，

而且可能造成管壁過熱損壞。若過熱器積灰，結渣不均時，有的地方流過的煙氣

量多，這部分汽溫就高。

2、蒸汽測的主要影響因素

(1)鍋爐負荷的變化。當鍋爐負荷變化時，過熱汽溫也會隨之而變化。對于

不同形式的過熱器，其汽溫隨負荷變化的特性也不同。輻射過熱器的汽溫變化特

性是負荷增加時汽溫降低，負荷減小時汽溫升高。而對流過熱器的汽溫變化特性

是負荷增加時汽溫升高，負荷減小時汽溫降低。兩者的汽溫變化特性恰好相反。

當鍋爐負荷增加時，必須增加燃料量和風量以強化燃燒，這時爐膛溫度有所提高,

輻射傳熱量也將增加。但是由于爐膛溫度提高的不多，使輻射傳熱量的增加趕不

上蒸發量的增加，因此輻射傳熱的比例反而下降，即輻射傳熱量當負荷增加時是

相對減少的，使爐膛出口煙溫升高。輻射過熱器的汽溫是隨鍋爐負荷的增加而降

低的。在對流過熱器中，隨著鍋爐負荷的增加，由于燃料消耗量增大，使流經對

流過熱器的煙氣流速增加，使對流放熱系數增大。另外由于爐膛出口煙溫升高，

即進入對流過熱器的煙溫升高，使傳熱溫差增大，因而使對流過熱器吸熱量的增

加值超過由于流過過熱器的蒸汽流量的增加所引起的熱量的增加值，使對流傳熱

的比例也增加。所以，對流過熱器的汽溫是隨著鍋爐負荷的增加而升高的。半輻

射過熱器的汽溫隨鍋爐負荷的變化而比較平穩的變化。上述汽溫隨鍋爐負荷變化

的特性是指變化前，后的兩個穩定工況。而對于從一個工況向另一個工況變化的

動態過程中，汽溫的變化情況與上述情況不盡相同。例如，當負荷突然增加，而

燃燒工況還未來的及改變，汽壓未恢復以前，由于過熱器的加熱條件并未改變，

而流經過熱器的蒸汽流量卻增加了，因此，這時的汽溫總是降低的。只有經過一

段時間后，當燃料量增加達到新的平衡時，汽溫才逐漸恢復。

(2)飽和蒸汽濕度變化。從汽包出來的飽和蒸汽總含有少量水分。在正常情

況下，進入過熱器的飽和蒸汽濕度一般變化很小，飽和蒸汽的溫度保持不變。但

是在不穩定工況或不正常運行條件下，例如當鍋爐負荷突增，汽包水位過高以及

爐水含鹽濃度太大而發生汽水共騰時，將會使飽和蒸汽的濕度大大增加。由于增

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加的水分在過熱器中汽化要多吸收熱量，在燃燒工況不變的情況下，用于使干飽

和蒸汽過熱的熱量相應減少，因而將引起過熱蒸汽溫度下降。如果飽和蒸汽大量

帶水，則將造成過熱汽溫急劇下降。

（3）減溫水變化。減溫器中減溫水溫度和流量變化時，將引起過熱器蒸汽側

總吸熱量的變化，汽溫就會發生變化。當用給水作為減溫水，在給水系統壓力增

大時，雖然減溫水調節閥門的開度未變，但這時減溫水量增加了，使過熱器蒸汽

被吸走的熱量增加，因而將引起汽溫下降。止匕外，當減溫器發生泄漏時，也會引

起汽溫下降。

（4）給水溫度變化。當給水溫度降低時，給水前熔增加。為保證鍋爐蒸發量

不變，就需要投入更多的燃料倆量，煙氣熱容量增加，對流換熱加強，導致汽溫

升高。在電廠運行中，如果高壓加熱器出現故障不能投入時，就會造成給水溫度

顯著下降。

1.6汽溫調節的概念和方法

維持穩定的汽溫是保證機組安全和經濟運行所必須的。汽溫過高會使金屬應

力下降，將影響機組的安全運行；汽溫降低則會機組的循環的效率。據計算，過

熱器在超溫10℃到20℃下長期運行，其壽命會縮短一半；而汽溫降低10℃會使循

環若效應降低0.5%,運行中一般規定汽溫額定值的波動不能超過-10℃?+5℃。

因此，要求鍋爐設置適當的調溫手段，以修正運行因素對汽溫波動的影響。

對汽溫調節方法的基本要求是：調節慣性或延遲時間小，調節范圍大，對熱

循環熱效率影響小，結構簡單可靠及附加設備消耗少。

汽溫的調節可歸結為兩大類：蒸汽側的調節和煙氣側的調節。所謂蒸汽側的

調節，是指通過改變蒸汽的熱熔來調節溫度。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要消耗過熱蒸汽的一部分熱量，從而使汽溫下降，調節噴

入的水量，可以達到調節汽溫的目的。煙氣側的調節，使通過改變鍋爐內輻射受

熱面和對流受熱面的吸熱量分配比例的方法（例如調節燃燒器的傾角，采用煙氣

再循環等）或改變流經過熱器的煙氣量的方法（如調節煙氣擋板）來調節過熱蒸

汽溫度。

1.6.1從蒸汽側調節汽溫

汽溫調節通常采用噴水減溫作為主要調節手段。由于鍋爐給水品質較高，所

以減溫器通常采用給水作為冷卻工質。噴水減溫的方法是將水呈霧狀直接噴射到

被調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，過熱，最

13

后也成為過熱蒸汽的一部分。被調溫的過熱蒸汽由于放熱，所以汽溫降低，達到

了調溫的目的。

噴水減溫調節操作簡單，只要根據汽溫的變化適當的變更相應的減溫水調節

閥門開度，改變進入減溫器的減溫水量即可達到調節過熱汽溫的目的。當汽溫偏

高時，開大調節門增加減溫水量；當汽溫偏低時，關小調節閥門減少減溫水量，

或者根據需要將減溫器撤出運行。

單元機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，在進

行汽溫調節時必須明確每級減溫器所擔負的任務。第一級布置在分隔屏過熱器之

前，被調參數是屏式過熱器出口汽溫，其主要任務是保護屏式過熱器，防止壁管

超溫。由于該減溫器距末級過熱器的出口尚有較長距離，相對來說，它對出口汽

溫的調節時滯較大，而且由于蒸汽流經后幾級過熱器后，汽溫的變化幅度較大，

誤差也大，所以很難保證出口蒸汽溫度在規定的范圍內。因此，這級減溫器只能

作為主蒸汽溫度的粗調節。該鍋爐第二級噴水減溫器設在末級對流過熱器進口，

被調參數是主蒸汽出口溫度，由于此處距主蒸汽出口距離近，且此后蒸汽溫度變

化幅度也不大，所以第二級噴水減溫的靈敏度高，調節時滯也小，能有效的保證

主蒸汽出口溫度符合要求，因而該級噴水調節是主蒸汽的細調節。第二級噴水減

溫器往往分兩側布置，以減小過熱汽溫熱偏差。正常工況時，一、二級噴水量的

比例為總噴水量的75%和25%,在高加全部切除時，其比例為95%和5%。

噴水減溫器調節汽溫的特點是，只能使蒸汽減溫而不能升溫。因此，鍋爐按

鍋爐額定負荷設計時，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。由于一般組合過熱器汽溫特性都呈對

流特性，所以當鍋爐負荷降低時，汽溫也下降，這時減溫水就應減小，對于定壓

運行的單元機組，由于蒸汽失去汽溫調節手段，因而主汽溫就不能保持規定值，

故鍋爐不宜在此情況下做定壓運行，而應采用滑壓運行，以保證過熱蒸汽有足夠

的過熱度。噴水減溫調節主蒸汽溫度在經濟上是有一定損失的。一方面由于在額

定負荷時過熱器受熱面積比實際需要值大，增加了投資成本；另一方面因一部分

給水用作減溫水，使進入生煤器的水流量減少，因而鍋爐排煙溫度升高。增加了

排煙損失。同時噴水減溫的過程，也是一個牖增的過程。故而有可用能的損失。

但是，由于噴水減溫設備簡單，操作方便，調節又靈敏，所以仍得到廣泛應用。

再熱器不宜采用噴水減溫調節汽溫。因為噴水減溫器將增加再熱蒸汽的數量,

14

從而增加了汽輪機中，低壓缸的蒸汽流量，即增加了中低壓缸的出力。如果機組

的負荷一定，將使高壓缸出力減小，減少高壓缸的蒸汽流量。這就等于部分的用

低壓蒸汽循環代替高壓蒸汽循環做功，因而必然導致整個機組熱經濟性的降低。

再熱器噴水減溫器的主要目的是當出現事故工況，再熱器入口汽溫超過允許值，

可能出現超溫損壞時，噴水減溫器投入運行，借以保護再熱器。在正常運行情況

下，只有當采用其他溫度調節方法尚不能完全滿足要求時，再熱器噴水減溫器才

投入微量噴水，作為再熱汽溫的輔助調節。

1.6.2從煙氣側調節汽溫

1、改變火焰中心位置。改變火焰的中心位置可以改變爐內輻射吸熱量和進入

過熱器的煙氣速度，因而可以調節過熱汽溫。當火焰中心位置抬高時，火焰離過

熱器較近，爐內輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，則過熱汽溫將升高。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)調整噴燃器的傾角。采用擺動式燃燒器時，可以用改變其傾角的辦法來

改變火焰中心沿爐膛高度的位置，從而達到調節汽溫的目的。在高負荷時，將噴

燃器向下傾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使進入過熱器區的煙氣溫度

下降，減小過熱器的傳熱溫差，使汽溫降低。而在低負荷時，將噴燃器向上傾斜

適當角度，則可以使火焰中心位置提高，使汽溫升高。擺動式燃燒器的調溫幅度

較大，調節靈敏，設備簡單，投資費用少，并且沒有功率損耗。目前使用的擺動

式燃燒器上下擺動的轉角為±20°一般用10。?20°器的傾角的調節范圍不可過

大，否則可能會增大不完全燃燒損失或造成結渣等。如果向下的傾角過大時，可

能會造成水冷壁下部或冷灰斗結渣。若向上的傾角過大時，會增加不完全燃燒損

失并可能引起爐膛出口的屏式過熱器或凝渣管結渣。同時在低負荷時若向上的傾

角過大，還可能發生爐膛滅火。擺動式燃燒器可用于過熱蒸汽的調溫，也可用于

再熱蒸汽的調溫。當擺動式燃燒器作為再熱汽溫的主調方式時，它將以再熱汽溫

為信號，改變燃燒器的傾角。為了保持爐膛火焰的均勻分布，此時四組燃燒器的

傾角應一致并同時動作。當燃燒器傾角已達到最低極限值時，再熱汽溫仍然高于

額定值時，再熱器事故噴水減溫器將自動投入運行，以保持汽溫和保護再熱器。

(2)改變噴燃器的運行方式。當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。當汽溫高時應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，也可以采取對距過熱器位置不同的噴燃器進行切換的方法，當投用靠近

15

爐膛后墻的噴燃器時，由于這時火焰中心位置離過熱器近火焰行程短，將使爐膛

出口的煙溫相對的高些。而切換成前墻或靠近前墻的噴燃器運行時，則火焰中心

位置離過熱器相對的遠些，爐膛出口煙溫就相對的低些。

（3）變化配風工況。對于四角布置切圓燃燒方式，在總風量不變的情況下，

可以用改變上、下排二次風分配比例的辦法來改變火焰中心位置。當汽溫高時，

一般可開大上排二次風，關小下排二次風，以壓低火焰中心。當汽溫低時，一般

則關小上排二次風，開大下排二次風，以抬高火焰中心。進行調整時，應根據實

際設備的具體特性靈活掌握。

2、改變煙氣量。若改變流經過熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對流

傳熱系數變化，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。采用煙氣再循環調節汽溫的原理是從尾部煙道（通常

是從省煤器后）抽出一部分低溫煙氣，用再循環風機送回爐膛，并通過對再循環

煙氣量的調節來改變流經過熱器的煙氣流量，改變煙氣流速。此外，當送入爐膛

的低溫再循環煙氣量改變時，還使爐膛溫度發生變化，爐內輻射吸熱與對流吸熱

的比例將改變，從而使汽溫發生變化。由此，改變再循環煙氣量，可以同時改變

流過過熱器的煙氣流量和煙氣含熱量，因而可以調節汽溫。

（2）煙氣旁路調節。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，調節煙氣擋板的開

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。由于

高溫對流煙道中煙氣的溫度很高，煙氣擋板極易變形或燒壞，故這一方法只用于

布置在鍋爐尾部對流煙道中的低溫過熱器或低溫再熱區段，而在我國目前的超高

壓機組中，則僅用于低溫再熱器區段。采用煙氣旁路來調節再熱汽溫時，還會影

響到過熱汽溫。為了增加再熱汽溫的調節幅度并減小對過熱汽溫的影響，應使主

煙道中的再熱器有較大的受熱面，而旁路煙道中的過熱器受熱面則應小些。

（3）調節送風量。調節送風量可以改變流經過熱器的煙氣量，即改變煙氣流

速，達到調節過熱汽溫的目的。調節送風量首先必須滿足燃燒工況的要求，以保

證鍋爐機組運行的安全性和經濟性。而用以調節汽溫，一般知識作為輔助手段。

當汽溫問題成為運行中的主要矛盾時，才用燃燒調節來配合調節汽溫。利用送風

量調節汽溫是有限度的，超過了范圍將造成不良后果。因為過多的送風量不但增

16

加了送、吸風機是耗電量，降低了電廠的經濟性，而且增大了排煙熱損失，降低

鍋爐熱效率。特別是燃油鍋爐對過剩空氣量的控制就更為重要。過剩空氣量的增

加，不但加速空氣預熱器的腐蝕，還有可能引起可燃物在尾部受熱面的堆積，導

致尾部受熱面再燃燒。

17

第二章串級控制系統

單回路控制系統是各種復雜控制系統的基礎，由于其控制簡單而得到廣泛應

用。但隨著工業技術的不斷更新，生產不斷強化，工業生產過程對工業參數提出

了越來越嚴格的要求，并且由于生產過程中各參數間的關系復雜化及控制對象遲

延和慣性的增大，都使得單回路控制系統顯得無能為力，因而產生了許多新的、

較復雜的控制系統，如串級控制、導前微分控制、復合控制、分段控制、多變量

控制等。串級控制系統對改善控制品質有獨到之處，本章將對其組成、特點及整

定進行討論

2.1串級控制系統的基本原理和機構

電廠鍋爐過熱蒸汽溫度串級控制系統如圖2-1所示：

過熱器低溫段過熱器高溫段

圖2-1過熱汽溫串級控制系統

系統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，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

孫（即將功作為主信號反饋到調節器PI1,PH直接去控閥門開度）無法取得滿意的

控制品質。為此再取一個對減溫水量變化反映快的中間溫度信號%作為導前信號,

增加一個調節器PI2組成如圖所示的串級控制系統。調節器PI2根據%信號控制

18

減溫水閥，如果有某種擾動使汽溫%比價提早反映（例如：內擾為噴水量W的自

發性變化），那么由于PI2的提前動作，擾動引起的生波動很快消除，從而使主汽

溫/基本不受影響。另外，PI2的給定值受調節器PH的影響，后者根據/改變%

的給定值，從而保證負荷擾動時，仍能保持X滿足要求。可見，串級系統中采用

了兩級調節器，各有其特殊任務。為了便于理解串級控制的有關概念，給出該串

級控制系統的原理方框圖，如圖2-2所示：

圖2-2過熱汽溫串級控制系統的原理方框圖

從圖2-2中可以看到，串級系統和簡單系統有一個顯著的區別，即其在結構

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，在控制過程中起

著粗調節的作用；一個閉環在外面，被稱為外回路或主回路。用來完成細調節任

務，以最終保證被調量滿足生產要求。無論主回路還是副回路都有各自的控制對

象，測量變送器和調節器。在主回路內的控制對象（圖中為過熱器，其輸入為生,

輸出為孫），被測參數（圖中為外）和調節器（圖中為溫度調節器1）分別被稱為

主對象，主參數（主變量）和主調節器。在副回路內則相應的被稱為副對象（其

輸入為控制量，輸出為外），副參數或（副變量，在圖中為生）和副調節器（圖中

為溫度調節器2）。副對象是整個控制對象的一部分，常稱為控制對象的導前區；

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。應該指出，系

統中有兩個調節器。他們的作用各不相同。主調節器具有自己獨立的給定值，它

的輸出作為副調節器的給定值，而副調節器的輸出信號則是送到調節機構去的控

制生產過程。

2.2串級控制系統的分析

和簡單的控制系統相比，串級控制系統只是結構上增加了一個內回路，卻能

19

收到明顯的控制效果。這是因為串級控制系統具有以下幾個方面的特點：

1、由于副回路具有快速作用，因此，串級系統對副回路的擾動有很強的克服

作用。下面對圖2-3所示的一般串級控制系統原理方框圖進行分析，可進一步理

解問題的本質。

圖2-3一般串級控制系統原理方框圖

當干擾了經干擾通道W0/(S)進入副回路后，首先影響副參數匕，于是副調節

器立即動作，力圖削弱干擾對匕的影響。顯然，干擾經過副回路的抑制后再進入

主回路，對匕的影響將有較大的減弱。根據圖2-3所示串級系統，可以寫出干擾了

至主參數匕的傳遞函數為

匕(S)1+WT2(S)WZ(S)W/)W°2(S此2”)

FQ)Wn(S)Wz(SK(5)W02(S)

1+W“(S)W°N)W?N)

I+W72(S)WZ(SK(SM2(SK2(5)

______________________________W(yG)W°N)_______________________________

1+W"(S%(S肌(S帆(S鞏“2G)+w”(S叫(S麗麗如(SM(SMN)

(2-1)

下面與單回路控制系統相比較，由圖2-4可以很容易得到單回路控制下/至主

參數匕的傳遞函數為

匕(S)W(5)W(5)

----=---------------0-/------0-1---------------m)

F(S)1+%(S)%(S)W,"(S)W02(5)W01(S)W,“3)

其中：W7(S)為調節器的傳遞函數。比較式(2-1)和(2-2)：先假定

%(S)=W”(S),且注意到單回路系統中的叱“(S)就是串級系統中叫MS),可

以看到，串級系統中乂//(5)的分母中多了一項，即：

20

叫2（s）叱（s）也（s）%（s）叱,2（s）

在主回路工作頻率下，這項乘積的數值一般是比較大的，而且隨著副調節器

比例增益的增大而增大；另外式（2-1）的分母中第三項比式（2-2）分母中的第

二項多了一個%2（§）。一般情況下，副調節器的比例增益是大于1的，因此可以

說，串級控制系統的結構使進入副回路的擾動/對主參數M這一通道的動態增益

明顯減小。當/出現時，很快就被副調節器所克服。與單回路控制系統相比，被

調量受進入副回路的擾動/的影響可以減小到原來的%oo~%o,這要視主回路

與副回路中容積分的分布情況而定。

圖2-4單回路控制系統原理框圖

2、由于副回路的存在，改善了對象的動態特性提高了系統的工作頻率。分析

比較圖2-3和圖2-4,可以發現串級系統中的內回路似乎代替了單回路中的一部分

對象，亦即可以把整個副回路看成是一個等效對象閱（s）,記作：

%=為（2-3）

-^02^+1

假設副回路中各環節的傳遞函數為

叫2（s）=/；］；叫23）=0；

叱⑸=&叫⑶=/；%⑶=

將上述各式代入式（2-3）,可得

21

NNN瓦02

Y(s)KT2KZKMTS+1

*()=4⑴=___________Q+l___

小R(S)}.KKKK02K

1+KT2KZKK

"2S+Im2

KT2KZK“K02

=1+KT2KZK"K。2K1n2

(2-4)

]_i_______Qs______

l+KT2KzK^K02Km2

若令

號2(/，

(2-5)

l+KT2KzK^K02Km2

71；=-------2-------(2-6)

1+KT2KZK“K。2KM2

則式(2-4)改寫為

K*

C=^77<2-7)

式中：K：和森分別為等效對象的增益和時間常數。

比較叱2(s)和%G)見式(2-7),由于l+K^Kz/K02Km2〉1這個不等式在

任何條件下都是成立的，因此有

黑〈”2(2-8)

這就表明，有副回路的存在，起到了改善對象動態特性的作用。等效對象的時間

常數縮小到原來的---------------,而且隨著副調節器比例增益的增大而減

1+陷2//&2居2

小。通常情況下，副對象是單容或雙容對象，因此副調節器的比例增益K"可以取

得很大。這樣，等效時間常數就可以減到很小的數值，從而加快了副回路的響

應速度，提高了系統的工作頻率，從這一特點還可以看出，當擾動在副回路以外

(例如擾動)時，由于副回路減小了對象的時間常數，提高了整個系統的工作頻

率，因此也能改善系統發工作品質。

3、由于副回路的存在，串級系統有一定的自適應能力。眾所周知，生產過程

往往包含一些非線形因素。因此在一定負荷下，即在確定的工作點情況下，按一

定控制品質指標整定的調節器參數只能適應于工作點附近的小范圍。如果負荷變

22

化過大，超出這個范圍，那么控制質量就會下降，在單回路控制中若不采取其他

措施是難以解決的。但在串級系統中情況就不同了，負荷變化引起副回路內各環

節參數的變化，可以較少影響或不影響系統的控制質量。可以從兩方面說明：一

方面由式子（2-5）所示的等效對象的增益來看，等效對象的增益為

K*_八K72八K2八K4AK02

。2=正可阮K

一般情況下KT2KzKMKmKm2>n因此，如果副對象的增益或調節閥的特性隨

負荷變化時，對等效對象增益的影響不大，因而在不改變調節器整定參數的情

況下，系統的副回路能自動的克服非線形因素的影響，保持或接近原有的控制質

量：從另一方面看，由于副回路通常的一個隨動系統，當負荷變化時，主調節器

將改變其輸出值，副調節器能快速跟蹤，即使其得到精確的控制副參數，保證系

統的控制品質。從上述兩方面看，串級控制系統對負荷變化有一定的自適應能力。

2.3串級控制系統的設計

為充分發揮串級控制系統的優點，在設計實施控制系統時，還應適當合理的

設計主、副回路及選擇主、副調節器的控制規律。

1、主、副回路的設計原則

（1）副參數的選擇，應使副回路的時間常數小，控制通道短，反應靈敏。通

常串級控制系統是被用來克服對象的容積遲延和慣性。副回路應該把生產系統的

主要干擾包括在內，應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，以充分發揮副回路改善系統動態特性的作用，保證主參數的穩定。因此，

在設計串級控制系統時，應設法找到一個反應靈敏的副參數，使得干擾在影響主

參數之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質量有很大的提

高。

（2）副回路應包含被控對象所受到的主要干擾。串級控制系統對進入副回路

的擾動有很強的克服能力，為發揮這一特殊作用，在系統設計時，副參數的選擇

應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

快相矛盾，應在設計中加以協調。在具體情況下，副回路的范圍應當多大，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。一般應使副回路的頻率比主回路的頻率高的多，當副回路的時間常數加在一

起超過了主回路時，采用串級控制就沒有什么效果了。

23

(3)主、副對象的時間常數應適當匹配。由于串級系統中主、副回路是兩個

相互獨立又密切相關的回路。如果在某種干擾作用下，主參數的變化進入副回路

時，會引起副回路中參數振幅增加，而副參數的變化傳到主回路后，又迫使主參

數變化幅度增大，如此循環往復，就會使主、副參數長時間大幅度波動，這就是

所謂串級系統的“共振現象”。一旦發生了共振系統就失去控制，不僅使系統控制

品質惡化，如不及時處理，甚至可能導致生產事故，引起嚴重后果。為確保串級

系統不受共振現象的威脅，一般取

心=(3?10)2(2-9)

式子中：的為主回路的振蕩周期；心為副回路振蕩周期，要滿足式子(2-9),除

了在副回路設計中加以考慮之外，還與主、副調節器的整定參數有關。

2、主、副調節器的選型

串級控制系統中，主調節器和副調節器的任務不同，對于它們的選型即控制

規律的選擇也有不同考慮。

(1)副調節器的選型

副調節器的任務是要快速動作以迅速消除進入副回路內的擾動，而且副參數

并不要求無差，所以一般都選P調節器，也可采用PD調節器，但這增加了系統的

復雜性，在一般情況下，采用P調節器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，

也可以考慮采用PI調節器。

(2)主調節器的選型

主調節器的任務是準確保持被調量符合生產要求。凡是需采用串級控制的生

產過程，對控制的品質都是很高的，不允許被調量存在靜差。因此主調節器必須

具有積分作用，一般都采用PI調節器。如果控制對象惰性區的容積數目較多，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調節器。

3、主、副回路調節器調節規律的選擇原則

(1)主參數控制質量要求不十分嚴格，同時在對副參數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、副調節器均可以采用比例控制。

(2)要求主參數波動范圍很小，且不允許有余差，此時副調節器可以采用比

例控制，主調節器采用比例積分控制。

(3)主參數要求高，副參數亦有一定要求這時主、副調節器均采用比例積分

形式。

2.4串級控制系統的整定

24

在串級系統中，因為兩個調節器串在一起，在一個系統中工作，相互之間或

多或少的有些影響，因此在串級系統的整定要比簡單系統復雜些。

圖2-5串級控制系統方框圖

1、逐次逼近法

（1）先整定副調節器叫2（§）。在第一次整定副調節器時，斷開主環，即按副

回路單獨工作時的單回路系統來整定副調節器％2（s）的參數，記作［%i（s）］。

（2）根據整定主調節器叫i（s）。由圖2-5可以寫出串級控制系統的

特征方程為

一（%+般儲優（產”（小。8。）

可得此時等效控制對象的傳遞函數為

01（戶l+%2（s）%（s）/（s）

按照單回路系統整定方法求出主調節器參數，記作［%］（s）］。

（3）據（2）得到的［叫再整定副調節器/2（s），由圖2-5寫出串級

控制系統的特征方程為

1+Wr2G）pV02（syWm2（s）+WT1（5）W02G）W01G）Wmltt）］=0（2-12）

可得此時等效控制對象為

C⑸=叱2（s）%2⑶+解⑶叱2⑶%⑸匕⑸（2-13）

然后根據單回路系統的整定方法求出副調節器的參數，記為［%2（s）［2。

（4）如果［%2（S）］的參數值與第（1）步得至U［%2（s）］的參數值基本相同，

那么整定就告完成。兩個調節器的整定參數步驟分別為（1）和（2）中求得的參

數,否則應根據［%2（s）12重復步驟（2）、（3）,直到出現兩次整定結果基本相同為

25

止。

按照上述步驟整定是極為繁瑣的，在工程實踐中可根據具體條件進行簡化。

2、兩部整定法

當串級系統中副回路的控制過程比主回路快的多時，可按下述步驟分別獨立

整定主、副調節器參數。

(1)先整定副調節器

當副回路受到階躍擾動時，在較短時間內副回路控制過程就告結束。在此期

間，主回路基本上不參加動作，由圖2-5得整定副回路時的方框圖，如圖2-6a

所示。可按單回路系統的整定方法整定副調節器叫2⑶。

(2)整定主調節器

當主回路進行控制時，副回路幾乎起理想隨動作用，由圖2-5可得

&⑶刖)％($)

從而求得副回路的閉和傳遞函數

-1

(2-14)

&(S)一以2(s)

ab

圖2-6主副調節器分別獨立整定時的方框圖

即在主回路中副回路可看作一個比例環節，由此畫出整定主回路時的方框圖，

如圖2-6(b)所示。可按單回路系統的整定方法整定主調節器叫］(s)的參數。

按上述步驟整定系統后，通常應滿足外之3例(碼、燈分別為主、副回路主

導衰減振蕩成分的頻率)。要達到此要求整定時應考慮以下幾個問題：

①對象的動態特性。控制對象前區動態特性網2卜)與整個控制對象的動態特

性叱(5)=叱1(s)叱2⑶相比，應有較小的遲延和慣性。

②調節器類型的選擇。副調節器％2(s)可選用P(或PD)調節器，主調節器

應選用PI調節器，以使副回路有較高的衰減振蕩頻率。

③整定指標的選擇。副回路可取較低的穩定性裕量(例如0K0.75)而主回路

26

則取較高的穩定性裕度（例如020.9）。

另外，按此方法整定串級系統時還應考慮控制對象惰性區動態特性的求取。

在圖2-6中，控制對象導前區的特性叱2卜）可直接由實驗測得，而惰性區的特性

網］（s）不一定能直接由實驗獲得，但整個控制對象的動態特性

叱（5）=叱"§）叱2（s）總是可以由實驗測得，因此對象惰性區的動態特性叫i（s）原

則上可以由叱（s）和叱2⑸算出：

(2-15)

例如：鍋爐過熱蒸汽溫度控制對象及其導前區的動態特性常可表示為

嘰(s)=%(s)%(s)=4(s)_K。(2-16)

〃（s）。+力廣

%(s)K?

網2O(2-17)

〃(s)一(1+4廣

式中：〃為減溫水閥門的開度。利用級數展開和低階近似，惰性區的動態特征可

4(s)&

表示為:叱)i(s)=(2-18)

%(§)—(1+率)"1

式中K］=后工=—電T；；弭

n

K2nRo—2^2

如果控制對象及其導前區動態特性可以用式（2-16）、（2-17）來表示，而且

有巧土2和那么當123n時

54和%（分別為叱（S）和％（S）分母中S項的系數），可以滿足主、副調節器

按圖2-6分別整定的條件，而惰性區對象表示為

K。/

%卜卜&..A(2-19)

(1+3廠(1+討

這樣避免了由叱（S）和叱2（S）計算出網］（S）的麻煩，尤其用階躍響應實驗曲線

整定主調節器時更為簡便。因此在式（2-19）假定下