電廠鍋爐水位的串級(jí)控制

1、電廠鍋爐水位的串級(jí)控制目錄1、前 言. 22、系統(tǒng)的概述及其動(dòng)態(tài)特性 . 32.1 系統(tǒng)概述 . 32.2 鍋爐汽包的動(dòng)態(tài)特性 . 32.2.1 給水?dāng)_動(dòng) . 42.2.2 負(fù)荷擾動(dòng) . 42.2.3 燃料量擾動(dòng) 53、汽包水位的控制方案 . 63.2 串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案 . 63.2.1 副回路控制分析 . 73.2.2 主回路控制分析 . 84.3 系統(tǒng)影響分析 . 105、儀表的選擇 . 125.1 測(cè)量元件及變送器的選擇. 125.2 調(diào)節(jié)閥的選擇 . 125.3 調(diào)節(jié)器的選擇 . 126、系統(tǒng)參數(shù)的整定 . 136.1 汽包水位串級(jí)控制原理圖. 136.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定 . 1

2、36.2.1 兩步整定法概述 . 146.2.2 兩步法的整定步驟. 157、實(shí)例參數(shù)整定及其仿真 . 168、結(jié)論 . 199、設(shè)計(jì)體會(huì) . 20參考文獻(xiàn) . 211、前在火力發(fā)電廠，最基本的工藝過(guò)程是用鍋爐生產(chǎn)蒸汽，使汽輪運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī) 發(fā)電。鍋爐控制是火力發(fā)電生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的重要組成部分，它的主要任務(wù)是根據(jù)負(fù)荷設(shè) 備（汽輪機(jī)）的需要，供應(yīng)一定規(guī)格（壓力、流量、溫度和純度）的蒸汽。鍋爐是生產(chǎn)蒸汽的主要設(shè)備，是工業(yè)生產(chǎn)中幾乎不可缺少的設(shè)備，應(yīng)用十分廣泛。保 證鍋爐內(nèi)的水位在一定范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行是非常重要的。如果水位過(guò)低，鍋爐 可能被燒干，引起設(shè)備的損壞，甚至爆炸；如果水位過(guò)高

3、，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)的蒸汽含水量大， 而且水還可能溢出，從而使生產(chǎn)過(guò)程中斷，造成經(jīng)濟(jì)損失。因此對(duì)水位進(jìn)行控制是保證鍋 爐正常運(yùn)行所必不可少的。當(dāng)鍋爐的給水量與蒸汽的蒸發(fā)量保持平衡時(shí)，鍋爐的水位保持 不變，此時(shí)，鍋爐工作狀態(tài)良好。 如果鍋爐的給水量和蒸汽量不平衡， 水位就會(huì)發(fā)生波動(dòng) 因此，我們必須根據(jù)水位的變化，調(diào)整給水量，使它跟隨蒸汽的負(fù)荷的大小而增減，以達(dá) 到保持水位在規(guī)定的范圍內(nèi)的目的。水位的變化量 h由液位傳感器檢測(cè)， 并由液位變送器轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送到調(diào) 節(jié)器（即控制器），與水位的設(shè)定值進(jìn)行比較和運(yùn)算以后由調(diào)節(jié)器發(fā)出控制指令，執(zhí)行器 （電動(dòng)或氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)）改變調(diào)節(jié)閥閥門(mén)的開(kāi)度，調(diào)節(jié)給水流

4、量，以保持給水量與蒸發(fā)量 之間的平衡，這就是鍋爐水位自動(dòng)控制過(guò)程。2、系統(tǒng)的概述及其動(dòng)態(tài)特性2.1 系統(tǒng)概述電廠鍋爐是一個(gè)復(fù)雜的被控過(guò)程，它的被控參數(shù)和控制參數(shù)眾多，不易很好的對(duì)其進(jìn) 行控制。通常的設(shè)計(jì)思想是，在可能的情況下，將其劃分為幾個(gè)相互獨(dú)立的控制區(qū)域。這 里，我們將與研究對(duì)象關(guān)聯(lián)較小的通道將其忽略，對(duì)鍋爐汽包水位控制進(jìn)行討論。串級(jí)控制系統(tǒng)是改善和提高鍋爐汽包水位控制的一種極為有效的控制法案，串級(jí)控制 系統(tǒng)具備較好的抗干擾能力、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量 , 因此在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化控制中 得到了廣泛的應(yīng)用。其適用范圍是：被控對(duì)象的控制通道純滯后時(shí)間較長(zhǎng)，用單回路控制 系統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，

5、可采用串級(jí)控制系統(tǒng)；對(duì)象容量滯后比較大，用單回路控制系 統(tǒng)不能滿足質(zhì)量指標(biāo)時(shí)，可采用串級(jí)控制系統(tǒng)。方框圖如下所示：圖 3-1 串級(jí)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖由此可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)鍋爐水位控制需要以下設(shè)備：檢測(cè)水位變化的傳感器與變送器、比較 水位變化并進(jìn)行控制運(yùn)算的調(diào)節(jié)器、實(shí)施控制命令、改變給水量的調(diào)節(jié)閥等。2.2 鍋爐汽包的動(dòng)態(tài)特性汽包水位不但是鍋爐安全運(yùn)行的重要參數(shù)，同時(shí)，它還是衡量鍋爐汽水系統(tǒng)物質(zhì)是否 平衡的標(biāo)志。為了弄清楚系統(tǒng)的組成及工作原理，我們從分析水位的動(dòng)態(tài)特性入手。鍋爐 給水調(diào)節(jié)對(duì)象如圖所示。給水調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制給水量 W，汽輪機(jī)的耗氣量 D 是由汽輪機(jī)的調(diào) 節(jié)閥門(mén)來(lái)控制的。水冷壁與汽包存水部分

6、構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)。汽包水位的動(dòng)態(tài)特性似乎與單容水槽一樣，但是實(shí)際情況要比單容對(duì)象復(fù)雜得多。因?yàn)樵谒h(huán)系統(tǒng)中充滿了夾帶著大量蒸汽泡的水，而蒸汽泡的總體積 Vs 是隨著汽包壓力 和爐膛熱負(fù)荷的變化而改變的，如果有某種原因使蒸氣泡的總體積改變了，即使水循環(huán)系 統(tǒng)的總水量沒(méi)有變化，汽包水位也會(huì)隨之變化。影響汽包水位 H 的主要有給水量 W，汽輪機(jī)的耗氣量 D和燃料量 B等三個(gè)主要因素。2.2.1 給水?dāng)_動(dòng)在給水量 W的階躍擾動(dòng)作用下， 水位 H的相應(yīng)曲線如圖 3-2(a) 所示。從物質(zhì)平衡的觀 點(diǎn)來(lái)看，水位的響應(yīng)曲線應(yīng)該如圖中的直線 H1 呈直線上升。但當(dāng)給水溫度低于汽包內(nèi)的飽 和水溫度時(shí)， 當(dāng)它進(jìn)

7、入汽包后吸收了原有的飽和水中的部分熱量， 使鍋爐的蒸汽產(chǎn)量下降， 水面以下的氣泡總體積減少， 導(dǎo)致水位下降。 Vs對(duì)水位的影響可以用圖中的曲線 H2 表示。水位 H 的實(shí)際響應(yīng)曲線是 H1、 H 2的總和。給水?dāng)_動(dòng)下的傳遞函數(shù)可以近似表示為G1 sK1T1s 13-1)G2 sK2s3-2)將虛線 1和 2疊加后可得實(shí)線 3，則總的傳遞函數(shù)為：3-3)G s =K2K1 = K2T1 K1 s K2s T1s 1sT1s 12.2.2 負(fù)荷擾動(dòng)在汽輪機(jī)耗氣量 D的階躍擾動(dòng)下， 水位 H的響應(yīng)過(guò)程可以用圖 3-2(b) 來(lái)說(shuō)明。 當(dāng)汽輪 機(jī)耗氣量 D 突然階躍增加時(shí)，一方面改變了汽包內(nèi)的物質(zhì)平衡

8、狀態(tài)，使水位下降，圖中 H1 表示把汽包當(dāng)作單容對(duì)象時(shí)水位應(yīng)有的變化；另一方面，由于耗氣量D 的增加，使蒸汽的蒸發(fā)強(qiáng)度增加，迫使汽包內(nèi)氣泡增多。由于這是的燃料量還未改變，使水面以下的蒸汽泡 膨脹，總體積 Vs 增大，從而導(dǎo)致汽包水位的上升，如圖中 H1所示。汽包水位 H的實(shí)際響 應(yīng)過(guò)程是 H=H1+H2。. 對(duì)于大中型鍋爐來(lái)說(shuō)，后者的影響要大于前者，因此在負(fù)荷階躍增加 后的一段時(shí)間內(nèi)水位不但不下降， 反而明顯上升。 這種反?，F(xiàn)象通常稱(chēng)為 “假水位” 現(xiàn)象。t圖 2-2 給水?dāng)_動(dòng) (a)蒸汽量擾動(dòng)下汽包水位的傳遞函數(shù)可以近似地表示為K1T0sHsDs式中， K1為反映物質(zhì)平衡關(guān)系的水位飛升速度；

9、 T0 和 K 2分別代表圖 13-6 中曲線 H2的時(shí)間常數(shù)和增益。2.2.3 燃料量擾動(dòng)燃料量 B 的擾動(dòng)必須引起蒸汽量 D的變化，因此也同樣有假水位現(xiàn)象。但是由于汽包 和水循環(huán)系統(tǒng)中有大量的水，汽包和水冷壁金屬管道也會(huì)儲(chǔ)存大量的熱量，因此有一定的 熱慣性。燃料量 B 的增大只能使 D緩慢增大，而且汽包壓力還會(huì)慢慢上升，它將使氣泡體 積減小。因而，燃料量擾動(dòng)下的假水位比負(fù)荷擾動(dòng)下要緩和的多。因此暫可以忽略，不考由以上分析可知，給水量擾動(dòng)下水位響應(yīng)過(guò)程具有純滯后；負(fù)荷擾動(dòng)下水位響應(yīng)過(guò)程 具有假水位現(xiàn)象；燃料量擾動(dòng)下也會(huì)出現(xiàn)假水位現(xiàn)象。這些特性使控制汽包水位的任務(wù)變 得比較困難和復(fù)雜。3、汽包

10、水位的控制方案3.2 串級(jí)控制系統(tǒng)控制方案串級(jí)控制系統(tǒng)與簡(jiǎn)單單回路控制系統(tǒng)的主要區(qū)別是，串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩 個(gè)閉環(huán)。內(nèi)環(huán)稱(chēng)為副回路，在控制過(guò)程中起到“粗調(diào)”的作用；外環(huán)被稱(chēng)為主回路，用來(lái) 完成“細(xì)調(diào)”任務(wù)，以最終是被控量滿足工藝要求。無(wú)論主回路或者副回路都有各自的調(diào) 節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送器和調(diào)節(jié)器。在主回路內(nèi)的調(diào)節(jié)對(duì)象、被測(cè)參數(shù)和調(diào)節(jié)器被稱(chēng)為主調(diào)節(jié) 對(duì)象、主參數(shù)和主調(diào)節(jié)器。在副回路里則相應(yīng)地被稱(chēng)為副調(diào)節(jié)對(duì)象、副參數(shù)和副調(diào)節(jié)器。 兩個(gè)回路只有一個(gè)調(diào)節(jié)閥。主回路一般為定值控制，主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值，它 的輸出作為副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則是以調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過(guò)程，可見(jiàn) 副

11、回路為隨動(dòng)控制，其設(shè)定值是變動(dòng)的。比較串級(jí)系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)，前者只比后者 多增加了一個(gè)測(cè)量變送器和一個(gè)調(diào)節(jié)器，增加的設(shè)備投資并不多，控制效果卻得到顯著的圖 3-3 串級(jí)回路控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)框圖假設(shè)串級(jí)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的等效傳遞函數(shù)為：Gc1 (s) Kc1；Gc2(s) Kc2；Gv(s) Kv ；Gm1(s) Km1；Gm2(s) Km2G01(s)K01T01s 1G02 (s)K 02T02s 1為了便于分析，將上圖所示串級(jí)控制系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)分別用其相應(yīng)的傳遞函數(shù)代替， 習(xí)慣上把 Gc2(s)，Gv(s)，G02(s) ， Gm2 ( s)構(gòu)成的回路稱(chēng)為副回路；把主調(diào)節(jié)器 Gc1

12、(s) ，副 回路等效傳遞函數(shù) Go2 (s) ，主被控對(duì)象 G01(s)，主檢測(cè)變送器 Gm1(s) 構(gòu)成的回路稱(chēng)為主回 路。圖 3-4 串級(jí)回路控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖3.2.1 副回路控制分析如圖所示系統(tǒng)中，作用于副回路的擾動(dòng) F2 稱(chēng)為二次擾動(dòng)，串級(jí)由于副回路存在，對(duì) 于進(jìn)入副回路的干擾具有較強(qiáng)的抗干擾能力根據(jù)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方塊圖， 在干擾作用下 F2 與 Y2 的等效傳遞函數(shù)為：4-5)G*p2 s Y2(s)G02 (s)p2F2(s) 1 Gc2 (s)Gv (s)G02(s)Gm2(s)而單回路控制中副環(huán)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)為Y2(s)F2(s)G02 (s)3-6)可以看到，式中前者

13、比后者多出一分母項(xiàng)，即 1 Gc2(s)Gv(s)G02(s)Gm2(s) 。和單回路控制系統(tǒng)相比， 進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)對(duì)主參數(shù)的影響減小了 1 (1 Gc2(s)Gv(s)G02(s)Gm2(s) 倍。這項(xiàng)乘積的數(shù)值一般是比較大的，因此說(shuō)明串級(jí)控制系統(tǒng)中進(jìn)入副環(huán)擾動(dòng)對(duì)控制通道的動(dòng)態(tài) 增益明顯減小，當(dāng)二次擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，分快就被副調(diào)節(jié)器所抑制，通常其影響往往可以減小 10100倍。同樣，串級(jí)控制系統(tǒng)在副環(huán)進(jìn)入的擾動(dòng)作用下，控制系統(tǒng)的余差也相應(yīng)的減小 為單回路控制系統(tǒng)余差的 Kc2 (1 Kc2 K v K 02 K m 2 )倍。因此，串級(jí)控制系統(tǒng)能迅速克服進(jìn)入 副回路擾動(dòng)的影響，并使系統(tǒng)余差大大減小。

14、比較分析單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖可以發(fā)現(xiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)中的副 回路代替了單回路系統(tǒng)中的一部分過(guò)程，使系統(tǒng)抗干擾能力大大增強(qiáng)。若把整個(gè)副回路等 效為一個(gè)被控過(guò)程，它的等效傳遞函數(shù)用 Gp2 ( s)表示，則可得3-7)G0'2 s Y2(s)Gc2(s)Gv (s)G02(s)02X2 (s) 1 Gc2(s)Gv(s)G02(s)Gm2 (s)假設(shè)副回路中各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)分別為Gc2(s) Kc2；Gv(s) Kv ； Gm2 (s) Km2 ；KG02 (s) K02 ；則上式可變?yōu)椋篢02s 1K C2 KVK 02G02(s)1 KC2KVK 02Km2T021

15、KC2KV K02Km2S1K02T02s 13-8)式中， K0'2和T0'2 分別為等效過(guò)程的放大系數(shù)和時(shí)間常數(shù)。比較G02 (s)和G02 (s) ，靜態(tài)時(shí)，由于1 (1 Kc2 K v K 02 K m2 ) >>1,表明由于副回路的存在， 改善了控制通道的動(dòng)態(tài)特性，使等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)為原來(lái)的 1 (1 Kc2 KvK02Km2 )倍，而 且副調(diào)節(jié)器比例增益越大，等效過(guò)程的時(shí)間常數(shù)將越小。通常情況下，副被控對(duì)象大多為 單容過(guò)程和雙容過(guò)程，因而副調(diào)節(jié)器的比例增益可以取得較大，導(dǎo)致等效時(shí)間常數(shù)可以減 小到很小的數(shù)值，從而加快了副回路的響應(yīng)速度。3.2.2 主回

16、路控制分析由上面對(duì)副回路的分析可得， 我們可以把副回路看做一個(gè)整體， 則系統(tǒng)框圖可以簡(jiǎn)化為下圖：圖 3-5 串級(jí)回路控制系統(tǒng)的等效傳遞函數(shù)則由圖分析可得，在給定信號(hào)X1(s) 的作用下， X1(s) 與 Y1(s) 的等效傳遞函數(shù)為：3-9)Y1(s)Gc1(s)Gc2(s)Gv(s)G0*2(s)G01(s)X1(s) 1 Gc1(s)Gc2(s)Gv (s)G0*2(s)G01(s)Gm1(s)在干擾 F2的作用下， F2(s)與 Y1(s) 的等效傳遞函數(shù)為Y1(s)G0*2 (s)G01(s)X1(s) 1 Gc1(s)Gc2 (s)Gv(s)G0*2(s)G01(s)Gm1(s)由控

17、制理論可知，在給定信號(hào)的作用下，當(dāng) X1(s) 與 Y1(s) 的比值越接近于“ 1”時(shí)， 則系統(tǒng)的控制性能越好；而在干擾作用下，當(dāng) F2 ( s)與 Y1(s) 的比值越接近于“ 0”時(shí)， 則系統(tǒng)的抗干擾能力的能力越強(qiáng)。在工程上，通常將兩者的比值作為衡量控制系統(tǒng)的控制 能力和抗干擾能力的綜合指標(biāo)，即比值越大，系統(tǒng)的控制能力和抗干擾能力就越強(qiáng)。對(duì)以上兩式，則有Y1 sY sGc1(s)Gc2 (s)Gv (s)(3-11 )F1 s假設(shè) Gc1 ( s) K c1 ； Gc2 (s) Kc2 ；Gv(s) K v ，則上式可以寫(xiě)為Y1 sKc1Kc2Kv3-12)X1 sY1 sF1 s由此可

18、分析得，主、副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)的乘積越大，抗干擾能力越強(qiáng)，控制質(zhì)量就越 好。比較式( 3-4 )和式( 3-12 )，在一般情況下，有 Kc1Kc2Kv>KcKv可知由于串級(jí)控制系統(tǒng)副回路的存在，能迅速克服進(jìn)入副回路的二次干擾，從而大大 減小了二次干擾對(duì)主參數(shù)的影響，并導(dǎo)致抗干擾能力和控制能力的綜合指標(biāo)比單回路控制 系統(tǒng)均有了明顯的提高。4.3 系統(tǒng)影響分析(1)能對(duì)進(jìn)入副回路的干擾有很強(qiáng)的抑制能力我們?cè)趯?duì)副回路的分析中已經(jīng)詳細(xì)介紹，這里我們不再贅述。(2)能改善控制通道的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的工作頻率由于副回路改善了控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng) 的工作頻率，

19、增強(qiáng)控制效果。串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率的算法串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率同樣依據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。 由相應(yīng)串級(jí)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)可知，對(duì)應(yīng)的閉環(huán)特征方程：1 Gc1(s)G02 (s)G01(s)Gm1(s) 0 整理后得T02T01s2 (T02 T01)s 1 Kc1K 02K01K m1 0(4-14)標(biāo)準(zhǔn)二階震蕩系統(tǒng)為 s2 2 0s 02 0（為串級(jí)控制系統(tǒng)的阻尼系數(shù)； 為串級(jí)控制系統(tǒng)的自然頻率）相比，相應(yīng)的可得到串級(jí)控制系統(tǒng)的工作頻率：20串T02 T01T02T01在相同的遞減率下進(jìn)行比較，即相同，由以上兩式可得20串20 單(T01 T02 ) T01T02 1 (T01

20、 T02 )(T01 T02 ) T01T021 (T01 T02 )4-15)由于 T0/2 T02 即 串 單 ?？梢?jiàn)串級(jí)系統(tǒng)的工作頻率高于單回路系統(tǒng)的工作頻率3）對(duì)負(fù)荷和操作條件的劇烈變化有一定的適應(yīng)能力實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中往往包含一些非線性因素。因此，對(duì)于非線性過(guò)程， 若采用單回路控 制時(shí)，在負(fù)荷變化不大的情況下，按一定控制指標(biāo)整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)只適用于工作點(diǎn)附近 的一個(gè)小范圍。如果負(fù)荷變化過(guò)大，由于非線性因素的影響，廣義被控過(guò)程的放大系數(shù)會(huì) 隨著負(fù)荷的變化而變化，此時(shí)若不重新整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，則控制質(zhì)量就難以得到保證。但在串級(jí)控制系統(tǒng)中，由于副回路的等效放大系數(shù)為K 02Kc2KvK021

21、Kc2KvK 02K m2一般情況下， Kc2KvK02>>1，因此，當(dāng)副被控過(guò)程中的放大系數(shù) K02或Kv 隨負(fù)荷變化時(shí)， K '02 幾乎不變，因而無(wú)需重新整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)；此外，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的 設(shè)定值，副調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)則是以調(diào)節(jié)閥去控制生產(chǎn)過(guò)程，可見(jiàn)副回路為隨動(dòng)控制，其 設(shè)定值是變動(dòng)的。當(dāng)負(fù)荷或操作條件改變時(shí)，主調(diào)節(jié)器將改變其輸出，調(diào)整副調(diào)節(jié)器的設(shè) 定值，使負(fù)荷或操作條件改變時(shí)能適應(yīng)其變化而保持較好的控制性能。5、儀表的選擇5.1 測(cè)量元件及變送器的選擇可選用差壓式傳感器（如膜盒）與 DDZ-III 型差壓式變送器以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)槽液位的測(cè)量和變 送。5.2

22、調(diào)節(jié)閥的選擇根據(jù)生產(chǎn)工藝安全的原則，宜選用氣關(guān)式調(diào)節(jié)閥，這是因?yàn)楫?dāng)控制系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障， 調(diào)節(jié)閥必須全開(kāi)，以免使汽包水位過(guò)低導(dǎo)致生產(chǎn)事故，確保設(shè)備安全；根據(jù)過(guò)程特性與控 制要求，宜選用對(duì)數(shù)流量特性的調(diào)節(jié)閥；根據(jù)被控介質(zhì)流量的大小及調(diào)節(jié)閥流通能力與其 尺寸的關(guān)系，選擇調(diào)節(jié)閥的公稱(chēng)直徑和閥芯的直徑。5.3 調(diào)節(jié)器的選擇根據(jù)過(guò)程特性與工藝要求，宜選用 PI 或 PID 控制規(guī)律，在這里我們選擇 PI 控制；有控 制理論的知識(shí)可知，要使一個(gè)控制系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行，必須采用負(fù)反饋，即保證系統(tǒng) 總的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)為正。有工藝可知，調(diào)節(jié)閥為氣關(guān)式，故 Kv 為負(fù)；當(dāng)被控過(guò)程的調(diào)節(jié)閥 開(kāi)度增大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的給水

23、量增大，故 K o2為正；測(cè)量變送器的 K m1通常為正；為保證副 回路為負(fù)反饋，則調(diào)節(jié)器 Kc2 應(yīng)為負(fù)，即為正作用調(diào)節(jié)器；當(dāng)調(diào)節(jié)閥給水量增大時(shí)，汽包 里的水位也隨之升高，故 K01 也為正；為保證主回路為負(fù)反饋，則 K c1應(yīng)為正，即為反作用 調(diào)節(jié)器。以上分析可用下面兩個(gè)表達(dá)式表示：副回路：Gc2 s Gv s G02 s Gm2 s '' ''主回路：Gc1(s) .副回路 .G01(s) .Gm1(s) " "6、系統(tǒng)參數(shù)的整定6.1 汽包水位串級(jí)控制原理圖汽包水位串級(jí)控制系統(tǒng)流程圖如下所示：圖 6-1 汽包水位串級(jí)控制系統(tǒng)原理流程圖

24、6.2 調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定設(shè)串級(jí)為了對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)的控制效果有一定量的概念， 下面用一實(shí)例來(lái)進(jìn)行估算 系統(tǒng)的方框如圖所示，圖 6-2 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例框圖6.2.1 兩步整定法概述兩步整定法是一種先整定副回路，后整定主回路的方法，其思路如下： 一個(gè)合理的串級(jí)控制系統(tǒng)， 它的主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)有適當(dāng)?shù)钠ヅ潢P(guān)系， 要求 T至少大于 3，一般在 310之間為宜 .這樣，主回路的工作周期遠(yuǎn)大于副回路的工作周期，避免引起系統(tǒng)的共振，從而使主、副回路間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系較小，甚至可以忽略。因此，當(dāng)副控制器參數(shù)整定好之后，視其為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主控制器參數(shù)，而不再考慮主控制器參數(shù)變化對(duì)副

25、回路的影響。在多數(shù)情況下，副變量設(shè)置的目的是為了進(jìn)一步地提高主變量的控制品質(zhì)。因此，當(dāng)副控制器參數(shù)整定好之后再去整定主 控制器參數(shù)時(shí)，雖然會(huì)影響副變量的控制品質(zhì)，但是，只要主變量控制品質(zhì)得到保證，副 變量的控制品質(zhì)差一點(diǎn)也是可以接受的。在整定的過(guò)程中需要經(jīng)常用到衰減曲線法整定參數(shù)，其具體計(jì)算過(guò)程如下所示：a、 先置主調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI，微分時(shí)間 TD 0 ，比例帶 置于較大數(shù)值，將系統(tǒng)投入運(yùn)行。b 、 等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對(duì)設(shè)定值作階躍變化，然后觀察系統(tǒng)的響應(yīng)。若響應(yīng)振蕩衰減 太快，則減小比例度，反之，則減小比例度。如此反復(fù)，直到出現(xiàn)如圖所示的衰減比為4：1 的振蕩過(guò)程。記錄下此時(shí)的 值（設(shè)

26、為 s ），以及 Ts 值，圖中 Ts 為衰減振蕩周期。c、 按表 3-1 所給的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 、Ts及TD 。圖 6-3 系統(tǒng)衰減曲線表 6-1 經(jīng)驗(yàn)公式表衰減 率（）調(diào)節(jié)規(guī)律整定參數(shù)TITD0.75PsPI1.2s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts0.90PsPI1.2s2TpPID0.8s1.2Tp0.4Tp按照“先副后主”、“先 P次I 后 D”的順序，將計(jì)算出的參數(shù)值設(shè)置到控制器上，做一些擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，做適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整，直到控制品質(zhì)最佳。6.2.2 兩步法的整定步驟兩步法的具體整定步驟如下：（1）整定副回路 在主、副回路均閉合，主、副調(diào)節(jié)器都至于純比例作用條件

27、下，將主調(diào)節(jié)器的比例帶 放在 100%處，按單回路整定法整定副回路，這時(shí)得到副調(diào)節(jié)器的衰減率0.75 時(shí)的比例帶和 2S副參數(shù)振蕩周期 T20 。（2）整定主回路主、副回路仍然閉合，副調(diào)節(jié)器置于 2S 值上，用同樣的方法整定主調(diào)節(jié)器，得到主 調(diào)節(jié)器在 4：1 下的比例帶 1 S和副參數(shù)振蕩周期 T10 。（3）按已求得的 1S、T10 和 2S、T20 值，結(jié)合控制器的選型，按單回路控制系統(tǒng)“衰 減曲線法”整定參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式（見(jiàn)表） 。計(jì)算求出主、副控制器的整定參數(shù)值。7、實(shí)例參數(shù)整定及其仿真我們?cè)O(shè)系統(tǒng)中主、副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為：Go1 (s)1210s 1 s 1 2Go2 (s)130s

28、 1 3s 1主、副調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)分別為：Gc1 (s)K c1PI 調(diào)節(jié)）Gc2 s K c2 （比例調(diào)節(jié)）在條件 Kc2 10， Kc1 8.4， T1 11.8的條件下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，如下圖：圖 7-1 串級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)例仿真圖仿真后，在單位階躍響應(yīng)的作用下，其響應(yīng)曲線是發(fā)散振蕩的，因此需要對(duì)此串級(jí)控 制系統(tǒng)的主副回路進(jìn)行參數(shù)整定。1）按照兩步整定法，先將副回路進(jìn)行整定。待衰減曲線出現(xiàn)衰減率0.75 時(shí)的比例度時(shí)（如下圖所示），記下 2S副參數(shù)振蕩周期 T20 =7.0s 。調(diào)整后 Kc2 55（2）副回路調(diào)整好后，視其為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng)的方法整定主 控制器參數(shù)。在這

29、里，我們用臨界比例度法來(lái)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。使系統(tǒng)處在閉環(huán)穩(wěn)定 運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)設(shè)定值施加一個(gè)階躍變化，并減少比例度 ，直至系統(tǒng)出現(xiàn)如圖等幅振蕩為止。記錄下此時(shí)的臨界比例度 k 和等幅振蕩周期 Tk =10s。參數(shù)調(diào)整后 Kc2 =0.68，T1=20s。圖 7-3 實(shí)例系統(tǒng)參數(shù)整定曲線串級(jí)控制系統(tǒng)主、副回路經(jīng)參數(shù)整定后，對(duì)其進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖 7-4 所示：圖 7-4 參數(shù)整定后系統(tǒng)的仿真圖像可見(jiàn)，整定后的系統(tǒng)大大改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，保證了系統(tǒng)對(duì)水位的有效控制，并 對(duì)干擾有很強(qiáng)的克服能力，能很好的穩(wěn)定汽包水位位置，基本滿足生產(chǎn)工藝的需要。8、結(jié)論通過(guò)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)在鍋爐汽包水位控制中的學(xué)習(xí)

30、和應(yīng)用，對(duì)書(shū)本的知識(shí)進(jìn)行了貫徹 的梳理，在設(shè)計(jì)中加深了對(duì)過(guò)程控制這門(mén)專(zhuān)業(yè)課的認(rèn)識(shí)，特別是對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)有了更深 的了解。在此次課程設(shè)計(jì)中， 我把單回路控制系統(tǒng)和串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了有針對(duì)性的比較， 發(fā)現(xiàn)單回路控制系統(tǒng)雖然簡(jiǎn)單，但性能并沒(méi)有串級(jí)控制系統(tǒng)強(qiáng)，特別是抗干擾這一方面， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如后者。串級(jí)控制系統(tǒng)比較適用于容量滯后較大的過(guò)程、純時(shí)延較大的過(guò)程、擾動(dòng) 變化激烈而且幅度大的過(guò)程、參數(shù)互相關(guān)聯(lián)的過(guò)程和非線性過(guò)程。它對(duì)于改善了過(guò)程的動(dòng) 態(tài)特性，提高了系統(tǒng)控制質(zhì)， 能迅速克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)； 提高了系統(tǒng)的工作頻率； 減小被控對(duì)象的時(shí)間常數(shù)，對(duì)消除副對(duì)象的非線性和提高對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)性起到了決定 性的作用。此外，我進(jìn)一步學(xué)習(xí)了系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定這一部分知識(shí)，并運(yùn)用剛學(xué)的 MATLABE的仿真軟件進(jìn)行仿真，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的整定起到了很大的幫助，加深了對(duì)所學(xué)知識(shí) 的熟練程度。整定后的系統(tǒng)大大改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，