主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)仿真研究

1、華北電力大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)仿真研究摘要主蒸汽溫度是電廠(chǎng)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中需要監(jiān)視及控制的重要參數(shù)之一，它直接關(guān)系著機(jī)組能否安全運(yùn)行。主汽溫偏高，會(huì)使過(guò)熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力而損壞，從而威脅機(jī)組的安全運(yùn)行；主汽溫偏低，則會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，主汽溫偏低會(huì)使蒸汽的含水量增加，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命。因此，必須將主蒸汽溫度嚴(yán)格控制在給定值附近。若溫度過(guò)高，過(guò)熱器和高壓鍋爐會(huì)被損壞，若溫度過(guò)低，電廠(chǎng)的效率會(huì)被降低。過(guò)熱器內(nèi)部溫度變化也要很好的抑制，否則，劇烈的溫度變化會(huì)引起較大的機(jī)械壓力，可能會(huì)引起鍋爐破裂，從而會(huì)減少加熱系統(tǒng)單元的生

2、命并且增加維護(hù)費(fèi)用。一般規(guī)定過(guò)熱蒸汽溫度下限不低于其額定值10，上限不高于5。因此合理控制主汽溫對(duì)保證電廠(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。因此，及時(shí)準(zhǔn)確的反應(yīng)主蒸汽溫度的變化是熱工過(guò)程控制領(lǐng)域一個(gè)長(zhǎng)期研究的課題。針對(duì)火電廠(chǎng)鍋爐主汽溫控制對(duì)象的大遲延、大慣性的特性，采用串級(jí)PID控制系統(tǒng)，并對(duì)控制對(duì)象的抗干擾性，魯棒性方面仿真研究。關(guān)鍵字：主汽溫控制系統(tǒng)；串級(jí)控制；PID控制 STEAM TEMPERATURE CASCADE CONTROL SYSTEM SIMULATIONAbstractThe main steam temperature is plant operation process m

3、onitoring and control to one of the important parameters, it is directly related to the unit can be safe operation. The high temperature steam super heater and will make steam pressure cylinder under high heat stress and damage, which threaten the safety operation units. Main steam temperature is lo

4、w, will reduce the efficiency of unit, unit operation efficiency. At the same time, the Lord will make low steam temperature, water content of steam turbine blade increases so as to shorten the using life. Therefore, the main steam temperature must be strictly controlled in a given value. If the hig

5、h temperature and high pressure boiler super heater and will be damaged, if the temperature too low, the efficiency of the plant will be reduced. Super heater of internal temperature change will very good suppression, otherwise, the Keyword: Main steam temperature control system；Cascade control；PID

6、control344串級(jí)控制系統(tǒng)仿真研究.254.1主汽溫控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.254.2 主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的PID整定.264.3分析主汽溫串級(jí)控制的抗干擾能力.284.4分析主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的魯棒性.304.5 結(jié)束語(yǔ).32結(jié)論.33參考文獻(xiàn).34致 謝.351緒論1.1 論文的意義和選題背景在現(xiàn)代火力發(fā)電廠(chǎng)的熱工過(guò)程控制系統(tǒng)中，鍋爐過(guò)熱器出口溫度（主汽溫）對(duì)整個(gè)電廠(chǎng)的效率和安全具有十分重要的作用，是鍋爐的主要參數(shù)之一，對(duì)電廠(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。主汽溫偏高，會(huì)使過(guò)熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力而損壞，從而威脅機(jī)組的安全運(yùn)行；主汽溫偏低，則會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

7、。同時(shí)，主汽溫偏低會(huì)使蒸汽的含水量增加，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命。因此，必須將主蒸汽溫度嚴(yán)格控制在給定值附近。若溫度過(guò)高，過(guò)熱器和高壓鍋爐會(huì)被損壞，若溫度過(guò)低，電廠(chǎng)的效率會(huì)被降低。過(guò)熱器內(nèi)部溫度變化也要很好的抑制，否則，劇烈的溫度變化會(huì)引起較大的機(jī)械壓力，可能會(huì)引起鍋爐破裂，從而會(huì)減少加熱系統(tǒng)單元的生命并且增加維護(hù)費(fèi)用。因此合理控制主汽溫對(duì)保證電廠(chǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重大影響。在實(shí)際中，由于過(guò)熱汽溫系統(tǒng)具有大遲滯，大慣性，對(duì)象具有明顯的滯后性，非線(xiàn)性，時(shí)變性等特點(diǎn)，并且具有溫度波動(dòng)允許范圍小，模型失配，參數(shù)不確定等因素，控制主汽溫并不是一件容易的工作。國(guó)內(nèi)電廠(chǎng)在這方面還有很多工作要做，例如，我

8、國(guó)剛開(kāi)始剛引進(jìn)的300MW，600MW的大型機(jī)組時(shí)，主蒸汽只有一級(jí)噴水減溫器作為調(diào)溫手段，由于我國(guó)熱控自動(dòng)化應(yīng)用水平有限，導(dǎo)致主汽溫經(jīng)常失控，甚至超溫。到目前為止，鍋爐生產(chǎn)廠(chǎng)家往往都采用至少兩級(jí)噴水減溫，降低控制難度來(lái)調(diào)節(jié)主汽溫。單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)(只有被調(diào)量一個(gè)反饋回路)雖然是一種最基本的、使用最廣泛的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)象多半屬于大遲延大慣性，用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能指標(biāo)很差，若調(diào)節(jié)質(zhì)量要求較嚴(yán)時(shí)就無(wú)能為力了，采用傳統(tǒng)的單回路控制難以達(dá)到控制要求。因此，需要改進(jìn)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、增加輔助回路或添加其他環(huán)節(jié)，組成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。過(guò)熱氣溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是火電廠(chǎng)最典型的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所以一般采用串級(jí)系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)流程

9、加以控制。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)，取得了較好的仿真結(jié)果。1.2主汽溫控制應(yīng)用研究現(xiàn)狀【1】目前，主蒸汽溫度控制基本上沿用PID串級(jí)控制策略。在主蒸汽溫度串級(jí)PID控制系統(tǒng)中，有時(shí)會(huì)將負(fù)荷信號(hào)、燃料量信號(hào)、主蒸汽壓力信號(hào)、給水流量信號(hào)以前饋形式引入到串級(jí)系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器中，以實(shí)現(xiàn)“超前”調(diào)節(jié)。但以調(diào)節(jié)參數(shù)固定不變的PID控制器來(lái)控制主蒸汽溫度這種時(shí)變的復(fù)雜對(duì)象時(shí)，控制效果仍會(huì)很不理想。為此，以智能控制技術(shù)的思想被廣泛的用于主蒸汽溫度控制過(guò)程控制中，不少學(xué)者和技術(shù)人員開(kāi)展了對(duì)主蒸汽溫度控制的相關(guān)研究，主要有以下幾個(gè)方面：(1) 預(yù)測(cè)控制技術(shù)在主汽溫控制的應(yīng)用預(yù)測(cè)控制的最大優(yōu)點(diǎn)是對(duì)模型精度

10、要求不高，且跟蹤性能好，比較適用于復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的控制，特別是比較適合于大滯后被控過(guò)程的自動(dòng)控制。由于主蒸汽溫度被控對(duì)象是一個(gè)大遲延系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)“超前”控制是改善控制效果的一個(gè)有效手段。由于預(yù)測(cè)控制具有優(yōu)良的性能，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)預(yù)測(cè)控制技術(shù)在火電機(jī)組熱工過(guò)程控制中應(yīng)用進(jìn)行了一些研究，并針對(duì)主汽溫系統(tǒng)多擾動(dòng)、大遲延、大慣性、動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜等，給出了控制策略。仿真結(jié)果表明都能較好地克服對(duì)象的多擾動(dòng)特性和大時(shí)滯特性，有較強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性。（2) 模糊控制技術(shù)在蒸汽溫度控制中的應(yīng)用文2針對(duì)傳統(tǒng)PID控制中的非線(xiàn)性和不確定性在實(shí)際電廠(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電廠(chǎng)運(yùn)行效率的不利影響，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制理

11、論的非線(xiàn)性預(yù)測(cè)控制器(NFGPC)，該控制器中包含了一個(gè)局部的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)線(xiàn)性模塊，用于200Mw的電站鍋爐的過(guò)熱蒸汽的控制。將模糊控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)用于對(duì)電廠(chǎng)的主汽溫控制、過(guò)熱汽溫的控制成為了很多學(xué)者經(jīng)常采用的一種手段，實(shí)踐也證明這種方法取得了不錯(cuò)的效果。文3設(shè)計(jì)了一種具有變論域思想的自適應(yīng)預(yù)測(cè)模糊控制器，并應(yīng)用于600 Mw主汽溫控制系統(tǒng)中，獲得了良好的控制品質(zhì)；并且針對(duì)多變量控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于遺傳算法的受限模糊廣義預(yù)測(cè)控制算法，此算法可以?xún)?yōu)化任何形式的目標(biāo)函數(shù)同時(shí)能夠使系統(tǒng)快速收斂。將其應(yīng)用于300Mw的某燃油單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，有效減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系的快速性。文3

12、針對(duì)主汽溫具有影響因素多、時(shí)滯較大及模型時(shí)變的特點(diǎn)，提出了主汽溫自整定模糊控制算法，該算法利用解析公式形式，對(duì)主汽溫偏差及其變化率、導(dǎo)前汽溫變化率進(jìn)行了綜合考慮，并可根據(jù)運(yùn)行工況自動(dòng)調(diào)整各模糊變量的加權(quán)因子，其控制效果優(yōu)于常規(guī)的控制系統(tǒng)。文4提出一種聚焦式模糊變結(jié)構(gòu)控制算法，能使系統(tǒng)在多種干擾下具有較強(qiáng)魯棒性的同時(shí)，具有較快的響應(yīng)速度，仿真結(jié)果表明：新算法具有很好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，可以有效地消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，其控制效果良好。Eliasi等IMJ將自適應(yīng)模糊控制理論應(yīng)用于核電站主蒸汽的控制中，在負(fù)荷變化時(shí)采用預(yù)測(cè)控制與模糊理論相結(jié)合，在實(shí)踐中取得了不錯(cuò)的效果。(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在主汽溫控制中的應(yīng)用

13、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊PID控制器在控制品質(zhì)方面明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制系統(tǒng)，尤其在變工況時(shí)，控制效果更加明顯。此類(lèi)控制的特點(diǎn)是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的自學(xué)習(xí)能力與PID控制器的魯棒性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)非線(xiàn)性、大時(shí)滯系統(tǒng)模型的控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用多層前傳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對(duì)BP算法容易陷入局部最小的缺陷，提出了數(shù)值積分尋優(yōu)和BP算法相結(jié)合的IBP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法。仿真結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)優(yōu)良的控制性能。(4) 遺傳算法在電廠(chǎng)主汽溫控制中的應(yīng)用針對(duì)電廠(chǎng)過(guò)程控制中主蒸汽溫度的大遲延性、非線(xiàn)性和時(shí)變性，文5在充分分析主蒸汽溫度被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代控制理論中的狀態(tài)觀測(cè)器技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)主蒸

14、汽溫度的導(dǎo)前汽溫的重構(gòu)；采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確性較高的主蒸汽溫度前饋控制：采用模糊控制技術(shù)，在很難獲得主蒸汽溫度被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的情況下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主蒸汽溫度的有效控制；設(shè)計(jì)出適用于過(guò)程控制的基于遺傳算法機(jī)理的模糊控制器動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法，解決了一般遺傳算法實(shí)時(shí)性差的難題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電廠(chǎng)主蒸汽溫度模糊控制系統(tǒng)中的模糊控制器的實(shí)時(shí)在線(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化。文6針對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用，提出了一種改進(jìn)的變參數(shù)PID 控制策略，提出了魯棒整定的思想，并采用免疫遺傳算法進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)的魯棒優(yōu)化調(diào)整，對(duì)變參數(shù)PID控制的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功和有效的，使得具有多模型特性的汽溫控制系統(tǒng)在不同的負(fù)荷下均獲得很好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。1.3本論文

15、研究?jī)?nèi)容基于上述分析，本文致力于解決火電廠(chǎng)過(guò)熱汽溫系統(tǒng)的大遲延、大慣性等不利因素對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，并對(duì)設(shè)計(jì)所得的主汽溫控制系統(tǒng)做了相應(yīng)的仿真分析。論文的主要工作包括:（1）過(guò)熱蒸汽被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)。大遲延、大慣性的對(duì)象是難控對(duì)象，純遲延的存在使系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制品質(zhì)明顯下降，在模型攝動(dòng)的情況下，情況會(huì)更嚴(yán)重。（2）對(duì)串級(jí)控制算法作基礎(chǔ)研究，了解其優(yōu)點(diǎn)及弊端。 （3）針對(duì)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)常規(guī)串級(jí)主汽溫控制系統(tǒng)，并通過(guò)計(jì)算仿真整定控制器參數(shù)。（4）通過(guò)仿真試驗(yàn)，研究主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、抗干擾能力等。2 蒸汽溫度控制系統(tǒng)2.1火力發(fā)電廠(chǎng)的生產(chǎn)流程火電廠(chǎng)中，通常將燃料運(yùn)

16、至電廠(chǎng)，經(jīng)輸送加工后，送入鍋爐進(jìn)行燃燒，使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮懿鬟f給鍋爐中的水，使水變成高溫高壓的蒸汽，通過(guò)管道將壓力和溫度都較高的過(guò)熱蒸汽送人汽輪機(jī)， 推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)作功，蒸汽參數(shù)則迅速降低，最后排入凝汽器。在這一過(guò)程中，蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)槠啓C(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。發(fā)電機(jī)與汽輪機(jī)是用聯(lián)軸器相連一同旋轉(zhuǎn)的，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)變成電能。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能， 經(jīng)升壓變壓器后送人輸電線(xiàn)路提供給用戶(hù)?；鹆Πl(fā)電廠(chǎng)的主要系統(tǒng)燃料與燃燒系統(tǒng)：用煤將爐水燒成蒸汽（化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能）（1） 燃煤制備流程：煤從儲(chǔ)煤場(chǎng)經(jīng)輸煤皮帶送到鍋爐房的煤斗中，再進(jìn)入磨煤機(jī)制成煤粉。煤粉與來(lái)自空氣預(yù)熱器的熱風(fēng)混合后

17、噴入鍋爐爐膛燃燒。（2） 煙氣流程：煤在爐內(nèi)燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣經(jīng)過(guò)鍋爐的各部受熱面?zhèn)鬟f熱量后，流進(jìn)除塵器及煙囪排入大氣。（3） 通風(fēng)流程：用送風(fēng)機(jī)供給煤粉燃燒時(shí)所需要的空氣，用吸粉機(jī)吸出煤粉燃燒后的煙氣并排入大氣。（4） 排灰流程：爐底排出的灰渣以及除塵器下部排出的細(xì)灰用機(jī)械或水利派往儲(chǔ)灰場(chǎng)。汽水系統(tǒng):蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功（熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）（1） 汽水流程：水在鍋爐內(nèi)變成過(guò)熱蒸汽，過(guò)熱蒸汽在汽輪機(jī)中不斷膨脹、高速流公，推動(dòng)汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)，最后排入凝汽器中冷凝成水，再經(jīng)升壓、除氧、加熱后送回鍋爐，形成閉合的汽水循環(huán)。（2） 補(bǔ)給水流程：汽水循環(huán)中水有損失，必須經(jīng)常補(bǔ)充，補(bǔ)給水要經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，水質(zhì)

18、合格后送入汽水系統(tǒng)。（3） 冷卻水流程：在汽輪機(jī)排氣的凝結(jié)過(guò)程中，放出的大量的潛熱需有冷卻水帶走。冷卻水的吸取，冷卻即其設(shè)施構(gòu)成冷卻水流程。電氣系統(tǒng)：汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電（機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能），并通過(guò)輸配電裝置將電能送往用戶(hù)。（1） 向外供電流程：發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能由變壓器升壓后，經(jīng)高壓配電裝置和輸電線(xiàn)路送往用戶(hù)。（2） 廠(chǎng)用電流程：發(fā)電廠(chǎng)內(nèi)的自用電由廠(chǎng)用變壓器降壓后，經(jīng)廠(chǎng)用配電裝置相場(chǎng)內(nèi)各種附機(jī)及照明等供電?？刂葡到y(tǒng)：操作機(jī)械化、自動(dòng)化。（1） 燃料的裝卸、入倉(cāng)、制粉、輸送機(jī)械化、自動(dòng)化。（2） 鍋爐給水、氣溫和燃料的自動(dòng)調(diào)節(jié)，爐膛滅火安全保護(hù)系統(tǒng)（3） 汽輪機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)、自啟停、監(jiān)視

19、與保護(hù)和主蒸汽旁路控制等。（4） 發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)包括參數(shù)顯示、勵(lì)磁調(diào)節(jié)、運(yùn)行操作和安全保護(hù)等（5） 廠(chǎng)用電控制系統(tǒng)包括廠(chǎng)用電備用電源自動(dòng)切換、直流系統(tǒng)監(jiān)視和和交流不停電電源系統(tǒng)等。2.2主蒸汽溫度控制對(duì)象8主蒸汽溫度控制在火力發(fā)電廠(chǎng)控制系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中起到重要作用。主蒸汽溫度(簡(jiǎn)稱(chēng)主汽溫)自動(dòng)控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，保護(hù)過(guò)熱器，使管壁溫度不超過(guò)允許的控制溫度。過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖2-1所示，通過(guò)噴水減溫改變過(guò)熱器人口溫度1以及改變出口溫度2 ，過(guò)熱器分為惰性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)。主汽溫是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主汽溫過(guò)高或過(guò)低都會(huì)顯著地影響電廠(chǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性?！?】圖2

20、-1過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖主汽溫過(guò)高，可能造成過(guò)熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，因而主汽溫的上限一般不超過(guò)額定值5 K；主汽溫過(guò)低，會(huì)降低全廠(chǎng)的熱效率并影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，因而主汽溫的下限一般不低于額定值10 K。主汽溫控制系統(tǒng)本身具有一些特點(diǎn) 。首先，引起過(guò)熱蒸汽溫度變化的擾動(dòng)因素很多，如蒸汽流量、火焰中心位置、燃燒工況、煙氣溫度和流速、爐膛受熱面結(jié)焦、過(guò)熱器積灰、減溫水量等，都會(huì)使過(guò)熱蒸汽溫度發(fā)生變化。其中，起主要作用的是蒸汽流量和減溫水量。過(guò)熱汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為大慣性、大遲延且有自平衡能力。其次，主汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性隨運(yùn)行工況(主蒸汽流量、壓力、溫度)的變化而變化。隨著主蒸

21、汽流量(負(fù)荷)的變化，主汽溫對(duì)象特性變化明顯，特別是惰性區(qū)的時(shí)間常數(shù)以及導(dǎo)前區(qū)的靜態(tài)增益。目前，從安全運(yùn)行角度考慮，廣泛采用噴水減溫。但此法使主汽溫對(duì)象特性具有較大遲延和慣性。2.3汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性【9】大型鍋爐的過(guò)熱器一般布置在爐膛上部和高溫?zé)煹乐? 過(guò)熱器往往分成多段, 中間設(shè)置噴水減溫器, 減溫水由鍋爐給水系統(tǒng)供給, 如圖2-2 所示。影響過(guò)熱器出口汽溫s 的因素很多，有蒸汽流量、燃燒工況、鍋爐給水溫度、過(guò)熱器入口蒸汽焓值、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣溫度、流量、流速、以及鍋爐受熱面的結(jié)渣、積灰、結(jié)垢情況等。其中主要的影響因素是蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量，主要有以下三種擾動(dòng)。圖2-2過(guò)熱器

22、分段噴水減溫示意圖1鍋爐汽包; 2 一級(jí)噴水減溫器;3二級(jí)噴水減溫器2.3.1蒸汽流量擾動(dòng)汽機(jī)負(fù)荷變化會(huì)引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過(guò)熱蒸汽和煙氣之間的傳熱條件, 導(dǎo)致汽溫變化。圖2-3( a )是蒸汽流量擾動(dòng)D 下過(guò)熱蒸汽溫度的響應(yīng)曲線(xiàn)。可以看到, 溫度響應(yīng)具有自平衡特性, 而且慣性和遲延都比較小。這是因?yàn)檎羝孔兓瘯r(shí), 沿過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向的各點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化。圖2-3過(guò)熱汽溫s 的響應(yīng)曲線(xiàn)( a ) 蒸汽量D 或煙氣傳熱量Q 擾動(dòng); ( b) 減溫水Ws 擾動(dòng)2.3.2. 煙氣側(cè)傳熱量的擾動(dòng)燃料量增減, 燃料種類(lèi)的變化, 送風(fēng)量、吸風(fēng)量的改變都將引起煙氣流速和煙氣溫度的變化,

23、從而改變了傳熱情況, 導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的, 因此汽溫變化的遲延很小, 一般在10 20s 之間。煙氣側(cè)擾的汽溫響應(yīng)曲線(xiàn)如圖2-3( a ) 所示。它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類(lèi)似。2.3.3 噴水量擾動(dòng)應(yīng)用噴水來(lái)控制蒸汽溫度是目前廣泛采用的一種方式。對(duì)于這種控制方式, 噴水量擾動(dòng)就是基本擾動(dòng)。從圖2 可以看出, 過(guò)熱器是具有分布參數(shù)的對(duì)象, 可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無(wú)多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象。當(dāng)噴水量發(fā)生變化后, 需要通過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象, 最終引起出口蒸汽溫度s 的變化。因此, s 的響應(yīng)有很大的遲延。減溫器離過(guò)熱器出口

24、越遠(yuǎn), 遲延越大。噴水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)如圖2-3( b) 所示。2.4蒸汽溫度控制問(wèn)題蒸汽溫度控制在火電廠(chǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面有著相當(dāng)重要的地位，也是防止鍋爐超溫的一種重要手段，但絕大多數(shù)火電廠(chǎng)的鍋爐系統(tǒng)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)鍋爐主蒸汽超溫或過(guò)熱器局部超溫的問(wèn)題，這就涉及如何有效地控制鍋爐減溫水系統(tǒng)的問(wèn)題了。在經(jīng)典控制理論中，人們通常假定調(diào)節(jié)量響應(yīng)迅速且遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)對(duì)象的變化量，但在生產(chǎn)實(shí)踐中，大多數(shù)控制系統(tǒng)并非如此。鍋爐主蒸汽溫度信號(hào)是一個(gè)大時(shí)滯信號(hào)，火電廠(chǎng)鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)通常采用串級(jí)PID調(diào)節(jié)方式，在工況相對(duì)穩(wěn)定的情況下，每臺(tái)鍋爐都能將蒸汽溫度控制得很好，但是，在較大幅擾動(dòng)情況下就不一定了。【10

25、】就鍋爐主蒸汽溫度控制而言，特別是管路較長(zhǎng)的情況下，單單依靠PID控制蒸汽溫度難以勝任，通常我們會(huì)選擇串級(jí)PID調(diào)節(jié)方式，引入一個(gè)離減溫水出口較近的溫度點(diǎn)做為導(dǎo)前溫度。導(dǎo)前蒸汽溫度的變化在一定程度上是主蒸汽溫度變化的先兆，結(jié)合導(dǎo)前蒸汽溫度的微分作用，就加強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)主蒸汽溫度變化的預(yù)控作用。如圖2-4所示，主蒸汽溫度2和其給定值經(jīng)過(guò)主調(diào)PI運(yùn)算得出一個(gè)相應(yīng)的導(dǎo)前溫度給定值s，s與導(dǎo)前溫度1經(jīng)副調(diào)PID運(yùn)算得出減溫水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度指令并用該指令來(lái)控制減溫水流量，最終控制主蒸汽溫度。從圖2-4可知，在工況相對(duì)穩(wěn)定的情況下，每臺(tái)鍋爐都能將蒸汽溫度控制得很好，但在鍋爐轉(zhuǎn)磨運(yùn)行，負(fù)荷有較大幅度變化情況下，鍋爐

26、火焰中心較高時(shí)或調(diào)節(jié)量受限時(shí)就不一定了。只有經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)行人員才能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)切除自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，將主蒸汽溫度控制得相當(dāng)穩(wěn)定。在一些較極端的情況下，主蒸汽溫度2緩慢上升，導(dǎo)前溫度給定值s 相應(yīng)緩慢降低，這時(shí)導(dǎo)前溫度1可能沒(méi)有上升甚至還下降，經(jīng)運(yùn)算，減溫水調(diào)節(jié)閥不會(huì)開(kāi)大反而會(huì)暫時(shí)關(guān)小，最后發(fā)生鍋爐主蒸汽溫度超溫問(wèn)題。若出現(xiàn)調(diào)節(jié)量受限，后果可能更為嚴(yán)重，這是單純的串級(jí)PID調(diào)節(jié)方式本身的局限性導(dǎo)致的。圖2-4過(guò)熱蒸汽溫度控制流程另外，鍋爐主蒸汽溫度信號(hào)是一種大時(shí)滯信號(hào)，普通電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度不快，不適宜頻繁動(dòng)作，因此，為了在正常工況下盡快穩(wěn)定主蒸蒸汽溫度，相關(guān)PID參數(shù)必須平緩，這樣就降低了串級(jí)PID

27、調(diào)節(jié)對(duì)較突然的大幅擾動(dòng)的控制能力，主蒸汽溫度就可能因此幅度變化較大，發(fā)生超溫或過(guò)低現(xiàn)象。若要保證大幅擾動(dòng)和小幅擾動(dòng)下的主蒸汽溫度變化幅度均在±3 內(nèi)，就必須根據(jù)該溫度變化的特性，對(duì)控制功能進(jìn)行相應(yīng)的特殊處理，否則，即使閥門(mén)特性再好、執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度再快也無(wú)濟(jì)于事。從理論上來(lái)說(shuō)，只要人工手動(dòng)能控制好的系統(tǒng)，采用自動(dòng)控制也應(yīng)該沒(méi)問(wèn)題，只是控制成本的高低問(wèn)題。若想尋求較好的控制性能和較低的控制成本，就必須對(duì)其控制對(duì)象的各種特性進(jìn)行充分有效的分析。在調(diào)節(jié)閥應(yīng)該正常動(dòng)作而串級(jí)PID調(diào)節(jié)沒(méi)有迅速輸出正確指令時(shí)，制定強(qiáng)制改變輸出量的控制方案。為此，我們采用分段函數(shù)輔助串級(jí)PID調(diào)節(jié)方式以便獲得優(yōu)良

28、的魯棒性。2.5主蒸汽溫度控制的難點(diǎn)分析 主蒸汽溫度的控制多年來(lái)一直是電廠(chǎng)過(guò)程控制中的一個(gè)難點(diǎn)，主要是因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因： (1) 主蒸汽溫度是一個(gè)遲延現(xiàn)象比較嚴(yán)重的對(duì)象，機(jī)組容量越大，遲延現(xiàn)象就越嚴(yán)重。當(dāng)有些機(jī)組的主蒸汽溫度的遲延太大時(shí)，反饋控制根本來(lái)不及控制。而PID控制就是屬于反饋控制。 (2) 主蒸汽溫度容易受到多種因素的影響，如煙氣溫度和壓力的波動(dòng)、負(fù)荷的變化、主蒸汽壓力的變化、燃料量的變化、給水溫度和流量的波動(dòng)及減溫水流量的抖動(dòng)、吹灰器投入、磨煤機(jī)的切換等都會(huì)引起主蒸汽溫度的變化。(3) 主蒸汽溫度被控對(duì)象工藝流程復(fù)雜，不同的機(jī)組主蒸汽溫度特性完全不同，很難得到對(duì)象與干擾之間準(zhǔn)確的數(shù)

29、學(xué)模型。即使通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的辦法得到當(dāng)時(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，但隨著時(shí)間的推移和機(jī)組工況的變化，對(duì)象的模型會(huì)發(fā)生變化。2.6影響主汽溫的因素 主蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行中的主要參數(shù)之一。汽溫過(guò)高會(huì)加快金屬材料的蠕變產(chǎn)生額外的熱應(yīng)力，縮短設(shè)備的使用壽命。汽溫過(guò)低會(huì)使汽輪機(jī)葉片的侵蝕作用加劇損壞設(shè)備，使發(fā)電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性降低。引起汽溫變化的基本原因有兩方面，即煙氣側(cè)傳熱的改變和蒸汽側(cè)吸熱工況的改變。煙氣側(cè)的影響因素有：1.燃料性質(zhì)的變化。2.風(fēng)量的變化。3.噴燃器運(yùn)行方式的改變。4.給水溫度的變化。5.受熱面的清潔程度。蒸汽側(cè)的影響因素有：1.鍋爐負(fù)荷的變化。2.飽和蒸汽濕度的變化。3.減溫水的變化。對(duì)汽

30、溫的調(diào)節(jié)可以從兩方面來(lái)進(jìn)行。蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫:目前高壓和超高壓鍋爐基本上都采用噴水減溫器。另外一種減溫器則為表面式，它是利用給水間接吸收蒸汽熱量。噴水式減溫器比表面式減溫器調(diào)節(jié)溫度要快，對(duì)處理蒸汽溫度突然的變化比較有效。煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫:是通過(guò)改變過(guò)熱器煙氣側(cè)的傳熱條件，即改變過(guò)熱器受熱面的吸熱量。根據(jù)具體設(shè)備有兩種方法。即改變火焰中心位置和改變煙氣量。 為了得到良好的氣溫調(diào)節(jié)特性，往往應(yīng)用兩種以上調(diào)節(jié)方法，并常以噴水減溫與一種或兩種煙氣側(cè)調(diào)溫方法相配合。一般情況下，煙氣側(cè)調(diào)溫只能作為粗調(diào)，而蒸汽側(cè)調(diào)溫才能進(jìn)行細(xì)調(diào)。最終要根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)2.7汽溫串級(jí)控制系統(tǒng) 隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)

31、和強(qiáng)化方向發(fā)展,對(duì)操作條件要求更加嚴(yán)格, 參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜, 對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求, 特別是在電廠(chǎng)的主要熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中, 由于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求較高, 如果仍然采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng), 往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求, 因此, 要采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng), 即采用串級(jí)控制系統(tǒng)可有效地提高調(diào)節(jié)品質(zhì), 并且得到了廣泛的應(yīng)用?！?】2.7.1串級(jí)控制系統(tǒng)的分析串級(jí)控制是改善調(diào)節(jié)過(guò)程極為有效的方法，并且得到了廣泛的應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)是在結(jié)構(gòu)上增加了一個(gè)內(nèi)回路。首先是內(nèi)環(huán)具有快速作用, 它能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響?？梢哉f(shuō)串級(jí)系統(tǒng)主要是用來(lái)克服進(jìn)入副回路的二次干擾的。圖2-5

32、串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖現(xiàn)在對(duì)圖2-5所示方框圖進(jìn)行分析, 可進(jìn)一步揭示問(wèn)題的本質(zhì)。圖中: Gc1 ( s) 、Gc2 ( s) 是主、副調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù); G p 1 ( s) 、G p 2 ( s) 是主、副對(duì)象傳遞函數(shù); Gm1 ( s) 、Gm2 ( s) 是主、副變送器傳遞函數(shù), G v ( s) 是調(diào)節(jié)閥傳遞函數(shù)。G d 2 ( s) 是二次干擾通道的傳遞函數(shù)。當(dāng)二次干擾經(jīng)過(guò)干擾通道環(huán)節(jié)G d 2 ( s) 后, 進(jìn)入副環(huán), 首先影響副參數(shù)y 2 , 于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作, 力圖消弱干擾對(duì)y2 的影響。顯然, 干擾經(jīng)過(guò)副環(huán)的抑止后再進(jìn)入主環(huán), 對(duì)y 1的影響將有較大的減弱。按圖2-5所示

33、串級(jí)系統(tǒng), 可以寫(xiě)出二次干擾D2 至主參數(shù)y1 的傳遞函數(shù)是( 2-1)為了與一個(gè)簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)相比較, 由圖2.4可以很容易地得到回路控制下D2 至y 1 的傳遞函數(shù)為： (2-2)比較式( 2-1) 和( 2-2) 。先假定G c ( s) = Gc1 ( s) , 且注意到單回路系統(tǒng)中的Gm ( s) 就是串級(jí)系統(tǒng)中的Gm 1 ( s) , 可以看到, 串級(jí)中Y1 ( s) / D2 ( s) 的分母中多了一項(xiàng), 即Gc 2 ( s)G v ( s) G p 2 ( s) ·Gm2 ( s) 。在主環(huán)工作頻率下, 這項(xiàng)乘積的數(shù)值一般是比較大的, 而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大

34、而加大; 另外式( 2-1) 的分母中第三項(xiàng)比式( 2-2) 分母中第二項(xiàng)多了一個(gè)Gc2 ( s) 。一般情況下, 副調(diào)節(jié)器的比例增益是大于1 的。因此可以說(shuō), 串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾D2 對(duì)主參數(shù)y1 這一通道的動(dòng)態(tài)增益明顯減小。當(dāng)二次干擾出現(xiàn)時(shí), 很快就被副調(diào)節(jié)器所克服。與單回路控制系統(tǒng)相比, 被調(diào)量受二次干擾的影響往往可以減小10100 倍,這要視主環(huán)與副環(huán)中容積分布情況而定。圖2-6單回路控制系統(tǒng)方框圖其次, 由于內(nèi)環(huán)起了改善對(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。分析比較圖2-5 和圖2-6, 可以發(fā)現(xiàn)串級(jí)系統(tǒng)中的內(nèi)環(huán)似乎代替了單回路中的一部分對(duì)

35、象, 亦即可以把整個(gè)副回路看成是一個(gè)等效對(duì)象Gp 2 ( s) , 記作Gp 2 ( s) = ( 2-3)假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為G p 2 (s) =; Gc2 (s) = Kc2 ;G v (s) = Kv ; Gm 2 (s) = Km 2將上述各式代入式( 3-3) , 可得Gp 2 ( s) = = (2-4)若令Kp2= ( 2-5)T p 2= (2-6)則式( 2-4) 改寫(xiě)為Gp2( s) = ( 2-7)式中, Kp2和T p 2分別為等效對(duì)象的增益和時(shí)間常數(shù)。比較Gp2 ( s) 和Gp2( s) ( 見(jiàn)式2-7) , 由于1 + K C2KvKp 2Km 2 &g

36、t; 1 這個(gè)不等式在任何情況下都是成立的, 因此有T p 2< T p 2 ( 2-8)這就表明, 由于副回路的存在, 起到改善動(dòng)態(tài)特性的作用。等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了( 1+ KC2KvKp2Km2 ) 倍, 而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小。通常情況下, 副對(duì)象是單容或雙容對(duì)象, 因此副調(diào)節(jié)器的比例增益可以取得很大, 這樣, 等效時(shí)間常數(shù)就可以減到很小的數(shù)值, 從而加快了副環(huán)的響應(yīng)速度, 提高了系統(tǒng)的工作頻率。串級(jí)控制系統(tǒng)有效地克服二次擾動(dòng)，改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。串級(jí)控制的主要優(yōu)點(diǎn)可概括如下：1副回路的內(nèi)部干擾，通常在它影響主被調(diào)量之前就已經(jīng)被副控制器所控制了。2副對(duì)象的相位滯

37、后由于存在副回路而顯著減小，因而改善了主回路的響應(yīng)速度。3副對(duì)象增益變化的影響在副回路內(nèi)部被克服。4副回路可按主回路的需要進(jìn)行精確的控制。串級(jí)控制也存在如下一些不足：1只有當(dāng)中間變量能夠被檢測(cè)出來(lái)時(shí)，才可能采用串級(jí)控制，但許多過(guò)程在結(jié)構(gòu)上是不容易以這種方式加以分割的。2串級(jí)控制系統(tǒng)比單回路控制系統(tǒng)需要更多的儀表。3串級(jí)控制系統(tǒng)的投放和整定比單回路控制系統(tǒng)要復(fù)雜一些。2.7.2串級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中的問(wèn)題如果把串級(jí)系統(tǒng)中整個(gè)閉環(huán)副回路作為一個(gè)等效對(duì)象來(lái)考慮, 可以看到主回路與一般單回路控制系統(tǒng)沒(méi)有什么區(qū)別, 無(wú)須特殊討論。但是副回路應(yīng)該怎樣設(shè)計(jì), 副參數(shù)又如何選擇, 主、副回路之間又有什么關(guān)系,

38、一個(gè)系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生什么問(wèn)題等等, 這些正是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)施中應(yīng)予以考慮的問(wèn)題。副回路的設(shè)：計(jì)串級(jí)系統(tǒng)的種種特點(diǎn)都是因?yàn)樵黾恿烁被芈返木壒省？梢哉f(shuō), 副回路的設(shè)計(jì)質(zhì)量是保證發(fā)揮串級(jí)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)的關(guān)鍵所在。從結(jié)構(gòu)上看, 副回路也是一個(gè)單回路, 問(wèn)題的實(shí)質(zhì)在于如何從整個(gè)對(duì)象中選取一部分作為副對(duì)象, 然后組成一個(gè)副控制回路, 這也可以歸納為如何選擇副參數(shù)。下面是有關(guān)副回路設(shè)計(jì)的幾個(gè)原則。（1） 副參數(shù)的選擇應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小, 調(diào)節(jié)通道短, 反應(yīng)靈敏通常串級(jí)系統(tǒng)被用來(lái)克服對(duì)象的容積滯后和純滯后。也就說(shuō), 總是這樣來(lái)選擇副參數(shù), 使得副回路時(shí)間常數(shù)小, 調(diào)節(jié)通道短, 從而使等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)大大

39、減小, 提高了系統(tǒng)的工作頻率, 加速了反應(yīng)速度, 縮短控制時(shí)間, 最終改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)?？傊? 它們都設(shè)法找到一個(gè)反映靈敏的副參數(shù), 使得在干擾影響主參數(shù)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(zhì)量有很大提高。（2）副回路應(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾串級(jí)系統(tǒng)對(duì)二次干擾有較強(qiáng)的克服能力。為了發(fā)揮這一特殊作用, 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí), 副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副環(huán)盡可能多地包括一些擾動(dòng)。當(dāng)然也不能走極端, 試圖把所有擾動(dòng)都包括進(jìn)去, 這樣將使主調(diào)節(jié)器失去作用, 也就不成其為串級(jí)控制了。因此, 在要求副回路調(diào)節(jié)通道短、反應(yīng)快與盡可能多地納入干擾這兩者之間存在著矛盾, 應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。副調(diào)節(jié)

40、器實(shí)際上是保持流量計(jì)孔板壓差穩(wěn)定, 目的是保持加熱量穩(wěn)定, 這是一種常用的方案。但它也不是唯一可行的。我們知道, 當(dāng)加熱蒸汽供汽壓力變化時(shí), 僅僅保持孔板壓差穩(wěn)定并不能完全保證加熱量穩(wěn)定。加熱量的大小可以更好地表現(xiàn)在蒸汽管壁的溫度上, 而由于蒸汽凝結(jié)放熱的熱阻很小, 即管壁溫度與管內(nèi)蒸汽飽和溫度之間的差別很小,，因此如果把調(diào)節(jié)閥后的蒸汽壓力選作副參數(shù)來(lái)進(jìn)行串級(jí)控制那么就可以把加熱蒸汽側(cè)的擾動(dòng)完全包括在副環(huán)之內(nèi), 與控制蒸汽流量串級(jí)方案相比,，副環(huán)中包括了更大一些的時(shí)間常數(shù), 因而也有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能。 如果以再沸器的蒸發(fā)量作為副參數(shù)如圖中作用線(xiàn)3 所示, 那么就可以進(jìn)一步把再沸器釜液側(cè)的

41、擾動(dòng)包括在副環(huán)內(nèi)( 包括再沸器液位、塔釜液溫度等) 。整個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)象的最大慣性是在塔底部分, 所以這樣也有助于改善主環(huán)的調(diào)節(jié)性能。但是這樣一來(lái)副環(huán)的調(diào)節(jié)性能就要降低一些, 對(duì)于克服加熱蒸汽方面的擾動(dòng)就不能那樣迅速了。在具體情況下, 副環(huán)的范圍應(yīng)當(dāng)多大, 決定于整個(gè)對(duì)象的容積分布情況以及各種擾動(dòng)影響的大小。副環(huán)的范圍也不是愈大愈好, 太大了, 副環(huán)本身的調(diào)節(jié)性能就差, 同時(shí)還可能使主環(huán)的調(diào)節(jié)性能惡化。一般應(yīng)使副環(huán)的頻率比主環(huán)的頻率高得多。當(dāng)副環(huán)的時(shí)間常數(shù)加在一起超過(guò)了主環(huán)時(shí), 采用串級(jí)調(diào)節(jié)沒(méi)有什么效果。圖2-7 5.16 精餾塔提餾段溫度控制的不同串級(jí)方案2.7.3主蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)根據(jù)在基本

42、擾動(dòng)Ws 下主蒸汽溫度s 有較大的容積遲延, 而減溫器出口處蒸汽溫度d 卻有明顯的導(dǎo)前作用, 完全可以構(gòu)成以d 為副參數(shù)、s 為主參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng), 如圖2-8所示。顯然, 副回路是個(gè)快速回路, 可以很快消除作用于內(nèi)回路中的擾動(dòng)。副調(diào)節(jié)器應(yīng)根據(jù)快速回路來(lái)進(jìn)行整定, 其整定方法同一般串級(jí)回路。實(shí)際上, 汽溫串級(jí)系統(tǒng)在控制效果上與帶導(dǎo)前微分信號(hào)的控溫系統(tǒng)沒(méi)有什么區(qū)別, 只是由于后者儀表投資較少, 過(guò)去曾在電廠(chǎng)得到廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在, 隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,串級(jí)控溫系統(tǒng)又具有整定方便的優(yōu)點(diǎn), 汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)外得到越來(lái)越多的應(yīng)圖2-8汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)用?，F(xiàn)在20萬(wàn)kW 以上的機(jī)組大多采用這種

43、控制方案。2.7.4 串級(jí)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理11針對(duì)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性遲延大、被調(diào)量出口氣溫反饋慢的特點(diǎn), 從對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)( 噴水減溫器出口氣溫) 作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào), 以改善對(duì)象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性, 提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。構(gòu)成的串級(jí)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)見(jiàn)圖2-9。系統(tǒng)中有主副兩個(gè)調(diào)節(jié)器, 主調(diào)節(jié)器接受被調(diào)量出口氣溫及其給定值信號(hào), 主調(diào)的輸出I 給與噴水減溫器出口氣溫1 共同作為副調(diào)節(jié)器輸入, 副調(diào)節(jié)器輸出IT 控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)位移, 從而控制減溫水調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度。假如有噴水量WB 的自發(fā)性上升造成內(nèi)擾, 如果不及時(shí)加以調(diào)節(jié),出口氣溫將會(huì)下降。

44、但因?yàn)閲娝畠?nèi)擾引起的1下降快于的下降, 溫度測(cè)量變送器輸出1降低, 副調(diào)節(jié)器輸出IT 降低, 通過(guò)執(zhí)行器使噴水閥開(kāi)度下降, 則WB 降低, 使擾動(dòng)引起的1波動(dòng)很快消除, 從而使主氣溫基本不受影響。另外副調(diào)還受到主調(diào)輸出的影響, 假如負(fù)荷或煙氣擾動(dòng)引起主氣溫提高, 測(cè)量變送器輸出I增加, I對(duì)主調(diào)是反作用, 主調(diào)輸出I 給降低, I 給對(duì)副調(diào)也是反作用, 使副調(diào)輸出IT 增加, 通過(guò)執(zhí)行器使噴水閥開(kāi)度提高, 則WB 提高, 從而穩(wěn)定主氣溫。圖2-9 串級(jí)過(guò)熱氣溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)從圖2-9 中可看到, 串級(jí)系統(tǒng)和單級(jí)系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別, 即在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)。一個(gè)閉環(huán)在里面, 被稱(chēng)為內(nèi)回路或副回路,

45、 包括副對(duì)象( 其輸入為調(diào)節(jié)量WB, 輸出為1) 、副參數(shù)1測(cè)量變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、噴水閥。內(nèi)回路任務(wù)是盡快消除減溫水量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入內(nèi)回路的各種擾動(dòng)( 噴水減溫器入口蒸汽溫度、流量變化) , 在調(diào)節(jié)過(guò)程中起著粗調(diào)的作用; 副調(diào)一般采用P 或PD 調(diào)節(jié)器。一個(gè)閉環(huán)在外面, 被稱(chēng)為外回路或主回路, 包括主對(duì)象( 即過(guò)熱器, 其輸入為1, 輸出為) 、主參數(shù)測(cè)量變送器、主調(diào)節(jié)器、副回路, 外回路的任務(wù)是保持過(guò)熱器出口氣溫等于給定值, 起細(xì)調(diào)作用, 主調(diào)一般采用PI 或PID 調(diào)節(jié)器。2.7.5串級(jí)控制系統(tǒng)和簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的區(qū)別 隨著生產(chǎn)過(guò)程向著大型、連續(xù)和強(qiáng)化方向發(fā)展,對(duì)操作條件要求更

46、加嚴(yán)格, 參數(shù)間相互關(guān)系更加復(fù)雜, 對(duì)控制系統(tǒng)的精度和功能提出許多新的要求, 特別是在電廠(chǎng)的主要熱工過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中, 由于對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的安全性和經(jīng)濟(jì)性要求較高, 如果仍然采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng), 往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的要求, 因此, 要采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng), 即采用串級(jí)控制系統(tǒng)可有效地提高調(diào)節(jié)品質(zhì), 并且得到了廣泛的應(yīng)用。串級(jí)控制系統(tǒng)是采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器, 一級(jí)為主調(diào)節(jié)器, 另一級(jí)為副調(diào)節(jié)器, 這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串在一起工作, 各盡其能。通用的串級(jí)控制系統(tǒng)框圖如下:圖2-10串級(jí)控制系統(tǒng)框圖1串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán), 一個(gè)閉環(huán)在里面, 被稱(chēng)為副環(huán)或者副回路在控制過(guò)程中起著“粗調(diào)”的作用; 一個(gè)環(huán)在外

47、面, 被稱(chēng)為主環(huán)或主回路, 用來(lái)完成“細(xì)調(diào)”任務(wù), 以最終保證被調(diào)量滿(mǎn)足工藝要求。無(wú)論主環(huán)或副環(huán)都有各自的調(diào)節(jié)對(duì)象, 測(cè)量變送元件和調(diào)節(jié)器。2在主環(huán)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。在副環(huán)內(nèi)則相應(yīng)地稱(chēng)為副調(diào)節(jié)對(duì)象, 副參數(shù)和副調(diào)節(jié)器。兩個(gè)調(diào)節(jié)器它們的作用各不相同。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的設(shè)定值, 它的輸出作用副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值, 而副調(diào)節(jié)器的輸出信則是送到調(diào)節(jié)器去控制生產(chǎn)過(guò)程。3比較串級(jí)控制系統(tǒng)和簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng), 前者只比后者多了一個(gè)測(cè)量變送元件和一個(gè)調(diào)節(jié)器, 增加的儀表投資并不多, 但控制效果卻是顯著的提高。2.7.6串級(jí)控制系統(tǒng)可有效地提高調(diào)節(jié)品質(zhì)從上面串級(jí)

48、控制系統(tǒng)圖中可看到, 一般把包括在副回內(nèi)的擾動(dòng)稱(chēng)為二級(jí)擾動(dòng),而把作用于副環(huán)之外的擾動(dòng)稱(chēng)為一次擾動(dòng), 這兩類(lèi)擾動(dòng)串級(jí)控制效果有本質(zhì)的差別。首先是副環(huán)具有快速作用, 它能夠有效地克服二次擾動(dòng)的影響, 可以說(shuō)串級(jí)系統(tǒng)主要是用來(lái)克服進(jìn)入副回路的二次干擾的。當(dāng)二次干擾經(jīng)過(guò)干擾通道后, 進(jìn)入副環(huán), 首先影響副參數(shù), 于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作, 力圖削弱干擾對(duì)副參數(shù)的影響, 顯然, 干擾經(jīng)過(guò)副環(huán)的抑止后再進(jìn)入主環(huán), 對(duì)主參數(shù)的影響將有較大的減弱。當(dāng)二次干擾出現(xiàn)時(shí), 很快就被副調(diào)節(jié)器所克服, 與單回路控制系統(tǒng)相比, 被調(diào)量受二次干擾的影響往往可以減少10- 100 倍。由于副環(huán)起了改善對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用, 因此,

49、 可以加大主調(diào)節(jié)器的增益, 提高系統(tǒng)的工作頻率。通過(guò)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)方框圖的分析, 發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制系統(tǒng)中的副回路存在, 起到了改善動(dòng)態(tài)特性的作用。通常情況下, 副對(duì)象是單容或雙容對(duì)象, 因此, 副調(diào)節(jié)器的比例增益可以取得很大, 這樣等效時(shí)間常數(shù)就可以減小到很小的數(shù)值, 從而加快了副環(huán)的響應(yīng)速度, 提高了系統(tǒng)的工作頻率。由于副環(huán)的存在, 使串級(jí)控制系統(tǒng)有一定的自適應(yīng)能力。眾所周知, 生產(chǎn)過(guò)程往往包含一些非線(xiàn)性因素,因此, 在一定的負(fù)荷下, 即在確定的工作點(diǎn)情況下,按一定控制質(zhì)量指標(biāo)整定的調(diào)節(jié)器參數(shù)只適應(yīng)工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍, 如果負(fù)荷變化過(guò)大, 超出這個(gè)范圍, 那么控制質(zhì)量就會(huì)下降

50、。在單回路控制系統(tǒng)中是難以解決的, 但在串級(jí)控制系統(tǒng)中情況就不同了,負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化, 可以較少影響或不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。因此, 如果副對(duì)象增益或調(diào)節(jié)閥的特性隨負(fù)荷變化時(shí), 在不改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的情況下, 系統(tǒng)的副回路能自動(dòng)的克服非線(xiàn)性因素的影響, 保持或接近原有的控制質(zhì)量, 從另一方面看, 由于副回路通常是一個(gè)流量隨動(dòng)系統(tǒng), 當(dāng)系統(tǒng)操作條件或負(fù)荷改變時(shí), 主調(diào)節(jié)器將改變其輸出值, 副回路能快速跟蹤及時(shí)而又精確地控制流量, 從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從上兩方面看, 串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的變化有一定自適應(yīng)能力。2.7.7調(diào)節(jié)器的選型和整定方法12 在串級(jí)控制系統(tǒng)中, 主調(diào)節(jié)器

51、和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同, 對(duì)它們的選型即調(diào)節(jié)動(dòng)作規(guī)律的選擇也有不同的考慮。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是更快動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng), 而且副參數(shù)則并不要求無(wú)差, 所以一般選P 調(diào)節(jié)器, 也可以采用PD 調(diào)節(jié)器, 但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性, 而效果并不很大。在一般情況下, 采用P 調(diào)節(jié)器就足夠了, 如主、副環(huán)的頻率相差很大, 也可以考慮采用P I 調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需要采用串級(jí)調(diào)節(jié)的場(chǎng)合, 工藝上對(duì)控制品質(zhì)的要求總是很高的, 不允許被調(diào)量存在偏差, 因此, 調(diào)節(jié)器都必須具有積分作用, 一般都采用P I 調(diào)節(jié)器。如果副環(huán)外面的容積數(shù)目較多, 同時(shí)有主要擾動(dòng)落在副環(huán)外

52、面的話(huà), 就可以考慮采用P ID 調(diào)節(jié)器。例: 我廠(chǎng)主汽溫度自動(dòng)調(diào)節(jié), 主調(diào)均采用P ID 調(diào)節(jié)器, 有效的克服了遲延, 起到了較理想的調(diào)節(jié)效果, 主汽溫度最大波動(dòng)在1之內(nèi)。串級(jí)控制系統(tǒng)的整定要比簡(jiǎn)單回路控制系統(tǒng)復(fù)雜些, 因?yàn)閮蓚€(gè)調(diào)節(jié)器在一起, 在一個(gè)系統(tǒng)中工作, 互相之間或多或少有些影響, 在運(yùn)行中, 主環(huán)和副環(huán)的波動(dòng)頻率不同, 副環(huán)頻率較高, 主環(huán)頻率較低, 在整定時(shí), 應(yīng)盡量加大副調(diào)節(jié)器的增益以提高副環(huán)的頻率, 目的是使主副環(huán)的頻率錯(cuò)開(kāi), 最好相差三倍以上, 以減少相互之間的影響。在運(yùn)行中, 有時(shí)會(huì)把主環(huán)從自動(dòng)切換到手動(dòng)操作, 副調(diào)節(jié)器的整定要考慮到這個(gè)情況, 它自己應(yīng)能很好地獨(dú)立工作。

53、在一般情況下, 既然主、副環(huán)的頻率相差很多, 相互之間的影響不大, 這時(shí)就可以首先在主環(huán)開(kāi)路的情況下, 按通常整定簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的方法整定副調(diào)節(jié)器, 然后, 在投入副調(diào)節(jié)器的情況下, 再按通常的方法把主調(diào)節(jié)器整定好?？梢?jiàn), 調(diào)節(jié)器的選型和整定方法是串級(jí)控制系統(tǒng)能夠更好發(fā)揮控制作用是非常重要的。2.7.8采用串級(jí)控制系統(tǒng)可有效地提高調(diào)節(jié)品質(zhì)的主要因素1.對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力。2.改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性, 提高了系統(tǒng)的工作頻率。3.對(duì)負(fù)荷或操作條件的變化有一定自適應(yīng)能力。4.理想的調(diào)節(jié)器選型和整定方法。2.8主蒸汽溫度控制策略研究針對(duì)電廠(chǎng)鍋爐這個(gè)復(fù)雜的控制對(duì)象，人們不斷地探索更為有效和精確的控制

54、手段：從長(zhǎng)期研究和實(shí)踐總結(jié)出的經(jīng)典控制理論到隨著微機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用而得到飛躍發(fā)展的現(xiàn)代控制理論，再到后來(lái)出現(xiàn)的無(wú)須精確數(shù)學(xué)模型的智能控制方法?，F(xiàn)不對(duì)具體結(jié)果，僅對(duì)控制思想、控制方法作個(gè)簡(jiǎn)要的介紹和綜述。2.8.1基于經(jīng)典控制理論的主汽溫度控制方法【13】常規(guī)PID控制，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此目前廣泛應(yīng)用于電廠(chǎng)主汽溫度的調(diào)節(jié)。但常規(guī)PID控制器構(gòu)成的調(diào)節(jié)系數(shù)存在其固有的缺點(diǎn)：參數(shù)是根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型來(lái)整定的，而汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的時(shí)變性、不確定性和非線(xiàn)性，使其難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，僅僅依靠PID控制，無(wú)論P(yáng)ID參數(shù)如何匹配，也很難使蒸汽溫度適應(yīng)各種擾動(dòng)的變化。而且，一旦運(yùn)行工況

55、發(fā)生較大變化，過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性和模型參數(shù)會(huì)受到較大影響。所以，采用常規(guī)PID控制方法很難獲得令人滿(mǎn)意的控制性能?；谝陨铣Ｒ?guī)PID控制的缺點(diǎn)，出現(xiàn)了一系列的改進(jìn)方法，有相應(yīng)的相位補(bǔ)償，前饋補(bǔ)償控制，分段控制等。但是，這些針對(duì)PID控制系統(tǒng)的一系列改進(jìn)措施，仍然不能從根本上使控制系統(tǒng)達(dá)到滿(mǎn)意的控制品質(zhì)。根本原因是它們無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行直接有效地控制。典型的PID控制方法有下列幾種：1.普通PID串級(jí)控制PID 串級(jí)控制由主、副2個(gè)控制回路組成。副控制回路中的調(diào)節(jié)器根據(jù)導(dǎo)前汽溫的變化改變減溫水量，消除減溫系統(tǒng)的內(nèi)部擾動(dòng)，對(duì)主汽溫進(jìn)行粗調(diào)。當(dāng)主汽溫偏離給定值時(shí)，主調(diào)節(jié)器輸出校正信號(hào)，

56、不斷調(diào)節(jié)減溫水量，直到主汽溫恢復(fù)到給定值，對(duì)主汽溫起細(xì)調(diào)作用。鍋爐過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-11所示，圖中：R1(s)和R2(s)分別為副控制器和主控制，G1(s) G2(s)分別為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，H1(s)和H2(s)分別為導(dǎo)前汽溫和過(guò)熱汽溫的測(cè)量變送單元特性，d1和d2為系統(tǒng)擾動(dòng)。圖2-11主汽溫串級(jí)控制回路框圖相位補(bǔ)償控制:相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，是補(bǔ)償被控對(duì)象的滯后，通過(guò)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的相角超前，有效降低補(bǔ)償后等效被控對(duì)象的模型階次。這種控制方法的主要思想，是用一個(gè)超前動(dòng)態(tài)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)它的超前性能來(lái)補(bǔ)償被控對(duì)象的慣性和滯后，從而使補(bǔ)償后的等效對(duì)象具有滯后較小的特性。因此，可在保證控制

57、系統(tǒng)穩(wěn)定性不變的前提下，加快調(diào)節(jié)器的動(dòng)作速度，從而有效抑制汽溫的變化，文獻(xiàn)14相位補(bǔ)償技術(shù)的控制思想如圖2-12所示。圖2-12相位補(bǔ)償控制回路框圖分段控制:目前大機(jī)組的過(guò)熱汽溫一般采用分段控制，I級(jí)噴水減溫器通常布置在屏式過(guò)熱器之前，級(jí)噴水減溫器通常布置在末級(jí)過(guò)熱器之前，主汽溫的控制通過(guò)I級(jí)噴水和級(jí)噴水來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣便可以提高汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。就原理上說(shuō)，在定值分段汽溫控制系統(tǒng)中，末級(jí)噴水維持鍋爐出口汽溫，末級(jí)前的每級(jí)噴水分別維持過(guò)熱器段相應(yīng)的中間點(diǎn)溫度，各個(gè)減溫噴水器的控制邏輯相互獨(dú)立，定值系統(tǒng)的控制目標(biāo)明確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，系統(tǒng)參數(shù)整定容易，投運(yùn)相對(duì)簡(jiǎn)單，且各級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)手動(dòng)、自動(dòng)切換自由。但