(完整word版)第1-3热工自动控制系统

一、 教材

热工控制系统 华北电力大学 边立秀等编 中国电力出版社 http://61.155.6.178/zyf 密码：200803Y 二、 主要参考书

0：超超临界机组控制设备及系统 肖大雏 主编 化学工业出版社 2007年 1． 陈来九：热工过程自动调节原理与应用 第三章 第七章 2． 电子书：热工过程自动控制 杨献勇主编 清华大学出版社 3． 《热工自动控制系统》 华北电力大学 李遵基 4． 《热工自动控制系统》 东北电院 张玉铎、王满稼 三、课程主要内容

1．简单介绍单回路反馈系统（复习） (1) 基本调节作用 (2) 工业调节器

(3) 调节器参数的整定

2．重点介绍电厂热工过程自动控制系统，包括汽温、给水、燃烧自动控制

3．介绍单元机组负荷（协调）控制系统（直流锅炉自动控制系统以及单元机组给水全程控制系统） 三、 考核方法

1. 期末考试 + 平时成绩。

2. 平时成绩包括：作业，回答问题，出勤，平时答疑，约占10%

第一章 概述

§1-1 火电厂自动控制的发展

机 炉 电 辅机

控制方式大致经历了三个发展阶段： 1、 控制：

机、炉、电各自地进行控制，机、炉、电及重要的辅机各自设置一套控制表盘，它们之间无联系。

调节仪表均为大尺寸的较笨重的基地式仪表，由运行人员进行监视与控制。 国外在20-40年代，我国50年代建造的火电厂属该类型。 2、 集中控制：

40年代以后，由于中间再热式汽轮机的出现，使锅炉和汽轮机之间的关系更加密切，为了便于机炉的协调运行和事故处理，将它们的控制盘集中安装在一起，对机炉实行集中控制。集中控制的初级阶段，调节仪表采用电动或汽动单元组合仪表。50年代后，采用组件组装仪表或以微处理机为核心的数字调节器，对机炉进行集中控制。

3、 集散控制系统：

这里指火电厂生产过程实现最优控制与速度自动化相结合的多级计算机控制，60年代至今，国际上火电厂都朝着这一方向发展，近几年从国外引进的火电厂机组已达到这一水平。

N-90 天生港，利港，石洞口 Infi－90

ProcontrolP 合肥二电厂 Mod-300 北仑港 WDPF 望亭 利港 MAX1000 外高桥电厂

TDC3000 是霍尼维尔(Honey wel)公司的产品。 西门子 、日立 的DCS等

管理站 数据 高速公路 DPU：distributed process unit 分散处理单元

完成各控制任务

水位

汽温：过热，再热 燃烧：煤，风 协制

§1-2 火电厂的主要控制系统

系统

1） 协制系统（CCS）Coordinate Control System

基本功能: 接受各类负荷指令，根据设备运行的健康状况，发出机炉主控指令，协调机炉工作，使机组满足外界负荷的需要，同时确保自身参数的稳定。 包括各个子系统（水位，汽温，） 2） 模拟量控制系统(MCS〕

模拟量控制系统属于闭环控制，是保证机组经济运行、最大限度地减轻运行人员的劳 动强度、机组投入协制的重要组成部分。 大型火电机组MCS系统主要有： (1) 主汽温控制系统、 (2) 主汽压控制系统 (3) 给水控制系统

(4) 除氧器水位控制系统

(5) 燃烧控制系统

3） 锅炉安全监控系统 （FSSS）Furnace Safeguard Supervisory System

或称燃烧器管理系统（BMS）Burner Management System 包括吹扫，油，燃层启停，MFT（main fuel trip）

燃烧器管理系统又称为炉膛安全监控系统，BMS可以连续监视锅炉在各种运行工况下

的状态，随时进行逻辑判断，通过一系列连锁条件，按预定的逻辑顺序对燃烧设备进行操作和控制，异常时发出报警信号乃至停炉。

BMS包括锅炉保护和燃烧系统顺序控制两部分，其主要功能有：炉膛火焰监视、炉膛 自动吹扫、锅炉点火及燃油控制、锅炉投煤和磨煤机组控制、主燃料跳闸(MR)。 4） 顺序控制系统（SCS）Sequence Control System 负责电厂中所有辅机的启停。

顺序控制系统又称为开关量控制或二进制控制系统。主要任务是单元机组的主要辅机 或功能组进行启停控制和连锁保护，以简化运行人员的操作．确保机组启停和运行安全。

主要辅机：送风机、引风机、给水泵、磨煤机等，某一辅机的启停都有一定的顺序和逻辑条件。

功能组:为了实现机组自启停，一般按生产流程将机组的附属设备和系统划分为若干个执行某一特定功能的组，称为功能组。

大型火电机组scs主要有：送风机系统、引风机系统、一次风机系统*，给水泵系统、 循环水系统、汽机疏水系统、冷凝器真空系统、汽机油系统等。

5） 汽机数字电液调节系统（DEH）Digital Electricity drain Regulate System 根据外界对电厂的负荷要求，确定汽机调门的开度。

6） 汽机安全保护系统（TSS）Turbine Safeguard System

7） 旁路控制系统（BCS）Bypass Control System 在变负荷时用 8） 数据采集系统（DAS）Data Access System

要实现上述系统，特别是CCS，其基础就是锅炉汽机各自的调节系统要完善，因此，本课程主要介绍锅炉的各个子系统，汽温，给水和燃烧系统。另外，还介绍协制系统CCS。

§1-3 火电厂自动控制的主要内容和分类

一、 内容

1、 自动监测：自动的检查和测量反映生产过程运行情况的各种物理量、化学量以及生产设备的工作

状态，以监视生产过程的情况和趋势。

2、 顺序控制：根据预先拟定的程序和条件，自动的对设备进行一系列的操作。在火电厂中主要是主

机和辅机的启动和停止。

3、 自动保护：在发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故的扩大。

4、 自动调节：自动维持生产过程在规定的工况下进行。在火电厂中即保证有关参数和流量不超过允

许的范围。

本课程主要讨论自动调节问题，它是属于自动控制内容的一部分，对生产过程的正常进行有很大影响，只要生产过程中受到各种因素的干扰和影响，使工况偏离正常，自动调节就会发挥其功能，以迅速消除干扰，使生产过程恢复正常运行。 二、 组成

1r-反馈控制器y调节机构对象测量单元反馈控制系统组成结构图

三、 分类

（一）按系统结构特点分类 1．反馈控制系统

2．前馈控制系统 （二）按闭合回路数目

单回路控制系统、多回路控制系统 （三）按给定值信号的特点分类

根据生产过程要求保持的被调量给定值的不同类型可分为：

1．恒值控制系统：在运行时被调量的给定值恒定不变，也就是被调量保持为某一固定数值。这是热工过程自动调节中应用最多的一种自动控制系统。(定值控制）

2．程序控制系统：被调量的给定值是预定的时间函数。例如，在汽轮机启动时，希望转速随时间成一定的函数关系变化，这就要求用程序控制系统。

3．随动控制系统：被调量的给定值决定于某些外来的因素而不是预先拟定的。例如：在汽轮机启动过程中，采用计算机实现机组的最优升速控制。汽机转速的升速率不是预先给定的而是通过计算机按汽温（主蒸汽、再热蒸汽）、汽缸壁温等具体情况再根据机组当时的差膨、振动等情况确定的，它是某个外部条件的控制函数。这样的控制系统称为随动控制系统。

4．比值控制系统：这种系统维持两个变量之间的比值为一定数值。例如：在锅炉的燃烧过程自动控制中，要求空气量的变化随燃料量的变化而成比例变化，这样才能保证经济燃烧。

§1-4 热工自动控制系统的品质指标

一、过渡过程

二、总体指标

稳定性 、准确性、快速性

三、时域指标 静态――

稳态误差：是指被调量的稳态值与给定值之间的长期偏差。它反映了控制系统的调节精度。 动态――

衰减率：经过一个波动周期，被调量波动幅值减少的百分数。

最大动态偏差或超调量：调节过程中被调量偏离给定值的最大暂时偏差。 调节时间：从被调量受到扰动，过程开始变化直到结束所需要的时间。

第二章 热工对象特性及单回路控制系统

§2-1 热工过程的动态特性

xn x1 调节器 Wn(s)W1(s) + + r _ eWa(s)Wo(s) yWH(s)

上图是最简单的热工过程自动调节系统的方框图。图中调节对象是多输入、单输出（被调量y）的物理系统，引起y变化的原因有很多（,x1,x2xn）,且各输入信号引起y变化的动态特性

测量元件 Wo(s),W1(s),Wn(s)是不同的，这是热工对象的一个特点。

在研究热工对象的动态特性时，必须掌握以下几点： 1、 热工对象是多变量（即多输入、多输出）对象。

这在今后会看到，多变量对象的一个特点就是存在相互作用，有些文献上称为相互关联（interaction），因此，各输入、输出间必然存在着相互影响，相互干扰，这就是问题复杂化。 2、 了解各种引起被调量变化的原因，并了解其全部动态特性；（如Wo(s),W1(s),Wn(s)），尤其应了解自动调节器输出（即操作量或调节量）作用下调节对象的动态特性Wo(s)。

3、 应注意到和其它输入信号x1,x2xn不同，调节器输出信号在闭合回路内，它对调节系统的性能起决定作用。

4、 有二类热工对象，下面分析它们的特点。

 Vx0 ０ t

y Ｋ Tc Vy()=KVx0

 t

（ａ）有自平衡能力

 Vx0 ０ t

y Vx0 Ta t

（ｂ）无自平衡能力

1．特点

（1） 有延迟和惯性----说明变化过程比较慢

（2） 不振荡 注意是对象在阶跃扰动时不振荡，而不是系统不振荡。 （3） 由于曲线较特殊，所以可以通过曲线上的几个特征参数表示。 2．表征热工对象的两组参数及其图上表示

（1） 有自平衡能力对象（）

－延迟时间

－响应速度。输入信号阶跃变化量为１时，阶跃响应曲线上被调量的最大变化速度。

dyk△x0tgβkε=dx=

△x0△x0Tc△x0Tc1△x0Tc 响应时间：Ta==εtgβKy Tc Ｋ Vy()=KVx0（ａ）有自平衡

tρ－自平衡率 ρ=Vx01= KVy()提高ρ，则对象的自调节能力提高。当受到某一扰动时，被调量从初始平衡值达到新的平衡值的变化量愈小。

另一组特征参数（τ,Tc,K），这三个参数均可直接从阶跃响应曲线上测量。

τ－延迟时间

Tc－时间常数

K－稳态放大系数

1ρ二组参数的关系：

Ktgβ1==ε=TcVx0TaK=Tc=KTa或者 TaTc=K1=εετ在一定程度上反映了对象的动态特性 Tcy （２）无自平衡能力的对象

0，故用,就可以了

－意义同上，渐进线与时间轴交点(而非切线）

tgβ1=Ta=△x0ctgβ

△x0TaVx0 Ta t

无自平衡能力

几点说明：（a）可以统一用来表示不振荡、单调变化的调节对象。 （b）虽然不确切，但热工上沿用已久，有其方便之处。 3．二类典型热工对象的数学模型（传递函数） （1） 有自平衡能力的对象

W(s)=K

(1+T0S)n（2） 无自平衡能力的对象 W(s)=1

TaS(1+T0S)n提问：1、根据阶跃响应曲线求近似传递函数有哪些方法？有何特点？ 2、表征热工对象动态特性的参数有那两组？其中

反应了热工对象的什么特性？ Tc附 ：

针对生产工艺过程 计算量大，模型 理论建模 应用物理、化学定律 结构复杂 建立一组微分方程组求解 确定被控对象动态特性方法

试验建模

响应曲线法：加入特定扰动（阶跃、矩形波），测定对象输出响应曲线，求模型 试验建模 系统辨识法：向被控对象输入白噪声（随机信号），测量输入、输出数据，进行数学处

理获得其数学模型

频域法：试验测定被控对象的频率。

4．控制通道的特征参数对控制质量的影响 (一) 放大系数对控制质量的影响

控制通道K0＝Kp×K不同时仿真曲线

(二) 时间常数、迟延时间对控制质量的影响

控制通道T不同时的仿真曲线

控制通道对象阶次n不同时的仿真曲线

对象迟延不同时的仿真曲线

§2-2 基本调节作用

1、比例调节（P）

Wp(s)=Kp u=Kpe(t)

特点：有差调节，可单独使用。（用在简单的控制回路）

Kp增大 比例作用增大 调节过程趋于振荡，但有利于减小被调量的静态偏差和动态偏差；反

之相反。

Kp小Kp大

2、积分调节作用（I）

WI(s)=KI u=KIedt S特点：无差调节，但很少单独使用。

KI增大 积分作用增强 可加大调节过程中被调量的动态偏差（静差为0），但增加了调节过程的

振荡。

3、 微分调节作用

WD(s)=KDS u=KDde dt特点：微分作用能加强调节的起始动作，比P、I提前动作，进一步抑制动态偏差；但不能单独使用。

KD增大 微分作用增强 调节过程起始动作快，有利于减少动差，考虑微分算子对噪声的灵敏性，KD不能太大。

§2-3 工业调节器

1） 比例调节器P 2） 积分调节器I

3） 比例积分调节器（PI）

WPI(S)=S1+S011=(1+) SδTiSPI调节具有比例作用及时和积分作用消除稳态偏差的优点，从而克服了单纯比例作用不能消除

稳态偏差和单纯积分作用控制不及时的缺点。

特点：使调节稳态偏差为0，即自动的维持被调量等于给定值，在工业上应用十分广泛。

δ增大 调节作用减弱 削弱振荡倾向，系统稳定

S大 S小 定值扰动试验曲线

Ti增大 积分作用弱 也能削弱系统振荡倾向，但Ti过大使调节过程时间拖得太长；反之相

反。

Ti大 Ti小

4） 比例微分调节器（PD） WPD(S)=S1+S2S=1(1+TdS) δ特点：由于是在比例调节器基础上添加了微分，因此，具有比例调节的特点，即有差；但由于加入了微分作用（只有选择适当），能减少被调量的动态偏差和调节过程的振荡倾向；但过大的微分作用对调节反而有害。因为此时，微分作用对偏差的反应过于灵敏，使调节过程最后阶段不容易平衡，且干扰的影响增加。

Td小 Td大

实际比例微分 WPD(S)=,TdS1(1+)

Tdδ1+SKdTd－微分时间 Kd－微分增益

５）、比例积分微分调节器（PID） WPID(S)=S1+S011S2S(1++TdS) SδTiS特点：PI基础上添加了微分，具有PI的特点，误差调节；且起始动作比PI快，只要三个参数配合

得好，可以得到比较好的调节效果。 实际PID WPID(S)=,TdS11(1++)

TδTiS1+dSKd

PID

PI

§2-4 单回路系统的稳定性分析

单回路系统要能应用，必要条件是这个系统必须是稳定的。而系统稳定的充要条件是它的闭环特征方程式的所有根均为负根。（包括实部为负的复根）

特征方程为：1+Wa(S)*W0(S)=0

如果特征方程的阶次为2，显然可以直接求出它的根；但当为高阶方程时，直接求根是比较困难的，可通过其它方法来判别根的分布情况。 1、 特征方程为2阶的：

a2s2+a1s+a0=0

不出现正根的必要条件是a2,a1,a0必须是正数 定义a1

2a0a2i 0,即a1=0 1，2jw 等幅振荡

2ii 0<1,即a1-4a0a2<0 1，2jw 衰减振荡 2iii 1,即a1-4a0a20 11,22 不振荡的衰减过程

实际的热工过程，调节系统以ii情况较多，1，2jw

y1M y3Mt t+Tk

ω  α

2tgβ=α ω

Tk=

=y1M-y3M1-e-2πm

y1Mm= 21nn-12、 对高阶系统，特征方程为ans+an-1s++a0=0，直接求解困难，可通过下列方法：

1）劳斯判据

2）根轨迹法：画出系统中一个参数改变时，特征方程根的变化曲线。 3）奈奎斯特判据

§2-5 单回路系统的工程整定方法

一、 经验法：根据经验进行参数试凑的一种方法（闭环试验）

它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，则修改调节器参数，再做阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。

步骤：1、Ti=∞,Td=0，大小，定值扰动直到过程满意 2、δ2=1.2δ1，Ti大Ti小，定值扰动直到过程满意

3、Ti=const，调节δ2看有无改善，有则再调δ2，否则将比例带减小一些，调Ti，反复试凑，直到满意。

4、取Td=(T11:)Ti，在适当调δ，Ti，Td，并尽量保证d=const，直到满意为止。

Ti二、临界比例带法

将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止，记下此时的临界比例带δK以及振荡周期TK，然后根据经验计算各调节器参数。 1、Ti∞,Td=0，δ置较大，系统闭环

2、δ，直到出现等幅振荡，记下此时的临界比例带δK以及振荡周期TK 3、查表4-3，P

P:δ=2δK PI:δ=2.2δK,Ti=0.85TK

PID:δ=1.7δK,Ti=0.5TK,Td=0.125TK4、将整定参数设置好，做阶跃扰动，观察过程，并作修正。 注意：1）当对象及其他环节已知时，可用计算法，求出δK,TK

2）对于无自平衡能力对象，这样获取的参数使系统衰减率0.75 对于有自平衡能力对象，这样获取的参数使系统衰减率0.75

3）注意系统是否允许等幅振荡，有则惯性大：系统很难得到等幅振荡。 4）有些对象， 形成闭环后，并不是都能形成等幅振荡。 三、衰减曲线法（ 闭环试验）

1、Ti∞,Td=0，δ较大，系统闭环。

0.9，记下δs 2、做定值扰动，δ，直到出现0.75or （注：若0.75，应减小δ，使出现0.75，即δ，比例作用增大，减少。）

0.9时的上升时间Tr 3、取0.75时的衰减过程周期TS或

yTrr TS t

4、查表p56 表4-4，计算调节器参数。 5、设置好参数，加扰动，作修正。 四、响应曲线法（即书上动态参数法）

系统处于开环，做对象的阶跃扰动试验，记下,,，再经验计算。 1、 系统开环

2、 100%,Ti,Td=0时作阶跃，记下ie响应曲线

r  _ Wa(s)ie im Wo(s) yWH(s)

3、 得出,(无自平衡能力)，,,（有自平衡能力） 4、 查表p57 表 4-5，

注：若要 0.9，则δ0.9=1.6δ0.75,Ti0.9=0.8Ti0.75

五、四种工程整定方法的比较 P58

无论采用何种方法获得的调节器参数，在实际运行时都要进行修改才能得到满意的调节效果。 第一二章思考题：

1、 火电厂主要有哪几个控制系统？ 2、 火电厂自动控制的主要内容？

3、 衡量一个控制系统好坏的指标有哪些？

4、 图示出不同下几种典型的调节过渡过程？ 5、 热工对象动态特性有哪二种形式？各自的特征参数？ 6、 各种调节器的调节规律及其特点？ 7、 四种工程整定方法如何实现？

8、PID的3个参数，对调节过程如何影响？

第三章 串级调节系统

§3-1 概述

在热工自动控制中，单回路反馈调节系统是一种普遍采用的调节系统，但随着机组容量的增大以及对生产过程运行要求的提高，单回路反馈调节系统对一些主要过程的调节往往不能满足要求，而暴

露出了一些缺陷。

一、 单回路反馈调节系统的特点

x1 W1(s)WF(s) r  _ eWa(s)Wo(s) + + y

1、调节过程

xyreWa(s)uWo(s)

显然，调节器Wa(s)动作的结果，明显迟后于x的变化，即不能及时消除干扰对被调量的影响，造成y变化较大。 2、Wa(s)的整定

Wa(s)是根据对象Wo(s)来整定的，Wa(s)而热工对象一般是惯性大，阶次高，为保证系统稳定，

的动作必须缓慢，造成调节过程太长。 二、改进途径

从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个：

1）Wo(s)可控性差 2）系统结构不是最佳 针对上述原因，加以改进：

1） 对于闭环外的扰动，设法设计一个装置WF(s)以及时消除因扰动而产生的偏差Vy

VyW1(s)xWF(s)Wo(s)x0WF(s)W1(s)Wo(s)

2） 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就能提前动作，有效的被调量的动态偏差。

3） 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统、多变量调节系统等。

§3-2 串级调节系统

一、 串级调节系统的结构 1、 实例

低过 喷水减温

2 高过

1 蒸汽口 r2 r1 PI1执行器 PI2 A单回路调节系统

只有在1变化后，PI1才会动作，因而减温水阀才动作。由于过热器惯性大，1动态偏差大。 2．串级系统的结构

B 串级调节系统（加上测量元件 ）

添加一个控制中间信号2，一个调节器，只要2发生变化，执行机构就能动作。

u1 Wu1(s)u2 Wu2(s) r + _ 2 PI11

Wo1(s)_ PI2WZ(s)Wo2(s)2 1

定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作，使被调量恢复到等于给定值。 几个名词：

1）调节对象的导前区和惰性区：调节对象中间点参数ya以前的部分，称为调节对象的导前区，ya以后的部分称为调节对象的惰性区。

2）主、副参数：整个调节对象的被调量y1称为主参数，导前区的被调量ya称为副参数，也称中间点或辅助参数。

3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为

给定值，并根据副参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节器。 4）主、副回路：

调2-对2-测2 副回路或内回路，随动回路 调1-内回路-对1-测1 主回路

3、副控对象和主、副调节器类型的选择

从热工自动控制系统来看，串级系统有两类： 1) 要求ya，y1均等与给定值。

对于这种情况，ya只能由生产过程要求确定，而主、副调节器均应选择PI，以使稳态时，ya，

y1均等于给定值。如：汽压调节系统

2）y1等于给定值，ya不加。如汽温调节系统：

1能提前反应较多的扰动 ya选择：○

2能测量 ○

副调节器：选P或PD,以尽快消除内回路扰动；

主调节器：选PI或PID，保证yya。

4、主、副回路的选择原则

1） 副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干

扰包括在副回路内，以充分发挥副回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。 2） 选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系

统抗干扰能力。

3） 主副对象的时间常数应适当匹配，原则是两者相差大一些，效果好。 5、 主副回路调节器调节规律的选择原则

1） 主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情况下，为使两 者兼

顾而采用串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。

2） 要求主参数波动范围很小，且不允许有静差，此时副调节器可采用P调节，主调节器采用PI。 3） 主参数要求高，副参数也有一定要求时，主副调节器均采用PI 二、 串级系统分析

一般来说，分析一个系统的好坏，可分析它的抗干扰能力和跟踪能力。抗干扰性能和跟踪性能是从不同角度出发的。 如对于下图系统，

r _ + Wa(s)u W(s) y

+

若定值r经常变化，而系统要求y跟着r变化，可看作是随动系统。这时yr越快越好，即

y(s)1，跟踪能力好，如内回路。 r(s)若r不变，系统的目的使维持yr，那若u扰动，看作是定值系统，常希望系统的抗干扰能力强，即

y(s)0，如串级系统外回路。 u(s)下面从这两方面出发来分析串级系统的优越性。

u u2 Wu2(s) Wu1(s)r _ Wa1(s) ra _ Wa2(s) W02(s) yaW01(s) y WH2(s) WH1(s)

不同的扰动，串级系统的调节效果是不同的。 副回路内的扰动u2

1．串级系统能有效抑制副回路的扰动

为分析方便，假定Wa2(s)Kp2,WH2(s)r2 若存在副回路，则ya(s)Wu2(s)u2(s)，一般情况Kp2可整定的较大。显然

1Kp2r2Wo2(s)Wu2(s)的静态放大系数小于Wu2(s)的静态放大系数，即由于副回路的存在减小了u2对ya1Kp2r2Wo2(s)的影响。若将Wo2(s)用具体传递函数代入，可知由于副回路地存在，当u2扰动时，ya的变化会在很

短时间内达到平衡。

2．串级系统可以看作是改善了调节对象动态特性的单回路调节系统，提高了调节品质。 若无副回路：调节对象Wo(s)Wo1(s)Wo2(s) 若有副回路：等效对象We1(s)'Wa2(s)Wo2(s)Wo1(s)

1Wa2(s)Wo2(s)WH2(s)r _ Wa1(s)We1(s)y

WH1(s)

因此，副回路相当于改变了导前区的动态特性。

那么，副回路到底能否改善导前区的动态特性呢?这应从分析副回路的工作特点入手。 a 在主回路工作时，副回路是作为随动系统参与的；

b 如果Wo2(s)比起Wo1(s)惯性和延迟均很小，则副回路相对于主回路而言，可看作是快速随动系统。即iara，又iaWH2(s)ya

WH2(s)yaraya副回路可等效为raraWH2(s)1

WH2(s)ya， 比例环节

故串级系统的等效框图为：

u1Wu1(s)r _ Wa1(s)ra1WH2(s) ya Wo1(s) y WH1(s)

3．副回路外的扰动

当扰动发生在副回路外时，尽管它不能直接削弱对 y 的影响。但由于副回路改善了对象动态特性，即把 W o 2 ( s )  ，所以串级系统比单回路系统而言，y的动态偏差要小，调节过程要短。但

1WH2(s)要注意，对象特性改善的程度不是很大时，很多惯性很大的如汽温控制，控制品质不尽人意。 4．主副回路工作频率的选择－串级系统的共振

ya

r u2W02(s)yWa2(s)W01(s) Wa1(s)ra_ _

共振频率 ：

2阶系统的幅频特性M(w)与w／wr的关系：

WH2(s)WH1(s)

共振区的频率范围是：

即：主回路向副回路输送信号，相当于副回路一 直受到从主回路来的一个连续性干扰。如果要避 免副回路进入共振区，则主环的工作频率wl与副 环的共振频率w2必须满足下式：

ω1ω1 > 或123ω2ω2 ω2>3ω1 或 T1>3T2

5．结论

A． 副回路作为随动系统参与主回路工作，若导前区的延迟，惯性和整个对象相比小得多，则副回路为快速随动系统。

B 。副回路的存在改善对象导前区的动态特性，提高了对发生在副回路的扰动的抑制力，也提高了主回路的跟踪性能。 三、 串级系统的整定

单回路整定：闭环特征方程式1Wa(s)Wo(s)0 1、 一般方法---主副调节器循环整定

A： 主调节器整定

串级闭环系统特征方程式

1Wa1(s)We1(s)WH1(s)0 ―――― (A)

注意We1(s)中包含了副调节器Wa2(s) B： 副调节器的整定

系统特征方程为1Wa2(s)W02(s)[WH2(s)Wo1(s)WH1(s)Wa1(s)]0

1Wa2(s)We2(s)0 ―――――(B)

注意We2(s)中包含了主调节器Wa1(s) 逐步逼近法整定步骤：

据A 据B

假定 Wa2(s)  We1(s) Wa1(s) We2(s)Wa2(s)

这种方法需要不断调试主副调节器，直到2次调试主副调节器参数基本不变。 比较繁琐。下面介绍两种简单方法。 2、 两种简化整定方法

工程上做合理的假定下，往往会使问题大大简化。 1） 当副回路的调节过程比主回路快得多时

这时，当副回路受到扰动时，会立即消除，基本上不影响主回路，而当主回路调节时，副回路为快速随动系统，即可将副回路看成是一个比例环节。这时，两个回路可单独整定。

ra_ ya Wa2(s)Wo2(s)副回路

WH2(s) r _ Wa1(s)ra1WH2(s)WH1(s) ya W01(s) ys)

这里有两个问题需要交代： 1能整定的条件 ○

a ya的选择：使Wo2(s)延迟和惯性远小于Wo1(s)Wo2(s) 快得多的含义：231或n0T03n2T2

b 取Wa2(s)为比例调节器，Wa1(s)为PI调节器，使副回路衰减振荡频率较高。即副回路的K要稍大些，快速调节。 c 整定指标

副回路：调节过程快一些，稳定性差一些，0.75 主回路：调节过程慢一些，稳定性高一些，0.9

一般来说，如果导前对象n2≈2, 总对象n0>=3, 当n0T03n2T2，则可用此法整定。

2关于主回路调节器整定时用到的对象W(s) ○o1对于热工对象Wo(s),Wo2(s)可用试验方法得到，但Wo1(s)无法用实验得到，必须计算 记Wo(s)Wo1(s)Wo2(s)k0

(1T0S)n0Wo2(s)k2

(1T2S)n2k0Wo(s)(1ToS)n0k1则Wo1(s)

k2Wo2(s)(1T1S)n1(1T2S)n2利用级数展开及除法，可近似用Wo1(s)k1来整定

(1T0S)n0k1k0k2n0T02n2T22 T1n0T0n2T2(n0T0n2T2)2n1n0T02n2T22当231或n0T03n2T2时，可将串级系统简化为两个单回路系统来整定。

2） 主副回路动作快慢相差不大时－特征方程不变的补偿法

当导前区对象和整个对象相比，迟延和惯性不够小，调节系统经过整定后，主副回路振荡频率差别不大时，这时情况就不能用上述方法整定。下面介绍另一种方法――补偿法。 步骤：

a 将串级系统做等价变换（只保证特征方程不变）：

ya

r u2W02(s)yWa2(s)W01(s)Wa1(s)r a_ _

WH2(s)

W(s)H1

r _ Wa1(s)Wa2(s)Wo2(s)Wo1(s)WH2(s)Wa1(s)WH1(s)WH1(s)

B． Wae(s)Wa1(s)Wa2(s)等效调节器

c Wae(s)的等效对象

Woe(s)Wo2(s)[Wo1(s)WH2(s)]

Wa1(s)WH1(s)d 选择Wa1(s)，构造一个动态特性较好的Woe(s)-补偿法。 e 据Woe(s)整定Wae(s)的参数，并求出Wa2(s)

该方法的优点是不必考虑主副回路互相影响，并能使系统有足够的稳定性的裕量。 3、 串级系统的工程整定方法

这种方法适用于主副回路频率相差较大的情况。 1） 先整定副调节器Wa2(s)12

a。主副调节器投入闭环，设置Wa1(s)11(11Td1S)， Ti1Sδ1=100%,Ti1=,Td1=0

副调节器的δ2较大

b。 δ2，使副回路产生等幅振荡，记下δkp2,T2k c 。 采用临界比例带法：

Wa2(s)121，δ22δkp2

Wa2(s)2）整定Wa1(s) a。 将δ2设置好

2(1T1)，δ22.2δkp2,Ti22k Tis1.2b 。设置δ1=100%,Ti1=,Td1=0

c 。闭合主副回路，δ1使主回路等幅振荡，记下δkp1,Tkp1 d． 用临界比例带法求出δ1,Ti1,Td1

e 。将主副调节器均设置好，投入闭环，观察调节过程，适当修改参数。

或用同样的步骤，使用衰减曲线法来整定参数。

§3-3 过热汽温串级控制系统

低过 喷水减温

2 高过

1 蒸汽口 r2 r1 PI1执行器 PI2

一、 过热汽温控制的任务

过热汽温控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许的范围内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温度。锅炉过热汽温是影响锅炉生产过程的安全性和经济性的主要参数。

过热汽温过高：1）管壁金属强度下降，烧坏高温段，严重影响安全；

。

2）过热汽温是汽水系统中的最高点。0+5

过热汽温过低：1）降低全厂效率：温度下降５℃－１０℃，效率下降１％

2）使汽机尾部蒸汽湿度升高，蒸汽带水，汽机叶片遭受损失，影响汽机安全。

二、过热汽温调节对象的动态特性

引起过热汽温变化的因素很多，归纳起来为： 蒸汽流量Ｄ  给水温度Tgs  喷水量Dps  喷水温度Tps  过热器吸热量Ｑ  给水量 

主要归纳为f(D,Dps,Q)

１、（蒸汽）负荷扰动下汽温对象的动态特性 途径

１）DB,V，流过对流过热器的烟温和烟量 对流过热器出口温度

２）D炉膛温度上升不多辐射过热器吸热量基本不变（Ｄ）辐射式过热器后的出口温

度

二者综合影响结果怎样？

过热汽温 由于高中压锅炉对流受热面约占６２％

当DT

特性见下图：



对流过热段 对流受热面占 62%的过热面 辐射过热面

D(%)

D ０  Tc τ=10-20s

Tc=100s

较小

较小的原因是当Ｄ扰动时，沿整个过热器流程上各点的蒸汽流速几乎同时发生变化，因而烟气

传给蒸汽的热量也几乎沿流程同时发生变化。

对D的反应较快

比较D和Dps特性，前者较小，那么似乎应该用Ｄ作为调节手段，对吗？ 其实这不可能，因为Ｄ由外界用户决定。

所以它不能满足对的调节要求，故它不能作为调节手段。 ２、烟气扰动下汽温对象的动态特性

烟气侧扰动对汽温的影响归纳起来有两条途径：

烟气温度（导热） 烟气速度（对流换热） 综合起来：

温度 管壁温度（外壁）内壁工质温度 流速

根据传热学的热平衡方程，可列出一组方程式（数学模型），求解后可得到动态特性，它和D特性相差不多。

10:20s,Tc100s，时间特性较好。

烟气侧扰动是沿过热器整个长度使烟气传热量同时发生变化，所以也可用它作为调节手段，在电厂中常利用烟气再循环改变烟气流速和流量、改变喷燃器角度等方法来调节过热器出口汽温。 但是由于：

1由于这种调节手段对具体装置要求较高，○而目前这些装置的可靠性较差，所以用烟气测来调节过热器出口温度的方法在生产上用得较少，用喷水调温方法。 2炉膛内一般希望稳定燃烧，不希望有较大的波动。 ○

3、 减温水量（Dps）扰动下汽温对象的特性

喷水减温调节过热器出口汽温是目前常用的调节手段，它是将给水的一部分喷入减温器，使之与蒸汽混合，以调节。

这里有几个问题要交代一下：

1） 设计锅炉时，额定负荷下比给定值要高（中压：+25－＋40℃，高压+40－＋60℃）。这样才有

足够多的调节余量。

2） 正常运行时，减温器是一直工作的，也即总在喷水。

3） 既然采用喷水减温调节汽温，那么减温水调节阀开度的变化就是调节作用。 动态特性：

直观的，改变V ，不会立刻影响；但最终会使变化V可设想动态特性具有下列形式:

Wo(s)k0(s)

(s)(1T0S)n0同样分析可知，导前区动态特性为:

Wo2(s)a(s)k2

(s)(1T0S)n2现场试验验证了上面的分析，两个动态特性的阶跃响应曲线如下图：





Tc0 V

０

t0 总对象：延迟和惯性较大

t

a Tc2 2 t 导前对象：延迟和惯性较小

4、 讨论

1）关于喷水减温， 目前用得最多的调节手段是

1表面式减温器：优点：锅炉热效率减低少些 ○

喷水减温 缺点：反应不灵敏

2混合式减温器：优点：反应灵敏 ○

缺点：热效率降低较多

3） 仅用过热器出口汽温的偏差来改变喷水量，其惯性较大，所以目前均采用导前汽温信号a构成串级调节系统。

三、串级过热汽温控制系统 1、系统及其整定

当采用喷水减温调节时，可得下面的方框图

D

a Wo2(s)_ 变送器 Wo1(s) 

喷水阀 变送器 执行器 Wa2(s) Wa1(s)

注意：实际应用中应注意正确连接，使调节器的正反作用与实际要求相等。如希望调节器入口信号增加时输出也增加，则调节器为正作用；反之，若调节器入口信号减少时输出也减少，则调节器为反作用。

说明三点：

1）Dps1-喷水量扰动

Dps2调节作用改变的喷水量

Dps喷水量变化

2）各环节的输入、输出和单位

3）在测试对象动态特性时，输入信号往往在执行器之前加入，故所获得对象包括Ku,Kz 这是个串级系统，前面已经学过它的整定 1） 主副回路动作相差较大

整定------副回路快速随动-------等效为比例环节 2） 主副回路动作差不多-----补偿法 2、 串级汽温系统应掌握的内容

1） 主要扰动(D,Dps,Q)对如何影响（动态特性） 2） 调节手段（及选哪个调节量）的选择原则 3） 中间点a的选择原则

4） 整定：

两个回路分别整定的条件，补偿法的基本思想。

3、例题1

r _ Wa1(s)ra iaWa2(s)Wo2(s) a Wo1(s) r2 r1

Wa2(s)121

Wa1(s)1(11) TiSrθ1=rθ2=0.1(mA/。C)

Wo(s)=Wo2(s)Wo1(s)=9(。C/mA) 5(1+18.4s){ Wo1(s)=1.125。(C/mA)} 3(1+20s)Wo2(s)=8(。C/mA)，试求主副调节器参数。 2(1+15s)解：

首先判别内外回路的惯性差别。

n2T2=215=30n0T0=518.4=92

Qn0T03n2T2，所以内外回路可以分别进行整定

1） 副调节器Wa2(s)的整定 内回路

ra ia 128(1+15s)2 a 0.1

内回路是一个二阶系统，用阻尼系数研究2的方法较方便。 特征方程为

1+180.1=0 δ2(1+15s)20.8=0 δ2225s2+30s+1+按=0.75，则阻尼系数=0.216

ζ=a1=2a0a2302151+0.8δ2=0.216

δ2=0.8=0.04

12()-10.216能否用临界比例带法？（注：a1=300，不可能等幅振荡） 2）Wa1(s)的整定

内回路看成是快速随动系统，即raiarθ2θa 则内回路等价为

a(s)ra(s)1 rθ2主回路为

r 11 (1+)δ1TiSra 1rθ2 a k1a(1+TiS)n1  0.1

先求主对象的参数：n1,T1,k1

k1=k9==1.125k28(n0T0-n2T2)2(518.4-215)2n1===3 2222n0T0-n2T2518.4-215n0T02-n2T22518.42-2152T1===20n0T0-n2T2518.4-215按n1=3，查表2-2，

Tτ=0.218,c1=3.692 Tc1T1查表4-6（阶跃响应曲线法工程整定公式）：

τ1-0.081T0.218-0.08δ1=2.6c1=2.61.125=0.5τ ρ11+0.60.218+0.6Tc1Ti=0.8Tc1=0.83.692τ1=59(s)以上是按ψ=0.75整定的，若按ψ=0.9，则：

(δ1)0.9=1.6(δ1)0.75=1.60.5=0.8(Ti)0.9=0.8(Ti)0.75=0.859=47.2(s)

例2

。。已知串级系统rθ1=0.05(mA/C),rθ2=0.1(mA/C),kz=10%/mA，喷水阀位置改变30%阶跃后，主。。汽温Vθ=21C,τ0=79s,Tco=162s，导前汽温Vθa=17.5C,τ2=12s,Tc2=49s，试整定串级系统

Wa2(s)12，Wa1(s)11(11)。 TiS解： 根据表2-2

τ212==0.245,n2=3,Tc249T2=τ212=0.8050.805

τ079==0.448,n0=6,Tc0162T0=τ079=2.812.81

n0T0=6793312=168.7>3n2T2==134 2.810.805所以主副回路可以分别整定。

1）内回路 ra 1 δ2

kZ rθ2Wo2(s) a 根据题意， Wo2(s)中已包括了喷水阀的特性 上图中等效比例带

δ211*=krδ= zθ22*δ2δ2kzrθ217.5。Ck2==0.583(。C/%)30%1ρ2==1.715(%/。C)k2ε2ρ2τ2=对象Wo2(s)Qτ212==0.245Tc249

τ2>0.2Tc21ε2ρ2τ2-0.08=0.26ρ2ε2ρ2τ2+0.7δ2*=2.6Qδ2*=δ2kzrθ2δ2=δ2*kzrθ2=0.260.110=0.262）外回路

r 11 (1+)δ1TiS1rθ2 Wo1(s)  rθ1 这里注意： Wo1(s)=Wo(s)Wo(s)=Wo(s)2

Wo2(s)k2若将Wo(s)看作是被控对象，则其余的环节可看作是等效调节器， 所以等效调节器为：

Wa1*(s)=11111(1+)ρ2rθ1=(1+)δ1rθ2δ1Ti1Srθ2Ti1Sρ2rθ1B11(1+)δ1*Ti1SWo(s)k0=21=0.7(。C/%)30%τ79ε0ρ0τ0=0==0.49Tc01620=Q111.43k00.7τ0>0.2Tc01ε0ρ0τ0-0.08=ρ0ε0ρ0τ0+0.6δ1*=2.6Qδ1*=δ1rθ2ρ2rθ1*1δ1=δ2rθ1/rθ2=Ti1=0.8Tc00.8*162129（查表4-6）

第三章思考题：

1．串级控制系统如何避免主副回路产生共振？ 2．设计副控回路时应当注意什么？

3．如何选择串级控制系统的主副调节器？