200MW單元機組協(xié)調(diào)控制設(shè)計

1、引 言近年來，隨著大型發(fā)電機組的的日益增多，大容量機組的汽機和鍋爐都是采用單元制熱力系統(tǒng)。機、電、爐控制設(shè)備都放在單元控制室中，可以說，單元制運行方式簡化了熱力系統(tǒng)，使蒸汽經(jīng)過中間再熱處理成為可能，提高了機組的熱效率。隨著電網(wǎng)容量的增大和對供電質(zhì)量要求的提高，現(xiàn)代大型單元機組的負荷控制系統(tǒng)無一例外地采用了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。單機元組是由發(fā)電機、汽輪機和鍋爐組成，共同配合工作來適應(yīng)電網(wǎng)的負荷要求，并且共同保持機組的穩(wěn)定運行，不能將汽輪機和鍋爐的負荷控制任務(wù)分割開來討論。大型的機組都是以鍋爐、汽輪機組成單元機組方式運行，機、爐之間相互聯(lián)系緊密，成為一個不可分割的整體，因此，必須將二者作為一個聯(lián)合的條件對

2、象進行控制，又由于外部負荷變化時，機、爐的動態(tài)響應(yīng)特性差別比較大，控制系統(tǒng)應(yīng)該考慮兩者的特點做適當?shù)胤止f(xié)調(diào)，以提高機組適應(yīng)負荷變化和保持內(nèi)部能量平衡的能力，所以協(xié)調(diào)控制就成為必然的趨勢，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略設(shè)計直接決定了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試及控制品質(zhì)。單元機組是一個復雜的多變量強耦合控制對象，存在著大滯后、多擾動、時變等特性。強烈的耦合給系統(tǒng)的控制帶來較大的難度，一般通過設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)來消除和削弱這種相互的關(guān)聯(lián)和耦合，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。但是在具體實現(xiàn)時，也會遇到許多的困難，很難做到理想的解耦。因此，有必要對解耦的理論方法加以必要的改進與簡化。多變量頻域理論中的串聯(lián)

3、補償法就是一種合理的解耦方法，該方法通過補償網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)，使等效對象成為對角陣實現(xiàn)了各被調(diào)量的單變量控制。在實際生產(chǎn)過程中，主要擾動常來自某一方面，對于這類生產(chǎn)過程被控對象，若采用單向解耦，不僅可以大量減少補償裝置，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時也能取得更好的調(diào)節(jié)效果。因此，針對單元機組通過解耦設(shè)計來實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制具有重要現(xiàn)實意義。第一章 控制系統(tǒng)概述在生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展過程中，自動控制起著重要的作用，目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和國防建設(shè)。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改善勞動條件、促進文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動生產(chǎn)率的重要手段，是20世紀科學與技術(shù)進步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標志之

4、一?？梢哉f，自動化水平是衡量一個國家的生產(chǎn)技術(shù)和科學水平先進與否的一項重要標志。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過程自動化技術(shù)相對于其他民用工業(yè)部門有較長的歷史和較高的自動化水平，電廠熱工自動化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。1.1 熱工過程自動控制的內(nèi)容和分類1.1.1 熱工過程自動控制的內(nèi)容(1) 自動檢測：自動地檢測和測量反映生產(chǎn)過程進行情況的各項物理參數(shù)、化學量（如溫度、壓力、液位、化學成分等）及各項生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)，以監(jiān)視生產(chǎn)過程的進行情況和趨勢，稱為自動檢測。它所適用的檢測設(shè)備有常規(guī)的模擬量儀表、巡回檢測數(shù)字式儀表，還有計算機圖象顯示、自動記錄、打印和警報裝

5、置。(2) 順序控制：按照預(yù)先擬訂的順序，有計劃、有步驟、自動地對生產(chǎn)過程進行一系列的操作，稱為順序控制。順序控制也稱自動操作，又稱程序控制，在發(fā)電廠中主要用于主機或輔機的自動啟動和停止，以及輔助系統(tǒng)的程序控制。如汽輪機的自動啟停程序控制和磨煤機自動啟停程序控制，定期排污和定期吹灰的程序控制等。(3) 自動保護：在發(fā)生事故時，自動采取保護措施，以防止事故進一步擴大或保護生產(chǎn)設(shè)備使之不受嚴重破壞，稱為自動保護。如汽輪機的超速保護，發(fā)電設(shè)備的過電壓、過電流保護以及鍋爐的超壓保護等。(4) 自動調(diào)節(jié)：自動地維持生產(chǎn)過程在規(guī)定的工況下運行，或者說自動地維持各被調(diào)量為設(shè)定參數(shù)值或按一定規(guī)律變化。生產(chǎn)過程

6、中必須保證產(chǎn)品滿足一定的數(shù)量和質(zhì)量要求，同時也要保證生產(chǎn)的安全和經(jīng)濟，這就要求生產(chǎn)過程在預(yù)期的工況下進行。但是，生產(chǎn)過程往往受到各種擾動而偏離正常工況，必須通過自動控制隨時消除各種干擾，保證正常運行。更為嚴重的是有時自動控制系統(tǒng)本身也要發(fā)生故障，這就要求在設(shè)計自動控制系統(tǒng)時，考慮各種可能發(fā)生的故障，并加以自動保護。因此，現(xiàn)代的自動控制系統(tǒng)往往包含自動保護、自動檢測、自動報警、順序控制等內(nèi)容。有時，它們有機地組合成一個不可分割的整體，以確?？刂葡到y(tǒng)的安全可靠。1.1.2 自動控制系統(tǒng)的組成把工業(yè)生產(chǎn)過程中的溫度、壓力、液位、濃度等狀態(tài)參數(shù)作為被控參數(shù)的控制系統(tǒng)叫過程控制系統(tǒng)。為了了解自動控制系統(tǒng)

7、組成的一般概念，首先以人工控制鍋爐汽包水位為例，來分析完成一個控制任務(wù)，需要哪些功能以及這些功能在自動控制系統(tǒng)中又是如何實現(xiàn)的。為了保證鍋爐的安全運行，操作人員應(yīng)該設(shè)法使汽包中的水位穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。某些因素的干擾使汽包水位發(fā)生變化時，運行人員的手動干預(yù)過程如下（如圖1-1所示）。 圖1-1 鍋爐汽包水位人工控制示意圖首先，運行人員通過指示儀表，用眼睛觀察被調(diào)量是否正常或發(fā)生變化。然后，用腦思考所觀察的結(jié)果，即將觀察到的實際水位與給定值進行比較（看是否有偏差，以及偏差的大小與方向），并做出判斷（是否要求對給水閥門進行操作，往哪個方向操作，應(yīng)按什么動作規(guī)律去操作等）。最后，手根據(jù)腦的指揮命令，

8、按照所規(guī)定的規(guī)律去操作給水閥門。所以說，運行人員的眼、腦、手三個器官，分別起著觀察、運算和執(zhí)行三個作用，從而完成水位控制，其原理框圖如圖1-2所示。如果用自動化裝置代替上述人工操作來完成控制任務(wù)，就形成自動控制系統(tǒng)，如圖1-3所示。圖1-3的原理框圖如圖1-4所示。圖1-2 人工控制原理框圖圖1-3 汽包水位自動控制系統(tǒng)示意圖圖1-4 汽包水位自動控制系統(tǒng)原理框圖從圖1-3和圖1-4可以看出，一個自動控制系統(tǒng)由以下幾部分組成：測量變送器：用來測量被調(diào)量，并把被調(diào)量轉(zhuǎn)換成與之成比例的某種便于傳遞和綜合的信號用表示。調(diào)節(jié)器：接受被調(diào)量信號和給定值信號比較后的偏差信號，輸出一定規(guī)律的控制指令給執(zhí)行器

9、用表示。給定元件：用來設(shè)置被調(diào)量的給定值或與該給定值對應(yīng)的電信號。執(zhí)行器：根據(jù)調(diào)節(jié)器送來的控制指令去推動調(diào)節(jié)機構(gòu)，改變調(diào)節(jié)量用表示?？刂茖ο螅罕豢刂频臒峁どa(chǎn)過程或設(shè)備用表示。被調(diào)量：表征熱工生產(chǎn)過程是否符合規(guī)定工況的物理量如汽包水位。擾動：生產(chǎn)過程中引起被調(diào)量偏離其給定值的各種因素如蒸汽量的變化。調(diào)節(jié)量：由控制作用來改變并去控制被調(diào)量變化的物理量如給水量。調(diào)節(jié)機關(guān)：接受控制作用去改變調(diào)節(jié)量變化的具體設(shè)備如給水調(diào)節(jié)閥。1.1.3 自動控制系統(tǒng)的分類(1) 按控制方式分按控制方式分類有開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和復合控制系統(tǒng)等。開環(huán)控制系統(tǒng)（也稱前饋控制系統(tǒng)），是控制設(shè)備和控制對象在信號關(guān)系上沒

10、有形成閉合回路的控制系統(tǒng)。也就是說，其被控量沒有反饋到控制設(shè)備的輸入端。它的特點是按擾動進行控制，結(jié)構(gòu)簡單，精度差，只能克服單一擾動。閉環(huán)控制系統(tǒng)（也稱反饋控制系統(tǒng)），它的被控量信號反饋到控制設(shè)備的輸入端，成為控制設(shè)備產(chǎn)生控制作用的依據(jù)。只要被控量與給定值之間有偏差，控制設(shè)備就要對控制對象施加作用，直到被控量符合要求為止。它的特點是基于偏差，消除偏差，可以克服各種擾動對被控量的影響。由于控制作用落后于干擾，因此相對來講控制不及時。復合控制系統(tǒng)，它是開環(huán)控制和閉環(huán)控制組合的一種控制系統(tǒng)。(2) 按閉合回路的數(shù)目來分按控制系統(tǒng)的閉合回路分類有單回路控制系統(tǒng)和多回路控制系統(tǒng)。單回路控制系統(tǒng)只有一個被

11、控量信號反饋到控制器的輸入端，形成一個閉合回路，如圖1-5所示，我們隨后研究的水箱液位控制系統(tǒng)就是一個典型的單回路控制系統(tǒng)。多回路控制系統(tǒng)具有一個以上的閉合回路，控制器（調(diào)節(jié)器）除接受被控量反饋信號外，還有另外的輸出信號直接或間接地反饋到控制輸入端。例如串級控制系統(tǒng)和導前微分控制系統(tǒng)都是雙回路控制系統(tǒng)。圖1-5 單回路控制系統(tǒng)的原理框圖 (3) 按給定值分按控制系統(tǒng)的給定值分類有恒值控制系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)和隨動控制系統(tǒng)。恒值控制系統(tǒng)的給定值保持不變，從而被控量也應(yīng)保持不變，主要矛盾是克服擾動對被控量的影響，最終使給定值與被控量相等。 隨動控制系統(tǒng)的給定值按預(yù)先不能確定的一些隨機因素而變化，因而

12、，被調(diào)量也跟隨給定值而隨機變化。程序控制系統(tǒng)的給定值按已知的時間函數(shù)變化?？刂频娜蝿?wù)是使被控量盡快與給定值相等。例如汽輪機啟動過程中，要求汽輪機的轉(zhuǎn)速按一定程序升降等。1.2 熱工自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標自動控制系統(tǒng)控制品質(zhì)的優(yōu)劣，直接表征了控制系統(tǒng)克服外界干擾能力的大小。因而，討論自動控制系統(tǒng)的品質(zhì)指標也就顯得尤為重要。為此先給出靜態(tài)和動態(tài)的概念。 靜態(tài)：被控參數(shù)不隨時間而變化的平衡狀態(tài)叫靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)。動態(tài)：被控參數(shù)隨時間而變化的不平衡狀態(tài)叫動態(tài)。一旦給定值有了變化或有干擾進入系統(tǒng)，這時平衡狀態(tài)被破壞，被控參數(shù)開始偏離給定值，調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥相應(yīng)動作以改變調(diào)節(jié)量的大小而使被控參數(shù)回到給定值上。可見

13、，控制的過程就是克服干擾的過程。一個系統(tǒng)的優(yōu)劣在穩(wěn)態(tài)下難以判別，只有在過渡過程中才能得以鑒別。一般說來，一個控制系統(tǒng)在受到干擾作用時的過渡過程可能有如圖1-6所示的四種情況。衡量一個控制系統(tǒng)的指標一般可歸納為三個方面，即穩(wěn)定性、準確性和快速性。1.2.1 穩(wěn)定性通常所說的控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，是指控制系統(tǒng)在受到干擾作用后，系統(tǒng)的平衡被破壞，在控制設(shè)備的控制作用下，控制系統(tǒng)能恢復到一個新的平衡狀態(tài)，稱為穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)被控參數(shù)和控制參數(shù)的過渡過程曲線最后趨向平衡；不穩(wěn)定的控制系統(tǒng)過渡過程曲線則是漸擴的，無法恢復平衡?，F(xiàn)場中希望過渡過程曲線如圖1-7所示?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定程度可以用衰減率這個

14、指標來衡量，定義如下： （1-1）式中，和是被控參數(shù)從新穩(wěn)定值量起的第一和第三波峰值。衰減率和系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的關(guān)系如下：圖1-6 幾種典型的過渡過程形式圖1-7 典型過渡過程曲線(1) （即：），過渡過程為不振蕩的過程，如圖1-6所示。(2) （即：），過渡過程為等幅振蕩過程，如圖1-6所示。(3) （即：），過渡過程為衰減振蕩過程，如圖1-6所示。(4) （即：），過渡過程為漸擴振蕩過程，如圖1-6所示。多數(shù)熱工生產(chǎn)過程要求，即第一峰值與第三峰值之比值在41到101之間。1.2.2 準確性準確性是指被控參數(shù)的實際值與給定值之間的動態(tài)偏差和靜態(tài)偏差。動態(tài)偏差是指整個過渡過程中被控參數(shù)偏離給定值

15、的最大差值。靜態(tài)偏差是指過渡過程結(jié)束后被控參數(shù)與給定值之間的差值?，F(xiàn)場中希望兩個偏差越小越好。1.2.3 快速性快速性是指過渡過程的持續(xù)時間，即從干擾發(fā)生起到被控參數(shù)又建立新的平衡狀態(tài)為止的過渡過程時間。一般認為被控參數(shù)進入偏離給定值5（或2）范圍內(nèi)就算基本穩(wěn)定了。當然，過渡過程時間越短，控制過程進行的就越快，系統(tǒng)品質(zhì)也就越好。以上三方面的品質(zhì)指標有時往往是相互矛盾的，在實際的調(diào)試過程中應(yīng)統(tǒng)籌兼顧。第二章 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制2.1單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負荷控制系統(tǒng)也稱主控制系統(tǒng)、常規(guī)控制系統(tǒng)也稱子控制系統(tǒng)和負荷控制對象三大部分組成。如圖2-1所示。負荷控制系統(tǒng)

16、又由二部分即負荷指令處理部分也稱負荷管理控制中心和機爐主控制器組成。負荷控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制級子控制系統(tǒng)局部控制級TBN0負荷指令處理部分機爐主控制器鍋爐控制系統(tǒng)汽輪機控制系統(tǒng)被控對象NBNTNEPT外埠負荷指令圖 2-1 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡圖其中，負荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，負荷管理控制中心是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的指揮機構(gòu)，它的主要功能是根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心的要求負荷指令或機組運行人員要求改變負荷的指令以及機組主輔機運行情況，處理成適合于機爐運行狀態(tài)的實際負荷要求指令。圖2-2 負荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖其中，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡化框圖如圖2-3。機、爐主控制器是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制機構(gòu)，機、

17、爐主控制器的主要功能是根據(jù)機組的運行條件和要求，運行人員通過選擇控制方式，給出合理的控制方案提供機組全面的協(xié)調(diào)控制。圖2-3單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡化框圖2.2 單元協(xié)調(diào)控制控制系統(tǒng)的原理圖2-4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作原理圖協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作原理圖如圖2-4所示。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負荷指令處理回路和機爐控制回路這兩部分組成。負荷指令處理回路可以接受3個負荷指令信號，即電網(wǎng)調(diào)度負荷指令信號，電網(wǎng)頻差信號和值班員指令信號，電網(wǎng)頻差信號和值班員改變負荷的指令信號。它們的總和反映了外界對機組負荷的要求。機組功率運算回路將這個負荷要求處理成為機組可能接受的功率信號。機組能否接受這個指令還要由機組允許負荷能力運算回

18、路決定，允許負荷能力取決于當時的主要輔機運行臺數(shù)及鍋爐燃燒率的偏差。若負荷要求在機組所能承擔的允許范圍內(nèi)，則可按負荷要求發(fā)出機組功率指令，否則，按機組允許負荷能力發(fā)出機組功率指令，這個任務(wù)由限制回路來完成。經(jīng)上述運算處理后的機組功率指令（功率給定值N0）分別送往鍋爐調(diào)節(jié)器和汽機調(diào)節(jié)器。機爐主控制回路由鍋爐調(diào)節(jié)器和汽機調(diào)節(jié)器組成，它們同時接受功率偏差（N0-Ne）和汽壓偏差（P0-PT）信號。在穩(wěn)定工況下，實發(fā)功率Ne等于功率給定值N0，機前壓力PT等于壓力給定值P0。當要求負荷增加時，將出現(xiàn)一個正的功率偏差信號（N0-Ne），此信號通過汽機調(diào)節(jié)器開大調(diào)節(jié)閥，增加實發(fā)功率，同時，這個信號也作用到

19、鍋爐調(diào)節(jié)器，使燃料量增加，增加蒸汽量。當調(diào)節(jié)閥開大時，會立即引起機前壓力的下降，盡管此時鍋爐已經(jīng)開始增加燃料量，但由于燃料-機前壓力通道有一定的慣性，這時仍然會有正的壓力偏差（P0-PT）信號出現(xiàn)。這個信號按正方向作用到鍋爐調(diào)節(jié)器，繼續(xù)增加燃料量，同時反方向作用到汽機調(diào)節(jié)器，力圖使汽壓恢復到正常數(shù)值。正的功率偏差信號和負的壓力偏差信號作用的結(jié)果，會使調(diào)節(jié)閥開大到一定程度后停止。這時汽機實發(fā)功率還沒有達到功率給定值，這種狀態(tài)只能是暫時的，因為正的功率偏差信號與負的汽壓信號同時通過鍋爐調(diào)節(jié)器使鍋爐增加燃料量，隨著機前壓力的逐漸恢復，壓力偏差信號逐漸減小，這時汽機調(diào)節(jié)閥在正的功率偏差信號作用下繼續(xù)開

20、大，提高實發(fā)功率，直到功率和汽壓均與其給定值相等，機組達到新的穩(wěn)定狀。由此可見，在機組適應(yīng)電網(wǎng)負荷變化過程中，協(xié)調(diào)控制方式允許汽壓有一定的波動，以便能充分利用鍋爐的蓄熱量，使機組能較快地適應(yīng)電網(wǎng)的需求。但是，這里利用鍋爐的蓄熱量是有限的，因為在控制的過程中利用負的壓力偏差能適當?shù)叵拗破麢C調(diào)節(jié)閥的動作，保持機前壓力不致產(chǎn)生過大的偏差，所以，協(xié)調(diào)控制方式既能使機組較快地適應(yīng)電網(wǎng)的負荷要求，又能確保汽壓的波動在允許的范圍內(nèi)。另外，由于鍋爐調(diào)節(jié)器接受功率前饋偏差信號，能迅速地改變?nèi)剂狭浚墒箼C組功率較快地達到功率給定值。2.3 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案機、爐主控制器是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制機構(gòu)。

21、機爐主控制器的設(shè)計從其控制結(jié)構(gòu)出發(fā)有二種指導思想，一種是以反饋控制為基礎(chǔ)的，適當加入一些前饋信號作為輔助調(diào)節(jié)以改善控制品質(zhì)；另一種則從能量平衡的角度考慮前饋的控制，力爭做到前饋補償后，鍋爐和汽機就能協(xié)調(diào)一致地達到所要求的負荷，反饋作用僅在此基礎(chǔ)上起校正作用。所以，一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可按反饋和前饋回路不同進行分類。常見的機爐協(xié)調(diào)控制方式有三種方案：以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式、以汽輪機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式和綜合型協(xié)調(diào)控制方式，下面分別介紹它們的工作原理及主要特性。2.3.1 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式汽機控制手動，汽機調(diào)節(jié)器接受功率給定值與實發(fā)功率反饋信號，根據(jù)它們之間的偏差，調(diào)節(jié)汽門開

22、度，從而改變進汽量，使發(fā)電機輸出功率迅速滿足負荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調(diào)節(jié)器接受機前壓力定值的機前壓力反饋信號，根據(jù)偏差，調(diào)整燃料量，從而保證主汽壓力穩(wěn)定。如圖2-5所示。 圖2-5 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式所以，在鍋爐跟隨系統(tǒng)中，快速的功率響應(yīng)和較大的主汽壓力偏差是同時存在的，這就是由于鍋爐跟隨系統(tǒng)機組功率對汽機側(cè)調(diào)節(jié)作用的響應(yīng)迅速，當負荷要求變化時，本系統(tǒng)通過改變汽機調(diào)節(jié)閥開度，充分利用機組蓄能，就可以得到機組功率的快速響應(yīng)。但是，這是以犧牲主蒸汽壓力為代價的，又因為在鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)作用下，主汽壓力的響應(yīng)有較大慣性。 為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以采用

23、機前壓力的定值與機前壓力的反饋值之間的偏差信號，通過函數(shù)模塊（死區(qū)特性），作用在汽機調(diào)節(jié)器的輸出端。當汽壓偏差超過非線形模塊的不靈敏區(qū)時，汽機調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)閥開度指令將受到限制。2.3.2 以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式當機組負荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。機前壓力改變后，按機前壓力與給定值的偏差，通過汽機調(diào)節(jié)器改變汽輪機調(diào)節(jié)閥開度，從而改變機組功率。如圖2-6所示。圖2-6 以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，可以在汽機調(diào)節(jié)器前，加入功率偏差的前饋信號，其原理是利用鍋爐的蓄能，同時允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動。功率偏差信號（NO-NE）可以看作是暫時改變的汽

24、機調(diào)節(jié)器的給定值，當（PO- PT）0時，汽壓給定值降低，汽壓調(diào)節(jié)器發(fā)出開大調(diào)節(jié)閥的指令，增加輸出功率，反之亦然，當函數(shù)模塊F（x）=0時，前饋作用不存在。2.3.3 綜合型協(xié)調(diào)控制方式鍋爐和汽機同時接受負荷指令，并按一定的策略去協(xié)調(diào)鍋爐和汽機之間的控制。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負荷指令的前饋信號；汽機主控制器自動，保證機組功率。負荷指令作為機組功率設(shè)定值。對于單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評價，主要根據(jù)以下兩方面進行：其一是能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對機組的負荷要求；其二是在內(nèi)、外擾作用下，機爐控制回路能否協(xié)調(diào)工作和能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減小。如圖2-7所示。圖2-7綜合型協(xié)調(diào)

25、控制方式 幾種不同的運行方式間可以靈活的進行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機跟隨方式；當汽機出力受限制時，切至鍋爐跟隨方式。任何一種運行方式的選擇均要求所需要的子系統(tǒng)已被選擇在自動方式；任何子系統(tǒng)的自動方式的切除，都將導致協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)到與之相適應(yīng)的自動級。2.4 按前饋回路分類2.4.1 按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制(DIB)指令信號間接平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點是用指令間接平衡機爐之間的能量關(guān)系，屬于以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，功率定值信號作為前饋信號平行地送到機爐兩個控制回路，使機爐同時改變負荷，以保證快速響應(yīng)外界的負荷要求。但是，當然料內(nèi)繞是使鍋爐燃燒增加時，機前壓力及實際功

26、率都將增加，由于中間再熱機組功率滯后較大（大機組一般為中間在熱機組）機前壓力響應(yīng)比實發(fā)功率靈敏。因此，在擾動初期汽機調(diào)節(jié)閥將開大，又對汽機是一擾動，所以這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)消除鍋爐內(nèi)繞能力較差。當汽機調(diào)節(jié)閥有擾動時，機前壓力與實際發(fā)功率變化方向相反，一般控制回路能較快消除擾動。鍋爐控制回路中，燃燒率指令中的積分校正作用較小，調(diào)節(jié)閥擾動對鍋爐控制回路的影響也不大。2.4.2 按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制(DEB)按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一個主要特點是采用能量平衡信號P1PT取代功率給定信號，作為鍋爐控制回路的前饋信號，其中P1為汽機第一級后的汽壓，PT為機前壓力，兩者的比值P1PT與汽機調(diào)節(jié)閥開度

27、成正比，無論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開度變化，P1PT都對調(diào)節(jié)閥開度的微小變化作出靈敏的反應(yīng)。所以，無論在動態(tài)還是在靜態(tài)，P1PT都反映了調(diào)節(jié)閥的開度，即汽機輸入的能量。其主要反映了汽機對鍋爐的能量要求。這就為機爐之間動態(tài)過程中協(xié)調(diào)兩個控制回路的工作提供了一個比較直接的能量平衡信號，故稱為直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制。 因此可以看出，采用爐跟機為基礎(chǔ)的直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能快速適應(yīng)負荷要求和克服內(nèi)擾，是各種負荷控制方式中較好的一種。前面我們介紹了幾種單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，盡管形式各異，但有一些共同點： （1）前面介紹的系統(tǒng)都為前饋反饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，一般還帶有非線性控制環(huán)節(jié)。前饋、反饋和非線性

28、控制部分各自分擔著不同的任務(wù)，其作用都是為實現(xiàn)機、爐的協(xié)調(diào)控制。（2）前饋控制的作用是補償機組的動態(tài)遲延和慣性，加快負荷響應(yīng)，以及保持負荷指令與機、爐主控制指令之間滿足一定的靜態(tài)關(guān)系，在控制過程中起“粗調(diào)”作用。（3）采用非線性控制環(huán)節(jié)可使汽壓在規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)變化，以利用機組的蓄熱能力，提高負荷響應(yīng)速度。（4）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和克服內(nèi)擾的能力主要靠反饋控制保證，反饋控制是協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，在控制過程中起“細調(diào)”作用。綜上所述，組成單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案有兩個，其一是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，往往以P1PT (P1）這樣的能量平衡信號作為鍋爐控制中的

29、前饋信號，以便在變工況下，協(xié)調(diào)機、爐之間的能量供求關(guān)系構(gòu)成直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其二是以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，往往負荷指令作為鍋爐的前饋信號，以負荷指令來間接協(xié)調(diào)機、爐在能量需求方面的關(guān)系構(gòu)成能量間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。第三章 單元機組數(shù)學模型的動態(tài)分析3.1 單元機組動態(tài)數(shù)學模型的分析大型單元機組控制系統(tǒng)是一種多變量復雜控制系統(tǒng)，滯后大，受控過程是一個多輸入多輸出過程。在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建?；?qū)嶒灥姆椒?，才能建立起滿足一定精度要求的動態(tài)特性數(shù)學模型。汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。

30、如圖2-1所示。圖中，機組的輸出功率N和機前壓力P為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度uT和燃料量uB為控制量。和分別為發(fā)電機實發(fā)功率對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)；和分別為機前壓力對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)。這種合理簡化的前提是：1送風量與燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定；2引風量與送風量相適應(yīng)，保持爐膛壓力；3給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡；4主蒸汽溫度控制相對獨立。圖3-1 單元機組負荷控制對象數(shù)學模型在保證上述條件的基礎(chǔ)上，進一步假定：1考慮單元機組在額定工況下的小擾動特性，即作為線性系統(tǒng)處理。2把分布的傳熱過程，分布的管道阻力視為集中傳熱，集中管道阻力，即作為集中參數(shù)系統(tǒng)

31、處理。在此基本假設(shè)條件下，單元機組受控過程動態(tài)特性可由下式表示： （3-1）單元機組負荷控制對象的階躍響應(yīng)特性如圖3-2所示：圖3-2 階躍響應(yīng)特性圖單元機組動態(tài)特性分析：1燃燒率uB擾動下，主蒸汽壓力P和輸出功率N的動態(tài)特性如下：當汽輪機調(diào)門開度不變，而uB發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力P和輸出電功率N的響應(yīng)曲線如圖3-2（a）所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過延遲后逐漸升高。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓P就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽輪機

32、輸出功率增加，輸出電功率N也增加。當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。2調(diào)門開度uT擾動下主蒸汽壓力P和輸出功率N的動態(tài)特性如下：當鍋爐燃燒率uB保持不變，而uT發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力P和功率N的響應(yīng)曲線如圖3-2（b）所示。汽輪機調(diào)門開度階躍增加后，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓P也隨之立刻階躍下降P（P階躍下降的大小與蒸汽流量的階躍增量成正比，且與鍋爐的蓄熱量大小有關(guān)）。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。蒸汽流量的增加是因為鍋爐汽壓下降而釋放出一部分蓄熱，這只是暫時的。最終，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應(yīng)的擾動前的數(shù)值，主蒸汽壓

33、力P也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時的增加，故輸出功率N相應(yīng)也有暫時的增加。最終，輸出功率N也隨蒸汽流量恢復到擾動前的數(shù)值?？梢钥闯?，機組增加負荷時，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放蓄熱量而產(chǎn)生的。通過以上分析，可以看出負荷控制對象的動態(tài)特性的特點是：當汽輪機調(diào)門開度動作時，被控量N和P的響應(yīng)都很快，即熱慣性?。划斿仩t燃燒率改變時，N和P的響應(yīng)都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異8。3.2 單元機組機爐動態(tài)特性的基本特征構(gòu)成單元機組受控對象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。

34、通過對機爐內(nèi)在機理的分析，可以看出其動態(tài)特性方面的以下基本特征。1在鍋爐控制量B作用下，輸出被控量PT和N的響應(yīng)是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量u的作用下，輸出被控量PT和N的響應(yīng)則是一個快速的過程。2由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量PT和N對于B的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中GPB（s）與GNB（s）之間十分相似的特性。3根據(jù)以上機爐特性的基本特征，利用汽輪機調(diào)門開度u作為控制量，可以快速的改變機組的被控量PT和N。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只

35、是一種有限的、暫態(tài)的策略。3.3 控制系統(tǒng)對模型精度的要求不同控制理論和算法對模型的要求是不同的。因而，建模的目的以及對模型精度的要求應(yīng)依據(jù)模型應(yīng)用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)在最主要、最本質(zhì)的特征，對于設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。如前所述，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機爐作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡單可靠的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對過程模型精度方面的要求并不是很高的4。第四章 解耦控制系統(tǒng)的設(shè)計及參數(shù)整定4.1 解耦控制系統(tǒng)單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計是從機爐整體能量平衡的目標出發(fā)

36、，通過選擇合理的控制信號，采用前饋、反饋、動態(tài)補償?shù)炔呗裕瑢崿F(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標。對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可以降低各回路之間的耦合。然而若經(jīng)配對選擇仍存在嚴重的耦合，則需要考慮解耦設(shè)計，解耦設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路之間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。4.1.1 多變量被控對象的概念對于一個具有n個被調(diào)量和n個調(diào)節(jié)變量的生產(chǎn)過程被控對象，其輸入-輸出特性可由矩陣方程表示： （4-1） 式（4-1）中： （4-2） （4-3） （4-4）傳遞矩陣W中的元素Wij為被調(diào)量yi與調(diào)節(jié)變量uj的傳遞函數(shù)。

37、若Wij=0，則表明yi不受uj作用影響。若對象的傳遞矩陣W可表示為對角形矩陣，則稱之為無耦合對象。若對象的傳遞矩陣W可表示為三角形矩陣，則稱之為半耦合對象。若對象的傳遞矩陣W中每一行和每一列均至少有兩個元素不為0，則稱之為耦合對象或多變量相關(guān)對象，以下簡稱多變量對象。4.1.2 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原理對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而，若經(jīng)配對選擇仍存在嚴重的耦合，則需考慮解耦設(shè)計，解耦設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制。（1）串聯(lián)補償法采用串聯(lián)補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如圖4-3所示。圖4-1 串聯(lián)補

38、償結(jié)構(gòu)圖W=Wij為被控對象的傳遞矩陣。C=Cij為解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞矩陣。對于C的設(shè)計原則，要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣WB=Weij為對角矩陣。即： WC=We(除對角元素不為0，其余都為0)。串聯(lián)補償法可分為：串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。1. 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，在被控對象的輸入側(cè)串聯(lián)一個補償網(wǎng)絡(luò)，如圖4-2所示，這種補償方式稱之為串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為： (4-5)圖4-2 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)圖實現(xiàn)完全解耦的條件為： W12=G11*R12+G12=0 （4-6） W21=G21+G22*R21=0 （4-7

39、）由上式可解出補償器的傳遞函數(shù)為： （4-8） 實現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為： (4-9) 在式（4-9）中： (4-10) (4-11)由此，可以按照單變量系統(tǒng)設(shè)計出調(diào)節(jié)器R11和R22。串聯(lián)前補償解耦可以消除定值x擾動時對其它回路被調(diào)量的影響，但不能對發(fā)生在對象輸入側(cè)的擾動u實現(xiàn)解耦。這意味著當出現(xiàn)對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產(chǎn)生影響，只能由各自調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)作用去消除。2. 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)這種解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。推導補償環(huán)節(jié)R12和R21的傳遞函數(shù)時，以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖4-2所示的結(jié)構(gòu)，有 (4-12) 由方法1可得完全解耦的串聯(lián)前補償

40、器、表達式為式： (4-13)進一步可得帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償器為R12、R21表達式為式： (4-14) 圖4-3 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu) 3. 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)在受控對象的輸出側(cè)串聯(lián)一個解耦網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)系統(tǒng)的全解耦。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-4所示。以補償器的輸出C1、C2作為系統(tǒng)的輸出，可得到等效對象的傳遞函數(shù)矩陣為： (4-15)圖4-4 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖有解耦條件可得到補償器傳遞函數(shù)為： (4-16)應(yīng)當指出，上述解耦是補償器輸出C1、C2對定值擾動x與內(nèi)擾u的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到內(nèi)擾u的交叉干擾。對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)器而言，等效對象為 (4-17) (4-18) (4-19)(

41、2)反饋補償法采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖4-5所示。圖4-5 反饋補償控制系統(tǒng)框圖由解耦網(wǎng)絡(luò)A組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量U和擾動向量M具有相同通道。因此，反饋解耦回路不僅能消除各通道間的相互關(guān)聯(lián)，同時還能抑制系統(tǒng)的內(nèi)擾，實現(xiàn)對內(nèi)擾的不變性原理。解耦網(wǎng)絡(luò)A可等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)，然后借助串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)的計算來求出。反饋解耦回路等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)框圖如圖4-6所示。 圖4-6 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖不難看出： (4-20)由于 (4-21) 則： (4-22)其中 We解耦后等效對象傳遞矩陣。 （4-23） 考慮到解耦作用在于消除交叉通道間的關(guān)聯(lián)，因此，可令A(yù)的對角線元素，

42、I為單位矩陣。由此上述式中： （4-24）所以根據(jù)上述式子不難得出： （4-25）（3）和差補償法以上所介紹的幾種解耦方法，在理論上具有較好的解耦效果，但實際上，常遇到以下問題：一是所設(shè)計的解耦補償環(huán)節(jié)，經(jīng)常是在物理上不可實現(xiàn)的。其二，補償環(huán)節(jié)是按被控對象數(shù)學模型，根據(jù)零-極點對消的原則設(shè)計出來的。這不僅使之實現(xiàn)有困難，而且當對象中的參數(shù)變化而造成數(shù)學模型的改變時，可能造成系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，從而帶來控制上的困難。采用和差補償法解耦，不需采用補償裝置，而是利用對象各通道傳遞函數(shù)的特點，對各通道的傳遞函數(shù)進行加減運算，使等效對象的傳遞矩陣成為對角矩陣。以下以一個具有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖

43、4-7所示。設(shè)此對象的傳遞矩陣為： （4-26） 令： （4-27） 由此可得： （4-28）圖4-7 和差補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖當W12與W22有相似特性，變化方向相同時，選k1可使W12-k1W22=0；當W21與W11有相似特性，變化方向相反時，選k2可使W21+k2W11=0。由此可得： （4-29）則有 （4-30） （4-31） 這樣就實現(xiàn)了完全解耦。采用和差解耦的控制系統(tǒng)，其被調(diào)量是和，由式（4-27），保證和的動態(tài)過程的品質(zhì)指標，也就間接保證了和的動態(tài)過程品質(zhì)指標，在采用PI規(guī)律調(diào)節(jié)器，靜態(tài)時保證和，則保證了和。4.1.3 靜態(tài)解耦按照以上解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)表達式，可以實現(xiàn)多變量系統(tǒng)受

44、控對象的解耦。然而，補償器往往會很復雜，甚至不可實現(xiàn)。因此，工程實現(xiàn)時，對解耦網(wǎng)絡(luò)進行必要的簡化是至關(guān)重要的?，F(xiàn)在就介紹一種工程上常用的解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 靜態(tài)解耦是對受控對象傳遞函數(shù)靜態(tài)增益矩陣實現(xiàn)解耦。靜態(tài)解耦可使系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下成為非耦合系統(tǒng)，而在動態(tài)條件下，即系統(tǒng)信號頻率不等于零時，存在一定的耦合。因而靜態(tài)解耦也稱之為零頻解耦。特別是火電廠熱工過程，一般頻率比較低，常采用低頻段預(yù)補償法設(shè)計Kp。低頻段預(yù)補償法是在s=0條件下，設(shè)計實常數(shù)預(yù)補償陣Kp，實現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦。靜態(tài)解耦補償網(wǎng)絡(luò)是一個常數(shù)矩陣，可通過下式求得Kp=G (4-32) 靜態(tài)解耦的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。本次設(shè)計將采用此

45、方法。4.1.4 單向解耦單向解耦是經(jīng)過補償?shù)牡刃ο蟮膫鬟f函數(shù)成為一個三角陣。這樣會使補償器的數(shù)量減少。以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，如果系統(tǒng)中某一側(cè)擾動對另一側(cè)系統(tǒng)輸出的影響較小，以致可以忽略不計，或者受干擾側(cè)控制回路消除干擾的能力很強，就可以考慮單向解耦，省去其中的一個補償器。例如在串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)中，若令為零，系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為 (4-33) 可以由下式求的補償器傳遞函數(shù) （4-34） 等效對象傳遞函數(shù)為 (4-36)4.1.5 近似解耦近似解耦為了使解耦補償環(huán)節(jié)便于實現(xiàn)，常常通過對補償環(huán)節(jié)進行簡化，實現(xiàn)系統(tǒng)的近似解耦。譬如，把補償環(huán)節(jié)近似為一些典型的運算環(huán)節(jié)。常用的有比例（和差解耦）、

46、比例積分、慣性、比例微分、實際微分、非線性等環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)可通過固定的控制儀表組件或算法模塊實現(xiàn)，通過合理的調(diào)整參數(shù)，也可得到理想的解耦效果。4.2 PID參數(shù)的整定控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對象的運行方式不當，或者系統(tǒng)設(shè)計方案不合理，測量儀表和調(diào)節(jié)機構(gòu)選型不當，安裝質(zhì)量不高等，則無論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有

47、經(jīng)過正確的整定，才能達到預(yù)期的控制質(zhì)量。從理論上看，通過計算來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是可行的辦法。采用各種計算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動態(tài)偏差、控制過程時間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問題是計算方法要以控制對象的動態(tài)特性為依據(jù)，而動態(tài)特性測取時含有不精確性，更難以處理的是在工況變動時，對象的動態(tài)特性可能發(fā)生變化。另外，對控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對調(diào)節(jié)器本身在計算時也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。由于這些原因，各種計算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考

48、依據(jù)。在熱工生產(chǎn)過程中，比較實用的是現(xiàn)場整定方法，即通過現(xiàn)場調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場整定也要在正確的理論指導下才能有效進行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計算和分析，盲目地實踐可能會延誤時機，甚至帶來麻煩。因此，計算還是有必要的。不過計算分析不必要求達到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗性圖表，先略估計調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場整定提供參考。（1）臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)

49、驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，可以看出臨界比例帶法無須知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。臨界比例帶的具體步驟是：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即；置微分時間；置比例帶于一個較大的值。 2） 將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到進入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)45個振幅即可，試驗記錄曲線。 3） 根據(jù)記錄曲線的振蕩周期此狀態(tài)下調(diào)節(jié)器比例帶為，然后按表4-1計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗，觀察系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)器過程滿意為止。表4-1 臨界比例帶法計算公式（）規(guī) 律PPIPID臨界比例帶法在實際應(yīng)

50、用中有一定的局限性，有些生產(chǎn)過程根本不允許產(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象用比例調(diào)節(jié)器又很不容易產(chǎn)生等幅振蕩過程，得不到臨界狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶即振蕩周期，則無法應(yīng)用臨界比例帶法。（2）經(jīng)驗法如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運行中經(jīng)常受到擾動影響，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。 通過長期實踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗，稱之為經(jīng)驗法。經(jīng)驗法可以說是根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 經(jīng)驗法整定具體步驟：1） 將調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大，微分時間置于最小。根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，穩(wěn)定后做階躍擾動試驗，