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(jié)構(gòu)不為最佳針對上述原因，加以改進：1） 對于外擾，設(shè)法設(shè)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(yīng)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(yīng)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(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(zhì)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(zhì)。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(zhì)不盡

7、人意。3、 結(jié)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(guān)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(shù)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(gòu)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(shè)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(shè)置好b 設(shè)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(shè)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(wù)過熱汽溫控制的任務(wù)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(yīng)較快、煙氣擾動下汽溫對象的動態(tài)特性煙氣側(cè)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(zhì)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(shè)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(yīng)曲線如下圖：延遲和慣性較大4、討論1）關(guān)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(yīng)不靈敏混

13、合式減溫器：優(yōu)點：反應(yīng)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(gòu)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(yīng)用中應(yīng)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(yīng)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(yīng)特征