MW機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)分析

1、.600MW機(jī)組的主汽溫控制系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與仿真摘要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技技術(shù)的革新、國民對(duì)電力的更高要求的不斷提升，現(xiàn)在300MW機(jī)組已經(jīng)慢慢退出電力發(fā)產(chǎn)的舞臺(tái)中心，取而代之的是600MW機(jī)組。電站鍋爐主汽溫（過熱汽溫）影響著機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，所以主汽溫（過熱汽溫）的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析就非常必要。本文對(duì)被控對(duì)象過熱器進(jìn)行了特性分析，較為詳細(xì)的描述了常用的串級(jí)控制、導(dǎo)前微分信號(hào)控制和SMITH控制的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。并結(jié)合了托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)較為全面的分析了其汽溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵字：600MW機(jī)組 主汽溫（過熱汽溫）控制 Analysis of 600MW Unit Stea

2、m Temperature Control SystemAbstractWith economic development, science and technology innovation, people on higher demand for electricity on the rise，Now 300MW power unit has slowly made out of center stage production，replaced by the 600MW unit. Superheated steam temperature has an important influen

3、ce on safe and economic operation of the unit. So design and analysis of superheated steam temperature and reheated steam temperature control system is very necessary. This paper was accused of object characteristics of superheater , a more detailed description of the commonly used cascade control,

4、Guidance Differential signal control, SMITH control system structure and principle . And combined with steam temperature control system of Tuoketuo power plant , analyzed its steam temperature control systems characteristics and advantages.Keywords : 600MW Unit Superheated steam temperature control

5、目錄摘要：IIAbstractIII一、600MW機(jī)組的介紹51.1、近年我國600MW機(jī)組發(fā)展情況51.2 600MW機(jī)組的汽溫系統(tǒng)介紹21.2.1 過熱汽溫控制的重要性21.2.2過熱汽溫控制系統(tǒng)的被控對(duì)象21.3 600MW過熱汽溫控制系統(tǒng)的現(xiàn)況4二、600MW機(jī)組的幾種典型的汽溫控制方42.1、600MW機(jī)組的過熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)和難度42.2 600MW機(jī)組過熱汽溫控制對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性52.2.1、靜態(tài)特性52.2.2 動(dòng)態(tài)特性62.3 過熱汽溫系統(tǒng)的串級(jí)控制方案92.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理92.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)的分析112.4 過熱汽溫的導(dǎo)前微分控制方案142.4.1導(dǎo)前

6、微分控制系統(tǒng)的特點(diǎn)152.4.2導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成152.4.3導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)分析162.5、SMITH預(yù)估控制系統(tǒng)182.6 三種汽溫控制系統(tǒng)的比較20三、再熱汽溫控制系統(tǒng)的分析21四、托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)分析224.1 托克托電廠汽溫控制系統(tǒng)的組成224.2托克托電廠的汽溫系統(tǒng)分析224.2.1過熱汽溫控制系統(tǒng)分析224.2.2再熱汽溫控制系統(tǒng)分析274.3、總結(jié)托克托電廠控制系統(tǒng)的特點(diǎn)31五、結(jié)束語325.1、本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的收獲和心得325.2、致謝32六、附錄：32*;一、600MW機(jī)組的介紹1.1、近年我國600MW機(jī)組發(fā)展情況近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展

7、，人民生活的提高，電能早已是我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚?。我國各發(fā)電企業(yè)也通過優(yōu)化發(fā)展來推動(dòng)加快發(fā)展，結(jié)構(gòu)調(diào)整取得明顯成效。300MW機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)在慢慢的被淘汰，取而代之的是更大的600MW機(jī)組，這就是說，在未來的幾年甚至十幾年中，600MW機(jī)組將會(huì)取代300MW機(jī)組而成為我國電力行業(yè)的骨干機(jī)組。2008年，全國投產(chǎn)火電機(jī)組6575萬kW，雖然比2007年少投產(chǎn)1785萬kW，但高等級(jí)機(jī)組比例增加，小機(jī)組替代力度加大，火電結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，技術(shù)等級(jí)進(jìn)一步提高。到2008年底，火電機(jī)組總?cè)萘窟_(dá)到6億kW。從常規(guī)火電技術(shù)看，我國已開始由電力大國向電力強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，火電在超(超)臨界機(jī)組、大型循環(huán)流化床機(jī)組、空

8、冷機(jī)組、脫硫設(shè)施建設(shè)和運(yùn)行等各方面，都走在了世界前列。600MW超臨界壓力機(jī)組已是世界上一項(xiàng)比較成熟的技術(shù), 加快建設(shè)和發(fā)展高效超臨界火電機(jī)組是解決電力短缺、提高能源利用率和減少環(huán)境污染的最現(xiàn)實(shí)、最有效的途徑。我國從20世紀(jì)90年代開始，引進(jìn)技術(shù)的亞臨界300發(fā)電機(jī)組逐步取代了200MW機(jī)組，成為我國的主力機(jī)組。300MW機(jī)組無論是在安全可靠性，還是經(jīng)濟(jì)性上均遠(yuǎn)勝于200MW機(jī)組。我國的第一臺(tái)600MW機(jī)組是1985年從德國引進(jìn)并投產(chǎn)的元寶山電廠的2號(hào)機(jī)組。在普遍認(rèn)可和掌握亞臨只是300MW機(jī)組技術(shù)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)入21世紀(jì)以后，興起了一波爭(zhēng)上亞臨只是600MW機(jī)組的熱潮。而這后600MW超臨界

9、機(jī)組開始在我國電力行業(yè)現(xiàn)身，目前已經(jīng)成為國內(nèi)新建、擴(kuò)建機(jī)組的主要趨勢(shì)，其主汽壓力和主汽溫參數(shù)高，可大大提高機(jī)組的熱效率和經(jīng)濟(jì)性。截至2008年底，全國600Mw及以上機(jī)組共有276臺(tái)，而2008年當(dāng)年新投產(chǎn)機(jī)組就有67臺(tái)、4112萬kW，占新投產(chǎn)火電機(jī)組總?cè)萘康?3.11，是當(dāng)前電網(wǎng)的主力機(jī)組和發(fā)展的主要領(lǐng)域。從下表1中可以看出：近幾年來機(jī)組數(shù)量每年分別增加了113、58和32，發(fā)展迅猛。（表 1：近年來我國600MW機(jī)組的裝機(jī)總量）年份2005200620072008總臺(tái)數(shù)/臺(tái)62132209276總?cè)萘?MW3916823513127174001.2 600MW機(jī)組的汽溫系統(tǒng)介紹1.2.1

10、 汽溫控制的重要性在大型的火電廠機(jī)組的控制上，蒸汽溫度是一個(gè)至關(guān)重要的被控參數(shù)，對(duì)于鍋爐都有明確的額定汽溫值，并且有嚴(yán)格的要求，運(yùn)行中不得有過大的偏差，一般誤差范圍都要保持在+5-10。這是由于：（1）、汽溫過高，鍋爐的受熱面及蒸汽管道金屬材料的蠕變速度加快，會(huì)使其壽命減短。同時(shí)，當(dāng)汽溫超過允許值時(shí)，還會(huì)使汽輪機(jī)的汽缸、主汽門、調(diào)節(jié)汽門、前幾級(jí)噴嘴和頁片等部件的機(jī)械強(qiáng)度降低，會(huì)縮短部件的使用壽命。（2）、汽溫過低，這將會(huì)使機(jī)組的熱效率降低，使汽耗率增大，汽溫過低還會(huì)使汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片的蒸汽濕度增大，這不僅使汽輪機(jī)內(nèi)效率降低，而且重要的是會(huì)造成末幾級(jí)葉片的浸蝕增加，會(huì)縮短汽輪機(jī)的壽命。（3）、過

11、熱汽溫和再熱汽溫變化過大，除了對(duì)管道和相關(guān)部件的蠕變和損壞之外，還會(huì)引起汽機(jī)差脹的變化，甚至產(chǎn)生機(jī)組的振動(dòng)，危及機(jī)組的安全運(yùn)行。1.2.2汽溫控制系統(tǒng)的被控對(duì)象對(duì)于控制系統(tǒng)來說，對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的控制品質(zhì)的好壞取決于被控對(duì)象的認(rèn)識(shí)，對(duì)被控對(duì)象有了好的了解和認(rèn)識(shí)，就可以很好的對(duì)它進(jìn)行控制，如果不能夠很好認(rèn)識(shí)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析都是有很大難度的。600MW機(jī)組的汽溫控制系統(tǒng)一般由過熱器、高溫過熱器、低溫再熱器和高溫再熱器組成。如下圖所示為一機(jī)組的汽溫控制系統(tǒng)的被控對(duì)象。整個(gè)過程工質(zhì)的流程水冷壁過熱器汽輪機(jī)高壓缸再熱器汽輪機(jī)中、低壓缸過熱器：過熱器是鍋爐中將一定壓力下的飽和水蒸氣加熱

12、成相應(yīng)壓力下的過熱水蒸氣的受熱面。按傳熱方式可分為對(duì)流式、輻射式和半輻射式；按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為蛇形管式、屏式、墻式和包墻式。主蒸汽按照：低溫過熱器屏式過熱器高溫過熱器經(jīng)過多級(jí)過熱器。飽和蒸汽由汽包引出后，進(jìn)入低溫對(duì)流過熱器，從低溫過熱器出來后，經(jīng)過第一級(jí)噴水減溫器減溫，再進(jìn)入屏式過熱器，從屏式過熱器中出來以后，再經(jīng)過二級(jí)噴水減溫，這后通過高溫對(duì)流之后進(jìn)入高壓汽缸做功。在低溫過熱器和屏式過熱器、屏式過熱器與高溫過熱器之間都設(shè)置有噴水減溫器,利用減溫水來調(diào)節(jié)過熱汽溫，一般都采用多級(jí)過熱器。為提高控制品質(zhì)，過熱汽溫采用分段控制方案，即將整個(gè)過熱器系統(tǒng)分成若干段，每段都包含一個(gè)減溫器，分別控制各段過熱器

13、出口汽溫，以維持過熱汽溫為給定值。機(jī)組汽溫給定值按機(jī)組的啟停和正常運(yùn)行工況的要求來形成，將隨負(fù)荷而變，即過熱汽溫被設(shè)計(jì)成全程控制系統(tǒng)。如上圖所示，一級(jí)噴水減溫器布置在屏式過熱器入口，二級(jí)噴水減溫器布置在高溫段對(duì)流過熱器入口。一級(jí)噴水減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)用以維持段過熱器出口汽溫2為給定值，二級(jí)噴水減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)用以調(diào)節(jié)主汽溫度4為給定值。段過熱器出口汽溫2的調(diào)節(jié)為維持主汽溫度奠定了基礎(chǔ)。采用兩級(jí)噴水減溫，這樣做的目的有兩個(gè)，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更加靈敏，減小熱慣性，二是為了保護(hù)過熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏式過熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來調(diào)節(jié)因負(fù)荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化。除此

14、之外，它還有保護(hù)屏式過熱器和對(duì)流過熱器的作用。第二級(jí)噴水減溫器布置在末級(jí)過熱器之前，這一級(jí)熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速的調(diào)節(jié)。再熱器：再熱器實(shí)質(zhì)上是一種把作過功的低壓蒸汽再進(jìn)行加熱并達(dá)到一定溫度的蒸汽過熱器，再熱器的作用進(jìn)一步提高了電廠循環(huán)的熱效率，并使汽輪機(jī)末級(jí)葉片的蒸汽溫度控制在允許的范圍內(nèi)。再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)一般采用擺動(dòng)火嘴加噴水減溫的控制方式。再熱蒸汽按照：汽輪機(jī)高壓缸排汽低溫再熱器高溫再熱器依次經(jīng)過不同階段的再熱器，最后從再熱器出來的符合要求的再熱蒸汽進(jìn)入中壓和低壓缸做功。1.3 600MW汽溫控制系統(tǒng)的現(xiàn)況過熱汽溫控制系統(tǒng)是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到電廠的安全性和

15、經(jīng)濟(jì)性。過熱蒸汽溫度過高或過低，都會(huì)對(duì)電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性具有巨大的影響。目前，仍然采用以分散微機(jī)為基礎(chǔ)的集散控制系統(tǒng)（DCS）。目前，在過熱汽溫控制系統(tǒng)中采用主要有串級(jí)控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)。二、600MW機(jī)組主汽溫（過熱蒸汽溫度）控制方案2.1、600MW機(jī)組的主汽溫（過熱蒸汽溫度）控制系統(tǒng)的任務(wù)和難度600MW機(jī)組的汽溫控制系統(tǒng)分為過熱蒸汽溫度的控制和再熱蒸汽溫度的控制，故而汽溫控制系統(tǒng)又分為兩個(gè)小的方向：過熱蒸汽溫度控制和再熱蒸汽溫度控制。過熱蒸汽溫度控制的任務(wù)：保證過熱汽器的出口蒸汽溫度維持在允許的范圍內(nèi)，并且能保護(hù)過熱器，使管壁溫度不超過允許的工作溫度，

16、使過熱器能夠安全的工作。過熱蒸汽溫度過高，可能會(huì)造成過熱器、蒸汽通道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，因而過熱汽溫的上限一般不應(yīng)超過額定值5 。過熱蒸汽溫度過低，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。如果過熱蒸汽過低，則會(huì)降低電廠的工作效率，據(jù)估計(jì)，溫度每降低5，熱經(jīng)濟(jì)效率將下降1%；且汽溫偏低會(huì)使汽輪機(jī)尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴(yán)重影響汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。因而過熱汽溫的下限一般不低于額定值10 。過熱汽溫的額定值通常在500以上，例如高壓鍋爐一般為540，就是說要使過熱汽溫保持在540±5的范圍之內(nèi)。過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制難度：由于汽溫被控對(duì)象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來許

17、多的困難，其主要難點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）、影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負(fù)荷、減溫水量、煙汽側(cè)的過?？諝庀禂?shù)和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽溫變化。2）、汽溫對(duì)象具有大延遲、大慣性的特點(diǎn)，尤其隨著機(jī)組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更加的大了，這使其表現(xiàn)出了極差的動(dòng)態(tài)特性，從而進(jìn)一步的加大了汽溫控制的難度。3）、汽溫對(duì)象在各種擾動(dòng)的作用下（如機(jī)組負(fù)荷、工況的變化）反映出來的非線性、時(shí)變性等特性，使其控制的難度加大。2.2 600MW機(jī)組主汽溫（過熱汽溫）控制對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性2.2.1、靜態(tài)特性過熱汽溫被控對(duì)象的靜態(tài)特性指過熱汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系

18、。過熱器的傳熱形式、結(jié)構(gòu)和布置將直接影響過熱器的靜態(tài)特性。大容量鍋爐的過熱器系統(tǒng)都采取了對(duì)流式過熱器、輻射式過熱器和屏式(半輻射式)過熱器交替串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)。這有利于減小過熱器出口汽溫的偏差，并改善了過熱汽溫被控對(duì)象的靜態(tài)特性。i. 鍋爐負(fù)荷與過熱汽溫的關(guān)系：鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，爐膛燃燒的燃料增加，但是，爐膛中的最高的溫度沒有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對(duì)變化不大，所以爐膛溫度也增高不大。這就是說負(fù)荷增加時(shí)每千克燃料的輻射放熱面分率減少，而在爐膛溫后的對(duì)流區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對(duì)流放熱百分率增加。因此，對(duì)于對(duì)流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高：輻射式過熱

19、器則具有相反的汽溫特性，即當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性，但一般在采用這兩種過熱器串聯(lián)的鍋爐中，過熱器出口蒸汽溫度在某個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，仍隨負(fù)荷 的增加而有所升高。ii. 過?？諝庀禂?shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系：過?？諝饬扛淖儠r(shí)，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。因此，當(dāng)增大過剩空氣量時(shí)將使過熱汽溫上升。iii. 給水溫度與過熱汽溫的關(guān)系：提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)生每千克蒸汽所需要的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料量下

20、，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，因此過熱汽溫將下降。則是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對(duì)過熱汽溫有顯著的影響。iv. 燃燒器的運(yùn)行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系：在膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會(huì)影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會(huì)影響過熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過熱汽溫將升高。2.2.2 動(dòng)態(tài)特性過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性是指引起過熱汽溫變化的擾動(dòng)與汽溫之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。蒸汽從汽包出來以后通過過熱器的低溫加熱段，之后經(jīng)過減溫調(diào)節(jié)器，然后再到過熱器的高溫加熱段，最后送入汽輪機(jī)，通常的的大中型鍋爐都是采用減溫器的辦法來控制過熱汽溫。各種鍋爐的結(jié)構(gòu)不同的過熱器的安置也是不一樣的。對(duì)過

21、熱器出口蒸汽溫度影響的的因素有許多，例如煙氣的溫度和速度，爐膛的熱負(fù)荷，減溫水量和給水的溫度。但是總體來說，主要的影響因素有以下三方面的因素：煙氣傳熱量，蒸汽流量，減溫水量。目前，現(xiàn)在火電廠中大多利用噴水減溫的方法來控制過熱汽溫。在各種擾動(dòng)情況下，汽溫控制對(duì)像具有大延遲、大慣性和自平衡能力。i. 蒸汽流量擾動(dòng)下：引起蒸汽流量擾動(dòng)的原因有兩個(gè)。一是蒸汽母管的壓力變化，二是汽輪機(jī)控制汽門的開度變化。對(duì)于大型的鍋爐來說，一般情況下都采用復(fù)合式過熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過對(duì)流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負(fù)荷的增大而升高。這兩個(gè)因素都會(huì)讓對(duì)流式過熱器的汽溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增

22、加時(shí)，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蕭汽量所需要熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降?？梢钥吹剑@兩種不同的過熱器，對(duì)蒸汽量的擾動(dòng)的響影正好相反。所以，如果這兩種過熱器配合使用，就能使過熱器出口溫度隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，需要把對(duì)流式過熱器和輻射式過熱器結(jié)合起來使用。如果汽機(jī)負(fù)荷變化時(shí)，則會(huì)引起蒸汽量的擾動(dòng)。然而當(dāng)蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，將會(huì)改變過熱器和煙氣之間的傳熱關(guān)系，導(dǎo)致過熱蒸汽溫度發(fā)生變化。從蒸汽量擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性曲線，我們可以看到，溫度的響應(yīng)具有平衡特性，而且慣性延遲都比較小，這是因?yàn)檎羝孔兓臅r(shí)侯，沿過熱汽管道的長(zhǎng)度的方向的各個(gè)點(diǎn)的溫度

23、幾乎是同時(shí)變化的。過熱器出口汽溫是隨蒸汽流量D的增加而升高的，過熱器出口汽溫在蒸汽流量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線如下圖所示：（ 圖：過熱器出口溫度隨蒸汽流量擾動(dòng)的變化）在上圖中，我們可以清楚的看到過熱汽溫對(duì)蒸汽量擾動(dòng)的響影，響影特性為一條有遲延、自平衡的曲線。 然而，由于蒸汽流量擾動(dòng)是由用戶所人定的，故而它不能做為控制信號(hào)來使用ii. 煙氣側(cè)熱量擾動(dòng)下：燃料量的增減，燃料種類的不同，送風(fēng)量的變化都對(duì)煙氣的流速和煙氣的溫度產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的影響，這會(huì)改變煙氣的傳熱情況，導(dǎo)致過熱氣出口溫度的變化。對(duì)于煙氣的傳熱量的變化，是沿著整個(gè)過熱器的長(zhǎng)度方向的變化，且這種變化是同時(shí)發(fā)生的。因此，我們可以看到，在煙氣擾動(dòng)的

24、動(dòng)態(tài)特性曲線上，汽溫度化的遲延是非常小的，一般會(huì)在10s-20s之間。它與蒸汽量擾動(dòng)時(shí)的情況有些類似。盡管引起煙氣傳熱量擾動(dòng)的原因很多，但被控對(duì)象特征總的特點(diǎn)是有延遲、有慣性、時(shí)變、非線性和有自平衡能力。煙氣流量變化對(duì)過熱汽溫的影響的特性曲線如下圖所示：（圖：過熱器出口溫度隨煙氣量擾動(dòng)的變化）因從煙氣側(cè)來的擾動(dòng)使沿整個(gè)長(zhǎng)度的過熱器傳熱量發(fā)生變化，故汽溫變化反映較快，延遲時(shí)間一般較小，煙氣傳熱量擾動(dòng)可以用來作為控帛量信號(hào)。iii. 噴水量擾動(dòng)：現(xiàn)在我們控制過熱蒸汽溫度的主要方法是利用噴水減溫來實(shí)現(xiàn)，也是我們目前最常見的一種方法。故而對(duì)于這種控制方法，噴水量就成了基本擾動(dòng)量。過熱器的特性決定了噴水

25、減溫系統(tǒng)的特性。我們呆以把過熱器看成是無窮多個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)起來組成的多容對(duì)象。當(dāng)噴水減溫發(fā)生改變之后，這就需要通過這些串聯(lián)的單容對(duì)象，最終引起了過熱器出口的過熱蒸汽溫度的變化。因而，過熱器出口的過熱蒸汽的溫度有很大的延遲。減溫水量擾動(dòng)下的被控對(duì)象特征曲線，如下圖所示：（圖： 過熱器出口溫度隨減溫水量擾動(dòng)的變化 ） 如上圖所示：其特點(diǎn)是有延遲，有慣性和有自平衡能力。減溫水量是經(jīng)常使用的控制量。綜合述上關(guān)于汽溫被控對(duì)象的的動(dòng)靜態(tài)特性，我們可以得出汽溫控制系統(tǒng)的控制要求：即調(diào)節(jié)慣性或遲延盡可能的小，調(diào)節(jié)范圍要大，對(duì)熱循環(huán)效率影響要小。通過對(duì)三種擾動(dòng)的動(dòng)靜態(tài)分析，我們可以得到汽溫控制的兩種方法：即蒸汽

26、側(cè)的調(diào)節(jié)和煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)。蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)，是指通過改變蒸汽的所負(fù)載的熱來調(diào)節(jié)溫度。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水，噴入的水可以吸收一部分的過熱蒸汽的熱量，從而降低過熱蒸汽的溫度，所以，調(diào)節(jié)噴水量就可以起到調(diào)節(jié)蒸汽溫度的效果。煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，是指通過調(diào)節(jié)鍋爐內(nèi)輻射受熱面和對(duì)流受熱面的吸熱分配的比例來起到調(diào)節(jié)蒸汽溫度的效果。2.3 過熱汽溫系統(tǒng)的串級(jí)控制方案單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而單回路控制系統(tǒng)也憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而得到了廣泛的應(yīng)用。但是隨著科技的發(fā)展，技術(shù)的不斷更新，生產(chǎn)不斷的強(qiáng)化，工業(yè)生產(chǎn)過程對(duì)工業(yè)參數(shù)提出了越來越嚴(yán)格的要求，并且隨著工業(yè)生產(chǎn)過程中的被控對(duì)象越來越復(fù)雜，被控對(duì)象的遲延

27、和慣性也越來越大，這對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，而面對(duì)這樣的被控對(duì)象，單回路控制系統(tǒng)顯然已經(jīng)不能滿足控制要求了。這樣，許多復(fù)雜的控制系統(tǒng)就應(yīng)動(dòng)而生了，如串級(jí)控制系統(tǒng)、導(dǎo)前微分信號(hào)控制系統(tǒng)、Smith預(yù)估控制系統(tǒng)等。本節(jié)對(duì)串級(jí)控制系統(tǒng)在汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行討論。2.3.1串級(jí)控制系統(tǒng)的基本原理在火電廠中，過熱汽溫的串級(jí)控制系統(tǒng)如下圖所示：（圖：過熱汽溫的串級(jí)控制系統(tǒng) ）在上圖中我們可以看到，過熱器溫串級(jí)控制系統(tǒng)是用減溫水量做為其控制手段的。而噴水減溫器離過熱器出口比較遠(yuǎn)，且通過上節(jié)對(duì)過熱器特性的分析，我們可以得知過熱器的熱容較大，故使得主汽溫被控對(duì)象的滯后和慣性也較大。如果利用單回路控制系統(tǒng)

28、控制如此的被控對(duì)象，則主汽溫度根本無法滿足被控對(duì)象的控制要求，控制品質(zhì)也達(dá)不到要求。因此，我們可以取一個(gè)對(duì)減溫水量變化反映快的中間點(diǎn)溫度做為導(dǎo)前信號(hào)，再增加一個(gè)PID控制器組成如上圖所示的串級(jí)控制系統(tǒng)?？刂破鱌I2根據(jù)Q2信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)使汽溫Q2比Q1提早反映（如：內(nèi)擾為噴水量W的自發(fā)性變化），那么由于PI2的提前動(dòng)作，擾動(dòng)引起的Q2的波動(dòng)很快就消除了，從而使主汽溫Q1基本不受影響。另外，PI2的給定值受調(diào)節(jié)器PI1的影響，后者根據(jù)Q1改變Q2的給定值，從而保證負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，仍能保持主汽溫度滿足要求。從分析中可得，串級(jí)控制系統(tǒng)采用了兩級(jí)控制器，各有其特殊任務(wù)。過熱汽溫串級(jí)控制系

29、統(tǒng)的原理方框圖如下所示：從上圖可以得到，串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)明顯的區(qū)別，即：串級(jí)控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，而單回路控制系統(tǒng)只有一個(gè)閉環(huán)。對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng)，其中里面的那個(gè)閉環(huán)被稱為是內(nèi)回路或者是副回路，在控制系統(tǒng)中，內(nèi)回路起到粗調(diào)的作用；而外面的那一個(gè)閉環(huán)，則稱為外回路或者是主回路，它的任務(wù)是對(duì)控制系統(tǒng)起到微調(diào)的作用，以保證被調(diào)量滿足生產(chǎn)要求。無論是內(nèi)回路還是外回路都具有自己的控制對(duì)象和溫度變送器、PID調(diào)節(jié)器。在外回路內(nèi)，被控對(duì)象為過熱器、還有溫度變送器和PID1調(diào)節(jié)器，它們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中被稱為：主對(duì)象、主參數(shù)、和主調(diào)節(jié)器。相應(yīng)的，在內(nèi)回路中，也有相對(duì)應(yīng)的副對(duì)象、副參數(shù)和副

30、調(diào)節(jié)器。而一般來說，副對(duì)象是整個(gè)廣義被控對(duì)象的一部分，我們稱其為控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)；主對(duì)象是整個(gè)廣義被控對(duì)象的另一部分，通常被稱為控制對(duì)象的惰性區(qū)。對(duì)于主副回路中的調(diào)節(jié)器，它們各有各的作用和任務(wù)。主調(diào)節(jié)器具有自己獨(dú)立的給定值，而對(duì)于副調(diào)節(jié)器來說，主調(diào)節(jié)器的輸出就是主調(diào)節(jié)器的給定值，而副調(diào)節(jié)器的輸出則被送到了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過程了。2.3.2串級(jí)控制系統(tǒng)的分析 串級(jí)控制系統(tǒng)多了一個(gè)PID調(diào)節(jié)器，增加了一個(gè)閉合回路，卻達(dá)到了很好的控制品質(zhì)，主要是因?yàn)檫^熱器溫的呂級(jí)控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：1）、能夠很好的克服二次擾動(dòng)：通過上節(jié)的分析我們可以得知，副回路具有快速作用的特點(diǎn)，因此，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)

31、副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服作用。，接下來，我們借助傳遞函數(shù)來了解關(guān)于這一特點(diǎn)的本質(zhì)。一般的串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示：（圖 ：串級(jí)系統(tǒng)的一般的原理方框圖）如上圖所示，當(dāng)二次擾動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，首先通過擾動(dòng)通道影響內(nèi)回路的輸出Y(s)，這時(shí)副回路調(diào)節(jié)器的輸入端就會(huì)產(chǎn)生偏差，從而使得副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，使圖去消除擾動(dòng)信號(hào)對(duì)Y(s)所產(chǎn)生的影響。明顯看到，擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)過了副回路的抑制以后，才進(jìn)入到了主回路。這樣就會(huì)在很在程度上減弱擾動(dòng)信號(hào)對(duì)系統(tǒng)輸出Y(s)的影響。根據(jù)上面的原理方框圖，我們可以寫出擾動(dòng)信號(hào)與過熱器出口的溫度的傳遞函數(shù)： =（式1）如果是單回路控制系統(tǒng)，其原則方框圖如下所示：（圖：過熱汽溫

32、的單回路控制系統(tǒng)）這個(gè)單回路控制系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)與系統(tǒng)輸出之間的傳遞函數(shù)為： （式2）其中：W為調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。比較上面兩個(gè)式子，先假定W=W，且注意到單回路系統(tǒng)中的W就是串級(jí)系統(tǒng)中的W，可以看到，串級(jí)系統(tǒng)中的分母項(xiàng)中多了一項(xiàng)，即：在主回路工作頻率下，這項(xiàng)乘積的數(shù)值一般較大，而且當(dāng)副回路調(diào)節(jié)器的比例增益增大時(shí)，這個(gè)數(shù)值也在增大。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，串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)使二次干擾對(duì)主參數(shù)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)量受到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。2

33、）、提高了系統(tǒng)的工作頻率：由于副環(huán)起到改善對(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。分析串級(jí)控制系統(tǒng)與單回路控制系統(tǒng)的原理方框圖，可以發(fā)現(xiàn)串級(jí)控制系統(tǒng)中的副環(huán)似乎代替了單回路中一部分對(duì)象，亦即可以把整個(gè)副回路看成是一個(gè)等效的對(duì)象W，記做：W= 假設(shè)副回路中各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為W= ; W; W ； W ；W 將上述式子代入W=，則有： W= 若令： K= T= 則上式就變?yōu)椋篧 = 式中的K和T分別為等效對(duì)象的增益種時(shí)間常數(shù)。 比較W和W，由于1+KKKKK>1，這個(gè)不等式在任何條件下都是成立的，因此有：T<T 這就表明，由于副回路的存在，直到改善動(dòng)態(tài)特性的

34、作用。等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)縮小了（1+KKKKK）倍，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例的增益而減小。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。3）、有一定的自適應(yīng)能力：由于副回路的存在，系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往包含有一些非線性因素。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)參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。如果負(fù)荷變化過大，超出了這個(gè)范圍，那么控制質(zhì)量就一定會(huì)下降，在單回路控制系統(tǒng)中，若不采取其它措施是難以解決的。但是在串級(jí)控制系統(tǒng)

35、中，情況就不同了，負(fù)荷變化引起的副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以較少影響或是不影響系統(tǒng)的控制質(zhì)量。一方面可以看到等效副對(duì)象的增益為： K=一般情況下KKKKK>>1，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)，對(duì)等效增益K的影響不大。因而在不改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動(dòng)地克服非線性因素的影響，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)。從上述兩點(diǎn)，可以看出串級(jí)控制系統(tǒng)具有一定的自適應(yīng)能力。2.4 過熱汽溫的導(dǎo)前微分控制

36、方案如上節(jié)所分析可知，溫度控制系統(tǒng)中，影響汽溫的擾動(dòng)主要有三個(gè)：減溫水量、蒸汽流量、煙氣的傳熱量。蒸汽溫度對(duì)這三個(gè)擾動(dòng)的響影具有共同的特性，即：有慣性、有遲延。為了改善控制系統(tǒng)的被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可以引入一個(gè)副信號(hào)組成串級(jí)控制系統(tǒng)，來提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只有一個(gè)控制器，調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)是主蒸汽溫度通過變送器轉(zhuǎn)換直接進(jìn)入到調(diào)節(jié)器中，另一個(gè)則是把經(jīng)過噴水減溫器的蒸汽溫度通過微分器后，再返回到調(diào)節(jié)器中。這樣，這兩個(gè)信號(hào)在時(shí)間上和相位上有個(gè)超前與滯后的關(guān)系，后一個(gè)微分信號(hào)總是超前與主蒸汽溫度信號(hào)，故而把這種控制系統(tǒng)叫做導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。這個(gè)微分信號(hào)的作用是能

37、夠反映出輸出量的變化趨勢(shì)，因而能提前反映出輸出量的變化，從而可以改善控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。2.4.1導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的特點(diǎn)導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)具有以下幾的主要特點(diǎn)：1）、引入導(dǎo)前微分信號(hào)縮短了延遲時(shí)間，等效于改善了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，把系統(tǒng)的遲延時(shí)間給縮短了，這將有利于我們后續(xù)的控制，可以很好的改善了系統(tǒng)的可控性，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。這主要是因?yàn)椋河绊懴到y(tǒng)控制品質(zhì)的因素除了調(diào)節(jié)器之外，更多的還是在于系統(tǒng)本身的一些特性。2）、引入導(dǎo)前微分信號(hào)能減小動(dòng)態(tài)偏差，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。因?yàn)橐肓藢?dǎo)前微分，會(huì)起到一個(gè)提前調(diào)節(jié)的做用，故而可以減小動(dòng)態(tài)偏差，所以這也可以改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。2.4.2導(dǎo)前微分控制系

38、統(tǒng)的組成采用導(dǎo)前微分信號(hào)的過熱汽溫控制系統(tǒng)如下圖所示：（圖： 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)）這個(gè)系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫控的微分信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號(hào)，雙達(dá)到改善控制品質(zhì)的目的。因?yàn)楹椭髌麥囟鹊淖兓厔?shì)是具有一致性的，并且的變化要超前于的變化，因此它能夠迅速的的反映的孌化的趨勢(shì)。引入導(dǎo)前微分信號(hào)后，將會(huì)加快系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)速度。在動(dòng)態(tài)過程中，調(diào)節(jié)器將按照的微分信號(hào)和和給定值之間的偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)在靜態(tài)的時(shí)侯，不發(fā)生改變，則它的微分將為0，故而在靜態(tài)的時(shí)侯，的微分信號(hào)將會(huì)消失，過熱汽溫必定會(huì)與的給定值相等。如果不采用這種導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)，則調(diào)節(jié)器靜態(tài)的輸出值將會(huì)為（+），而不能保持在給定上了。通過上圖的分析，

39、我們可以得到導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的原理方框圖如下所示：（圖： 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的原理方框圖）由上圖可以看出，采用導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)包括了兩個(gè)閉合的控制回路：1）、由控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)W(s) ，導(dǎo)前汽溫變送器、微分器W(s)、調(diào)節(jié)器W(s)、執(zhí)行器K和減溫水調(diào)節(jié)閥K組成的副回路(導(dǎo)前補(bǔ)償回路)2）、由被控對(duì)象的惰性區(qū)W(s)、主汽溫變送器 和副回路組成的主回路。2.4.3導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)分析：1）、加入導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)可以改善控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性：對(duì)于導(dǎo)前微控制系統(tǒng)的原理方框圖，如果去掉導(dǎo)前微汽溫的微分信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就變成了單回路控制系統(tǒng)，控制對(duì)象W(s)=W(s) W(s)的遲延、慣性較大。當(dāng)系統(tǒng)中加

40、入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)后，調(diào)節(jié)器將同時(shí)接受兩個(gè)輸入信號(hào)，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對(duì)于這個(gè)雙回路系統(tǒng)作適當(dāng)?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當(dāng)作一個(gè)單回路系統(tǒng)來處理，如下圖所示：當(dāng)作雙回路系統(tǒng)處理時(shí)的原理方框圖如下，這也可以簡(jiǎn)化為一個(gè)單回路控制系統(tǒng)：只是由于微分信號(hào)的引入改變了控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。這個(gè)新的控制對(duì)象的輸入仍然是減溫水流量信號(hào)W，但輸出信號(hào)為=+，等效控制對(duì)象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。W=W(s) W(s)+W(s)在靜態(tài)時(shí)，微分器輸出為零，所以等效控制對(duì)象的輸出=;在動(dòng)態(tài)過程中，等效控制對(duì)象的輸出中除了主汽溫度之外，還疊加了導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)。由于的慣性遲延比小得多，因而等效對(duì)象的輸出的慣

41、性遲延比小得多。因此加入導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的作用可以理解為改變了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，因此，如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，是可以通過改變被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，以保證系統(tǒng)取得更好的控制品質(zhì)?？梢?，等效控制對(duì)象的輸出響影有了很大的改善，所以，在控制對(duì)象慣性遲延較大的的情況下導(dǎo)前汽溫微分系統(tǒng)的的控制品質(zhì)比單回路控制系統(tǒng)好的多。2.5、SMITH預(yù)估控制系統(tǒng)：在熱工過程控制中，有一些被控對(duì)象具有較大的純延遲，當(dāng)過程控制通道或測(cè)量環(huán)節(jié)存在延遲時(shí)侯，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純延遲會(huì)導(dǎo)致控制量的最大動(dòng)態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量會(huì)下降，而且當(dāng)系統(tǒng)的可控比越大系統(tǒng)就越不容易控制。解決具有純延遲的過程控制是一個(gè)比較棘手的問題，對(duì)于閉環(huán)

42、系統(tǒng)內(nèi)的純延遲若只是采用上節(jié)中提到的串級(jí)控制系統(tǒng)和導(dǎo)前微分信號(hào)控制系統(tǒng)是無法達(dá)到令人滿意的控制品質(zhì)的。下面，我們將對(duì)SMITH預(yù)估控制系統(tǒng)在過熱汽溫控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。SMITH控制系統(tǒng)的原理：Smith預(yù)估控制的工作原理是將被控對(duì)象在基本擾動(dòng)作用下的動(dòng)態(tài)特性，簡(jiǎn)化為一個(gè)純遲延與一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)估器根據(jù)這個(gè)輸入的數(shù)學(xué)模型，預(yù)先估計(jì)出所采用的控制作用對(duì)被控量的可能的影響，而不必等到被控量有所反應(yīng)之后再去采取控制動(dòng)作，這有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)采用單回路控制系統(tǒng)時(shí)，原理方框圖如下所示：被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為 W=W(s)e 時(shí)，系統(tǒng)的輸出與輸入之間的傳遞函數(shù)為：=而擾動(dòng)

43、與輸出之間的傳遞函數(shù)為：=從上面兩個(gè)傳遞函數(shù)中我們可以看到，此系統(tǒng)的特征方程為：G=1+，此系統(tǒng)的特征方程中含有純延遲項(xiàng)，如此會(huì)對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)有極為不利的影響，如果上兩式子中的e項(xiàng)可以消除，則純延遲將不再對(duì)系統(tǒng)的閉環(huán)極點(diǎn)的有不利的影響。SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)的其本思想就是消除系統(tǒng)特征方程中的e項(xiàng)，從而消除了純延遲項(xiàng)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響。實(shí)現(xiàn)的方法是把被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時(shí)的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)。SMITH預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)如下圖所示： 其中W是被控對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)，W是 SMITH預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞傳數(shù)。如果系統(tǒng)不加這一預(yù)估補(bǔ)償器，則(s)與Y(s

44、)之間的傳遞函數(shù)為：，上式說明了，受到控制作用的被控量要經(jīng)過純延遲之后才會(huì)反映到控制器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)償器，則控制器 與反饋到控制器的信號(hào)Y之間的傳遞函數(shù)為兩個(gè)通道并聯(lián)之和，即=W+W(s) 。為了使系統(tǒng)不含有純延遲項(xiàng)，則只需令=W，可以得到系統(tǒng)的補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)W=W。一般SMITH預(yù)估補(bǔ)償器的框架圖如下圖所示：由上圖可知，Smith預(yù)估補(bǔ)償器由兩部分組成，即一個(gè)是被控對(duì)象除去純遲延后傳遞函數(shù)為W的環(huán)節(jié)，另一個(gè)遲延時(shí)間等于的純遲延環(huán)節(jié)。這就是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的模型，它將消除大遲延對(duì)系統(tǒng)控制過程的影響，使控制過程的品質(zhì)與過程無遲延環(huán)節(jié)時(shí)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲了一個(gè)時(shí)間，這是

45、因?yàn)榉肿又杏衑的緣故。所以，預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過程控制的不利影響，控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純遲延時(shí)，完全相同。2.6 三種汽溫控制系統(tǒng)的比較：目前在過熱汽溫控制實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)火電廠仍然采用串級(jí)控制系統(tǒng)。串級(jí)控制系統(tǒng)具有主、副兩個(gè)回路的結(jié)構(gòu)。副回路中的溫度變送器、執(zhí)行器、閥門可以認(rèn)為是比例環(huán)節(jié)。當(dāng)副控制器采用比例規(guī)律時(shí)，由于副回路可以近似地被等效成為一個(gè)比例環(huán)節(jié)，因而副回路具有快速性，即副回路可以快速地消除發(fā)生在副回路的內(nèi)擾，使串級(jí)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和自適應(yīng)能力。不僅如此，等效的副回路也改善了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，能夠抑制過熱器大遲延、大慣性對(duì)過熱汽溫控制的影響。過熱汽溫控制系

46、統(tǒng)的副回路對(duì)過熱汽溫起到“粗調(diào)”的作用。人們一般對(duì)導(dǎo)前區(qū)的汽溫沒有特殊的要求，導(dǎo)前區(qū)的汽溫變化只是用來反映過熱器出口的過熱汽溫的變化趨勢(shì)。主回路對(duì)過熱汽溫起“細(xì)調(diào)”的作用，主控制器采用的PI(或PID)控制規(guī)律，保證了串級(jí)控制系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，沒有靜態(tài)偏差。系統(tǒng)的外擾主要由主回路進(jìn)行控制。串級(jí)控制系統(tǒng)具有主、副兩個(gè)回路的結(jié)構(gòu)，使串級(jí)控制系統(tǒng)的整定比較容易，主、副控制器各施其責(zé)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性得到了一定程度上的保證。串級(jí)控制在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)特點(diǎn)。一是單輸入/出的定值控制系統(tǒng)，二是副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)和主回路與副控制器形成串級(jí)結(jié)構(gòu)。串級(jí)控制在控制品質(zhì)上有四個(gè)特點(diǎn)。一是副回路具有快速消除系統(tǒng)的

47、內(nèi)擾，有利于提高整個(gè)過熱汽溫控制系統(tǒng)的快速性，二是主回路可以保證系統(tǒng)沒有靜態(tài)偏差，三是主、副回路串級(jí)控制結(jié)構(gòu)使主、副回路各施其責(zé)，有利于系統(tǒng)參數(shù)的整定，增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的自適應(yīng)性，四是主、副回路串級(jí)控制結(jié)構(gòu)有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。在串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般將內(nèi)擾設(shè)計(jì)在串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路中，外擾設(shè)計(jì)在主回路中。因減溫器出口處過熱汽溫對(duì)外擾的導(dǎo)前作用并不明顯，而被控對(duì)象特性具有不確定性，精確的數(shù)學(xué)模型難以建立等原因。故不變的控制參數(shù)是不能滿足系統(tǒng)不同工況要求的，在負(fù)荷變化的主要因素影響下，過熱汽溫控制并不理想。被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型變化對(duì)串級(jí)和Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的控制過程影響很大，即串級(jí)和Smith

48、預(yù)估控制系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。Smith預(yù)估控制的控制過程，是預(yù)先估計(jì)出過程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，能提前下感知被控量的變化，并將其反饋到控制器的輸入端，使控制器提前動(dòng)作，從而明顯地減小超調(diào)量和加速控制過程。要充分發(fā)揮Smith預(yù)估控制對(duì)大遲延、大慣性被控對(duì)象的有效控制，至少應(yīng)當(dāng)具備兩個(gè)必要條件。一是被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不變，二是補(bǔ)償器能夠?qū)崿F(xiàn)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)滿足這兩個(gè)必要條件后，過熱汽溫Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)好許多。在實(shí)際控制過程中，很難保證被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型不發(fā)生變化，這就使Smith預(yù)估控制具有一定的局限性。人們一直在不斷

49、地探索對(duì)Smith預(yù)估控制系統(tǒng)改進(jìn)的途徑。因?yàn)楣r、負(fù)荷和諸多的因素會(huì)改變過熱器的數(shù)學(xué)模型，使基于數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典PID控制規(guī)律很難適應(yīng)，使用串級(jí)控制策略也不能完全讓人滿意，采用Smith預(yù)估控制則顯得有些蒼白無力。所以，正確選擇控制過熱汽溫的手段及控制策略是非常重要的。四、托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)分析4.1 托克托電廠汽溫控制系統(tǒng)的組成將本章以內(nèi)蒙古托克托電廠為例，分析其汽溫控制系統(tǒng)。首先先對(duì)其汽溫控制系統(tǒng)的組成做一下了解。托克托電廠的汽溫控制系統(tǒng)由兩級(jí)過噴水減溫組成，再熱汽溫控制系統(tǒng)由噴水減溫、燃燒器擺角控制和煙氣擋板控制方案組成。4.2托克托電廠的汽溫系統(tǒng)分析4.2.1過熱汽溫控制系統(tǒng)分析

50、1）、過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的分析：再熱器煙氣擋板指令總的空氣流量汽包壓力值一級(jí)減溫器出口溫度主蒸汽流量TEANTESECLECTF(x)F(x) ILEAD LAGF(x)A LEAD LAGLEAD LAGSPF(x)PVTETESECLECTPID1XXPVSPPID2ITA如上圖所示為，托克托電廠的一級(jí)過熱汽溫控制的SAMA圖。該系統(tǒng)是以串級(jí)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入了前饋信號(hào)形成的噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量是第二級(jí)減溫器入口的蒸汽溫度，其測(cè)量信號(hào)送入主回路與其給定值進(jìn)行比較求偏差，形成第二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。主回路的給定值由表征著機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量信號(hào)（代表機(jī)組的負(fù)荷信

51、號(hào)）經(jīng)過函數(shù)發(fā)生器F(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負(fù)荷的函數(shù)。運(yùn)行人員在操作員站上可對(duì)此給定值給予正負(fù)偏置。主回路的控制由PID1完成。主回路控制器接受第二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度偏差信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算后輸出送至副回路。我們可以看到，系統(tǒng)中還有一個(gè)前饋信號(hào)是由一些超前滯后環(huán)節(jié)組成，由超前滯后環(huán)的特性可知，這些超前滯后環(huán)節(jié)利用是為了抗高頻擾動(dòng)，把實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中一些高頻信號(hào)，比如白噪聲等干擾信號(hào)過濾掉，保證系統(tǒng)的抗干擾能力，有助于系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差，當(dāng)然系統(tǒng)加入了前饋控制，也可以提高系統(tǒng)的被調(diào)量跟蹤給定值的能力，能更好的提升控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。副回路的被控量為第一級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度。副回路的給定值是主回路控

52、制器的輸出值。其被控量溫度的測(cè)量值送入副回路與鍋爐負(fù)荷經(jīng)過乘法器運(yùn)算之后做為副調(diào)節(jié)回路的反饋值，這樣做是為了在過熱汽溫控制系統(tǒng)中體現(xiàn)出機(jī)組負(fù)荷對(duì)過熱蒸汽溫度的影響，可以把系統(tǒng)噴水減溫器的噴水量與系統(tǒng)機(jī)組負(fù)荷聯(lián)系起來，更能夠有效的控制系統(tǒng)的過熱蒸汽溫度。然后對(duì)上述的給定值與反饋信號(hào)求偏差，形成第一級(jí)減溫器出口蒸汽的偏差信號(hào)，再通過PID2對(duì)副環(huán)進(jìn)行控制。系統(tǒng)的反饋值都是溫度值，我們可以從上圖中看到，所有的反饋值是經(jīng)過選擇模塊，這樣可以確保系統(tǒng)所有的反饋值可靠性和準(zhǔn)確性，能夠很好的反映系統(tǒng)的狀態(tài)，從而減小系統(tǒng)控制中可能因?yàn)榉答佒狄鸬恼`差。系統(tǒng)引入了前饋信號(hào)有機(jī)組負(fù)荷、空氣流量和再熱器煙氣擋板的調(diào)

53、節(jié)指令等外擾信號(hào)。，其中，空氣流量和再熱器煙氣擋板的調(diào)節(jié)指令都經(jīng)過了函數(shù)發(fā)生器，說明這兩個(gè)值是的與一級(jí)過熱汽溫有關(guān)，而這個(gè)關(guān)系就是圖中的F(x)。這些信號(hào)都會(huì)引起過熱蒸汽溫度的明顯變化，因此將它們作為反饋信號(hào)引入系統(tǒng)，來抑制它們對(duì)過熱蒸汽溫度的影響，改善第一級(jí)過熱蒸汽溫度的控制品質(zhì)。在系統(tǒng)的執(zhí)行器前，設(shè)置了手自動(dòng)切換模塊和上限報(bào)警模塊，這樣保證了系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于手自動(dòng)切換模塊，這個(gè)模塊是進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制切換的模塊，例如，有些時(shí)侯在調(diào)節(jié)過程中，需要用到手動(dòng)調(diào)節(jié)，則可以將手自動(dòng)切換到手動(dòng)上，然后可以手為的調(diào)節(jié)，當(dāng)調(diào)節(jié)好這后，在切換到自動(dòng)上來，這樣，系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)手自動(dòng)切換；對(duì)于上限報(bào)警

54、模塊，如果PID的輸出信號(hào)，即執(zhí)行器的輸入信號(hào)，達(dá)到一定的上限，則系統(tǒng)的安全性就可能出現(xiàn)問題，可能是某些部件出現(xiàn)了故障。這樣就限制了PID的輸出值，從而間接的限制了執(zhí)行器的輸入信號(hào)的范圍，也就是限制了執(zhí)行器的輸出的行程，這樣不允許執(zhí)行器大范圍的動(dòng)作，也可以使系統(tǒng)平穩(wěn)的運(yùn)行。由于機(jī)組負(fù)荷會(huì)改變，控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負(fù)荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，在大型機(jī)組的蒸汽溫度控制中，可以充分利用計(jì)算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)。 2）、過熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的分析：再熱汽煙氣擋板指令總的空氣流量二級(jí)減溫器出口蒸汽溫度中間測(cè)點(diǎn)溫度總的燃料量溫度設(shè)定值主蒸汽流量TETETETESECLECTSE

55、CLECTF(x)LEADLAGAILEADLAGF(x)LEADLAGPVSPPID1LEAD LAGF(x)XXPVSPPID2ITAI上圖為托克托電廠的第二級(jí)過熱控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是以串級(jí)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，引入了前饋信號(hào)形成的噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量是過熱器出口的蒸汽溫度，其測(cè)量信號(hào)被送入主回路與其給定值進(jìn)行求差，形成過熱器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。主回路的給定值是由運(yùn)行人員在操作員站上手動(dòng)設(shè)定的。主回路的控制由PID1完成。主回路控制器接受過熱器出口蒸汽溫度偏差信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算后輸出送至副回路。我們可以看到，系統(tǒng)中還有一個(gè)前饋信號(hào)是由一些超前滯后環(huán)節(jié)組成，由超前滯后環(huán)的特性可知，這些超前滯后環(huán)節(jié)利用是為了抗高頻擾動(dòng)，把實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中一些高頻信號(hào)，比如白噪聲等干擾信號(hào)過濾掉，保證系統(tǒng)的抗干擾能力，有助于系統(tǒng)消除靜態(tài)誤差。然而，由前饋控制的特點(diǎn)可以得知，這前饋也可以提高系統(tǒng)的被調(diào)量跟蹤