（热能工程专业论文）北仑电厂1＃机过热汽温控制系统的改进.pdf

摘要浙i 人。 蝴1 学位陡史 摘 要y 3 6 8 上5 本文分析了型垫壅鸯翊苴对象的特性，指出过熟汽温控制过程是个大滞后的 过程。对于大滞后的环节，各种常规的调节方案的调节效果较差。j 北仑电厂过热 汽温采用的是一级喷水减温的方式，调节方式为带前馈信号的串级调节，当有较 大扰动时，过热汽温信号的最大动态偏差甚至超过l o 极不利于电厂的安全 运行一丫 为了改变这种状况，我们首先从理论上分析了滞后对控制系统的影响，然后对 各种针对大滞后环节的控制规律( 如微分先行控制方案、中间反馈控制方案、积 分分离方案、s m i t h 预估控制方案和模糊控制方案等) 进行分析，指出这些方案分 别存在的不足之处，并结台北仑电厂大容量、高参数机组的实际情况，选择了模 糊+ p i d 的蝗剑左塞。 该方案在北仑电厂m o d 3 0 0 集散控制系统上实现。( 投入使用后，控制效果明显 改善。当有较大扰动时，过热汽温的动态偏差基本上能控制在 - 1 0 c ，+ 5 范围 之内，调节时间大大缩短，减轻了操作人员的负担。该研究成果无论对于电厂还 是其他行业的大滞后过程的控制都具有很高的参考价值扛 必缈 摘蜚矾7 l 凡+ 雠5 也论史 a b s t r a c t a f t e rb e i n ga n a l y z e d ，t h ep r o c e s so fc o n t r e ls y s t e mo fr o a i ns t e a m t e m p e r a t u r e ，t ow h ic h t h eu s u a lc o n t r o l s y s t e m s c a nn o tw o r kw e l1 ，i s c e n f i r m e dt ob eag r e a td e l a y e da c t i o n i ng e l 1 u np o w e rp l a n t ，t h ec o n t r o l s y s t e mo fm a i ns t e a mt e m p e r a t u r e ，w h i c hi sc o o l e db yo n l yo n es p r a y e dw a t e r ， i sj u s tak i n de fu s u a lc o n t r o ls y s t e m w h e ng r e a td i s t u r b a n c eh a p p e n s ，t h e m a x i m u md y n a m i cw i n d a g ew i l lb ea sb i g ha s i o4 c ，w h i c hi sag r e a tt h r e a t t ot h e s a f e t yo fp o w e rp l a n t t ec h a n g et h a t a tf i r s tt h ee f f e c to fg r e a td e l a y e da c t i o nt ec o n t r o l s y s t e mw a sa n a ly z e d t h e na ll k i n d so fc o n t r o ls y s t e m sa i m e da td e l a y e d a c t i o nw e r ec o m p a r e d a f t e rt h a t ，c o n s i d e r i n gt h eb u l k ya n dh i g hp a r a m e t e r u n i ti nb e i l u np o w e rp l a n t ，w ec h o s et h ef u z z y + p i dc o n t r o ls y s t e m a f t e rt h i ss y s t e mw a sa p p l l e do nm o d 3 0 0d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mi n b e i l u np o w e rp l a n t ，t h ec o n t r o lq u 面i t yw a si m p r o v e dg r e a t l y w h e nt h e r e a r ed i s t u r b a n c e s t h em a x i m u md y n a m i cw i n d a g ec a nb ec o n t r o l l e dw i t h i nt h e r a n g eo f 一i o9 c ，+ 5 c3 a n dt h ec o n t r o lt i m ei sa l s og r e a t l ys h o r t e n e d ，w h i c h 1 i g h t e n st h eo p e r a t o r s t h i sr e s e a r c hh a sh i g hr e f e r e n c ev a l u et oo t h e rh i g h d e l a y e da c t i o ni n n o to n l yp o w e rp l a n tb u ta l s oo t h e ri n d u s t r y i i 第一章绪论浙虹人学碗 学位论史 第一章绪论 过熟汽温，是火电厂汽水工质中的最高温度，维持过热汽温在给定值，是汽温 调节的重要任务。在调节汽温的同时还要保证整个过热器不要超温。 过热汽温过高，可能造成过热器、蒸汽管和汽轮机的高压部分损坏，会影响过 热器金属材料的使用寿命：过热汽温过低，又会降低全厂的热效率( 见表1 1 ) ， 并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会使汽轮机末级蒸汽湿度增加， 从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的侵蚀，影响汽轮机的安全运行。因此过 热汽温是锅炉运行中的一个重要参数，它直接影响锅炉、汽轮机的安全经济运行。 对于一般高、中压锅炉，要求过热汽温与给定值的暂时偏差值不超过1 0 ，长 期偏差不超过5 。 表1 1几个重要参数对电厂效率的影响 高加出口给 主汽温度再热汽温主汽压力凝汽器真空 水温度 参数降低 1 01 o1 o1 o1 o - 效率降低 0 4 9 - 0 5 50 _ 3 3 0 3 8o 3 9 0 5 20 0 8 0 10 2 5 1 - 1 北仑电厂汽温控制系统简介 北仑电厂存1 炉是美国燃烧公司提供的四角喷燃强迫循环炉，过热汽温的给定 值，既与锅炉的负荷有关，又与锅炉的运行方式有关，其关系如图1 1 所示，由图 可知锅炉定压运行和负荷在4 5 至额定值变化时，过热汽温的给定值为5 3 7 5 c ， 而锅炉滑压运行和负荷在3 8 - 一1 0 0 变化时，过热汽温的给定值为5 3 7 5 c l f ： s s o 霸5 2 5 哥5 0 0 蠢 荔7 5 4 5 0 负青， 图l - 1 过热汽温的给定值 负 寄跖 压遣行 本机组控制系统是由美国泰勒公司( t a y l o r ) 研制的m o d 3 0 0 集散控制系 统。过热汽温采用一级喷水减温的方式调节方式为带前馈信号的串级调节，其 原理图如图1 - 2 所示，它有两个闭合的控制回路，即主回路和副回路。副回路由导 前区、温度变送器( t t ) 、副调节器( p i d ) 、执行器和减温水调节阀等组成，其中 导前区的输入信号为减温水流量，输出信号为减温器出口汽温；主回路由惰性区、 温度变送器( t t ) 、主调节器( p i d ) 、和副回路组成。其中负荷d 、汽压p 和燃料 量m 的微分信号作为前馈作用在副调节器匕。 图1 - 2 北仑电厂过热汽温控制原理图 燃料量m l 由于过热汽温对象的迟延时间较长，再加上是一级减温，所以当有较大扰动( 如 负荷变化幅度较大、启停磨煤机及吹灰) 时，过热汽温信号的最大动态偏差甚至 超过1 0 ( 2 。这给操作员带来很大的工作压力，也不利于电厂的安全运行。因此 2 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 我们需要对过热汽温控制环节进行分析，设计出更好的方案。按照厂方要求把 过热汽温的动态偏差控制在【- i o c ，+ 5 c 1 范围之内。 1 - 2 过热汽温调节对象的特性 1 2 1过热汽温调节对象的静恋特性 过热汽温调节对象的静态特性指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。对流式过热 器与辐射式过热器的过热汽温静态特性完全相反，如图1 - 3 所示。对于对流式过热 器，当负荷增加时，通过其烟气的温度和流速都增加，因而使过热汽温升高，所 以对流式过热器的出口汽温随负荷增加而升高。对于辐射式过热器，由于负荷增 加时炉膛温度升高不多，而炉膛烟温升高所增加的辐射热量小于蒸汽负荷增大所 需要的吸热量因此辐射式过热器的出口汽温随负荷增加而降低。现代大容量锅 炉的过热器系统都采取了对流式过热器、辐射式过热器和屏式( 半辐射式) 过热 器交替串联布置的结构，这有利于减小过热器出口汽温的偏差，并改善了过热汽 温调节对象的静态特性。 臻 _ 捆 弑罩 蛰 1 匕h - 匕刭 图1 3 过热汽温的静态特性图1 _ 4 过热汽温调节对象的动态特性 1 2 2 汽温调节对象的动态特性 过热汽温调节对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动变化时，汽温随时 闻变化的规律。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧工况 变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟气的温度和流速变化等。归 结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面： 1 。蒸汽流量变化 汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。蒸汽量的变化将会改变蒸汽和烟气间的传 热条件，导致汽温变化。蒸汽流量扰动下过热蒸汽温度的相响应曲线见图】4 。可 第一章鳍论浙讧大学硕士学位论文 以看到，温度响应具有自平衡能力。而且惯性和迟延较小。这是因为蒸汽量变化 时，沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。 2 烟气侧传热量的扰动 燃料量的增减，燃料种类的变化，送风量，吸风量的改变都将引起烟气流速和 烟气温度的变化，从而改变了传热情况，导致过热器出口温度的变化。由于烟气 传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的，因此汽温变化的迟延很 小，一般在l o 屯o s 之间。烟气侧扰动的汽温响应曲线如图1 4 所示。它与蒸汽量 扰动下的情况类似。 3 喷水量扰动 应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式，对于这种控制方式。喷 谁量扰动就是基本扰动。从图l - 4 可看出，过热器是具有分布参数的对象，可以把 管内的蒸汽和金属管看作是无穷多个单容对象串联组成的多容对象。当喷水量发 生变化时，需要通过这些串联单容对象，最终引起蒸汽温度的变化，因此具有很 大的延迟。减温器离过热器出口越远，迟延越大。 1 - 3 过热汽温自动调节系统的常规方案 从过热汽温调节对象的阶跃试验曲线可以看出：从动态特性的角度考虑，改变 烟气侧参数( 改变烟温或烟气流速) 的调节手段是比较理想的，但具体实现比较 困难，所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管 对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛采用的过热蒸汽温度调节方法，采 用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的迟延和惯性以及运行中要求有较小的 汽温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得较好的调节品质。针对过 热汽温调节对象调节通道惯性迟延大，被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的 调节通道中找出严格比被调量反应快的中问点信号作为调节器的补充反馈信号。 以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。 目前采用的过热蒸汽温度的调节系统主要有三种方案：串级调节系统方案、采 用导前汽温的微分信号作为补充信号的系统方案和前馈- 反馈调节系统方案。 1 3 1 串级汽温调节系统 一、过热汽温串级调节系统的组成 图1 5 为过热汽温串级调节系统。汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温 水流量w j 为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温e2 为输出信号为了改 4 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 普调节品质，系统中采用减温器出口处汽温e ，作为辅助调节信号( 称为导前汽温 信号) 。当调节机构动作( 喷水量变化) 后，导前汽温信号e 、的反应显然要比被 调量信号9 ：早得多。由于从调节对象中引出了o 信号，对象调节通道的动态特性 c o ( s ) 可以看成为由两部分组成：以减温流量w i 作为输入信号，减温器出口温度 o 作为输出信号的通道，这部分通道称为导前区，传递函数为g ，( s ) ；以减温器 出口汽温e ，为输入信号，过热器出1 2 1 汽温e ，为输出信号的通道，这部分调节通道 称为情性区，传递蘧数为g ：( s ) ，如图1 5 。显然导前区g l ( s ) 的迟延和惯性要比 惰性区b ( s ) 的小得多。 广一一一一 叫岖丑纠砰 一= g 4 ( n 图1 5 过热汽温串级调节系统图l _ 6 过热汽温调节对象的方框图 y 。，y 。2 一温度变送器的斜率 二、串级汽温调节系统分析 串级汽温调节系统的方框图如图1 7 ，它有两个闭和的调节回路。串级调节系 统能改善调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存在。由图1 7 可以 看出，引入o 。负反馈而构成的副回路起到了稳定o 的作用，从而使过热汽温保持 不变，因此可以认为副回路起着粗调过热汽温0 ，的作用。而过热汽温的规定值， 主要由主调节器g 。：( s ) 来严格保持。只要e ：不等于规定值，主调节器就会不断改 变其输出信号o ：，并通过副调节器去不断改变减温水流量，直到e ：恢复到等于规 定值为止。可见，主调节器的输出信号o ，相当于副调节器的可变给定值。稳态时。 过热汽温等于给定值，而导前汽温e ，则不一定等于原来的数值，8 ，的输出信号数 值o 。等于稳态时主调节器输出值o ：。 图1 7 汽温串级调节系统方框图 k 执行器比例系数，k 。减温水调节髑的比例系数 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是在主调节回路，其调 节品质都是优于单回路调节系统的。 ( 1 ) 扰动发生在副回路内，例如当减温水流量w i 发生自发波动( 可能是减温 水压力或蒸汽压力改变) 而引起w ，变化时，对于单回路汽温调节系统，由于没有 剐调节回路去迅速消除w 的波动，所以必然要影响到主汽温的稳定；对于串级调 节系统，由于有副回路存在，而且导前区的惯性又很小，副调节器将能及时动作， 快速消除掉减温水流量的自发性波动，从而使过热汽温保持不变。 ( 2 ) 扰动发生在副回路以外，引起过热汽温偏离给定值时，串级系统首先由 主调节器g 。( s ) 改变其输出校正信号o ：，通过副调节回路去改变减温水流量，使 过热汽温恢复到给定值。这时，主调节器的调节对象g 。( s ) 可以近似认为是等效对 象g ：( s yy 它的惯性迟延比采取单回路调节系统时的调节对象g o ( s ) = g 。( s ) 0 ：( s ) 要小( 见图1 - 8 ) ，因此这种情况下，串级系统的调节质量还是优于单回路系统的。 倒凰謦 图l _ 8 汽温串级系统的主回路方框图 ( a ) 主回路方框图；( b ) 主回路的近似方框图 可见，在串级汽温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温水流量的自发性 扰动和其它进入副回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起调节作用。 1 3 2 采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统 该调节系统的示意图见图1 - 9 。此系统引入了导前汽温的微分信号作为调节器 的补充信号，以改善调节质量。在动态时，调节器将根据d ol d r 和o2 与o 2 的给 定值之间的偏差而动作，但在静态时，d0 ，d t 信号消失，过熟汽温o2 必然等于给 定值。因为o ，和o2 的变化趋势是一致的，且o ，的反应比o ：快得多，因此它能迅 速地反映o ：的变化趋势。引入了o ，的微分信号后，将有助于调节器的动作快速性。 因此，加入导前汽温微分信号的作用可以理解为改变了调节对象的动态特性。等 效调节对象在减温水流量扰动下的特性如图1 1 0 所示，所以，在调节对象惯性迟 6 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 延较大的情况下导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统的调节品质远比单回路 汽温调节系统好。 图1 - 9 采用导前汽温微分信号的 汽温调节系统 1 3 3 前馈一反馈调节系统 图1 1 0 等效调节对象的阶跃 响应曲线 随着生产过程的强化和设备的大型化，对自动控制的要求越来越高，虽然反馈 控制系统能满足大多数控制对象的要求，但是当对象特性呈现大迟延、多干扰等 难以控制的特性，而又希望得到较好的过程响应时，反馈控制系统往往会令人失 望。原因可归纳为：反馈控制的性质意味着存在个可以测量出来的偏差，并 且用以产生一个控制作用从而达到闭环控制的目的。这就是说系统在控制过程 中必定存在着偏差，因此不能得到完善的控制效果。反馈调节器不能事先规定 它的输出值，而只是改变它的输出值直到被调量与设定值一致为止，所以可以说 反馈控制是依靠尝试法来进行控制的。显然这是一种原始的控制方法。对于大迟 延的惯性环节，会来不及控制，造成超调或过调。可以设想，被调量产生偏差的 原因是扰动，如果调节系统能直接按扰动进行调节，就有可能及时地消除被调量 的偏差，这种按扰动进行的调节称为前馈调节。前馈调节是开环调节，不构成闭 合回路。在实际1 业对象中其中有转甚至是无法测量的。我们不可能针对所 有扰动加以补偿，最多也只能就一、两个 要扰动进行前馈调节，这当然不能补 偿其他扰动引起的被调量的变化 因此前馈控制往往与反馈控制结合起来构成前馈反馈控制系统。这样既能 发挥了前馈控制作用的优点，又保持了反馈控制能克服多个扰动和具有对被调量 实行反馈检验的长处。因此前馈反馈是适合于过程控制的较好的方式。 图1 1 l 是前馈反馈调节系统的方框图。图中g r ( s ) 是反馈调节器的传递函数， g 。( s ) 是调节对象中调节通道的传递函数，g o 。( s ) 是调节对象中扰动通道的传递函 数为了补偿扰动x 对被调量c 的影响，采用的前馈调节器c k 。( s ) 。前馈调节器根 第一章绪论浙扛大学硕士学位论文 据扰动的大小和方向按一定的规律输出一信号加到反馈调节器上，通过调节作 用达到补偿的目的。如果这种前馈作用恰到好处，可以使被调量不会由于扰动而 产生偏差，在理想情况下，被调量的变化应等于零，即 c ( s 产九( s ) 【o ox ( s ) + g f w ( s ) g “s ) g 0 。( s ) - - 0( 1 - 1 ) 图i - 11 前馈反馈调节系统 因为对扰动 实现完全补偿的条件为 g o ( s 卜g f v ( s ) g r ( s ) g o 。( s ) 卸 ( 1 2 ) 因此 g f “s ) = 一g o ( s y g r ( s ) g “s ) ( 1 - 3 ) 按式( 1 3 ) 求得的前馈调节器的传递函数在绝大多数场合下是不可能实现的，这 是因为g ，“s ) 的形式非常复杂。在某些场合下，g 献s ) 甚至是在物理上不能实现的。 若g o ( s ) 中含有纯迟延环节则按式( 1 - 3 ) 求出的g ，“s ) 中将含有e j 这意味着在时 间上将超前ts ，这种时间上的超越在物理上根本不可能实现。然而，尽管按照完 全补偿的原则来设计的前馈调节器不易实现，但是采用前馈调节器实现局部补偿， 以改善调节品质，确是完全有可能的。由于前馈调节是一种开环调节，所以在局 部补偿的条件下，还必须采用反馈调节，以确保被调量在稳态时能恢复。 由此，我们可以看到前馈和反馈回路之间，前馈是快的，敏感的，但是它不 准确：反馈是慢的但是准确的，而且在负荷条件不明的情况下还有控制能力。这 两种回路的相互补充，相互适应构成了一种十分有效的控制方案。 1 4 本论文的任务和意义 在北仑电厂过热汽温控制系统中如果扰动较小，则该控制系统可以较为快速 地使被控量稳定在给定值。但是如果扰动较大时( 如启停磨煤机、吹会、负荷升 降幅度较大) 时，必须靠操作人员的在线干预，进行手动调节，才可将过热汽温 偏差控制在规定的【5 ，+ 5 】的范围内。这大大降低了电厂运行的效益和安全可靠 第一章绪论浙江大学硕士学位论文 性。 本论文的任务就是根据北仑电厂过热汽温控制过程的实际情况，找出新的控制 方案来代替现在的串级调节方案，克服大滞后的影响，使过热汽温的暂态偏差控 制在【一l o ，+ 5 】的范围内，缩短调节时间，最大限度地减少操作员地在线干预。 为了找出合适的控制方案，我们先对大滞后过程进行分析，然后分析比较各种 针对大滞后过程的控制方案，找出适合北仑电厂这种高参数、大容量机组的控制 方案模糊+ p i d 的控制方案最后介绍这种方案如何在m o d 3 0 0 集散控制系统 上实现以及在电厂投入使用后的情况。 由于北仑电厂群l 机机组容量为6 0 0 m w 是典型的大容量机组，它的过热汽温 控制过程是有代表性的大滞后过程。因此本论文的研究内容无论对于其它电厂的 大容量机组还是其它大滞后过程，都有很高的参考价值。 9 蔓三童堑曼塾堡箜型坌堑 塑壁塑圭兰垒丝苎 _ _ 一一 第二章大滞后过程的控制分析 一般而言，任何系统都会有滞后。在实际工业过程中，时滞现象非常普遍，如 传输过程或热交换过程。对于有滞后的系统而言由于当前施加的控制作用，需 要经过较长的时间才会在系统输出中反映出来，这样会导致超调和调节时间过长， 影响控制质量。而在大滞后过程控制中，由于大滞后而导致的问题更加突出。在 实际生产过程中，滞后主要由以下几种原因造成： 1 实际系统变量的测量： 2 用于实际系统中的设备的物理性质： 3 物质或信号的传递。 以火电厂热力系统控制过程为例，作为主要控制对象的锅炉是一个多输入、 多回路、多输出的非线性、时变性大、迟延大的复杂控制对象。随着电力事业的 不断发展，电厂机组容量的不断增加，过热器管道变长，使得滞后因素加大，但 同时对控制系统的控制质量提出了更高的要求。下面我们对滞后过程进行分析。 2 - i 滞后分类 滞后过程一般分为以下几类： i 一阶滞后。传递函数如下： g = 斋 ( 2 1 1 ) 在上式中：k 一过程稳态增益；t 一时间常数。 2 二阶滞后。传递函数如下： g 2 高 在上式中：k p - 过程稳态增益； 3 纯滞后。传递函数如下： g 纠= p 。5 在上式中：t 一滞后时间。 ( 2 - 2 ) t 一二阶过程的时间常数：e 一阻尼系数。 ( 2 - 3 ) 4 高阶过程的传递函数 大部分过程由许多动态环节组成，每个环节各自有不同的时间常数。在过程中 每一个质量或昭量的存储环节都可以看成一阶的动态环节。例如，一个5 0 层的蒸 馏塔有5 0 个质量存储环节和5 0 个能量存储环节。将进料部分与蒸馏部分联系起 t 0 第二章大滞后过程的控制分析浙江大学硕士学位论文 来的精确数学模型如果把冷凝器和再沸器包括进去的话， 设每个环节的传递函数如下式所示： 6 = 丽6 将大于1 0 0 阶。如果 ( 2 - 4 ) 则总的传递函数为： = 尊志斋志高 ， 此过程的模型是高阶的，复杂的，近于不可解也没有必要解的方程。好在用一 两个时间常数和一个纯滞后系统，如下式( 2 - 6 ) 所示，可近似地描述这样地高阶 过程是可能的。下面将说明这种方法的合理性。 g ( s ) = i 鬲i p ( 2 6 ) 、7 ( t i s + 1 ) ( r 2 j + 1 ) 、7 在上式中：g ( s ) 一高阶过程的传递函数：k - 稳态增益。 t ，t ：为高阶过程的时间常数( t ，t 2 ，t 。) 中最大的两个。对于线性系统而 言，一个高阶系统的瞬态响应可认为是由若干个低阶系统的瞬态响应组成的。大 多数的控制过程中的一个或两个时间常数起主要作用( 即比其它时间常数要大得 多得两个时间常数) ，则可将高阶过程表示为： ，( 5 ) = g ( s ) x ( 5 ) =( t i s + 1 ) ( t 2 s + 1 ) ( t 3 s + i ) ( t 4 s + 1 ) ( z d + 1 ) 式中g ( s ) 为高阶过程得传递函数；k f 过程增益 t l ，t 2 为高阶过程的时间常数中最大的两个。 = ( t i s 吲s )+ 1 ) ( r 2 s + 1 ) 、7 g 2 0 ) = 二一 、( t 3 s + 1 ) ( r 4 s + 1 ) ( 7 k + 1 ) 由于l ，l t n 和t 。，t ：相比都比较小，彼此可以认为近似相等，下图2 1 所示 的是一个由n 个一阶环节串联的过程。在这个图中。每个环节有一个时间常数t n ，n 个环节的时问常数之和为t 。 图2 - 1n 个串联的一阶环节 n 由酒 墨三童查塑亘整堡塑丝型竺堑一j 堑曼查兰堡圭兰竺丝 对于上述过程在输入一个单位阶跃x ( s ) 时，引起的过程响应y ( s ) 如下圈所示， a t i g l2 - 2 中可以清楚地看到：当n 增大时，响应从一阶过程过渡到纯滞后( 等 于t ) 。 在实际工业生产过程中，很少遇到纯粹地纯迟延对象，较多遇到的是几种特性 相结合的形式，但都可以用式( 2 - 7 ) 表示- ) = 丽矿4 。 事实上上述几种滞后过程，可以统一用式2 - 7 来表示 1 一阶滞后，式( 2 7 ) 中，t 2 = o ，t 卸； 2 二阶滞后，式( 2 7 ) 中，f = o ； 3 _ 纯滞后，式( 2 - 7 ) 中，t 可：= o ； 4 高阶过程即如式( 2 - 7 ) 所示。 2 - 2 滞后对过程控制质量的影响 2 2 1 滞后系统的调节器的整定 对于滞后系统而言，自动控制器应用如下两种方法来调整。 一、临界周期法 这种方法基于纯比例控制系统i 临界振荡试验所得数据，即临界比例带k 。和临 界振荡周期p ，利用一些经验公式，求取调节器最佳参数值。其整定计算公式如 表2 - i 所示。整定具体步骤如下： i 置调节器积分时间t i ( t 。= 一) 到最大值微分时间t d 为零( t o5 0 ) ，比例带k c 1 2 第一二章大滞后过程的控制分析浙江丈学硕士学位论文 | | 一 3 利用k 。和p 。值，按表2 1 给出的相应计算公式，求调节器各整定参数k 。、t l 和t 。的值 表2 - 1 稳定边界法参数整定计算公式 、整定参数 k 。t 1t o 调节规蕃、 p 2 k 。 p i2 2 k 。0 8 5 p 。 p i d1 6 7 k 。 0 5 0 p 。 0 1 2 5 p 。 二、c o h e n c o o n 方法。( 科恩一库恩法) 假设过程可以用带纯滞后的一阶模型来描述，这种方法在寻找调整常数时，控 制器放在手动方式上，输入作阶跃变化，变化幅度为m 根据图2 4 的响应曲线， 过程增益、时间常数和纯滞后时间可以依据下列方程式表示出来。 u 棚 粼 酲 描 绻恤 6 3 2 l l c 0 2 8 c 0 韧始缸 i u 2 i l “” 时阉 图2 - 4 过程响应曲线 c _ 第一章人滞后过程的控制分析 浙江大学硕士学位论文 t 。( t 。) 为响应到达终值2 8 ( 6 3 2 ) 的时间。 k 。= a c 。； t p = i 5 ( t o 6 3 2 - t o ) t = 1 5 ( t o 2 8 - t o 2 3 ) ；a = t t 。 在上式中：k 。为对象的增益；a c 。为被测最终值变化幅度； t ，为对象的时间常数；t 为纯滞后时间；a 为可控率。 下面给出控制器类型为比例加积分的时间常数。 正ir 竖+ 0 0 8 2 1 k p 口 忙砷t 鼍掣， 2 2 2 滞后对系统控制质量的影响 假设某一对象的动态模型为一阶环节与纯滞后环节的串联形式，在利用上述两 e u k 1 l z 翔 靶 辔 巨 8 罔2 - 5 恰、1 祭定的p i 控制同路的回路增益与a 的关系 塑三兰查塑堕堇望堂堕塑塑型生羔坚三查竺塑型苎! ! ! 堡苎 种方法对控制器的参数进行恰当地整定以后，其回路增益k 。i ( c k ，与a 的关系如 图2 - 5 所示。 曲线1 ：临界整定k = o 4 5 k 。k 。 曲线2 ：科恩一库恩整定k = o 9 a + o 0 8 2 由图可见，回路增益随a 的增大而逐渐减小，当a 为1 2 5 时，由临界整定法， 整定的回路增益接近于1 0 4 5 ，由科恩一库恩整定的回路增益接近于0 8 0 ；随着a 的继续增大，由临界整定法整定的回路增益最终接近于0 4 5 ，由科恩一库恩法整定 的回路增益最终将接近于0 0 8 2 。 圈2 6 表示了负荷阶跃变化时超调与a 的函数关系。对于恰当整定的回路，这 一超调量可由下式表示： 箜：旦 x d、+ k c k 口 图2 - 6 恰当整定的p i 控制回路的超调与a 的关系 兰= 翌叁堂巫堕里竺丝塑坌堑羔壁生苎兰垦兰! 坐 当a l 即滞后t 很大时，超调接近于1 相当于开环的情况。对绝大多数工 业过程控制来说，这是不允许的。 图2 - 7 表示振荡周期t 。与a 韵函数关系，对于大的有a 有 p o 1n _ l + 3 a p i = t 。+ 3t 一3 t 假设被调经过三个振荡周期回复到给定值则对于大a 时，调整时间接近于3 p u 或3 ( 3 。) ：9 ，。资料表明，北仑电厂过热汽温控制系统中，减温水扰动的滞后 约为5 分钟，则过程的调整时间接近于半个小时。 图2 7 恰当整定的p i 控制回路的振荡周期与a 的关系 1 6 第二章大滞后过程的控制分析浙江大学硕士学位论文 2 2 3 滞后对控制系统稳定性的影响 为便于分析，假设一个控制回路如图2 - 8 所示 图2 - 8 纯滞后环节对系统稳定性的影响 在上述回路中： 设p i 调节器的传递函数为： t w 4 s ) = 缸( 1 + ；一) jj j 控制对象的传递函数为： 职( j ) = - l 矿“ 蹬在纯滞后时b j 为零时 二图中的j 1 ：环系统频率特性为： g k t ；, w ) = 训1 + 南( 南 ：m ( w ) e f i ( + ，：( 1 二2 4 ) 在上式中 m c 川2 万渤丽乒芦1 而 防( w ) = - - a r c l g 簪q 叫 则串联纯迟延环节的开环频域特性为： g 七= 酬l + 南) ( 南p 删 ：m ( w ) e 码( 印一州 第二章大滞后过程的控翩分析浙江大学硬士学位论文 分析g k ( j w ) 与g 。( j w ) 的轨迹曲线，设吼，( j w ) 的越线为则串联上纯迟延环 节以后，它的模不变，相角沿顺时针方向转动了一个弧度( ) t ，形成曲线。曲 线 比曲线往左延伸，即更靠近( 一l ，j o ) 点假设曲线符合n y q u i s t y 判据， 不包围( 一1 ，j o ) 点，系统闭环稳定。在串联上纯迟延环节后，曲线逐步逼近( 一l ，j 0 ) 点，使系统的稳定裕度下降，由系统的开环频域特性可以示出一个临界值h ，当 t t 。时，系统的稳定裕度为0 。 系统闭环传递函数为： g o ) ：旦盟：丛生：! ! 盟：鳖垃型业二r 2 - 8 ) 、 r ( s )1 + 职( 5 ) e c o ( s ) l + w o ( s ) 】( s ) e 一。 、 其中： w i ( 。) ：善 i 十 t a x 其特征方程式为： i + w ，( s ) w ，( s ) e = o( 2 9 ) 即： e ”+ 虬( s ) wj ( s ) = o ( 2 - 1 0 ) 这不是代数方程，敞不能麻用劳斯判掘或古尔维茨判据来分析上述系统的稳定 性，将式e ”进行泰勒展开如下式所示： e n ：l + 嚣+ 上f 2 s 2 + 型+ + 型 213 1州 ( 2 - 1 1 ) 将吼( s ) 及w 。( s ) 及式( 2 一1 1 ) 代入式( 2 1 0 ) ，简化为下式： n 秘2 + ( 冗+ 1 g k , t t , ) s + k p k , + 陋+ 击r 2 s 2 + 孚+ “+ 号匀秘2 + 孙) = o 这是一个代数方程，前面三个多项式表征无纯滞后环节，后面表示滞后。 为了便于说明，分别举例说明n = l 和n = 2 时的情况。 由古尔维茨判据可知，二、三、四阶系统的稳定条件是： 二阶系统：a o o a l o ，a 2 o 三阶系统：a i l 0 ，a i 0 ，a 2 o ，a 3 o ，a i a 2 a o a 3 四阶系统： 口。口，们口。 a ( 1 o ，a t o - a z o ，a 3 o a 4 o ，磊j + 忑引 由上述条件可知：无纯滞后环节时二阶系统是稳定的。 在将e ”t l + t 后，系统特征方程式为： t tp s 2 + ( t j + k p k 。t t i ) s + k p k c + tt i tp s 3 + t t i s 2 = 0 进一步化简为： tt ，tp s 3 + ( t 。1p + t t ) s 2 + ( t i + k p k 。t t j ) s + k p k 。= 0 第= 章大滞后过程的控制分析 浙江大学颤士学位论文 ：t itp t k 口k 。 a - a 2 = t i 2 t 。+ t ) ( i + k 。k 。) 廿d 兀印r - 岛缸n - 砀- 为丘f a t a 2 兀2 ( 1 + 岛丘) - ( r + 帚)l 2 - ( 1 + 晦投) ( f + 母) 对于一个已调整好的系统，如果r 较小，即t t 。l ，则结果小于1 ，而如果 r 较大，则会使系统逼向l ，降低稳定裕度。 如果e “t l + ts + 0 5 ( rs 只则通过分析可知，在t 较小时，系统稳定，当 滞后较大时，稳定度下降，而滞后时间增大到某一给定值时会使系统变得不稳 定。 总之，由上述分析可知，在已经正确调整过的控制回路中，大滞后会使调节 品质恶化，使系统不稳定。 2 - 3 滞后过程的建模分析 被控过程的数学模型，是反映被控过程的输出量与输入量之间关系的数学描 述，或者说，是描述被控过程因输入作用导致输出量( 被控变量) 变化的数学表 达式， 被控过程可能既收控制输入的作用，也受扰动量的影响。控制输入总是力图使 被控过程按照某种期望的规律变化，而扰动量一般总是影响被控过程偏离期望运 行状态。但从系统角度来看，无论是控制输入还是扰动，都属于输入量，因为它 们都会影响输出的变化。 在控制界，关于系统的建模上，有以下两种观点： 1 一种建模方法是：就控制而言，模型的“不完备性”是无关紧要的，因为反 馈减少了包括模型误差在内的不确定性的影响。因此，精确的数学模型是不必要 的，所需要的是强有力的反馈设计，以及由此产生的鲁棒性、自适应的容错功能 的控制系统。强调的重点是控制器，其次才是控制过程的动态数学模型。 2 另一种建模方法是十分强调用物理定律来导出精确的数学模型。认为一旦推 出精确的数学模型，则给定输入量的值时，代入由数学模型导出的公式，就可以 预报出输出的值。这种方法强调的是过程的数学模型，其次是控制器。 上述两种建模方法各有侧重，应用于不同的领域。在有的领域可以有条件使二 者兼顾。但就大滞后过程控制系统而言，由于实际的生产过程是十分复杂的，其 组成设备较多，要想获得对象的较为精确的数学模型是十分困难的。以北仑电厂 过热汽温控制过程为例，锅炉是个多输入、多输出、多回路的复杂的控制对象， 具有多组滞后，输入变量之间相互耦台，并且在不同的工况下，相同的输入也会 有不同的输出。此外，热工对象的参数也具有时变性、非线性，因此，很难精确 1 9 第一二章人滞后过程的控制分析浙江大学硕士学位论文 地说出在某一给定输入时，热工对象对应的动态响应。测试的结果只能近似地反 映输入对控制被控量的影响。以试验曲线为依据计算出的对象在某一阶跃扰动下 的传递函数，也只有近似的精确度。多次重复测试的结果会有较大的差别，整个 热过程的动态数学模型也仅有参考价值。 另外，在北仑电厂过热汽温控制中，通过现场了解，在具体调节时，还必须参 考锅炉的壁温。此外，煤的种类、质量、火焰的中心位置、给水压力及其它燃烧 情形都会影响被控量一过热汽温。要对上述复杂的控制过程，建立起精确的数学模 型，是非常困难的，也是不太可能的。 参考两种建模观点及北仑电厂过热汽温控制系统的实际情况，我们认为对于实 际的较为复杂的大滞后控制过程而言，由于不太可能获得较为精确的数学模型， 故在设计控制方案时，不应使控制系统的调节品质对系统的动态数学模型的糟确 度十分敏感，力求设计出强有力的调节器。在实际过程中，热工过程控制对象是 不可更改的，而调节器却可以灵活设计和按需要整定，所以应将设计的重点放在 调节器上，其次才是对象的数学模型。 在电力系统中，目前引进的机组或国内设计的装机容量大于或等于3 0 0 m 啊的电 厂的机组，都采用了国内或国外研制的集散控制系统。北仑电厂采用的是美国泰 勒公司( t a y l o r ) 研制的m o d 3 0 0 集散控制系统。利用m o d 3 0 0 控制系统中的许多 功能模块，可以方便地搭出符合某一控制方案的逻辑图，从而设计出满足蔫要的 控制器。因此，在复杂的大滞后系统中，如果求不出控制过程的较为精确的动态 数学模型，则不必在建模时大费周折，而应将设计的重点放在控制器上。 第二章太滞后系统控制方案分析浙江大学硕士学位论文 第三章大滞后系统控制方案分析 北仑电厂过热汽温控制系统，其控制对象具有大容量、高参数、滞后惯性大的 特点，再加上只有一级减温从减温器入口到主蒸汽温度之间的迟延时间约为4 0 秒，所以当有较大的扰动时( 如负荷变化较大时) ，过热汽温信号的最大动态偏差 达1 0 。曾试着通过改变p i d 参数来改变系统的动态品质，但效果不佳。这说 明采用常规的p i d 控制方案已不能有效地克服大滞后过程的影响，故需采用新的 控制方案来改善大滞后控制过程的调节质量。 从现有资料来看，对于大容量、高参数、有较大迟延和惯性的对象，可采用的 控制规律大致有如下几种： 1 改进型常规控制方法； 2 s m i t h 预估控制： 3 模糊控制； 其中模糊控制在下一章中详细讨论，这章重点讨论改进型常规控制方法和s m i t h 预估控制方法。 3 - 1 改进型常规控制方案 虽然对于滞后较大的热工对象常规的p i d 调节规律不能改善调节品质，但是可 以在系统中采取许多特殊措施。这样系统在结构上没有发生根的变化无须花 太多的代价，却使控制性能有较大的改善，是值得在控制系统设计中借鉴的。 3 1 1 微分先行控制方案 微分先行方案的指导思想是：将常规的p i d 调节中的微分作用提前到被调量之 后( 即对被调量进行微分而不是对被调量与给定值之间的偏差进行微分) 。其方 框图如下： f广义调节对象w o ( s ) w c 2 ( s ) 图3 1 微分先行控制方框图 2 1 第三章大滞后系统控制方案分析浙江大学硕士学位论文 在上图中： w 。( s 卜一调节器的传递函数： w 。( s 卜一广义对象的传递函数， 设w 。( s ) = w ( s ) e ”，其中w ( s ) 为不含纯滞后的环节，将其简化为图3 2 。 设常规p i d 控制如下图3 - 3 所示： 图3 2 图3 - 3 常规p d 控制方框图 由图3 3 知，该系统的随动性能及抗干扰性能为 粤：当望婴 式3 1 r f s )1 + m 矿c 2 矿0 c ( s ) 0 f ( s ) 1 + w 4 2 o 由图3 - 2 知，微分先行系统的随动性能及抗干扰性能为： 式3 2 旦盟：上丝! ：坚! ：! ! ：坠! ：兰!式3 3 尼( 印 职2i + 职i 阢2 w o1 + 职1 - 胍2 矽。 旦盟： 型! f ( s 、1 4 - 职】- 聃2 - 矽。 式3 4 2 2 一- _ 一- - - _ _ _ - - _ - _ _ _ - 一一_ _ 第三章大滞后系统控制方案分析浙扛大学硕士学位论文 比较上述公式3 - l 与3 - 3 可知两随动系统的分母相同，说明两系统过渡过程的 动态稳定性是样的。式3 - 1 比式3 - 3 的分子多了一项w a ( s ) ，即常规p i d 控制 系统较微分先行控制系统多了一个零点。若系统在忽略了一个零点( - z ) 时，求 得系统的单位阶跃响应为c ( t ) ，而在考虑该闭环零点时( - z ) ，系统的单位阶跃响 应为c ( t ) ，则由自动控制理论可知，c ( t ) 与c ，( t ) 的关系如下： c ( ，) - c l + 专掣一c - ( ，) + t d - 掣 趣s 反映了零点( z ) 对瞬态响应的影响，其影响程度与c ，( t ) 的变化速度成正比， 与t d 也成正比，如果t d 大即微分作用强，对瞬态响应的影响也就越大。 以下图为例，设一个广义对象的传递函数为： 州耻熹可“ 当给定值作1 0 的阶跃扰动时，采用单