1、热工过程自动调节 2010年期末复习,华南理工大学电力学院,第一章 自动调节的基本概念,第一节 自动调节的实现方法 第二节 自动调节的常用术语 第三节 系统方框图 第四节 自动调节系统的分类 第五节 自动调节系统的性能,自动调节的常用术语(一),被调对象 指被控制的生产设备或生产过程。 被调量 表征生产过程是否正常而需要维持的物理量。 给定值 根据生产工艺要求，被调量应该达到的数值。 扰动 引起被调量偏离其给定值的各种原因。,自动调节的常用术语(二),调节机关 改变对象流入量或流出量的机构，如上例中给水控制阀。 调节作用量 由控制作用来改变,以控制被控量的变化,使被控量恢复为给定值的物理量。,
2、调节术语图解,被调对象,被调量,信号线：用箭头表示信号“x”的传递方向的连接线。 汇交点 (相加点、综合点)：表示两个信号“x1”与“x2”的代数和。 分支点(引出点)：表示把信号“x”分两路取出。 环节：方框图中的一个方框(代表能完成一定职能的元件)。,方框图的四个要素,按调节系统结构分类,四种典型的输入函数,阶跃函数,单位脉冲函数,斜坡函数,正弦函数,典型调节过程,主要性能指标,稳定性准确性 动态偏差 静态偏差 快速性,第二章 自动调节系统的数学系统,第一节 系统和环节的特性 第二节 拉普拉斯变换 第三节 传递函数 第四节 脉冲响应和阶跃响应 第五节 基本环节及环节的连接方式,系统和环节的
3、特性,系统(或环节)特性：系统(或环节)的输出与输入信号的关系。 静态特性：平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。 动态特性：在不平衡状态时，输出信号和引起它变化的输入信号之间的关系。,环节静态特性举例,动态数学模型的建立,当u1变化时： u1ii对C充电u2增大，至u2u1时充电结束,同类环节与相似系统,同类环节：数学模型相同，环节因果关系类同。 相似系统：具有相同形式的数学模型，而物理性质不同的系统。,同类环节,相似系统,电气系统,质量-弹簧-摩擦系统,近似线性化小偏差法,输出量y是输入量x的非线性函数则在平衡点(x0,y0)处，将F(x)展开成泰勒级数令如果偏差x很小，可
4、以略去级数中偏差的高次幂项,拉普拉斯变换的性质和定理(一),线性性质微分定理 积分定理,拉普拉斯变换的性质和定理(二),初值定理 终值定理位移定理(左移) 延迟定理(左移)卷积定理,拉普拉斯反变换的部分分式展开法,-s1， -s2， -sn，为R(s)=0的根 R(s)=0无重根,R(s)=0有重根,传递函数,定义：在线性定常系统中，初始条件为零时，环节输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比，称为环节的传递函数。特点：各项系数值完全取决于系统(或环节)的本身特性，与输入信号大小、形式无关。 N阶系统(或环节) ：分母中S的最高阶数等于n,几种典型的传递函数,RC电路热电偶测温质量-弹簧-摩
5、擦系统蓄水箱系统,传递函数的性质,是复变量s的有理真分式函数，其分子多项式次数m低于或等于分母多项式次数n，所有系数均为实数； 描述动态特性的数学模型，表征系统(或环节)的固有特性，与输入信号的具体形式、大小无关，不能表达系统(或环节)的物理结构； 只能一个输入对一个输出的关系； 分母是系统的特征方程，能判断动态过程的基本特征。,单位阶跃响应函数,设输入信号为：若环节的传递函数为G(s)，则它的阶跃响应为RC电路单位阶跃响应函数,比例环节,特点： 输出信号c(t)与输入信号r(t) 之间的动态关系和静态关系都是简单的比例关系； 输入信号r(t) 与输出信号c(t) 两个时间函数具有完全相同的形
6、式； 输出信号无迟延、无惯性、按比例(系数K)复现输入信号变化。,积分环节,特点： 输出量反映输入量对时间的积分； 只有输入量为零时，输出量才不变化，且能保持在任何位置上； 输出的变化量相对于输入的变化有迟延性。 积分环节的阶跃响应曲线,惯性环节(非周期环节),特点： 输入为阶跃函数时，输出按指数上升； 从曲线起始阶段看，与积分环节类似 ；从曲线的最后结果看(即从静态看)，与比例环节类似 ； 输出量不能立即反映输入量的变化，对输入量的反应具有惯性。 一阶惯性环节的阶跃响应曲线,微分环节,理想微分环节特点：.输出量与输入量的变化速度成正比例。.对于输入量的变化，输出量具有“超前”作用。 实际微分
7、环节,纯迟延环节,特点：输出量大小重复输入量(变化规律完全相同)，但在时间上，输出量落后输入量一段时间0。,环节的基本联接方式(一),串联并联,环节的基本联接方式(二),反馈传递函数：负反馈时，当正向环节放大倍数很大时，,方框图的等效变换,变换必须是等效的，变换前后的传递函数保持不变。 变换原则： 相邻相加点之间的移动； 相邻引出点之间的移动； 相加点后移； 相加点前移； 引出点后移； 引出点前移。,相邻相加点、引出点的交换原则,相邻相加点之间可以任意交换次序。相邻引出点的次序可以任意改变。,环节前、后汇交点的移动,相加点后移：相加点点移到相邻环节G(s)之后，在被移动支路中串联G(s)。相加
8、点前移：相加点移到相邻环节G(s)之前，在被移动支路中串联1/G(s)。,环节前、后引出点的移动,引出点后移：引出点移到相邻环节G(s)之后，在被移动支路中串联1/G(s)。引出点前移：引出点移到相邻环节G(s)之前，在被移动支路中串联G(s)。,系统方框图的等效变换,在方框图化简过程中，必须满足： (1)正向环节的传递函数的乘积必须保持不变； (2)闭合回路中传递函数的乘积必须保持不变。 方框图简化的一般原则为移动汇交点或分支点，以减少交叉回路。,2019/6/15,第三章 热工对象和自动调节器,第一节 热工对象动态特性 第二节 调节器的动态特性 第三节 工业调节器调节规律的实现方法 第四节
9、 工业调节器简介,2019/6/15,具有一个被调量的对象,2019/6/15,具有几个被调量的调节对象,调节对象被划分成若干个独立的调节区域，每一个调节作用只对一个被调量其作用； 具有多个被调量的调节对象有相应个数的调节作用，被调量或根据工艺生产过程的要求，互相之间必须保持一定的关系，或通过共同的调节对象相互起影响，但不能独立调节,2019/6/15,对象的自平衡能力：对象受到干扰作用后，平衡状态被破坏，无需外加任何调节作用，依靠对象本身自动平衡的倾向，逐渐地达到新的平衡状态的性质，称为对象的自平衡能力。 实质：对象输出量变化对输入量发生影响的结果，或者说，对象内部存在着负反馈。,有自平衡能
10、力的对象(一),2019/6/15,有自平衡能力的对象(二),特征参数： 自平衡率：时间常数Tc (飞升速度)：迟延时间：有自平衡能力的对象：特征参数变化对阶跃响应的影响,2019/6/15,有自平衡能力的对象(三),一阶惯性对象具有跃变特性且有自平衡能力对象,2019/6/15,无平衡能力的对象,特征参数传递函数,2019/6/15,PID调节,2019/6/15,比例(P)调节器,动态方程：传递函数：阶跃响应曲线： 整定参数：比例带：当调节机构的位置改变100%时，偏差应有的改变量。,2019/6/15,比例积分(PI)调节器,动态方程：传递函数： 阶跃响应曲线 整定参数： 、TI 。 积
11、分时间TI ：调节器的输出为比例作用所造成的变化加倍所需要的时间。,2019/6/15,比例微分(PD)调节器,理想PD调节器： 动态方程：传递函数：响应曲线： 整定参数：、Td 。,2019/6/15,实际调节器,实际PD调节器实际PID调节器,2019/6/15,调节器的调节规律,PID调节器的基本调节作用 比例调节作用(简称P作用) 微分方程：传递函数： 动作规律：根据偏差的大小进行调节。 特点： 调节及时，能有效地抑制扰动； 调节过程结束后有静态偏差。,2019/6/15,积分调节作用(简称I作用),微分方程：传递函数：动作规律：根据偏差的方向进行调节。 特点： 能实现无差调节； 会造
12、成过调，引起被调量振荡。,2019/6/15,微分调节作用(简称D作用),微分方程：传递函数： 动作规律：根据偏差的变化趋势进行调节。 特点： 具有“超前”偏差变化量的作用 。 过程结束后 ，故不能单独使用。,2019/6/15,实际PID控制器,动态方程：传递函数：阶跃响应曲线： 整定参数：、 Ti 、Td 。,2019/6/15,不同类型调节器时内扰阶跃扰动的被调量响应曲线,2019/6/15,第四章 系统时域分析,第一节 概述 第二节 二阶系统分析 第三节 调节系统的稳定性与代数判据,2019/6/15,瞬态响应和稳态响应,调节系统微分方程：输入信号为：输出信号c(t)微分方程： 非齐次
13、微分方程解： c1(t)为齐次方程： 的通解,瞬态响应,稳态响应,2019/6/15,二阶系统分析,1. 二阶系统方框图： 2. 二阶系统的传递函数：特征方程式： 随着的不同，二阶系统的特征根也不同。二阶系统单位阶跃响应曲线如图4-2所示(P79)。,二阶单位响应,无阻尼情况(=0) 即特征方程的两个根位于虚轴上输入为单位阶跃无阻尼二阶系统单位阶跃响应,欠阻尼情况(01),特征方程的两个共轭复根输入为单位阶跃欠阻尼二阶系统单位阶跃响应,实部模值，衰减系数，角频率量纲,阻尼振荡频率,欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应曲线,包络线的方程阻尼振荡频率d(特征根的虚部)振荡周期n=const， ，TK越长,
14、临界阻尼情况(=1),特征方程的两个相等的负实根输入为单位阶跃临界阻尼二阶系统单位阶跃响应,过阻尼情况(01),特征方程的两个共轭复根输入为单位阶跃欠阻尼二阶系统单位阶跃响应,过阻尼二阶系统单位阶跃响应,c2(t),c11(t),c12(t),二阶其它传递函数形式,传递函数的分子部分不相同 分母部分是一样的，即特征方程式相同 阶跃响应特性的基本形式是一样的,2019/6/15,时域性能指标（一）,具有衰减振荡的单位阶跃响应曲线 上升时间tr：响应从稳态值的10%到第一次达到稳态值90%所需的时间。 峰值时间tp：输出响应超过稳态值而达到第一个峰值所需时间。 延迟时间td：输出响应第一次达到稳态
15、值的50%所需的时间。 衰减率 ：,2019/6/15,时域性能指标（二）,调整时间ts：输出量y(t)和稳态值y()之间偏差达到允许范围(一般取2%或5% y()并维持在此允许范围以内所需的最小时间。 最大超调量Mp：暂态过程中输出响应的最大值超过稳态值的百分数。即 振荡次数N：,2019/6/15,时域性能指标（三）,衰减指数,2019/6/15,二阶系统的暂态响应分析（一）,1.典型二阶系统方框图： 2.典型二阶系统的传函：特征方程式： 随着的不同，二阶系统的特征根也不同。二阶系统单位阶跃响应曲线如图所示。,2019/6/15,二阶系统的暂态响应分析（二）,3.欠阻尼情况(01)的暂态响
16、应分析：当输入信号为单位阶跃函数时，系统输出量的拉氏变换为,2019/6/15,二阶系统的暂态响应分析（三）,4.欠阻尼二阶系统、n和d之间的关系：极点到虚轴的距离 ：极点到实轴的距离 n为极点到原点的距离。 设os1与负实轴夹角为，则：,2019/6/15,二阶系统的暂态响应分析（四）,5.欠阻尼情况(01)的暂态性能指标： (1)上升时间tr： (2)峰值时间tp：,2019/6/15,二阶系统的暂态响应分析(五）,(3)超调量Mp% ：(4)调整时间ts：在达到稳态值之前，c(t)在 两条包络线之间振荡，包络线衰 减到0.05或0.02时系统稳定。即：,2019/6/15,二阶系统的暂态
17、响应分析（六）,.5%误差带：.2%误差带：,系统的瞬态响应分量与特征根的关系,稳定的充分必要条件,系统特征方程式所有的根(即闭环传递函数的极点)全部为负实数或具有负实部的共轭复数，即所有的极点分布在s平面虚轴的左侧。,2019/6/15,稳定裕度,靠近边界稳定状态时，瞬态响应衰减得很缓慢，振荡次数太多，（不希望）； 将调节系统整定到离边界稳定状态有一定“距离”的稳定区域中，即稳定性方面有一定的富裕度。,2019/6/15,2019/6/15,劳斯稳定判据（一）,(1)写出给定调节系统的特征方程式 (2)列出劳斯阵列：,2019/6/15,劳斯稳定判据（二）,(3)根据劳斯阵列表中第一列各元素
18、的符号，用劳斯判据来判断系统的稳定性。,2019/6/15,劳斯稳定判据特殊情况（一）,(4)两种特殊情况： 首元素为零用一个很小的正数代替这个零，并据此计算出阵列中其余各项。 某一行中的所有元素都为零利用该行上面一行的系数构成一个辅助方程式，对辅助方程式求导后的系数列入该行，这样阵列表中其余各项的计算可继续下去。,古尔维茨判据,调节系统的特征方程调节系统稳定的必要和充分条件： 特征方程的各项系数为正（即不缺项，不为负）； 古尔维茨行列式 全部为正 计算高阶行列式较麻烦，常用于判断阶次低的系统（五阶以下）。,2019/6/15,古尔维茨行列式,2019/6/15,2019/6/15,第五章 系
19、统频域分析,第一节 频率特性的基本概念 第二节 基本环节的频率特性 第三节 稳定性分析和判据,基本概念,当输入信号r为:输出C在稳态时 也为正弦信号:两者的频率相同，但振幅和相位角不同。当输入信号的频率改变时，输出信号的振幅和相位角会发生变化。,2019/6/15,频率特性的数学本质（一）,2019/6/15,频率特性的数学本质（二）,2019/6/15,频率特性的数学本质（三）,同理可得：,2019/6/15,G(j)的虚部,G(j)的实部,频率特性的数学本质（四）,输出、输入端相的振幅、震荡比：输出、输入端的相位差：,2019/6/15,频率特性的数学本质,系统的频率特性可以直接由 表示，
20、为:幅频特性：相频特性：在已知系统或环节的传递函数时，只要令 ，就可以很方便地得到系统或环节的频率特性。,频率特性的性质,频率特性也是一种数学模型 与传递函数一样，它描述了系统的内在特性，与外界因素无关。决定于系统结构和参数。频率特性描述的是一种稳态响应特性 可以用频率特性来分析系统的稳定性、动态性能、稳态性能。,90,91,频率特性的求取,根据定义求取 对已知系统的微分方程，把正弦输入函数代入，求出其稳态解，取输出稳态分量与输入正弦量的复数比即可得到。根据传递函数求取 用s=j代入系统的传递函数即可得到。通过实验的方法直接测得,频率特性的表示方法,幅频特性和相频特性幅相频率特性 实频特性和虚
21、频特性,三种数学模型之间的关系,93,比例环节,传递函数: 频率特性: 幅频特性： 相频特性：,传递函数: 频率特性: 幅频特性： 相频特性：,积分环节,2019/6/15,微分环节（一）,理想微分环节 传递函数： 频率特性： 幅频特性： 相频特性：,实际理想微分环节 传递函数： 频率特性： 幅频特性： 相频特性：,微分环节（二）,2019/6/15,传递函数： 频率特性： 幅频特性： 相频特性：,惯性环节,纯迟延环节,2019/6/15,传递函数： 频率特性： 幅频特性： 相频特性：,线性系统稳定的充分必要条件,特征方程的根必须都具有负实部； 所有特征根都必须落在复平面的左半平面，即落在虚轴
22、的左侧，只要有一个根落在复平面的右半平面，系统将是不稳定的。,奈魁斯特判据,系统开环传递函数开环特征方程：闭环特征方程：辅助函数：,2019/6/15,开环系统稳定时（闭环系统稳定）,辅助函数的频率特性曲线旋转角度：闭环系统稳定的必要条件是频率特性 曲线在从零变化到正无穷时不包围原点(0，j0)；,开环系统稳定时（闭环系统不稳定）,辅助函数的频率特性曲线旋转角度：频率特性 曲线若包围原点(0，j0)闭环系统就是不稳定的。,开环系统稳定时(闭环系统边界稳定）,频率特性 曲线穿过原点(0，j0)点闭环系统边界稳定。,开环系统不稳定时 （有K个正实部根）,闭环系统稳定闭环系统稳定的充要条件是频率特性
23、 曲线在从零变化到正无穷时逆时针包围原点（0，j0） 圈。 闭环系统不稳定(具有P个正实数根)频率特性 曲线在从零变化到正无穷时逆时针包围原点（0，j0）点 圈。,2019/6/15,开环特性频率特性 和辅助函数 的关系,2019/6/15,奈魁斯特判据的结论,开环系统稳定时，闭环系统稳定的必要条件是开环系统频率特性 曲线在从零变化到正无穷时不包围点(-1，j0)；若包围点(-1，j0)闭环系统就是不稳定的；穿过点(-1，j0)点闭环系统边界稳定。 开环系统不稳定时，闭环系统稳定的充要条件是频率特性 曲线在从零变化到正无穷时逆时针包围点（-1，j0） 圈。,2019/6/15,2019/6/1
24、5,第六章 自动调节系统的整定,第一节整定参数对调节质量的影响 第二节单回路调节系统的整定 第三节串级调节系统的整定,指标与标准,评定调节系统品质的常用指标： 稳态误差 最大动态偏差 超调度 衰减率 过渡过程时间。 衡量最佳整定的标准： 稳定性 准确性 快速性。,评价方法和最佳调节过程标准,具体评价方法：观察阶跃扰动下的响应过程，判定效果。 典型最佳调节过程的标准：保证调节过程衰减率 = 0.75（或更高）的前提下，追求动态偏差、静态误差和调节时间最小。,2019/6/15,整定方法,整定调节器参数的方法很多，归纳起来可分为两大类，即理论计算整定法和工程整定法： 理论计算整定法有对数频率特性法
25、、根轨迹法等； 工程整定法有经验法、衰减曲线法、临界比例度法和响应曲线法等。,比例带对调节质量的影响,衰减率：比例带越小，比例调节作用越强，振荡越剧烈，衰减率减小 静态偏差：比例带越小，静态偏差越小动态偏差：比例带越小，调节作用越强，动态偏差越小,有自平衡能力,无自平衡能力,积分时间TI对调节质量的影响,静态偏差=0衰减率：积分作用加人后会使衰减率减小，比例带数值适当提高。 动态偏差：积分作用使动态品质变坏，在比例积分调节器中再加人微分调节作用,微分时间TD对调节质量的影响,稳定性 过分增加微分作用(太大)会使系统变得不稳定； 微分时间TD的数值一般取积分时间TI的1/4左右。 动态偏差和调节
26、时间 相同衰减率，PID调节器的比例带、积分时间和PI调节相比减小了，调节过程的动态偏差和调节时间都减小了，从而改善了调节过程的动态品质。,临界比例带法,在闭合的调节系统里，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程。 此时的比例度称为临界比例度C，相邻两个波峰间的时间间隔，称为临界振荡周期TC。,临界比例带法步骤,将调节器的积分时间TI置于最大（TI=），微分时间置零（TD=0），比例度适当，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。 将比例度逐渐减小，得到等幅振荡过程，记下临界比例度C和临界振荡周期TC值。 根据C和TC值，采用经验公式，计算出调节器各个参
27、数，即、TI、TD的值。 按“先P后I最后D”的操作程序将调节器整定参数调到计算值上。若还不够满意，可再作进一步调整。,临界比例度法整定注意事项,有的过程调节系统，临界比例度很小，使系统接近两式调节，调节阀不是全关就是全开，对工业生产不利。 有的过程调节系统，当调节器比例度调到最小刻度值时，系统仍不产生等幅振荡，对此，就把最小刻度的比例度作为临界比例度C进行调节器参数整定。,衰减曲线法（一）,选把过程调节系统中调节器参数置成纯比例作用（TI=，TD=0）使系统投入运行。再把比例度从大逐渐调小，直到出现4：1衰减过程曲线，即衰减率=0.75。 此时的比例带为衰减率=0.75时的比例带S，两个相邻
28、波峰间的时间间隔，称为衰减率=0.75衰减振荡周期Ts。,衰减曲线法（二）,根据S和Ts，使用公式，即可计算出调节器的各个整定参数值。 按“先P后I最后D”的操作程序，将求得的整定参数设置在调节器上。再观察运行曲线，若不太理想，还可作适当调整。,衰减曲线法注意事项,反应较快的调节系统，要认定衰减率为0.75和读出Ts比较困难，此时，可用记录指针来回摆动两次就达到稳定作为衰减率为0.75过程。 在生产过程中，负荷变化会影响过程特性。当负荷变化较大时，必须重新整定调节器参数值。 若认为衰减率0.75太慢，宜应用衰减率为0.9过程。对于衰减率为0.75的衰减曲线法整定调节器参数的步骤与上述完全相同，
29、仅仅采用计算公式有些不同。,图表整定法,通过被调对象阶跃响应曲线的特征参数，经查图表求取调节器各整定参数的。 图表整定法适用于典型的多容热工被调对象。,图表整定法步骤,对被调对象作阶跃扰动试验，记录阶跃响应曲线，求取阶跃响应曲线上的特征参数：自平衡率、飞升速度、迟延时间和时间常数Tc，然后通过整定参数表6-3或表6-4的计算公式计算调节器的各整定参数。 表中的计算公式是依据衰减率=0.75制定的，若需要得到其它衰减率数值，计算公式要进行修正。,2019/6/15,第七章 汽包锅炉给水自动调节系统,第一节 被调对象的动态特性 第二节 给水调节系统的类型 第三节 给水全程控制系统简介,主要的扰动(
30、汽包水位变化原因),给水流量W 蒸汽流量D 锅炉燃烧效率（炉膛热负荷） 汽包压力Pb,给水流量W扰动下水位的动态特性,仅仅从物质平衡的角度来分析； 仅仅从热平衡的角度来分析。 特点：有迟延、惯性、无自平衡能力。,蒸汽流量扰动下的水位的动态特性,虚假水位： 对汽包而言，在其输出流量(蒸汽流量)增加，输人流量(给水流量)不变的情况下，汽包水位一开始不但不下降，反而上升。 特点：无自平衡能力，“虚假水位”。,炉膛热负荷扰动下水位控制对象的动态特性,特点：有惯性、有时滞、无自平衡能力,结论,蒸汽量扰动主要取决于汽轮机的运行工况，属于外部扰动，锅炉燃烧率扰动是一种间接的外部扰动。 这两种物理量是不可能作
31、为调节汽包水位的调节手段的，调节作用量只能选择给水量。 “虚假水位” 现象来自于蒸汽量的变化，蒸汽量是不可调节的量（对调节系统而言），是一个可测量，系统中引入这些扰动信息来改善调节品质是非常必要的。,单级三冲量给水自动调节系统,三冲量调节系统调节器依据汽包水位H、给水流量W和蒸汽流量D三个信号进行调节。,单级三冲量给水调节系统方框图,内回路由给水流量信号W局部反馈构成； 外回路由汽包水位信号H反馈到系统调节器输入端构成的； 蒸汽流量信号D只是引入的前馈信号，在系统中该信号没形成闭合回路，前馈调节ID不会影响系统的稳定性。,内回路的分析与整定（一）,内回路主要任务： 当给水流量侧产生自发性扰动时
32、，必须迅速消除扰动，使被调量（汽包水位H）基本不受到自发性扰动的影响； 当内回路外部发生扰动汽包水位H 发生变化时，内回路要具有快速随动的特性，使给水流量W尽快地起到调节汽包水位的作用。,内回路的分析与整定（一）,闭环传递函数：闭环特性方程：内回路近似方框图,外回路的分析与整定,内回路近似方框图代替到图7-10，去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，得到外回路系统方框图。 外回路可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。 外回路传递函数：,要使静态偏差为零，静态时必须满足ID=IW，即：,在正常运行时，可认为D=W，D=W，则有D=W因此，为了克服静态偏差，蒸
33、汽流量侧分流器的分流系数D必须等于给水流量侧分流器的分流系数W。,蒸汽流量侧D的选择,单级三冲量给水自动调节系统的不足,分流系数W的数值同时影响内、外回路稳定性，内、外回路相互非独立，整定参数不便。 前馈信号能克服“虚假水位”带来不利的影响。 为实现无差调节，必须使D等于W，故前馈信号的强弱程度受到了限制，不能更好地改善调节过程的调节品质。,2019/6/15,串级三冲量给水自动调节系统,串级系统：汽包水位通道串有2个调节器,2019/6/15,串级三冲量给水自动调节系统特点,串级系统实现自动调节比单级系统更加灵活，克服静态偏 差完全由主调节器实现； 分流系数D取值不必考虑静态偏差的问题，D值
34、可取得大一些，以利于更好地改善调节过程的调节品质； 分流系数W取值影响内回路的稳定性，在外回路中，可通过主调节器的和Ti来整定，W的影响并不大，从而使内、外回路互不影响。,2019/6/15,串级三冲量调节器,串级三冲量调节系统中主调节器多采用PI调节器、副调节器多采用P调节器。 其主调节器的调节量是副调节器的给定值、被调量是汽包水温； 副调节器的调节量给水流量、被调量是给水流量。,2019/6/15,第八章 汽温调节系统,第一节 过热蒸汽温度调节系统 第二节 再热蒸汽温度调节系统 第三节 大机组气温控制系统,过程汽温控制的任务,维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，并且保护过热器，使管壁温度不
35、超过允许的工作温度。 过热器正常运行的温度已接近钢材允许的极限温度，上限不允许超过规定值5。 过热蒸汽温度每降低5，热效率将会降低1%，下限不允许低于规定值5。,2019/6/15,过热蒸汽温度调节系统,影响过热蒸汽温度变化的原因：,蒸汽流量变化 减温水量变化 流经过热器的烟气温度和流速变化 炉膛热负荷变化 火焰中心位置变化 给水温度变化 燃料成分变化 过剩空气系数变化,主要的三种扰动：,蒸汽量 烟气量 减温水量。,2019/6/15,过热汽温控制对象的动态特性,蒸汽流量（负荷）扰动下,特点 有滞后 有惯性 有自平衡能力 ，且/T较小。 根据传热方式分： 对流式 辐射式。,2019/6/15,
36、额定蒸汽温度,蒸汽量变化对汽温变化的传递函数可用下式近似表示：不用蒸汽量作为过热蒸汽温度的调节量，蒸汽量代表锅炉负荷，其大小由外部负荷决定。,蒸汽流量（负荷）扰动下,烟气热量扰动下,特点：有迟延、有惯性、有自平衡能力。 一般不用烟气侧作为调节过热蒸汽温度的手段。 改变烟量或烟温时，会影响燃烧工况，与燃烧控制互相干扰; 烟气侧扰动也将影响再热蒸汽温度。,2019/6/15,减温水量扰动下（一）,要求有足够的调节余量，一般在减温器停运、锅炉出力最大时汽温要高于给定值约3040。 导前区：导前汽温2测点前至减温器 惰性区：过热器出口汽温1测点到导前汽温测点,2019/6/15,被调对象传递函数,20
37、19/6/15,减温水量扰动下阶跃相应曲线,特点：有迟延、有惯性、有自平衡能力的迟延较大。 汽温对象的传递函数,2019/6/15,串级汽温调节系统,系统构成及工作原理 副回路的任务 主回路的任务,喷水减温器,串级汽温调节系统的分析与整定,设副调节器选用比例调节规律此时可将除G02(s)以外的部分视为等效调节器，则等效副调节器为:,内回路分析,当内回路整定好后，可把它看作一个快速随动系统，则将主调节器GPI(s)以外均视为被调对象，则等效被调对象的传递函数为：,即：整个内回路等效为一个比例环节。,根据单回路整定方法来整定外回路。,外回路分析,串级过热气温调节器,其主多采用PI或PID调节器、副
38、调节器多采用P或PI调节器； 其主调节器的调节量是副调节器的给定值（即减温器出口温度的给定值）、被调量是过热汽温； 副调节器的调节量减温水量、被调量是减温器出口温度。,采用导前汽温微分信号的双回路过热汽温控制系统,导前微分系统组成 动态时可使调节器的调节作用超前，将有助于调节器的动作迅速性！ 稳态时可使过热器出口汽温等于给定值，改善调节品质。,导前汽温双回路系统方框图,可用等效串级系统整定和补偿法整定两种方法来整定,2019/6/15,等效主调节器：,等效串级系统整定方法（一）,比例带,积分时间,等效副调节器等效副调节器也为PI作用，其比例带和积分时间分别为：,等效串级系统整定方法（二）,补偿
39、后等效对象 设过热器出口汽温对象的传递函数为导前区汽温对象传递函数为等效对象传递函数：,补偿法（一）,补偿法（二）,设汽温对象惰性区的传递函数是一阶的，即n1=1,2019/6/15,补偿法（三）,当n2时，展开成幂级数 s项系数s2项系数,2019/6/15,两种汽温自动控制系统的比较（一）,双回路系统转化为串级系统来看待时，其等效主、副调节器均是PI调节器； 双回路系统的副回路，其快速跟踪和消除干扰的性能不如串级系统； 在主回路中，串级系统的主调节器可具有微分作用，故控制品质也比双回路系统为好，特别对于惯性迟延较大的系统，双回路系统的控制质量不如串级系统。,2019/6/15,两种汽温自动
40、控制系统的比较（二）,串级控制系统主、副两个控制回路的工作相对比较独立，因此系统投运时的整定、调试直观方便，而双回路控制系统的两个回路在参数整定时相互影响，不易掌握。 从仪表硬件结构上看，采用导前汽温微分信号的双回路系统较为简单。,2019/6/15,2019/6/15,第九章 汽包锅炉燃烧过程自动控制系统,第一节 概述 第二节 燃烧过程控制对象的动态特性 第三节 燃烧过程控制信号的测取 第四节 锅炉燃烧控制的基本策略 第五节 燃烧过程控制实例,概述,燃烧过程自动调节的任务：使进入锅炉燃料的燃烧热量与锅炉的蒸汽负荷要求相适应，同时保证锅炉燃烧过程安全经济地运行。 锅炉燃烧调节内容： 燃料量调节
41、 送风量调节 引风量调节,燃料量调节,燃料量控制是使进人锅炉的燃料燃烧所产生的蒸汽量满足外部负荷要求信号。 给煤量的多少影响：主汽压力，送、引风量，汽包中蒸汽蒸发量及汽温。 控制策略 机跟炉，锅炉调机组负荷，汽轮机调汽压，将电网的负荷要求作为锅炉的负荷要求信号; 炉跟机，汽轮机调机组负荷，锅炉调汽压，取锅炉出口汽压作为锅炉的负荷要求信号; 机炉协调，负荷控制系统(主控系统)的锅炉主控信号作为锅炉的负荷要求信号。,送风量控制,燃料量变化，及时改变进入炉膛的空气量，以保证燃料的完全燃烧和排烟热损失最小。 燃烧过程的经济性保证：最佳过量空气系数 过剩空气系数：理论计算，测量测量炉膛出口烟气中含氧量,
42、引风量控制(负压控制),引风量控制应使引风量与送风量相适应，并保持炉膛压力在要求的范围内 负压控制的必要性： 炉膛压力低，即炉膛负压高，使大量冷风漏入炉膛而降低炉膛温度，并且会使引风机耗电加大和排烟热损失加大 反之，炉膛压力高，即炉膛负压低，当出现炉膛压力高于大气压力时，会使炉烟冒出，影响环境，甚至危及设备和人身的安全。 合理配风的必要性： 合理的风粉配合就是要保持最佳的过剩空气系数; 合理的一、二次风配合就是保证着火迅速、稳定和充分燃烧; 合理的送、引风配合就是要保持适当的炉膛负压,稳定燃烧,正常稳定燃烧： 炉内具有光亮的金黄色火焰、火色稳定、火焰均匀且充满燃烧室，但不触及四周的水冷壁，火焰
43、中心在燃烧室中部，火焰下部不低于冷灰斗的一半深度，着火点应在距燃烧器不远的地方; 火焰中不应有煤粉离析，也不应有明显的星点(有星点表示炉温过低或煤粉太粗)。 燃烧过程不稳的危害： 引起蒸汽参数的波动，甚至造成炉膛灭火事故; 炉膛温度过高或火焰中心偏斜将引起水冷壁及炉膛出口受热面结渣，并可能会加大过热器的热偏差，局部管壁超温，甚至爆管。,燃烧过程调节的特点,燃烧过程的调节系统有三个被调量和三个调节量。 锅炉的运行实践表明，对燃烧过程的三个被调量的调节存在着明显的相互影响。,燃烧过程调节对象是一个多输入多输出的多变量相关调节对象。,燃烧过程控制对象的动态特性,汽压控制对象的动态特性 主要扰动：燃料
44、量扰动（内扰）、汽轮机耗汽量的扰动（外扰）。,汽压控制对象的动态特性方框图,在燃烧率扰动下汽压控制对象的动态特性,燃烧率扰动就是燃料控制机构开度B的改变，并且锅炉的送风和引风均作相应的改变。,负荷扰动下汽压控制对象的动态特性,汽轮机调门开度作阶跃扰动时汽压控制对象的动态特性,炉烟含量动态特性,送风量扰动下氧量阶跃响应曲线,炉膛负压动态特性,引风量扰动下负压阶跃响应曲线,热量信号在各种扰动下的响应曲线,调门开度作阶跃变化，燃料量不变，蒸发量变化，汽包压力微分信号与蒸汽量的变化相反，结果热量信号不变。,氧量一风燃比系统,烟气中氧量和随负荷而变的定值送校正调节器校正调节器输出信号校正送风量，保证锅炉
45、的燃烧经济性。,其他带氧量校正的送风量控制子系统,串级系统,2019/6/15,非串级系统,这类送风量控制系统不采用串级方式，而是用氧量来校正送风量调节器定值信号或校正送风量反馈信号。 氧量校正送风量,2019/6/15,氧量校正送风量给定值,在乘法器中理论送风量被氧量校正回路的输出校正后作为送风量调节器的给定值信号，使给定值信号能适应负荷变化和煤质变化，保证锅炉经济燃烧。 同样系统中也设置了送风量的前馈控制，以克服送风控制通道的迟延现象。,2019/6/15,燃料、送风的交叉限制,在机组负荷变化时，燃料量和送风量很难配合得当变负荷过程中小于燃料量，则会发生缺氧燃烧，燃烧不经济且出现冒黑烟现象
46、 在变负荷时，送风量应略富裕于燃料量，为此大型单元机组的燃烧控制系统中一般都采用了燃料、送风交叉限制措施。,2019/6/15,燃料、送风的交叉限制系统,随着燃料量的减少，通过大选模块，使送风量逐渐减少，从而实现减负荷时先减燃料、后减风的控制过程。 保证变负荷过程中有一定的送风量裕量，燃料充分燃烧而不致于发生缺氧燃烧。 系统中的低值限幅模块限制送风量不低于最小允许风量; 高值限幅模块限制燃料量不大于最大燃料量值，以维持锅炉燃烧工况的稳定。,2019/6/15,2019/6/15,第十章 单元机组主控制系统,第一节 概述 第二节 调节对象的动态特性 第三节 负荷控制方式 第四节 前馈控制的应用
47、第五节 滑压运行机组的协调控制方案 第六节 负荷指令处理 第七节 单元机组主控系统实例,概 述,首要任务：保证机组出力适应电网的负荷变化要求、维持机组稳定运行。 对外保证单元机组有较快的功率响应和有一定的调频能力，对内保证主蒸汽压力偏差在允许范围内。 负荷自动控制系统作用：接受外部负荷要求指令，并发出使机炉调节系统协调动作的指挥信号。,指挥信号,负荷自动控制系统机炉调节系统发出的指挥信号分别称为汽轮机主控制指令MT和锅炉主控制指令MB。 机、炉主控制指令MT、MB分别代表了汽轮机调门开度（或汽轮机功率）指令和锅炉燃烧率（及相应的给水流量）指令。,单元机组的自动调节系统(一),主控制系统 接受外
48、部负荷要求指令，并发出使机炉调节系统协调动作的指挥信号的自动调节系统； 相当于机炉调节系统的指挥机构，起上位控制作用； 主控制系统的正常运行是建立在锅炉和汽轮机各自的调节系统均完备的基础之上的。,单元机组的自动调节系统(二),机炉调节系统 燃料量、空气量、汽温、给水流量等调节系统和调速系统(或功频电液调节系统)等等。 机炉调节系统对于主控制系统相当子伺服机构，起下位控制的作用，是主控制系统的基础。,协调控制系统,主控制系统和锅炉、汽轮机各自的调节系统的总称 担负着生产过程中水、汽、煤、风、烟等系统的主要过程变量的闭环自动调节及整个单元机组的负荷控制任务。 单元机组主控系统由两大部分组成：负荷指令处理部分;机炉主控制器。,单元机组的动态特性,燃烧率B扰动下， T不变对象特点：有自平衡能力，有惯性，有迟延,T扰动下， B不变,对象特点：有自平衡能力，响应快,主控制系统调节对象的动态特性,锅炉侧： 各调节系统的动态过程相对于锅炉特性的迟延和惯性可忽略不计，配合协调。 B=MB 汽轮机侧 采用纯液压调速系统，调门开度指令，T= MT 。 采用功频电液控制，汽轮机功率指令,广义被控对象的阶跃响应特性,MB扰动下，pT的动态特性近似为具有惯性的积分环节的特性，PE近似不变; MT扰动下，PT的动态特性近似为比例加积分环节的特性，PE的动态特性近似为惯性环节或比例加惯性环节的特性。,
