分析系統(tǒng)的耦合程度及解耦的方法課件

第十章多變量控制系統(tǒng)第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性第三節(jié)直流鍋爐的特點第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計第一節(jié)多變量被控對象第十章多變量控制系統(tǒng)第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)第五節(jié)直1第一節(jié)多變量被控對象一、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(如圖10-1所示)，其輸入－－輸出特性可由矩陣方程表示：u1u2umyny2y1……圖10-1多變量對象方框圖Y=WU式中：第一節(jié)多變量被控對象一、多變量被控對象的概念：對于2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)。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零，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。WT1WT2+-+-g1g2u1u2y2y1W22W12W11W21圖10-22×2系統(tǒng)方框圖圖10-2所示為２×２系統(tǒng)的方框圖，對象的輸入－－輸出特性為：設系統(tǒng)2調(diào)節(jié)過程為理想狀態(tài),即y2基本不變,y2(s)＝0,則系統(tǒng)特性可表示為：傳遞矩陣W中的元素Wij為被調(diào)量yi與調(diào)節(jié)變量uj3不難解得，系統(tǒng)2閉環(huán)后，u1→y1之間關(guān)系為：顯然系統(tǒng)2閉環(huán)之后，由于交叉通道的存在所產(chǎn)生的耦合作用，改變了u1→y1之間的特性，因此，多變量被控對象各變量相互關(guān)聯(lián)，必須從整體上加以綜合分析，分析系統(tǒng)的耦合程度及解耦的方法。二、Bristol矩陣及相關(guān)性分析：

在對系統(tǒng)的相關(guān)性進行分析時，Bristol方法作為一種簡便而有效的方法，在工程實踐中廣泛應用，此方法的關(guān)鍵在于對各變量進行相對增益分析。由以上2×2系統(tǒng)的分析可以看出，耦合作用的存在改變了調(diào)節(jié)通道的特性，而耦合作用發(fā)生在相關(guān)通道的閉環(huán)狀態(tài)下。相關(guān)性分析可表現(xiàn)在分析耦合作用對各調(diào)節(jié)通道特性的影響。以下從靜態(tài)角度分析系統(tǒng)的相關(guān)性。1、Bristol矩陣：對于n×n系統(tǒng)，其對象各變量的靜態(tài)關(guān)系可由矩陣方程表示：不難解得，系統(tǒng)2閉環(huán)后，u1→y1之間關(guān)系為：顯然系統(tǒng)24對此系統(tǒng)，定義：調(diào)節(jié)變量uj作用于被調(diào)量yi的通道為uj→yi通道。對于被調(diào)量yi，當除uj外其他調(diào)節(jié)變量均保持恒定不變的情況下，uj→yi的放大系數(shù)稱作第一放大系數(shù)，記作，即：對于被調(diào)量yi當除yi外，其他被調(diào)量均處于閉環(huán)控制狀態(tài)，且保證無靜差時，uj→yi的放大系數(shù)稱作第二放大系數(shù)，記作，即：對于uj→yi通道，第一放大系數(shù)與第二放大系數(shù)的比值稱作uj→yi通道的相對增益，記作λij，即：若將各通道的相對增益排成矩陣形式，即：對此系統(tǒng)，定義：調(diào)節(jié)變量uj作用于被調(diào)量yi的通道為uj→5則矩陣λ稱為Bristol矩陣或相對增益矩陣。2、相關(guān)性分析：經(jīng)理論推導，可得如下結(jié)論：（1）λij＝1時，通道不受耦合作用的影響。（2）0﹤λij﹤1時，uj對yi的控制作用與耦合作用方向相同，耦合作用增大了uj→yi之間增益，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。（3）λij﹥1時，uj對yi的控制作用與耦合作用方向相反，耦合作用減弱了uj→yi的控制作用。若λij=0，即耦合作用與控制作用相互抵消，uj失去對yi的控制作用。（4）λij﹤0時，耦合作用已大于控制作用，與異號，即耦合作用改變了uj對yi的作用方向。以上的分析，為變量的配對選擇提供了依據(jù)，即盡可能選擇相對增益λij等于或接近于1的調(diào)節(jié)變量與被調(diào)量作為配對，若各調(diào)節(jié)通道的λ值越接近1，則系統(tǒng)間耦合越小。若配對結(jié)果使各調(diào)節(jié)通道的相對增益均為1，則系統(tǒng)為無耦合或半耦合的，無需解耦。千萬不要采用λij為負的uj與yi作為配對，這時當其他系統(tǒng)改變開環(huán)或閉環(huán)狀態(tài)，此子系統(tǒng)將喪失穩(wěn)定，由負反饋變?yōu)檎答?。則矩陣λ稱為Bristol矩陣或相對增益矩陣。2、相關(guān)性分析6第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計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，則需考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網(wǎng)絡，用以抵銷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。下面以串聯(lián)補償法和反饋補償法為例進行簡要介紹。一、串聯(lián)補償法

TCWYGM+-

圖10-3串聯(lián)解耦系統(tǒng)

圖中W為被控對象的傳遞矩陣，C為解耦網(wǎng)絡的傳遞矩陣，對于C的設計原則，要求使經(jīng)其解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣WE為對角形矩陣，即：(10-1)第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量7或：顯然網(wǎng)絡C的選擇不是唯一的。選擇不同的解耦網(wǎng)絡，所得到的等效對象WE也不同。通常情況下，解耦網(wǎng)絡需n×n個補償裝置。為減少補償裝置CIJ的數(shù)量，可令C中對角線元素的傳遞函數(shù)CIJ=1。這樣可減少n個補償裝置。由（10-1）式可得：由于i≠j時Weij=0，因此：式中CIJ=1，由上式可得矩陣方程：（10-2）或：顯然網(wǎng)絡C的選擇不是唯一的。選擇不同的解耦網(wǎng)絡，8根據(jù)克萊姆法則，可解得：可得解耦后等效對象WE的各元素傳遞函數(shù)：式中∣W∣——傳遞矩陣W的行列式。以上通過補償網(wǎng)絡的串聯(lián)，使等效對象WE成為對角陣，實現(xiàn)了各被調(diào)量的單變量控制。但是若調(diào)節(jié)變量中，任何一個發(fā)生擾動，仍將影響其他被調(diào)量。因此，按串聯(lián)補償法設計解耦控制系統(tǒng)時各調(diào)節(jié)系統(tǒng)應進可能采用串級系統(tǒng)，以利用副回路抑制系統(tǒng)的內(nèi)擾。二、反饋補償法

采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖10-4所示：TAWMG+--+圖10-4反饋解耦控制系統(tǒng)根據(jù)克萊姆法則，可解得：可得解耦后等效對象WE的各元素傳9由解耦網(wǎng)絡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。反饋解耦回路等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡后，系統(tǒng)框圖如圖10-5所示：TAeWMG+-圖10-5反饋解耦系統(tǒng)等效框圖由上圖可得出：由于則：式中：We－－解耦后等效對象傳遞矩陣：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的對角線元素aii=0。I為單位矩陣，由此：由解耦網(wǎng)絡A組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量U和10可得解耦后等效對象Ae的各元素aeij的傳遞函數(shù)：式中：|W|－－W的矩陣行列式；|Wji|－－W中元素Wji的代數(shù)余子式。可得解耦后等效對象Ae的各元素aeij的傳遞函數(shù)：式中：|11第三節(jié)直流鍋爐的特點隨著鍋爐朝著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，直流鍋爐由于其自身的許多優(yōu)點，而被日益廣泛地采用。以下結(jié)合汽包鍋爐的特點，介紹直流鍋爐有關(guān)的一些特點。一、汽包鍋爐的特點

汽包鍋爐的汽水行程中，由汽包將爐內(nèi)受熱面分割為加熱、蒸發(fā)和過熱三段。其蒸發(fā)段由汽包、水冷壁、下降管和聯(lián)箱組成小循環(huán)回路。循環(huán)倍率記作K：式中：W1－－進入水冷壁的水流量；D1－－水冷壁出口的蒸汽流量。汽包鍋爐的循環(huán)倍率K一般為10～30，不同負荷下其循環(huán)倍率不同；負荷越大，循環(huán)倍率越小。汽包在運行中除作為汽水分離器外，還作為燃水比（給水流量與燃料流量的比例關(guān)系）失調(diào)的緩沖器。當燃水比失去平衡關(guān)系時，利用汽包中的存水和空間容積暫時維持爐內(nèi)的工質(zhì)平衡關(guān)系。以保持各段受熱面積不變。因此當汽包鍋爐的運行狀態(tài)用三個主要參數(shù)：汽包水位H、過熱汽溫θ和主蒸汽壓力PM表示時，與三個主要調(diào)節(jié)量：給水流量W、減溫水流量Wθ和燃料量M之間的關(guān)系用矩陣方程表示時可得：第三節(jié)直流鍋爐的特點隨著鍋爐朝著大容量高參數(shù)的方12可見上式中傳遞矩陣為上三角陣，因此汽包鍋爐給水，汽溫和汽壓控制可采用單變量系統(tǒng)的分析方法，組成相互獨立的控制系統(tǒng)。二、直流鍋爐的特點

直流鍋爐屬強制循環(huán)鍋爐,一次工質(zhì)→給水泵壓力→經(jīng)省煤器加熱→下輻射區(qū)→濕蒸汽→對流過渡區(qū)→上輻射區(qū)→對流過熱區(qū)→過熱蒸汽→汽輪機?？梢?直流鍋爐是由各受熱面及連接這些受熱面管道組成。其主要特點為：(1)汽水流程中沒有汽包和爐內(nèi)小循環(huán)回路；(2)給水泵強制一定流量的給水進入爐內(nèi)，一次性經(jīng)歷加熱、蒸發(fā)和過熱各段受熱面，全部轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽，循環(huán)倍率K始終為1，與負荷無關(guān)；(3)加熱、蒸發(fā)和過熱三段受熱面沒有固定分界點，由管道內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)所決定；(4)要保證過熱汽溫為額定值，必須保持燃料量與給水流量之間比值關(guān)系不變；(5)由于汽溫遲延很大，直流鍋爐通常采用微過熱汽溫作為燃水比校正信號，微過熱汽溫變化的遲延遠小于過熱汽溫；(6)保持一定燃水比例,維持微過熱點汽溫(或焓值)一定,以間接控制出口汽溫。可見上式中傳遞矩陣為上三角陣，因此汽包鍋爐給水，汽溫和汽壓控13由上式可以看出，蒸汽壓力與微過熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)被控對象。由于減溫水對蒸汽壓力P和微過熱汽溫θsl沒有影響，直流鍋爐的汽溫控制可按單變量系統(tǒng)設計。直流鍋爐的另一個重要特點是蓄熱系數(shù)小，因此直流鍋爐對外界負荷擾動比較敏感。但蓄熱能力小有利于主動快速改變鍋爐負荷，適應電網(wǎng)的尖峰負荷。同時在直流鍋爐中，工質(zhì)流動依靠給水泵壓力推動，壓力下降而引起水的蒸發(fā)不會阻礙工質(zhì)的正常流動，因此直流鍋爐允許汽壓有較大的下降速度，這有利于有效地利用鍋爐的蓄熱能力。綜上所述，表征直流鍋爐運行狀態(tài)的三個重要參數(shù)：蒸汽壓力P、微過熱汽溫θsl和過熱汽溫θ，與三個相應的調(diào)節(jié)變量燃料量M、給水流量W和減溫水流量Wθ之間的矩陣方程可表示成：

由上式可以看出，蒸汽壓力與微過熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)被14

第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性

從控制特性角度來看，直流與汽包鍋爐主要不同點:燃水比例變化引起爐內(nèi)工質(zhì)儲量變化,從而改變各受熱面積比例。影響爐內(nèi)工質(zhì)儲量的因素很多，主要有外界負荷，燃料流量和給水流量。對于不同壓力等級的直流鍋爐，各段受熱面積比例不同。壓力越高，蒸發(fā)段的吸熱量比例越小，而加熱段與過熱段吸熱量比例越大。因而，不同壓力等級直流鍋爐的動態(tài)特性通常存在一定差異。

一、外部負荷擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

tttttμTDgrpQgrN上圖為外部負荷擾動下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應曲線。假定汽機耗汽量DT正比于調(diào)節(jié)閥開度μT與蒸汽壓力P乘積，在μT階躍增加情況下，蒸汽流量Dgr階躍增加。由于給水流量和燃料量沒有變，使得蒸汽壓力開始時以一定速度下降，蒸汽流量也逐漸回落至與給水流量相應的值，蒸汽壓力則逐漸穩(wěn)定。汽機功率的變化與蒸汽流量成比例，其增加的總能量來自鍋爐金屬和工質(zhì)所釋放的蓄熱量。過熱蒸汽溫度在蒸汽流量增加之后，先以一定速度下降，隨著蒸汽流量降至原來第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性從控制特性角度來看，直流15的值而回升至原來的值。這反映鍋爐燃水比例沒有改變。即總蒸發(fā)量與各受熱面吸熱量比例沒有改變。二、燃料量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

ttttt△Q△p△M△Dgr△P上圖為M擾動下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應曲線。在M階躍增加的情況下，經(jīng)過短暫遲延后，各受熱面吸熱量迅速增加，使蒸汽流量迅速增加（通常稱之為附加蒸發(fā)量）。對過熱段受熱面來說，吸熱量與蒸汽流量同時增加，而使得開始時過熱汽溫基本不變。由于給水流量沒有改變，附加蒸發(fā)量使爐內(nèi)工質(zhì)儲量減少，加熱與蒸發(fā)受熱面積減少，蒸汽流量經(jīng)過一個峰值后逐漸減少，直至與給水流量相等。同時，過熱段受熱面的增加及爐膛發(fā)熱量增加，過熱蒸汽溫度經(jīng)過一端時間遲延后迅速上升，最后的明顯偏差反映了燃水比例的變化。蒸汽壓力首先是隨著蒸汽流量增加而上升，隨后雖然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽溫度升高而造成蒸汽容積流量的增大，沿程壓力降的增加而使蒸汽壓力保持較大的偏差。的值而回升至原來的值。這反映鍋爐燃水比例沒有改變。即總蒸發(fā)量16三、給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

ttttt△W△p△Dgr△Q△P給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性如上圖。由于水不可壓縮，但蒸汽可壓縮，因此，G階躍↑，D↑有一定遲延和慣性；而過熱汽溫變化與M擾動相似，有較大遲延。G擾動最終改變各受熱面積比例，過熱汽溫呈現(xiàn)較大穩(wěn)態(tài)偏差反映燃水比例改變。D↑，造成蒸汽壓力↑，之后由于溫度下降而下降，最終由于工質(zhì)總吸熱量不變，而D↑造成排汽損失↑而略低于擾動前的值。四、直流鍋爐微過熱汽溫動態(tài)特性１、燃料量擾動下微過熱汽溫動態(tài)特性次高壓直流鍋爐,蒸發(fā)受熱面比例較大，附加蒸發(fā)量比高壓直流鍋爐要多,而過熱段較短,使微過熱汽溫在初始階段有所↓。同時,過熱段較短又使得微過熱汽溫變化慣性小,經(jīng)附加蒸發(fā)量影響之后,曲線很快趨于穩(wěn)定值。隨著壓力等級的三、給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性ttttt△W△p△Dg17提高，附加蒸發(fā)量減少，曲線逐漸無明顯反向變化。而過熱段的加長使慣性和遲延有所增加。２、給水流量擾動下微過熱汽溫動態(tài)特性對于次高壓直流鍋爐，在給水流量擾動下，由于附加蒸發(fā)量較大，在初始階段也有反向變化現(xiàn)象，隨著壓力等級↑，反向變化現(xiàn)象逐漸小，而慣性和遲延逐步↑。顯然，燃水比例變化之后，微過熱汽溫變化遲延（通常<100秒）比過熱蒸汽溫度變化的遲延（通常為400秒左右）要小得多，這對于控制直流鍋爐燃水比例調(diào)節(jié)過程品質(zhì)非常重要。另外，微過熱汽溫在給水流量擾動和燃料量擾動下具有相似的動態(tài)特性，這對于直流鍋爐實現(xiàn)解耦控制具有重要意義。五、微過熱汽溫的選擇以微過熱汽溫作為燃水比校正信號時，其過熱度的選擇是非常重要的。從控制系統(tǒng)品質(zhì)指標的角度考慮所取的微過熱汽溫過熱度越小，遲延越小。然而，若焓值小于2847kJ/kg則曲線θ=f(h,

p)進入明顯的非線性區(qū)，汽溫隨焓值變化的放大系數(shù)明顯減小，而受汽壓變化影響很大，變得不穩(wěn)定。經(jīng)驗證明，當微過熱蒸汽的焓值選在2847kJ/kg左右時，其特性比較穩(wěn)定。提高，附加蒸發(fā)量減少，曲線逐漸無明顯反向變化。而過熱段的加長18第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案直流鍋爐自動控制主要任務:鍋爐隨時滿足汽輪機對蒸汽量要求。保持鍋爐Pm和θ穩(wěn)定，保證燃燒過程的經(jīng)濟性與良好的工況。直流鍋爐的蓄熱量小，蒸汽壓力等參數(shù)更容易受負荷變化的影響。同時直流鍋爐屬于多變量相關(guān)被控對象，汽溫控制與負荷控制之間存在關(guān)聯(lián)，因此，直流鍋爐負荷控制與汽溫控制之間存在不同變量配對選擇及解耦方式選擇。與汽包鍋爐相比，直流鍋爐汽溫被控對象動態(tài)特性存在很大差異，其出口汽溫更容易受到各種擾動影響。但對汽溫影響最大的是作為調(diào)節(jié)變量的燃料量與給水流量之間比例改變。因此，保持鍋爐燃水比例關(guān)系對于汽溫控制是非常重要的。大多數(shù)直流鍋爐控制采用分段調(diào)節(jié)法，即將汽溫控制分成二段或三段（具有二級減溫器）完成。首先由燃水比控制維持燃水比例不變，確保微過熱汽溫不變，使出口汽溫的變化限制在一個較小范圍，然后由汽溫調(diào)節(jié)通過噴水減溫的方法對出口汽溫加以校正。一、帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案

第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案直流鍋爐自動控制主19直流鍋爐大多采用單元制運行方式，對于帶固定負荷的單元機組，通常采用汽機跟隨鍋爐的控制方式。因此，帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)通常采用以燃料量作為主動流量，調(diào)節(jié)鍋爐負荷，以給水流量作為從動流量，跟隨燃料量變化，保持燃水比例不變，調(diào)節(jié)微過熱器汽溫的配對選擇方案。燃料量變化之后，由送、引風控制系統(tǒng)相應協(xié)調(diào)改變送風量與引風量，保證燃燒過程經(jīng)濟性及爐膛壓力穩(wěn)定。PI1PI2PI3PI4PI5ZZd△△ZfpgpTP0PEMθsLW+++++++----+μTMW圖10-6帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案直流鍋爐大多采用單元制運行方式，對于帶固定負荷的單元20由于機組采用汽機跟隨鍋爐控制方式，該方案中由單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)汽機調(diào)節(jié)汽門開度μT，維持機前蒸汽壓力PT為給定值Pg。考慮到汽機本身帶有獨立的調(diào)速系統(tǒng)，接受汽輪機轉(zhuǎn)速信號，當電網(wǎng)頻率f變化時，改變汽門開度，維持汽輪機轉(zhuǎn)速，顯然，這對于汽壓穩(wěn)定是不利的。因此，調(diào)節(jié)器PI1引入電網(wǎng)頻率f的微分信號，以抵銷或減弱調(diào)速系統(tǒng)的動作，穩(wěn)定汽壓。燃料量調(diào)節(jié)與給水流量調(diào)節(jié)均采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PI2接受機組功率指令信號P0與機組實際功率PE，以功率偏差信號（P0－PE）經(jīng)PI2輸出，作為鍋爐燃燒率的修正指令，與機組功率指令P0相加，組成鍋爐燃燒率指令LD，燃料調(diào)節(jié)器PI3根據(jù)LD調(diào)節(jié)燃料量，同時克服燃料量的擾動。燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由主調(diào)節(jié)器PI4維持作為燃水比例標志的微過熱汽溫θsL為給定值，發(fā)出給水流量修正指令。副調(diào)節(jié)器PI5根據(jù)前饋信號－－燃料量信號M，以及PI4輸出的流量校正信號調(diào)節(jié)給水流量，確保燃水比例不變。由于燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)與功率控制系統(tǒng)間是相互關(guān)聯(lián)的，燃料量信號作為前饋信號引入給水流量調(diào)節(jié)器PI5，起著串聯(lián)解耦的作用。由于機組采用汽機跟隨鍋爐控制方式，該方案中由單回路調(diào)21二、帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案對于帶變動負荷單元機組，通常采用協(xié)調(diào)控制方式，機組功率和蒸汽壓力由主控制系統(tǒng)控制。圖10-7為主控制系統(tǒng)原則性框圖：-PI1PI2△∑PD△P0PEp0pTμTLD+++++--圖10-7主控制系統(tǒng)框圖由于機組功率控制與蒸汽壓力控制是相互關(guān)聯(lián)，因此，主控制系統(tǒng)采用和差解耦系統(tǒng)。將功率偏差信號（P0－PE）和壓力偏差信號（p0－pT）同時引入汽機調(diào)節(jié)器PI1及鍋爐主控制器PI2。當出現(xiàn)功率偏差時（功率指令P0增加），功率偏差信號△P通過PI1和PI2同時增大調(diào)速汽門開度μT和鍋爐負荷指令LD，考慮到鍋爐負荷的變化具有較大遲延，功率指令P0經(jīng)PD調(diào)節(jié)器后作為前饋信號與PI2輸出相加。當壓力出現(xiàn)偏差時，偏差信號（p0－pT）通過PI1減小汽機調(diào)速汽門開度，而通過PI2增大鍋爐的負荷。由于兩個偏差信號引入PI1的方向相反，負荷變化時，在調(diào)節(jié)μT的動態(tài)過程中，允許壓力保留一定偏差，以利用鍋爐蓄熱，同時由壓力偏差信號限制μT開得過大，保持一定功率偏差，以防止汽壓波動過大。二、帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案對于帶變動負荷單22圖10-8所示為帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案之一。圖中僅給出鍋爐負荷控制及燃水比控制兩個子系統(tǒng)：MPI4PI3PI5DZZF(x)LDWθWθSLpMW+-+--圖10-8鍋爐控制系統(tǒng)框圖負荷控制仍采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由調(diào)節(jié)器PI3根據(jù)負荷指令LD調(diào)節(jié)給水流量。以給水流量信號W代表鍋爐負荷與LD相平衡。燃水比控制仍采用串級型比值控制系統(tǒng)，由副調(diào)節(jié)器PI5根據(jù)給水流量的變化調(diào)節(jié)燃料量，然后由主調(diào)節(jié)器PI4根據(jù)微過熱汽溫度θSL對燃水比例進行校正。由上節(jié)關(guān)于微過熱汽溫信號的選擇已知，微過熱點工質(zhì)的汽溫是其焓值及壓力的函數(shù)。對于帶變動負荷的機組，尤其是變壓運行機組，壓力變化范圍較大，因此將微過熱點壓力信號p經(jīng)函數(shù)轉(zhuǎn)換器F(x)引入PI4，作為微過熱汽溫的給定值。圖10-8所示為帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案之一。圖中僅給23考慮到燃料量內(nèi)擾很大，對于燃煤鍋爐燃料量無法準確測量。因此內(nèi)回路難以有效克服燃料量擾動。系統(tǒng)中引入煙氣溫度信號經(jīng)微分器后作為導前微分信號引入PI4，補償（克服）燃料量擾動時微過熱汽溫變化的遲延。這既有利于克服內(nèi)擾，也有利于改善汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)。一般情況下，也可采用汽水流程中加熱段某點水溫信號θW作為導前信號。三、采用汽壓、汽溫完全解耦的直流鍋爐控制系統(tǒng)

MPI1PI4PI3PI2ZZLD△pW△θSLMW+++++++---圖10-9汽壓、汽溫完全解耦直流鍋爐控制系統(tǒng)系統(tǒng)采用“和差”解耦，以消除汽壓與汽溫兩個系統(tǒng)之間關(guān)聯(lián)。壓力偏差△p與汽溫偏差△θSL同時引入調(diào)節(jié)器PI1和PI2。PI1與PI2的輸出和機組負荷指令LD相加，作為給水流量與燃料量的給定值引入PI3與PI4，調(diào)節(jié)給水流量與燃料量?？紤]到燃料量內(nèi)擾很大，對于燃煤鍋爐燃料量無法準確測量。因此內(nèi)24機組負荷指令改變（增加）時，首先通過PI3與PI4增加給水流量和燃料量。這不僅有利于保持微過熱器溫不變，而且有利于盡快改變鍋爐負荷，保持汽壓穩(wěn)定。汽壓偏低時，汽壓偏差信號△p使調(diào)節(jié)器PI1和PI2輸出增加，增加給水流量和燃料量。當微過熱汽溫偏低，由偏差信號△θSL使PI1輸出減少而PI2輸出增大，因而減少給水流量及增加燃料量。由于給水流量與燃料量對汽壓作用反向相同，而對汽溫作用方向相反，因而可以迅速校正微過熱汽溫，保持汽壓穩(wěn)定。機組負荷指令改變（增加）時，首先通過PI3與PI4增25第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)在上一節(jié)中，介紹了直流鍋爐控制系統(tǒng)的幾種基本組成方案。下面以一直流鍋爐自動控制系統(tǒng)為例，介紹直流鍋爐控制系統(tǒng)的實際組成及工作原理。單元制運行帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)。機組帶變動負荷運行時，要求能盡快適應外界負荷要求的變化，最主要的方法是充分利用鍋爐蓄熱能力，即允許汽壓在一定范圍內(nèi)變化。如何在負荷及汽壓變化幅度較大的情況下，確保汽溫的穩(wěn)定及燃燒過程的經(jīng)濟性，是控制系統(tǒng)設計時不可忽視的問題。該系統(tǒng)以給水流量為主動流量調(diào)節(jié)鍋爐負荷。以燃料量為從動流量，調(diào)節(jié)汽溫，送風量與燃料量協(xié)調(diào)變化，確保燃燒經(jīng)濟性。第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)在上一節(jié)中，介紹了直流26

給水流量控制采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機組主控制系統(tǒng)輸出的鍋爐負荷指令LD為給水流量指令。為保證低負荷時鍋爐的安全運行，由低值限幅器根據(jù)最小給水流量信號W0限制鍋爐的最小給水流量?？紤]到負荷變化過程中，燃料量變化往往落后于給水流量的變化，動態(tài)過程中容易造成燃水比例過分失調(diào)，因而引入與燃料量相適應的給水流量信號WM，經(jīng)偏置器與限幅器對給水流量指令進行浮動雙向限幅。將燃水比例偏差限制在一定范圍之內(nèi)。給水流量控制采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。機組主控制系統(tǒng)輸出的27為保證鍋爐的安全，由大值限幅器對引入小值選擇器的送風量信號進行最大燃料量（MM）限制。由小值限幅器對引入大值選擇器的燃料量進行最小送風量（V0）限制。

送風量調(diào)節(jié)采用串級系統(tǒng)，其工作原理已在燃燒過程控制中詳細分析，在此不再贅述。

燃料量控制采用串級系統(tǒng)，主調(diào)節(jié)器為燃水比校正調(diào)節(jié)器，由于負荷變化過程中汽壓變化較大，由微過熱點壓力信號PSL經(jīng)函數(shù)組件作為微過熱汽溫給定值。微過熱汽溫的偏差信號經(jīng)校正調(diào)節(jié)器后作為燃料量校正信號，與鍋爐負荷指令LD相比較，組成燃燒率指令。將燃燒率指令經(jīng)小值選擇器與總風量信號比較，作為燃料量給定值；同時燃燒率指令經(jīng)大值選擇器與總?cè)剂狭啃盘栂啾容^后，作為送風量的給定值。為保證鍋爐的安全，由大值限幅器對引入小值選擇器的送風28第十章多變量控制系統(tǒng)第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性第三節(jié)直流鍋爐的特點第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計第一節(jié)多變量被控對象第十章多變量控制系統(tǒng)第六節(jié)直流鍋爐自動控制系統(tǒng)第五節(jié)直29第一節(jié)多變量被控對象一、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(如圖10-1所示)，其輸入－－輸出特性可由矩陣方程表示：u1u2umyny2y1……圖10-1多變量對象方框圖Y=WU式中：第一節(jié)多變量被控對象一、多變量被控對象的概念：對于30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)。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零，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。WT1WT2+-+-g1g2u1u2y2y1W22W12W11W21圖10-22×2系統(tǒng)方框圖圖10-2所示為２×２系統(tǒng)的方框圖，對象的輸入－－輸出特性為：設系統(tǒng)2調(diào)節(jié)過程為理想狀態(tài),即y2基本不變,y2(s)＝0,則系統(tǒng)特性可表示為：傳遞矩陣W中的元素Wij為被調(diào)量yi與調(diào)節(jié)變量uj31不難解得，系統(tǒng)2閉環(huán)后，u1→y1之間關(guān)系為：顯然系統(tǒng)2閉環(huán)之后，由于交叉通道的存在所產(chǎn)生的耦合作用，改變了u1→y1之間的特性，因此，多變量被控對象各變量相互關(guān)聯(lián)，必須從整體上加以綜合分析，分析系統(tǒng)的耦合程度及解耦的方法。二、Bristol矩陣及相關(guān)性分析：

在對系統(tǒng)的相關(guān)性進行分析時，Bristol方法作為一種簡便而有效的方法，在工程實踐中廣泛應用，此方法的關(guān)鍵在于對各變量進行相對增益分析。由以上2×2系統(tǒng)的分析可以看出，耦合作用的存在改變了調(diào)節(jié)通道的特性，而耦合作用發(fā)生在相關(guān)通道的閉環(huán)狀態(tài)下。相關(guān)性分析可表現(xiàn)在分析耦合作用對各調(diào)節(jié)通道特性的影響。以下從靜態(tài)角度分析系統(tǒng)的相關(guān)性。1、Bristol矩陣：對于n×n系統(tǒng)，其對象各變量的靜態(tài)關(guān)系可由矩陣方程表示：不難解得，系統(tǒng)2閉環(huán)后，u1→y1之間關(guān)系為：顯然系統(tǒng)232對此系統(tǒng)，定義：調(diào)節(jié)變量uj作用于被調(diào)量yi的通道為uj→yi通道。對于被調(diào)量yi，當除uj外其他調(diào)節(jié)變量均保持恒定不變的情況下，uj→yi的放大系數(shù)稱作第一放大系數(shù)，記作，即：對于被調(diào)量yi當除yi外，其他被調(diào)量均處于閉環(huán)控制狀態(tài)，且保證無靜差時，uj→yi的放大系數(shù)稱作第二放大系數(shù)，記作，即：對于uj→yi通道，第一放大系數(shù)與第二放大系數(shù)的比值稱作uj→yi通道的相對增益，記作λij，即：若將各通道的相對增益排成矩陣形式，即：對此系統(tǒng)，定義：調(diào)節(jié)變量uj作用于被調(diào)量yi的通道為uj→33則矩陣λ稱為Bristol矩陣或相對增益矩陣。2、相關(guān)性分析：經(jīng)理論推導，可得如下結(jié)論：（1）λij＝1時，通道不受耦合作用的影響。（2）0﹤λij﹤1時，uj對yi的控制作用與耦合作用方向相同，耦合作用增大了uj→yi之間增益，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降。（3）λij﹥1時，uj對yi的控制作用與耦合作用方向相反，耦合作用減弱了uj→yi的控制作用。若λij=0，即耦合作用與控制作用相互抵消，uj失去對yi的控制作用。（4）λij﹤0時，耦合作用已大于控制作用，與異號，即耦合作用改變了uj對yi的作用方向。以上的分析，為變量的配對選擇提供了依據(jù)，即盡可能選擇相對增益λij等于或接近于1的調(diào)節(jié)變量與被調(diào)量作為配對，若各調(diào)節(jié)通道的λ值越接近1，則系統(tǒng)間耦合越小。若配對結(jié)果使各調(diào)節(jié)通道的相對增益均為1，則系統(tǒng)為無耦合或半耦合的，無需解耦。千萬不要采用λij為負的uj與yi作為配對，這時當其他系統(tǒng)改變開環(huán)或閉環(huán)狀態(tài)，此子系統(tǒng)將喪失穩(wěn)定，由負反饋變?yōu)檎答?。則矩陣λ稱為Bristol矩陣或相對增益矩陣。2、相關(guān)性分析34第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計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，則需考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網(wǎng)絡，用以抵銷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。下面以串聯(lián)補償法和反饋補償法為例進行簡要介紹。一、串聯(lián)補償法

TCWYGM+-

圖10-3串聯(lián)解耦系統(tǒng)

圖中W為被控對象的傳遞矩陣，C為解耦網(wǎng)絡的傳遞矩陣，對于C的設計原則，要求使經(jīng)其解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣WE為對角形矩陣，即：(10-1)第二節(jié)解耦控制系統(tǒng)設計對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量35或：顯然網(wǎng)絡C的選擇不是唯一的。選擇不同的解耦網(wǎng)絡，所得到的等效對象WE也不同。通常情況下，解耦網(wǎng)絡需n×n個補償裝置。為減少補償裝置CIJ的數(shù)量，可令C中對角線元素的傳遞函數(shù)CIJ=1。這樣可減少n個補償裝置。由（10-1）式可得：由于i≠j時Weij=0，因此：式中CIJ=1，由上式可得矩陣方程：（10-2）或：顯然網(wǎng)絡C的選擇不是唯一的。選擇不同的解耦網(wǎng)絡，36根據(jù)克萊姆法則，可解得：可得解耦后等效對象WE的各元素傳遞函數(shù)：式中∣W∣——傳遞矩陣W的行列式。以上通過補償網(wǎng)絡的串聯(lián)，使等效對象WE成為對角陣，實現(xiàn)了各被調(diào)量的單變量控制。但是若調(diào)節(jié)變量中，任何一個發(fā)生擾動，仍將影響其他被調(diào)量。因此，按串聯(lián)補償法設計解耦控制系統(tǒng)時各調(diào)節(jié)系統(tǒng)應進可能采用串級系統(tǒng)，以利用副回路抑制系統(tǒng)的內(nèi)擾。二、反饋補償法

采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖10-4所示：TAWMG+--+圖10-4反饋解耦控制系統(tǒng)根據(jù)克萊姆法則，可解得：可得解耦后等效對象WE的各元素傳37由解耦網(wǎng)絡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。反饋解耦回路等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡后，系統(tǒng)框圖如圖10-5所示：TAeWMG+-圖10-5反饋解耦系統(tǒng)等效框圖由上圖可得出：由于則：式中：We－－解耦后等效對象傳遞矩陣：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的對角線元素aii=0。I為單位矩陣，由此：由解耦網(wǎng)絡A組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量U和38可得解耦后等效對象Ae的各元素aeij的傳遞函數(shù)：式中：|W|－－W的矩陣行列式；|Wji|－－W中元素Wji的代數(shù)余子式?？傻媒怦詈蟮刃ο驛e的各元素aeij的傳遞函數(shù)：式中：|39第三節(jié)直流鍋爐的特點隨著鍋爐朝著大容量高參數(shù)的方向發(fā)展，直流鍋爐由于其自身的許多優(yōu)點，而被日益廣泛地采用。以下結(jié)合汽包鍋爐的特點，介紹直流鍋爐有關(guān)的一些特點。一、汽包鍋爐的特點

汽包鍋爐的汽水行程中，由汽包將爐內(nèi)受熱面分割為加熱、蒸發(fā)和過熱三段。其蒸發(fā)段由汽包、水冷壁、下降管和聯(lián)箱組成小循環(huán)回路。循環(huán)倍率記作K：式中：W1－－進入水冷壁的水流量；D1－－水冷壁出口的蒸汽流量。汽包鍋爐的循環(huán)倍率K一般為10～30，不同負荷下其循環(huán)倍率不同；負荷越大，循環(huán)倍率越小。汽包在運行中除作為汽水分離器外，還作為燃水比（給水流量與燃料流量的比例關(guān)系）失調(diào)的緩沖器。當燃水比失去平衡關(guān)系時，利用汽包中的存水和空間容積暫時維持爐內(nèi)的工質(zhì)平衡關(guān)系。以保持各段受熱面積不變。因此當汽包鍋爐的運行狀態(tài)用三個主要參數(shù)：汽包水位H、過熱汽溫θ和主蒸汽壓力PM表示時，與三個主要調(diào)節(jié)量：給水流量W、減溫水流量Wθ和燃料量M之間的關(guān)系用矩陣方程表示時可得：第三節(jié)直流鍋爐的特點隨著鍋爐朝著大容量高參數(shù)的方40可見上式中傳遞矩陣為上三角陣，因此汽包鍋爐給水，汽溫和汽壓控制可采用單變量系統(tǒng)的分析方法，組成相互獨立的控制系統(tǒng)。二、直流鍋爐的特點

直流鍋爐屬強制循環(huán)鍋爐,一次工質(zhì)→給水泵壓力→經(jīng)省煤器加熱→下輻射區(qū)→濕蒸汽→對流過渡區(qū)→上輻射區(qū)→對流過熱區(qū)→過熱蒸汽→汽輪機?？梢?直流鍋爐是由各受熱面及連接這些受熱面管道組成。其主要特點為：(1)汽水流程中沒有汽包和爐內(nèi)小循環(huán)回路；(2)給水泵強制一定流量的給水進入爐內(nèi)，一次性經(jīng)歷加熱、蒸發(fā)和過熱各段受熱面，全部轉(zhuǎn)變成過熱蒸汽，循環(huán)倍率K始終為1，與負荷無關(guān)；(3)加熱、蒸發(fā)和過熱三段受熱面沒有固定分界點，由管道內(nèi)工質(zhì)狀態(tài)所決定；(4)要保證過熱汽溫為額定值，必須保持燃料量與給水流量之間比值關(guān)系不變；(5)由于汽溫遲延很大，直流鍋爐通常采用微過熱汽溫作為燃水比校正信號，微過熱汽溫變化的遲延遠小于過熱汽溫；(6)保持一定燃水比例,維持微過熱點汽溫(或焓值)一定,以間接控制出口汽溫?？梢娚鲜街袀鬟f矩陣為上三角陣，因此汽包鍋爐給水，汽溫和汽壓控41由上式可以看出，蒸汽壓力與微過熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)被控對象。由于減溫水對蒸汽壓力P和微過熱汽溫θsl沒有影響，直流鍋爐的汽溫控制可按單變量系統(tǒng)設計。直流鍋爐的另一個重要特點是蓄熱系數(shù)小，因此直流鍋爐對外界負荷擾動比較敏感。但蓄熱能力小有利于主動快速改變鍋爐負荷，適應電網(wǎng)的尖峰負荷。同時在直流鍋爐中，工質(zhì)流動依靠給水泵壓力推動，壓力下降而引起水的蒸發(fā)不會阻礙工質(zhì)的正常流動，因此直流鍋爐允許汽壓有較大的下降速度，這有利于有效地利用鍋爐的蓄熱能力。綜上所述，表征直流鍋爐運行狀態(tài)的三個重要參數(shù)：蒸汽壓力P、微過熱汽溫θsl和過熱汽溫θ，與三個相應的調(diào)節(jié)變量燃料量M、給水流量W和減溫水流量Wθ之間的矩陣方程可表示成：

由上式可以看出，蒸汽壓力與微過熱汽溫構(gòu)成多變量相關(guān)被42

第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性

從控制特性角度來看，直流與汽包鍋爐主要不同點:燃水比例變化引起爐內(nèi)工質(zhì)儲量變化,從而改變各受熱面積比例。影響爐內(nèi)工質(zhì)儲量的因素很多，主要有外界負荷，燃料流量和給水流量。對于不同壓力等級的直流鍋爐，各段受熱面積比例不同。壓力越高，蒸發(fā)段的吸熱量比例越小，而加熱段與過熱段吸熱量比例越大。因而，不同壓力等級直流鍋爐的動態(tài)特性通常存在一定差異。

一、外部負荷擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

tttttμTDgrpQgrN上圖為外部負荷擾動下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應曲線。假定汽機耗汽量DT正比于調(diào)節(jié)閥開度μT與蒸汽壓力P乘積，在μT階躍增加情況下，蒸汽流量Dgr階躍增加。由于給水流量和燃料量沒有變，使得蒸汽壓力開始時以一定速度下降，蒸汽流量也逐漸回落至與給水流量相應的值，蒸汽壓力則逐漸穩(wěn)定。汽機功率的變化與蒸汽流量成比例，其增加的總能量來自鍋爐金屬和工質(zhì)所釋放的蓄熱量。過熱蒸汽溫度在蒸汽流量增加之后，先以一定速度下降，隨著蒸汽流量降至原來第四節(jié)直流鍋爐動態(tài)特性從控制特性角度來看，直流43的值而回升至原來的值。這反映鍋爐燃水比例沒有改變。即總蒸發(fā)量與各受熱面吸熱量比例沒有改變。二、燃料量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

ttttt△Q△p△M△Dgr△P上圖為M擾動下直流鍋爐有關(guān)參數(shù)響應曲線。在M階躍增加的情況下，經(jīng)過短暫遲延后，各受熱面吸熱量迅速增加，使蒸汽流量迅速增加（通常稱之為附加蒸發(fā)量）。對過熱段受熱面來說，吸熱量與蒸汽流量同時增加，而使得開始時過熱汽溫基本不變。由于給水流量沒有改變，附加蒸發(fā)量使爐內(nèi)工質(zhì)儲量減少，加熱與蒸發(fā)受熱面積減少，蒸汽流量經(jīng)過一個峰值后逐漸減少，直至與給水流量相等。同時，過熱段受熱面的增加及爐膛發(fā)熱量增加，過熱蒸汽溫度經(jīng)過一端時間遲延后迅速上升，最后的明顯偏差反映了燃水比例的變化。蒸汽壓力首先是隨著蒸汽流量增加而上升，隨后雖然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽溫度升高而造成蒸汽容積流量的增大，沿程壓力降的增加而使蒸汽壓力保持較大的偏差。的值而回升至原來的值。這反映鍋爐燃水比例沒有改變。即總蒸發(fā)量44三、給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性

ttttt△W△p△Dgr△Q△P給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性如上圖。由于水不可壓縮，但蒸汽可壓縮，因此，G階躍↑，D↑有一定遲延和慣性；而過熱汽溫變化與M擾動相似，有較大遲延。G擾動最終改變各受熱面積比例，過熱汽溫呈現(xiàn)較大穩(wěn)態(tài)偏差反映燃水比例改變。D↑，造成蒸汽壓力↑，之后由于溫度下降而下降，最終由于工質(zhì)總吸熱量不變，而D↑造成排汽損失↑而略低于擾動前的值。四、直流鍋爐微過熱汽溫動態(tài)特性１、燃料量擾動下微過熱汽溫動態(tài)特性次高壓直流鍋爐,蒸發(fā)受熱面比例較大，附加蒸發(fā)量比高壓直流鍋爐要多,而過熱段較短,使微過熱汽溫在初始階段有所↓。同時,過熱段較短又使得微過熱汽溫變化慣性小,經(jīng)附加蒸發(fā)量影響之后,曲線很快趨于穩(wěn)定值。隨著壓力等級的三、給水流量擾動下直流鍋爐動態(tài)特性ttttt△W△p△Dg45提高，附加蒸發(fā)量減少，曲線逐漸無明顯反向變化。而過熱段的加長使慣性和遲延有所增加。２、給水流量擾動下微過熱汽溫動態(tài)特性對于次高壓直流鍋爐，在給水流量擾動下，由于附加蒸發(fā)量較大，在初始階段也有反向變化現(xiàn)象，隨著壓力等級↑，反向變化現(xiàn)象逐漸小，而慣性和遲延逐步↑。顯然，燃水比例變化之后，微過熱汽溫變化遲延（通常<100秒）比過熱蒸汽溫度變化的遲延（通常為400秒左右）要小得多，這對于控制直流鍋爐燃水比例調(diào)節(jié)過程品質(zhì)非常重要。另外，微過熱汽溫在給水流量擾動和燃料量擾動下具有相似的動態(tài)特性，這對于直流鍋爐實現(xiàn)解耦控制具有重要意義。五、微過熱汽溫的選擇以微過熱汽溫作為燃水比校正信號時，其過熱度的選擇是非常重要的。從控制系統(tǒng)品質(zhì)指標的角度考慮所取的微過熱汽溫過熱度越小，遲延越小。然而，若焓值小于2847kJ/kg則曲線θ=f(h,

p)進入明顯的非線性區(qū)，汽溫隨焓值變化的放大系數(shù)明顯減小，而受汽壓變化影響很大，變得不穩(wěn)定。經(jīng)驗證明，當微過熱蒸汽的焓值選在2847kJ/kg左右時，其特性比較穩(wěn)定。提高，附加蒸發(fā)量減少，曲線逐漸無明顯反向變化。而過熱段的加長46第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案直流鍋爐自動控制主要任務:鍋爐隨時滿足汽輪機對蒸汽量要求。保持鍋爐Pm和θ穩(wěn)定，保證燃燒過程的經(jīng)濟性與良好的工況。直流鍋爐的蓄熱量小，蒸汽壓力等參數(shù)更容易受負荷變化的影響。同時直流鍋爐屬于多變量相關(guān)被控對象，汽溫控制與負荷控制之間存在關(guān)聯(lián)，因此，直流鍋爐負荷控制與汽溫控制之間存在不同變量配對選擇及解耦方式選擇。與汽包鍋爐相比，直流鍋爐汽溫被控對象動態(tài)特性存在很大差異，其出口汽溫更容易受到各種擾動影響。但對汽溫影響最大的是作為調(diào)節(jié)變量的燃料量與給水流量之間比例改變。因此，保持鍋爐燃水比例關(guān)系對于汽溫控制是非常重要的。大多數(shù)直流鍋爐控制采用分段調(diào)節(jié)法，即將汽溫控制分成二段或三段（具有二級減溫器）完成。首先由燃水比控制維持燃水比例不變，確保微過熱汽溫不變，使出口汽溫的變化限制在一個較小范圍，然后由汽溫調(diào)節(jié)通過噴水減溫的方法對出口汽溫加以校正。一、帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案

第五節(jié)直流鍋爐控制系統(tǒng)基本方案直流鍋爐自動控制主47直流鍋爐大多采用單元制運行方式，對于帶固定負荷的單元機組，通常采用汽機跟隨鍋爐的控制方式。因此，帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)通常采用以燃料量作為主動流量，調(diào)節(jié)鍋爐負荷，以給水流量作為從動流量，跟隨燃料量變化，保持燃水比例不變，調(diào)節(jié)微過熱器汽溫的配對選擇方案。燃料量變化之后，由送、引風控制系統(tǒng)相應協(xié)調(diào)改變送風量與引風量，保證燃燒過程經(jīng)濟性及爐膛壓力穩(wěn)定。PI1PI2PI3PI4PI5ZZd△△ZfpgpTP0PEMθsLW+++++++----+μTMW圖10-6帶固定負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案直流鍋爐大多采用單元制運行方式，對于帶固定負荷的單元48由于機組采用汽機跟隨鍋爐控制方式，該方案中由單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)汽機調(diào)節(jié)汽門開度μT，維持機前蒸汽壓力PT為給定值Pg?？紤]到汽機本身帶有獨立的調(diào)速系統(tǒng)，接受汽輪機轉(zhuǎn)速信號，當電網(wǎng)頻率f變化時，改變汽門開度，維持汽輪機轉(zhuǎn)速，顯然，這對于汽壓穩(wěn)定是不利的。因此，調(diào)節(jié)器PI1引入電網(wǎng)頻率f的微分信號，以抵銷或減弱調(diào)速系統(tǒng)的動作，穩(wěn)定汽壓。燃料量調(diào)節(jié)與給水流量調(diào)節(jié)均采用串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PI2接受機組功率指令信號P0與機組實際功率PE，以功率偏差信號（P0－PE）經(jīng)PI2輸出，作為鍋爐燃燒率的修正指令，與機組功率指令P0相加，組成鍋爐燃燒率指令LD，燃料調(diào)節(jié)器PI3根據(jù)LD調(diào)節(jié)燃料量，同時克服燃料量的擾動。燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，由主調(diào)節(jié)器PI4維持作為燃水比例標志的微過熱汽溫θsL為給定值，發(fā)出給水流量修正指令。副調(diào)節(jié)器PI5根據(jù)前饋信號－－燃料量信號M，以及PI4輸出的流量校正信號調(diào)節(jié)給水流量，確保燃水比例不變。由于燃水比調(diào)節(jié)系統(tǒng)與功率控制系統(tǒng)間是相互關(guān)聯(lián)的，燃料量信號作為前饋信號引入給水流量調(diào)節(jié)器PI5，起著串聯(lián)解耦的作用。由于機組采用汽機跟隨鍋爐控制方式，該方案中由單回路調(diào)49二、帶變動負荷直流鍋爐控制系統(tǒng)方案對于帶變動負荷單元機組，通常采用協(xié)調(diào)控制方式，機組功率和蒸汽壓力由主控制系統(tǒng)控制。圖10-7為主控制系統(tǒng)原則性框圖：-PI1PI2△∑PD△P0PEp0pTμTLD+++++--圖10-7主控制系統(tǒng)框圖由于機組功率控制與蒸汽壓力控制是相互關(guān)聯(lián)，因此，主控制系統(tǒng)采用和差解耦系統(tǒng)。將功率偏差信號（P0－PE）和壓力偏差信號（p0－pT）同時引入汽機調(diào)節(jié)器PI1及鍋爐主控制器PI2。當出現(xiàn)功率偏差時（功率指令P0增加），功率偏差信號△P通過PI1和PI2同時增大調(diào)速汽門開度μT和鍋爐負荷指令LD，考慮到鍋爐負荷的變化具有較大遲延，功率指令P0經(jīng)PD調(diào)節(jié)器后作為前饋信號與PI2輸出相加。當壓力出現(xiàn)偏差時，偏差信號（p0－pT）通過PI1減小汽機調(diào)速汽門開度，而通過PI2增大鍋爐的負荷。由于兩個偏差信號引入PI1的方向相反，負荷變化時，在調(diào)節(jié)μT的動態(tài)過程中，允許壓力保留一定偏差，以利用鍋爐蓄熱，同時由壓力偏差信號限制μT開得過大，保持一定功率偏差，以防止汽壓波動過大。二、帶變動負荷直流鍋爐控