8 章 调节系统的整定试验.doc

第八章 调节系统的整定与试验第八章 调节系统的整定与试验第一节 调节系统的质量指标自动调节系统调节品质好坏，表示了调节系统克服干扰能力的大小。在生产设备或工艺过程受到干扰作用后，要求被调量既快又准地迅速恢复到给定值，使生产过程按正常工况运行。干扰作用进入调节系统的位置、形式、幅值和频率不同，对被调量的影响也不同，其过渡过程曲线的变化也不同。调节系统的过渡过程包括动态过程和稳态过程两部分。因此在讨论调节系统的质量指标时，应分别对动态过程和稳态过程提出质量指标的要求。一、动态过程的性能和质量指标调节系统的动态过程队稳定性、准确性和快速性都有要求。其中，稳定性是首先要保证的。一个调节系统不仅要稳定，还应具有一定的稳定裕度。准确性要求在动态过程中被调量的偏离值（尤其是最大动态偏差）保持在运行所容许的范围内。快速性则要求动态过程的持续时间要尽可能短，即要求衰减速度要尽可能快。为了检验调节过程的质量，用衰减率作为调节系统稳定性指标较为直观和形象，也容易由过渡过程曲线求出其参数值。在调节系统中，调节对象的动态特性通常是不能改变的。系统的稳定性可通过调整调节器参数来改变。衰减率值确定后，系统过渡过程的形式即被确定后，系统过渡过程的形式即被确定。 y 1 3 2 0 t 图81 不同衰减率时调节系统的阶跃响应特性图81是不同值时系统的阶跃响应曲线。其中，曲线1是1的情况，此时，系统的过渡过程是非周期过程，其稳定性最好，但其调节作用比较慢，即系统动态过程的持续时间比较长，且动态偏差比较大。因此，从准确性和快速性来看，曲线1表示的过程不是最好的。加快调节作用，可使被调量的动态偏差减小，但系统过渡过程振荡频繁并且衰减得很慢，其阶跃响应特性如图81中曲线2所示，这种调节过程也是不能满意的。这说明衰减率得选择应兼顾稳定性、准确性和快速性三个方面。在热力过程的调节系统中，通常取的数值在0.750.9范围内。图81中曲线3是0.75时的调节系统的阶跃响应曲线，曲线表明系统振荡11.5次后即基本稳定。衰减率的实际值应根据具体被调对象进行适当修改。如在燃烧调节系统中，燃料量的调节过程不允许频繁振荡，则衰减率的取值应大一些。而对于允许超调量大、偏差大的调节对象，则的取值可以小些（0.60.7）。二、稳态过程性能和质量指标调节系统的稳态过程不仅与系统的动态过程有关，而且与输入信号的形式有关。对于定值调节系统，其稳态过程的质量指标一般是以阶跃输入作用下，系统达到稳定状态时被调量与给定值之间的偏差值（见图82）来衡量。这种偏差称为静态偏差。通常以生产过程中被调量所允许的最大偏差作为限制性指标。调节系统应保证被调量应保证被调量在可能出现的最大扰动作用时所产生的静态偏差小于，即 式中 被调量的静态偏差； 系统作阶跃扰动试验时的最大扰动量；生产过程中可能出现的最大扰动量。 x 0 t y 0 t 图82 阶跃输入时被调量的静态偏差对于随动调节系统，其静态过程的质量指标应根据输入信号(即给定值)的变化形式而定。它可能是静态偏差方面的要求，也可能还要附加动态时被调量与给定值之间的速度偏差和加速度偏差等方面的要求。总之，在随动系统中，应保证静态参数（静差、速度、加速度等）与输入作用的状态参数之间的偏差在允许范围之内。为了便于分析和判断调节系统的质量指标，现将从现场实践中作中总结的一套口诀摘录如下，可供借鉴：整定参数寻最佳，由大到小逐步查；先调比例后积分，微分作用最后加：曲线振荡锯齿形，比例刻毒要增大；曲线飘浮绕大弯，比例刻度向小减； 曲线偏离回复慢，积分时间向小减； 曲线往返波动大，积分时间再增大； 曲线振荡很频繁，微分时间要加长； 曲线上下有偏差，微分时间是太大； 理想曲线两个波，调节质量为最佳。有关对调节质量的要求，在部颁热工仪表及控制装置检修运行规程(试行)的第四篇中有明确的要求，实际工作中应认真贯彻执行。第二节 调节对象动态特性测试调节对象是调节系统中的一个环节，不同的调节对象需要采用不同的调节系统。某些特殊的调节对象则要求采用复杂的调节系统。分析调节对象动态特性对设计人员和调试人员来说是非常必要的。 调节对象是一些复杂的设备和系统，输入量较多，很难用数学方法直接求出其动态特性，一般用试验方法进行测试。对现场测试的数据(或曲线)进行适当的数字处理，即可求出调节对象的动态特性。进行动态特性测试工作，首先应明确以下几个有关问题： (1)输入量和输出量的确定。根据被调对象在生产过程中所起的作用及其在调节系统中所处的地位来确定其相应的输入量和输出量。如汽包用来进行汽水分离并稳定主汽压力，取汽包水位信号作为给水自动调节系统的输出信号，取汽包压力信号作为压力调节系统的输出信号。影响调节对象输出信号的因素不是单一的。例如，引起汽包水位变化的因素有主蒸汽流量、给水流量、排污量、燃料量等，其中任何一个因素的改变都可以作为调节对象的输入信号，其中给水量和燃料量变化所引起的扰动称为基本扰动(或内部扰动)，基本扰动在调节系统中起决定性作用。不属于闭环系统范围内的扰动称为外部扰动。外部扰动也会引起被调量变化。负荷变化是引起汽包压力变化的最重要、最经常的外部扰动作用；蒸汽流量变化或汽轮机调节汽门开度变化是给水调节系统的外部扰动。(2)扰动信号的形式。扰动信号可以采用阶跃信号或矩行脉冲信号。采用阶跃信号得到的响应曲线称作阶跃响应曲线(或飞升曲线)。当受到运行条件的限制，不可能获取完整的阶跃响应曲线时，可采用矩形脉冲扰动试验，再将脉冲响应曲线变换为阶跃响应曲线。下面介绍在现场求取调节对象特性的试验方法。1.求取阶跃响应曲线的现场试验方法 从原理来讲，阶跃响应试验容易实现，但在实际操作时却经常遇到不少具体困难。这是因为，生产过程是连续进行的，不可预测的扰动作用时有发生。试验还受设备及运行条件的限制，扰动量大了，输出信号将接近或超过允许范围，稍有疏忽又会受到自动保护装置的干与，甚致造成事故。所以在试验前要做好准备工作，制定试验方案和安全措施。(1)试验前应将调节对象的运行工况调整到要求的初始条件。作上升曲线时，被调量的初始值应稳定在其允许变动范围的下限值；作下降曲线时，被调量的初始值应稳定在其允许变动范围的上限值。(2)进行扰动前，应保持系统处于稳定工况，各有关参数应基本稳定不变。(3)在稳定工况下迅速进行扰动，扰动量应足够大（一般为额定负荷时的10%15%)，并记录扰动时刻及输入、输出信号的数据，(尤其是被调量变化的起始阶段和接近稳态的阶段)，还应记录主要参数及与试验有关的参数，供分析试验结果时使用。记录方式可采用多笔记录仪或利用数据采集系统。若采用曲线记录仪，还应将每个通道接入的信号及标尺预先设置好。 (4)试验过程中，除确定的输入量作一次阶跃扰动外，应防止其它干扰作用的发生，尽量避免一切影响运行工况的操作，并保持外部负荷稳定。每项试验应在相同条件下重复进行，至少应作出两条基本相同的曲线，以排除随机性干扰的影响。 (5)调节对象的动态特性与负荷有关，所以试验应分别在最小负荷、最大负荷、中间负荷三种工况下进行，分别取得几条试验曲线，以便在系统参数整定时，考虑到最不利的情况，提高调节系统的可靠性。 (6)试验应分别在正、负阶跃扰动下进行，以求取被调量在上升和下降情况下，调节对象的动态特性。在进行分析计算时取上升和下降两组参数的平均值，或者分别进行分析。 (7)利用试验获得的阶跃响应曲线，可求出动态特性的有关参数：放大系数、飞升速度、自平衡率、时间常数和迟延时间等。2.矩形脉冲扰动试验方法 在进行阶跃扰动时，当被调量上升(或下降)到将要超出允许变化范围，但还未出现参数稳定的趋势时，应立即“停止”扰动，使调节机构恢复到扰动前的位置，这就是矩形脉冲的扰动试验，记录数据的工作应从扰动开始，直至参数稳定为止。利用叠加原理可以将脉冲响应曲线变换为阶跃反应曲线，如图，8-3所示。其变换方法是把脉冲响应曲线划分为两个方向相反的阶跃反应曲线(两条曲线的起始时间之差为矩形脉冲的宽度T)。图8-3(a)是自平衡对象的特性曲线; 图8-3(b)是无自平衡对象的特性曲线。图中y(t)是脉冲响应曲线，y是阶跃响应曲线。 (a) (b) 图83 由脉冲响应曲线求取阶跃响应曲线 （a）有自平衡对象 （b）无自平衡对象由图8-3可知，对于有自平衡对象，其阶跃响应曲线最终能达到一个新的稳定值；其脉冲响应曲线最终则完全恢复到初始情况。无自平衡对象的阶跃响应曲线始终不能稳定下来，而是按一定速率一直变化；其脉冲响应曲线最终不能回到初始情况，被调量存在静态偏差。这说明自平衡对象和无自平衡对象具有完全不同的动态特性。在进行脉冲扰动试验时，如果扰动量没有恢复到初始值，或者测量仪器有误差，将使试验结果有一定偏差，则有可能将自平衡对象误认可为无自平衡对象。所以进行脉冲扰动试验时，应合理选择扰动信号的幅度和宽度，以得到满意的响应曲线。一般取脉冲幅值为额定负荷时的2030。脉冲宽度T的选择要考虑对象的滞后和惯性，使被调量的幅度有明显的变化。T过小，响应曲线的峰值过小，不明显，降低了试验结果的准确性；T过大，有可能使被调量超出允许变化范围。 3.调节阀门的特性试验 调节阀特性好坏是自动调节系统能否投入正常运行的重要条件之一。选用特性较好的调节阀门是自动化的基础工作。在热工仪表及控制装置检修运行规程中，明确要求“在锅炉每次大修后检修过的和新投入使用的调节阀门都应当进行试验”，对其质量要求是： (1)最大流量应满足额定负荷的需要，并具有1030的裕度。(2)漏流量(阀门完全关闭后的流量)一般应小于额定流量的10。 (3)变差流量(按开启和关闭两个方向操作到同一开度时流量的差值)应小于额定流量的23。 (4)死行程应小于全行程的5。流量变化的饱和区应在开度范围的85以上。(5)在有效行程内，流量变化率随阀门开度的变化应比较均匀。 调节阀门的特性与阀门的结构、现场运行条件有关，所以阀门特性应通过现场试验求取，试验方法及注意事项如下：(1)试验时应按开启和关闭两个方向进行，当进行开启试验时，每次操作应迅速准确地达到测试点的开度，中途不允许有关闭的操作；当进行关闭试验时，每次操作也应准确地达到测试点的开度，中途不允许有开启的操作。开启和关闭两个方向的试验都应全部进行，以取得完整的数据。 (2)试验时要求主设备的负荷及运行工况稳定。进行给水调节阀门特性试验时，应保持给水压力和汽包压力稳定。(3)试验时必须将所有的旁路阀门全部关死，而所有串联的阀门则必须全部开启(包括电动阀门和手动阀门)。 (4)试验过程中，操作应迅速、准确，一步到位。在条件具备时，全部试验工作应集中力量一次完成。(5)为确保安全，在进行开启试验前，应使被调量保持在较低的数值；进行关闭方向的试验时，应使被调量保持在较高的初始值(调节阀门安装在对象的流人侧)。 第三节 单回路调节系统的整定方法调节系统的整定就是根据调节对象调节通道的特性确定调节器参数，以使调节系统满足生产过程的要求。调节系统的整定首先要保证系统具有一定的稳定裕度。不同的稳定裕度，有不同的整定方法。工程技术中广泛采用的衰减率是衡量系统的过渡过程具有的稳定裕度的参数。但是，具有相同衰减率的过渡过程的质量并不一定相同。因此，对于有两个以上整定参数的调节器来说，在满足相同衰减率的条件下，其整定参数的组合会有无穷多组。这就需要按照工艺要求提出的附加条件进行整定计算，或通过现场调试解决，使调节系统满足稳定性、准确性和快速性的要求。用现场试验方法求取的调节对象动态特性参数，通常仅作为整定计算的参考，因为在整理试验数据时，都是近似地将调节系统和各元件作为线性环节。同时在整定计算中，对调节器的作用规律也进行了简化，并将其视为理想调节器。因此，各种计算结果是近似的。所以，在整定过程中不必过分追求准确性。下面介绍几种工程整定方法。一、临界比例带法 这种方法是以调节系统的边界稳定条件为前提，先用纯比例作用试验求出临界比例带，然后整定调节器参数。其具体方法如下：先将积分时间置最大，微分时间置最小，比例带置较大数值，此时调节器为纯比例作用。将系统投入闭环，比例带由大到小逐渐调整，观察调节器输出信号和被调量的变化情况。如果调节过程呈衰减振荡，则应使比例带继续减小；如果调节过程呈发散振荡，则应使比例带增大。直到调节过程呈等幅振荡为止，此时的比例带称为临界比例带(记为)。根据被调量随时间波动的记录曲线求出被调量的波动周期(称为临界周期，记为)。采用下列经验公式计算调节器的比例带和振荡周期对于P调节器，取 对于PI调节器，取 对于PID调节器，取以上计算结果只能作为参考，在系统投人闭环运行后还需作适当修正。多数调节对象允许进行边界稳定试验。因为在试验过程中，虽然是等幅振荡，但振幅较小，并且振荡周期比较长(一般了)。这种试验方法简单，容易掌握，所以应用较广。当调节对象的惯性和迟延很小，使临界比例带很小时，或生产过程不允许呈等幅振荡和增幅振荡的情况下，则不宜采用。二、飞升曲线法和脉冲曲线法 (一)飞升曲线法调节对象处于稳定状态下，调节系统开环运行，就地或远方操作，使调节机构产生阶跃扰动。用快速记录仪同时记录下扰动量大小和被调量随时间的变化曲线，依据该曲线可求出调节对象的特性参数：飞升速度()、自平衡率()，飞升过程的迟延时间()或另一组参数：系统的放大系数()、过程时间常数()以及飞升过程的迟延时间()对衰减比为4：1(即衰减率为0.75)的调节过程，调节器参数可参考以下经验公式整定：对于P调节器，取 或 对于PI调节器，取 或 对于PID调节器，取 或(二)脉冲特性曲线法这种方法的扰动信号是一个矩形脉冲。具体操作方法是：在调节对象处于稳定状态时，改变调节机构位置产生一阶跃扰动，当被调量变化到一定值时，再使调节机构迅速恢复到最初的位置，记录扰动信号和被调量的变化过程曲线，便可得到脉冲特性曲线。将脉冲特性曲线用叠加原理变换成飞升曲线，即可求出系统的、和(或K、T和)，并用经验公式求出调节器的有关参数值。 (三)经验法经验法即通过试凑，实现调节器参数整定的方法。其操作方法是，首先确定调节器的作用规律及有关参数的大致范围。然后，将系统投入闭环运行，根据被调量的记录曲线调整参数，直到满意为止。对于不同的调节对象，其过渡过程不同，调节器参数