热工控制系统课堂第七章前馈反馈复合控制系统

第 七 章 前 馈 反 馈 复 合 控 制 系 统第 六 节 带 冲 击 负 荷 锅 炉 的 给 水 控 制 系 统第 一 节 前 馈 控 制 系 统 的 组 成第 二 节 前 馈 控 制 系 统 的 特 点第 三 节 复 合 控 制 系 统 特 性 分 析第 四 节 复 合 控 制 系 统 实 例 分 析 三 冲 量 给 水 控 制 系 统第 五 节 串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 实 例 分 析 第 一 节 前 馈 控 制 系 统 的 组 成 如 果 干 扰 已 经 发 生 ， 而 被 调 参 数 还 未 变 化 时 ， 调 节 器 是 不 会动 作 的 。 即 反 馈 控 制 总 是 落 后 于 干 扰 作 用 。 因 此 称 之 为 “ 不 及 时 控制 ” 。 前 两 章 讨 论 的 串 级 、 导 前 微 分 系 统 都 是 反 馈 控 制 ， 它 是 根 据被 调 参 数 的 偏 差 值 来 控 制 的 。反 馈 控 制 的 特 点 : 必 须 在 被 调 量 与 给 定 值 的 偏 差 出 现 后 ， 调 节 器 才 能 对 其 进 行调 节 来 补 偿 干 扰 对 被 调 量 的 影 响 。 在 热 工 控 制 系 统 中 ， 由 于 被 控 对 象 通 常 存 在 一 定 的 纯 滞 后 和容 积 滞 后 ， 因 而 从 干 扰 产 生 到 被 调 量 发 生 变 化 需 要 一 定 的 时 间 。 从 偏 差 产 生 到 调 节 器 产 生 控 制 作 用 以 及 操 纵 量 改 变 到 被 控 量（ 被 调 量 ） 发 生 变 化 又 要 经 过 一 定 的 时 间 。 可 见 ， 这 种 反 馈 控 制 方 案 的 本 身 决 定 了 无 法 将 干 扰 对 被 控 量的 影 响 克 服 在 被 控 量 偏 离 设 定 值 之 前 ， 从 而 限 制 了 这 类 控 制 系 统控 制 质 量 的 进 一 步 提 高 。 考 虑 到 偏 差 产 生 的 直 接 原 因 是 干 扰 作 用 的 结 果 ， 如 果 直 接 按扰 动 而 不 是 按 偏 差 进 行 控 制 ， 也 就 是 说 ， 当 干 扰 一 出 现 调 节 器 就直 接 根 据 检 测 到 的 干 扰 大 小 和 方 向 按 一 定 规 律 去 进 行 控 制 。 结 论 ： 若 系 统 中 的 调 节 器 能 根 据 干 扰 作 用 的 大 小 和 方 向 就 对 被调 介 质 进 行 控 制 来 补 偿 干 扰 对 被 调 量 的 影 响 ,则 这 种 控 制 就 叫 做“ 前 馈 控 制 ” 或 “ 扰 动 补 偿 ” 。 由 于 干 扰 发 生 后 被 控 量 还 未 显 示 出 变 化 之 前 ， 调 节 器 就 产 生了 控 制 作 用 ， 这 在 理 论 上 就 可 以 把 偏 差 彻 底 消 除 。 按 照 这 种 理 论 构 成 的 控 制 系 统 称 为 前 馈 控 制 系 统 ， 显 然 ， 前馈 控 制 对 于 干 扰 的 克 服 要 比 反 馈 控 制 系 统 及 时 得 多 。 当 被 加 热 水 流 量 发 生 变 化 时 ， 若 蒸 汽 量 不 发 生 变 化 ， 而 要 使出 口 温 度 保 持 不 变 ， 就 必 须 在 被 加 热 水 量 发 生 变 化 的 同 时 改 变 蒸汽 量 。 这 就 是 一 个 前 馈 控 制 系 统 。 Y( 1)WDZ（ S） W D（ S）WB（ S）KBZ + 图 7 1 前 馈 控 制 原 理 框 图 下 面 以 换 热 器 为 例 说 明 ：前 馈 控 制 系 统 的 原 理 框 图 如 图 7 1所 示 ： 换 热 器 是 用 蒸 汽 的 热 量 加 热 排 管 中 的 料 液 ， 工 艺 上 要 求 料 液出 口 温 度 一 定 。 图 中 ， KB： 测 量 变 送 器 的 变 送 系 数 ；WDZ(S)： 干 扰 通 道 对 象 传 递 函 数 ；WD(S)： 控 制 通 道 对 象 传 递 函 数 ；WB(S)： 前 馈 控 制 装 置 或 前 馈 调 节 器 的 传 递 函 数 。 第 二 节 前 馈 控 制 系 统 的 特 点 实 现 对 干 扰 完 全 补 偿 的 关 键 是 确 定 前 馈 控 制 器 （ 前 馈 调 节 器 ）的 控 制 作 用 ， 显 然 WB(S)取 决 于 对 象 控 制 通 道 和 干 扰 通 道 特 性 。由 图 7-1得 : SzSWSWKSWSY DBBDz 理 想 的 情 况 下 ， 针 对 某 种 扰 动 的 前 馈 控 制 系 统 能 够 完 全 补 偿因 扰 动 而 引 起 的 对 被 调 量 的 影 响 。 Y( 1)WDZ（ S） W D（ S）WB（ S）KBZ + 图 7 1 前 馈 控 制 原 理 框 图 式 中 Z(S)是 干 扰 ， Y(S)是 干 扰 引 起 的 输 出 。 在 理 想 的 情 况 下 ，经 过 前 馈 控 制 以 后 ， 被 调 量 不 变 ， 即 实 现 了 所 谓 “ 完 全 补 偿 ” ， 此时 ： 0 SWSWSWSz SY DBDz令 KB=1则 有 ： Y Sz S W S W S W SDz B D 所 以 ,前 馈 控 制 器 控 制 规 律 为 ： W S W SW S B D zD (7-1) 式 （ 7 1） 说 明 前 馈 控 制 的 控 制 规 律 完 全 是 由 对 象特 性 决 定 的 ， 它 是 干 扰 通 道 和 控 制 通 道 传 递 函 数 之 商 ，式 中 负 号 表 示 控 制 作 用 的 方 向 与 干 扰 作 用 相 反 。 如 果 WD(S)和 WDZ(S)可 以 很 准 确 测 出 ， 且 WB(S)完 全 和式 (7-1)确 定 的 特 性 一 致 ， 则 不 论 干 扰 信 号 是 怎 样 的 形 式 ，前 馈 控 制 都 能 起 到 完 全 补 偿 的 作 用 ， 从 而 使 被 调 量 因 干 扰而 引 起 的 动 态 和 稳 态 偏 差 均 为 零 。 第 三 节 复 合 控 制 系 统 特 性 分 析 正 如 前 面 所 述 ， 前 馈 控 制 能 依 据 干 扰 值 的 大 小 在 被 调 参数 偏 离 给 定 值 之 前 进 行 控 制 ， 使 被 调 量 始 终 保 持 给 定 值 。这 样 一 个 看 起 来 相 当 完 美 的 控 制 方 式 也 有 其 局 限 性 。 首 先 ， 表 现 在 前 馈 控 制 系 统 中 不 存 在 被 调 量 反 馈 ， 即 对于 补 偿 结 果 没 有 检 验 的 手 段 。 因 而 ， 当 前 馈 作 用 并 没 有 最 后消 除 偏 差 时 ， 系 统 无 法 得 知 这 一 信 息 而 将 作 进 一 步 的 校 正 。 其 次 ， 由 于 实 际 工 业 对 象 存 在 着 多 个 干 扰 ， 为 了 补 偿 它们 对 被 调 量 的 影 响 ， 势 必 设 计 多 个 前 馈 通 道 ， 增 加 了 投 资 费用 和 维 护 工 作 量 。 此 外 ， 当 干 扰 通 道 的 时 间 常 数 小 于 控 制 通 道 的 时 间 常 数时 ， 不 能 实 现 完 全 补 偿 。 再 者 ， 前 馈 控 制 模 型 的 精 度 也 受 到 多 种 因 素 的 限 制 ， 对象 特 性 受 负 荷 和 工 况 等 因 素 的 影 响 而 产 生 偏 移 ， 必 然 导 致WD(S)和 WDZ(S)的 变 化 ,因 此 一 个 事 先 固 定 的 前 馈 模 型 不 可 能获 得 良 好 的 控 制 质 量 。 工 程 实 际 中 ， 为 克 服 前 馈 控 制 的 局 限 性 从 而 提 高 控 制 质量 ， 对 一 两 个 主 要 扰 动 采 取 前 馈 补 偿 ， 而 对 其 它 仪 器 被 调 参数 变 化 的 干 扰 采 用 反 馈 控 制 来 克 服 。以 这 种 形 式 组 成 的 系 统 称 为 前 馈 反 馈 复 合 控 制 系 统 。 前 馈 反 馈 复 合 控 制 系 统 既 能 发 挥 前 馈 调 节 控 制 及 时 的 优 点 ，又 能 保 持 反 馈 控 制 对 各 种 扰 动 因 素 都 有 抑 制 作 用 的 长 处 ， 因 此 得 到广 泛 应 用 。复 合 控 制 系 统 具 有 以 下 几 个 特 点 :一 、 引 入 反 馈 控 制 后 ， 前 馈 控 制 中 的 完 全 补 偿 条 件 不 变图 7 2为 前 馈 反 馈 复 合 控 制 系 统 的 原 理 方 框 图 ：WB（ S） WDZ（ S）WT（ S） WD（ S） YX Z+ - +图 7-2 复 合 控 制 系 统 原 理 方 框 图 由 图 可 得 ,没 有 加 入 反 馈 作 用 时 完 全 补 偿 条 件 为 ： W S W SW SB DzD 加 上 反 馈 后 有 ： y S W S W SW S W S x S W S W S W SW S W S z ST D T D B D DzT D 1 1 WB（ S） WDZ（ S）WT（ S） WD（ S） YX Z+- +图 7-2 复 合 控 制 系 统 原 理 方 框 图 上 式 中 ,X(S)=0,Z(S) 0,应 用 不 变 性 原 理 有 ： W S W S W SW S W SB D DzT D 1 0即 ： W S W SW SB DzD 而 如 果 不 加 前 馈 作 用 ,即 若 WB(S)=0， 显 然 ： SzSWSW SWSxSWSW SWSWSy DT DzDT DT 11由 于 WDZ(S) 0， 因 此 扰 动 对 系 统 输 出 是 有 影 响 的 。 二 、 复 合 控 制 系 统 补 偿 控 制 的 控 制 规 律 不 仅 与 对 象 控 制 通道 和 干 扰 通 道 有 关 ， 还 与 反 馈 调 节 器 的 位 置 有 关 若 复 合 控 制 系 统 的 组 成 如 图 7 3所 示 ， 反 馈 调 节 器 与图 7 2相 比 ， 不 是 放 在 前 馈 信 号 前 面 ， 而 是 放 在 它 的 后 面 ，则 有 ： W DZ（ S）WT（ S） WD（ S） YX - +WB（ S） Z+ 图 7 3 复 合 控 制 系 统 原 理 方 框 图 之 二 可 得 完 全 补 偿 的 条 件 ： SWSW SWSW DT DzB 由 图 7-3得 ： y S W S W SW S W S x S W S W S W S W SW S W S z ST DT D B T D DzT D 1 1 WDZ（ S）WT（ S） WD（ S） YX - +WB（ S） Z+ 图 7 3 复 合 控 制 系 统 原 理 方 框 图 之 二 三 、 复 合 控 制 时 ， 扰 动 对 输 出 的 影 响 要 比 纯 前 馈 时 小 得 多 为 便 于 比 较 ， 设 系 统 为 定 值 控 制 ， 即 X(S)=0， 专 门 讨 论 扰 动Z(S)对 系 统 的 影 响 。 因 为 前 馈 控 制 不 可 能 完 全 补 偿 ， 即 Y(S)的 第 二项 不 可 能 完 全 为 零 ， 令 其 为 (S)， 那 么 ， 纯 前 馈 控 制 时 ： SzSSzSWSWSWSy DBDz 1加 入 反 馈 后 则 ： y S SW S W S z S T D1 1 因 为 1+WT(S)WD(S) 1， 所 以 ： Y1 (S) Y1(S)对 于 其 他 未 经 过 补 偿 的 扰 动 作 用 也 有 类 似 的 结 果 。 四 、 前 馈 补 偿 对 于 系 统 的 稳 定 性 没 有 影 响 这 一 点 是 显 而 易 见 的 ， 因 为 前 馈 无 论 加 在 什 么 位 置 ，它 都 不 构 成 回 路 ， 系 统 的 输 入 输 出 传 递 函 数 的 分 母均 保 持 不 变 ， 因 而 不 会 影 响 系 统 的 稳 定 性 。 第 四 节 复 合 控 制 系 统 实 例 分 析 三 冲 量 给 水 控 制 系 统一 、 给 水 控 制 的 任 务 汽 包 锅 炉 给 水 控 制 的 任 务 是 使 给 水 量 适 应 锅 炉 蒸 发 量 ， 并 使 汽包 中 的 水 位 保 持 在 一 定 范 围 内 。 具 体 要 求 有 以 下 两 个 方 面 ： （ 1） 维 持 汽 包 水 位 在 一 定 范 围 内 。 汽 包 水 位 是 影 响 锅 炉 安 全 运行 重 要 因 素 。 水 位 过 高 ， 会 破 坏 汽 水 分 离 装 置 的 正 常 工 作 ， 严 重 时会 导 致 蒸 汽 带 水 增 多 ， 因 而 增 加 在 过 热 器 管 壁 上 和 汽 轮 机 叶 片 上 的结 垢 ， 甚 至 使 汽 轮 机 发 生 水 冲 击 而 损 坏 叶 片 ； 水 位 过 低 ， 则 会 破 坏水 循 环 ， 引 起 水 冷 壁 破 裂 。 （ 2） 保 持 稳 定 的 给 水 量 。 给 水 量 不 应 该 时 大 时 小 地 剧 烈 波 动 , 否 则 ， 将 对 省 煤 器 和 给 水 管 道 的 安 全 运 行 不 利 。 二 、 给 水 控 制 对 象 的 动 态 特 征 影 响 水 位 的 因 素 主 要 有 ： 锅 炉 蒸 发 量 （ 负 荷 D） ， 给 水 量 G， 炉膛 热 负 荷 （ 燃 烧 率 M） ， 汽 包 压 力 。 控 制 系 统 的 物 质 平 衡 方 程 为 ： dtDGDdtGdtdHF 将 上 式 进 一 步 变 换 得 ： DGdtdHF 令 ， 则 上 式 变 为 ： FC C d Hd t G D 容 量 系 数 是 用 来 表 征 锅 炉 的 结 构 系 数 的 ， 而 它 的 动 态 特 性 则往 往 用 飞 升 速 度 或 飞 升 时 间 来 表 征 。 对 于 汽 包 炉 来 说 ， 由 飞 升 速 度 的 定 义 知 ： dydt z dHdt H C G DH max max max maxmax 1 把 扰 动 量 即 水 位 变 化 量 转 成 用 相 对 量 表 示 的 水 位 变 化 范 围 ， 通常 的 水 位 允 许 变 化 范 围 为 200mm， 这 个 范 围 扰 动 量 的 相 对 极 限 制 为100%。 上 式 中 : dHdt C G D max max1 右 边 一 项 表 示 汽 包 内 工 质 的 变 化 量 ， 当 给 水 量 0， 而 蒸 发量 为 最 大 时 ， 变 化 量 最 大 ， 因 此 有 ：dHdt C D max max1可 见 这 时 的 扰 动 量 是 下 降 的 。 故 有 ： FHDHDC 11 maxmaxmaxmax式 中 :： Dmax 锅 炉 最 大 的 蒸 发 量 ； Hmax水 位 变 化 允 许 的 范 围 。 飞 升 时 间 Ta为 ： Ta 1 对 于 蒸 发 量 为 100230t/h的 单 汽 包 炉 ， 当 水 位 变 化 100mm时 Ta 60-30s， 对 于 蒸 发 量 为 更 大 的 汽 包 炉 Ta 30s， 它 的 意 义 在 于 当锅 炉 在 满 负 荷 运 行 时 ， 如 果 突 然 停 止 供 水 ， 则 由 于 蒸 发 量 和 给 水 量的 不 平 衡 造 成 水 位 迅 速 下 降 ， 在 30s内 将 下 降 200mm或 者 换 句 话 说 ，如 果 给 水 量 减 少 10 %， 经 过 30s的 时 间 ， 水 位 将 下 降 20mm。 下 面 分 别 讨 论 各 种 扰 动 下 水 位 变 化 的 动 态 特 性 。 （ 一 ） 给 水 量 扰 动 下 水 位 变 化 的 动 态 特 性H 12 2 1图 7-4 给 水 量 扰 动 时 水 位 阶 跃 响 应 曲 线 图 7-4中 曲 线 1为 沸 腾 式 省 煤 器 情 形 下 水 位 动 态 特 性 。 曲 线 2则是 非 沸 腾 式 省 煤 器 时 的 水 位 动 态 特 性 。水 位 在 给 水 扰 动 下 的 传 递 函 数 可 表 示 为 ： 1 1H S G S S TS TS S 水 位 对 象 可 近 似 认 为 是 一 个 积 分 环 节 和 一 个 惯 性 环 节 串 联 的 形式 。 用 一 阶 近 似 表 示 时 ： H S G S S e s . （ 二 ） 蒸 汽 流 量 扰 动 下 水 位 的 动 态 特 性 T 2 D tH2(t)H1(t) H(t)H 图 7-5蒸 汽 量 D 扰 动 下 水 位 阶 跃 响 应 曲 线 如 果 只 从 物 质 平 衡 的 角 度 来看 ， 蒸 发 量 突 然 增 加 时 ， 蒸 发 量高 于 给 水 量 ， 汽 包 水 位 是 无 自 平衡 能 力 的 ， 所 以 水 位 应 该 直 线 下降 ， 如 图 7-5中 所 示 那 样 。 其 原 因 负 荷 增 加 ， 在 汽 水 循环 回 路 中 蒸 发 强 度 也 将 成 比 例 增加 ， 水 面 下 汽 包 的 容 积 增 加 得 也很 快 ， 此 时 燃 烧 量 M还 来 不 及 增加 ， 汽 包 中 汽 压 下 降 ， 汽 泡 膨 胀 ，使 汽 泡 体 积 增 大 而 水 位 上 升 。 但 实 际 水 位 是 先 上 升 再 下 降 ， 这 种 现 象 称 为 “ 虚 假 水 位 ” 现象 ， 如 图 中 H(t)所 示 。 如 图 7-5中 曲 线 H2(t)所 示 。 在 开 始 的 一 段 时 间 H2(t)的 作 用 大 于H 1(t)。 当 过 了 一 定 时 间 后 ， 当 汽 泡 容 积 和 负 荷 相 适 应 而 达 到 稳 定后 ， 水 位 就 要 反 映 出 物 质 平 衡 关 系 而 下 降 。 T2 D tH2(t)H1(t) H(t)H 图 7-5蒸 汽 量 D 扰 动 下 水 位 阶 跃 响 应 曲 线 因 此 ， 水 位 的 变 化 应 是 上 述 两 者 之 和 ,即 ： tHtHtH 21 传 递 函 数 也 为 两 者 之 代 数 和 ： H SD S KT S S 221 （ 三 ） 炉 膛 负 荷 扰 动 下 水 位 变 化 的 动 态 特 性此 处 的 炉 膛 负 荷 扰 动 即 是 指 燃 料 量 M的 扰 动 。 燃 料 量 增 加 时 ， 锅 炉 吸 收 更 多 的 热 量 ， 使 蒸 发 强 度 增 大 ， 如果 不 调 节 蒸 汽 阀 门 ， 由 于 锅 炉 出 口 汽 压 提 高 ， 蒸 汽 流 量 也 增 大 ，这 时 蒸 发 量 大 于 给 水 量 ， 水 位 应 下 降 。 当 蒸 发 量 与 燃 烧 量 相 适 应 时 ， 水 位 便 会 迅 速 下 降 ， 这 种 “ 虚 假水 位 ” 现 象 比 蒸 汽 量 扰 动 时 要 小 一 些 ， 但 其 持 续 时 间 却 更 长 。 为 了 保 证 汽 压 的 稳 定 ， 燃 料 量 和 蒸 发 量 必 须 保 持 平 衡 ， 所 以 这两 者 往 往 是 一 起 变 化 的 ， 只 是 先 后 的 差 别 。 但 由 于 在 热 负 荷 增 加 时 蒸 发 强 度 的 提 高 ， 使 汽 水 混 和 物 中 的汽 泡 容 积 增 加 ， 而 且 这 种 现 象 必 然 先 于 蒸 发 量 增 加 之 前 发 生 ， 从而 使 汽 包 水 位 先 上 升 ， 引 起 虚 假 水 位 ” 现 象 。 影 响 水 位 的 因 素 除 此 之 外 ， 还 有 给 水 压 力 ， 汽 包 压 力 ， 汽 轮机 调 速 汽 门 开 度 ， 二 次 风 分 配 等 。不 过 这 些 因 素 几 乎 都 可 以 用 D、 M、 G的 变 化 体 现 出 来 。给 水 扰 动 是 内 扰 ， 其 他 是 外 扰 。 三 、 给 水 自 动 控 制 系 统 的 基 本 要 求 根 据 上 述 给 水 控 制 系 统 对 象 动 态 特 性 的 分 析 ， 给 水 控 制 系 统 应符 合 以 下 基 本 要 求 ： 其 次 ， 由 于 对 象 在 蒸 汽 量 D 扰 动 下 ， 水 位 阶 跃 反 应 曲 线 表 现 相互 有 “ 虚 假 水 位 “ 现 象 ， 这 种 现 象 反 应 速 度 比 内 扰 快 ， 为 了 克 服 ”虚 假 水 位 “ 现 象 对 控 制 的 不 利 影 响 ， 应 考 虑 引 入 蒸 汽 流 量 的 补 偿 信号 。 首 先 ， 由 于 被 控 对 象 在 给 水 量 G 扰 动 下 的 水 位 阶 跃 反 应 曲 线表 现 为 无 自 平 衡 能 力 ， 且 有 较 大 的 迟 延 ， 因 此 必 须 采 用 带 比 例 作用 调 节 器 以 保 证 系 统 的 稳 定 性 。 第 三 ， 给 水 压 力 是 有 波 动 的 ， 为 了 稳 定 给 水 量 ， 应 考 虑 将 给水 量 信 号 作 为 反 馈 信 号 ， 用 于 及 时 消 除 内 扰 。 四 、 前 馈 反 馈 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 但 由 于 流 量 G对 水 位 H的 影 响 ， 其 迟 延 要 比 蒸 汽 量 D对 H的 影 响 要大 ， 用 H作 为 反 馈 信 号 去 控 制 不 够 及 时 ， 使 得 其 动 态 偏 差 增 大 。 前 馈 反 馈 复 合 控 制 系 统 能 补 偿 由 于 外 扰 D引 起 的 水 位 变 化， 克 服 虚 假 水 位 的 影 响 ， 改 善 了 控 制 品 质 ， 比 单 冲 量 反 馈 控 制 要优 越 的 多 。 为 了 克 服 这 一 不 足 ， 引 入 另 外 一 个 反 馈 信 号 即 给 水 流 量 信 号， 构 成 一 个 新 型 的 复 合 控 制 系 统 ， 称 作 前 馈 反 馈 三 冲 量 给 水控 制 系 统 。 （ 一 ） 系 统 结 构 前 馈 反 馈 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 的 原 理 框 图 如 图 7-6所 示 ，因 为 系 统 中 只 用 了 一 个 调 节 器 ， 而 调 节 器 的 输 入 有 三 个 ， 因 此 称 之为 单 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 。 这 种 系 统 与 双 冲 量 系 统 相 比 ， 多 了 一 个 流 量 反 馈 信 号 ， 给 水 量G发 生 变 化 时 ， 流 量 信 号 自 然 要 比 水 位 信 号 快 得 多 。 HWT(S) WDZ(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH DVH -HnGVG-+Vg -+ T VT G + +H1 H2VD DnDVD VG 图 7-6 单 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图 图 中 标 出 的 为 内 回 路 ， II为 主 回 路 （ 外 回 路 ） ， III为 前 馈 通 路 。 （ 二 ） 调 节 器 正 反 作 用 开 关 及 入 口 信 号 接 线 极 性 图 7-6中 各 信 号 接 入 调 节 器 的 极 性 ： 水 位 H上 升 时 （ V H下 降 ） 调 节 器 应 关 小 阀 门 ， 是 负 反 馈 ， 所 以信 号 VH 的 极 性 为 “ 正 接 ” ； HWT(S) WDZ(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH DVH -HnGVG-+Vg -+ T VT G + +H1 H2VD DnDVD VG 图 7-6 单 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图 图 中 标 出 的 为 内 回 路 ， II为 主 回 路 （ 外 回 路 ） ， III为 前 馈 通 路 。 当 蒸 汽 量 D 增 大 时 (VD 也 增 大 )nDVD也 增 大 ， 调 节 器 应 开 大 阀门 ， 所 以 nDVD 的 极 性 应 是 “ 正 接 ” ； 当 给 水 流 量 增 大 时 （ VG也 增 大 ） nGVG 也 增 大 ， 调 节 器 应 关小 阀 门 ， 是 负 反 馈 ， 所 以 nGVG的 极 性 应 是 “ 反 接 ” 。 内 部 给 定 信 号 Vg 与 水 位 信 号 VH 相 平 衡 ， VH 极 性 为 “ 正 ” ，则 Vg的 极 性 为 “ 负 ” 。 HWT(S) WDZ(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH DVH -HnGVG-+Vg -+ T VT G + +H1 H2VD DnDVD VG 图 7-6 单 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图 图 中 标 出 的 为 内 回 路 ， II为 主 回 路 （ 外 回 路 ） ， III为 前 馈 通 路 。 （ 三 ） 控 制 系 统 的 静 态 特 性 参 照 图 7-6， 设 调 节 器 采 用 PI 调 节 规 律 ， 静 态 时 ,输 入 增 量 为 0,输 出 为 定 值 ， 即 有 如 下 关 系 ： 0 GGDDgH InInIII上 式 可 变 为 ： I I n I n I g H D D G G Kg 为 将 给 定 值 电 压 Vg转 化 成 给 定 水 位 HG的 转 换 系 数 ；IH = -H H H为 水 位 测 量 变 送 器 传 递 系 数 ， 负 号 表 示 与 VH变 化 方 向相 反 ； Ig = KgHg IG = GG G 为 给 水 流 量 测 量 变 送 器 的 传 递 系 数 ；所 以 上 式 可 变 为 ： HH KgHg nDDD nGGGID = DD D 为 蒸 汽 流 量 测 量 变 送 器 的 传 递 系 数 ；若 忽 略 排 污 则 有 G D， 上 式 变 为 ： 当 D=D 0， H=Hg 时 可 得 ：gH Hg Kg H g (nDgD nG gG D0 （ 7-2）（ 7-1） HH KgHg （ nD D nG G） D 式 7-1与 式 7-2相 减 得 ： H H n n D Dg D D G GH g gg 0依 据 上 式 可 有 以 下 三 个 结 论 ： n n D D G G g g(1) 时 ,H Hg， 为 无 差 调 节 。GGDD nn gg (2) 时 , 越 大 ,H与 Hg负 差 值 越 大 。 这 是 一 根 向 下特 性 曲 线 。 GGDD nn gg (3) 时 ,D越 大 ,H与 Hg正 差 值 越 大 。 这 是 一 根 向 上 的特 性 曲 线 。 （ 四 ） 控 制 系 统 的 参 数 整 定 ： 以 给 定 值 V g为 基 值 ， 考 虑 增 量 情 况 ， V=VH+VD ， 这 时 可 把 它当 作 一 单 回 路 来 分 析 。 如 果 把 调 节 器 分 压 系 数 以 外 的 环 节 看 作 是 调节 对 象 ,那 么 广 义 调 节 对 象 ： 内 回 路 等 效 图 如 下 : 是 一 个 近 似 的 比 例 环 节 ， 因 此 调 节 器 的 比 例 带 和 积 分 时 间 都 可以 取 得 很 小 ， 具 体 值 可 以 通 过 试 探 法 来 决 定 ， 以 保 证 内 回 路 不 振 荡为 目 的 。 W S V SV S K KD GT f z G内 * g 一 般 取 积 分 时 间 Ti=10s,试 探 过 程 中 可 任 意 设 定 nG值 ,得 到 一满 意 比 例 带 ,再 次 改 变 nG值 ,改 变 时 必 须 保 持 nG/ 保 持 不 变 ,即 保证 内 回 路 的 开 环 放 大 系 数 不 变 。 在 试 探 时 可 将 外 回 路 开 路 ,切 除 水 位 信 号 ,使 VH=0,设 置 Ti和 /n G值 ,手 动 操 作 给 水 阀 门 ,使 给 水 量 产 生 一 个 阶 跃 变 化 后 立 即 投入 自 动 ,观 察 给 水 量 过 渡 过 程 曲 线 形 状 ,能 快 速 稳 定 即 可 。 主 回 路 中 为 快 速 副 回 路 的 等 效 环 节 ， 把 WD1(S)和 H看 作 一个 等 效 调 节 器 所 控 制 的 对 象 ， 则 ： 1 nG Gg W S VG W SD H H D外 * g 1主 回 路 方 框 图 如 下 所 示 : 从 内 、 外 回 路 的 比 例 带 来 看 ， 给 水 流 量 的 分 流 系 数 nG对 内 外 回路 的 影 响 正 好 是 相 反 的 ， nG若 增 大 ， 主 回 路 稳 定 性 增 强 ， 副 回 路 则减 弱 ， 反 之 则 情 况 相 反 。 另 外 ， WD1(S)的 对 象 特 性 可 用 试 验 方 法 测 得 ， 它 实 际 上 就 是 水位 在 G 扰 动 下 ， IH 的 变 化 曲 线 ， 从 曲 线 上 可 求 出 飞 升 速 度 ， 迟 延 ， 则 ： 外 nG G g 而 则 是 一 个 常 数 ,这 是 一 个 等 效 比 例 调 节 器 ， 比例 带 ： W nG G内 1 g g外* nG G SWSW SWSW nSWnSW DT DB GGTDDB 12: 1, 完 全 补 偿 的 条 件 为而令 gg 前 馈 部 分 对 系 统 稳 定 性 没 有 影 响 ， 因 此 在 整 定 前 馈 通 路 时 可 以独 立 考 虑 ： 把 WB(S)和 WT(S)的 值 代 入 得 ： n n W SW SD G GD DD gg 21整 定 的 实 质 就 是 确 定 分 压 系 数 nD的 值 。 由 上 式 可 知 ： nD为 一 复 杂 的 动 态 环 节 ， 一 般 按 静 态 特 性 整 定 ，即 要 求 在 负 荷 不 同 的 情 况 下 ， 水 位 均 无 静 差 ， 如 前 ， 其 条 件 为 ： DDGG nn gg 通 常 有 ： DG gg 故 ： DG nn n nG G D Dg g（ 3） 根 据 无 静 差 要 求 ， 整 定 nD 值 ， 使 。 （ 2） 根 据 水 位 在 内 扰 时 的 动 态 特 性 ， 整 定 外 回 路 等 效 调 节 器的 比 例 带 ， 即 确 定 nG值 ， 在 改 变 值 nG时 ， 要 保 证 已 整 定 好 的 比 值 /nG不 变 。 综 上 所 述 ， 我 们 可 以 得 出 前 馈 反 馈 三 冲 量 给 水 系 统 的 整 定步 骤 ： （ 1） 按 照 迅 速 消 除 内 扰 、 稳 定 给 水 量 的 要 求 用 试 凑 法 整 定 内回 路 PI调 节 器 的 比 例 带 /nG值 和 积 分 时 间 Ti值 。 第 五 节 串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 实 例 分 析串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 的 原 理 图 如 下 图 7-7所 示 ： 这 个 系 统 中 使 用 了 两 个 调 节 器 ， 构 成 串 级 控 制 系 统 。 如 图 示 ， 这 个 系统 也 有 三 个 回 路 ： 即 I为 副 回 路 ， II为 主 回 路 ， III为 前 馈 回 路 。 图 7-7 串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图WT2(S) WDZ(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH DIH -HnGIG-Ig - + IT2 G + +H1 H2ID DnDID VG WT1(S) + 下 面 讨 论 主 、 副 调 节 器 的 参 数 整 定 问 题 ： 为 保 证 被 调 量 无 静 差 ， 主 调 节 器 采 用 PI控 制 规 律 ， 副 调 节 器 采用 PI 或 P 控 制 规 律 ， 副 调 节 器 接 受 三 个 输 入 信 号 ， 信 号 之 间 有 静态 配 合 问 题 ， 但 系 统 的 静 态 特 性 由 主 调 节 器 决 定 ， 因 此 蒸 汽 流 量 信号 并 不 要 求 与 给 水 流 量 信 号 相 等 。 副 回 路 的 作 用 主 要 为 快 速 消 除 内 扰 ， 主 回 路 用 于 校 正 水 位 偏差 ， 而 前 馈 通 路 则 用 于 补 偿 外 扰 ， 主 要 用 于 克 服 虚 假 水 位 现 象 。 （ 1） 副 回 路 与 单 级 情 况 一 样 ， 可 看 作 是 一 个 随 动 系 统 ， 把 调 节阀 和 管 道 系 统 作 为 被 调 对 象 ， 则 作 为 Kf 以 外 的 环 节 都 作 为 等 效 调节 器 。 W S SG S n K W ST G G z T2 2* g图 7-7 串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图WT2(S) WDZ(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH DIH -HnGIG-Ig - + IT2 G + +H1 H2ID DnDID VG WT1(S) + 上 式 表 明 ， 副 回 路 的 等 效 调 节 器 也 可 看 作 一 个 PI 规 律 的 调 节 器 。 g2 22 2 12* G G zi i n KT T 若 的 PI调 节 规 律 ， 则 ： W S T ST i2 2 21 1 1采 用 形 如 *2 2 211G G zT iS n KW S G S T S g 式 中 ： 2为 副 调 节 器 的 比 例 带 ； Ti2为 副 调 节 器 的 积 分 时 间 。 （ 2） 主 回 路 整 定 是 建 立 在 副 回 路 可 以 等 效 为 一 个 快 速 比 例 环节 基 础 上 。 把 WD1(S)看 成 是 被 控 对 象 ， 其 余 的 环 节 可 看 成 是 等 效 调节 器 ， 则 ： W S G SH S n W ST HG G T1 1* gg图 7-7 串 级 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 原 理 框 图 WDZ(S)WD1(S)1/nGGnD H DIH -HIg - + G + +H1 H2ID DnDID WT1(S) + 若 ： W S T ST i1 1 11 1 1 STnSW iGG HT 11*1 11g g也 是 一 个 PI规 律 的 调 节 器 ： )2( T=T )1( 1*1 1*1 ii HGG ng g （ 3） 前 馈 通 路 中 nD的 选 择 是 基 于 “ 虚 假 水 位 ” 情 况 而 定 的 。前 馈 通 路 中 完 全 补 偿 条 件 为 ： g g gD D DG G D G G DDn W Sn W S n W SW S 2 1 211 n n W SW S D G GD DD gg 21 若 前 馈 通 道 的 设 计 只 考 虑 静 态 补 偿 ， 且 WD1(S) 与 WD2(S)的 静 态比 值 为 一 常 数 K， 则 有 ： G GD Dnn Kgg 其 中 K是 虚 假 水 位 现 象 决 定 的 常 数 ， 虚 假 水 位 现 象 严 重 时 ， K值大 ， 反 之 K值 小 。 负 号 表 示 前 馈 调 节 方 向 与 虚 假 水 位 方 向 相 反 。 在 负 荷 开 始 变 化 时 ,为 使 蒸 汽 流 量 信 号 更 好 地 补 偿 虚 假 水 位 现象 ,改 善 负 荷 扰 动 时 调 节 过 程 质 量 ,一 般 使 蒸 汽 流 量 信 号 大 大 高 于 给水 流 量 信 号 ,即 令 K 1。 则 ： 1 KnnKn GGGGDD ggg 1K n D GGD nK则若 gg 第 六 节 带 冲 击 负 荷 锅 炉 的 给 水 控 制 系 统 承 担 冲 击 负 荷 锅 炉 ,其 给 水 控 制 系 统 主 要 任 务 是 在 适 应 负 荷 要求 的 情 况 下 ,尽 可 能 降 低 水 位 波 动 ,同 时 使 给 水 量 的 波 动 不 过 于 剧 烈 。 在 一 个 电 网 中 ,如 存 在 带 冲 击 负 荷 的 设 备 （ 如 大 型 轧 钢 厂 ） ,它 们 将 给 电 网 带 来 冲 击 负 荷 。 这 就 需 要 某 些 机 组 频 繁 参 与 调 峰 ,而 这 种 连 续 的 周 期 性 的 大 幅度 负 荷 升 降 会 引 起 汽 包 压 力 及 过 热 器 压 力 大 幅 度 变 化 ,造 成 水 位 剧烈 波 动 ,从 而 是 虚 假 数 位 更 为 严 重 。以 下 所 介 绍 的 系 统 能 完 成 这 一 任 务 。 一 、 给 水 流 量 信 号 加 惯 性 环 节 的 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 这 种 系 统 与 单 级 三 冲 量 控 制 系 统 的 区 别 在 于 它 在 给 水 流 量 反 馈回 路 中 加 了 一 个 一 阶 惯 性 环 节 ， 所 以 在 分 析 内 回 路 时 有 些 不 同 。 其原 理 方 框 图 如 图 7-8所 示 ： W T(S) WD2(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH D-H-+Ig -+ G + +H1 H2 DSTG1 1图 7-8 给 水 流 量 加 惯 性 的 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 方 框 图 此 时 内 回 路 不 再 是 一 个 可 以 等 效 的 比 例 环 节 ， 而 是 一 个 比 例 微分 环 节 ， 形 如 ： W S T SnD GG G 1 g 主 回 路 中 WD1(S)对 象 传 递 函 数 通 常 由 惯 性 环 节 和 积 分 环 节 构 成 ，即 ： W S TS S D1 1 则 其 等 效 对 象 ： W S S 等 效 调 节 器 ： W S nT HG G gg 1 等 效 对 象 成 为 一 个 无 迟 延 无 惯 性 的 纯 积 分 环 节 ， 其 调 节 效 果 将大 为 改 善 。 这 种 系 统 的 优 劣 之 处 在 于 ： （ 1） 在 给 水 回 路 中 加 入 惯 性 环 节 后 ， 副 回 路 发 生 内 扰 时 ， 系统 消 除 内 扰 的 能 力 减 弱 了 ， 势 必 使 给 水 被 调 量 的 幅 度 增 大 ， 对 保持 给 水 稳 定 性 是 不 利 的 ； （ 2） 对 于 主 回 路 来 说 ， 如 前 所 述 ， 由 于 等 效 对 象 的 惯 性 减 少了 ， 对 于 水 位 信 号 的 稳 定 和 整 个 回 路 的 调 节 品 质 都 有 好 处 。 二 、 附 加 蒸 汽 流 量 负 微 分 信 号 、 给 水 流 量 信 号 加 惯 性 三 冲 量 给 水 调节 系 统 在 给 水 流 量 信 号 回 路 中 加 了 一 个 惯 性 环 节 1/(1+TGS)， 在 蒸 汽 流量 信 号 回 路 中 增 加 了 一 个 实 际 微 分 环 节 。 K T S T Sd d d1W T(S) WD2(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH D-H-+Ig -+ G + +H1 H2 DSTG1 1图 7-9 给 水 流 量 加 惯 性 的 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 方 框 图 1 d ddK T ST S 副 回 路 的 分 析 与 前 面 系 统 相 同 ， 传 递 函 数 可 近 似 ，相 当 于 一 个 等 效 PD调 节 器 。 主 回 路 通 常 设 TG T， 使 对 象 等 效 成 一 个积 分 环 节 ， 目 的 是 为 了 改 善 控 制 品 质 。 1TS nd G G gWT(S) WD2(S)WD1(S)KZ KfnDnG GH D-H-+Ig -+ G + +H1 H2 DSTG1 1图 7-9 给 水 流 量 加 惯 性 的 三 冲 量 给 水 控 制 系 统 方 框 图 1 d ddK T ST S 蒸 汽 流 量 干 扰 D与 水 位 之 间 的 传 递 函 数 为 ： HGG GD GG GdddDDGG GDDDD n STSW n STST SKTSWn STnSWSWSD SHSW gg gggg 11 11 11 1122 如 果 未 加 微 分 信 号 ， 则 上 式 中 将 没 有 第 三 项 ， 微 分 信 号 作 为 前馈 加 入 系 统 旨 在 减 少 水 位 调 节 过 程 中 的 动 态 偏 差 。 例 如 当 负 荷 突 然 增 加 时 ， 水 位 将 由 于 “ 虚 假 水 位 ” 的 影 响 短 时间 内 迅 速 上 升 ， 此 时 ， 蒸 汽 流 量 的 负 微 分 信 号 立 即 使 给 水 流 量 急 剧减 少 ， 如 果 调 节 对 象 在 内 扰 下 的 动 态 特 性 较 好 ， 就 有 可 能 使 水 位 的上 升 幅 度 大 为 减 少 。 所 谓 “ 负 微 分 ” ， 是 因 为 这 个 经 过 微 分 器 的 信 号 作 用 方 向 与蒸 汽 流 量 信 号 的 作 用 方 向 相 反 ， 负 荷 增 加 时 ， 微 分 信 号 能 暂 时 使调 节 器 动 作 ， 减 少 给 水 流 量 ， 而 不 会 象 蒸 汽 流 量 信 号 那 样 去 增 加给 水 流 量 。 这 个 负 微 分 信 号 的 引 入 ， 如 上 所 述 ， 能 有 效 地 克 服 “ 虚 假 水位 ” 现 象 引 起 的 水 位 动 态 偏 差 。 这 种 系 统 有 如 下 优 缺 点 ： （ 1） 由 于 蒸 汽 流 量 的 负 微 分 信 号 与 蒸 汽 流 量 信 号 作 用 相 反 ，负 荷 增 加 时 ， 这 个 微 分 信 号 能 暂 时 使 调 节 作 用 去 减 少 给 水 流 量 ，减 小 由 于 负 荷 变 化 时 “ 虚 假 水 位 ” 现 象 引 起 的 水 位 动 态 偏 差 ； （ 2） 由 于 在 克 服 因 “ 虚 假 水 位 ” 现 象 引 起 的 动 态 偏 差 的 同 时， 汽 包 进 水 和 空 汽 流 量 之 间 的 差 别 反 而 扩 大 ， 要 使 水 位 保 持 不 变就 必 须 大 幅 度 增 加 给 水 流 量 ， 所 以 这 种 系 统 对 稳 定 水 位 有 利 ， 而对 稳 定 给 水 流 量 无 益 。