畢業(yè)設(shè)計(jì)---汽包串級(jí)三沖量給水

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　現(xiàn)代大型鍋爐的水位動(dòng)態(tài)特性復(fù)雜，汽包存在著嚴(yán)重的“虛假水位”現(xiàn)象，為了給水系統(tǒng)的安全可靠，有多種設(shè)計(jì)方案，三沖量給水系統(tǒng)包括單級(jí)三沖量給水系統(tǒng)和串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中重點(diǎn)針對(duì)串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)及仿真研究。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)給定的參數(shù)，用理論計(jì)算的方法整定調(diào)節(jié)器

2、的參數(shù)，同時(shí)借助MATLAB應(yīng)用軟件整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，并與單沖量給水控制系統(tǒng)進(jìn)行分析比較。理論計(jì)算時(shí)，副回路需要用試探法，只能在仿真中進(jìn)行整定；而主回路要結(jié)合所學(xué)的專業(yè)課知識(shí)，用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)；再用結(jié)合實(shí)際的工程整定法也就是衰減曲線法來(lái)選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)并進(jìn)行仿真。</p><p>　　設(shè)計(jì)中介紹了串級(jí)三沖量給水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，接著根據(jù)理論計(jì)算，并結(jié)合工程整定方法，詳細(xì)論述了系統(tǒng)的參數(shù)整定問(wèn)

3、題。參數(shù)整定后要使串級(jí)三沖量系統(tǒng)的副回路成為一個(gè)快速隨動(dòng)系統(tǒng)，主回路成為一個(gè)衰減率為四分之一的衰減振蕩系統(tǒng)。最后分析了水位擾動(dòng)、蒸汽流量擾動(dòng)下的系統(tǒng)的性能和蒸汽流量信號(hào)丟失后的水位變化情況。</p><p>　　關(guān)鍵詞：汽包鍋爐水位；串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)；MATLAB應(yīng)用軟件</p><p><b>　　Abstract</b></p><p&g

4、t;　　The dynamic characteristic of modern large-scale boiler water level is complicated, the vapor is existing "the false water level " phenomenon, in order to keep water supply system reliable and safe, we can

5、adopt three methods to complete this design, Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler includes single stage three impulses water supply system and cascade three impulses water supply system,

6、in my study, I have made a detailed introduction of water Level Control Sy</p><p>　　This design use theoretical method to adjust the controller parameter basing on parameter of experiment. It chooses the con

7、troller parameter by using MATLAB application software and makes a comparation with water Level Control System of Cascade Single Parameters Control Boiler Drum. In the process of theoretical calculating, the inner circui

8、t needs to use heuristic approach, it can carry out adjusting process only in simulation; But, the outside circuit needs to combine with specialized course k</p><p>　　Design has made a introduction of the st

9、ructure and principle of Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler, adjusting method combining with a project has discussed systematic parameter in detailed. The water level having analyzed wa

10、ter level perturbation motion, lower systematic steam rate of flow perturbation motion function and steam rate of flow signal finally after being lost water level that changes condition.</p><p>　　Keywords: w

11、ater level of steam drum boiler; series three elements water supply control system; MATLAB application software</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　引 言1</b></p><

12、;p>　　第一章 電廠熱工自動(dòng)化控制的發(fā)展2</p><p>　　1.1 自動(dòng)控制理論的發(fā)展2</p><p>　　1.1.1 “經(jīng)典控制理論”階段2</p><p>　　1.1.2 “現(xiàn)代控制理論”階段2</p><p>　　1.1.3 “大系統(tǒng)理論和先進(jìn)控制理論”階段2</p><p>　　1.2

13、控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展3</p><p>　　1.3 國(guó)外一些主要的DCS系統(tǒng)4</p><p>　　第二章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律5</p><p>　　2.1 比例調(diào)節(jié)對(duì)控制性能的影響5</p><p>　　2.2 積分調(diào)節(jié)對(duì)控制性能的影響6</p><p>　　2.3 微分調(diào)節(jié)對(duì)控制性能的影響8

14、</p><p>　　第三章 單回路控制系統(tǒng)的介紹11</p><p>　　3.1 單回路控制系統(tǒng)的概述11</p><p>　　3.2 單回路控制系統(tǒng)各組成部分的選擇11</p><p>　　3.3 對(duì)象特性對(duì)控制過(guò)程的影響12</p><p>　　3.3.1 對(duì)象放大系數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響12</p&

15、gt;<p>　　3.3.2 對(duì)象時(shí)間常數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響13</p><p>　　3.4 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法14</p><p>　　3.4.1 廣義頻率特性法15</p><p>　　3.4.2 工程整定法16</p><p>　　3.4.3 經(jīng)驗(yàn)法17</p><p>　　3.4.

16、4 動(dòng)態(tài)參數(shù)法17</p><p>　　第四章 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)19</p><p>　　4.1 汽包鍋爐簡(jiǎn)介19</p><p>　　4.2 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)及基本要求20</p><p>　　4.3 汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性21</p><p>　　4.3.1 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性2

17、2</p><p>　　4.3.2 蒸汽流量擾動(dòng)下水位對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性23</p><p>　　4.3.3 爐膛熱負(fù)荷擾動(dòng)下水位變化的動(dòng)態(tài)特性24</p><p>　　4.3.4 靜態(tài)特性分析25</p><p>　　4.4 鍋爐給水控制系統(tǒng)的方案25</p><p>　　4.4.1 汽包水位單沖量給水控制系統(tǒng)

18、25</p><p>　　4.4.2 汽包水位雙沖量給水控制系統(tǒng)27</p><p>　　4.4.3 汽包水位三沖量給水控制系統(tǒng)29</p><p>　　第五章 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)及整定方法31</p><p>　　5.1 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理31</p><p>　　5.2 串級(jí)三沖量控制

19、系統(tǒng)的特點(diǎn)32</p><p>　　5.3 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的分析32</p><p>　　5.3.1 副回路的分析32</p><p>　　5.3.2 主回路的分析33</p><p>　　5.4 蒸汽流量前饋裝置的傳遞函數(shù)的選擇34</p><p>　　第六章 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真及分析3

20、6</p><p>　　6.1 MATLAB的概述36</p><p>　　6.1.1 MATLAB的特點(diǎn)36</p><p>　　6.1.2 熱工自動(dòng)控制中MATLAB的應(yīng)用38</p><p>　　6.2 單沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真38</p><p>　　6.2.1 單沖量給水控制系統(tǒng)的參數(shù)整定3

21、8</p><p>　　6.2.2 單沖量給水控制系統(tǒng)模型及仿真圖39</p><p>　　6.3 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)參數(shù)整定和仿真40</p><p>　　6.3.1 副回路的仿真40</p><p>　　6.3.2 主回路的仿真42</p><p>　　6.4 整個(gè)系統(tǒng)和各種擾動(dòng)量下的SIMULINK結(jié)

22、構(gòu)圖和仿真圖45</p><p>　　6.4.1 整個(gè)系統(tǒng)的仿真分析45</p><p>　　6.4.2 各種擾動(dòng)下系統(tǒng)SIMULINK結(jié)構(gòu)圖和仿真圖46</p><p>　　6.5 串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果分析48</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p&g

23、t;<b>　　謝 辭52</b></p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　隨著電子產(chǎn)品的降價(jià)及自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝控制連續(xù)穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)的凸現(xiàn)，越來(lái)越多的企業(yè)準(zhǔn)備將自己的核心生產(chǎn)線改成全自動(dòng)化生產(chǎn)線或者對(duì)個(gè)別關(guān)鍵工藝參數(shù)采用自動(dòng)控制。工業(yè)應(yīng)用自控技術(shù)在中國(guó)的推廣使用較晚，但近年來(lái)發(fā)展較快。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在做汽包水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方面的

24、設(shè)計(jì)公司很多，但由于能夠集工藝要求、自動(dòng)化技術(shù)和電氣技術(shù)三者于一體的設(shè)計(jì)不多，所以人們清楚地認(rèn)識(shí)到自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中的重要地位和作用，在水位控制系統(tǒng)中，主要采用“三沖量控制”方案來(lái)實(shí)現(xiàn)鍋爐汽包水位控制更是重中之重。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是通過(guò)了解鍋爐汽包水位控制的發(fā)展并在具體分析其動(dòng)、靜特性的基礎(chǔ)上從單沖量控制到雙沖量控制最后到三沖量控制的設(shè)計(jì)方案中擇優(yōu)選擇了“三沖量”控制，具體的方案設(shè)計(jì)存在的優(yōu)缺點(diǎn)

25、詳見(jiàn)下文解析。</p><p>　　本課題的目的及意義：鍋爐汽包水位控制是維持鍋筒水位在允許的范圍內(nèi)，使鍋爐的給水量適應(yīng)鍋爐的蒸發(fā)量。由于鍋爐的水位同時(shí)受到鍋爐側(cè)和汽輪機(jī)側(cè)的影響，因此，當(dāng)鍋爐負(fù)荷變化或汽輪機(jī)用汽量變化時(shí)，通過(guò)給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)保持鍋爐的水位正常是保證鍋爐和汽輪機(jī)安全運(yùn)行的重要條件。水位過(guò)高或過(guò)低，都是不允許的。水位過(guò)高會(huì)影響汽水分離器的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增加，使過(guò)熱器管壁和汽輪機(jī)葉片結(jié)垢，

26、造成事故；鍋爐出口蒸汽帶水過(guò)多還會(huì)使過(guò)熱蒸汽溫度產(chǎn)生急劇變化。水位過(guò)低，則會(huì)破壞正常水循環(huán)，危及水冷壁受熱面的安全。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的目的是采用串級(jí)三沖量給水控制系統(tǒng)控制汽包水位，使其平穩(wěn)運(yùn)行,并通過(guò)MATLAB仿真，證明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以很好的克服系統(tǒng)的內(nèi)、外擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)汽包鍋爐水位控制的要求。</p><p>　　第一章 電廠熱工自動(dòng)化控制的發(fā)展</p><

27、p>　　自動(dòng)控制理論及工程應(yīng)用的發(fā)展至今已有100多年的歷史，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。電廠熱工系統(tǒng)更不例外主要表現(xiàn)在系統(tǒng)越來(lái)越大，高參數(shù)大容積，除了對(duì)控制硬件提出了高可靠性要求之外，對(duì)控制理論也不斷提出新要求，希望能不斷解決新出現(xiàn)的控制難題，自動(dòng)控制的發(fā)展主要包括兩個(gè)方面：</p><p>　　（1）控制理論的發(fā)展；</p><p>　?。?）控

28、制系統(tǒng)規(guī)模及組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展；</p><p>　　1.1 自動(dòng)控制理論的發(fā)展</p><p>　　1.1.1 “經(jīng)典控制理論”階段</p><p>　　上世紀(jì)50年代前發(fā)展的控制理論被稱為“古典控制理論”。它主要研究的自動(dòng)控制系統(tǒng)為線性定常系統(tǒng)，被控對(duì)象集中于SISO系統(tǒng)。經(jīng)典控制理論所采用的方法通常是以傳遞函數(shù)、頻率特性、根軌跡分布為基礎(chǔ)的波德圖法和根軌跡法

29、，包括各種穩(wěn)定性判據(jù)和對(duì)數(shù)頻率特性。</p><p>　　1.1.2 “現(xiàn)代控制理論”階段</p><p>　　60年代以后發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代控制理論主要研究MIMO系統(tǒng)。系統(tǒng)可以是線性或非線性的，定?；驎r(shí)變的。它采用狀態(tài)方程代替經(jīng)典理論中的一個(gè)高階微分方程式來(lái)描述系統(tǒng)，并且系統(tǒng)中各個(gè)變量均為時(shí)間t的函數(shù)，因而屬于時(shí)域分析方法。采用狀態(tài)方程的好處是可以研究系統(tǒng)的內(nèi)部特性，可以分析系統(tǒng)的本質(zhì)。主

30、要內(nèi)容包括：</p><p>　?。?）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述和能控性、能觀性分析；</p><p>　?。?）李亞譜諾夫穩(wěn)定性理論和李亞譜諾夫函數(shù)，系統(tǒng)識(shí)別和卡爾曼濾波理論；</p><p>　?。?）非線性系統(tǒng)控制；</p><p>　　（4）系統(tǒng)最優(yōu)控制及自適應(yīng)控制</p><p>　　1.1.3 “大系統(tǒng)理論和先進(jìn)

31、控制理論”階段</p><p>　　前兩個(gè)階段的控制理論的發(fā)展與應(yīng)用，主要討論存在數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)控制系統(tǒng)，但是對(duì)于那些不具有數(shù)學(xué)模型或很難找到數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象，應(yīng)用經(jīng)典控制理論的方法等無(wú)法解決。但是，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和價(jià)格的下降，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越寬，先進(jìn)控制日益發(fā)展和應(yīng)用起來(lái)了。先進(jìn)控制主要包括自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、智能控制、魯棒控制等。人工智能學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)了自動(dòng)控制理論向著智能控制方向發(fā)展，

32、而智能控制和具有智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)又是人工智能的一個(gè)既有廣泛應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域。70年代末開(kāi)始的智能控制理論和大系統(tǒng)理論的研究與應(yīng)用，是現(xiàn)代控制論在深度上和廣度上的開(kāi)拓，因此在控制工程界受到極大的關(guān)注，主要包括：專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制、學(xué)習(xí)控制等。智能控制具有如下特點(diǎn)：以專家和熟練操作工人的知識(shí)為基礎(chǔ)進(jìn)行推理、判斷、預(yù)測(cè)和規(guī)劃，采用符號(hào)信息處理、啟發(fā)式程序設(shè)計(jì)，知識(shí)表示和自學(xué)習(xí)、推理與決策的智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的綜合性求解。先進(jìn)

33、控制離不開(kāi)前兩個(gè)階段的控制理論，只是把自動(dòng)控制理論推向一個(gè)更深化的嶄新階段。</p><p>　　1.2 控制系統(tǒng)規(guī)模、組成結(jié)構(gòu)和硬件的發(fā)展</p><p><b>　?。?）初級(jí)階段</b></p><p>　　本世紀(jì)50年代前后，熱工生產(chǎn)過(guò)程主要是憑生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，局限于一般的控制元件和機(jī)電式控制儀器，采用較笨重的基地式儀表實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電各自

34、獨(dú)立的分散的局部自動(dòng)控制。各控制系統(tǒng)之間沒(méi)有或很少有聯(lián)系，應(yīng)用的理論是“經(jīng)典控制理論”。</p><p><b>　?。?）常規(guī)儀表階段</b></p><p>　　50年代末及以后十年間，隨著儀表工業(yè)大力發(fā)展，先后出現(xiàn)了電動(dòng)單元儀表和巡回監(jiān)測(cè)裝置，這些高性能的儀表廣泛應(yīng)用于熱工過(guò)程，且機(jī)組容量增大，對(duì)效率及安全的要求越來(lái)越突出，因此熱工控制的要求和精度變得越來(lái)越高。

35、要求實(shí)現(xiàn)把機(jī)、爐作為一單元整體來(lái)進(jìn)行集中控制，儀表盤表裝在一起監(jiān)視，從而使機(jī)、爐啟停更為協(xié)調(diào)，對(duì)提高設(shè)備效率和強(qiáng)化生產(chǎn)過(guò)程有所促進(jìn)。此時(shí)所用的儀表有電動(dòng)及組裝儀表。理論發(fā)展主要是處于“經(jīng)典控制理論”階段，但也開(kāi)始考慮最優(yōu)控制等，各種DDZ型儀表廣泛應(yīng)用于水位控制中。</p><p>　　（3）大型自動(dòng)化階段</p><p>　　70年代至今，由于集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了過(guò)程控

36、制最優(yōu)化與管理調(diào)度自動(dòng)化相結(jié)合的分散計(jì)算機(jī)控制，目前火電發(fā)電廠都發(fā)展到了管理、決策、財(cái)務(wù)、生產(chǎn)過(guò)程一體化的（CIPS）階段，整個(gè)機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程的控制只是其中的一個(gè)子系統(tǒng)。采用集中分散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，DCS它把各系統(tǒng)之間、廠級(jí)管理、調(diào)度等用大型計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理，而各個(gè)子回路分散控制，充分發(fā)揮了集中控制和分散控制各自的優(yōu)點(diǎn)，是一種比較合理的新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。隨著這個(gè)過(guò)程，控制理論的應(yīng)用有了新的發(fā)展，各種先進(jìn)控制技術(shù)也能廣泛應(yīng)用于熱工過(guò)

37、程。水位控制的模式主要是三沖量，但是先進(jìn)控制技術(shù)也應(yīng)用到水位控制中來(lái)，如自適應(yīng)控制、預(yù)測(cè)控制、模糊控制、還有可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。甚至應(yīng)用建模技術(shù)，可以對(duì)過(guò)程實(shí)時(shí)建模，更加提高了控制效果。</p><p>　　1.3 國(guó)外一些主要的DCS系統(tǒng)</p><p>　　國(guó)外DCS系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用于包括電廠在內(nèi)的諸多工業(yè)部門。目前，世界上約有40多家公司生產(chǎn)近

38、百種簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的商業(yè)產(chǎn)品。比較有名的如美國(guó)的ABB、Honeywell、Tayler、Foxboro；以及日本的橫河——北辰、日立、東芝；德國(guó)的Siemens等多跨國(guó)公司。這些成熟的DCS系統(tǒng)都有可靠的性能，都有對(duì)于專門的生產(chǎn)過(guò)程發(fā)展的DCS系統(tǒng)，可以很方便、任意的組態(tài)，里面都包含了幾乎所有的控制算法，用戶可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)現(xiàn)自己的控制策略。由于這些系統(tǒng)的良好的開(kāi)放性，用戶可以在此基礎(chǔ)上作二次開(kāi)發(fā)，把最新的技術(shù)應(yīng)用到自己的系統(tǒng)中來(lái)，增

39、強(qiáng)原系統(tǒng)的功能。</p><p>　　第二章 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律</p><p>　　調(diào)節(jié)規(guī)律是指調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)與其輸入信號(hào)之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，從理論上說(shuō)可有各種形式的函數(shù)關(guān)系，然而在實(shí)踐中總結(jié)出比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律、微分調(diào)節(jié)規(guī)律三種基本調(diào)節(jié)規(guī)律，廣為采用。三種調(diào)節(jié)規(guī)律的組合可設(shè)計(jì)出多種調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，如比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器、比例積分微分調(diào)節(jié)器等。調(diào)節(jié)器作為控制系統(tǒng)組成部分之一，其

40、動(dòng)態(tài)特性對(duì)控制過(guò)程有著很大的影響，因?yàn)閷?duì)象的特性是不容易改變的。本章內(nèi)容的重點(diǎn)是分析和比較不同調(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器的控制效果。</p><p>　　2.1 比例調(diào)節(jié)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　所謂比例調(diào)節(jié)規(guī)律，是指調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號(hào)之間成比例關(guān)系，即</p><p><b>　?。?-1）</b></p>

41、<p>　　其中 ——比例增益。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　工程中，常用比例帶來(lái)描述其控制作用的強(qiáng)弱，即</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　其物

42、理意義是在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的位移改變100%時(shí)，被調(diào)量應(yīng)有的改變量。如，則表明調(diào)節(jié)器輸出變化100%時(shí)，需要其輸入信號(hào)變化20%。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)圖如圖2-1所示。從圖中看出，在時(shí)刻前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)；時(shí)刻偏差信號(hào)發(fā)生階躍變化，對(duì)于定值控制系統(tǒng)，即被調(diào)量產(chǎn)生階躍變化，調(diào)節(jié)輸出控制作用將成比例地變化，而且?guī)缀跏峭瑫r(shí)產(chǎn)生的?？刂谱饔玫淖兓康氖钦{(diào)節(jié)進(jìn)入對(duì)象的流入量，消除不平衡流量，使被調(diào)量回到原來(lái)的

43、值上。從這一點(diǎn)看，比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)之一就是調(diào)節(jié)及時(shí)、迅速。</p><p>　　由圖2-1還可看出，在時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，但偏差信號(hào)仍存在；換言之，調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束被調(diào)量的偏差仍未完全消除。因?yàn)椴捎帽壤{(diào)節(jié)規(guī)律的調(diào)節(jié)器，其輸出的控制作用大小與偏差大小成比例關(guān)系，一定大小的控制作用是抵消擾動(dòng)的影響、使系統(tǒng)重新穩(wěn)定下來(lái)的保證。在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，被調(diào)量偏離了其給定值，而出現(xiàn)偏差；調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)使系統(tǒng)再次進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，但偏差或大

44、或小還要存在，否則偏差為零，控制作用也隨之消失，干擾信號(hào)的存在就不可能使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束，被調(diào)量偏差仍存在稱為有差調(diào)節(jié)，這是比例調(diào)節(jié)規(guī)律的又一特點(diǎn)。</p><p>　　圖2-1 比例調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)</p><p>　　2.2 積分調(diào)節(jié)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　比例調(diào)節(jié)規(guī)律的特點(diǎn)是控制及時(shí)，控制作用貫穿整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程，因此它是基本的調(diào)節(jié)作用。然而

45、比例調(diào)節(jié)不能保證系統(tǒng)無(wú)差，因此對(duì)于一些要求較高的控制（定值調(diào)節(jié)）還需引入積分調(diào)節(jié)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)。</p><p>　　積分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出控制作用與其偏差輸入信號(hào)隨時(shí)間的積累值成正比，即</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　其傳遞函數(shù)形式為</b></p>&l

46、t;p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　式中為積分時(shí)間。</b></p><p>　　積分調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng)如圖2-2所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量出現(xiàn)偏差并呈階躍形式變化時(shí)，積分調(diào)節(jié)器輸出的控制作用并不立即變化，而是由零開(kāi)始線性增長(zhǎng)。從這一點(diǎn)看，積分調(diào)節(jié)作用是不及時(shí)的。只要偏差信號(hào)存在，調(diào)節(jié)器輸出值在消除對(duì)系統(tǒng)影響

47、的控制作用就一直增加，且其增長(zhǎng)的速度始終為初始速度。</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　上式表明，控制作用在積分時(shí)間越小的時(shí)候越強(qiáng)。</p><p>　　從響應(yīng)曲線看，只要偏差存在，積分控制作用一直增加；換言之，只有偏差為零時(shí)，積分作用才停止變化。這表明系統(tǒng)達(dá)到再次穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，被調(diào)量的偏差必然為零。積分調(diào)節(jié)規(guī)律

48、的另一特點(diǎn)就是消除穩(wěn)態(tài)偏差，實(shí)現(xiàn)無(wú)差調(diào)節(jié)，其控制作用體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程的后期。</p><p>　　不過(guò)在現(xiàn)實(shí)中，積分調(diào)節(jié)規(guī)律很少單獨(dú)使用，它總是與比例調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合成為比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律，以發(fā)揚(yáng)各自的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足。</p><p>　　描述比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律的動(dòng)態(tài)方程是</p><p><b>　?。?-7）</b></p>&l

49、t;p>　　式中，為比例增益；為積分時(shí)間。</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　　（2-8）</b></p><p>　　圖2-2 積分作用曲線</p><p>　　比例積分調(diào)節(jié)器的飛升特性如圖2-3所示。由圖可以看出，當(dāng)被調(diào)量一旦偏離給定值出現(xiàn)偏差時(shí)，調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)與偏差

50、成比例的控制作用，這是比例作用的結(jié)果；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，控制作用線性增加，積分作用表現(xiàn)出來(lái)；只要偏差存在，控制作用就一直增長(zhǎng)下去，直至消除偏差時(shí)，控制作用才停止變化。由此可見(jiàn)，比例積分調(diào)節(jié)作用具有比例作用及時(shí)和積分作用消除偏差的優(yōu)點(diǎn)，從而克服了單純比例作用時(shí)不能消除偏差的缺點(diǎn)和單純積分作用控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。</p><p>　　圖2-3 比例積分響應(yīng)曲線</p><p>　　2.3 微分調(diào)節(jié)

51、對(duì)控制性能的影響</p><p>　　無(wú)論是比例調(diào)節(jié)規(guī)律，還是積分調(diào)節(jié)規(guī)律，一個(gè)共同特點(diǎn)就是控制作用只有在偏差出現(xiàn)后才能產(chǎn)生。這對(duì)存在延遲或慣性較大的對(duì)象來(lái)說(shuō)，要獲得滿意的調(diào)節(jié)效果是很困難的，這就需要引入微分調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)規(guī)律是調(diào)節(jié)器輸出的控制作用與其偏差輸入信號(hào)的變化速度成正比。對(duì)于定值控制系統(tǒng)，偏差信號(hào)的變化速度就是被調(diào)量的變化速度，即</p>

52、<p><b>　　（2-9）</b></p><p><b>　　式中稱為微分時(shí)間。</b></p><p><b>　　傳遞函數(shù)式為</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由于受控對(duì)象總存在一定的容量

53、，調(diào)節(jié)器也存在一定的不靈敏區(qū)，因此使調(diào)節(jié)器動(dòng)作的偏差信號(hào)在時(shí)間上肯定落后于偏差變化速度信號(hào)，被調(diào)量變化速度（即偏差變化速度）信號(hào)又稱超前信號(hào)。被調(diào)量的變化速度往往反映了對(duì)象流入量與流出量之間的不平衡狀態(tài)，因此對(duì)慣性較大的對(duì)象，在調(diào)節(jié)器中加入微分調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)，無(wú)疑將大大改善調(diào)節(jié)過(guò)程。</p><p>　　微分調(diào)節(jié)作用的大小僅于偏差信號(hào)的變化速度有關(guān)，而與偏差值大小無(wú)關(guān)。因此對(duì)象在受到較小的擾動(dòng)后，被調(diào)量變化

54、量及變化速度都將很小，微分作用調(diào)節(jié)器同時(shí)由于自身動(dòng)作的不靈敏區(qū)的存在而始終不動(dòng)作；這樣，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，偏差將積累成一個(gè)較大的值。就是說(shuō)純微分作用的調(diào)節(jié)器是不能單獨(dú)使用的，微分作用要與比例作用或比例積分作用相結(jié)合，形成比例微分調(diào)節(jié)規(guī)律或比例微分積分調(diào)節(jié)規(guī)律。</p><p>　　式（2-9）是理論上的微分調(diào)節(jié)規(guī)律表達(dá)式，因?yàn)樵谄钭麟A躍變化時(shí)的瞬間，控制作用將為無(wú)窮大量，這是任何物理元件都不可能實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際的微分

55、調(diào)節(jié)規(guī)律具有慣性，其傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中——微分時(shí)間；——微分增益。</p><p><b>　　由初值定理有</b></p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>&

56、lt;b>　　由終值定理知</b></p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　由上述兩式可以得出微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 微分調(diào)節(jié)的階躍響應(yīng)</p><p>　　由圖2-4可以看出，當(dāng)偏差作幅度為的階躍變化時(shí)，微分作用將立即產(chǎn)生，

57、其值為偏差的倍。從這一點(diǎn)上與比例作用相比，調(diào)節(jié)及時(shí)且作用強(qiáng)。在時(shí)間較長(zhǎng)后，微分作用消失，直到為零?？梢?jiàn)微分作用主要在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期，和積分作用恰好相反。</p><p>　　通過(guò)前兩節(jié)和本節(jié)對(duì)比例調(diào)節(jié)規(guī)律、積分調(diào)節(jié)規(guī)律和微分調(diào)節(jié)規(guī)律的分析，可以看出它們對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程的影響是不同的。</p><p>　　比例調(diào)節(jié)作用是按比例反映系統(tǒng)的偏差系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例

58、作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例作用，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分作用使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。</p><p>　　積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)，越小，積分作用就越強(qiáng)，反之大，則積分作用就弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。微分調(diào)節(jié)作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，因此能產(chǎn)生超前的控制作用，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選

59、擇合適的情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。</p><p>　　綜上所述，比例調(diào)節(jié)作用是最基本的調(diào)節(jié)作用，而積分和微分作用為輔助調(diào)節(jié)作用，比例作用貫穿于整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程之中，積分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程后期，用以消除靜態(tài)偏差，微分作用則體現(xiàn)在調(diào)節(jié)過(guò)程的初期。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇調(diào)節(jié)規(guī)律，同時(shí)設(shè)置適當(dāng)?shù)谋壤龓?，積分時(shí)間，微分時(shí)間，才能收到滿意的

60、調(diào)節(jié)效果。</p><p>　　對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)，負(fù)荷變化不大，工藝要求不高，可采用比例控制，如壓力、液位控制。</p><p>　　對(duì)于一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)的對(duì)象，負(fù)荷變化不大，控制精度要求高，可采用比例積分控制。因?yàn)闊崃痣姀S，工作環(huán)境較復(fù)雜，對(duì)于調(diào)節(jié)質(zhì)量要求高，所以本文所設(shè)計(jì)的將采用調(diào)節(jié)器。</p><p>　　第三章 單回路控制系統(tǒng)的介紹</p

61、><p>　　3.1 單回路控制系統(tǒng)的概述</p><p>　　單回路反饋控制系統(tǒng)又稱簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，它是僅由一個(gè)測(cè)量變送器，一個(gè)調(diào)節(jié)器和一個(gè)執(zhí)行器（包括調(diào)節(jié)閥），連同被控對(duì)象組成的閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。其組成原理方框圖如圖3-1所示。</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的基本單元，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資少、易于調(diào)整和投運(yùn)，能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制要求，因

62、此在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于被控過(guò)程的純滯后、慣性小、負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平緩，或是控制質(zhì)量要求不太高的場(chǎng)合。</p><p>　　在熱工生產(chǎn)過(guò)程中，最基本的且應(yīng)用最多的是單回路控制系統(tǒng)。即使在高水平的自動(dòng)化控制方案中，單回路控制系統(tǒng)目前仍占控制回路的絕大多數(shù)。而且各種復(fù)雜控制系統(tǒng)都是在單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，因此熟練掌握了單回路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法稍加拓展就可以設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。 </p>

63、<p>　　圖3-1 單回路控制系統(tǒng)組成原理方框圖</p><p>　　3.2 單回路控制系統(tǒng)各組成部分的選擇</p><p><b>　?。?）被調(diào)量的選擇</b></p><p>　　被調(diào)量是表征生產(chǎn)過(guò)程是否符合工藝要求的物理量，在熱工生產(chǎn)過(guò)程中主要是溫度、壓力、流量、化學(xué)成分等。一般情況下，欲維持的工藝參數(shù)就是系統(tǒng)的被調(diào)量，如

64、火力發(fā)電廠鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)就是維持鍋爐過(guò)熱器出口蒸汽溫度，所以汽溫控制系統(tǒng)的被調(diào)量就是過(guò)熱器出口汽溫。</p><p>　　但是生產(chǎn)過(guò)程中，有些工藝參數(shù)目前還沒(méi)有得到直接的快速測(cè)量手段，如火電廠進(jìn)入磨煤機(jī)的原煤干燥程度的測(cè)量。這種情況下往往采用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量，要求被調(diào)量與實(shí)際所需維持的工藝參數(shù)之間為單值函數(shù)關(guān)系，否則要采用相應(yīng)的補(bǔ)償措施。對(duì)于那些雖有直接測(cè)量手段，但所測(cè)得的信號(hào)過(guò)于微弱或延

65、遲較大的情況，不如選用間接參數(shù)作為系統(tǒng)的被調(diào)量。</p><p><b>　　（2）控制量的選擇</b></p><p>　　選擇什么樣的控制量去克服擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響呢？原則上是選擇工藝上允許作為控制手段的變量作為控制量，一般不應(yīng)選擇工藝上的主要物料或不可控制的變量作為控制量。例如：火力發(fā)電廠的鍋爐負(fù)荷控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是主蒸汽壓力，而影響主蒸汽壓力的主要因素是汽輪

66、機(jī)進(jìn)汽量和鍋爐燃料量，前者是電力生產(chǎn)要求所確定的，因而不能作為控制量而只能選擇燃料量作為系統(tǒng)的控制手段。</p><p>　?。?）控制通道和擾動(dòng)通道的選擇</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)傳遞方框圖如圖3-2所示，圖中為對(duì)象的傳遞函數(shù)，它是包括了檢測(cè)單元、測(cè)量變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥在內(nèi)的廣義對(duì)象特性；為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，為擾動(dòng)信號(hào)，為被調(diào)量與擾動(dòng)信號(hào)間的傳遞函數(shù)。擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)影響被調(diào)量

67、的信號(hào)通道稱為擾動(dòng)通道；調(diào)節(jié)器輸出的控制信號(hào)通過(guò)影響被調(diào)量的信號(hào)通道稱為控制通道。</p><p>　　圖3-2 單回路控制系統(tǒng)的傳遞方框圖</p><p>　　3.3 對(duì)象特性對(duì)控制過(guò)程的影響</p><p>　　由自動(dòng)控制理論知，控制過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)一般用衰減率、動(dòng)態(tài)偏差、穩(wěn)態(tài)偏差、過(guò)渡過(guò)程時(shí)間來(lái)衡量，它們描述了控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。描述對(duì)象動(dòng)

68、態(tài)特性的特征參數(shù)有對(duì)象的放大系數(shù)，時(shí)間常數(shù)和遲延時(shí)間。</p><p>　　3.3.1 對(duì)象放大系數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響</p><p>　　圖3-2所示的單回路控制系統(tǒng)傳遞方框圖中，設(shè)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器，即</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　　控制對(duì)象的傳遞函數(shù)為</p>&l

69、t;p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　擾動(dòng)通道的傳遞函數(shù)為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　　由圖3-2求出</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p>

70、<p>　　當(dāng)系統(tǒng)受到單位階躍擾動(dòng)，即作用下，控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程結(jié)束時(shí)，靜態(tài)偏差為</p><p><b>　　（3-5）</b></p><p>　　式（3-5）表明，干擾通道的放大系數(shù)越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差（又稱靜態(tài)偏差）越大；而控制通道的放大系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)誤差越小。對(duì)于線性控制系統(tǒng)，與是一種互補(bǔ)關(guān)系，即總可以通過(guò)改變調(diào)節(jié)器的比例增益（或比例帶）來(lái)滿足和的

71、乘積要求，這就是說(shuō)對(duì)象的放大系數(shù)對(duì)控制過(guò)程的質(zhì)量沒(méi)有什么影響。當(dāng)然，對(duì)非線性對(duì)象其值隨負(fù)荷變化而變化，要利用來(lái)補(bǔ)償，則要求也隨負(fù)荷變化而變化，即需要參數(shù)可變調(diào)節(jié)器。</p><p>　　3.3.2 對(duì)象時(shí)間常數(shù)對(duì)控制過(guò)程的影響</p><p><b>　?。?）干擾通道</b></p><p>　　設(shè)圖3-2中各環(huán)節(jié)的放大系數(shù)均為1，即：，，。

72、干擾通道為一階慣性環(huán)節(jié)，即</p><p><b>　　（3-6）</b></p><p><b>　　則</b></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的閉環(huán)特征方程</b></p><p&g

73、t;<b>　?。?-8）</b></p><p>　　式（3-8）表明，干擾通道的存在使系統(tǒng)的特征方程式產(chǎn)生變化，且干擾通道的慣性階次增加一階，系統(tǒng)就增加一個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)閉環(huán)極點(diǎn)。當(dāng)干擾通道的時(shí)間常數(shù)增大時(shí)，該新增加的極點(diǎn)就向坐標(biāo)原點(diǎn)靠近。由自動(dòng)控制理論可知，這將使控制過(guò)程的動(dòng)態(tài)偏差減小。實(shí)際上，具有慣性的干擾通道相當(dāng)于低通濾波器，從而減弱了干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)工作的影響。</p>&l

74、t;p>　　如果干擾通道還存在延遲，則</p><p><b>　　（3-9）</b></p><p>　　式中，為干擾通道不存在延時(shí)的被調(diào)量，即</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p><b>　　由延遲定理知</b></p>&

75、lt;p><b>　　（3-11）</b></p><p>　　上式表明，干擾通道遲延的存在并不影響控制過(guò)程的質(zhì)量，只不過(guò)是使被調(diào)量在時(shí)間軸上順延一個(gè)時(shí)間而已。</p><p><b>　?。?）控制通道</b></p><p>　　控制通道的時(shí)間常數(shù)如果增加，系統(tǒng)的工作頻率下降，反映速度變慢，過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間將加長(zhǎng)。

76、時(shí)間常數(shù)過(guò)小，系統(tǒng)反映則過(guò)于靈敏，又會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。這就是說(shuō)，在保證控制系統(tǒng)有一定的穩(wěn)定程度下，應(yīng)盡量減小控制通道的時(shí)間常數(shù)。實(shí)際系統(tǒng)中，控制通道是由執(zhí)行器、變送器、對(duì)象串聯(lián)組成的廣義對(duì)象。廣義對(duì)象內(nèi)部各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)之間應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，要求它們之間有一個(gè)良好的匹配關(guān)系。</p><p>　　控制通道如果存在遲延（包括純遲延和容積遲延），將會(huì)使控制過(guò)程質(zhì)量變壞。因?yàn)榭刂谱饔貌荒芗皶r(shí)影響被調(diào)量，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)偏

77、差加大，控制過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)。然而在控制通道的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)，延遲時(shí)間的影響將會(huì)減小?？刂仆ǖ来嬖谶t延，調(diào)節(jié)過(guò)程的質(zhì)量與比值有關(guān)，比值越大質(zhì)量越差。</p><p>　　綜上所述，對(duì)象的特征參數(shù)、、對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程質(zhì)量的影響是不同的。干擾通道的放大系數(shù)大，意味著干擾對(duì)被調(diào)量的影響大，即增加系統(tǒng)的靜差?？刂仆ǖ赖姆糯笙禂?shù)，由于可由調(diào)節(jié)器的比例帶來(lái)補(bǔ)償，因而不影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。干擾通道的時(shí)間常數(shù)大，對(duì)于干擾的濾波作用大，從而有利于

78、調(diào)節(jié)器克服干擾的影響?？刂仆ǖ罆r(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)及時(shí)，但容易引起系統(tǒng)的振蕩趨于不穩(wěn)定。干擾通道的遲延對(duì)調(diào)節(jié)過(guò)程無(wú)影響，而控制通道的遲延總是有害的。</p><p>　　3.4 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法</p><p>　　單回路控制系統(tǒng)僅由調(diào)節(jié)器和對(duì)象兩部分組成；對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是不容易改變的，要取得滿意的調(diào)節(jié)效果，就要設(shè)置合適的調(diào)節(jié)器參數(shù)，因此單回路控制系統(tǒng)的參數(shù)整定實(shí)際上就是調(diào)節(jié)器的參數(shù)

79、整定問(wèn)題。合理的設(shè)置調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，是針對(duì)控制系統(tǒng)某一質(zhì)量指標(biāo)而言的。在熱工生產(chǎn)過(guò)程中，通常要求控制系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕量，即要求過(guò)程有一定的衰減率；在這一前提下，要求調(diào)節(jié)過(guò)程有一定的快速性和準(zhǔn)確性，換言之穩(wěn)定性是首要的。</p><p>　　控制系統(tǒng)的參數(shù)整定有理論計(jì)算方法和工程整定方法，理論計(jì)算方法是基于一定的性能指標(biāo)，結(jié)合組成系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)理論計(jì)算求得調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)定值；而工程整定法，則是

80、源于理論分析，結(jié)合試驗(yàn)、工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等一套工程上的方法。</p><p>　　3.4.1 廣義頻率特性法</p><p>　　廣義頻率特性法是通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)，使控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性變成具有規(guī)定相對(duì)穩(wěn)定度的衰減頻率特性，從而使閉環(huán)系統(tǒng)響應(yīng)滿足規(guī)定衰減率的一種參數(shù)整定方法。</p><p>　　圖3-3 系統(tǒng)方框圖</p><p>　

81、　圖3-3是由調(diào)節(jié)器和廣義對(duì)象組成的單回路控制系統(tǒng)的傳遞方框圖。對(duì)大多數(shù)熱工過(guò)程控制對(duì)象來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)=的極點(diǎn)都落在負(fù)實(shí)軸上。據(jù)控制理論中穩(wěn)定判據(jù)，要使系統(tǒng)響應(yīng)具有規(guī)定的衰減率，只需選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使開(kāi)環(huán)頻率特性 軌跡通過(guò)點(diǎn)。用數(shù)學(xué)式表示</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中，、分別為調(diào)節(jié)器和廣義對(duì)象相對(duì)穩(wěn)定度為時(shí)的廣

82、義頻率特性，、可表示為 </p><p><b>　?。?-13）</b></p><p>　　根據(jù)式（3-13）所示關(guān)系，有</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　式中 </p><p><b>　　其中

83、</b></p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　由式（3-14）、式（3-15）可得到以下兩組關(guān)系式</p><p>　?。?-16） </p><p>

84、;<b>　?。?-17）</b></p><p>　　式（3-16）是式（3-17）的實(shí)頻特性和虛頻特性的表達(dá)式；式（3-17）則是其幅頻特性和相頻特性的表達(dá)式。</p><p>　　用廣義頻率特性法整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，就是在已知廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)后，應(yīng)用式（3-12）或式（3-16）計(jì)算出具有規(guī)定的衰減率（即相對(duì)穩(wěn)定度）下調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。利用廣義頻率特性法計(jì)算調(diào)

85、節(jié)器的參數(shù)，其前提是獲得對(duì)象的傳遞函數(shù)，這一點(diǎn)給工程實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。另外，該方法計(jì)算工作量也大，因此常用工程整定方法加以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　3.4.2 工程整定法</p><p><b>　　一、臨界比例帶法</b></p><p>　　臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小

86、改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)?？梢钥闯雠R界比例帶法無(wú)需知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。</p><p>　　臨界比例帶法在實(shí)際運(yùn)用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過(guò)程根本不允許產(chǎn)生等幅振蕩，如火力發(fā)電廠鍋爐汽包水位控制；此外，某些慣性較大的單容對(duì)象配比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過(guò)

87、程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶及振蕩周期，則無(wú)法應(yīng)用臨界比例帶法。</p><p><b>　　二、衰減曲線法</b></p><p>　　衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的衰減振蕩()過(guò)程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶及過(guò)程衰減周期，或衰減振蕩()過(guò)程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶及過(guò)程上升時(shí)間，然后根據(jù)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。</p>

88、<p>　　衰減曲線法的步驟如下：</p><p>　?。?）置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間，微分時(shí)間，比例帶為一稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。</p><p>　?。?）在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察控制過(guò)程。如果過(guò)渡過(guò)程衰減率大于0.75，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次實(shí)驗(yàn)，直到過(guò)渡過(guò)程曲線出現(xiàn)的衰減過(guò)程。對(duì)于的調(diào)節(jié)過(guò)程，也是一樣地做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn)的衰減過(guò)程。</p&g

89、t;<p>　　（3）按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到滿意為止。</p><p><b>　　3.4.3 經(jīng)驗(yàn)法</b></p><p>　　如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動(dòng)影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例帶法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。這時(shí)，應(yīng)該考慮經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)

90、驗(yàn)法是人們通過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)。其整定參數(shù)的步驟如下：</p><p>　　（1）將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間置于最小，據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，若過(guò)渡過(guò)程有希望的衰減率（）則可，否則改變比例帶值，重復(fù)上述試驗(yàn)。</p><p>　?。?）將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間由最大調(diào)整到某一值，由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，

91、這時(shí)應(yīng)將比例帶值適當(dāng)增大，一般為純比例作用的1.2倍。作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過(guò)程，修改積分時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。</p><p>　?。?）保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過(guò)程有無(wú)改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無(wú)改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時(shí)間，同樣反復(fù)湊試直到滿意為止。如此反復(fù)湊試，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。</p><p>　?。?/p>

92、4）對(duì)于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行完上述調(diào)整試驗(yàn)后，將微分時(shí)間 由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗(yàn)過(guò)程，在感到滿意時(shí)停止。</p><p>　　3.4.4 動(dòng)態(tài)參數(shù)法</p><p>　　動(dòng)態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)下，作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù)、（無(wú)自平衡能力對(duì)象）或、、（有自平衡能力對(duì)象），再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)

93、算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。</p><p>　?。╝）有自平衡能力對(duì)象 （b）無(wú)自平衡能力對(duì)象</p><p>　　圖3-4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線</p><p>　　對(duì)于有自平衡能力的對(duì)象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-4（a）所示。過(guò)響應(yīng)曲線拐點(diǎn)作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線于，交時(shí)間軸與；過(guò)點(diǎn)作時(shí)間軸垂線并交于，則有。</p><p&

94、gt;　　對(duì)于無(wú)自平衡能力的對(duì)象，其單位階躍響應(yīng)曲線如圖3-4（b）所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時(shí)間軸于，過(guò)直線段上任一點(diǎn)作時(shí)間垂線并交于，則。</p><p>　　在取得對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過(guò)在曲線上作圖，求出對(duì)象的特征參數(shù)、、或、，然后按表3-1給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器整定參數(shù)。</p><p>　　生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易的程度；越大，對(duì)象就越不

95、好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶就應(yīng)取大一些，即與成正比。對(duì)于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，因此比例帶為純比例作用時(shí)的比例帶值的1.2倍；對(duì)于采用比例積分微分調(diào)節(jié)，則因微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而比例帶可為純比例作用時(shí)比例帶的0.8倍。</p><p>　　表3-1 動(dòng)態(tài)參數(shù)法計(jì)算公式（）</p><p>　　第四章 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)</p><

96、p>　　4.1 汽包鍋爐簡(jiǎn)介</p><p>　　在設(shè)計(jì)鍋爐汽包水位控制的過(guò)程中首先從汽包鍋爐入手，汽包鍋爐有自然循環(huán)方式和強(qiáng)制循環(huán)方式兩種，汽包鍋爐自動(dòng)控制的任務(wù)與直流鍋爐幾乎一樣，也是主要包括四個(gè)方面：</p><p>　　（1）保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；</p><p>　　（2）保持燃燒的經(jīng)濟(jì)性；</p><p>　?。?）保持爐膛負(fù)壓

97、在一定范圍內(nèi)；</p><p>　?。?）運(yùn)行中保證汽輪機(jī)所需的蒸汽量，過(guò)熱蒸汽壓力和蒸汽溫度的恒定。</p><p>　　無(wú)論自然循環(huán)鍋爐還是強(qiáng)制循環(huán)鍋爐，其給水控制的任務(wù)都是為了保證鍋爐負(fù)荷和給水的平衡關(guān)系。但是，汽包鍋爐由于有了汽包的存在，使鍋爐的運(yùn)行方式、鍋爐的結(jié)構(gòu)、工作原理與直流鍋爐不同，這就使實(shí)現(xiàn)控制的方式，采用被調(diào)量都有所區(qū)別。</p><p>　　汽

98、包鍋爐的工作原理：汽包鍋爐的蒸發(fā)系統(tǒng)有汽包、下降管、分配水管、下聯(lián)箱、上升管、上聯(lián)箱、汽水引出管、汽水分離器組成，這種與直流鍋爐結(jié)構(gòu)的不同的最大優(yōu)點(diǎn)是：這個(gè)蒸發(fā)系統(tǒng)是閉合的，工質(zhì)在所有時(shí)候都在這個(gè)閉合的蒸發(fā)管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)。鍋爐的蒸發(fā)受熱面是有比較明顯的分界線的。無(wú)論是自然循環(huán)還是強(qiáng)制循環(huán)汽包鍋爐只是工質(zhì)的循環(huán)方式不同，并不改變汽包鍋爐的工作原理。這主要是由鍋爐運(yùn)行參數(shù)決定的，而且沒(méi)有很嚴(yán)格的規(guī)定，當(dāng)鍋爐壓力工作在9.8MPa～18.

99、6MPa范圍內(nèi)時(shí)，汽水密度差可以自行推動(dòng)工質(zhì)流動(dòng)，因此可以采用自然循環(huán)；當(dāng)鍋爐工作壓力≥16MPa時(shí)，一般可以采用強(qiáng)制循環(huán)。</p><p>　　調(diào)節(jié)過(guò)程特點(diǎn)：汽包水位成為給水控制的唯一標(biāo)志，因此汽包水位：</p><p>　?。?）反映了鍋爐負(fù)荷與給水的平衡關(guān)系；</p><p>　?。?）汽包水位影響蒸發(fā)面的改變，影響鍋爐的安全運(yùn)行。</p>&l

100、t;p>　　因此在汽包鍋爐中，給水控制比直流鍋爐的給水控制簡(jiǎn)單，其對(duì)象可以看成是帶有可測(cè)擾動(dòng)的兩輸入輸出系統(tǒng)，其指標(biāo)是單一的，即把水位維持在一個(gè)范圍內(nèi)即可。</p><p>　　眾所周知，工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性是企業(yè)考慮的重中之重，是衡量系統(tǒng)是否可靠的重要指標(biāo)。隨著工業(yè)自動(dòng)化整體水平的提高，方案的選擇范圍增多，但據(jù)不同的要求和不同的側(cè)重點(diǎn)，最優(yōu)方案始終是我們的首選。下面以汽包水位控

101、制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，對(duì)幾種方案略解。</p><p>　　汽包水位是鍋爐運(yùn)行的主要指標(biāo)之一，是一個(gè)非常重要的被控量。維持水位在一定范圍內(nèi)是保證鍋爐安全運(yùn)行的首要條件，這是因?yàn)椋?lt;/p><p>　?。?）水位過(guò)高會(huì)影響汽包內(nèi)汽水分離，飽和水蒸汽溫度急劇下降，該過(guò)熱蒸汽作為汽輪機(jī)動(dòng)力的話，將會(huì)損壞汽輪機(jī)葉片，影響運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　?。?）水位過(guò)低

102、，則由于汽包內(nèi)的水量轉(zhuǎn)少，而負(fù)荷很大時(shí)，如不及時(shí)調(diào)節(jié)就會(huì)使汽包內(nèi)的水全部液化，導(dǎo)致水冷壁燒壞，甚至引起爆炸。因此，鍋爐汽包水位必須嚴(yán)加控制。</p><p>　　4.2 汽包鍋爐給水控制系統(tǒng)的任務(wù)及基本要求</p><p>　　汽包鍋爐給水控制的任務(wù)是使給水量適應(yīng)鍋爐蒸發(fā)量，并使汽包中的水位保持在一定的范圍內(nèi)，其要求包括以下兩個(gè)方面：</p><p>　?。?）維持

103、汽包水位在一定范圍內(nèi)。</p><p>　　汽包水位是影響鍋爐安全運(yùn)行的重要因素。水位過(guò)高，會(huì)破壞汽水分離裝置的正常工作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致蒸汽帶水增多，從而增加在過(guò)熱器管壁上和汽輪機(jī)葉片上的結(jié)垢，甚至使汽輪機(jī)發(fā)生水沖擊而損壞葉片；水位過(guò)低，則會(huì)破壞水循環(huán)，引起水冷壁的破裂。</p><p>　　正常運(yùn)行時(shí)的水位波動(dòng)范圍：±30mm～50mm</p><p>　

104、　汽包異常情況：±200mm</p><p>　　汽包事故情況：>±350mm</p><p>　?。?）保持穩(wěn)定的給水量。</p><p>　　穩(wěn)定工況下，給水量不應(yīng)該時(shí)大時(shí)小地劇烈波動(dòng)，否則，將對(duì)省煤器和給水管道的安全運(yùn)行不利。</p><p>　　上述兩個(gè)任務(wù)中，第一個(gè)任務(wù)尤為重要。實(shí)踐證明，無(wú)論是電站鍋爐，或

105、是工業(yè)鍋爐，用人工操作調(diào)節(jié)水位，既不安全，也不經(jīng)濟(jì)，其最有效的方法是實(shí)現(xiàn)給水自動(dòng)調(diào)節(jié)。</p><p>　　根據(jù)我們所學(xué)知識(shí)可知，給水控制系統(tǒng)應(yīng)該符合以下基本要求：</p><p>　　首先，由于被控對(duì)象在給水量擾動(dòng)下的水位階躍反應(yīng)曲線表現(xiàn)為無(wú)自平衡能力，且有較大的遲延，因此必須采用帶比例作用的調(diào)節(jié)器以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　其次，由于對(duì)象在蒸發(fā)量擾

106、動(dòng)下，水位階躍反應(yīng)曲線表現(xiàn)有“虛假水位”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的反應(yīng)速度比內(nèi)擾快，為了克服“虛假水位”現(xiàn)象對(duì)控制系統(tǒng)的不利影響，應(yīng)考慮引入蒸汽流量的補(bǔ)償信號(hào)。</p><p>　　再次，給水壓力是有波動(dòng)的，為了穩(wěn)定給水量，應(yīng)當(dāng)考慮將給水量信號(hào)作為反饋信號(hào)，用于及時(shí)消除內(nèi)擾。</p><p>　　4.3 汽包水位的動(dòng)、靜態(tài)特性</p><p>　　汽包鍋爐給水控制對(duì)象的系統(tǒng)結(jié)

107、構(gòu)如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 汽包鍋爐給水控制對(duì)象的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)</p><p>　　影響水位的因素主要有：鍋爐蒸發(fā)量（負(fù)荷），給水量，鍋爐熱負(fù)荷（燃燒率），汽包壓力?？刂葡到y(tǒng)的物質(zhì)平衡方程為</p><p>　　（4-1）將式（4-1）進(jìn)一步變換得</p><p><b>　?。?-2）</b><

108、/p><p>　　令，則上式變?yōu)?</p><p><b>　　（4-3）</b></p><p>　　式中 ——汽包水位，或； </p><p>　　——汽水分離面積，或；</p><p>　　——蒸發(fā)量，或； </p><p><b>　　——給

109、水量，或；</b></p><p><b>　　——容量系數(shù)；</b></p><p>　　——水的密度，/或/；</p><p>　　——蒸汽密度，/或/。</p><p>　　容量系數(shù)是用來(lái)表征鍋爐結(jié)構(gòu)系數(shù)的，而它的動(dòng)態(tài)特性則往往用飛升速度或飛升時(shí)間來(lái)表征。</p><p>　　對(duì)

110、于汽包鍋爐來(lái)說(shuō)，由飛升速度的定義知</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中——飛升速度，1/。</p><p>　　把擾動(dòng)量即水位變化量轉(zhuǎn)變成用相對(duì)量表示的水位變化范圍，通常的水位允許變化范圍為200，這個(gè)范圍擾動(dòng)量的相對(duì)極限值為100%。式（4-4）中</p><p>　　右邊一項(xiàng)表示

111、汽包內(nèi)工質(zhì)的變化量，當(dāng)給水量時(shí)，而蒸發(fā)量為最大時(shí)，變化量最大，因此有</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　可見(jiàn)這時(shí)的擾動(dòng)量是下降的。故有</p><p><b>　　（4-6）</b></p><p>　　式中 ——鍋爐最大的蒸發(fā)量；</p><

112、p>　　——水位變化允許的最大范圍。 </p><p><b>　　飛升時(shí)間。</b></p><p>　　對(duì)于蒸發(fā)量為100～230的單汽包爐，當(dāng)水位變化時(shí)，，對(duì)于蒸發(fā)量為更大的汽包爐，它的意義在于當(dāng)鍋爐在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，如果突然停止供水，則由于蒸發(fā)量和給水量的不平衡造成水位迅速下降，在內(nèi)將下降，或者換句話說(shuō)，如果給水量減少，經(jīng)過(guò)的時(shí)間，水位將下降。<

113、/p><p>　　4.3.1 給水流量擾動(dòng)下水位的動(dòng)態(tài)特性 </p><p>　　圖4-2為給水量擾動(dòng)時(shí)水位階躍響應(yīng)曲線。圖4-2中曲線1為沸騰式省煤器情形下水位的動(dòng)態(tài)特性。曲線2則是非沸騰式省煤器時(shí)的水位動(dòng)態(tài)特性。</p><p>　　圖4-2 給水流量擾動(dòng)下水位階段響應(yīng)曲線</p>&

114、lt;p>　　從物質(zhì)平衡的觀點(diǎn)來(lái)看，加大了給水量，水位應(yīng)立即上升，但實(shí)際上并不是這樣，而是經(jīng)過(guò)一段遲延，甚至先下降后再上升。這是因?yàn)榻o水溫度遠(yuǎn)低于省煤器的溫度，即給水有一定的過(guò)冷度，水進(jìn)入省煤器后，使一部分汽變成了水，特別是沸騰式省煤器，給水減輕了省煤器內(nèi)的沸騰度，省煤器內(nèi)的汽泡總?cè)莘e減少，因此，進(jìn)入省煤器內(nèi)的水首先用來(lái)填補(bǔ)省煤器中因汽泡破滅容積減少而降低的水位，經(jīng)過(guò)一段遲延甚至水位下降后，才能因給水量不斷從省煤器進(jìn)入汽包而使水位