第5章 汽包锅炉给水自动控制的系统.doc

第五章 汽包锅炉给水自动控制系统5-1 前馈-反馈调节系统一.前馈-反馈调节原理反馈调节系统特点：事后控制，反馈校正。调节过程中被调量的动态偏差较大,且调节过程也较长。前馈调节系统特点：直接根据扰动进行调节,减小动态偏差。1. 定义 直接根据造成被调量偏差的原因进行调节的系统,称为前馈调节系统。2. 前馈的类型及整定前馈调节的类型：很多,因而的规律不同。不变性原理：设计前馈补偿器,使被调量y与扰动无关。(a)扰动有单独通道 (b) 扰动作用在对象之前 补偿作用在调节器之前。例如:喷水压力改变时对温度的影响。 (c) 扰动有单独通道,补偿作用在调节器之后 (d) 扰动有单独通道,补偿在调节之前前馈一般不能做到完全补偿。常用静态前馈或者一些特定形式的动态前馈。(a) 静态前馈即根据不变性原理求出,用其静态放大系数作为补偿装置,它是一个比例环节: (b) 动态前馈 直接根据不变性原理求得。在热工过程控制中常用:-超前滞后环节当时 ,超前补偿(PD作用)当时,滞后补偿(PI作用) 3. 存在缺点:(1) 只能针对一种或者几种典型扰动设计,然而生产过程中扰动因素很多,因而调节效果受到限制.(2) 对不可测量的扰动,无法实现补偿.(3) 不能做到完全补偿,实现复杂,采用或者近似补偿.前馈反馈调节系统：必须将前馈和反馈结合起来进行调节,利用前馈来减小扰动对被调量的影响,而反馈作用保障被调量等于给定值.二.前馈反馈调节系统.1.概念前馈控制:作用是有效抑制主要扰动,开环控制。反馈控制:保证系统稳定 ,即最终消除扰动,使。2.前馈反馈复合控制系统的特点（见书P110-112）1）引入反馈后，前馈控制的完全补偿条件不变；2）前馈控制规律还与反馈调节器位置有关；3）复合控制时，扰动对输出的影响比纯前馈控制时小得多；4）前馈对系统稳定性无影响。3.系统整定(i) 在整定反馈回路是,只考虑是反馈形成的闭合回路,具有适当的稳定性裕度,而不要考虑前馈部分.(ii) 在整定前馈装置时,不考虑反馈的调节所引起的稳定性问题,直接用不变性原理整定.4. 工程整定(只介绍前馈调节整定)(1) 静态前馈系统的的整定(a) 开环整定法使闭环系统稳定；断开反馈回路，加扰动x；由小到大,使y不变，记下.(b)闭环整定法开环整定法的主要缺点是容易造成被调量失控的事故,故工程上常用闭环整定法：断开，使反馈系统稳定；加扰动，待再次稳定后记下；（C） 前馈反馈复合整定这是一种试探式的方法：前馈和反馈都投入在相同的扰动下, 由小变大观察被调量的响应曲线取过程最佳时的.(2) 动态前馈模型的参数整定原则 可在的条件下按前述方法确定.若有条件可先通过仿真实验确定和,然后再到现场修正.例题或习题1.(1) 说明环节k的作用,并按静态整定k值 .(2) 若环节改为 (值为上述整定值),则在反馈断开时,扰动x的单位、阶跃变化能否使y做到静态不变？为什么？若y改变，则y稳态变化量为多少？解：（1），静态时，。（2）不能。由于当x阶跃扰动达到静态时，实际微分环节输出为0，对y无前馈补偿作用。 2.图示系统：问：1.这是什么系统？2.说明调节器的作用。3.当的惯性W,即汽包中流出量流入量水位h1下降;(2) D上升 汽包压力下降 水饱和温度下降 水面下汽容积上升 水位h2上升。 （3）实际水位.（4）虚假水位：从H 曲线上看出, 当D升高时,尽管汽包的流出量D大于流入量W,但水位H不仅不下降,反而在起始时迅速上升,这种现象成为虚假水位.传递函数： 注: D阶跃只是为定性说明问题而假定的,实际上D阶跃是很难做到的.引起D变化的如下:从图上不难看出,影响D主要有两个因素:1. 阀门开度2. 阀门前后的压差 注:实际上D是变化的.因为当压力下降后,响应的水的饱和温度下降,水的蒸发量应略有增加.若能即使跟上,而保证不变,那么可使D阶跃,遗憾的是做不到.3.燃烧率扰动对水位的影响 分析:(i) 为什么出现虚假水位?即水位先上升,后下降?(ii) 为什么起始时基本不变化?虚假水位原因:(i) B上升蒸发量上升流出汽包蒸汽上升H下降(最终)(ii) B上升蒸发量上升水面下的汽容积上升H上升(起始)起始基本不变的原因:(i) B上升蒸发量上升水面下汽容积上升 气压上升饱和水焓上升部分蒸汽凝结成饱和水水下汽容积下降起始时水面下汽容积上升较慢H上升较慢.(ii) 另外,BD 的变化,必有一定的热惯性.53.给水调节系统一、给水自动控制系统的基本要求1对象无自平衡能力必须采用带比例作用的调节器2虚假水位 虚假水位可能导致调节作用相反.如: 而实际上,为保证D平衡,由该有W上升.解决：蒸汽流量前馈补偿3给水压力会波动需消除内绕二、单级三冲量给水自动调节系统.1.系统组成:原理结构图:,-给水和蒸汽流量信号的灵敏度或分流系数。a. 冲量单冲量给水调节系统：只根据H来调节给水量;双冲量给水调节系统：只根据H,D来调节给水量.三冲量给水调节系统：根据根据H,D,W(三个量)来调节给水流量.b.各冲量的作用.(i)蒸汽流量D作用:负荷前馈,能有效地克服虚假水位的影响;D增加H起始时上升水位调节使W下降(反向调节) D接入调节器后开打给水阀W上升抑制虚假水位.(ii)H引入 动态过程中,起校正作用,保证在稳态时,使.(iii)给水量W能有效消除给水的自发性扰动(如给水压力的变化)C. 各冲量信号接入调节器的极性规定规定:当信号增大时,要求开大调节阀,该信号标以 + 号;反之,当信号减小时,要求开大调节阀,该信号标以 号 .如图中,蒸汽流量增大要求开大给水阀,故 +;2.分析与整定.(1)画出原理图.; 前馈反馈串级调节系统内回路:PIPI任务:快速消除给水量量能自发性扰动外回路: 内回路任务:消除各种干扰对水位的影响,并使稳态时汽包水位等于器给定值,需整定的参数: ,.(2)内回路:这是一个单回路系统,需整定的参数有三个:及PI: 等效调节器: 等效对象:-此为比例环节由于等效对象为比例环节,理论上, ,可取得非常小,仍能保证系统稳定;而实际上,给水调节阀,测量变送器,执行器都有一些惯性,且执行器还有明显的非线性作用,因此,一般都用实验方法来整定。具体做法:取,设定值手操作给水调节器(造成给水量阶跃) 观察W记录曲线是否很快稳定如不能改变,重新实验直到W曲线基本不震荡,且能很快稳定记下.增加内回路等效比例带下降系统趋于不稳定,即下降.对外回路的影响相反.(见后面分析)。(3)外回路.显然,内回路是一个快速随动系统.即: 所以: 因此,内回路可看作是比例环节,即外回路为:可把看成等效调节器.等效比例带为: .按一般的单回路整定方法,得到.上升等效比列带增加系统趋于稳定增加.(4) 的确定.用不变性原理进行整定.取,注意：两个传递函数飞升速度是相同的。静态前馈:(5)调节系统的静态特性.静态时,调节器入口:要使水位等于定植,即,只有而当稳态时, ,所以有: 按上面整定的参数能保证如果,则水位不能恒定,随着负荷的变化而变化:(i) ,且随着蒸汽流量的增加而增加.(ii) ,且随着负荷增加而降低.3.整定小结.(1)步骤.(i)先整定主回路,确定(ii)由内回路确定, sec (选定)(通过实验方法)注:按照迅速消除内扰,稳定给水器的要求用试凑法.(iii) (用不变性原理)(2) ；为保证不变(即不变) ,以保证水位稳态时恒定.例1. 汽包锅炉单级三冲量给水调节系统如下页图示,试对系统进行整定()已知:, 解(1)确定的整定值值可通过外回路来确定:特征方程: 取=0.9,则因此,可取0.230.49中的某一数值,如取(2)用实验法确定内回路第一次实验:取,实验曲线为曲线1.第二次实验,取,实验曲线为曲线2.第三次实验,取,实验曲线为曲线3.曲线1,过程进行缓慢(由于太小);曲线过程振荡较严重.(太大);曲线3的过程基本不振荡且结束较快,权选择这组数组.(3)整定.例(2)已知三冲量给水系统如前例, ,试确定分流系数的大小.解(1)的整定外回路: 用临界比例带法整定:使的幅相特征经过(-1,j0)点,即根据临界比例带法:(2)=0.21三、.串级三冲量给水调节系统:1. 特点.它是在单级基础上增加了主调节器,使该系统如下特点:(1) 主副调节器的任务明确.:动态校正水位,使稳定时水位等于给定值.:(i)D扰动时迅速改变给水流量,使水位较小变化.(ii)W自发扰动时,能即使予以解决.(2)的设置比较的灵活. 对于单级,为保证即若,则有.而对于串级,无需这个条件.水位有调节器维持,因此,可以根据虚假水位的严重程度适当提高,如可取(3)系统的可靠性有所提高.当或失去一个信号时(由于变送器故障)串级:仍能继续工作,安全性好.单级:,无法维持水位恒定,无法工作.(4)对过程的影响程度不同.串级： 对过程的影响相同，但影响程度要弱,因为对单级,是等效主调节器的等效比例带,所以对主回路稳定性影响很大,而对串级, 对水位稳定性不起主导作用(还有发挥作用)2. 整定.(1) 画成框图.已知解:1.的整定. 用外回路: 等效调节器:据方法如下:(a) 查表法(响应曲线法)(可查书上的表,但是书上要求,本例)(b) 用临界比例带法(自己做).(c) 介绍另一种方法:阻尼系数法(二阶情况)系统的特征方程:三阶方程,振荡过程必有一对共轭复根.,其中.若非周期成分和振荡成分具有相同的衰减速度,即:则上式为: 展开:比较系数: 解得:;取 (2)的整定.内回路相同于单级水位控制,由于对象近似为比例环节可取得较小,(3)： 对串级三冲量给水调节，可自由设定。可 取, 则 ,思考题:1. 在蒸汽流量,给水流量,燃烧分别阶跃扰动下,汽包水位的阶跃响应特性有何异同?为什么?2. 什么是冲量给水调节系统,各冲量的主要任务?3. 串级三冲量给水调节与单级相比有何特点?4. 分析如下三图：汽机调门阶跃开大，D和H动态特性5. 给水分流系数对内外回路的衰减率如何响应?为什么?6. 单级三冲量保证水位等于定植的条件是什么?为什么串级之冲量系统无此要求?7. 在一个单回路控制系统中,如何区分前馈补偿装置?8. 整定前馈补偿装置的依据是什么?内容?四、给水流量反馈中加入惯性环节的三冲量给水控制系统.在给水流量反馈信息中加入了一个惯性环节,具有如下特点:(1)改变了内回路的特性:有了环节:内回路等效为:(为什么?)无环节:内回路等效为:(2)改变了外回路等效调节器:若无惯性环节:调节器 -比例若有惯性环节,调节器 -比例微分优点:由于采用了PD调节器,动态偏差会减小,并缩短调节过程时间.缺点:(1)由于加入微分作用,使给水的波动较大.(2)给水量的自发性扰动的消除,显得比较慢,主要是内回路的动作速度有所减慢.五、附加蒸汽量负向微分信号,给水流量惯性环节的三冲量给水控制系统(李书,P136,图7-33)特点:(1)负荷微分是指微分器的输出和蒸汽流量信号的方向相反,目的是为了减少虚假水位。优点:当D时水位起始时 通过负向微分 暂时关小给水阀W抑制水位起始 缺点: 当 时,最终调节结果必定开大给水阀(据物质平衡),但由于负向微分先关小了给水阀,那么接下来的动作肯定是大幅度开大调节阀,造成调节阀开度波动. (2)整定(同前)内回路为快速随动系统,可等效为环节:,系