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鍋爐畢業(yè)論文
鍋爐畢業(yè)論文
引 言
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，自動控制在現(xiàn)代工業(yè)中起著主要的作用，目前已廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其他建設方面。生產(chǎn)過程自動化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改善勞動成本、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)的先進與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。
本次畢業(yè)設計的主要是針對單元機組汽溫控制系統(tǒng)的設計。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過熱蒸汽和再熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。主蒸汽溫度與再熱蒸汽溫度的穩(wěn)定對機組的安全經(jīng)濟運行是非常重要的。過熱蒸汽溫度控制的任務是維持過熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護過熱器，使其管壁溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點，蒸汽溫度過高會使過熱器管壁金屬強度下降，以至燒壞過熱器的高溫段，嚴重影響安全。一般規(guī)定過熱器的溫度與規(guī)定值的暫時偏差不超過±10℃，長期偏差不超過±5℃。
如果過熱蒸汽溫度偏低，則會降低電廠的工作效率，據(jù)估計，溫度每降低5℃，熱經(jīng)濟性將下降約1%；且汽溫偏低會使汽輪機尾部蒸汽溫度升高，甚至使之帶水，嚴重影響汽輪機的安全運行。一般規(guī)定過熱汽溫下限不低于其額定值10℃。通常，高參數(shù)電廠都要求保持過熱汽溫在540℃的范圍內(nèi)。
由于汽溫對象的復雜性，給汽溫控制帶來許多的困難，其主要難點表現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）影響汽溫變化的因素很多，例如，蒸汽負荷、減溫水
量、煙氣側(cè)的過剩空氣系數(shù)和火焰中心位置、燃料成分等都可能引起汽溫變化。
（2）汽溫對象具有大延遲、大慣性的特點，尤其隨著機組容量和參數(shù)的增加，蒸汽的過熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進一步加大了汽溫控制的難度。
（3）汽溫對象在各種擾動作用下（如負荷、工況變化等）反映出非線性、時變等特性，使其控制的難度加大。
第一章 汽溫控制系統(tǒng)的組成與對象動態(tài)特性
本章將以330MW的單元機組鍋爐為例，通過研究其高溫、亞臨界壓力、中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛前后對沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機為單軸、三缸、兩排汽、再熱、凝汽沖動式，說明過熱器與再熱器在鍋爐中的位置及布置情況，從而全面掌握研究對象的生產(chǎn)過程，并熟悉其動態(tài)特性及分析影響汽溫變化的各種因素。
1.1 過熱器的分類及基本結(jié)構(gòu)
1.1.1 過熱器的分類
過熱器可以根據(jù)它所采用的傳熱方式分為對流過熱器、半輻射過熱器及輻射過熱器三種。對流過熱器是放在爐膛外面對流煙道里的過熱器，它主要以對流傳熱方式吸收流過它的煙氣的熱量。半輻射過熱器也稱屏式過熱器，一般放在爐膛上部出口附近，它既吸收爐膛火焰的輻射熱，又以對流方式吸收流過它的煙氣的熱量。輻射過熱器是放在爐頂或爐墻上的過熱器，它基本上只吸收爐膛內(nèi)火焰和煙氣的輻射熱。
現(xiàn)代大容量高參數(shù)鍋爐的過熱器主要由對流過熱器，屏式過熱器，包覆過熱器，頂棚過熱器，聯(lián)箱及減溫器構(gòu)成。制造它們的材料一般都是合金鋼，有的還需用特種鋼來制造。
（1）對流過熱器：布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對流傳熱的過熱器，稱為對流式過熱器。對流過熱器是由聯(lián)箱和很多細長
的蛇形管束所組成。蛇形管可作立式或臥式布置。過熱器的進出口聯(lián)箱放在爐墻外部，起著分配和匯集蒸汽的作用。蛇形管與聯(lián)箱上的管接頭焊接在一起。
大容量鍋爐的對流過熱器布置在煙溫很高的區(qū)域內(nèi)，其蒸汽溫度和管壁的熱負荷都很高。而蒸汽側(cè)放熱系數(shù)比省煤器中的水或蒸發(fā)受熱面中的汽水混合物的放熱系數(shù)都低的多，因此過熱器受熱面必須用具有良好的高溫強度特性的優(yōu)質(zhì)碳素鋼或含有鉻、鉬、釩的耐熱合金鋼制造。過熱器管子用什么材料制造，取決于它所處的工作條件�，F(xiàn)代鍋爐對流過熱器多采用立式布置，因為這樣可以采用簡單可靠的懸吊固定方法，而臥式過熱器的固定比較困難。立式布置的主要缺點，是停爐時積存在管內(nèi)的凝結(jié)水不易排出，容易引起蛇形管下部彎頭腐蝕。
（2）輻射過熱器：輻射過熱器可布置在燃燒室四壁，也稱墻式或壁式過熱器，或布置在爐頂，稱頂棚過熱器，直接吸收輻射熱。在做墻式布置時輻射過熱器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以僅布置在燃燒室上部，也可以沿燃燒室高度全部布置；它可以集中布置在某一區(qū)域，也可以與蒸發(fā)受熱面管子間隔布置。
在自然循環(huán)鍋爐中，輻射過熱器管子布置在燃燒室上部，能使管子避開熱負荷最高的火焰中心區(qū)域。但是這種布置會使水冷壁管的吸熱高度降低,可能影響水循環(huán)的安全性。如果輻射過熱器沿燃燒室全部高度布置，則處于火焰中心區(qū)的管子容易過熱燒壞。特別是升火過程中，為保證管子的冷卻必須采取從外界引進蒸汽等專門措施。在直流鍋爐中，情況有所不同，水冷壁上部都有一定的過熱度，相當于輻射過熱器，由于上部爐溫較低，所以可保證安全。
在國產(chǎn)自然循環(huán)鍋爐中，未采用墻式布置的輻射過熱器，而多采用布置在爐頂?shù)捻斉镞^熱器，受熱面為緊靠爐頂?shù)闹惫埽Q為頂棚管。這種過熱器的輻射傳熱作用較墻式過熱器為弱，但因處于較低的煙氣溫度場，工作比較安全可靠，與屏式過熱器和包覆過熱器配合使用，效果較好。
（3）屏式過熱器和包覆過熱器
除了上述兩種過熱器外，還有一種介于兩者之間的半輻射過熱器。最常用的半輻射過熱器是布置在燃燒室上部或出口處的高溫煙區(qū)內(nèi)的屏式過熱器。其結(jié)構(gòu)特征為幾排拉稀的管屏。屏式過熱器沿爐寬平行布置，管屏數(shù)目一般為8—16片，屏片間距為0.5—2米，各跟管子之間的相對間距S2/d在1.1左右，屏中并聯(lián)管子的數(shù)目為15—30跟。管屏懸掛在爐頂?shù)匿摿荷�，受熱后能自由的向下膨脹。為了保持各屏間的節(jié)距，可將相臨兩屏中的若干對管子彎繞出來互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應夾持在同一平面上。屏式過熱器布置在對流過熱器前面，以降低對流過熱器入口煙溫，避免對流過熱器結(jié)渣。屏式過熱器的汽溫變化特性介于輻射與對流過熱器之間，所以變化也比較平穩(wěn)。
圖1-1是布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器的汽溫特性示意圖。從圖中可以看出，當鍋爐負荷從33%增加到滿負荷時，曲線1所示的屏式過熱器的汽溫變化非常平穩(wěn)，僅上升了10℃；曲線2和3所示的對流過熱器的汽溫上升了42℃和50℃；而曲線4代表的輻射過熱器的汽溫卻大幅下降了。由于屏式過熱器具有過熱汽溫平穩(wěn)的特點，在現(xiàn)代大型鍋爐上廣泛地采用了這種過熱器。
為了得到較好的傳熱效果，最好把屏式過熱器布置在煙溫為950—1050℃的煙道中。屏式過熱器進口煙溫的選擇，應保證燃料進入屏式過熱器前已燃盡，否則在屏區(qū)再燃燒會嚴重影響管屏的工作安全。根據(jù)已采用屏式過熱器的許多鍋爐運行實踐證明，它能夠在1000—1300℃煙溫區(qū)內(nèi)可靠工作，并具有良好的汽溫變化特性。
1.1.2 過熱器的基本結(jié)構(gòu)
圖1-1 布置在不同煙溫區(qū)域內(nèi)的過熱器氣溫特性
1-布置在煙溫1200℃區(qū)域的屏式過熱器；2、3-布置在煙溫為
1000℃
和900℃區(qū)域內(nèi)的對流過熱器；4-布置在燃燒室內(nèi)的輻射過熱器
300MW單元機組是現(xiàn)在是我國火力發(fā)電機組的主力型號，多采用亞臨界參數(shù)及中間再熱。330MW機組鍋爐的過熱器，具體結(jié)構(gòu)見圖1-4所示。此過熱器具有以下特點：由于過熱蒸汽參數(shù)高，需要布置更多受熱面，因此爐膛內(nèi)布置大量屏式過熱器。采用輻射式、半輻射式和對流過熱器聯(lián)合過熱系統(tǒng)，以獲得良好的過熱蒸汽溫度變化特性。低溫過熱器采用逆流布置，以便獲得較大的傳熱溫差，從而節(jié)約鋼材。
采用兩級噴水減溫，這樣做的目的有兩個，一是為了使汽溫調(diào)節(jié)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護過熱器。第一級噴水減溫器布置在前屏過熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來調(diào)節(jié)因負荷、給水溫度和燃料性質(zhì)變化而引起的汽溫變化，為粗調(diào)。另外它還有保護屏式過熱器和對流過熱器受熱面的作用。第二級噴水減溫器布置在高溫對流過熱器（末級過熱器）之前，這一級熱慣性小，可保證出口汽溫能得到迅速調(diào)節(jié)。減溫器共有四只，每級安裝兩只，每只噴水量為每級噴水量的一
半。減溫水源為自制冷凝水。
蒸汽流程為：飽和蒸汽由汽包引出后經(jīng)一部分頂棚過熱器進入側(cè)墻和后墻包覆過熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進入低溫對流過熱器，出來后再經(jīng)過另一部分頂棚過熱器進入前屏過熱器，流出后經(jīng)過第一級噴水減溫器減溫，再進入后屏過熱器，流出后經(jīng)過第二級減溫器減溫，進入高溫對流過熱器完成最后一次過熱后，送往汽輪機。
圖1-2 300MW機組過熱器系統(tǒng)圖
1-汽包；2-前屏過熱器；3-后屏過熱器；4-頂棚過熱器； 5-側(cè)墻包覆過熱器；6-后墻包覆過熱器；7-低溫對流過熱器； 8-第一級減溫器；9-第二級減溫器；10-高溫對流過熱器
1.2 過熱蒸汽溫度控制的意義與任務
鍋爐過熱蒸汽溫度是影響機組生產(chǎn)過程安全性和經(jīng)濟性的重要參數(shù)。現(xiàn)代鍋爐的過熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過熱器出口的過熱蒸汽溫度是機組整個汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處。過熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過熱器正常運行的溫度已接近材料所允許的最
高溫度。如果過熱蒸汽溫度過高，容易損壞過熱器，也會使蒸汽管道、汽輪機內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過大的熱膨脹而毀壞，影響機組的安全運行。如果過熱蒸汽溫度過低，將會降低機組的熱效率，一般蒸汽溫度降低5-10℃，熱效率約降低1%，不僅增加燃料的消耗量，浪費能源，而且還將使汽輪機最后幾級的蒸汽濕度增加，加速汽輪機葉片的水蝕。另外，過熱汽溫的降低還會導致汽輪機高壓級部分蒸汽的焓值減小，引起反動度增大，軸向推力增大，也對汽輪機安全運行帶來不利的影響。所以，過熱蒸汽溫度過高或過低都是生產(chǎn)過程所不允許的。
1.3 過熱蒸汽溫度控制對象的動靜態(tài)特性
1.3.1 靜態(tài)特性
1、鍋爐負荷與過熱汽溫的關(guān)系
鍋爐負荷增加時，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變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說負荷增加時每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對流熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對流放熱百分率將增大。因此，對于對流式過熱器來說，當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熱器則具有相反的汽溫特性，即當鍋爐的負荷增加時，會使出口汽溫的穩(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負荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負荷的增加有所升高。
2、過�？諝庀禂�(shù)與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系
過剩空氣量改變時，燃燒生成的煙氣量改變，因而所有對流受熱面吸熱隨之改變，而且對離爐膛出口較遠的受熱面影響顯著。因此，當增大過�？諝饬繒r將使過熱汽溫上升。
3、給水溫度與汽溫關(guān)系
提高給水的溫度，將使過熱汽溫下降，這是因為產(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過過熱器煙氣也就減少了。也可以認為：提高給水溫度后，在相同燃料下，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，這對過熱汽溫有顯著的影響。
4、燃燒器的運行方式與過熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系
在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃燒器或改變?nèi)紵鞯臄[角會影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會影響過熱汽溫，火焰中心相對提高時，過熱汽溫將升高。
1.3.2 動態(tài)特性
目前，火電機組廠廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因素很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動下，汽溫控制對象是有煙池、慣性和自平衡能力的。
1、蒸汽流量擾動下的蒸汽溫度對象的動態(tài)特性
大型鍋爐都采用復合式過熱器，當鍋爐負荷增加時，鍋爐燃燒率增加，通過對流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負荷的增大而升高。這兩個因素都使對流式過熱器的氣溫升高。然而，當負荷增加時，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蒸汽量增加所需熱量少，因此使輻射式過熱器出口溫度下降�？梢姡@兩種型式的過熱器對蒸汽流量的擾動的反映恰好相反，只要設計上配合得當，就能使過熱其出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。因此在生產(chǎn)實踐中，通常把對流式過熱器與輻射式過熱器結(jié)合使用，還增設屏式過熱器，且對流方式下吸收的熱量比輻射方式下吸收的熱量多，綜合而言，過熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動態(tài)特性曲線如圖1-3（a）所示。
蒸汽流量擾動時，沿過熱器長度上各點的溫度幾乎是同時變化的，延遲時間較小，約為15s左右。
圖1-3 在擾動下溫度的變化曲線
2、煙氣側(cè)熱量擾動下蒸汽溫度對象的動態(tài)特性
當燃料量、送風量或煤種等發(fā)生變化時，都會引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小，一般在15-25s之間。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應曲線如圖1-3（a）所示。它與蒸汽量擾動下的情況類似。
3、蒸汽溫度在減溫水量擾動下的動態(tài)特性
當減溫水量發(fā)生擾動時，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動地點（過熱器入口）與測量蒸汽溫度的地點（過熱器出口）之間有著較大的距離，此時過熱器是一個有純滯后的多容對象。.動態(tài)曲線圖如圖1-3（b）所示。當擾動發(fā)生后，要隔較長時間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時間比較大，滯后時間約為30-60s。
綜上所述，可歸納出以下幾點：
（1）過熱器出口蒸汽溫度對象不管在哪一種擾動下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋�輸入?yún)?shù)（擾動），
其他的輸入?yún)?shù)都可能直接或間接的影響出口蒸汽溫度，這使得控制對象的動態(tài)過程十分復雜。
（2）在減溫水流量擾動下，過熱器出口蒸汽溫度對象具有較大的傳遞滯后和容量滯后，縮減減溫器與蒸汽溫度控制點之間的距離，可以改善其動態(tài)特性。
（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動下，蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性比較好。
1.4 過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理
這里以330MW機組分散控制系統(tǒng)的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為例，對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進行介紹。
該330MW機組的過熱蒸汽溫度控制采用二級噴水減溫控制方式。過熱器設計成兩級噴水減溫方式，除可以有效減小過熱蒸汽溫度在基本擾動下的延遲，改善過熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級噴水減溫還具有防止屏式過熱器超溫、確保機組安全運行的作用。
本機組過熱器一、二級噴水減溫器的控制目標就是在機組不同負荷下維持鍋爐二級減溫器入口和二級減溫器出口的蒸汽溫度為設定值。
1.4.1 過熱器一級減溫控制系統(tǒng)
過熱器一級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖1-4所示。該系統(tǒng)是在一個串級雙回路控制系統(tǒng)的基礎上，引入前饋信號和防超溫保護回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量為二級減溫器入口的蒸汽溫度，其實測值送入主回路與其給定值進行比較，形成二級減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號。主回路的給定值由代表機組負荷的主蒸汽流量信號（代表機組負荷信號）經(jīng)函數(shù)器f(x)產(chǎn)生，其含義為給定值是負荷的函數(shù)。運行人員在操作員站上可對此給定值給予正負偏置。主回路的控制由
PID1來完成。主回路控制器接受二級減溫器入口蒸汽溫度偏差信號，經(jīng)控制運算后其輸出送至副回路。
副回路的被控量為一級減溫器出口的蒸汽溫度。其溫度的測量值送入副回路與其給定值進行比較，形成一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號疊加形成。副回路采用PID2調(diào)節(jié)器，它接受一級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。
圖1-4 過熱器一級減溫控制系統(tǒng)
由于機組的負荷會改變，控制對象的動態(tài)特性也隨之而變，為了在較大的負荷變化范圍內(nèi)都具備較高的控制品質(zhì)，在大型機組的蒸汽溫度控制中，可充分利用計算機分散控制的優(yōu)點，
將主、副調(diào)節(jié)器設計成自動隨著負荷的變化不斷地修改整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器，上述蒸汽溫度控制系統(tǒng)就是如此。
1.4.2 二級減溫控制系統(tǒng)
過熱器二級減溫控制系統(tǒng)的原理簡圖如圖1-5所示。該系統(tǒng)與一級減溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，也是一個串級雙回路控制系統(tǒng)，不同之處在于：主、副調(diào)節(jié)器輸入的偏差信號不同，采用的前饋信號也不同。
二級減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級過熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主回路的給定值進行比較，形成二級過熱器出口蒸汽溫度偏差信號，主回路的給定值由運行人員手動設定，對于300MW機組在正常負荷時，給定值一般為540℃。
圖1-5 過熱器二級減溫控制系統(tǒng)
副回路的被控量為二級減溫器出口蒸汽溫度，其溫度的測量值送入副回路與其給定值比較，形成二級減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號疊加而形成的。
二級過熱器蒸汽溫度控制是鍋爐出口蒸汽溫度的最后一道控制手段，為了保證汽輪機的安全運行，要求盡可能提高鍋爐出口蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)。因此，二級減溫控制的主回路前饋信號采用了基于焓值計算的較為完善的方案。其前饋信號有主蒸汽溫度和壓力的給定值的函數(shù)，還有主蒸汽流量代表機組負荷以及送風量、燃燒器火嘴擺動傾角等。
除了以上內(nèi)容外，二級減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級減溫控制系統(tǒng)完全相同。
1.5 再熱汽溫控制系統(tǒng)
1.5.1 再熱汽溫控制的任務
為了提高大容量、高參數(shù)機組的循環(huán)效率，并防止汽輪機末級蒸汽帶水，需采用中間再熱系統(tǒng)。提高再熱汽溫對于提高循環(huán)熱效率是十分重要的，但受金屬材料的限制，目前一般機組的再熱蒸汽溫度都控制在560℃以下。另一方面，在鍋爐運行中，再熱器出口溫度更容易受到負荷和燃燒工況等因素的影響而發(fā)生變化，而且變化的幅度也較大，如果不進行控制，可能造成中壓缸轉(zhuǎn)子與汽缸較大的熱變形，引起汽輪機振動。
再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務是將再熱蒸汽溫度穩(wěn)定在設定之上。此外，在低負荷、機組甩負荷或汽輪機跳閘時，保護再熱器不超溫，以保證機組的安全運行。
1.5.2 再熱汽溫的控制方法
再熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)采用擺動火嘴加噴水減溫的控制方式。 按設計，再熱蒸汽溫度正常情況下由噴燃器火嘴傾角的擺動來控制。也就是說，再熱器汽溫控制的減溫水閥門平常是全關(guān)的，它對再熱汽溫只起一種輔助的或保護性質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。
1、擺動火嘴：
擺動燃燒器火嘴傾角是設計用來調(diào)節(jié)再熱汽溫的正常手段，它是一個帶前饋信號的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在鍋爐A，B側(cè)末級再熱器出口聯(lián)箱上各裝有兩個出口蒸汽溫度測點，可由運行人員在OIS上手動選擇每側(cè)的某一測點或兩個測點的平均值作為本次再熱汽溫控制使用。
根據(jù)主蒸汽流量經(jīng)函數(shù)發(fā)生器給出的隨機組負荷變化的再熱汽溫設定值，與運行人員手動設定值經(jīng)小值選擇器后與再熱蒸汽測量值進行比較，偏差進入控制器。控制器設計為SMITH預估器和PID調(diào)節(jié)器互相切換的方式，兩者只能由一個起控制作用，可由熱控工程師通過軟件調(diào)節(jié)。為了提高再熱汽溫在外擾下的調(diào)節(jié)品質(zhì)，控制回路設計了機組負荷和送風量經(jīng)函數(shù)發(fā)生器給出的前饋信號。根據(jù)再熱汽溫的偏差經(jīng)控制器的控制運算后在加上前饋信號，形成了對燃燒器火嘴傾角的控制指令，這個指令信號分四路并列輸出去驅(qū)動爐膛四角的燃燒器火嘴傾角。當進行爐膛吹掃時，火嘴傾角將被自動連鎖到水平位置。
2、噴水減溫：
噴水減溫只起輔助或保護性質(zhì)的減溫作用。每側(cè)的再熱汽溫有兩個測量信號，當擺動火嘴在自動控制狀態(tài)時，噴水減溫的再熱汽溫設定在擺動火嘴控制系統(tǒng)設定值的基礎上加上根據(jù)擺動火嘴控制指令經(jīng)函數(shù)發(fā)生器給出的偏置量，意在當擺動火嘴有調(diào)節(jié)與低時抬高噴水減溫控制系統(tǒng)設定值以確保噴水減溫閥門關(guān)死。當擺動火嘴控制指令接近下限而將失去調(diào)節(jié)余地時，該偏置量應該減小到零以便再熱汽溫偏高時噴水閥門接替擺動火嘴的減溫手段。
由于噴水減溫系統(tǒng)只是設計用作輔助調(diào)節(jié)手段，故系統(tǒng)設計比較簡單，再熱汽溫設定值與測量值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后直接作為噴水減溫閥門開度指令，控制器未設計SMITH預估器，也未設計任何前饋信號。
圖1-6 再熱汽溫控制SAMA圖
1.6 汽溫調(diào)節(jié)的概念和方法
維持穩(wěn)定的汽溫是保證機組安全和經(jīng)濟運行所必須的。汽溫過高會使金屬應力下降，將影響機組的安全運行；汽溫降低則會機組的循環(huán)的效率。據(jù)計算，過熱器在超溫10℃到20℃下長期運行，其壽命會縮短一半；而汽溫降低10℃會使循環(huán)若效應降低0.5％，運行中一般規(guī)定汽溫額定值的波動不能超過－10℃～+5℃。因此，要求鍋爐設置適當?shù)恼{(diào)溫手段，以修正運
行因素對汽溫波動的影響。
對汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是：調(diào)節(jié)慣性或延遲時間小，調(diào)節(jié)范圍大，對熱循環(huán)熱效率影響小，結(jié)構(gòu)簡單可靠及附加設備消耗少。
汽溫的調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩大類：蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)和煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)。所謂蒸汽側(cè)的調(diào)節(jié)，是指通過改變蒸汽的熱焓來調(diào)節(jié)溫度。例如噴水式減溫器向過熱器中噴水，噴入的水的加熱和蒸發(fā)要消耗過熱蒸汽的一部分熱量，從而使汽溫下降，調(diào)節(jié)噴入的水量，可以達到調(diào)節(jié)汽溫的目的。煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，使通過改變鍋爐內(nèi)輻射受熱面和對流受熱面的吸熱量分配比例的方法（例如調(diào)節(jié)燃燒器的傾角，采用煙氣再循環(huán)等）或改變流經(jīng)過熱器的煙氣量的方法（如調(diào)節(jié)煙氣擋板）來調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度。
1.6.1 從蒸汽側(cè)調(diào)節(jié)汽溫
汽溫調(diào)節(jié)通常采用噴水減溫作為主要調(diào)節(jié)手段。由于鍋爐給水品質(zhì)較高，所以減溫器通常采用給水作為冷卻工質(zhì)。噴水減溫的方法是將水呈霧狀直接噴射到被調(diào)過熱蒸汽中去與之混合，吸收過熱蒸汽的熱量使本身加熱，蒸發(fā)，過熱，最后也成為過熱蒸汽的一部分。被調(diào)溫的過熱蒸汽由于放熱，所以汽溫降低，達到了調(diào)溫的目的。
噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡單，只要根據(jù)汽溫的變化適當?shù)淖兏鄳臏p溫水調(diào)節(jié)閥門開度，改變進入減溫器的減溫水量即可達到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。當汽溫偏高時，開大調(diào)節(jié)門增加減溫水量；當汽溫偏低時，關(guān)小調(diào)節(jié)閥門減少減溫水量，或者根據(jù)需要將減溫器撤出運行。
單元機組的鍋爐對汽溫要求較高，故通常裝置兩級以上的噴水減溫器，在進行汽溫調(diào)節(jié)時必須明確每級減溫器所擔負的任務。第一級布置在分隔屏過熱器之前，被調(diào)參數(shù)是屏式過熱器出口汽溫，其主要任務是保護屏式過熱器，防止壁管超溫。由于該減溫器距末級過熱器的出口尚有較長距離，相對來說，它對出口汽溫的調(diào)節(jié)時滯較大，而且由于蒸汽流經(jīng)后幾級過熱器后，汽溫的變化幅度較大，誤差也大，所以很難保證出口蒸
汽溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。因此，這級減溫器只能作為主蒸汽溫度的粗調(diào)節(jié)。該鍋爐第二級噴水減溫器設在末級對流過熱器進口，被調(diào)參數(shù)是主蒸汽出口溫度，由于此處距主蒸汽出口距離近，且此后蒸汽溫度變化幅度也不大，所以第二級噴水減溫的靈敏度高，調(diào)節(jié)時滯也小，能有效的保證主蒸汽出口溫度符合要求，因而該級噴水調(diào)節(jié)是主蒸汽的細調(diào)節(jié)。第二級噴水減溫器往往分兩側(cè)布置，以減小過熱汽溫熱偏差。正常工況時，一、二級噴水量的比例為總噴水量的75％和25％，在高加全部切除時，其比例為95％和5％。
噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫的特點是，只能使蒸汽減溫而不能升溫。因此，鍋爐按鍋爐額定負荷設計時，過熱器受熱面的面積是超過需要的，也就是說，鍋爐在額定負荷下運行時過熱器吸收的熱量將大于蒸汽所需要的過熱熱量，這時就必須用減溫水來降低蒸汽的溫度使之保持額定值。由于一般組合過熱器汽溫特性都呈對流特性，所以當鍋爐負荷降低時，汽溫也下降，這時減溫水就應減小，對于定壓運行的單元機組，由于蒸汽失去汽溫調(diào)節(jié)手段，因而主汽溫就不能保持規(guī)定值，故鍋爐不宜在此情況下做定壓運行，而應采用滑壓運行，以保證過熱蒸汽有足夠的過熱度。噴水減溫調(diào)節(jié)主蒸汽溫度在經(jīng)濟上是有一定損失的。一方面由于在額定負荷時過熱器受熱面積比實際需要值大，增加了投資成本；另一方面因一部分給水用作減溫水，使進入生煤器的水流量減少，因而鍋爐排煙溫度升高。增加了排煙損失。同時噴水減溫的過程，也是一個熵增的過程。故而有可用能的損失。但是，由于噴水減溫設備簡單，操作方便，調(diào)節(jié)又靈敏，所以仍得到廣泛應用。
再熱器不宜采用噴水減溫調(diào)節(jié)汽溫。因為噴水減溫器將增加再熱蒸汽的數(shù)量，從而增加了汽輪機中，低壓缸的蒸汽流量，即增加了中低壓缸的出力。如果機組的負荷一定，將使高壓缸出力減小，減少高壓缸的蒸汽流量。這就等于部分的用低壓蒸汽循環(huán)代替高壓蒸汽循環(huán)做功，因而必然導致整個機組熱經(jīng)濟性的降低。再熱器噴水減溫器的主要目的是當出現(xiàn)事故工況，
再熱器入口汽溫超過允許值，可能出現(xiàn)超溫損壞時，噴水減溫器投入運行，借以保護再熱器。在正常運行情況下，只有當采用其他溫度調(diào)節(jié)方法尚不能完全滿足要求時，再熱器噴水減溫器才投入微量噴水，作為再熱汽溫的輔助調(diào)節(jié)。
1.6.2 從煙氣側(cè)調(diào)節(jié)汽溫
1、改變火焰中心位置。改變火焰的中心位置可以改變爐內(nèi)輻射吸熱量和進入過熱器的煙氣速度，因而可以調(diào)節(jié)過熱汽溫。當火焰中心位置抬高時，火焰離過熱器較近，爐內(nèi)輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，則過熱汽溫將升高�；鹧嬷行奈恢媒档蜁r，則過熱汽溫降低。改變火焰中心位置的方法有：
（1）調(diào)整噴燃器的傾角。采用擺動式燃燒器時，可以用改變其傾角的辦法來改變火焰中心沿爐膛高度的位置，從而達到調(diào)節(jié)汽溫的目的。在高負荷時，將噴燃器向下傾斜某一角度，可以使火焰中心位置下移，使進入過熱器區(qū)的煙氣溫度下降，減小過熱器的傳熱溫差，使汽溫降低。而在低負荷時，將噴燃器向上傾斜適當角度，則可以使火焰中心位置提高，使汽溫升高。擺動式燃燒器的調(diào)溫幅度較大，調(diào)節(jié)靈敏，設備簡單，投資費用少，并且沒有功率損耗。目前使用的擺動式燃燒器上下擺動的轉(zhuǎn)角為±20°，一般用10°～20°器的傾角的調(diào)節(jié)范圍不可過大，否則可能會增大不完全燃燒損失或造成結(jié)渣等。如果向下的傾角過大時，可能會造成水冷壁下部或冷灰斗結(jié)渣。若向上的傾角過大時，會增加不完全燃燒損失并可能引起爐膛出口的屏式過熱器或凝渣管結(jié)渣。同時在低負荷時若向上的傾角過大，還可能發(fā)生爐膛滅火。擺動式燃燒器可用于過熱蒸汽的調(diào)溫，也可用于再熱蒸汽的調(diào)溫。當擺動式燃燒器作為再熱汽溫的主調(diào)方式時，它將以再熱汽溫為信號，改變?nèi)紵鞯膬A角。 為了保持爐膛火焰的均勻分布，此時四組燃燒器的傾角應一致并同時動作。當燃燒器傾角已達到最低極限值時，再熱汽溫仍然高于額定值時，再熱器事故噴水減溫器將自動投入運行，以保持汽溫和保護再熱器。
（2）改變噴燃器的運行方式。當沿爐膛高度布置有多排噴
燃器時，可以將不同高度的噴燃器組投入或停止工作，即通過上、下排噴燃器的切換，來改變火焰中心位置。當汽溫高時應盡量先投用下排的燃燒器，汽溫低時可切換成上排噴燃器運行，也可以采取對距過熱器位置不同的噴燃器進行切換的方法，當投用靠近爐膛后墻的噴燃器時，由于這時火焰中心位置離過熱器近火焰行程短，將使爐膛出口的煙溫相對的高些。而切換成前墻或靠近前墻的噴燃器運行時，則火焰中心位置離過熱器相對的遠些，爐膛出口煙溫就相對的低些。
（3）變化配風工況。對于四角布置切圓燃燒方式，在總風量不變的情況下，可以用改變上、下排二次風分配比例的辦法來改變火焰中心位置。當汽溫高時，一般可開大上排二次風，關(guān)小下排二次風，以壓低火焰中心。當汽溫低時，一般則關(guān)小上排二次風，開大下排二次風，以抬高火焰中心。進行調(diào)整時，應根據(jù)實際設備的具體特性靈活掌握。
2、改變煙氣量。若改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對流傳熱系數(shù)變化，從而改變了煙氣對過熱器的放熱量。煙氣量增多時，煙氣流速大，使汽溫升高；煙氣量減少時，煙氣流速小，使汽溫降低。改變煙氣量即改變煙氣流速的方法有：
（1）采用煙氣再循環(huán)。采用煙氣再循環(huán)調(diào)節(jié)汽溫的原理是從尾部煙道（通常是從省煤器后）抽出一部分低溫煙氣，用再循環(huán)風機送回爐膛，并通過對再循環(huán)煙氣量的調(diào)節(jié)來改變流經(jīng)過熱器的煙氣流量，改變煙氣流速。此外，當送入爐膛的低溫再循環(huán)煙氣量改變時，還使爐膛溫度發(fā)生變化，爐內(nèi)輻射吸熱與對流吸熱的比例將改變，從而使汽溫發(fā)生變化。由此，改變再循環(huán)煙氣量，可以同時改變流過過熱器的煙氣流量和煙氣含熱量，因而可以調(diào)節(jié)汽溫。
（2）煙氣旁路調(diào)節(jié)。采用這種方法是將過熱器處的對流煙道分隔成主煙道和旁路煙道兩部分。在旁路煙道中的受熱面之后裝有煙氣擋板，調(diào)節(jié)煙氣擋板的開度，即可改變通過主煙道的煙氣流速，從而改變主煙道中受熱面的吸熱量。由于高溫對
流煙道中煙氣的溫度很高，煙氣擋板極易變形或燒壞，故這一方法只用于布置在鍋爐尾部對流煙道中的低溫過熱器或低溫再熱區(qū)段，而在我國目前的超高壓機組中，則僅用于低溫再熱器區(qū)段。采用煙氣旁路來調(diào)節(jié)再熱汽溫時，還會影響到過熱汽溫。為了增加再熱汽溫的調(diào)節(jié)幅度并減小對過熱汽溫的影響，應使主煙道中的再熱器有較大的受熱面，而旁路煙道中的過熱器受熱面則應小些。
（3）調(diào)節(jié)送風量。調(diào)節(jié)送風量可以改變流經(jīng)過熱器的煙氣量，即改變煙氣流速，達到調(diào)節(jié)過熱汽溫的目的。調(diào)節(jié)送風量首先必須滿足燃燒工況的要求，以保證鍋爐機組運行的安全性和經(jīng)濟性。而用以調(diào)節(jié)汽溫，一般知識作為輔助手段。當汽溫問題成為運行中的主要矛盾時，才用燃燒調(diào)節(jié)來配合調(diào)節(jié)汽溫。利用送風量調(diào)節(jié)汽溫是有限度的，超過了范圍將造成不良后果。因為過多的送風量不但增加了送、吸風機是耗電量，降低了電廠的經(jīng)濟性，而且增大了排煙熱損失，降低鍋爐熱效率。特別是燃油鍋爐對過剩空氣量的控制就更為重要。過剩空氣量的增加，不但加速空氣預熱器的腐蝕，還有可能引起可燃物在尾部受熱面的堆積，導致尾部受熱面再燃燒。
第二章 過熱汽溫控制系統(tǒng)的基本方案
目前，過熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，新的控制方法不斷出現(xiàn)，汽溫控制的質(zhì)量也不斷提高。傳統(tǒng)的汽溫控制系統(tǒng)有兩種：串級汽溫控制系統(tǒng)和采用導前微分信號的汽溫控制系統(tǒng)。由于過熱汽溫控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號反應慢，因此選擇減溫器后的汽溫作為局部反饋信號，形成了上述的兩種雙回路控制系統(tǒng)。下面將分別加以介紹。
2.1 串級汽溫控制系統(tǒng)
單回路控制系統(tǒng)是各種復雜控制系統(tǒng)的基礎，由于其控制簡單而得到廣泛應用。但隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新，生產(chǎn)不斷強化，工業(yè)生產(chǎn)過程對工業(yè)參數(shù)提出了越來越嚴格的要求，并且由于生產(chǎn)過程中各參數(shù)間的關(guān)系復雜化及控制對象遲延和慣性的增大，都使得單回路控制系統(tǒng)顯得無能為力，因而產(chǎn)生了許多新的、較復雜的控制系統(tǒng)，如串級控制、導前微分控制、復合控制、分段控制、多變量控制等。串級控制系統(tǒng)對改善控制品質(zhì)有獨到之處，本節(jié)將對其組成、特點及整定進行討論
2.1.1 串級汽溫控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理
火電廠過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2-1所示：
圖2-1 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)
該汽溫串級控制系統(tǒng)中，有主、副兩個調(diào)節(jié)器。由于汽溫對象具有較大的延遲和慣性，主調(diào)節(jié)器多采用PID控制規(guī)律，其輸入偏差信號為I?2-I?0，輸出信號為IT1，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制
規(guī)律，接受導前汽溫信號I?1和主調(diào)節(jié)器輸出信號IT1，輸出為IT2。當過熱汽溫升高時，I?2增加，主調(diào)節(jié)器輸出IT1減小，副調(diào)節(jié)器
輸出IT2增加，減溫水量增加，過熱汽溫下降。在主、副調(diào)節(jié)器
均具有PI控制規(guī)律的情況下，當系統(tǒng)達到穩(wěn)定時，主、副調(diào)節(jié)器的輸入偏差均為零，即：
I?2=I?0；I?1=IT1
由此也可以認為主調(diào)節(jié)器的輸出IT1是導前汽溫I?1的給定
值。
過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-2所示，具有內(nèi)外兩個回路。內(nèi)回路由導前汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、減溫水調(diào)節(jié)閥及減溫器組成；外回路由主汽溫對象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個內(nèi)回路組成。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因為減溫器離過熱器出口較遠，且過熱器管壁熱容
較大，主汽溫對象的滯后和慣性較大。若采用單回路控制主汽溫q1(即將q1作為主信號反饋到調(diào)節(jié)器PI1,PI1直接去控閥門開
度)無法取得滿意的控制品質(zhì)。為此再取一個對減溫水量變化反映快的中間溫度信號q2作為導前信號，增加一個調(diào)節(jié)器PI2組成
如圖2-2所示的串級控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器PI2根據(jù)q2信號控制減溫
水閥，如果有某種擾動使汽溫q2比q1提早反映（例如：內(nèi)擾為噴
水量W的自發(fā)性變化），那么由于PI2的提前動作，擾動引起的q2波動很快消除，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
保證負荷擾動時，仍能保持X滿足要求�？梢姡壪到y(tǒng)中采用了兩級調(diào)節(jié)器，各有其特殊任務。
圖2-2 過熱汽溫串級控制系統(tǒng)的原理方框圖
2.1.2 串級汽溫控制系統(tǒng)的設計
為充分發(fā)揮串級控制系統(tǒng)的優(yōu)點，在設計實施控制系統(tǒng)時，還應適當合理的設計主、副回路及選擇主、副調(diào)節(jié)器的控制規(guī)律。
1、主、副回路的設計原則
（1）副參數(shù)的選擇，應使副回路的時間常數(shù)小，控制通道短，反應靈敏。通常串級控制系統(tǒng)是被用來克服對象的容積遲延和慣性。副回路應該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應力
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。因此，在設計串級控制系統(tǒng)時，應設法找到一個反應靈敏的副參數(shù)，使得干擾在影響主參數(shù)之前就得到克服，副回路的這種超前控制作用，必然使控制質(zhì)量有很大的提高。
（2）副回路應包含被控對象所受到的主要干擾。串級控制系統(tǒng)對進入副回路的擾動有很強的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設計時，副參數(shù)的選擇應使得副回路盡可能多的包括一些擾動。但這將與要求副回路控制通道短，反應快相矛盾，應在設計中加以協(xié)調(diào)。在具體情況下，副回路的范圍應當多大，取決于整個對象的容積分布情況以及各種擾動影響的大小。副回路的范圍也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同時還可能使主回路的控制性能惡化。一般應使副回路的頻率比主回路的頻率高的多，當副回路的時間常數(shù)加在一起超過了主回路時，采用串級控制就沒有什么效果了。
（3）主、副對象的時間常數(shù)應適當匹配。由于串級系統(tǒng)中主、副回路是兩個相互獨立又密切相關(guān)的回路。如果在某種干擾作用下，主參數(shù)的變化進入副回路時，會引起副回路中參數(shù)振幅增加，而副參數(shù)的變化傳到主回路后，又迫使主參數(shù)變化幅度增大，如此循環(huán)往復，就會使主、副參數(shù)長時間大幅度波動，這就是所謂串級系統(tǒng)的“共振現(xiàn)象”。一旦發(fā)生了共振系統(tǒng)就失去控制，不僅使系統(tǒng)控制品質(zhì)惡化，如不及時處理，甚至可能導致生產(chǎn)事故，引起嚴重后果。為確保串級系統(tǒng)不受共振現(xiàn)象的威脅，一般取
Td1??3~10?Td2
(2-1)
式子中：Td1為主回路的振蕩周期；Td2為副回路振蕩周期，要滿
足式子（2-1），除了在副回路設計中加以考慮之外，還與主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)有關(guān)。
2、主、副調(diào)節(jié)器的選型
串級控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務不同，對于
它們的選型即控制規(guī)律的選擇也有不同考慮。
（1）副調(diào)節(jié)器的選型
副調(diào)節(jié)器的任務是要快速動作以迅速消除進入副回路內(nèi)的擾動，而且副參數(shù)并不要求無差，所以一般都選P調(diào)節(jié)器，也可采用PD調(diào)節(jié)器，但這增加了系統(tǒng)的復雜性，在一般情況下，采用P調(diào)節(jié)器就足夠了，如果主、副回路頻率相差很大，也可以考慮采用PI調(diào)節(jié)器。
（2）主調(diào)節(jié)器的選型
主調(diào)節(jié)器的任務是準確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級控制的生產(chǎn)過程，對控制的品質(zhì)都是很高的，不允許被調(diào)量存在靜差。因此主調(diào)節(jié)器必須具有積分作用，一般都采用PI調(diào)節(jié)器。如果控制對象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時又有主要擾動落在副回路以外的話，就可以考慮采用PID調(diào)節(jié)器。
3、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)器均可以采用比例控制。
（2）要求主參數(shù)波動范圍很小，且不允許有余差，此時副調(diào)節(jié)器可以采用比例控制，主調(diào)節(jié)器采用比例積分控制。
（3）主參數(shù)要求高，副參數(shù)亦有一定要求這時主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。
2.1.3 串級汽溫控制系統(tǒng)的整定
在如圖2-3所示的串級系統(tǒng)中，因為兩個調(diào)節(jié)器串在一起，在一個系統(tǒng)中工作，相互之間或多或少的有些影響，因此在串級系統(tǒng)的整定要比簡單系統(tǒng)復雜些。
圖2-3 串級控制系統(tǒng)方框圖
1、兩部整定法
當串級系統(tǒng)中副回路的控制過程比主回路快的多時，可按下述步驟分別獨立整定主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)。
（1）先整定副調(diào)節(jié)器
當副回路受到階躍擾動時，在較短時間內(nèi)副回路控制過程就告結(jié)束。在此期間，主回路基本上不參加動作，由圖2-3得整定副回路時的方框圖，如圖2-4 （a）所示。可按單回路系統(tǒng)的整定方法整定副調(diào)節(jié)器WT2?s?。
（2）整定主調(diào)節(jié)器
當主回路進行控制時，副回路幾乎起理想隨動作用，由圖2-3可得
R2(s)?Y2(s)Wm2(s)
從而求得副回路的閉和傳遞函數(shù)
Y2(s)1?R2(s)Wm2(s)
（2-2）
圖2-4 主副調(diào)節(jié)器分別獨立整定時的方框圖
即在主回路中副回路可看作一個比例環(huán)節(jié)，由此畫出整定主回路時的方框圖，如圖2-4（b）所示�？砂磫位芈废到y(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器WT1?s?的參數(shù)。
按上述步驟整定系統(tǒng)后，通常應滿足?2?3?1（?1、?2分別為
主、副回路主導衰減振蕩成分的頻率）。要達到此要求整定時應考慮以下幾個問題：
① 對象的動態(tài)特性�？刂茖ο笄皡^(qū)動態(tài)特性W02(s)與整個控制對象的動態(tài)特性W0(s)?W01(s)W02(s)相比，應有較小的遲延和慣性。
② 調(diào)節(jié)器類型的選擇。副調(diào)節(jié)器WT2(s)可選用P（或PD）調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器應選用PI調(diào)節(jié)器，以使副回路有較高的衰減振蕩頻率。
③ 整定指標的選擇。副回路可取較低的穩(wěn)定性裕量（例如
。 ??0.75）而主回路則取較高的穩(wěn)定性裕度（例如??0.9）
另外，按此方法整定串級系統(tǒng)時還應考慮控制對象惰性區(qū)動態(tài)特性的求取。在圖2-4中，控制對象導前區(qū)的特性W02(s)可直接由實驗測得，而惰性區(qū)的特性W01(s)不一定能直接由實驗獲得，但整個控制對象的動態(tài)特性W0(s)?W01(s)W02(s)總是可以由實驗測得，因此對象惰性區(qū)的動態(tài)特性W01(s)原則上可以由W0(s)和W02(s)算出：
W01(s)?W0(s)
W02(s)
（2-3）
例如：鍋爐過熱蒸汽溫度控制對象及其導前區(qū)的動態(tài)特性常
可表示為W0(s)?W01(s)W02(s)?K0?1(s)??(s)(1?T0s)n0
（2-4）
W02(s)??2(s)K2??(s)(1?T2s)n2
（2-5）
式中：?為減溫水閥門的開度。利用級數(shù)展開和低階近似，惰性區(qū)的動態(tài)特征可表示為： W01(s)??1(s)??2(s)K1
(1?T1s)n1
（2-6）
式中 K1?K0;T1?nT
K2??nT;n1?n0T0?n2T2n0T02?n2T22200222?n0T0?n2T22
如果控制對象及其導前區(qū)動態(tài)特性可以用式（2-4）、（2-5）來表示，而且有n2?2和n0?3，那么當 n0T0?3n2T2時（n0T0和n2T2分別為W0(s)和W02(s)分母中s項的系數(shù)），可以滿足主、副調(diào)節(jié)器按圖2-4分別整定的條件，而惰性區(qū)對象表示為
W01(s)?K12?(1?T0s)n0(1?T0s)n0K0
（2-7）
這樣避免了由W0(s)和W02(s)計算出W01(s)的麻煩，尤其用階躍響應實驗曲線整定主調(diào)節(jié)器時更為簡便。因此在式（2-7）假定下
????????????Tc?0?Tc?1
（2-8）
式中：??/Tc?0為控制對性W0(s)階躍響應實驗曲線上?與Tc的比值，
它實際往往無法由實驗曲線上直接獲得（如在過汽溫對象中）。
2、逐次逼近法
（1）先整定副調(diào)節(jié)器WT2(s)。在第一次整定副調(diào)節(jié)器時，斷開主環(huán)，即按副回路單獨工作時的單回路系統(tǒng)來整定副調(diào)節(jié)器WT2(s)的參數(shù)，記作?WT2(s)?1。
（2）根據(jù)?WT2(s)?1整定主調(diào)節(jié)器WT1(s)。由圖2-5可以寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程為
1?WT1(s)WT2(s)W02(s)W01(s)Wm1(s)?01?WT2(s)W02(s)Wm2(s)
（2-9）
可得此時等效控制對象的傳遞函數(shù)為
*W01(s)?WT2(s)W02(s)W01(s)Wm1(s)
1?WT2(s)W02(s)Wm2(s)
（2-10）
按照單回路系統(tǒng)整定方法求出主調(diào)節(jié)器參數(shù)，記作?WT1(s)?1。
（3）據(jù)（2）得到的?WT1(s)?1，再整定副調(diào)節(jié)器WT2(s)，由圖2-5寫出串級控制系統(tǒng)的特征方程為
1?WT2(s)?W02(s)Wm2(s)?WT1(s)W02(s)W01(s)Wm1(s)??0 （2-11）
可得此時等效控制對象為
* W02(s)?W02(s)Wm2(s)?WT1(s)W02(s)W01(s)Wm1(s) （2-12）
然后根據(jù)單回路系統(tǒng)的整定方法求出副調(diào)節(jié)器的參數(shù)，記為?WT2(s)?2。
（4）如果?WT2(s)?2的參數(shù)值與第（1）步得到?WT2(s)?1的參數(shù)值
基本相同，那么整定就告完成。兩個調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)步驟分別為（1）和（2）中求得的參數(shù)，否則應根據(jù)?WT2(s)?2重復步驟（2）、
（3），直到出現(xiàn)兩次整定結(jié)果基本相同為止。
3、補償法
當控制對象導前區(qū)的動態(tài)特性與整個控制對象的動態(tài)特性相比，遲延和慣性不夠小時，控制系統(tǒng)經(jīng)整定后主、副回路的振蕩頻率差別不夠大，這時就不能 用“兩步整定法”整定，可以采用“補償法”整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。
圖2-3所示的串級控制系統(tǒng)，在保持系統(tǒng)特征方程式不變的條件下，可把它的閉和回路等效的變換成圖2-5所示:
圖2-5 串級控制系統(tǒng)方框圖的等效變換
從等效變換后方框圖形式可以看出，如果為了分析串級系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以把它看作一個單回路系統(tǒng)。在這個等效單回路系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為?WT1(s)WT2(s)?控制對象為 W0*(s)?W02(s)?W01(s)?Wm2(s)
??1?? Wm1(s)WT1(s)?
（2-13）
因此，串級系統(tǒng)可按下述步驟進行整定：
（1）適當選擇主調(diào)節(jié)器WT1(s)的參數(shù)，以造成一個動態(tài)特性較好的等效控制對象W0*(s)。從圖2-5或式（2-13）的關(guān)系中可知，所造成的等效控制對象W0*(s)只能在控制對象原有的基礎上?W01(s)、W02(s)?，通過選擇WT2(s)WT1(s)的參數(shù)使它比較有利于控制。這就是“補償法”整定的概念。
（2）選擇好WT1(s)的參數(shù)得到了等效控制對象W0*(s)后，就可以按單回路系統(tǒng)整定調(diào)節(jié)器?WT1(s)WT2(s)?，從而得出副調(diào)節(jié)器WT2(s)的參數(shù)。用“補償法”的概念整定串級控制系統(tǒng)時，不必考慮主、副回路之間相互影響的程度。雖然整定的結(jié)果并不能保證串級系統(tǒng)在最佳的條件下工作，但是它可以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性裕度，因而使整定后的串級系統(tǒng)具有正常運行的基本條件，在主、副調(diào)節(jié)器不能分別獨立整定時，這可以作為整定串級控制系統(tǒng)的一種使用方法。
2.2 導前微分控制系統(tǒng)
在溫度控制系統(tǒng)中，常用的一種便是導前微分控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點是：只用了一個調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個信號。一個信號是主汽溫經(jīng)變送器直接進入調(diào)節(jié)器的信號，另一個信號則是減溫器后的溫度經(jīng)微分器后送入調(diào)節(jié)器的信號。在時間和相位上，后一個信號超前于主信號（主汽溫信號），因此把這種系統(tǒng)稱為導前微分控制系統(tǒng)。又因為它有兩個信號直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱這樣的系統(tǒng)為具有導前微分信號的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢，因而能提前反映輸出量的變化，把這種作用用于控制系統(tǒng)，能改善控制性能。
2.2.1 導前微分控制系統(tǒng)的組成及原理
采用導前微分信號的過熱汽溫控制系統(tǒng)如圖2-6所示。這個系統(tǒng)引入了導前汽溫?2的微分信號作為調(diào)節(jié)器的補充信號，以改
善控制質(zhì)量。因為?2和主汽溫?1的變化趨勢是一致的，切?2的變化比?1快的多，因此它能迅速反映?1的變化趨勢。引入了?2的微
分信號后。將有助于調(diào)節(jié)器的動作快速性。在動態(tài)時，調(diào)節(jié)器將根據(jù)?2的微分信號和?1與?1的給定值之間的偏差而動作；但在
靜態(tài)時，?2的微分信號消失，過熱汽溫?1必然等于給定值。如果
不采用導前信號?2的微分信號，則在靜態(tài)時，調(diào)節(jié)器將保持(?1??2)等于給定值，而不能保持?1等于給定值。
由圖2-6所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖我們可以畫出導前汽溫微分信號控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖2-7所示。它包括兩個閉合的控制回路：
1、由控制對象的導前區(qū)W02(s)，導前汽溫變送器r?2、微分器Wd(s)、調(diào)節(jié)器WT(s)、執(zhí)行器KZ和減溫水調(diào)節(jié)閥K?組成的副回路
（導前補償回路）；
2、由控制對象的惰性區(qū)W01(s)、主汽溫變送器r?1和副回路組成的主回路。
圖2-6 導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)
2.2.2 導前微分控制系統(tǒng)的分析
對于如圖2-7所示的控制系統(tǒng)，當去掉導前汽溫的微分信號時，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖2-8（a）所示，控制對象W0(s)??W01(s)W02(s)?的遲延、慣性較大。當系統(tǒng)加入導前汽溫微分信號后，調(diào)節(jié)器將同時接受兩個輸入信號，系統(tǒng)也成了雙回路結(jié)構(gòu)。但對于這個雙回路系統(tǒng)作適當?shù)牡刃ё儞Q后，發(fā)現(xiàn)仍可把它當作一個單回路系統(tǒng)來處理，如圖2-8（b）所示。只是由于微分信號的引入改變了控制對象的動態(tài)特性。這個新的控制對象的輸入仍然是減溫水流量信號WB，但輸出信號為?1*，等效控
制對象的傳遞函數(shù)可以根據(jù)方框圖求得。其中：
?1*??1?d?2??2
dt??1
W(s)?*
0????W02(s)?W01(s)?Wd(s)?2?WB(s)??1???1*(s)
（2-14）
圖2-7 采用導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖
圖2-8 采用微分信號改變控制對象特性的方框圖
a——單回路系統(tǒng)方框圖；b——雙回路系統(tǒng)的等效方框圖
在靜態(tài)時，微分器輸出為零，所以等效控制對象的輸出在動態(tài)過程中，等效控制對象的輸出中除了主汽溫信號?1?1*??1；
外，還疊加了導前汽溫?2的微分信號。由于?2的慣性遲延比?1小得多，因而等效對象的輸出?1*的慣性遲延比?1小得多。因此加入
導前汽溫微分信號的作用可以理解為改變了控制對象的動態(tài)特性，可見，等效控制對象是輸出?1*比主汽溫?1的響應有很大的改
善。所以，在控制對象慣性遲延較大的情況下導前汽溫微分信號的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質(zhì)遠比單回路控制系統(tǒng)好。
2.2.3 導前微分控制系統(tǒng)的整定
1、按補償法進行整定
根據(jù)前面對系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補償法的整定規(guī)則：整定微分器Wd?s?的參數(shù)（KD、TD）以形成一個等效對象，
這個等效對象的動態(tài)特性等于（或近似等于）在動態(tài)時為導前區(qū)的特性，在靜態(tài)時為主汽溫的特性，而調(diào)節(jié)器WT(S)的參數(shù)（?，
Ti）則按等效對象的特性整定（按一般單回路控制系統(tǒng)得到整定
方法）。
下面分析如何通過調(diào)整微分器的參數(shù)來獲取等效對象的特性。
設主汽溫對象的傳遞函數(shù)為
W0(s)?W02(s)W01(s)?K0
(1?T0s)n0
（2-15）
導前區(qū)汽溫對象的傳遞函數(shù)為
W02(s)?K2
(1?T2s)n2
（2-16）
則等效對象的傳遞函數(shù)為
???K0K0W0*(s)?W02(s)?W01(s)?Wd(s)?2???Ws02??n2?(1?Ts)K2?1?2?
（2-17）
由上式可得
?K?Wd(s)??0?W01(s)??K2???1
??2
（2-18）
可見微分器的參數(shù)時根據(jù)控制對象的惰性區(qū)來整定的，用控制對象惰性區(qū)傳遞函數(shù)的求法，可得：
W01(s)?K1
(1?T1s)n1
且
則式（2-18）可寫為
Wd(s)?K1?K0/K2 ????1KDTDs1?K1?1?n1?1?TDs(1?Ts)?1???2
(2-19)
假設汽溫對象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時一階的（即n1?1），則有
KDTDsTs??1K1T1s??1?K11?1?TDs1?T1s??21?T1s??2
比較等式兩邊的對應項可得
TD＝T1
KD＝K1??1??2
微分器按此組參數(shù)整定，則等效對象的傳遞函數(shù)為
W0*(s)?K0
(1?T2s)n2
則實現(xiàn)了完全補償?shù)念A定目的。但是汽溫對象的惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次都是高于一階的（通常n1?2），那么，式（2-19）等號兩邊就只能作到近似相等，而不能實現(xiàn)完全補償。下面推導n1?2時，微分器參數(shù)的確定方法。
將式（2-19）等號的兩邊展開為冪級數(shù)的形式：
等式左邊為
KDTDs2233?KDTDs?1?TDs?TDs?TDs?…? 1?TDs
等式右邊為
?????11?1K1?1??K1n1????21?Ts?????21??n1?n1?1?22??nTs?T1s? ?112!??
令等式兩邊s的低階項（二階以下項）的系數(shù)相等
s項
s2項 KDTD?K1??1nT ??2112KDTD?K1??1n1?n1?1?2T1 ??22
由此可以確定微分器的整定參數(shù)
KD?K1??12n1 ??2n1?1
TD?n1?1T12
（2-20）
按式（2-20）求得的Wd?s?參數(shù)僅能實現(xiàn)對象的近似補償，即使
W0*(s)?W02(s)K0
K2
在確定了等效對象的傳遞函數(shù)之后，對于調(diào)節(jié)器WT(s)的參數(shù)?和Ti應按等效對象W0*(s)來整定（按一般單回路系統(tǒng)的整定方法），其原理框圖如圖2-9所示。
圖2-9 補償法整定框圖
補償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。
2、按等效為串級控制系統(tǒng)的整定方法來整定
采用導前汽溫微分信號的控制系統(tǒng)等效為串級控制系統(tǒng)方框圖見圖2-9。整定步驟和前面已討論過的串級控制系統(tǒng)相同。 當WT(s)?1?1????KDTDs1?和時，等效副調(diào)節(jié)器WT*2(s)為W(s)??d1?TDsTis?PI
調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為：
WT*2?s??1?1?1??? TDs?KD?
而等效主調(diào)節(jié)器WT*1?s?也是PI 調(diào)節(jié)器，傳遞函數(shù)為
1?1?W(s)??1?? KD?TDs?*T1
此時可根據(jù)對象導前區(qū)特性和主汽溫特性，按串級控制系統(tǒng)的整定方法，分別求得等效副調(diào)節(jié)器WT*2(s)和等效主調(diào)節(jié)器WT*1(s)的各個參數(shù)，從而求得?、Ti、KD、TD 。
2.3 兩種汽溫自動控制系統(tǒng)的比較
前面討論了串級過熱汽溫控制系統(tǒng)和導前汽溫微分信號的雙回路過熱汽溫控制系統(tǒng)，他們在實際應用中一般都能滿足生產(chǎn)上的要求，但這兩種控制系統(tǒng)在控制質(zhì)量、系統(tǒng)構(gòu)成、整定調(diào)試等方面各有特點。
1、把采用導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級
控制系統(tǒng)來看待 時，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為PI調(diào)節(jié)器。但對于實際的串級汽溫控制系統(tǒng)，為了提高副回路的快速跟蹤性能，副調(diào)節(jié)器應采用P或PD調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應采用PI或PID調(diào)節(jié)器。因此，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)的副回路，其快速跟蹤和消除干擾的性能不如串級系統(tǒng)；在主回路中，串級系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器可具有微分作用，故控制品質(zhì)也比雙回路系統(tǒng)好，特別對于慣性、延遲較大的系統(tǒng)，雙回路系統(tǒng)的控制質(zhì)量不如串級系統(tǒng)。
2、串級控制系統(tǒng)主、副兩個控制回路的工作相對比較獨立，因此系統(tǒng)投運時 的整定、調(diào)試直觀、方便。而有導前汽溫微分信號的雙回路控制系統(tǒng)的兩個回路在參數(shù)整定時相互影響，不容易掌握
3、從儀表硬件結(jié)構(gòu)上看，采用導前汽溫微分信號的雙回路系統(tǒng)較為簡單。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能夠滿足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應用。若被控對象的遲延較大，外擾頻繁，而且要求有較高的控制質(zhì)量，則應采用串級控制系統(tǒng)。
第三章 大遲延控制系統(tǒng)
在熱工過程控制中，有的過程控制（對象特性）具有較大
的純延遲，使得被調(diào)量不能及時反映系統(tǒng)所承受的擾動，且當過程控制通道或測量環(huán)節(jié)存在延遲時候，會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會導致被控制量的最大動態(tài)偏差增大，系統(tǒng)的動態(tài)質(zhì)量下降，而且t/Tc之比越大越不容易控制。
解決具有純遲延的過程控制是一個比較棘手的問題，對于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級控制等方案是無法保證其控制質(zhì)量，且響應速度也和很慢，如果在控制精度很高的場合，則須采取其他控制手段，例如補償控制，采樣控制等等。本章僅就預估控制方法進行詳細介紹。
3.1 Smith預估補償器
對于有純遲延過程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律時，系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標下降的愈大。Smith針對具有純遲延的過程，提出在PID反饋控制的基礎上引入一個預補償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對Smith預估補償?shù)脑磉M行更詳細地介紹。
當采用簡單回路控制時，如圖3-1所示
圖3-1 單回路控制系統(tǒng)
控制器的傳遞函數(shù)為WT(s)，對象的傳遞函數(shù)為
W0(s)=W0'(s)e-ts時，從設定值作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：
Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts
=R(s)1+WT(s)W0'(s)e-ts
（3-1）
擾動作用至被控變量的閉環(huán)傳遞函數(shù)是：
Y(s)W0'(s)e-ts
=()Fs1+WT(s)W0'(s)e-ts
（3-2）
如果分母中的e-ts項可以除去，情況就大有改善，遲延對閉環(huán)極點的不利影響將不復存在。
-tsSmith預估補償方案主題思想就是消去分母中的e項，實
現(xiàn)的方法是把對象的數(shù)字模型引入到控制回路之內(nèi)，設法取得更為及時的反饋信息，以改進控制品質(zhì)，這種方案可按不同的角度進行解釋說明，下面從內(nèi)模（模型置于回路之內(nèi)）的角度來介紹。Smith預估器補償原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 Smith預估補償控制原理圖
在圖3-2中W0'(s)是對象除去純遲延環(huán)節(jié)e-ts以后的傳遞函數(shù)，Ws'(s)是Smith預估補償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無此補償器，則由調(diào)節(jié)器輸出m(s)到被調(diào)量Y(s)之間的傳遞函數(shù)為：
Y(s)=W0'(s)e-ts m(s)
上式表明，受到控制作用之后的被調(diào)量要經(jīng)過純遲延t之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預估補償器，則調(diào)節(jié)器m(s)與反饋到調(diào)節(jié)器的Y'(s)之間傳遞函數(shù)是兩個并聯(lián)通道之和，即
Y'(s)=W0'(s)e-tst+Ws'(s)m(s)
（3-3）
為使調(diào)節(jié)器采集的信號Y'(s)不至遲延t，則要求式（3-3）為
Y'(s)=W0'(s)e-tst+Ws'(s)=W0'(s) m(s)
從上式便可得到預估補償器的傳遞函數(shù)為：
Ws'(s)=W0'(s)(1-e-ts)
（3-4）
一般稱式（4-4）表示的預估器為Smith預估器。其實施框圖如圖4-3所示，只要一個與對象除去純遲延環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)Ws'(s)相同的環(huán)節(jié)和一個遲延時間等于t的純遲延環(huán)節(jié)就可以組成Smith預估模型，它將消除大遲延對系統(tǒng)過度過程的影響，使調(diào)節(jié)過程的品質(zhì)與過程無遲延環(huán)節(jié)時的情況一樣，只是在時間坐標上向后推遲的一個時間t。
圖3-3 Smith補償系統(tǒng)方框圖
從圖3-3可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
''??s??Y(s)'??s1?WT(s)W0?s??WT(s)W0(s)e?W(s)e R(s)0??1?WT(s)W0'(s)??
=W
（3-5） '0(s)e??s?WT(s)W0'(s)e??s??1?? '?1?WT(s)W0(s)?=W0'(s)e-ts[1-W1(s)e-ts]
WT(s)W0'(s) W1(s)='()()1+WTsW0s
式中W1(s)為無延遲環(huán)節(jié)時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。
Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts
==W1(s)e-ts
'R(s)1+WT(s)W0(s)
（3-6）
由式（3-6）可見，對于隨動控制經(jīng)預估補償，其特征方程中已消去了e-ts項，即消除了純遲延對系統(tǒng)控制品質(zhì)的不利影響。至于分之中的e-ts僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲了一個t，所以預補償完全補償了純遲延對過程的不利影響。控制品質(zhì)與被控過程無純遲延完全相同。
對于定值控制，由式（3-5）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成。第一項為擾動對象只有t>2t時才產(chǎn)生控制作用，當t?2?時無控制作用。所以Smith預估補償控制應用于定值控制其效果不如隨動控制。不過，從系統(tǒng)特征方程看，預估補償方案對定值控制系統(tǒng)品質(zhì)的改善還是有好處的。
下面以傳遞函數(shù) W01?2e?50s為對象進行仿真研究： 1?90s
其調(diào)節(jié)器為PI調(diào)節(jié)器，即WT?s??1?1?1???。用衰減曲線法整??Tis?
定參數(shù)得??4.1;Ti?55， 加上Smith預估器用MATLAB進行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示，其仿真曲線如圖3-5所示。
圖3-4 史密斯預估器控制的系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)圖
把對象傳遞函數(shù)中的遲延時間由50s改為40s，再次進行仿真得到的仿真曲線如圖3-6所示。
由仿真圖3-5與圖3-6相比較得到，由圖3-5可以看出Smith預估器使控制品質(zhì)大大提高，系統(tǒng)的特性非常好。但是它對模型的誤差十分敏感，當系統(tǒng)參數(shù)變化時，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對受控過程參數(shù)做出適時調(diào)整，從而時過程的品質(zhì)指標惡化。適應性不強，也就是魯棒性非常差。
由于主蒸汽溫度被控對象的參數(shù)會隨著時間的變化而產(chǎn)生變化，所以我們需要的是魯棒性好的控制系統(tǒng)，要進一步探討別的方法。
3.2 史密斯預估補償器的改進
由于Smith預估器對模型的誤差十分敏感，因而難于在熱工過程控制中廣泛應用，如何克服Smith預估器的這個不足至今仍使研究的課題之一。
圖3-5 在對象參數(shù)準確情況下史密斯預估器控制階躍響應的
曲線
圖3-6 改變對象參數(shù)后的仿真圖
3.2.1 抗干擾的Smith預估器
如果在史密斯補償回路中增加一個反饋環(huán)節(jié)Wf(s)如圖3-7
所示，則系統(tǒng)可以達到完全抗干擾的目的。由圖3-7可看出被調(diào)量Y(s)對干擾F(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
''??s??1?W(s)W(s)?W(s)W(s)1?eY(s)f00T'??s ?W0(S)e?''??s'??s?F(s)1?W(s)W(s)?W(s)W(s)1?e?W(s)W(s)e??f00TT0??
?W(S)e'
0??s?1?Wf(s)W0'(s)?W0'(s)WT?''1?W(s)W(s)?W(s)WT(s)?f00?(s)?1?e????s?????
（3-7）
圖3-7 實現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補償器
若要完全不受干擾F(s)的影響，則只要上式中分子為零，即
1+Wf(s)W0'(s)+W0'(s)WT(s)(1-e-ts)=0
由此可以得到新增反饋環(huán)節(jié)Wf(s)為
1+W0'(s)WT(s)(1-e-ts)Wf(s)=-W0'(s)
(3-8)
再寫出上述系統(tǒng)中被調(diào)量Y
Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts
=R(s)1+Wf(s)W0'(s)+W0'(s)WT(s)(1-e-ts)+WT(s)W0'(s)e-ts
(s)對設定值R(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為
WT(s)W0'(s)e-ts
=1+Wf(s)W0'(s)W0'(s)WT(s)
（3-9）
將（3-8）式代入（3-9）式后可以得到一個很有意義的結(jié)論，即
Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts
==1'-ts()()()RsWTsW0se
（3-10）
這就是說如果Wf(s)完全滿足式（3-8），則系統(tǒng)可完全跟蹤設定值。而且對干擾F(s) 還可以無差的進行補償。只是Wf(s)完全實現(xiàn)不是很容易的，尤其在對象用高階微分方程來描述時更是如此。但是這個結(jié)論對改善史密斯補償器的抗干擾能力還是有指導意義的。
3.2.2 增益自適應補償方案
圖3-8 增益自適應補償方案
Smith預估補償控制實質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補償器傳
送信號，作為輸入而產(chǎn)生補償器輸出。補償器與過程特性有關(guān)，而過程的數(shù)學模型與實際過程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點是模型的誤差會隨時間積累起來，也就是對過程特性變化的靈敏度很高。為了克服這一缺點，可采用增益自適應預估補償控制。
增益自適應補償方案方框圖如圖3-8所示。它在Smith補償模型之外加了一個除法器，一個導前微分環(huán)節(jié)和一個乘法器。除法器是將過程的輸出值除以模型的輸出值。導前微分環(huán)節(jié)的Td=t，它將使過程與模型輸出之比提前進入乘法器。乘法妻是將預估器的輸出乘以導前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預估器增益的信號。由圖3-8所得
Y(s)=[R(s)-D4(s)]WT(s)W0'(s)e-ts
A(s)=Y(s)
B(s)=m(s)Wc(s)e-tms
D4(s)=D1(s)D3(s)
A(s)=m(s)Wc(s)(1+Tds)B(s)
(1+Tds)Y(s) =m(s)Wc(s)m(s)Wc(s)e-tms
=(1+Tds)Y(s)
e-tms
D4(s)1+Tds所以 Y(s)=e-tms
Y(s)?R(s)WT(s)W0`(s)e?ts
`?ts1?Tds1?WT(s)W0(s)ee?tms
若t=tm，則有
Y(s)WT(s)W0'(s)e-ts
=R(s)1+(1+Tds)WT(s)W0'(s)
(3-11)
從以上分析可以看出增益自適應補償器與Smith補償器具有同樣改善控制性能的效果。
3.2.3 觀測補償器控制方案
圖3-9 能觀測補償時控制方案
觀測補償器控制方案如圖3-9所示，由圖可以得
WT(s)Wo(s)Y(s)?R(s)1?W(s)W(s)KoCT1?WK(s)WC(s)
WC(s)?Wo'(s)Ym
（3-12）
閉環(huán)特征方程可由下式求得
1+WC(s)WT(s)1+WK(s)W0(s)=0()()1+WKsWCs
（3-13）
不管對象的時滯有多大，只要WC(s)的模足夠小，就有
1+WK(s)W0(s)=11+WK(s)WC(s)
（3-14）
從而閉環(huán)特征方程為
1+WC(s)WT(s)=0
（3-15）
這表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性只與觀測器WC(s)有關(guān)，而與時滯大小無關(guān)。若WC(s)=W0'(s)，則式（3-12）與Smith預估補償控制方式（3-6）相同，表明其控制效果與Smith預估補償控制的相同。但本方案對于對象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時滯環(huán)節(jié)。因此，實施起來方便，適應性強。
對于隨動控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個隨動系統(tǒng)組成。由主控制器WT(s)與W0(s)、WC(s)、WK(s)組成的主隨動控制系統(tǒng)，用于使觀測器輸出值跟蹤設定值。由副控制器WK(s) 與WC(s)組成副隨動控制系統(tǒng)用于使觀測器輸出值與系統(tǒng)的輸出保持同步。當設定值發(fā)生變化時，由于觀測器輸出Ym尚未變化，所以主控
制器輸出一個較強的控制信號，通過前饋作用，使觀測器輸出較快的跟蹤，以減少控制器的偏差，起到超前的控制作用。同時，該控制信號對過程本身也起調(diào)節(jié)作用，使輸出Y較快變化。由于副控制器的控制作用，使觀測器輸出Ym適應系統(tǒng)輸出Y的變化。當主副控制器均為比例積分作用時，整個系統(tǒng)可以達到穩(wěn)態(tài)無余差。
觀測補償器控制方案僅適用于隨動控制系統(tǒng)，不適用于定值控制系統(tǒng)；當WK?s?的模很大時，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。
3.2.4 改進型Smith預估器
由Hang等提出的改進型預估器，它比原方案多了一個調(diào)節(jié)器，其方框圖如圖3-10所示。
圖中設過程特性的比例增益K0?1，從圖3-10中可以看到，它與Smith補償器方案的區(qū)別在于主反饋回路，其它反饋通道傳遞函數(shù)不是1而是Wf(s)，即
Wf(s)?WT2Ws(s) 1?WT2Ws(s)
圖3-10 改進型Smith預估器方框圖
改進型Smith預估器方案比原Smith補償方案多了一個調(diào)節(jié)器WT2(s)，但其參數(shù)整定還比較簡單。為了保證系統(tǒng)輸出相應無余差，要求兩個調(diào)節(jié)器均PI為動作調(diào)節(jié)器。其中主調(diào)節(jié)器WT1(s)只需按模型完全準確的情況下進行整定。至于輔助調(diào)節(jié)器WT2(s)的整定似乎要復雜一些，但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，輔助調(diào)節(jié)器是在反饋通道上，且與模型傳遞函數(shù)Ws(s)一起構(gòu)成Wf(s)。如果假設Ws(s)是一階環(huán)節(jié)。且設Ti2?Ts，即使調(diào)節(jié)器的積分時間等于模型的時間
常數(shù)，則Wf(s)可簡化為：
Wf(s)?1
Ts
KT2Ks1? Ts?1fs?1
這樣，反饋回路上出現(xiàn)了一個一階濾波器，其中只有一個整定參數(shù)Tf，實質(zhì)上只有WT2(s)中的比例增益KT2需要整定。
下面我們同樣以傳遞函數(shù) W01?2e?50s為對象對改進型1?90s
Smith預估器進行仿真研究，其Simulink結(jié)構(gòu)圖如圖3-11所示，仿真圖如圖3-12所示。
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