电厂锅炉燃烧控制系统分析与研究.doc

学校代码： 10128学 号： 200521203022 本科毕业论文题 目：火力发电厂锅炉燃烧控制系统的分析与研究学生姓名：牛富强学 院：电力学院系 别：动力工程及其自动化专 业：热能与动力工程班 级：热动(电)05-1指导教师：王胜捷 副教授 赵 爽 讲 师 二 九 年 六 月内蒙古工业大学本科毕业论文摘 要对于火力发电机组，在系统组成与结构一定时，机组运行的安全性和经济性主要取决于锅炉安全经济的运行，而锅炉运行的安全性和经济性又主要取决于锅炉燃烧系统的性能。本文结合燃煤锅炉运行的具体情况，以自动控制原理为基础，对锅炉燃烧系统的运行进行了深入的研究，主要内容为：描述了锅炉燃烧控制系统的工作过程及基本原理，分析了锅炉燃烧系统的动态特性并依托被调参数的特点介绍了不同类型锅炉控制系统的具体调节方案：1.炉膛负压控制系统采用以送风量为前馈信号，引风量为控制量的控制系统。2.烟气含氧量控制系统采用以烟气含氧量为主要调节量的控制系统。3.详细介绍了直吹式锅炉及燃油锅炉的负荷调节过程。4.以600MW锅炉机组的运行情况为例，具体分析了锅炉燃烧过程中燃料量、送风量、引风量的变化情况。5.采用工程整定方法对燃烧系统的参数进行了详细整定。同时文中还分析了目前燃煤锅炉所存在的问题及当前的发展前景，展望了循环流化床技术在锅炉燃烧过程中所起的重要作用 。关键词：锅炉；自动控制；燃烧系统AbstractIn power plants, when the structure is in certain, the security and economy of the unit depends on the performance of the boiler. However, the performance of the boiler depends on the security and the performance of the boiler combustion system.In this passage, contact to the specific operation of coal-fired boiler and based on the principle of the automatic control system, research the boiler combustion system for an penetrate research, the main contents as follows: Descriping the boiler combustion control system and the basic principles of the process, analysising dynamic characteristics of the boiler combustion system and rely on the characteristics of the parameters to introduce the specific program of the different types of boiler regulate systems. 1. The furnace pressure control system was used to supply feed-forward signal, cited the volume of air flow for the control of the regulate system. 2. Oxygen content of flue gas control system used oxygen content of the flue gas to adjust the volume as the main control system. 3. Detail to introduce the blowing of the straight boilers and fuel load on the adjustment process in the boiler. 4. Use the 600MW boiler unit operation as an example, detail to introduce the boiler fuel combustion process, in which the fuel, the air traffic and the citing in the changes of air volume. 5. The use of engineering methods of tuning to parameter the combustion system in detail ways. At the same time there was also analyzing the problems of the current coal-fired boiler and the current development prospects and look forward to the important role of the circulating fluidized bed technology in the course of the combustion boiler. Keywords: boiler; automatic control; combustion system目 录引言1第一章 控制系统理论31.1 控制系统的简介31.2 控制系统的组成及热工对象的特性41.2.1 自动控制系统的组成41.2.2 热工对象动态特性的特点41.3 自动控制系统的性能指标91.4 热工控制对象的基本调节策略131.4.1 自动调节器的基本调节规律及其作用131.4.2 自动控制系统调节器的控制规律141.4.3 复杂调节系统171.5 电厂自动控制系统的整定方法211.5.1 控制系统性能的整定221.5.2 典型控制系统的工程整定23第二章 锅炉燃烧过程292.1 燃烧设备在锅炉机组中的作用292.2 锅炉燃烧过程的实现292.3 锅炉燃烧技术的发展31第三章 锅炉燃烧过程自动控制系统323.1 锅炉燃烧控制系统简介323.1.1 锅炉燃烧控制系统的组成323.1.2 燃烧控制系统的基本任务323.1.3 燃烧控制系统基本任务之间的联系及意义333.2 锅炉燃烧控制对象的动态特性333.2.1 汽压控制对象的动态特性333.2.2 炉膛负压的动态特性373.3 锅炉燃烧过程自动控制系统373.3.1 “燃料空气”燃烧控制系统373.3.2 采用具有氧量校正的燃烧控制系统393.3.3 采用“氧量信号”的燃烧控制反系统393.3.4 几种控制系统间性能的比较403.4 几种典型燃烧控制系统的调节方案413.4.1 燃烧调节系统的基本方案413.4.2 中间储仓式的燃烧调节方案433.4.3 燃油锅炉的燃烧调节方案443.4.4 直吹式煤粉炉的燃烧调节方案453.5 燃烧控制系统的参数整定463.5.1 燃烧控制系统的整定原则463.5.2 燃烧控制系统的工程整定47第四章 600MW单元机组燃烧控制系统实例514.1 燃料控制系统514.2 风量控制系统534.2.1 一次风压力控制系统534.2.2 二次风量(送风)控制系统554.3 炉膛压力控制系统56第五章 锅炉燃烧技术的发展及最新研究成果595.1 锅炉燃烧技术的发展过程595.2 目前锅炉燃烧技术所存在的问题595.3 锅炉燃烧技术的发展前景60结论62参考文献63谢辞64内蒙古工业大学本科毕业论文引 言随着我国电力工业的迅猛发展以及锅炉燃烧技术的不断提高，高参数、大容量的火电机组已成为主力机组，特别是近十多年来新增的火电机组大部分为300MW及600MW的大机组，这些机组几乎全部采用集控运行方式和分散控制系统。然而在我国的电力发展中，大部分的中、小型电厂自动化水平较低，锅炉运行的主要控制方式仍然停留在手动阶段，自动投入率较低，造成电站锅炉运行工况很不稳定，燃烧效率低，厂用电率高，严重影响锅炉的安全经济运行。因此，如何提高中、小型电站锅炉的安全，经济运行水平，减少事故，提高设备效率，降低煤耗和厂用电率，成为尚待解决的问题。火电厂锅炉燃烧控制系统是一个较大的综合性控制系统，它主要由燃料量控制、送风量控制和引风量控制三个子系统组成。燃烧控制对象的三个控制量对三个被控量相互间有显著的影响，是一个多变量控制对象。燃烧控制系统的组成与许多因素有关，例如，锅炉运行方式、结构形式、制粉系统及磨煤机的类别等等。但不论哪种情况，燃烧控制系统的组成应符合一个总原则：当负荷改变时，燃料量、送风量、引风量应协调地成比例改变，以迅速适应负荷改变的要求；同时维持主汽压、过剩空气系数、炉膛压力不致偏离其给定值过大。稳态时，保持各被控量等于其给定值。当燃料量或送风量出现自发性扰动时，能迅速予以消除。在锅炉燃烧控制系统中现代控制策略得到广泛的发展，其中有代表性的是：最优化控制，自适应控制，预测控制等，这些优化控制技术将模型与控制系统的设计结合起来考虑，重点在于使所设计的控制系统具有鲁棒性，而模型则不像先前那样要求得很严格。例如1981年英国学者P.H.Jenkins等根据对锅炉燃烧产物的检测分析，提出了一个能反映燃烧状况的性能指标，通过控制风/煤配比，来达到性能指标的最优化。1993年德国学者I.Kocaarslan 在一台750MW燃煤锅炉上进行了自适应控制研究，现场运行结果表明，自适应控制在提高锅炉热效率和改善蒸汽品质方面，效果良好。20世纪60-70年代，对锅炉燃烧控制的研究主要集中在锅炉动态特性和数学模型，从线性到非线性，从单变量到多变量等进行了广泛而深入的研究。而当前研究的目标是使锅炉燃烧控制系统能统一到机、炉、电控制的高效智能一体化，以及信息管理与控制的集成化中，使现场总线控制系统和智能仪表融入到分散控制系统的新型控制及保护策略的网络自动化中，国内外许多公司在这方面已经作了有益的研究。随着电力生产自动化水平的提高，我国目前所投产的300MW及以上机组均采用分散控制系统(DCS)，同时随着环保意识的增强以及节能减排要求的提出，现代火力发电厂普遍采用循环流化床技术，该技术具有燃烧效率高，燃料适应性广，低污染等优点。因此得到普遍的应用。从锅炉容量及其燃烧效率的角度来看，我国锅炉技术正在向超临界，超超临界压力锅炉的方向发展。因此火电机组高参数，大容量，高效率的发展要求，对锅炉燃烧控制系统的控制品质提出了更高的要求。本文着重研究电厂锅炉燃烧控制系统，该选题具有应用和理论的双重研究价值。第一章 控制系统理论1.1 控制系统的简介20世纪人类的科学文明获得了巨大的进步，控制科学与控制技术随着控制理论与计算机技术的发展也得到了迅速的发展。自动控制技术极大地提高了劳动生产率，推动了现代工农业及国民经济各部门的巨大发展，在许多现代化科学技术部门中控制技术是不可缺少的；可以说，综合自动化水平是一个国家科学技术水平的反映。自动控制的含义是：一个正在进行的过程或一个正在运行的设备不需要人的连续直接干预便能自动地按预期要求进行的一切技术手段都称自动控制。自动控制面对的是一个正在进行的过程或一个正在运行的设备，反映过程进行或设备运行的各种参数都是随时间变化的，所以是一个动态系统。这样的过程或设备可能很大很复杂，如火力发电厂的锅炉，或一个简单的加热器。在过程进行或设备运行中人的干预不是直接的，但仍是需要的。所谓“预期要求”一般就是表征过程进行或设备运行性能“优劣”的性能指标或目标函数1。现代火力发电厂是典型的涉及热能转换和利用的大型热工过程，由于电能生产的重要性和电能不能大规模储存的特性，自动控制技术已是确保电厂安全、经济生产所必需的技术手段；火电厂热工过程自动控制主要包括如下内容：(1)自动检测：自动地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况，以监视生产过程进行的情况和趋势，称为自动检测。(2)顺序控制：根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列的操作，称为顺序控制。顺序控制也称自动操作，在发电厂中主要用于主机或辅机的启动和停止。(3)自动保护：在发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备使之不受严重破坏，称为自动保护。(4)自动调节：自动维持生产过程在规定的工况下进行，称为自动调节。生产过程中，必须保证产品一定的数量和质量要求，同时也要保证生产的安全和经济，这就要求生产过程在预期的工况下进行。但是，生产过程总会经常地受到各种因素的干扰和影响，使运行工况发生偏离，必须通过自动调节实现正常运行的要求。因此，自动调节是最经常起作用的一种自动控制职能，它对生产过程的正常进行有很大影响。1.2 控制系统的组成及热工对象的特性1.2.1 自动控制系统的组成一个自动控制系统由以下几部分组成：(1)测量变送器：用来测量被调量，并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号。(2)调节器：接受被调量信号和给定值信号比较后的偏差信号，输出一定规律的控制指令给执行器。(3)给定元件：用来设置被调量的给定值或与该给定值对应的电信号。(4)执行器：根据调节器送来的控制指令去推动执行机构，改变调节量。(5)控制对象：被控制的热工生产过程或设备。(6)被调量：表征热工过程是否符合规定工况的物理量(如汽包水位H)。(7)扰动：生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素(如蒸汽量D变化)。(8)调节量：由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量(如给水量W)。(9)调节机关：接受控制作用去改变调节量变化的具体设备(如给水调节阀)。当被调量偏离给定值，自动调节设备就自动地对生产过程进行调节，直到被调量等于给定值不再进一步变化时为止。应该指出，并不是自动调节设备一经安装好就能执行调节任务、实现生产过程自动调节的。1.2.2 热工对象动态特性的特点控制系统设计的任务就是根据被控对象的动态特性，选择或设计控制器使系统满足规定的性能指标。 被控对象的动态特性是指对象在输入扰动(调节作用和外部扰动)发生变化时，其输出(被调量)随时间的变化规律，实际上就是要建立只有一个被调量y的Go(s)，Go1(s)，Gon(s)的表达式。对线性系统来说，输出被调量y的变化是各种扰动分别作用时输出y的叠加。显然，扰动源不同，输出y的反映也是不同的。也就是Go(s)，Go1(s)，Gon(s)是不相同的。如果一个系统有两个或两个以上的被调量，如图1-1所示。那么它就是一个多输入多输出系统。图1-1 两个输入两个输出系统 被控对象的动态模型可以用分析方法建立，但由于过程机理复杂，用分析法建立的模型常常只能给出定性的结果。实际热工过程被控对象的动态模型常用试验的方法建立。最简单的试验方法是阶跃响应试验：输入阶跃扰动时得到阶跃响应，通过一些简单方便的处理得到近似传递函数。 大多数热工对象的动态特性可用阶跃响应来描述，具有如图1-2中两大类的形状：图(a)是有自平衡能力的对象，在阶跃扰动下，输出y最终会稳定下来；图(b)是无自平衡能力的对象，在阶跃扰动下，输出y最终不可能稳定下来。可以用阶跃响应曲线上的某些特征参数值来表示它们的动态特性2 。(a)有自平衡能力 (b)无自平衡能力图1-2 热工对象阶跃响应曲线一、有自平衡能力的对象所谓对象有自平衡能力，就是指在阶跃输入扰动下，不需要经过外加调节作用，被调节对象的被调量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。图1-2(a)所示为有自平衡能力对象的单位阶跃响应曲线，在此阶跃响应曲线的拐点q处画切线，与被调量的起始值和最终平衡值的横坐标轴线相交，得时间和T，并把被调量的稳态变化量记作y()，由此可定义下列持征参数：1自平衡系数(或自平衡率) (1-1) 式中：u阶跃输入量的幅值。 表示对象的输出量每变化一个单位，能克服多大的输入不平衡。越大，对象的自平衡能力就越强。=0表示对象没有自平衡能力。的倒数是对象的静态放大系数K。 2时间常数T 如果被调量以曲线上的最大速度(即阶跃响应曲线上拐点q处的速度)变化，则从起始值至最终平衡值所需的时间，就是对象的时间常数T。T=也可用拐点q处的变化速度来代替T作为特征参数，即 (1-2)式中，称为对象的响应速度，它表示对象在单位阶跃输入作用下，输出量可能出现的最大变化速度。3延迟时间它是指从输入信号阶跃变化瞬间至切线与被调量起始值横轴交点间的距离，如图1-2(a) 所示：=t由阶跃响应实验得到的阶跃响应曲线是对象动态模型的非参数表示方法，有时不能直接用到系统分析中去，因此还需要将非参数模型处理成近似传递函数的表达形式。下面简单说明一下由实验阶跃响应曲线求取近似传递函数的方法。(1) 采用切线法有自平衡能力对象的阶跃响应曲线如图1-2(a)。选用 的高阶惯性环节来表示对象的近似传递函数，则利用阶跃响应曲线上的特征参数，来确定传递函数中的常数K，T和n的原理及方法如下：若 则输入阶跃扰动 时，其输 出为： (1-3) 在响应曲线的拐点处作的切线可得到时间T和，以及的稳态值y()。拐点处的输出的变化速度是的最大变化速度，其值为： (1-4) 时间T是以最大变化速度变化，从=0变化到 时所经历的时间。即： (1-5)迟延时间为： (1-6) 将上述计算结果整理成拟和公式： (时，误差为) (1-7) (时，误差为) (1-8) 当计算的n不为整数时，即： 则可用 (1-9) 表示近似传递函数3。二、无自平衡能力的对象 所谓对象无自平衡能力，是指在阶跃输入扰动下，被调量在最后阶段以一定的速度不断变化，不能稳定下来。图1-2(b)所示为无自平衡能力对象的单位阶跃响应曲线，作该曲线的渐进线，与时间坐标轴交于D点，得到时间间隔和倾斜角，由此可定义下列特征参数： 1延迟时间从输入信号阶跃变化瞬间至渐近线与时间坐标轴交点的距离，即： OD (1-10) 反映了对象在阶跃输入作用下，被调量的变化速度由零变到接近于渐近线斜率所需的时间的长短。2响应速度 (1-11) 式中：u阶跃输入量的幅值； 表示当输入信号为单位阶跃输入时，阶跃响应曲线上被调量的最大变化速度。 有时也采用的倒数代替作为特征参数，即： 无自平衡能力对象的阶跃响应曲线如上图，选择带有高阶惯性作用的积分环节来近似，其近似传递函数为： (1-12) 那么，可以用作图的方法，从阶跃响应曲线上的特征参数，决定传递函数中的常数，和n。其原理和方法为：如果环节的传递函数 ，则当输入为阶跃函数时，输出为： (1-13) 由渐近线与时间轴及纵坐标的交点，可得当时间时的输出值为： (1-14)将以上各式拟合成公式： (1-15)同时渐近线的斜率为： ，所以 (1-16) (1-17)从而可以用作图法在阶跃响应曲线上得到，的值，带入上式中即可得近似传递函数中的，和。综上所述，有自平衡能力的热工对象可用 ， 三个特征参数来表示它的动态特性；无自平衡能力的热工对象可用 ， 两个特征参数来表示它的动态特性。如果考虑到无自平衡能力热工对象的等于零，那么，不论对象是有自平衡能力还是无自平衡能力，都可统一用 ， 三个特征参数来表示它的动态特性。虽然它们不能很确切地表达热工对象的动态特性，但是这三个特征参数在热工调节系统的工程整定中是经常要用到的。1.3 自动控制系统的性能指标自动控制系统控制品质的优劣，直接表征了控制系统克服外界干扰能力的大小。因而讨论自动控制系统的品质指标也就显得尤为重要。为此先给出静态和动态的概念。静态：被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或稳态。动态：被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态。一旦给定值有了变化或有干扰进入系统，这时平衡状态被破坏，被控参数开始偏离给定值，调节器、调节阀相应动作以改变调节量的大小而使被控参数回到给定值上。可见，控制的过程就是克服干扰的过程。个系统的优劣在稳态下难以判别，只有在过渡过程中才能得以鉴别。一般说来，一个控制系统在受到干扰作用时的过渡过程可能有如下四种情况如图1-3所示。衡量一个控制系统的指标可归纳为三个方面，即稳定性、准确性和快速性。图1-3 几种典型的过渡过程形式一、稳定性通常所说的控制系统是稳定的，是指控制系统在受到干扰作用后，系统的平衡被破坏，在控制设备的控制作用下，控制系统能恢复到一个新的平衡状态，称为稳定的控制系统。稳定的控制系统被控参数和控制参数的过渡过程曲线最后趋向平衡；不稳定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的，无法恢复平衡。控制系统稳定程度可以用衰减率这个指标来衡量，定义如下： (1-18) 式中，和是被控参数从新稳定值量起的第一和第三波峰值。衰减率和系统稳定性之间的关系如下：(1) 1(即：y=0)，过渡过程为不振荡的过程。(2) 0(即：y= y)，过渡过程为等幅振荡过程。(3) 0 y)，过渡过程为衰减振荡过程。(4) 0(即：y y)，过渡过程为渐扩振荡过程4。对于二阶系统，通过求极值的方法，可以求得： (1-19)将y和y代入式(1-18)可得 (1-20)由此可见，二阶系统的衰减率只与阻尼比有单值关系，如图1-4中曲线，衰减率随的增大而增大。图1-4 二阶系统超调量、衰减率、衰减指数与阻尼比的关系二、准确性准确性是指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差。最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值。静态偏差是过渡过程结束后被控参数与结定值之间的差值。现场中希望两个偏差越小越好。控制系统的准确性通常用静态偏差和动态偏差这两个指标来衡量。1静态偏差在定值控制系统中，静态偏差是指被调量的稳态值与给定值之间的长期偏差，对于随动控制系统，静态偏差是指被调量的稳态值与新给定值之间的长期偏差，静态偏差是衡量控制系统准确性的重要指标之一，它反映了控制系统的调节精度，静态偏差的大小要根据生产过程对控制系统精度的要求来确定。2峰值时间 峰值时间的求取过程比较复杂，可通过下式求取： (1-21)可得到： (1-22)进而得到输出出现极值的时间 应满足 关系，因为峰值时间对应于第一次峰值过调量，所以n=1，因此： (1-23)该式表明，峰值时间 等于阻尼振荡周期的一半。3最大动态偏差或超调量在定值控制系统中，常用最大动态偏差这个指标来衡量被调量偏离给定值的程度。被调量最大动态偏差是指调节过程中被调量偏离给定值的最大暂时偏差，对于稳定的调节过程就是被调量偏离给定值的第一波峰的高度。一个符合要求的系统，应该在实际可能出现的最大扰动下，被调量的最大动态偏差不应超过正常生产的允许值。随动控制系统常用超调量这个指标来衡量被控制量偏离给定值的程度。定义为： (1-24) 它是第一个偏离稳态值的波峰幅值与被调量的稳态值之比，若或愈大，则表示被调量偏离生产规定的状态愈远。将峰值时间代入下式 ： (1-25)可得输出量的最大值为： (1-26) 所以超调量为： (1-27) 超调量是随着阻尼比的增大而减小的。三、快速性快速性是指过渡过程的持续时间，即从干扰发生起至被控参数又建立新的平衡状态为止的过渡过程时间。一般认为被控参数进入偏离给定值5(或2)范围内就基本稳定了。当然，过渡过程时间越短，控制过程进行的就越快，系统品质也就越好。控制系统的快速性通常采用调节时间来衡量。列写调节时间的表达式是相当困难的，但可以用下列公式进行估算。当，并且采用2的误差带时，近似等于系统时间常数的4倍，即： (1-28)如果采用5的误差带，则近似等于系统时间常数的3倍，即： (1-29) 控制过程时间是指从被调量受到扰动，过程开始变化直到结束所需要的时间，理论上它需要无限长的时间。对于定值控制系统，控制时间是指阶跃响应曲线由开始起到最后进入偏离稳态值为的范围，并且以后不再越出此范围的时间。对于随动控制系统，控制时间是指被调量与其稳态值之差不超过稳态值的所需要的时间。以上所述的性能指标在同一系统中是相互制约的；但在不同系统中，由于参数动态特性的差别，而各有其重要性。因此在实际调试过程中应统筹兼顾，根据具体情况分清主次，区别对待。1.4 热工控制对象的基本调节策略1.4.1 自动调节器的基本调节规律及其作用在调节系统中，调节器的输入是定值信号r与被调量y的偏差信号e。输出是调节量m。所谓调节规律就是当偏差e不为零时，调节量m按照怎样的规律变化。在调节系统中，调节规律是由调节器来完成的。基本的调节规律有比例(P)、积分(I)和微分(D)三种：1比例调节规律(简称P作用) 比例调节作用是指调节器的输出和输入成比例关系。它的动态方程为 (1-30) 式中，为执行机构位移(即调节器的输出)；e(t)为给定值与被调量的偏差，e(t)r(t)-c(t)；为比例系数或称比例增益；用传递函数表示为 (1-31)比例调节作用的动作规律是：执行机构的位移量与偏差的大小成比例，即偏差值越大，执行机构输出位移也越大；偏差的变化速度越大，执行机构输出位移的速度也越大。比例调节作用的特点是动作快，对干扰能及时和有很强的抑制作用，但由于执行机构的位移与被调量的偏差有一一对应的关系，所以调节的结果是被调量存在着静态偏差。2积分调节规律(简称I作用)积分调节作用是指调节机关位移量的变化速度 与偏差信号 成比例的作用。它的动态方程式为： (1-32) 积分调节作用的突出优点是能消除静态偏差。因为只要被调量存在静态偏差，调节作用便随时间不断地加强，直至偏差为零。在被调量偏差消除后，由于积分规律的特点，执行机构将停留在新的与负荷变化相适应的位置上。但是，单纯的积分调节作用也有缺点。由于积分调节作用是随时间逐渐增强的，与比例调节作用相比较过于迟缓，所以在改善静态品质的同时却恶化了动态品质，使过渡过程的振荡加剧，甚至造成系统不稳定。积分调节作用的动作规律是，只要对象的被调量不等于给定值(即偏差e存在)，那么执行机构就会不停地动作，而且偏差e的数值越大，执行机构的移动速度也就越大。只有当偏差e等于零时(即被调量等于给定值，调节器的输入信号为零)，调节过程才能结束，执行机构才停止动作，调节系统才能平衡5。3微分调节规律(简称D作用)微分作用是指调节机关的位移量与被调量偏差的变化速度成正比，它的动态方程式为：(1-33) 微分调节作用的特点是：与比例和积分调节作用相比，它是超前的调节作用，因为在调节过程刚开始时，被调量的偏差小，但其变化速度却很大，可使执行机构产生一个较大的位移，有利于克服动态偏差。但是当调节过程结束，即偏差e的变化速度等于0时，微分调节器的输出也为0，即执行机构的位置最后总是回复到原来的数值。这就不能适应负荷的变化，不能满足调节的要求。1.4.2 自动控制系统调节器的控制规律电厂生产过程控制中采用的调节器能实现上述三种调节规律中的种或几种，由于积分作用和微分作用不能单独使用，故调节器有比例(P)调节器、比例积分(P1)调节器、比例微分(PI)调节器和比例积分微分(PID)调节器四种，下面分别分析P，PI，PD和PID调节器的基本调节作用。1.比例(P)调节器比例调节器的动态特性方程式与比例作用的动态方程式相同，即 或 (1-34)传递函数为 (1-35)式中：调节器的比例系数，即偏差改变一个单位时，调节机构的位移变化量，它是调节器的参数。比例系数的倒数，即当调节机构的位置改变100时，偏差应有的改变量，称为比例带。是可调的表示比例作用强弱的参数，越大比例作用越弱；越小比例作用越强。可以看出，输出对输入的响应无迟延、无惯性。由于调节方向正确，比例调节器在控制系统中是使控制过程稳定的因素。当控制对象的负荷发生变化之后，执行机构必须移动到一个与负荷相适应的位置才能使控制对象再度平衡。因此调节的结果是有差的。因而比例调节器称为有差调节器。对于定值控制系统，可用e-y代入上式可得 (1-36)比值调节器对于有自平衡能力的对象： (1-37) (1-38)对于无自平衡能力的对象： (1-39) (1-40) 由此可见，不论是什么对象，采用比例调节器都是有差调节，比例带越大，静态偏差就越大。调节器的比例带增大，意味着在相同的被调量变化下，调节作用较小，因而在受到扰动后，被调量的动态偏差将增大。总之，比例调节器的比例带越大，系统的衰减率越大，过程越稳定；但是增大比例带，将导致过程动态偏差和静态偏差的增大。 2比例积分(PI)调节器具有比例调节作用和积分调节作用的调节器叫作比例积分调节器，它的动态方程式为： (1-41)式中：比例增益；比例带。比例调节器有和两个整定参数。当时，比例积分调节器就成为比例调节器；当时，比例积分调节器就成为积分调节器。在比例积分调节器中，当改变比例带的数值时，既改变比例作用，也改变积分作用，而两个作用的比值则不变；改变的数值，只是改变积分作用的大小，从而改变了调节器中比例作用和积分作用的相对大小。比例积分调节器兼有比例调节作用和积分调节作用的特点。调节系统中采用这种调节器时，由比例作用保证调节过程的稳定性，增大值，可以削弱振荡倾向，但过大，将削弱调节作用，使调节过程的时间延长；增大值使比例作用相对增强，也能消弱振荡倾向，但不宜过大，因为过大，调节作用的积分成分将过小，调节过程时间将很长。积分调节作用可保证调节结果无差6。 综上所述可以得到如下的结论： (1)比例积分调节器的主要优点是能靠积分作用消除静态偏差，因此，它在热工过程自动化中得到了最广泛的应用。 (2)与比例调节器的比例作用相似，增加比例带可以增加系统的稳定性。积分作用使系统的稳定性下降，积分时间越小，系统的稳定性下降越多。 (3)从提高系统稳定性的角度出发，需要加大比例带和增加积分时间，然而比例带和积分时间过大时，调节器的调节作用减弱，因此，调节器的整定参数和应有一个最佳的数值。 3比例微分(PD)调节器比例微分调节器的作用由比例作用和微分作用组合而成。理想比例微分调节器的动态方程式为 (1-42) 调节器的传递函数为 (1-43)式中：微分作用的比例系数 微分时间常数这种调节器有两个可供调整的参数，即和或和。微分时间越长，表示微分作用越强；微分时间越短，表示微分作用越弱。比例带不但影响比例作用的强弱而且也影响微分作用的强弱。比例微分调节器有两个可以整定的参数和。改变的数值只改变微分作用的大小，改变的数值将同时改变比例作用和微分作用的大小，而两者的比值不变。调节系统采用比例微分调节器时，如果系统处于平衡状态，则微分作用消失，但比例微分调节器仍具有比例调节器的特点，即调节过程结束后，被调量存在静态偏差。如果对象存在较大的迟延和惯性，单纯采用比例调节器达不到调节要求时，就可以引入微分调节作用。只要微分作用的大小选择适当，不仅可以减小调节过程中被调量的动态偏差，也能减小调节过程的振荡倾向。必须指出，在应用比例微分调节器时，微分作用过强，系统对扰动的反应会过于灵敏，反而造成过程的反复振荡。4比例积分微分(PID)调节器理想的PID调节器的动态方程式为 (1-44) 调节器的传递函数为 (1-45) 比例积分微分调节器有三个可以调整的参数、和。这种调节器兼有比例、积分、微分三种调节作用的特点。比例调节作用的特点是保证过程的稳定性；积分调节作用的特点是保证调节过程作无差调节；微分调节作用的特点是补偿调节对象的迟延和惯性。在调节系统中应用这种调节器时，只要三个调节作用配合得当，就可以得到较好的调节效果。1.4.3 复杂调节系统在火力发电厂的生产过程中，由于自动化程度的提高以及工业技术的不断更新，电厂生产过程对运行参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，使得单回路控制系统无能为力，因而产生了许多新的，较复杂的调节系统。例如串级调节系统，导前微分调节系统，前馈-反馈复合调节系统等。1串级调节系统串级调节系统的调节品质较好，它在热工自动控制中得到了广泛的应用。对于时间常数较大，阶次较高和有较大迟延的调节对象，在某些场合下即使采用PID调节规律依然不能得到满意的调节品质，这时可采用串级调节系统。系统中除了主被调量外，还有一个辅助被调量，辅助被调量对调节作用的响应比较迅速。在设计串级调节系统时必须遵循的两个原则：一个原则是副回路必须是快通道，包含在副回路中的调节对象时间常数要尽量小于包含在主回路中的调节对象时间常数；另一个原则是尽可能把急剧的扰动纳入副回路中，因为副回路对扰动能及时克服或削弱扰动的影响。 串级调节系统与单回路调节系统相比在结构上增加了一个内回路，却收到明显的控制效果。这是因为串级调节系统具有如下几方面的特点；(1)由于副回路具有快速作用，因此，串级调节系统对进入副回路的扰动具有很强的克服能力。(2)由于副