鍋爐畢業(yè)論文
鍋爐畢業(yè)論文
引 言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制在現(xiàn)代工業(yè)中起著主要的作用，目前已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及其他建設(shè)方面。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化是保持生產(chǎn)穩(wěn)定、降低成本、改善勞動(dòng)成本、促進(jìn)文明生產(chǎn)、保證生產(chǎn)安全和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要手段，是20世紀(jì)科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步的特征，是工業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一�？梢哉f(shuō)，自動(dòng)化水平是衡量一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)技術(shù)和科學(xué)水平先進(jìn)與否的一項(xiàng)重要標(biāo)志。電力工業(yè)中電廠熱工生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)于其他民用工業(yè)部門(mén)有較長(zhǎng)的歷史和較高的自動(dòng)化水平，電廠熱工自動(dòng)化水平的高低是衡量電廠生產(chǎn)技術(shù)的先進(jìn)與否和企業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要是針對(duì)單元機(jī)組汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。鍋爐汽溫控制系統(tǒng)主要包括過(guò)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(duì)機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是非常重要的。過(guò)熱蒸汽溫度控制的任務(wù)是維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)，并保護(hù)過(guò)熱器，使其管壁溫度不超過(guò)允許的工作溫度。過(guò)熱蒸汽溫度是鍋爐汽水系統(tǒng)中的溫度最高點(diǎn)，蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器管壁金屬?gòu)?qiáng)度下降，以至燒壞過(guò)熱器的高溫段，嚴(yán)重影響安全。一般規(guī)定過(guò)熱器的溫度與規(guī)定值的暫時(shí)偏差不超過(guò)±10℃，長(zhǎng)期偏差不超過(guò)±5℃。
如果過(guò)熱蒸汽溫度偏低，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)性將下降約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。一般規(guī)定過(guò)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(guò)熱汽溫在540℃的范圍內(nèi)。
由于汽溫對(duì)象的復(fù)雜性，給汽溫控制帶來(lái)許多的困難，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、煙氣側(cè)的過(guò)�？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(guò)熱受熱面的比例加大，使其延遲和慣性更大，從而進(jìn)一步加大了汽溫控制的難度。
（3）汽溫對(duì)象在各種擾動(dòng)作用下（如負(fù)荷、工況變化等）反映出非線(xiàn)性、時(shí)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(duì)象動(dòng)態(tài)特性
本章將以330MW的單元機(jī)組鍋爐為例，通過(guò)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(duì)沖燃燒、燃煤粉汽包爐，且汽輪機(jī)為單軸、三缸、兩排汽、再熱、凝汽沖動(dòng)式，說(shuō)明過(guò)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(duì)象的生產(chǎn)過(guò)程，并熟悉其動(dòng)態(tài)特性及分析影響汽溫變化的各種因素。
1.1 過(guò)熱器的分類(lèi)及基本結(jié)構(gòu)
1.1.1 過(guò)熱器的分類(lèi)
過(guò)熱器可以根據(jù)它所采用的傳熱方式分為對(duì)流過(guò)熱器、半輻射過(guò)熱器及輻射過(guò)熱器三種。對(duì)流過(guò)熱器是放在爐膛外面對(duì)流煙道里的過(guò)熱器，它主要以對(duì)流傳熱方式吸收流過(guò)它的煙氣的熱量。半輻射過(guò)熱器也稱(chēng)屏式過(guò)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(duì)流方式吸收流過(guò)它的煙氣的熱量。輻射過(guò)熱器是放在爐頂或爐墻上的過(guò)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(guò)熱器主要由對(duì)流過(guò)熱器，屏式過(guò)熱器，包覆過(guò)熱器，頂棚過(guò)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(lái)制造。
（1）對(duì)流過(guò)熱器：布置在煙道內(nèi)，依靠熱煙氣對(duì)流傳熱的過(guò)熱器，稱(chēng)為對(duì)流式過(guò)熱器。對(duì)流過(guò)熱器是由聯(lián)箱和很多細(xì)長(zhǎng)
的蛇形管束所組成。蛇形管可作立式或臥式布置。過(guò)熱器的進(jìn)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(duì)流過(guò)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(fù)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(guò)熱器受熱面必須用具有良好的高溫強(qiáng)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(guò)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(duì)流過(guò)熱器多采用立式布置，因?yàn)檫@樣可以采用簡(jiǎn)單可靠的懸吊固定方法，而臥式過(guò)熱器的固定比較困難。立式布置的主要缺點(diǎn)，是停爐時(shí)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(guò)熱器：輻射過(guò)熱器可布置在燃燒室四壁，也稱(chēng)墻式或壁式過(guò)熱器，或布置在爐頂，稱(chēng)頂棚過(guò)熱器，直接吸收輻射熱。在做墻式布置時(shí)輻射過(guò)熱器的管子可以布置在燃燒室四壁的任一面墻上，可以?xún)H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(guò)熱器管子布置在燃燒室上部，能使管子避開(kāi)熱負(fù)荷最高的火焰中心區(qū)域。但是這種布置會(huì)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(guò)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(guò)熱燒壞。特別是升火過(guò)程中，為保證管子的冷卻必須采取從外界引進(jìn)蒸汽等專(zhuān)門(mén)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(guò)熱度，相當(dāng)于輻射過(guò)熱器，由于上部爐溫較低，所以可保證安全。
在國(guó)產(chǎn)自然循環(huán)鍋爐中，未采用墻式布置的輻射過(guò)熱器，而多采用布置在爐頂?shù)捻斉镞^(guò)熱器，受熱面為緊靠爐頂?shù)闹惫�，稱(chēng)為頂棚管。這種過(guò)熱器的輻射傳熱作用較墻式過(guò)熱器為弱，但因處于較低的煙氣溫度場(chǎng)，工作比較安全可靠，與屏式過(guò)熱器和包覆過(guò)熱器配合使用，效果較好。
（3）屏式過(guò)熱器和包覆過(guò)熱器
除了上述兩種過(guò)熱器外，還有一種介于兩者之間的半輻射過(guò)熱器。最常用的半輻射過(guò)熱器是布置在燃燒室上部或出口處的高溫?zé)焻^(qū)內(nèi)的屏式過(guò)熱器。其結(jié)構(gòu)特征為幾排拉稀的管屏。屏式過(guò)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(duì)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(duì)管子彎繞出來(lái)互相夾持在一起，而各屏本身的管子也應(yīng)夾持在同一平面上。屏式過(guò)熱器布置在對(duì)流過(guò)熱器前面，以降低對(duì)流過(guò)熱器入口煙溫，避免對(duì)流過(guò)熱器結(jié)渣。屏式過(guò)熱器的汽溫變化特性介于輻射與對(duì)流過(guò)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(guò)熱器的汽溫特性示意圖。從圖中可以看出，當(dāng)鍋爐負(fù)荷從33%增加到滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)，曲線(xiàn)1所示的屏式過(guò)熱器的汽溫變化非常平穩(wěn)，僅上升了10℃；曲線(xiàn)2和3所示的對(duì)流過(guò)熱器的汽溫上升了42℃和50℃；而曲線(xiàn)4代表的輻射過(guò)熱器的汽溫卻大幅下降了。由于屏式過(guò)熱器具有過(guò)熱汽溫平穩(wěn)的特點(diǎn)，在現(xiàn)代大型鍋爐上廣泛地采用了這種過(guò)熱器。
為了得到較好的傳熱效果，最好把屏式過(guò)熱器布置在煙溫為950—1050℃的煙道中。屏式過(guò)熱器進(jìn)口煙溫的選擇，應(yīng)保證燃料進(jìn)入屏式過(guò)熱器前已燃盡，否則在屏區(qū)再燃燒會(huì)嚴(yán)重影響管屏的工作安全。根據(jù)已采用屏式過(guò)熱器的許多鍋爐運(yùn)行實(shí)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(guò)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(guò)熱器氣溫特性
1-布置在煙溫1200℃區(qū)域的屏式過(guò)熱器；2、3-布置在煙溫為
1000℃
和900℃區(qū)域內(nèi)的對(duì)流過(guò)熱器；4-布置在燃燒室內(nèi)的輻射過(guò)熱器
300MW單元機(jī)組是現(xiàn)在是我國(guó)火力發(fā)電機(jī)組的主力型號(hào)，多采用亞臨界參數(shù)及中間再熱。330MW機(jī)組鍋爐的過(guò)熱器，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-4所示。此過(guò)熱器具有以下特點(diǎn)：由于過(guò)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(guò)熱器。采用輻射式、半輻射式和對(duì)流過(guò)熱器聯(lián)合過(guò)熱系統(tǒng)，以獲得良好的過(guò)熱蒸汽溫度變化特性。低溫過(guò)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(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)更靈敏，減小熱慣性，二是為了保護(hù)過(guò)熱器。第一級(jí)噴水減溫器布置在前屏過(guò)熱器之后，調(diào)節(jié)量較大且調(diào)節(jié)惰性大，用來(lái)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，為粗調(diào)。另外它還有保護(hù)屏式過(guò)熱器和對(duì)流過(guò)熱器受熱面的作用。第二級(jí)噴水減溫器布置在高溫對(duì)流過(guò)熱器（末級(jí)過(guò)熱器）之前，這一級(jí)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(jí)安裝兩只，每只噴水量為每級(jí)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(guò)熱器進(jìn)入側(cè)墻和后墻包覆過(guò)熱器，流出后在聯(lián)箱內(nèi)混合，進(jìn)入低溫對(duì)流過(guò)熱器，出來(lái)后再經(jīng)過(guò)另一部分頂棚過(guò)熱器進(jìn)入前屏過(guò)熱器，流出后經(jīng)過(guò)第一級(jí)噴水減溫器減溫，再進(jìn)入后屏過(guò)熱器，流出后經(jīng)過(guò)第二級(jí)減溫器減溫，進(jìn)入高溫對(duì)流過(guò)熱器完成最后一次過(guò)熱后，送往汽輪機(jī)。
圖1-2 300MW機(jī)組過(guò)熱器系統(tǒng)圖
1-汽包；2-前屏過(guò)熱器；3-后屏過(guò)熱器；4-頂棚過(guò)熱器； 5-側(cè)墻包覆過(guò)熱器；6-后墻包覆過(guò)熱器；7-低溫對(duì)流過(guò)熱器； 8-第一級(jí)減溫器；9-第二級(jí)減溫器；10-高溫對(duì)流過(guò)熱器
1.2 過(guò)熱蒸汽溫度控制的意義與任務(wù)
鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度是影響機(jī)組生產(chǎn)過(guò)程安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要參數(shù)�，F(xiàn)代鍋爐的過(guò)熱器是在高溫、高壓的條件下工作的，過(guò)熱器出口的過(guò)熱蒸汽溫度是機(jī)組整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處。過(guò)熱器采用的是耐高溫高壓的合金剛材料，過(guò)熱器正常運(yùn)行的溫度已接近材料所允許的最
高溫度。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高，容易損壞過(guò)熱器，也會(huì)使蒸汽管道、汽輪機(jī)內(nèi)某些零部件產(chǎn)生過(guò)大的熱膨脹而毀壞，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。如果過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)低，將會(huì)降低機(jī)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(fèi)能源，而且還將使汽輪機(jī)最后幾級(jí)的蒸汽濕度增加，加速汽輪機(jī)葉片的水蝕。另外，過(guò)熱汽溫的降低還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)高壓級(jí)部分蒸汽的焓值減小，引起反動(dòng)度增大，軸向推力增大，也對(duì)汽輪機(jī)安全運(yùn)行帶來(lái)不利的影響。所以，過(guò)熱蒸汽溫度過(guò)高或過(guò)低都是生產(chǎn)過(guò)程所不允許的。
1.3 過(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)靜態(tài)特性
1.3.1 靜態(tài)特性
1、鍋爐負(fù)荷與過(guò)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(méi)有多大的變化，爐膛輻射放熱量相對(duì)變化不大，因此爐膛溫度增高不大。這就是說(shuō)負(fù)荷增加時(shí)每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對(duì)流熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對(duì)流放熱百分率將增大。因此，對(duì)于對(duì)流式過(guò)熱器來(lái)說(shuō)，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(guò)熱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(guò)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(guò)熱器串聯(lián)的鍋爐中，過(guò)熱器出口蒸汽溫度在某個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，仍隨鍋爐負(fù)荷的增加有所升高。
2、過(guò)�？諝庀禂�(shù)與過(guò)熱汽溫的靜態(tài)關(guān)系
過(guò)剩空氣量改變時(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(guò)�？諝饬繒r(shí)將使過(guò)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(guò)熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流過(guò)過(guò)熱器煙氣也就減少了。也可以認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同燃料下，鍋爐的蒸發(fā)量增
加了，因此過(guò)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(guò)熱汽溫有顯著的影響。
4、燃燒器的運(yùn)行方式與過(guò)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(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(guò)熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過(guò)熱汽溫將升高。
1.3.2 動(dòng)態(tài)特性
目前，火電機(jī)組廠廣泛采用噴水減溫方式來(lái)控制過(guò)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(dòng)下，汽溫控制對(duì)象是有煙池、慣性和自平衡能力的。
1、蒸汽流量擾動(dòng)下的蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性
大型鍋爐都采用復(fù)合式過(guò)熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過(guò)對(duì)流式過(guò)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)因素都使對(duì)流式過(guò)熱器的氣溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，爐膛溫度升高的并不明顯，由爐膛輻射傳給過(guò)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(guò)熱器出口溫度下降。可見(jiàn)，這兩種型式的過(guò)熱器對(duì)蒸汽流量的擾動(dòng)的反映恰好相反，只要設(shè)計(jì)上配合得當(dāng)，就能使過(guò)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(shí)踐中，通常把對(duì)流式過(guò)熱器與輻射式過(guò)熱器結(jié)合使用，還增設(shè)屏式過(guò)熱器，且對(duì)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(guò)熱器出口汽溫是隨流量D的增加而升高的。動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)如圖1-3（a）所示。
蒸汽流量擾動(dòng)時(shí)，沿過(guò)熱器長(zhǎng)度上各點(diǎn)的溫度幾乎是同時(shí)變化的，延遲時(shí)間較小，約為15s左右。
圖1-3 在擾動(dòng)下溫度的變化曲線(xiàn)
2、煙氣側(cè)熱量擾動(dòng)下蒸汽溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性
當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起煙氣流速和煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)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(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1-3（a）所示。它與蒸汽量擾動(dòng)下的情況類(lèi)似。
3、蒸汽溫度在減溫水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性
當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的過(guò)熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，其擾動(dòng)地點(diǎn)（過(guò)熱器入口）與測(cè)量蒸汽溫度的地點(diǎn)（過(guò)熱器出口）之間有著較大的距離，此時(shí)過(guò)熱器是一個(gè)有純滯后的多容對(duì)象。.動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖如圖1-3（b）所示。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生后，要隔較長(zhǎng)時(shí)間才能是蒸汽溫度發(fā)生變化，滯后時(shí)間比較大，滯后時(shí)間約為30-60s。
綜上所述，可歸納出以下幾點(diǎn)：
（1）過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)象不管在哪一種擾動(dòng)下都有延遲和慣性，有自平衡能力。而且改變?nèi)魏我粋�(gè)輸入?yún)?shù)（擾動(dòng)），
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(duì)象的動(dòng)態(tài)過(guò)程十分復(fù)雜。
（2）在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)熱器出口蒸汽溫度對(duì)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(diǎn)之間的距離，可以改善其動(dòng)態(tài)特性。
（3）在煙氣側(cè)熱量和蒸汽流量擾動(dòng)下，蒸汽溫度控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性比較好。
1.4 過(guò)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(jī)組分散控制系統(tǒng)的過(guò)熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為例，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹。
該330MW機(jī)組的過(guò)熱蒸汽溫度控制采用二級(jí)噴水減溫控制方式。過(guò)熱器設(shè)計(jì)成兩級(jí)噴水減溫方式，除可以有效減小過(guò)熱蒸汽溫度在基本擾動(dòng)下的延遲，改善過(guò)熱蒸汽溫度的調(diào)節(jié)品質(zhì)外，第一級(jí)噴水減溫還具有防止屏式過(guò)熱器超溫、確保機(jī)組安全運(yùn)行的作用。
本機(jī)組過(guò)熱器一、二級(jí)噴水減溫器的控制目標(biāo)就是在機(jī)組不同負(fù)荷下維持鍋爐二級(jí)減溫器入口和二級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度為設(shè)定值。
1.4.1 過(guò)熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)
過(guò)熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖1-4所示。該系統(tǒng)是在一個(gè)串級(jí)雙回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入前饋信號(hào)和防超溫保護(hù)回路而形成噴水減溫控制系統(tǒng)。主回路的被控量為二級(jí)減溫器入口的蒸汽溫度，其實(shí)測(cè)值送入主回路與其給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。主回路的給定值由代表機(jī)組負(fù)荷的主蒸汽流量信號(hào)（代表機(jī)組負(fù)荷信號(hào)）經(jīng)函數(shù)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來(lái)完成。主回路控制器接受二級(jí)減溫器入口蒸汽溫度偏差信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算后其輸出送至副回路。
副回路的被控量為一級(jí)減溫器出口的蒸汽溫度。其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值進(jìn)行比較，形成一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路的給定值是由主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加形成。副回路采用PID2調(diào)節(jié)器，它接受一級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。
圖1-4 過(guò)熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)
由于機(jī)組的負(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，可充分利用計(jì)算機(jī)分散控制的優(yōu)點(diǎn)，
將主、副調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成自動(dòng)隨著負(fù)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(jí)減溫控制系統(tǒng)
過(guò)熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖如圖1-5所示。該系統(tǒng)與一級(jí)減溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基本相同，也是一個(gè)串級(jí)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(hào)不同，采用的前饋信號(hào)也不同。
二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的主回路的被控量為二級(jí)過(guò)熱器的出口蒸汽溫度，該蒸汽溫度與主回路的給定值進(jìn)行比較，形成二級(jí)過(guò)熱器出口蒸汽溫度偏差信號(hào)，主回路的給定值由運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定，對(duì)于300MW機(jī)組在正常負(fù)荷時(shí)，給定值一般為540℃。
圖1-5 過(guò)熱器二級(jí)減溫控制系統(tǒng)
副回路的被控量為二級(jí)減溫器出口蒸汽溫度，其溫度的測(cè)量值送入副回路與其給定值比較，形成二級(jí)減溫器出口蒸汽溫度的偏差信號(hào)。副回路給定值是上主回路控制器的輸出與前饋信號(hào)疊加而形成的。
二級(jí)過(guò)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(jī)的安全運(yùn)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(jí)減溫控制的主回路前饋信號(hào)采用了基于焓值計(jì)算的較為完善的方案。其前饋信號(hào)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(jī)組負(fù)荷以及送風(fēng)量、燃燒器火嘴擺動(dòng)傾角等。
除了以上內(nèi)容外，二級(jí)減溫控制系統(tǒng)的其他部分以及工作原理與一級(jí)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(wù)
為了提高大容量、高參數(shù)機(jī)組的循環(huán)效率，并防止汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽帶水，需采用中間再熱系統(tǒng)。提高再熱汽溫對(duì)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(jī)組的再熱蒸汽溫度都控制在560℃以下。另一方面，在鍋爐運(yùn)行中，再熱器出口溫度更容易受到負(fù)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(jìn)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(jī)振動(dòng)。
再熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的任務(wù)是將再熱蒸汽溫度穩(wěn)定在設(shè)定之上。此外，在低負(fù)荷、機(jī)組甩負(fù)荷或汽輪機(jī)跳閘時(shí)，保護(hù)再熱器不超溫，以保證機(jī)組的安全運(yùn)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(dòng)火嘴加噴水減溫的控制方式。 按設(shè)計(jì)，再熱蒸汽溫度正常情況下由噴燃器火嘴傾角的擺動(dòng)來(lái)控制。也就是說(shuō)，再熱器汽溫控制的減溫水閥門(mén)平常是全關(guān)的，它對(duì)再熱汽溫只起一種輔助的或保護(hù)性質(zhì)的調(diào)節(jié)作用。
1、擺動(dòng)火嘴：
擺動(dòng)燃燒器火嘴傾角是設(shè)計(jì)用來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫的正常手段，它是一個(gè)帶前饋信號(hào)的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在鍋爐A，B側(cè)末級(jí)再熱器出口聯(lián)箱上各裝有兩個(gè)出口蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)，可由運(yùn)行人員在OIS上手動(dòng)選擇每側(cè)的某一測(cè)點(diǎn)或兩個(gè)測(cè)點(diǎn)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(jī)組負(fù)荷變化的再熱汽溫設(shè)定值，與運(yùn)行人員手動(dòng)設(shè)定值經(jīng)小值選擇器后與再熱蒸汽測(cè)量值進(jìn)行比較，偏差進(jìn)入控制器�？刂破髟O(shè)計(jì)為SMITH預(yù)估器和PID調(diào)節(jié)器互相切換的方式，兩者只能由一個(gè)起控制作用，可由熱控工程師通過(guò)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(shè)計(jì)了機(jī)組負(fù)荷和送風(fēng)量經(jīng)函數(shù)發(fā)生器給出的前饋信號(hào)。根據(jù)再熱汽溫的偏差經(jīng)控制器的控制運(yùn)算后在加上前饋信號(hào)，形成了對(duì)燃燒器火嘴傾角的控制指令，這個(gè)指令信號(hào)分四路并列輸出去驅(qū)動(dòng)爐膛四角的燃燒器火嘴傾角。當(dāng)進(jìn)行爐膛吹掃時(shí)，火嘴傾角將被自動(dòng)連鎖到水平位置。
2、噴水減溫：
噴水減溫只起輔助或保護(hù)性質(zhì)的減溫作用。每側(cè)的再熱汽溫有兩個(gè)測(cè)量信號(hào)，當(dāng)擺動(dòng)火嘴在自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)，噴水減溫的再熱汽溫設(shè)定在擺動(dòng)火嘴控制系統(tǒng)設(shè)定值的基礎(chǔ)上加上根據(jù)擺動(dòng)火嘴控制指令經(jīng)函數(shù)發(fā)生器給出的偏置量，意在當(dāng)擺動(dòng)火嘴有調(diào)節(jié)與低時(shí)抬高噴水減溫控制系統(tǒng)設(shè)定值以確保噴水減溫閥門(mén)關(guān)死。當(dāng)擺動(dòng)火嘴控制指令接近下限而將失去調(diào)節(jié)余地時(shí)，該偏置量應(yīng)該減小到零以便再熱汽溫偏高時(shí)噴水閥門(mén)接替擺動(dòng)火嘴的減溫手段。
由于噴水減溫系統(tǒng)只是設(shè)計(jì)用作輔助調(diào)節(jié)手段，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，再熱汽溫設(shè)定值與測(cè)量值的偏差經(jīng)PID調(diào)節(jié)器后直接作為噴水減溫閥門(mén)開(kāi)度指令，控制器未設(shè)計(jì)SMITH預(yù)估器，也未設(shè)計(jì)任何前饋信號(hào)。
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(jī)組安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行所必須的。汽溫過(guò)高會(huì)使金屬應(yīng)力下降，將影響機(jī)組的安全運(yùn)行；汽溫降低則會(huì)機(jī)組的循環(huán)的效率。據(jù)計(jì)算，過(guò)熱器在超溫10℃到20℃下長(zhǎng)期運(yùn)行，其壽命會(huì)縮短一半；而汽溫降低10℃會(huì)使循環(huán)若效應(yīng)降低0.5％，運(yùn)行中一般規(guī)定汽溫額定值的波動(dòng)不能超過(guò)－10℃～+5℃。因此，要求鍋爐設(shè)置適當(dāng)?shù)恼{(diào)溫手段，以修正運(yùn)
行因素對(duì)汽溫波動(dòng)的影響。
對(duì)汽溫調(diào)節(jié)方法的基本要求是：調(diào)節(jié)慣性或延遲時(shí)間小，調(diào)節(jié)范圍大，對(duì)熱循環(huán)熱效率影響小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠及附加設(shè)備消耗少。
汽溫的調(diào)節(jié)可歸結(jié)為兩大類(lèi)：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(guò)改變蒸汽的熱焓來(lái)調(diào)節(jié)溫度。例如噴水式減溫器向過(guò)熱器中噴水，噴入的水的加熱和蒸發(fā)要消耗過(guò)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(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。煙氣側(cè)的調(diào)節(jié)，使通過(guò)改變鍋爐內(nèi)輻射受熱面和對(duì)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(guò)熱器的煙氣量的方法（如調(diào)節(jié)煙氣擋板）來(lái)調(diào)節(jié)過(guò)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(guò)熱蒸汽中去與之混合，吸收過(guò)熱蒸汽的熱量使本身加熱，蒸發(fā)，過(guò)熱，最后也成為過(guò)熱蒸汽的一部分。被調(diào)溫的過(guò)熱蒸汽由于放熱，所以汽溫降低，達(dá)到了調(diào)溫的目的。
噴水減溫調(diào)節(jié)操作簡(jiǎn)單，只要根據(jù)汽溫的變化適當(dāng)?shù)淖兏鄳?yīng)的減溫水調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，改變進(jìn)入減溫器的減溫水量即可達(dá)到調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的目的。當(dāng)汽溫偏高時(shí)，開(kāi)大調(diào)節(jié)門(mén)增加減溫水量；當(dāng)汽溫偏低時(shí)，關(guān)小調(diào)節(jié)閥門(mén)減少減溫水量，或者根據(jù)需要將減溫器撤出運(yùn)行。
單元機(jī)組的鍋爐對(duì)汽溫要求較高，故通常裝置兩級(jí)以上的噴水減溫器，在進(jìn)行汽溫調(diào)節(jié)時(shí)必須明確每級(jí)減溫器所擔(dān)負(fù)的任務(wù)。第一級(jí)布置在分隔屏過(guò)熱器之前，被調(diào)參數(shù)是屏式過(guò)熱器出口汽溫，其主要任務(wù)是保護(hù)屏式過(guò)熱器，防止壁管超溫。由于該減溫器距末級(jí)過(guò)熱器的出口尚有較長(zhǎng)距離，相對(duì)來(lái)說(shuō)，它對(duì)出口汽溫的調(diào)節(jié)時(shí)滯較大，而且由于蒸汽流經(jīng)后幾級(jí)過(guò)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(jí)減溫器只能作為主蒸汽溫度的粗調(diào)節(jié)。該鍋爐第二級(jí)噴水減溫器設(shè)在末級(jí)對(duì)流過(guò)熱器進(jìn)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(jí)噴水減溫的靈敏度高，調(diào)節(jié)時(shí)滯也小，能有效的保證主蒸汽出口溫度符合要求，因而該級(jí)噴水調(diào)節(jié)是主蒸汽的細(xì)調(diào)節(jié)。第二級(jí)噴水減溫器往往分兩側(cè)布置，以減小過(guò)熱汽溫?zé)崞睢Ｕ９r時(shí)，一、二級(jí)噴水量的比例為總噴水量的75％和25％，在高加全部切除時(shí)，其比例為95％和5％。
噴水減溫器調(diào)節(jié)汽溫的特點(diǎn)是，只能使蒸汽減溫而不能升溫。因此，鍋爐按鍋爐額定負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)，過(guò)熱器受熱面的面積是超過(guò)需要的，也就是說(shuō)，鍋爐在額定負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)過(guò)熱器吸收的熱量將大于蒸汽所需要的過(guò)熱熱量，這時(shí)就必須用減溫水來(lái)降低蒸汽的溫度使之保持額定值。由于一般組合過(guò)熱器汽溫特性都呈對(duì)流特性，所以當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時(shí)，汽溫也下降，這時(shí)減溫水就應(yīng)減小，對(duì)于定壓運(yùn)行的單元機(jī)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(yùn)行，而應(yīng)采用滑壓運(yùn)行，以保證過(guò)熱蒸汽有足夠的過(guò)熱度。噴水減溫調(diào)節(jié)主蒸汽溫度在經(jīng)濟(jì)上是有一定損失的。一方面由于在額定負(fù)荷時(shí)過(guò)熱器受熱面積比實(shí)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(jìn)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(shí)噴水減溫的過(guò)程，也是一個(gè)熵增的過(guò)程。故而有可用能的損失。但是，由于噴水減溫設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，調(diào)節(jié)又靈敏，所以仍得到廣泛應(yīng)用。
再熱器不宜采用噴水減溫調(diào)節(jié)汽溫。因?yàn)閲娝疁p溫器將增加再熱蒸汽的數(shù)量，從而增加了汽輪機(jī)中，低壓缸的蒸汽流量，即增加了中低壓缸的出力。如果機(jī)組的負(fù)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(dǎo)致整個(gè)機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性的降低。再熱器噴水減溫器的主要目的是當(dāng)出現(xiàn)事故工況，
再熱器入口汽溫超過(guò)允許值，可能出現(xiàn)超溫?fù)p壞時(shí)，噴水減溫器投入運(yùn)行，借以保護(hù)再熱器。在正常運(yùn)行情況下，只有當(dāng)采用其他溫度調(diào)節(jié)方法尚不能完全滿(mǎn)足要求時(shí)，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(jìn)入過(guò)熱器的煙氣速度，因而可以調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫。當(dāng)火焰中心位置抬高時(shí)，火焰離過(guò)熱器較近，爐內(nèi)輻射吸熱量減少，爐膛出口煙溫升高，則過(guò)熱汽溫將升高�；鹧嬷行奈恢媒档蜁r(shí)，則過(guò)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(dòng)式燃燒器時(shí)，可以用改變其傾角的辦法來(lái)改變火焰中心沿爐膛高度的位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)汽溫的目的。在高負(fù)荷時(shí)，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(jìn)入過(guò)熱器區(qū)的煙氣溫度下降，減小過(guò)熱器的傳熱溫差，使汽溫降低。而在低負(fù)荷時(shí)，將噴燃器向上傾斜適當(dāng)角度，則可以使火焰中心位置提高，使汽溫升高。擺動(dòng)式燃燒器的調(diào)溫幅度較大，調(diào)節(jié)靈敏，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用少，并且沒(méi)有功率損耗。目前使用的擺動(dòng)式燃燒器上下擺動(dòng)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(guò)大，否則可能會(huì)增大不完全燃燒損失或造成結(jié)渣等。如果向下的傾角過(guò)大時(shí)，可能會(huì)造成水冷壁下部或冷灰斗結(jié)渣。若向上的傾角過(guò)大時(shí)，會(huì)增加不完全燃燒損失并可能引起爐膛出口的屏式過(guò)熱器或凝渣管結(jié)渣。同時(shí)在低負(fù)荷時(shí)若向上的傾角過(guò)大，還可能發(fā)生爐膛滅火。擺動(dòng)式燃燒器可用于過(guò)熱蒸汽的'調(diào)溫，也可用于再熱蒸汽的調(diào)溫。當(dāng)擺動(dòng)式燃燒器作為再熱汽溫的主調(diào)方式時(shí)，它將以再熱汽溫為信號(hào)，改變?nèi)紵鞯膬A角。 為了保持爐膛火焰的均勻分布，此時(shí)四組燃燒器的傾角應(yīng)一致并同時(shí)動(dòng)作。當(dāng)燃燒器傾角已達(dá)到最低極限值時(shí)，再熱汽溫仍然高于額定值時(shí)，再熱器事故噴水減溫器將自動(dòng)投入運(yùn)行，以保持汽溫和保護(hù)再熱器。
（2）改變噴燃器的運(yùn)行方式。當(dāng)沿爐膛高度布置有多排噴
燃器時(shí)，可以將不同高度的噴燃器組投入或停止工作，即通過(guò)上、下排噴燃器的切換，來(lái)改變火焰中心位置。當(dāng)汽溫高時(shí)應(yīng)盡量先投用下排的燃燒器，汽溫低時(shí)可切換成上排噴燃器運(yùn)行，也可以采取對(duì)距過(guò)熱器位置不同的噴燃器進(jìn)行切換的方法，當(dāng)投用靠近爐膛后墻的噴燃器時(shí)，由于這時(shí)火焰中心位置離過(guò)熱器近火焰行程短，將使?fàn)t膛出口的煙溫相對(duì)的高些。而切換成前墻或靠近前墻的噴燃器運(yùn)行時(shí)，則火焰中心位置離過(guò)熱器相對(duì)的遠(yuǎn)些，爐膛出口煙溫就相對(duì)的低些。
（3）變化配風(fēng)工況。對(duì)于四角布置切圓燃燒方式，在總風(fēng)量不變的情況下，可以用改變上、下排二次風(fēng)分配比例的辦法來(lái)改變火焰中心位置。當(dāng)汽溫高時(shí)，一般可開(kāi)大上排二次風(fēng)，關(guān)小下排二次風(fēng)，以壓低火焰中心。當(dāng)汽溫低時(shí)，一般則關(guān)小上排二次風(fēng)，開(kāi)大下排二次風(fēng)，以抬高火焰中心。進(jìn)行調(diào)整時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際設(shè)備的具體特性靈活掌握。
2、改變煙氣量。若改變流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣量，則煙氣流速必然改變，使對(duì)流傳熱系數(shù)變化，從而改變了煙氣對(duì)過(guò)熱器的放熱量。煙氣量增多時(shí)，煙氣流速大，使汽溫升高；煙氣量減少時(shí)，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?zé)煔猓迷傺h(huán)風(fēng)機(jī)送回爐膛，并通過(guò)對(duì)再循環(huán)煙氣量的調(diào)節(jié)來(lái)改變流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣流量，改變煙氣流速。此外，當(dāng)送入爐膛的低溫再循環(huán)煙氣量改變時(shí)，還使?fàn)t膛溫度發(fā)生變化，爐內(nèi)輻射吸熱與對(duì)流吸熱的比例將改變，從而使汽溫發(fā)生變化。由此，改變?cè)傺h(huán)煙氣量，可以同時(shí)改變流過(guò)過(guò)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(guò)熱器處的對(duì)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(kāi)度，即可改變通過(guò)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(duì)
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(duì)流煙道中的低溫過(guò)熱器或低溫再熱區(qū)段，而在我國(guó)目前的超高壓機(jī)組中，則僅用于低溫再熱器區(qū)段。采用煙氣旁路來(lái)調(diào)節(jié)再熱汽溫時(shí)，還會(huì)影響到過(guò)熱汽溫。為了增加再熱汽溫的調(diào)節(jié)幅度并減小對(duì)過(guò)熱汽溫的影響，應(yīng)使主煙道中的再熱器有較大的受熱面，而旁路煙道中的過(guò)熱器受熱面則應(yīng)小些。
（3）調(diào)節(jié)送風(fēng)量。調(diào)節(jié)送風(fēng)量可以改變流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣量，即改變煙氣流速，達(dá)到調(diào)節(jié)過(guò)熱汽溫的目的。調(diào)節(jié)送風(fēng)量首先必須滿(mǎn)足燃燒工況的要求，以保證鍋爐機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。而用以調(diào)節(jié)汽溫，一般知識(shí)作為輔助手段。當(dāng)汽溫問(wèn)題成為運(yùn)行中的主要矛盾時(shí)，才用燃燒調(diào)節(jié)來(lái)配合調(diào)節(jié)汽溫。利用送風(fēng)量調(diào)節(jié)汽溫是有限度的，超過(guò)了范圍將造成不良后果。因?yàn)檫^(guò)多的送風(fēng)量不但增加了送、吸風(fēng)機(jī)是耗電量，降低了電廠的經(jīng)濟(jì)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(duì)過(guò)剩空氣量的控制就更為重要。過(guò)剩空氣量的增加，不但加速空氣預(yù)熱器的腐蝕，還有可能引起可燃物在尾部受熱面的堆積，導(dǎo)致尾部受熱面再燃燒。
第二章 過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)的基本方案
目前，過(guò)熱汽溫的控制方案很多，而且隨著自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)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(jí)汽溫控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號(hào)的汽溫控制系統(tǒng)。由于過(guò)熱汽溫控制通道的遲延和慣性很大，被調(diào)量信號(hào)反應(yīng)慢，因此選擇減溫器后的汽溫作為局部反饋信號(hào)，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(jí)汽溫控制系統(tǒng)
單回路控制系統(tǒng)是各種復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，由于其控制簡(jiǎn)單而得到廣泛應(yīng)用。但隨著工業(yè)技術(shù)的不斷更新，生產(chǎn)不斷強(qiáng)化，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)工業(yè)參數(shù)提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求，并且由于生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)間的關(guān)系復(fù)雜化及控制對(duì)象遲延和慣性的增大，都使得單回路控制系統(tǒng)顯得無(wú)能為力，因而產(chǎn)生了許多新的、較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，如串級(jí)控制、導(dǎo)前微分控制、復(fù)合控制、分段控制、多變量控制等。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)改善控制品質(zhì)有獨(dú)到之處，本節(jié)將對(duì)其組成、特點(diǎn)及整定進(jìn)行討論
2.1.1 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及原理
火電廠過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2-1所示：
圖2-1 過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)
該汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)中，有主、副兩個(gè)調(diào)節(jié)器。由于汽溫對(duì)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(hào)為I?2-I?0，輸出信號(hào)為IT1，副調(diào)節(jié)器采用PI或P控制
規(guī)律，接受導(dǎo)前汽溫信號(hào)I?1和主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)IT1，輸出為IT2。當(dāng)過(guò)熱汽溫升高時(shí)，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(guò)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(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，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(rèn)為主調(diào)節(jié)器的輸出IT1是導(dǎo)前汽溫I?1的給定
值。
過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-2所示，具有內(nèi)外兩個(gè)回路。內(nèi)回路由導(dǎo)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(duì)象、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器及整個(gè)內(nèi)回路組成。系統(tǒng)中以減溫器的噴水作為控制手段，因?yàn)闇p溫器離過(guò)熱器出口較遠(yuǎn)，且過(guò)熱器管壁熱容
較大，主汽溫對(duì)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(hào)反饋到調(diào)節(jié)器PI1,PI1直接去控閥門(mén)開(kāi)
度)無(wú)法取得滿(mǎn)意的控制品質(zhì)。為此再取一個(gè)對(duì)減溫水量變化反映快的中間溫度信號(hào)q2作為導(dǎo)前信號(hào)，增加一個(gè)調(diào)節(jié)器PI2組成
如圖2-2所示的串級(jí)控制系統(tǒng)。調(diào)節(jié)器PI2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（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(dòng)作，擾動(dòng)引起的q2波動(dòng)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(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，仍能保持X滿(mǎn)足要求�？梢�(jiàn)，串級(jí)系統(tǒng)中采用了兩級(jí)調(diào)節(jié)器，各有其特殊任務(wù)。
圖2-2 過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖
2.1.2 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為充分發(fā)揮串級(jí)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)實(shí)施控制系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)合理的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原則
（1）副參數(shù)的選擇，應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，控制通道短，反應(yīng)靈敏。通常串級(jí)控制系統(tǒng)是被用來(lái)克服對(duì)象的容積遲延和慣性。副回路應(yīng)該把生產(chǎn)系統(tǒng)的主要干擾包括在內(nèi)，應(yīng)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(dòng)態(tài)特性的作用，保證主參數(shù)的穩(wěn)定。因此，在設(shè)計(jì)串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)設(shè)法找到一個(gè)反應(yīng)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(yīng)包含被控對(duì)象所受到的主要干擾。串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入副回路的擾動(dòng)有很強(qiáng)的克服能力，為發(fā)揮這一特殊作用，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，副參數(shù)的選擇應(yīng)使得副回路盡可能多的包括一些擾動(dòng)。但這將與要求副回路控制通道短，反應(yīng)快相矛盾，應(yīng)在設(shè)計(jì)中加以協(xié)調(diào)。在具體情況下，副回路的范圍應(yīng)當(dāng)多大，取決于整個(gè)對(duì)象的容積分布情況以及各種擾動(dòng)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(shí)還可能使主回路的控制性能惡化。一般應(yīng)使副回路的頻率比主回路的頻率高的多，當(dāng)副回路的時(shí)間常數(shù)加在一起超過(guò)了主回路時(shí)，采用串級(jí)控制就沒(méi)有什么效果了。
（3）主、副對(duì)象的時(shí)間常數(shù)應(yīng)適當(dāng)匹配。由于串級(jí)系統(tǒng)中主、副回路是兩個(gè)相互獨(dú)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(jìn)入副回路時(shí)，會(huì)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(fù)，就會(huì)使主、副參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間大幅度波動(dòng)，這就是所謂串級(jí)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(shí)處理，甚至可能導(dǎo)致生產(chǎn)事故，引起嚴(yán)重后果。為確保串級(jí)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(mǎn)
足式子（2-1），除了在副回路設(shè)計(jì)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(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)不同，對(duì)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(wù)是要快速動(dòng)作以迅速消除進(jìn)入副回路內(nèi)的擾動(dòng)，而且副參數(shù)并不要求無(wú)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(fù)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(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量符合生產(chǎn)要求。凡是需采用串級(jí)控制的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)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(duì)象惰性區(qū)的容積數(shù)目較多，同時(shí)又有主要擾動(dòng)落在副回路以外的話(huà)，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(yán)格，同時(shí)在對(duì)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(jí)控制方式時(shí)，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(dòng)范圍很小，且不允許有余差，此時(shí)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(shí)主、副調(diào)節(jié)器均采用比例積分形式。
2.1.3 串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的整定
在如圖2-3所示的串級(jí)系統(tǒng)中，因?yàn)閮蓚�(gè)調(diào)節(jié)器串在一起，在一個(gè)系統(tǒng)中工作，相互之間或多或少的有些影響，因此在串級(jí)系統(tǒng)的整定要比簡(jiǎn)單系統(tǒng)復(fù)雜些。
圖2-3 串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖
1、兩部整定法
當(dāng)串級(jí)系統(tǒng)中副回路的控制過(guò)程比主回路快的多時(shí)，可按下述步驟分別獨(dú)立整定主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)。
（1）先整定副調(diào)節(jié)器
當(dāng)副回路受到階躍擾動(dòng)時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)副回路控制過(guò)程就告結(jié)束。在此期間，主回路基本上不參加動(dòng)作，由圖2-3得整定副回路時(shí)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(dāng)主回路進(jìn)行控制時(shí)，副回路幾乎起理想隨動(dòng)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(dú)立整定時(shí)的方框圖
即在主回路中副回路可看作一個(gè)比例環(huán)節(jié)，由此畫(huà)出整定主回路時(shí)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(yīng)滿(mǎn)足?2?3?1（?1、?2分別為
主、副回路主導(dǎo)衰減振蕩成分的頻率）。要達(dá)到此要求整定時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：
① 對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性�？刂茖�(duì)象前區(qū)動(dòng)態(tài)特性W02(s)與整個(gè)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性W0(s)?W01(s)W02(s)相比，應(yīng)有較小的遲延和慣性。
② 調(diào)節(jié)器類(lèi)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(yīng)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(biāo)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(jí)系統(tǒng)時(shí)還應(yīng)考慮控制對(duì)象惰性區(qū)動(dòng)態(tài)特性的求取。在圖2-4中，控制對(duì)象導(dǎo)前區(qū)的特性W02(s)可直接由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，而惰性區(qū)的特性W01(s)不一定能直接由實(shí)驗(yàn)獲得，但整個(gè)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性W0(s)?W01(s)W02(s)總是可以由實(shí)驗(yàn)測(cè)得，因此對(duì)象惰性區(qū)的動(dòng)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(guò)熱蒸汽溫度控制對(duì)象及其導(dǎo)前區(qū)的動(dòng)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(mén)的開(kāi)度。利用級(jí)數(shù)展開(kāi)和低階近似，惰性區(qū)的動(dòng)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(duì)象及其導(dǎo)前區(qū)動(dòng)態(tài)特性可以用式（2-4）、（2-5）來(lái)表示，而且有n2?2和n0?3，那么當(dāng) n0T0?3n2T2時(shí)（n0T0和n2T2分別為W0(s)和W02(s)分母中s項(xiàng)的系數(shù)），可以滿(mǎn)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(duì)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(jì)算出W01(s)的麻煩，尤其用階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)整定主調(diào)節(jié)器時(shí)更為簡(jiǎn)便。因此在式（2-7）假定下
????????????Tc?0?Tc?1
（2-8）
式中：??/Tc?0為控制對(duì)性W0(s)階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)上?與Tc的比值，
它實(shí)際往往無(wú)法由實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)上直接獲得（如在過(guò)汽溫對(duì)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(shí)，斷開(kāi)主環(huán)，即按副回路單獨(dú)工作時(shí)的單回路系統(tǒng)來(lái)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(xiě)出串級(jí)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(shí)等效控制對(duì)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(xiě)出串級(jí)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(shí)等效控制對(duì)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(gè)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(yīng)根據(jù)?WT2(s)?2重復(fù)步驟（2）、
（3），直到出現(xiàn)兩次整定結(jié)果基本相同為止。
3、補(bǔ)償法
當(dāng)控制對(duì)象導(dǎo)前區(qū)的動(dòng)態(tài)特性與整個(gè)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性相比，遲延和慣性不夠小時(shí)，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(shí)就不能 用“兩步整定法”整定，可以采用“補(bǔ)償法”整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。
圖2-3所示的串級(jí)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(jí)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(jí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以把它看作一個(gè)單回路系統(tǒng)。在這個(gè)等效單回路系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器為?WT1(s)WT2(s)?控制對(duì)象為 W0*(s)?W02(s)?W01(s)?Wm2(s)
??1?? Wm1(s)WT1(s)?
（2-13）
因此，串級(jí)系統(tǒng)可按下述步驟進(jìn)行整定：
（1）適當(dāng)選擇主調(diào)節(jié)器WT1(s)的參數(shù)，以造成一個(gè)動(dòng)態(tài)特性較好的等效控制對(duì)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(duì)象W0*(s)只能在控制對(duì)象原有的基礎(chǔ)上?W01(s)、W02(s)?，通過(guò)選擇WT2(s)WT1(s)的參數(shù)使它比較有利于控制。這就是“補(bǔ)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(duì)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(bǔ)償法”的概念整定串級(jí)控制系統(tǒng)時(shí)，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(jí)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(jí)系統(tǒng)具有正常運(yùn)行的基本條件，在主、副調(diào)節(jié)器不能分別獨(dú)立整定時(shí)，這可以作為整定串級(jí)控制系統(tǒng)的一種使用方法。
2.2 導(dǎo)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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：只用了一個(gè)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸入取了兩個(gè)信號(hào)。一個(gè)信號(hào)是主汽溫經(jīng)變送器直接進(jìn)入調(diào)節(jié)器的信號(hào)，另一個(gè)信號(hào)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(hào)。在時(shí)間和相位上，后一個(gè)信號(hào)超前于主信號(hào)（主汽溫信號(hào)），因此把這種系統(tǒng)稱(chēng)為導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)。又因?yàn)樗袃蓚�(gè)信號(hào)直接送入到調(diào)節(jié)器，所以也稱(chēng)這樣的系統(tǒng)為具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙沖量控制系統(tǒng)。微分作用能反映輸出量的變化趨勢(shì)，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(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的組成及原理
采用導(dǎo)前微分信號(hào)的過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)如圖2-6所示。這個(gè)系統(tǒng)引入了導(dǎo)前汽溫?2的微分信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充信號(hào)，以改
善控制質(zhì)量。因?yàn)?2和主汽溫?1的變化趨勢(shì)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(shì)。引入了?2的微
分信號(hào)后。將有助于調(diào)節(jié)器的動(dòng)作快速性。在動(dòng)態(tài)時(shí)，調(diào)節(jié)器將根據(jù)?2的微分信號(hào)和?1與?1的給定值之間的偏差而動(dòng)作；但在
靜態(tài)時(shí)，?2的微分信號(hào)消失，過(guò)熱汽溫?1必然等于給定值。如果
不采用導(dǎo)前信號(hào)?2的微分信號(hào)，則在靜態(tài)時(shí)，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(huà)出導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)控制系統(tǒng)的原理方框圖，如圖2-7所示。它包括兩個(gè)閉合的控制回路：
1、由控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)W02(s)，導(dǎo)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(dǎo)前補(bǔ)償回路）；
2、由控制對(duì)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(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)
2.2.2 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的分析
對(duì)于如圖2-7所示的控制系統(tǒng)，當(dāng)去掉導(dǎo)前汽溫的微分信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)就成為單回路控制系統(tǒng)，如圖2-8（a）所示，控制對(duì)象W0(s)??W01(s)W02(s)?的遲延、慣性較大。當(dāng)系統(tǒng)加入導(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(lái)處理，如圖2-8（b）所示。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)WB，但輸出信號(hào)為?1*，等效控
制對(duì)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(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)原理框圖
圖2-8 采用微分信號(hào)改變控制對(duì)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(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(guò)程中，等效控制對(duì)象的輸出中除了主汽溫信號(hào)?1?1*??1；
外，還疊加了導(dǎo)前汽溫?2的微分信號(hào)。由于?2的慣性遲延比?1小得多，因而等效對(duì)象的輸出?1*的慣性遲延比?1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控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，可見(jiàn)，等效控制對(duì)象是輸出?1*比主汽溫?1的響應(yīng)有很大的改
善。所以，在控制對(duì)象慣性遲延較大的情況下導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路汽溫控制系統(tǒng)是控制品質(zhì)遠(yuǎn)比單回路控制系統(tǒng)好。
2.2.3 導(dǎo)前微分控制系統(tǒng)的整定
1、按補(bǔ)償法進(jìn)行整定
根據(jù)前面對(duì)系統(tǒng)的分析方法，我們可以得出補(bǔ)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(gè)等效對(duì)象，
這個(gè)等效對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性等于（或近似等于）在動(dòng)態(tài)時(shí)為導(dǎo)前區(qū)的特性，在靜態(tài)時(shí)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(duì)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(guò)調(diào)整微分器的參數(shù)來(lái)獲取等效對(duì)象的特性。
設(shè)主汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為
W0(s)?W02(s)W01(s)?K0
(1?T0s)n0
（2-15）
導(dǎo)前區(qū)汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)為
W02(s)?K2
(1?T2s)n2
（2-16）
則等效對(duì)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(jiàn)微分器的參數(shù)時(shí)根據(jù)控制對(duì)象的惰性區(qū)來(lái)整定的，用控制對(duì)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(xiě)為
Wd(s)?K1?K0/K2 ????1KDTDs1?K1?1?n1?1?TDs(1?Ts)?1???2
(2-19)
假設(shè)汽溫對(duì)象惰性區(qū)得傳遞函數(shù)時(shí)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(duì)應(yīng)項(xiàng)可得
TD＝T1
KD＝K1??1??2
微分器按此組參數(shù)整定，則等效對(duì)象的傳遞函數(shù)為
W0*(s)?K0
(1?T2s)n2
則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償?shù)念A(yù)定目的。但是汽溫對(duì)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(hào)兩邊就只能作到近似相等，而不能實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償。下面推導(dǎo)n1?2時(shí)，微分器參數(shù)的確定方法。
將式（2-19）等號(hào)的兩邊展開(kāi)為冪級(jí)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(xiàng)（二階以下項(xiàng)）的系數(shù)相等
s項(xiàng)
s2項(xiàng) 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(shí)現(xiàn)對(duì)象的近似補(bǔ)償，即使
W0*(s)?W02(s)K0
K2
在確定了等效對(duì)象的傳遞函數(shù)之后，對(duì)于調(diào)節(jié)器WT(s)的參數(shù)?和Ti應(yīng)按等效對(duì)象W0*(s)來(lái)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(bǔ)償法整定框圖
補(bǔ)償法是整定雙回路系統(tǒng)的一種很實(shí)用的方法，用該方法整定系統(tǒng)時(shí)，可以不考慮內(nèi)外回路之間的相互影響。
2、按等效為串級(jí)控制系統(tǒng)的整定方法來(lái)整定
采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的控制系統(tǒng)等效為串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖見(jiàn)圖2-9。整定步驟和前面已討論過(guò)的串級(jí)控制系統(tǒng)相同。 當(dāng)WT(s)?1?1????KDTDs1?和時(shí)，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(shí)可根據(jù)對(duì)象導(dǎo)前區(qū)特性和主汽溫特性，按串級(jí)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(gè)參數(shù)，從而求得?、Ti、KD、TD 。
2.3 兩種汽溫自動(dòng)控制系統(tǒng)的比較
前面討論了串級(jí)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)和導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)，他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中一般都能滿(mǎn)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(diǎn)。
1、把采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為串級(jí)
控制系統(tǒng)來(lái)看待 時(shí)，其等效主、副調(diào)節(jié)器均為PI調(diào)節(jié)器。但對(duì)于實(shí)際的串級(jí)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(yīng)采用P或PD調(diào)節(jié)器，而主調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PI或PID調(diào)節(jié)器。因此，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)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(jí)系統(tǒng)；在主回路中，串級(jí)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(duì)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(jí)系統(tǒng)。
2、串級(jí)控制系統(tǒng)主、副兩個(gè)控制回路的工作相對(duì)比較獨(dú)立，因此系統(tǒng)投運(yùn)時(shí) 的整定、調(diào)試直觀、方便。而有導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路控制系統(tǒng)的兩個(gè)回路在參數(shù)整定時(shí)相互影響，不容易掌握
3、從儀表硬件結(jié)構(gòu)上看，采用導(dǎo)前汽溫微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單。一般情況下，雙回路汽溫控制系統(tǒng)已能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)上的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。若被控對(duì)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(yīng)采用串級(jí)控制系統(tǒng)。
第三章 大遲延控制系統(tǒng)
在熱工過(guò)程控制中，有的過(guò)程控制（對(duì)象特性）具有較大
的純延遲，使得被調(diào)量不能及時(shí)反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，且當(dāng)過(guò)程控制通道或測(cè)量環(huán)節(jié)存在延遲時(shí)候，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會(huì)導(dǎo)致被控制量的最大動(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(guò)程控制是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題，對(duì)于閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的純遲延若單單采用上述的串級(jí)控制等方案是無(wú)法保證其控制質(zhì)量，且響應(yīng)速度也和很慢，如果在控制精度很高的場(chǎng)合，則須采取其他控制手段，例如補(bǔ)償控制，采樣控制等等。本章僅就預(yù)估控制方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3.1 Smith預(yù)估補(bǔ)償器
對(duì)于有純遲延過(guò)程的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器采用PID控制規(guī)律時(shí)，系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)品質(zhì)均下降，純遲延愈大，其性能指標(biāo)下降的愈大。Smith針對(duì)具有純遲延的過(guò)程，提出在PID反饋控制的基礎(chǔ)上引入一個(gè)預(yù)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，使控制品質(zhì)大大提高。下面就對(duì)Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑磉M(jìn)行更詳細(xì)地介紹。
當(dāng)采用簡(jiǎn)單回路控制時(shí)，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(duì)象的傳遞函數(shù)為
W0(s)=W0'(s)e-ts時(shí)，從設(shè)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(dòng)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(xiàng)可以除去，情況就大有改善，遲延對(duì)閉環(huán)極點(diǎn)的不利影響將不復(fù)存在。
-tsSmith預(yù)估補(bǔ)償方案主題思想就是消去分母中的e項(xiàng)，實(shí)
現(xiàn)的方法是把對(duì)象的數(shù)字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)，這種方案可按不同的角度進(jìn)行解釋說(shuō)明，下面從內(nèi)模（模型置于回路之內(nèi)）的角度來(lái)介紹。Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理圖如圖3-2所示。
圖3-2 Smith預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖
在圖3-2中W0'(s)是對(duì)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(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)，假若系統(tǒng)中無(wú)此補(bǔ)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(guò)純遲延t之后才能返回到調(diào)節(jié)器。若系統(tǒng)采用預(yù)估補(bǔ)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(gè)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(hào)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(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：
Ws'(s)=W0'(s)(1-e-ts)
（3-4）
一般稱(chēng)式（4-4）表示的預(yù)估器為Smith預(yù)估器。其實(shí)施框圖如圖4-3所示，只要一個(gè)與對(duì)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(gè)遲延時(shí)間等于t的純遲延環(huán)節(jié)就可以組成Smith預(yù)估模型，它將消除大遲延對(duì)系統(tǒng)過(guò)度過(guò)程的影響，使調(diào)節(jié)過(guò)程的品質(zhì)與過(guò)程無(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)的情況一樣，只是在時(shí)間坐標(biāo)上向后推遲的一個(gè)時(shí)間t。
圖3-3 Smith補(bǔ)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(wú)延遲環(huán)節(jié)時(shí)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(jiàn)，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中已消去了e-ts項(xiàng)，即消除了純遲延對(duì)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(guò)程曲線(xiàn)在時(shí)間軸上推遲了一個(gè)t，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過(guò)程的不利影響�？刂破焚|(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延完全相同。
對(duì)于定值控制，由式（3-5）可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項(xiàng)組成。第一項(xiàng)為擾動(dòng)對(duì)象只有t>2t時(shí)才產(chǎn)生控制作用，當(dāng)t?2?時(shí)無(wú)控制作用。所以Smith預(yù)估補(bǔ)償控制應(yīng)用于定值控制其效果不如隨動(dòng)控制。不過(guò)，從系統(tǒng)特征方程看，預(yù)估補(bǔ)償方案對(duì)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(duì)象進(jìn)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(xiàn)法整??Tis?
定參數(shù)得??4.1;Ti?55， 加上Smith預(yù)估器用MATLAB進(jìn)行仿真，其結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示，其仿真曲線(xiàn)如圖3-5所示。
圖3-4 史密斯預(yù)估器控制的系統(tǒng)Simulink結(jié)構(gòu)圖
把對(duì)象傳遞函數(shù)中的遲延時(shí)間由50s改為40s，再次進(jìn)行仿真得到的仿真曲線(xiàn)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(yù)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(duì)模型的誤差十分敏感，當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)，由于控制參數(shù)不能隨之而變化，不能對(duì)受控過(guò)程參數(shù)做出適時(shí)調(diào)整，從而時(shí)過(guò)程的品質(zhì)指標(biāo)惡化。適應(yīng)性不強(qiáng)，也就是魯棒性非常差。
由于主蒸汽溫度被控對(duì)象的參數(shù)會(huì)隨著時(shí)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(jìn)一步探討別的方法。
3.2 史密斯預(yù)估補(bǔ)償器的改進(jìn)
由于Smith預(yù)估器對(duì)模型的誤差十分敏感，因而難于在熱工過(guò)程控制中廣泛應(yīng)用，如何克服Smith預(yù)估器的這個(gè)不足至今仍使研究的課題之一。
圖3-5 在對(duì)象參數(shù)準(zhǔn)確情況下史密斯預(yù)估器控制階躍響應(yīng)的
曲線(xiàn)
圖3-6 改變對(duì)象參數(shù)后的仿真圖
3.2.1 抗干擾的Smith預(yù)估器
如果在史密斯補(bǔ)償回路中增加一個(gè)反饋環(huán)節(jié)Wf(s)如圖3-7
所示，則系統(tǒng)可以達(dá)到完全抗干擾的目的。由圖3-7可看出被調(diào)量Y(s)對(duì)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(shí)現(xiàn)完全抗干擾的史密斯補(bǔ)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(xiě)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(duì)設(shè)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(gè)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(shuō)如果Wf(s)完全滿(mǎn)足式（3-8），則系統(tǒng)可完全跟蹤設(shè)定值。而且對(duì)干擾F(s) 還可以無(wú)差的進(jìn)行補(bǔ)償。只是Wf(s)完全實(shí)現(xiàn)不是很容易的，尤其在對(duì)象用高階微分方程來(lái)描述時(shí)更是如此。但是這個(gè)結(jié)論對(duì)改善史密斯補(bǔ)償器的抗干擾能力還是有指導(dǎo)意義的。
3.2.2 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案
圖3-8 增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案
Smith預(yù)估補(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)地向補(bǔ)償器傳
送信號(hào)，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器與過(guò)程特性有關(guān)，而過(guò)程的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過(guò)程特性之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點(diǎn)是模型的誤差會(huì)隨時(shí)間積累起來(lái)，也就是對(duì)過(guò)程特性變化的靈敏度很高。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制。
增益自適應(yīng)補(bǔ)償方案方框圖如圖3-8所示。它在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)和一個(gè)乘法器。除法器是將過(guò)程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的Td=t，它將使過(guò)程與模型輸出之比提前進(jìn)入乘法器。乘法妻是將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個(gè)環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的比值來(lái)提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)。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(yīng)補(bǔ)償器與Smith補(bǔ)償器具有同樣改善控制性能的效果。
3.2.3 觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案
圖3-9 能觀測(cè)補(bǔ)償時(shí)控制方案
觀測(cè)補(bǔ)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(duì)象的時(shí)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(cè)器WC(s)有關(guān)，而與時(shí)滯大小無(wú)關(guān)。若WC(s)=W0'(s)，則式（3-12）與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制方式（3-6）相同，表明其控制效果與Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的相同。但本方案對(duì)于對(duì)象參數(shù)的變化不敏感，且不需要時(shí)滯環(huán)節(jié)。因此，實(shí)施起來(lái)方便，適應(yīng)性強(qiáng)。
對(duì)于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，本方案可看作由兩個(gè)隨動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)，用于使觀測(cè)器輸出值跟蹤設(shè)定值。由副控制器WK(s) 與WC(s)組成副隨動(dòng)控制系統(tǒng)用于使觀測(cè)器輸出值與系統(tǒng)的輸出保持同步。當(dāng)設(shè)定值發(fā)生變化時(shí)，由于觀測(cè)器輸出Ym尚未變化，所以主控
制器輸出一個(gè)較強(qiáng)的控制信號(hào)，通過(guò)前饋?zhàn)饔�，使觀測(cè)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(shí)，該控制信號(hào)對(duì)過(guò)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(cè)器輸出Ym適應(yīng)系統(tǒng)輸出Y的變化。當(dāng)主副控制器均為比例積分作用時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)無(wú)余差。
觀測(cè)補(bǔ)償器控制方案僅適用于隨動(dòng)控制系統(tǒng)，不適用于定值控制系統(tǒng)；當(dāng)WK?s?的模很大時(shí)，本控制方案與單回路控制系統(tǒng)相同。
3.2.4 改進(jìn)型Smith預(yù)估器
由Hang等提出的改進(jìn)型預(yù)估器，它比原方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器，其方框圖如圖3-10所示。
圖中設(shè)過(guò)程特性的比例增益K0?1，從圖3-10中可以看到，它與Smith補(bǔ)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(jìn)型Smith預(yù)估器方框圖
改進(jìn)型Smith預(yù)估器方案比原Smith補(bǔ)償方案多了一個(gè)調(diào)節(jié)器WT2(s)，但其參數(shù)整定還比較簡(jiǎn)單。為了保證系統(tǒng)輸出相應(yīng)無(wú)余差，要求兩個(gè)調(diào)節(jié)器均PI為動(dòng)作調(diào)節(jié)器。其中主調(diào)節(jié)器WT1(s)只需按模型完全準(zhǔn)確的情況下進(jìn)行整定。至于輔助調(diào)節(jié)器WT2(s)的整定似乎要復(fù)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(shè)Ws(s)是一階環(huán)節(jié)。且設(shè)Ti2?Ts，即使調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間等于模型的時(shí)間
常數(shù)，則Wf(s)可簡(jiǎn)化為：
Wf(s)?1
Ts
KT2Ks1? Ts?1fs?1
這樣，反饋回路上出現(xiàn)了一個(gè)一階濾波器，其中只有一個(gè)整定參數(shù)Tf，實(shí)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(duì)象對(duì)改進(jìn)型1?90s
Smith預(yù)估器進(jìn)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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