自動(dòng)調(diào)節(jié)器典型調(diào)節(jié)規(guī)律及調(diào)節(jié)過(guò)程分析

1、熱力過(guò)程自動(dòng)化第八章 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律 第 170 頁(yè) 共287 頁(yè)第八章 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律及其對(duì)過(guò)程影響第一節(jié) 自動(dòng)調(diào)節(jié)器典型調(diào)節(jié)規(guī)律及調(diào)節(jié)過(guò)程分析調(diào)節(jié)器的基本調(diào)節(jié)規(guī)律是模擬運(yùn)行人員的基本操作，是運(yùn)行人員調(diào)節(jié)動(dòng)作精華的總結(jié)。選擇合適的調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律是熱工自動(dòng)人員的職責(zé)范疇，但運(yùn)行人員如果能理解各種動(dòng)作的調(diào)節(jié)過(guò)程，就能夠使用好相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的是要及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行調(diào)節(jié)，前面我們已經(jīng)講到基本環(huán)節(jié)由比例、積分、慣性、微分、遲延組成。因?yàn)閼T性、遲延環(huán)節(jié)不符合及時(shí)準(zhǔn)確的要求，所以我們可考慮的就只有比例、積分、微分這三種特性了（積分、微分調(diào)節(jié)規(guī)律一般不能單獨(dú)使用）。自動(dòng)調(diào)節(jié)器的典型動(dòng)作規(guī)律按照

2、環(huán)節(jié)特性可分為比例（P）、比例積分（PI）、比例微分（PD）、比例積分微分（PID）。一、典型調(diào)節(jié)規(guī)律1. 比例（P）調(diào)節(jié)規(guī)律比例調(diào)節(jié)作用簡(jiǎn)稱為P作用，是所有調(diào)節(jié)器必不可少的一種典型調(diào)節(jié)作用。P作用實(shí)質(zhì)上就是典型環(huán)節(jié)中的比例作用。不過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)一般用電子元件構(gòu)成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，其輸入輸出都是電信號(hào)。比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，稱為比例環(huán)節(jié)的比例放大系數(shù)；而在比例（P）調(diào)節(jié)作用中，傳遞函數(shù)習(xí)慣上表示成， （8-1）式中 調(diào)節(jié)器的比例帶（比例度），越大，比例作用越弱。下面以如圖8-1所示的采用浮子式比例調(diào)節(jié)器的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)為例，說(shuō)明比例調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律。該系統(tǒng)的被調(diào)對(duì)象是有自平衡能力的單容水箱；浮子起到檢測(cè)器

3、的作用，用于感受水位的變化；比例調(diào)節(jié)器就是杠桿本身，杠桿以O(shè)點(diǎn)為支點(diǎn)可以順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。給定值的大小與給定值連桿的長(zhǎng)短有關(guān)；選擇流入側(cè)閥門作為調(diào)節(jié)閥，由調(diào)節(jié)器來(lái)控制它的開度變化。當(dāng)某種擾動(dòng)使水位升高時(shí)（說(shuō)明此時(shí)流入量流出量），浮子隨之升高，通過(guò)杠桿作用使閥門芯下移，關(guān)小調(diào)節(jié)閥，流入量減小直至等于流出量。反之，當(dāng)某種擾動(dòng)使水位降低時(shí)（說(shuō)明此時(shí)流入量流出量，浮子隨之降低，通過(guò)杠桿作用使閥門芯上移，開大調(diào)節(jié)閥，流入量加大直至等于流出量。這樣，就可以自動(dòng)地把水位H維持在某個(gè)高度附近，完成水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)。，動(dòng)作方向始終正確，朝著減小被調(diào)量波動(dòng)的方向努力。比例調(diào)節(jié)器的動(dòng)畫演示見光盤第八章目錄下”比例調(diào)

4、節(jié)器流出側(cè)擾動(dòng)(階躍減少)”和“比例調(diào)節(jié)器流出側(cè)擾動(dòng)(階躍增加)”圖8-1 比例（P）調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖示中連桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)，水位如圖8-1所示。假設(shè)在目前調(diào)節(jié)閥門開度下流入流出正好平衡，水位穩(wěn)定不變。此時(shí)，將給定值連桿變短后重新裝入，由于連桿變短，水位還是原數(shù)值沒(méi)有變化，所以調(diào)節(jié)器杠桿右側(cè)下降左端升高，調(diào)節(jié)閥門開度階躍開大，使流入量階躍增加，進(jìn)而引起水位H上升，水位上升的同時(shí)，調(diào)節(jié)杠桿右側(cè)又不斷回升，杠桿左端下移，調(diào)節(jié)閥開度不斷關(guān)小，使減小，當(dāng)時(shí)，水位處于新的平衡狀態(tài)。這個(gè)新的水位高于原來(lái)的水位，所以給定值連桿長(zhǎng)度變短相當(dāng)于給定值的增加，給定值連桿的長(zhǎng)度就代表給定數(shù)值的大小。自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主體是由被調(diào)對(duì)象

5、（單容水箱）、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（流入側(cè)閥門）、檢測(cè)器（浮子）、調(diào)節(jié)器（杠桿）、執(zhí)行器（閥門桿）組成，方框圖如圖8-2所示。圖8-2 比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖圖中代表檢測(cè)器（浮子）傳遞函數(shù)，此系統(tǒng)1；（為了分析方便，對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，假設(shè)檢測(cè)器和執(zhí)行器的傳遞函數(shù)都等于1（實(shí)際系統(tǒng)雖然不等于1但等于常數(shù)），故圖8-2上省略執(zhí)行器）；反映流入側(cè)閥門開度和流量之間的關(guān)系；為調(diào)節(jié)器傳函，此系統(tǒng)；反映水箱這一環(huán)節(jié)凈流量與水位的關(guān)系；代表水箱流出側(cè)閥門阻力；代表流出側(cè)閥門開度擾動(dòng)；反映流出側(cè)閥門開度與流量之間的關(guān)系。選擇給定值G為輸入，水位為輸出，傳遞函數(shù)可化簡(jiǎn)為 （8-2）是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)放大系數(shù) （8-3）

6、當(dāng)給定值擾動(dòng)為幅值為的階躍擾動(dòng)時(shí)，輸出水位的穩(wěn)態(tài)值為 （8-4） （8-5）可以看出，靜態(tài)偏差與成正比。如圖8-2所示系統(tǒng)，給定值單位階躍擾動(dòng)仿真曲線如圖8-3所示，從圖中可知，隨著，靜態(tài)偏差也相應(yīng)，但響應(yīng)曲線始終體現(xiàn)為一階慣性環(huán)節(jié)特性，為非周期響應(yīng)，系統(tǒng)始終很穩(wěn)定。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT01.mdl”。圖8-3 給定值單位階躍響應(yīng)給定值G不變，流出側(cè)階躍擾動(dòng)時(shí)，的仿真曲線如圖8-4所示，從曲線上可以看出，流出側(cè)閥門開大時(shí)（），水位，且隨著，靜差e()，響應(yīng)曲線為非周期響應(yīng)。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT02.mdl”。圖8-4 流出側(cè)單位階躍擾動(dòng)該

7、調(diào)節(jié)系統(tǒng)只有被調(diào)量一個(gè)反饋回路，簡(jiǎn)稱單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，典型單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖如圖8-5所示，圖8-5 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖為了分析方便，假設(shè)執(zhí)行器；檢測(cè)器；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)； （8-6）調(diào)節(jié)器采用比例（P）調(diào)節(jié)器，； （8-7）被調(diào)對(duì)象為有自平衡多容對(duì)象，調(diào)節(jié)通道等效傳函表示為 （8-8）干擾通道等效傳函表示為 （8-9）給定值G加入單位階躍擾動(dòng)的雙容對(duì)象調(diào)節(jié)系統(tǒng)仿真曲線如圖8-6所示，從圖上可以看出，隨著比例帶的增大，響應(yīng)曲線振蕩程度逐漸減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，但靜態(tài)偏差也逐漸加大。動(dòng)畫演示見光盤第八章目錄下“比例調(diào)節(jié)器配雙容水箱”。Matlab文件見光盤第八章目錄下“BiLiXT03.mdl”。圖8

8、-6給定值單位階躍擾動(dòng)響應(yīng)（比例調(diào)節(jié)器配接雙容對(duì)象）對(duì)方框圖8-5進(jìn)行等效變換，化簡(jiǎn)出給定值作為輸入時(shí)的系統(tǒng)等效傳函為： （8-10）可看出該系統(tǒng)屬于振蕩環(huán)節(jié)，與振蕩環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)傳函比較可得出同時(shí) （8-11）隨著，靜態(tài)偏差，靜態(tài)準(zhǔn)確性指標(biāo)變壞；，系統(tǒng)穩(wěn)定程度提高，對(duì)提高系統(tǒng)穩(wěn)定性有利；，振蕩頻率，響應(yīng)曲線振蕩周期加大（調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)）。通過(guò)上面分析，可以得出比例調(diào)節(jié)作用的優(yōu)點(diǎn)：動(dòng)作方向始終正確，且加大比例帶對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性有利（多容對(duì)象）；缺點(diǎn)：存在靜態(tài)偏差，且靜差與比例帶成正比。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)對(duì)象多數(shù)是多容對(duì)象，所以，當(dāng)調(diào)節(jié)比例帶時(shí)，其對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的影響正好相反。2. 積分（I）調(diào)節(jié)規(guī)律比例

9、調(diào)節(jié)的最大缺點(diǎn)是存在靜態(tài)偏差，要想靜差為0，比例帶就要選擇的非常小，而這會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大降低，這是我們不希望的。積分調(diào)節(jié)器就是前面研究過(guò)的積分環(huán)節(jié)，輸入信號(hào)是誤差，輸出信號(hào)是閥門開度。表達(dá)式如下，此式表明調(diào)節(jié)閥的開度變化與誤差對(duì)時(shí)間的積分成正比。只有當(dāng)誤差為0時(shí)，調(diào)節(jié)閥開度才能保持不變。傳遞函數(shù)為 （8-12）積分時(shí)間常數(shù)，越小輸出的變化就越快，稱為積分作用越強(qiáng)。所以，采用積分調(diào)節(jié)器可以消除被調(diào)量的靜態(tài)偏差，這是積分調(diào)節(jié)規(guī)律的主要特點(diǎn)，也是它的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于如圖8-5所示的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用積分調(diào)節(jié)器，傳函為，對(duì)象采用有自平衡單容對(duì)象，調(diào)節(jié)通道傳函表示為；選擇給定值G作為輸入，被調(diào)量作

10、為輸出，構(gòu)成的負(fù)反饋回路如圖8-7所示，系統(tǒng)傳遞函數(shù)為圖8-7 積分調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖（配接有自平衡單容對(duì)象） （8-13）與二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)傳函比較，列出聯(lián)立方程組 （8-14）解之得 （8-15）由上式可知，與其它變量無(wú)關(guān)，對(duì)于給定值為幅值為的階躍擾動(dòng)，靜態(tài)偏差。分析得出積分作用的優(yōu)點(diǎn)：可以消除靜態(tài)偏差。比例作用配接有自平衡的單容對(duì)象構(gòu)成的系統(tǒng)總是穩(wěn)定的，而采用積分作用當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)則為衰減振蕩，說(shuō)明引入積分作用降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，造成振蕩。的大小與積分時(shí)間成正比，即減小，減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，振蕩加劇。積分調(diào)節(jié)器配接單容水箱的演示文件見光盤第八章目錄下“積分調(diào)節(jié)器”（使用時(shí)先選擇“水位升高”或

11、“水位降低”按鈕后再選擇綠色的“播放”按鈕。對(duì)于積分作用來(lái)說(shuō)，只要存在誤差，積分環(huán)節(jié)的輸出就會(huì)一直朝某方向變化，這種變化作用在對(duì)象的輸入端（調(diào)節(jié)作用），目的是消除誤差。例如單容水箱當(dāng)時(shí)，偏差，數(shù)值為負(fù)，所以積分調(diào)節(jié)器輸出減小，進(jìn)而關(guān)小調(diào)節(jié)閥門減小流入量。水位偏低會(huì)加大流入量。但這種調(diào)節(jié)只以水位是否等于給定值作為調(diào)節(jié)目標(biāo)，而不是以流入流出量平衡作為調(diào)節(jié)目標(biāo)。假設(shè)給定值G不變，對(duì)象受到流出側(cè)擾動(dòng)，水位響應(yīng)曲線如圖8-11所示，在時(shí)刻，積分輸出持續(xù)減小，會(huì)關(guān)小流入側(cè)閥門；在時(shí)刻，積分輸出持續(xù)增大，會(huì)開大流入側(cè)閥門。而水位的變化是反映流入與流出是否平衡的標(biāo)志，、階段水位上升說(shuō)明流入大于流出，正確調(diào)節(jié)應(yīng)

12、關(guān)小流入側(cè)閥門；水位下降說(shuō)明流入小于流出，應(yīng)開大流入側(cè)閥門。采用積分作用，在階段，應(yīng)該關(guān)小且實(shí)際調(diào)節(jié)也關(guān)小，方向正確；在階段，應(yīng)該開大而實(shí)際調(diào)節(jié)關(guān)小，方向錯(cuò)誤；在階段，應(yīng)該開大且實(shí)際調(diào)節(jié)也開大，方向正確；在階段，應(yīng)該關(guān)小而實(shí)際調(diào)節(jié)開大，方向錯(cuò)誤。一個(gè)周期內(nèi)有一半的時(shí)間調(diào)節(jié)方向是錯(cuò)誤的，這種錯(cuò)誤調(diào)節(jié)會(huì)引起過(guò)調(diào)現(xiàn)象的產(chǎn)生，過(guò)調(diào)是引起系統(tǒng)輸出振蕩的原因。通過(guò)分析可以得出積分作用的缺點(diǎn)：過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)調(diào)，引起被調(diào)量反復(fù)振蕩，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。積分時(shí)間越小其積分作用越強(qiáng)，輸出的變化越快，過(guò)調(diào)就越嚴(yán)重，系統(tǒng)的振蕩就越劇烈。單容有自平衡水箱配接積分調(diào)節(jié)器給定值單位階躍擾動(dòng)的水位仿真曲線如圖8-8所示?？梢钥?/p>

13、出，時(shí)，動(dòng)差（，），穩(wěn)定性（）；時(shí)，動(dòng)差（，），穩(wěn)定性（）。對(duì)穩(wěn)定性和動(dòng)差的影響正好相反。但也不是越大越好。（a）、（b）圖比較可知，過(guò)大，系統(tǒng)的響應(yīng)遲緩，調(diào)節(jié)時(shí)間加大，快速性指標(biāo)變壞。說(shuō)明選擇積分調(diào)節(jié)器的參數(shù)既要能很快地消除誤差（盡量小，以縮短），又要盡量使系統(tǒng)穩(wěn)定（盡量大）。因?yàn)榉e分調(diào)節(jié)會(huì)造成振蕩現(xiàn)象，使得積分作用在實(shí)際系統(tǒng)中一般不單獨(dú)使用，需要和比例配接，構(gòu)成比例積分（PI）調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器采用P、I、PI規(guī)律的仿真曲線如圖8-9所示。可以看出，單純的P作用穩(wěn)定性最好，但存在靜態(tài)偏差；單純的I作用可以消除靜差，但動(dòng)差最大，穩(wěn)定性最差；采用PI，既消除了靜差（和P比），又提高了穩(wěn)定性（和I比）

14、。圖8-8（a）圖Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT01.mdl”，（b）圖Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT02.mdl”。圖8-9 Matlab文件見光盤第八章目錄下“JiFenXT03.mdl”。 （a）較小 （b）過(guò)大圖8-8 I調(diào)節(jié)器配接單容對(duì)象（G單位階躍擾動(dòng)）圖 8-9 P、I、PI效果比較（G單位階躍擾動(dòng)）3. 微分（D）調(diào)節(jié)規(guī)律比例及積分兩種調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出均只與被調(diào)量誤差的大小及正負(fù)有關(guān)，而不考慮誤差的變化速度。只有微分調(diào)節(jié)規(guī)律的輸出是與誤差的變化速度成正比，即傳遞函數(shù)表示為 （8-16）微分時(shí)間，越大，微分作用越強(qiáng)。當(dāng)調(diào)節(jié)對(duì)象的主容積中一旦出

15、現(xiàn)流入量與流出量不平衡時(shí)，立刻就有一個(gè)與此不平衡流量成正比的被調(diào)量變化速度出現(xiàn)。而此瞬時(shí)后被調(diào)量才能逐漸發(fā)生變化，在一小段時(shí)間內(nèi)，因被調(diào)量的偏離還很小，比例、積分調(diào)節(jié)器的輸出均很小。按式8-16，微分調(diào)節(jié)作用接受被調(diào)量偏差變化速度為輸入信號(hào)，輸出信號(hào)立即去改變調(diào)節(jié)閥的開度，迅速減小流量差，有效地抑制了被調(diào)量的變化幅度（即使被調(diào)量的動(dòng)態(tài)偏差大為減小）。這是微分調(diào)節(jié)規(guī)律的主要優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)于慣性和容量遲延大的對(duì)象尤為有利。當(dāng)擾動(dòng)出現(xiàn)后，被調(diào)量誤差變化速度超前于誤差信號(hào)，使得微分作用較之比例積分作用提前，故將微分作用稱為超前調(diào)節(jié)。微分作用雖然有超前調(diào)節(jié)作用，但在反饋調(diào)節(jié)中不能單獨(dú)使用，主要原因有：（1）

16、調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量誤差變化速度為零，這時(shí)不論被調(diào)量與給定值的穩(wěn)態(tài)誤差有多大，調(diào)節(jié)器都不動(dòng)作，顯然不能滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求。（2）如果調(diào)節(jié)對(duì)象只受到很小的擾動(dòng)，則被調(diào)量以調(diào)節(jié)器不能察覺到的微小速度“爬行”，這種微小速度又不能象誤差那樣可以疊加起來(lái)由小變大，所以微分調(diào)節(jié)器不會(huì)動(dòng)作，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，被調(diào)量的誤差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)值得不到糾正，這也是生產(chǎn)上不能允許的。所以，微分調(diào)節(jié)規(guī)律在反饋調(diào)節(jié)中只能起輔助調(diào)節(jié)作用（必須與比例P配合）。但在前饋（開環(huán)）調(diào)節(jié)中，常用微分器獲得超前的調(diào)節(jié)信號(hào)，使調(diào)節(jié)閥提前動(dòng)作，以改善調(diào)節(jié)品質(zhì)。例如爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，被調(diào)量是爐膛負(fù)壓，調(diào)節(jié)量是引風(fēng)量。送風(fēng)量是一種主

17、要的外擾，引入送風(fēng)量的微分前饋信號(hào)，可以明顯改善調(diào)節(jié)效果。有自平衡雙容對(duì)象配接比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，當(dāng)給定值發(fā)生單位階躍擾動(dòng)時(shí)，仿真曲線如圖8-10所示，從圖上可以看出，當(dāng)比例帶相同時(shí)，引入微分作用可以在靜態(tài)偏差相同的情況下，減小動(dòng)態(tài)偏差，改善系統(tǒng)性能。Matlab文件見光盤第八章目錄下”BILIWeiFenXT01.mdl”。圖8-10 PD調(diào)節(jié)規(guī)律（G單位階躍擾動(dòng)）圖8-11列出了采用PID調(diào)節(jié)器的水箱系統(tǒng)受到負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)的調(diào)節(jié)器動(dòng)作規(guī)律曲線，從圖上可以看出，P調(diào)節(jié)器輸出與偏差成正比，目的是減小偏差；I調(diào)節(jié)器的輸出與偏差的正負(fù)有關(guān)，目的是消除偏差；D調(diào)節(jié)器輸出與偏差的變化速度有關(guān)，目的

18、是減小流入流出量差值，減小動(dòng)態(tài)偏差。圖8-11 PID調(diào)節(jié)特點(diǎn)分析二、對(duì)象特性對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的性能指標(biāo)用穩(wěn)定性（衰減率或衰減比）、準(zhǔn)確性（動(dòng)態(tài)偏差和靜態(tài)偏差）、快速性（調(diào)節(jié)時(shí)間和峰值時(shí)間）來(lái)表示。作為被調(diào)對(duì)象（以有自平衡為例），引起被調(diào)量變化的因素可分為干擾作用和調(diào)節(jié)作用，它們到輸出量（被調(diào)量）的信號(hào)聯(lián)系稱為調(diào)節(jié)通道（）和干擾通道（），描述通道特性的特征參數(shù)是放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)Tc（T）和遲延時(shí)間（），通道的特征參數(shù)變化會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量產(chǎn)生相應(yīng)的影響。1. 干擾通道的特征參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響(1) 放大系數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響在圖8-5所示的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖中，設(shè)調(diào)節(jié)

19、器為P調(diào)節(jié)規(guī)律，傳函，干擾通道和調(diào)節(jié)通道的放大系數(shù)為、，測(cè)量變送器、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等效為比例環(huán)節(jié)，W1。選擇干擾信號(hào)作為輸入，被調(diào)量作為輸出，可求出調(diào)節(jié)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （8-17）在單位階躍擾動(dòng)下，按照終值定理，可求出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值 （8-18）式8-18說(shuō)明，干擾通道的放大系數(shù)越大，在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)偏差（穩(wěn)態(tài)偏差）越大；如果多個(gè)擾動(dòng)同時(shí)存在，則它們對(duì)動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)偏差的影響取決于各擾動(dòng)通道的放大系數(shù)。圖8-12列出了干擾通道的放大系數(shù)分別為1、2、3時(shí)的仿真曲線，可以看出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)偏差隨著的增大而增大，而穩(wěn)定性指標(biāo)（或）、快速性指標(biāo)（和）不變。因此干擾通道放大系

20、數(shù)越小越好，這樣可以減小動(dòng)差、靜差，提高調(diào)節(jié)精度。圖8-12 干擾通道不同時(shí)的仿真曲線（擾動(dòng)）(2) 時(shí)間常數(shù)和階次對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響設(shè)圖8-5中干擾通道放大系數(shù)1，且干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)，則，則被調(diào)量對(duì)擾動(dòng)的傳遞函數(shù)可表示為 （8-19）式中 干擾通道的時(shí)間常數(shù)在單位階躍擾動(dòng)下，按照終值定理，可求出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)值 （8-20） 式8-20說(shuō)明，干擾通道的時(shí)間常數(shù)不影響系統(tǒng)的靜態(tài)偏差。圖8-13列出了干擾通道的時(shí)間常數(shù)分別為20、40、80時(shí)的仿真曲線，可以看出隨著干擾通道時(shí)間常數(shù)的增大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性（）提高，動(dòng)態(tài)偏差（）減小，靜態(tài)偏差保持不變。圖8-13 干擾通道不同時(shí)的仿真曲線（擾動(dòng)）若干擾

21、通道為高階慣性環(huán)節(jié)，即時(shí)，當(dāng)1、2、3時(shí)的仿真曲線如圖8-14所示，從圖上可以看出，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差隨著的增大而減小。圖8-14干擾通道階次不同時(shí)的仿真曲線（擾動(dòng)）(3) 遲延時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響當(dāng)干擾通道存在遲延時(shí)，相當(dāng)于該通道又串聯(lián)了一個(gè)純遲延環(huán)節(jié)，這時(shí)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可表示為 （8-21） （8-22）按照遲延定理： （8-23）式中 無(wú)遲延時(shí)間的被調(diào)量。平移了遲延時(shí)間時(shí)的被調(diào)量。由式8-23可知，干擾通道遲延時(shí)間的存在僅使被調(diào)量在時(shí)間軸上平移了一個(gè)值，即調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程增加了一個(gè)時(shí)間，但系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量不受影響，穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性指標(biāo)不變。圖8-15列出了干擾通道存在遲延時(shí)間時(shí)的仿真曲

22、線，可以看出系統(tǒng)的被調(diào)量是平移了遲延時(shí)間。但調(diào)節(jié)通道存在純遲延時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定性將變得很差，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)劇烈振蕩。圖8-15 干擾通道存在純遲延時(shí)G擾動(dòng)仿真曲線2. 調(diào)節(jié)通道的特征參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響(1) 放大系數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響在圖8-5所示的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)方框圖中，選擇為輸入，被調(diào)量為輸出，式8-17已得出系統(tǒng)傳函為，式8-18已得出單位階躍擾動(dòng)下，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值為上式說(shuō)明，調(diào)節(jié)通道的放大系數(shù)越大，在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的靜態(tài)偏差就越小。調(diào)節(jié)器參數(shù)保持不變，分別等于1、2、3時(shí)的擾動(dòng)仿真曲線如圖8-16所示，可以看出隨著調(diào)節(jié)通道放大系數(shù)的增大，動(dòng)態(tài)偏差、靜態(tài)偏差減小，但穩(wěn)定性下降。圖8-16 調(diào)節(jié)通道變

23、化時(shí)擾動(dòng)仿真曲線應(yīng)該注意到調(diào)節(jié)器與調(diào)節(jié)通道是串聯(lián)關(guān)系，使形成一種互補(bǔ)的關(guān)系，對(duì)于線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)來(lái)保證兩者的乘積保持不變，滿足設(shè)計(jì)的要求，使性能指標(biāo)不受影響。對(duì)于非線性對(duì)象，其隨著負(fù)荷變化，要利用來(lái)補(bǔ)償，則要也隨負(fù)荷而變化，即采用非線性調(diào)節(jié)器。若保持不變，則的變化會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量產(chǎn)生影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)即確定調(diào)節(jié)參數(shù)時(shí)，要使 。（2） 時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響1) 階慣性對(duì)象時(shí)間常數(shù)、階次對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響（純遲延0）以二階慣性對(duì)象為例，調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)增大，系統(tǒng)的反應(yīng)速度減慢，工作頻率下降，系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)如果減小，表示被調(diào)量對(duì)調(diào)節(jié)作用的反

24、應(yīng)快，能迅速反映出調(diào)節(jié)的效果（能迅速反映調(diào)節(jié)對(duì)象內(nèi)部物質(zhì)或能量的平衡程度），工作頻率將上升，調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)間縮短。因此減小調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)，能提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)質(zhì)量。圖8-17列出了調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)分別為20、40、60時(shí)的仿真曲線，（a）圖為擾動(dòng)響應(yīng)，（b）圖為擾動(dòng)響應(yīng)，可以看出隨著加大，調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)的峰值時(shí)間加大，曲線降低，調(diào)節(jié)時(shí)間增大，快速性指標(biāo)變壞。 (a)單位階躍擾動(dòng) (b)單位階躍擾動(dòng)圖8-17 調(diào)節(jié)通道變化時(shí)仿真曲線在實(shí)際組成調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)通道是由執(zhí)行器、變送器及對(duì)象串聯(lián)組成廣義對(duì)象。廣義對(duì)象內(nèi)部各環(huán)節(jié)具有不同的時(shí)間常數(shù)，這些時(shí)間常數(shù)之間應(yīng)相互錯(cuò)開，要求它們之間有一個(gè)良好的匹配

25、關(guān)系，因?yàn)樗鼈冎g的匹配關(guān)系對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量有重要影響。若調(diào)節(jié)通道為高階慣性環(huán)節(jié)，即時(shí)，慣性對(duì)象階次越大對(duì)被調(diào)量的影響越慢，調(diào)節(jié)得也越慢，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏差、調(diào)節(jié)過(guò)程的時(shí)間增大，穩(wěn)定性下降，穩(wěn)準(zhǔn)快三項(xiàng)指標(biāo)均變壞，因此調(diào)節(jié)通道的慣性對(duì)象階次越小越好。圖8-18列出了調(diào)節(jié)通道的慣性對(duì)象階次分別等于1、2、3、4時(shí)的仿真曲線，可以看出隨著的加大，性能指標(biāo)變壞。圖8-18 調(diào)節(jié)通道階次不同的單位階躍響應(yīng)2) 有純遲延對(duì)象對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響調(diào)節(jié)通道存在遲延會(huì)對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。圖8-19表示了遲延時(shí)間變化對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量的影響。從曲線上可以看出，當(dāng)對(duì)象特性的其他條件不變時(shí)，遲延越大，動(dòng)態(tài)偏差和加大、調(diào)節(jié)時(shí)間加

26、大，衰減率變小，只有靜態(tài)偏差與之無(wú)關(guān)。圖8-19 調(diào)節(jié)通道不同時(shí)擾動(dòng)仿真曲線通過(guò)上面的分析，結(jié)論如下：從提高調(diào)節(jié)質(zhì)量角度要求，希望干擾通道的放大系數(shù)小，時(shí)間常數(shù)大，階次高；調(diào)節(jié)通道的時(shí)間常數(shù)、階次、遲延時(shí)間則越小越好。第二節(jié) 典型調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)（只有被調(diào)量一個(gè)反饋回路）也稱為簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)系統(tǒng)，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。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它環(huán)節(jié)，組成串級(jí)、前饋反饋復(fù)合調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電廠最典型的調(diào)節(jié)系統(tǒng)是過(guò)熱汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)和串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

27、一、串級(jí)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍內(nèi)，并且保護(hù)過(guò)熱器，使管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度過(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，因而過(guò)熱汽溫的上限一般不應(yīng)超過(guò)額定值5。過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，又會(huì)降低全廠的熱效率并影響汽輪機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因而過(guò)熱汽溫的下限一般不低于額定值10。過(guò)熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐過(guò)熱器額定汽溫為540，那么過(guò)熱汽溫長(zhǎng)期要保持在540±5范圍內(nèi)變化，短期可以在±10范圍內(nèi)變化。1. 過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性影響過(guò)熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，如蒸汽流量變化、燃燒工

28、況變化、鍋爐給水溫度變化、進(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來(lái)，主要有三個(gè)方面：蒸汽流量（負(fù)荷）D擾動(dòng)、煙氣熱量Qy擾動(dòng)、減溫水量W擾動(dòng)。圖8-24列出了三種擾動(dòng)的出口汽溫仿真曲線，從圖上可以看出，汽溫響應(yīng)的共同特點(diǎn)是：有遲延、有慣性、有自平衡能力。其中D、Qy擾動(dòng)與汽溫變化成正比，W擾動(dòng)與汽溫變化成反比。Qy擾動(dòng)的遲延和慣性最小，W擾動(dòng)的遲延和慣性最大。圖8-20 W、D、Qy擾動(dòng)下出口汽溫仿真曲線對(duì)于負(fù)荷D擾動(dòng)增加時(shí)，因?yàn)殄仩t同時(shí)會(huì)加大燃燒率，從而使煙氣溫度速度均增加，且煙氣速度增加的幅度更大，使得對(duì)流式過(guò)熱器出口汽溫增加，輻射式過(guò)熱器出口

29、汽溫出口汽溫下降（因爐膛溫度升高不多，輻射傳熱并沒(méi)有明顯增加）。但因現(xiàn)代大型鍋爐對(duì)流受熱面大于輻射受熱面，因此總汽溫將隨負(fù)荷增加而升高。煙氣熱量Qy擾動(dòng)（煙氣溫度速度變化）時(shí)，由于煙氣溫度速度變化是沿整個(gè)過(guò)熱器同時(shí)改變的，因此沿過(guò)熱器整個(gè)長(zhǎng)度使煙氣傳遞熱量同時(shí)變化，因此汽溫反應(yīng)較快，其時(shí)間常數(shù)和遲延最小。減溫水量W擾動(dòng)時(shí)，改變了高溫過(guò)熱器的入口汽溫，進(jìn)而影響出口汽溫。但由于要沿整個(gè)過(guò)熱器管道傳輸，所以汽溫反應(yīng)最慢。對(duì)于一般高、中壓鍋爐，當(dāng)減溫水流量擾動(dòng)時(shí)，汽溫的遲延時(shí)間，時(shí)間常數(shù)，而當(dāng)煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)，,。可見負(fù)荷擾動(dòng)和煙氣熱量擾動(dòng)遲延和慣性比減溫水量擾動(dòng)小，但因負(fù)荷信號(hào)由用戶決定，不能作為調(diào)節(jié)手

30、段；煙氣熱量擾動(dòng)（改變煙溫或煙氣流量）具體實(shí)現(xiàn)比較困難，而噴水減溫對(duì)過(guò)熱器的安全運(yùn)行比較有利，所以盡管對(duì)象的特性不太理想，還是現(xiàn)場(chǎng)目前廣泛被采用的過(guò)熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法。針對(duì)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性遲延大、被調(diào)量出口汽溫反饋慢的特點(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)（噴水減溫器出口汽溫）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)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖8-21所示。圖8-21 串級(jí)過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)2. 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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)量出口汽溫及其給定值信號(hào)，主調(diào)的輸出與噴水減溫器出口汽溫共同作為副調(diào)節(jié)器輸入，副調(diào)

31、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)閥門的開度。假如有噴水量WB的自發(fā)性造成的內(nèi)擾，如果不及時(shí)加以調(diào)節(jié)，出口汽溫將會(huì)。但因?yàn)閲娝畠?nèi)擾引起的1快于的，溫度測(cè)量變送器輸出，副調(diào)節(jié)器輸出IT，通過(guò)執(zhí)行器使噴水閥開度，則WB，使擾動(dòng)引起的1波動(dòng)很快消除，從而使主汽溫基本不受影響。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)引起主汽溫，測(cè)量變送器輸出，對(duì)主調(diào)是反作用，主調(diào)輸出I給，I給對(duì)副調(diào)也是反作用，使副調(diào)輸出IT，通過(guò)執(zhí)行器使噴水閥開度，則WB，從而穩(wěn)定主汽溫。從圖8-21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，被稱為內(nèi)回路或副回路，包

32、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)熱器出口汽溫等于給定值，起細(xì)調(diào)作用，主調(diào)一般采用PI或PID調(diào)節(jié)器。【例8-1】設(shè)過(guò)熱汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方框圖如圖8-22所示，其中主副對(duì)象的傳遞函數(shù)分別為、，主副調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為、執(zhí)行器傳函；調(diào)節(jié)閥傳函；測(cè)量變送

33、器傳函圖8-22 過(guò)熱汽溫串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理框圖仿真結(jié)果如圖8-23所示。當(dāng)采用串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，主副調(diào)節(jié)器參數(shù)為、；采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，調(diào)節(jié)器參數(shù)為、。系統(tǒng)衰減率均為0.75?？梢钥闯?，采用串級(jí)調(diào)節(jié)，內(nèi)擾下的最大偏差從單回路調(diào)節(jié)時(shí)的0.80減小到0.049；給定值擾動(dòng)下的最大動(dòng)態(tài)偏差也從單回路調(diào)節(jié)時(shí)的0.476減小到0.32，并且調(diào)節(jié)時(shí)間也大大縮短?？梢姶?jí)控制明顯改善了控制效果。圖8-23 例【8-1】仿真曲線二、汽包鍋爐串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽包鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量的需要，并且維持汽包水位在規(guī)定的范圍之內(nèi)。汽包水位是鍋爐運(yùn)行中一個(gè)重要的監(jiān)控參數(shù)。它間接反映了

34、鍋爐蒸汽負(fù)荷與給水量之間的平衡關(guān)系，維持汽包水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的必要條件。汽包水位過(guò)高，會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離裝置的正常工作，造成出口蒸汽水分過(guò)多而使過(guò)熱器管壁結(jié)垢，容易燒壞過(guò)熱器，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成汽輪機(jī)損壞，直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。汽包水位過(guò)低，可能破壞鍋爐水循環(huán)，造成水冷壁管過(guò)熱而破裂。1 給水被調(diào)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性汽包鍋爐給水被調(diào)對(duì)象的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8-24所示，給水經(jīng)省煤器進(jìn)入汽包，蒸汽經(jīng)過(guò)熱器流出汽包，汽包下部通過(guò)下降管將水引入水冷壁經(jīng)加熱后返回汽包。汽包內(nèi)的水處于沸騰狀態(tài)，水位是由汽包中的貯水量和水面下的汽泡容積共同決定，因此，凡是引起汽包中貯水量變化和水面下的汽泡

35、容積變化的各種因素都是給水被調(diào)對(duì)象的擾動(dòng)。其中主要的擾動(dòng)有：給水流量W、鍋爐蒸發(fā)量D、汽包壓力、爐膛熱負(fù)荷等。圖8-24 給水被調(diào)對(duì)象結(jié)構(gòu)示意圖1、過(guò)熱器 2、汽包 3、省煤器 4、水冷壁 5、給水調(diào)節(jié)閥(1) 給水流量W擾動(dòng)體現(xiàn)為有遲延、有慣性、無(wú)自平衡能力的特點(diǎn)，階躍響應(yīng)如圖8-25所示，可知W，H，遲延、慣性及無(wú)自平衡能力加大了調(diào)節(jié)的難度。圖8-25 給水流量W階躍擾動(dòng)下的水位H響應(yīng)當(dāng)W時(shí)，雖然WD，按物質(zhì)平衡原理水位H應(yīng)該上升，但由于給水溫度低于汽包內(nèi)飽和水溫度，使給水吸收原有飽和水中的部分熱量使水面下汽泡容積減小，所以擾動(dòng)初期水位不會(huì)立即升高。當(dāng)水面下汽泡容積變化過(guò)程逐漸平衡，水位才

36、會(huì)逐漸上升。圖8-25中曲線1為僅考慮物質(zhì)不平衡時(shí)的水位反應(yīng)曲線僅考慮汽包內(nèi)貯水量變化的水位特性。；曲線3為僅考慮汽泡容積變化引起的水位變化。實(shí)際水位變化曲線2是曲線1、2的合成。用傳遞函數(shù)可表示為： （8-24）式中 遲延時(shí)間，單位s（秒） 飛升速度（響應(yīng)速度），即給水流量變化一個(gè)單位時(shí)水位的變化速度，單位mm/st/h。、可用作圖法求得，作圖8-25中曲線2的延長(zhǎng)線，與橫軸交點(diǎn)為A、縱軸交點(diǎn)為B，則（為給水流量的階躍值） （8-25） 遲延時(shí)間和的大小和鍋爐的容量及參數(shù)有關(guān)。例一臺(tái)容量為410t/h，參數(shù)為9.8Mpa、蒸汽溫度為540的高壓爐，10s，0.015mm/s；對(duì)于容量為670

37、t/h，參數(shù)為13.72Mpa、蒸汽溫度為540的超高壓爐，510s，0.00950.0125mm/s。由此可見，隨著鍋爐容量的增大和參數(shù)的提高，水位內(nèi)擾特性的遲延時(shí)間減小，響應(yīng)速度也略有下降，對(duì)水位H的調(diào)節(jié)是有利的。但是，如果按照鍋爐容量的增大來(lái)計(jì)算響應(yīng)速度（以額定容量的1來(lái)計(jì)算），則得到的相對(duì)響應(yīng)速度逐漸增大，說(shuō)明隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，對(duì)水位H調(diào)節(jié)的要求也越高。(2) 蒸汽流量D擾動(dòng)體現(xiàn)為虛假水位和無(wú)自平衡能力的特點(diǎn)，階躍響應(yīng)如圖8-26所示，可知D，H初期不僅不下降，反而迅速上升，出現(xiàn)虛假水位，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，H才會(huì)由物質(zhì)平衡關(guān)系下降，呈無(wú)自平衡能力。圖8-26 蒸汽流量D階躍擾動(dòng)下的

38、水位H響應(yīng)D時(shí)，按物質(zhì)平衡原理水位應(yīng)該下降。但由于汽包水空間內(nèi)汽泡的體積與壓力成反比，壓力升高汽泡受壓則體積縮??；壓力降低則體積膨脹。蒸汽流量D的擾動(dòng)體現(xiàn)為負(fù)荷的變化，當(dāng)負(fù)荷需要增加時(shí)，主汽門開大，D的增加會(huì)引起主汽壓力的下降， 汽泡體積膨脹引起水位上升；同時(shí)由于協(xié)調(diào)系統(tǒng)的工作，在加大D的同時(shí)，鍋爐會(huì)加強(qiáng)燃燒，這也加劇了水冷壁內(nèi)水的沸騰。壓力和燃燒這兩個(gè)因素均使水位在初期上升，體現(xiàn)為虛假水位。傳遞函數(shù)表示為 （8-26）曲線的放大系數(shù)；曲線的時(shí)間常數(shù)；曲線的響應(yīng)速度(3) 爐膛熱負(fù)荷B擾動(dòng)下與D擾動(dòng)類似，階躍響應(yīng)也與圖8-26類似，可知燃料量B，H初期不降反升，體現(xiàn)為虛假水位，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，

39、H才會(huì)下降。和蒸汽流量D擾動(dòng)相比，虛假水位幅度小，但遲延時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)燃料量B擾動(dòng)增加時(shí)，鍋爐熱負(fù)荷增強(qiáng)，從而使鍋爐蒸發(fā)強(qiáng)度增大，若此時(shí)汽機(jī)熱負(fù)荷未增加，則汽輪機(jī)進(jìn)汽閥開度不變，隨著爐膛熱負(fù)荷的增大，鍋爐出口壓力提高，蒸汽流量也相應(yīng)增加，這樣DW，水位應(yīng)該下降。但是蒸發(fā)強(qiáng)度增大同樣也使水面下汽泡容積增大，因此也會(huì)出現(xiàn)虛假水位現(xiàn)象。2. 串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)分析被調(diào)對(duì)象的特征參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響可知，對(duì)象的調(diào)節(jié)通道的慣性時(shí)間T、遲延、階次的增加會(huì)加大動(dòng)態(tài)偏差、提高調(diào)節(jié)時(shí)間、穩(wěn)定性下降，從而使性能指標(biāo)變壞，由于給水W需要經(jīng)過(guò)省煤器進(jìn)入汽包，使汽包水位H存在較大的遲延和慣性，若采用單回路調(diào)節(jié)汽包

40、水位（直接把H作為主信號(hào)反饋到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器直接去調(diào)節(jié)給水閥門開度）無(wú)法取得滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)。同時(shí)蒸汽流量D作為主要干擾，引起的虛假水位會(huì)造成調(diào)節(jié)器的錯(cuò)誤調(diào)節(jié)，引起振蕩，使性能指標(biāo)變壞。所以，單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)在克服給水流量W的內(nèi)擾和蒸汽流量D的外擾方面能力很差，必須改進(jìn)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)、增加輔助回路或增添其他環(huán)節(jié)，組成串級(jí)、前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。串級(jí)、前饋反饋鍋爐汽包三沖量水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖8-27所示。被調(diào)對(duì)象是鍋爐汽包，被調(diào)量是汽包水位H，給水調(diào)節(jié)的核心是要保證汽包水位H的恒定。引起水位變化的主要原因是給水流量W、蒸汽流量D的擾動(dòng)，為此，調(diào)節(jié)器共引入了H、W、D三個(gè)沖量信號(hào)（所以稱為三沖量調(diào)節(jié)系統(tǒng)）。圖8-

41、27 串級(jí)三沖量給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖差壓變送器； 開方器； 給水流量信號(hào)靈敏度； 蒸汽流量信號(hào)靈敏度； 執(zhí)行機(jī)構(gòu)； PI1主調(diào)節(jié)器； PI2副調(diào)節(jié)器與單級(jí)汽包水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，其水位調(diào)節(jié)任務(wù)由兩個(gè)調(diào)節(jié)器PI1（接受水位H檢測(cè)信號(hào)）、PI2（接受主調(diào)節(jié)器輸出VH和蒸汽流量信號(hào)VD、給水流量信號(hào)VW）來(lái)完成，構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)采用改變給水閥門開度（或給水泵轉(zhuǎn)速）的方法來(lái)調(diào)節(jié)給水流量W，其中汽包水位H是被調(diào)量，也稱為主信號(hào)。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，引入蒸汽流量D的前饋調(diào)節(jié)和給水流量W的反饋調(diào)節(jié)。具體分析如下：假設(shè)水位H受到干擾，水位檢測(cè)變送器平衡容器輸出差壓，差壓變送器輸出差壓，作用到主調(diào)節(jié)器PI1輸入端，因

42、主調(diào)節(jié)器是正作用，相應(yīng)主調(diào)節(jié)器PI1輸出VH。由于副調(diào)節(jié)器是反作用，PI2入口處，VH為給定數(shù)值，副調(diào)節(jié)器PI2輸出，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)減少給水流量W，使升高的水位H得以恢復(fù)。從分析可知，水位反饋信號(hào)目的是校正水位H與水位給定值的偏差。假設(shè)蒸汽流量D增加，由于D增加引起虛假水位H增加，使得主調(diào)節(jié)器PI1輸出VH減小，要求副調(diào)節(jié)器PI2輸出減少（此調(diào)節(jié)動(dòng)作錯(cuò)誤）；而在副調(diào)節(jié)器上，蒸汽流量和VH疊加后作為給定信號(hào)，又因?yàn)楦闭{(diào)節(jié)器為反作用調(diào)節(jié)器，所以蒸汽流量D增加后相當(dāng)于副調(diào)節(jié)器給定數(shù)值增加，副調(diào)節(jié)器輸出會(huì)增加，這樣會(huì)抵消VH減小而引起的副調(diào)節(jié)器輸出減小的作用。調(diào)節(jié)器最終的動(dòng)作是H和D兩種作用的疊加，

43、可知蒸汽流量D的前饋信號(hào)能有效地克服或減小虛假水位所引起的調(diào)節(jié)器誤動(dòng)作，并能當(dāng)D改變時(shí)正確迅速地調(diào)節(jié)給水流量W，保證D和W的平衡。假設(shè)給水流量W由于給水管路的內(nèi)擾（給水管路壓力變化）增加，如果不及時(shí)加以調(diào)節(jié)，會(huì)使水位H升高；而隨著W的增加，給水流量W檢測(cè)變送器轉(zhuǎn)換為的給水流量信號(hào)VW增大，由于副調(diào)節(jié)器為反作用，所以副調(diào)節(jié)輸出減小，相應(yīng)減小給水流量W，可知給水流量W反饋信號(hào)能夠迅速消除給水管路自發(fā)性內(nèi)擾。該串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)主調(diào)節(jié)器PI1接受水位H與水位給定值的偏差信號(hào)，任務(wù)是實(shí)現(xiàn)水位無(wú)靜態(tài)偏差，對(duì)水位H進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，所以采用比例積分PI或比例積分微分PID調(diào)節(jié)規(guī)律。主調(diào)節(jié)器PI1輸出和蒸汽流量信號(hào)疊

44、加后作為副調(diào)節(jié)器給定數(shù)值，給水流量信號(hào)作為副調(diào)節(jié)器的測(cè)量信號(hào)。因此副調(diào)節(jié)器PI2的主要任務(wù)是用以消除給水壓力波動(dòng)等因素引起的給水流量自發(fā)性擾動(dòng)以及當(dāng)蒸汽負(fù)荷改變時(shí)迅速調(diào)節(jié)給水流量，以保證給水流量和蒸汽流量平衡，為了保證副回路的快速性，副調(diào)節(jié)器PI2可采用比例P或比例微分PD調(diào)節(jié)器，對(duì)水位H的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水位穩(wěn)態(tài)值是靠主調(diào)節(jié)器PI1來(lái)維持的，并不要求進(jìn)入副調(diào)節(jié)器PI2的蒸汽D信號(hào)的作用強(qiáng)度和給水流量W的作用強(qiáng)度相同，這樣就可以根據(jù)對(duì)象在外擾下虛假水位的嚴(yán)重程度來(lái)適當(dāng)加強(qiáng)蒸汽流量信號(hào)D的作用強(qiáng)度（可不等于），從而改變負(fù)荷擾動(dòng)下的水位調(diào)節(jié)品質(zhì)。調(diào)節(jié)器接受的D、W、H三個(gè)沖量信號(hào)，W

45、是調(diào)節(jié)量、H是被調(diào)量、D是主要的外擾，W、H在調(diào)節(jié)回路之內(nèi)，屬于反饋信號(hào)；D由外界負(fù)荷決定，在調(diào)節(jié)回路之外，屬于前饋信號(hào)。三、串級(jí)、前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：確定該被調(diào)對(duì)象的被調(diào)量，找出引起被調(diào)量變化的各種原因（多為該對(duì)象的流入量、流出量、流經(jīng)量）。即被調(diào)量是對(duì)象的輸出量，所有引起被調(diào)量變化的原因是對(duì)象的輸入量。在輸入量中按照工作原理確定其中的一個(gè)流量作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量，其它原因處于調(diào)節(jié)系統(tǒng)回路之外，統(tǒng)稱為外擾。主調(diào)節(jié)器接受被調(diào)量的反饋信號(hào)并與給定值加以比較，保證穩(wěn)態(tài)時(shí)被調(diào)量等于給定值。主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定輸入。副調(diào)節(jié)器除了接受主調(diào)節(jié)器的輸出以外，還接受調(diào)節(jié)量的反饋信號(hào)用以消除

46、調(diào)節(jié)量的內(nèi)擾（調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)開度變化以外的調(diào)節(jié)量變化原因，如閥門前后端壓力變化引起的流量變化等）、接受主要外擾的前饋信號(hào)、接受被調(diào)對(duì)象中能提前反映被調(diào)量變化的中間變量以便及時(shí)消除進(jìn)入副回路的擾動(dòng)。即副調(diào)節(jié)器主要是消除內(nèi)外擾的影響。四、送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在鍋爐的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，主要目標(biāo)是要保證燃燒的安全經(jīng)濟(jì)性。這一目標(biāo)既可用送進(jìn)爐膛的風(fēng)量和燃料維持合適的比例來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可用維持煙氣中的氧含量（反映過(guò)?？諝庀禂?shù)的大小）來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣就形成了兩種思路的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。1. 比值送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)凡使兩個(gè)或兩個(gè)以上的參數(shù)維持一定比值關(guān)系的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就稱為比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電廠最典型的例子就是保持燃料量和送風(fēng)量成比例關(guān)系的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

47、如圖8-28所示的單閉環(huán)比值送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（單回路比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)），燃料量信號(hào)B通過(guò)比例環(huán)節(jié)K后作為送風(fēng)調(diào)節(jié)器的給定值；送風(fēng)量信號(hào)V作為反饋信號(hào)引入送風(fēng)調(diào)節(jié)器，構(gòu)成一個(gè)單閉環(huán)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)送風(fēng)量快速跟蹤燃料量的變化。圖8-28 單閉環(huán)比值送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由于送風(fēng)調(diào)節(jié)器采用PI作用調(diào)節(jié)器，所以靜態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器入口信號(hào)平衡關(guān)系為 或 （8-27）式中 風(fēng)煤比例系數(shù)只要調(diào)整比例系數(shù)到適當(dāng)?shù)闹?，調(diào)節(jié)系統(tǒng)就能使進(jìn)入鍋爐的送風(fēng)量和燃料量保持最合適的比例，達(dá)到經(jīng)濟(jì)燃燒的目的。實(shí)際調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖通常省略了調(diào)節(jié)對(duì)象、測(cè)量變送器及執(zhí)行器，只畫出調(diào)節(jié)器部分。圖8-28的簡(jiǎn)化圖如圖8-29（a）所示。圖8-29 送風(fēng)調(diào)節(jié)系

48、統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，送風(fēng)量和燃料量的最佳比例值不是常數(shù)，是隨不同的負(fù)荷和燃燒品種變化的。圖8-28所示系統(tǒng)把選為常數(shù)，就不能始終保證燃燒過(guò)程的最佳經(jīng)濟(jì)性。而送風(fēng)量V和燃料量B的最佳比例是隨不同負(fù)荷、不同燃料品種而變化的。因此，可以選用隨負(fù)荷、燃料品種變化而修正送風(fēng)量的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖8-29（b）所示。這個(gè)系統(tǒng)是用乘法器構(gòu)成的單閉環(huán)比值送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，燃料量的修正值作為送風(fēng)量的給定值，實(shí)現(xiàn)B與V的比值控制。根據(jù)負(fù)荷、燃料品種的變化去修正最佳風(fēng)煤比例系數(shù)K，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、整定投運(yùn)方便，但負(fù)荷和燃料品種的修正系數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中較難確定。2. 氧含量串級(jí)、前饋反饋送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用氧量作為校正信號(hào)的送風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖8-29（c）所示。它是一個(gè)串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器（氧量校正調(diào)節(jié)器）接受氧量和氧量定值信號(hào)。副調(diào)節(jié)器接受燃料信號(hào)B，反饋信號(hào)V及氧量校正調(diào)節(jié)器的輸出，副回路保證風(fēng)煤的基本比例，起粗調(diào)作用。主