第3章 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)

1、第一章 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)3-1 概述一、 單回路反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特點_+1、 調(diào)節(jié)過程顯然，調(diào)節(jié)器動作明顯遲后于的變化，即不能及時消除干擾對被調(diào)量的影響，造成變化較大。2、的整定是根據(jù)對象來整定的，而熱工對象一般是慣性大，階次高，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，的動作必須緩慢，造成調(diào)節(jié)過程太長。二、改進途徑從上述分析可看出，造成這種缺陷的原因有兩個：1）可控性差(如慣性大)2）系統(tǒng)結構不為最佳針對上述原因，加以改進：1） 對于外擾，設法設計一個裝置以及時消除因擾動而產(chǎn)生的偏差2） 盡量取得一些比被調(diào)量提前反映擾動的輔助信號，那么調(diào)節(jié)器就能提前動作，有效的限制被調(diào)量的動態(tài)偏差。3） 若能改善調(diào)節(jié)作用下對象的動態(tài)特性，

2、則無疑會改善調(diào)節(jié)變量。根據(jù)這些改進思想，電廠熱工過程自動調(diào)節(jié)中常用到串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用導前微分信號的系統(tǒng)，前饋-反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)和多變量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。3-2 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)一、 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結構1、 實例 執(zhí)行器低過 噴水減溫高過蒸汽口a單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)只有在變化后，pi才會動作，因而減溫水閥才動作。由于過熱器慣性大，動態(tài)偏差大b 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)（加上測量元件）添加一個控制中間信號，一個調(diào)節(jié)器，只要發(fā)生變化，執(zhí)行機構就能動作。2、串級系統(tǒng)方框圖_+a 定義：調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩個調(diào)節(jié)回路，并且兩個調(diào)節(jié)器串聯(lián)工作。b 幾個名詞：1）導前區(qū)和惰性區(qū): 調(diào)節(jié)對象中間點參數(shù)以前的部分，稱為調(diào)節(jié)對象的導前區(qū)，以后的部分稱

3、為調(diào)節(jié)對象的惰性區(qū)。2）主、副參數(shù)：整個調(diào)節(jié)對象的被調(diào)量稱為主參數(shù)，導前區(qū)的被調(diào)量稱為副參數(shù)，也稱中間點或輔助參數(shù)。3）主、副調(diào)節(jié)器：根據(jù)主參數(shù)與給定值的偏差而動作的調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器，以主調(diào)節(jié)器的輸出為給定值，并根據(jù)副參數(shù)與給定值的偏差而動作的調(diào)節(jié)器為副調(diào)節(jié)器。4）主、副回路：副回路或內(nèi)回路，隨動回路主回路3、和主、副調(diào)節(jié)器類型地選擇從熱工自動控制系統(tǒng)來看，串級系統(tǒng)有兩類：1)要求，均等與給定值。對于這種情況，只能由生產(chǎn)過程要求確定，而主、副調(diào)節(jié)器均應選擇pi，以使穩(wěn)態(tài)時，均等于給定值。2）等與給定值，不加限制。如汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)：選擇能提前反應較多的擾動 能測量副調(diào)節(jié)器：選p或pd,以盡快消除內(nèi)

4、回路擾動；主調(diào)節(jié)器：選pi或pid，保證。4、主、副回路的選擇原則1） 副回路應該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，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(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。2） 選擇副回路時，應力求把盡量多的干擾包括進去，以盡量減少它們對主參數(shù)的影響，提高系統(tǒng)抗干擾能力。3） 主副對象的時間常數(shù)應適當匹配，原則是兩者相差大一些，效果好。5、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)控制質量要求不十分嚴格，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)器均可采用比例控制。2） 要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允

5、許有靜差，此時副調(diào)節(jié)器可采用比例調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器采用pi3） 主參數(shù)要求高，副參數(shù)也有一定要求時，主副調(diào)節(jié)器均采用pi二、串級系統(tǒng)分析分析它的抗干擾能力和跟蹤能力。如對于下圖系統(tǒng)，_+若定值經(jīng)常變化，而系統(tǒng)要求跟著變化，可看作是隨動系統(tǒng)。這時越快越好，即，跟蹤能力好，如內(nèi)回路。若不變，系統(tǒng)的目的使維持，那若擾動，看作是定值系統(tǒng)，常希望系統(tǒng)的抗干擾能力強，即，如串級系統(tǒng)外回路。不同的擾動，串級系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果是不同的。1副回路內(nèi)的擾動1） 串級系統(tǒng)能有效抑制副回路的擾動假定則 ，一般情況可整定的較大。顯然的靜態(tài)放大系數(shù)小于的靜態(tài)放大系數(shù)，即由于副回路的存在減小了對的影響。由于副回路地存在，當擾動時，

6、的變化會在很短時間內(nèi)達到平衡。2）串級系統(tǒng)可以看作是改善了調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，提高了調(diào)節(jié)品質。若無副回路：調(diào)節(jié)對象有副回路：等效對象因此，副回路相當于改變了導前區(qū)的動態(tài)特性：a 在主回路工作時，副回路是作為隨動系統(tǒng)參與的；b 如果比起慣性和延遲均很小，則副回路相對于主回路而言，可看作是快速隨動系統(tǒng)。即，又副回路可等效為故串級系統(tǒng)的等效框圖為2、 副回路外的擾動當擾動發(fā)生在副回路外時，盡管它不能直接削弱對的影響。但由于副回路改善了對象動態(tài)特性，即把，所以串級系統(tǒng)比單回路系統(tǒng)而言，的動態(tài)偏差要小，調(diào)節(jié)過程要短。但要注意，對象特性改善的程度不是很大，很多慣性很大的汽溫控制，控制品質不盡

7、人意。3、 結論a） 副回路作為隨動系統(tǒng)參與主回路工作，若導前區(qū)的延遲，慣性和整個對象相比小得多，則副回路為快速隨動系統(tǒng)。b） 副回路的存在改善對象導前區(qū)的動態(tài)特性，提高了對發(fā)生在副回路的擾動的抑制力，也提高了主回路的控制性能。三、串級系統(tǒng)的整定單回路整定據(jù)閉環(huán)特征方程式1、 一般方法a 主調(diào)節(jié)器整定串級閉環(huán)系統(tǒng)特征方程式： (a)注意中包含了副調(diào)節(jié)器b 副調(diào)節(jié)器的整定系統(tǒng)特征方程為： (b)注意中包含了主調(diào)節(jié)器步驟：（逐步逼近法）這種方法比較繁瑣，介紹兩種簡單方法。2、 兩種簡化整定方法工程上在合理的假定下，往往會使問題大大簡化1） 當副回路的調(diào)節(jié)過程比主回路快得多時這時，當副回路受到擾動時

8、，會立即消除，基本上不影響主回路，而當主回路調(diào)節(jié)時，副回路為快速隨動系統(tǒng)，即可將副回路看成是一個比例環(huán)節(jié)。這時，兩回路可單獨整定。這里有兩個問題需要交代：能獨立整定的條件a 的選擇：使延遲和慣性遠小于 快得多的含義：b 取為比例調(diào)節(jié)器，為pi調(diào)節(jié)器，使副回路衰減振蕩頻率較高。c 整定指標副回路：調(diào)節(jié)過程快一些，穩(wěn)定性差一些主回路：調(diào)節(jié)過程慢一些，穩(wěn)定性高一些一般來說，如果主回路的衰減振蕩頻率和副回路的頻率滿足，則可用此法整定。關于主回路調(diào)節(jié)器整定時用到的對象對于熱工對象可用試驗方法得到，但無法用實驗得到，必須計算記 則 利用技術展開及除法，可近似用來整定當時，可將串級系統(tǒng)簡化為兩個單回路系統(tǒng)來

9、整定。2） 主副回路動作快慢差不多時這種情況就不能用上述方法整定，下面介紹另一種方法-補償法步驟：a 將串級系統(tǒng)圖做等價變換b等效調(diào)節(jié)器： c 等效對象：的等效對象為d 選擇構造一個動態(tài)特性較好的-補償法的概念e 據(jù)整定的參數(shù)，并求出該方法的優(yōu)點是不必考慮主副回路互相影響，并能使系統(tǒng)有足夠的穩(wěn)定性的裕量。3、 串級系統(tǒng)的工程整定方法這種方法適用于主副回路頻率相差較大的情況1） 整定副調(diào)節(jié)器a 主副調(diào)節(jié)器投入閉環(huán)，設置，副調(diào)節(jié)器的較大b ，使副回路產(chǎn)生等幅振蕩，記下c 2）整定 a 將設置好b 設置c 閉合主副回路，使主回路等幅振蕩，記下d 用臨界比例帶法求出e 將主副調(diào)節(jié)器均設置好，投入閉環(huán)，

10、觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改參數(shù)。3-3 過熱汽溫串級系統(tǒng)控制系統(tǒng)一、 過熱汽溫控制的任務過熱汽溫控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱汽溫過高：管壁金屬強度下降，燒壞高溫段，嚴重影響安全；過熱汽溫是汽水系統(tǒng)中的最高點。540+5。過低：1）降低全廠效率：溫度下降，效率下降2）使汽機尾部蒸汽溫度升高，使汽機葉片遭受損失，影響汽機安全。二、過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性引起過熱汽溫變化的因素很多，歸納起來為：蒸汽流量給水溫度 噴水量 噴水溫度 過熱器吸熱量給水量主要歸納為： 蒸汽負荷擾動下汽溫對象的動態(tài)特性）對流受熱面：，流過對流過熱器的煙溫

11、和煙量 對流過熱器出口溫度）輻射受熱面：爐膛溫度上升不多輻射過熱器吸熱量基本不變（）輻射式過熱器后的出口溫度特性見下圖：較小的原因是當擾動時，沿整個過熱器流程上各點的蒸汽流速幾乎同時發(fā)生變化，因而煙氣傳給蒸汽的熱量也幾乎沿流程同時發(fā)生變化。對的反應較快、煙氣擾動下汽溫對象的動態(tài)特性煙氣側擾動對汽溫的影響歸納起來有兩條途徑：煙氣溫度（導熱）煙氣速度（對流換熱）綜合起來：溫度 管壁溫度（外壁）內(nèi)壁工質溫度流速它和特性相差不多。，特性較好。調(diào)節(jié)手段：（1）利用煙氣再循環(huán)改變煙氣流速和流量。（2）改變噴燃器角度。缺點：（1）裝置的可靠性較差，用得較少。（2）爐膛內(nèi)一般希望穩(wěn)定燃燒，不希望有較大的波動。

12、3、減溫水量擾動下汽溫對象的特性噴水減溫調(diào)節(jié)過熱器出口汽溫是目前常用的調(diào)節(jié)手段，它是將給水的一部分噴入減溫器，使之與蒸汽混合，以調(diào)節(jié)。幾個問題：1）設計鍋爐時，額定負荷下比給定值要高（中壓：+25-40，高壓+40-60）。這樣才有足夠多的調(diào)節(jié)余量。2） 正常運行時，減溫器是一直工作的，也即總在噴水。3） 既然采用噴水減溫調(diào)節(jié)汽溫，那么調(diào)節(jié)閥開度的變化就是調(diào)節(jié)作用。討論動態(tài)特性直觀的，改變，不會立刻影響；但最終會使變化動態(tài)特性具有下列形式：導前區(qū)動態(tài)特性為：兩個動態(tài)特性的階躍響應曲線如下圖：延遲和慣性較大4、討論1）關于噴水減溫表面式減溫器：優(yōu)點：鍋爐熱效率減低少些噴水減溫 缺點：反應不靈敏混

13、合式減溫器：優(yōu)點：反應靈敏缺點：熱效率降低較多2）僅用過熱器出口汽溫的偏差來改變噴水量，其慣性較大，所以目前均采用導前汽溫信號構成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。三、串級汽溫控制系統(tǒng)1、系統(tǒng)及其整定當采用噴水減溫調(diào)節(jié)時，可得下面的方框圖注意：實際應用中應注意正確連接，使調(diào)節(jié)器的正反作用與實際要求相等。說明三點：1）-噴水量擾動調(diào)節(jié)作用改變的噴水量噴水量變化2）各環(huán)節(jié)的輸入、輸出和單位3）在測試對象動態(tài)特性時，輸入信號往往在執(zhí)行器之前加入，故所獲得對象包括這是個串級系統(tǒng)，前面已經(jīng)學過它的整定：1） 主副回路動作相差較大 獨立整定-副回路快速隨動-等效為比例環(huán)節(jié)2） 主副回路動作差不多-補償法2、 串級汽溫系統(tǒng)應掌握的內(nèi)容1） 主要擾動對如何影響（動態(tài)特性）2） 調(diào)節(jié)手段（及選哪個調(diào)節(jié)量）的選擇原則3） 中間點的選擇原則4） 整定：兩個回路分別整定的條件，補償法的基本思想。3、例題1 ，試求主副調(diào)節(jié)器參數(shù)解：首先判別內(nèi)外回路的慣性差別，所以內(nèi)外回路可以分別進行整定1） 副調(diào)節(jié)器的整定內(nèi)回路內(nèi)回路是一個二階系統(tǒng)，用阻尼系數(shù)研究的方法較方便。特征方程為按，則阻尼系數(shù)能否用臨界比例帶法？（注：，不可能等幅振蕩）2）的整定內(nèi)回路看成是快速隨動系統(tǒng)，即則內(nèi)回路等價為主回路為先求按，查表2-2（p26）得到對象階躍響應特征