电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统设计

电厂锅炉温度串级控制系统设计

摘要

本文是针对锅炉蒸汽温度控制系统进行的分析和设计，而对锅炉蒸汽的良好

控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本系统采用串级控制系统，这样

可以极大的消除控制系统工作中的各种干扰因素，是系统能在一个较为良好的状

态下工作，同时锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管

壁温度不超过允许的工作温度。

蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的重要参数，因此对蒸汽温度控制要

求严格，过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形

而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低影响经济运行。

本次设计主要考虑的部分是锅炉温度蒸汽控制系统设计，蒸汽过热系统包括

一级过热器、减温器、二级过热器，锅炉气温控制系统主要包括过热器和再热蒸

汽温度的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济运行是非

常重要的。

本设计针对锅炉温度控制问题，综合应用过程控制理论以及近年来兴起的仿

真技术、计算机远程控制、组态软件，设计了锅炉温度串级控制系统。首先，通

过实验法建立锅炉的数学模型，得到锅炉温度的传递函数，通过对理论设计的控

制方案进行仿真，得到较好的响应曲线，为实际控制系统的实现提供先决条件。

其次，使用智能仪表作为控制器，组建现场仪表过程控制系统，通过参数整定，

得到较好现场控制效果。再次，实现积分分离的PID控制算法。

关键词：蒸汽温度；串级控制系统；PID控制

Abstract

Thisarticleistheanalysisanddesignforboilersteamtemperature

controlsystem,andagoodcontrolofthesteamboilersystemistoensure

thestabilityoftheoutputsteamtemperature,sothesystemusesthe

cascadecontrolsystem,whichcangreatlyeliminatethecontrolsystem

workvariousconfoundingfactors,thesystemcanworkinarelatively

goodcondition,whiletheboilersuperheateroutletsteamtemperature

withintheallowablerange,andtoprotectthesuperheatertubewall

temperaturedoesnotexceedtheallowableoperatingtemperature.

Steamboilertemperatureissafe,efficientandeconomicoperation

ofimportantparameters,andthereforerequirestricttemperature

controlofsteam,hightemperaturesteamcancauseoverheating,steam

pipesandsteamturbinethermalstressduetoexcessivedeformationand

destruction;steamtemperatureistoolow,wouldreducetheimpactcaused

bythethermalefficiencyoftheeconomy.

Themainpartofthisdesignconsiderationisthetemperatureofthe

steamboilercontrolsystemdesign,steamsuperheatersystemincludes

primarysuperheaterdesuperheatersecondarysuperheater,boiler

temperaturecontrolsystemincludessuperheaterandreheatsteam

temperatureregulation.Themainsteamtenperatureandreheatsteam

temperaturestabilityforsafeandeconomicoperationoftheunitisvery

important.

Thedesignfortheboilertemperaturecontrolproblem,a

comprehensiveapplicationprocesscontroltheoryandtherecentriseof

simulationtechnology,computerremotecontrol,configurationsoftware,

designedtheboilertemperaturecascadecontrolsystem.First,create

amathematicalmodelthroughexperimentationboilers,boilertemperature

2

toobtainthetransferfunctionofthecontrolschemeofthetheoretical

designthroughsimulation,getabetterresponsecurve,providing

prerequisitefortherealizationoftheactualcontrolsystem.Secondly,

theuseofsmartmetersasacontroller,fieldinstrumentationprocess

controlsystemestablishedbyparametertuning,getabetterscenecontrol.

Again,theintegralP1Dcontrolalgorithmtoachieveseparation.

KEYWORDS:Steamtemperature；CascadeControlSystem；PIDcontrol

3

3.6.3导前微分控制系统的整定..................................25

3.7两种汽温自动控制系统的比较....................................28

第四章过热蒸汽温度控制系统的设计..................................29

4.1系统控制参数的确定............................................30

4.1.1主变量的选择............................................30

4.1.2副变量的选择............................................30

4.1.3操纵变量的选择..........................................30

4.2执行器的选择................................................30

4.3控制仪表的选择............................................31

4.4串级控制系统主副回路和主副调节器选择.........................32

4.5控制器选择..................................................33

第五章基于MATLAR的系统仿真.......................................34

5.1电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的建模...........................34

5.1.1机理法....................................................35

5.1.2测试法....................................................35

5.1.3阶跃响应法................................................36

5.2PID控制器原理.................................................36

5.2.1PID控制器简介.............................................36

5.2.2P1D控制系统...............................................37

5.3PID控制参数的整定及方法......................................38

5.3.1PID控制参数的整定简介....................................38

5.3.2PTD控制参数整定方法......................................38

5.4电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的MATLAB仿真.......................42

5.4.1被控对象的仿真模型........................................42

5.4.2串级控制系统的仿真........................................42

致谢...............................................................47

参考文献............................................................49

毕业小结............................................................46

5

6

绪论

1.1毕业设计的选题意义

蒸汽温度是锅炉安全、高效、经济运行的主要参数，因此对蒸汽温度控制要

求严格。过高的蒸汽温度会造成过热器，蒸汽管道及汽轮机因过大的热应力变形

而毁坏；蒸汽温度过低，又会引起热效率降低，影响经济运行。锅炉控制现场环

境恶劣，采用传统的基于模拟技术的控制器、仪器仪表或单片机，不仅结构比较

复杂，效率比较低，而且可靠性也不高。

本次课设设计的主要考虑部分是锅炉蒸汽温度控制系统的设计。蒸汽过热系

统包括一级过热器、减温器、二级过热器。锅炉汽温控制系统主要包括过热汽和

再热蒸汽温度的的调节。主要蒸汽温度与再热蒸汽温度的稳定对机组的安全经济

运行时非常重要的。过热蒸汽温度控制的任务是维持过热器出口温度在允许的范

围之内，并保护过热器，使其管壁温度不超允许的工作温度。

过热蒸汽温度是锅炉汽水系统中的温度的最高点，过热蒸汽温度过高或是过

低，对锅炉运行及蒸汽设备是不利的。蒸汽温度过高会使过热器管壁金属强度下

降，以至烧坏过热器的高温段，严重影响安全。一般规定过热器的温度与规定值

的暂时偏差不超过+T0摄氏度，长期偏差不超过+-5摄氏度。

如果过热蒸汽温度偏低，则会降低电厂的工作效率，同时使汽轮机后几级的蒸汽

湿度增加，引起叶片磨损。据估计，温度每降低5摄氏度，热经济性将下降约

1%;且汽温偏低会使汽轮机尾部蒸汽温度升高，甚至使之带水，严重影响汽轮机

的安全运行。一般规定过热气温下限不低于其额定值10摄氏度。通常，高参

数电厂都要求保持过热汽温在540摄氏度的范围内。

由于汽温对象的复杂性，给汽温控制带来许多的困难，其主要难点表现在以下两

个方面：

1.由于过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要

求存在很多矛盾，所以影响汽温变化的因素很多，例如，蒸汽量、减温水给水量、

烟气侧的过剩空气系数和温度等都可能引起汽温变化。

2.随着机组容量和参数的增加，蒸汽的过热受热面的比例加大，使其延迟

7

和惯性更大，从而进一步加大了汽温控制的难度。

1.2毕业设计的任务和要求

通过毕业设计使学生对所学自动化基本知识和专业理论加深理解，掌握工

业生产过程控制系统设计和仿真的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。

要求在毕业设计中：

1.分析研究火力发电厂锅炉蒸汽温度控制要求，特点及控制系统设计方法，

充分理解课题意义，设计电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统，达到要求的主要技术

指标；

2.开展控制系统方案论证，并建立系统数学模型，进行温度控制系统分析；

3.查找相关资料-，设计串级控制系统控制规律，并进行参数整定；

4.在完成基本设计的基础上，进行数学仿真，并验证设计；

5.撰写毕业设计论文。

1.3主要技术指标

1.350MW机组锅炉过热蒸汽温度保持在550℃±5°；

在减温水流量变化时，锅炉过热蒸汽温度控制系统能稳定运行，衰减系数

（P=0.75~0.9；

2.过程动态性能指标为：

1）温度波动最大偏差不超过4°C；

2）过渡过程时间不大于2min；

3.锅炉稳定运行时，过热蒸汽温度应在给定值的±2°C范围内；

8

第二章生产工艺概述

2.1锅炉生产工艺简介

锅炉是过程工业中必不可少的动力设备。它所产生的蒸汽不仅可提供生产

过程作为热源，而且还可以作为蒸汽透平的动力源。在热电厂中按锅炉设备所使

用的燃料的种类、燃烧设备、锅体形式、锅炉功能和运行要求的不同，锅炉生产

有各种不同的流程。常见锅炉设备的工业流程如图2-1所示：

图2-1锅炉设备的主要工艺流程

蒸汽发生系统由给水泵、给水调节阀、省煤器、汽包及循环管组成。燃料和

热空气按照一定的比例进入燃烧室燃烧，产生的热量传递给蒸汽发生系统，生产

9

饱和蒸汽Ds,然后经过过热器成一定气温的过热蒸汽D,汇集至蒸汽母管。压力

为Pm的过热蒸汽，经负荷设备调节阀供给生产负荷使用。与此同时，燃烧过程

中产生烟气，将饱和的蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后

经引风机送往烟筒排入大气。

锅炉设备的控制任务：根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，

同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。按照这些控制要求，锅炉设备将有如

下主要的控制系统：

a）锅炉气包水位控制系统：主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适

应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；

b）锅炉燃烧系统的控制：其控制方案要求满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽

负荷的需要，使燃烧与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全

运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围：

c）过热蒸汽系统控制：主要使过热器出口温度在保持在允许范围内，并保证

管壁温度不超过工艺允许范围；

d）锅炉水处理过程：主要使锅炉给水的水性能指标达到工艺要求。

2.2过热器的介绍

过热器定义：锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的部件，过

热器概述：过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力，蒸发量、刚才的耐高温性能

及燃料与刚才的比价等因素，对电站锅炉来说，低压锅炉的温度一般为350~375

摄氏度，过热器前布置有大量对蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700摄氏度上

下，中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热汽温为450摄氏度，这时的炉

膛辐射传热的烟温可达1000摄氏度左右。高压锅炉，尤其超高压锅炉，加热水

的热量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当有中间再过热时，情况更为突出，

这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，是吸收部分辐射热。

为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。蒸汽压力的提高

要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀终了的湿度就会过高，影

响汽轮机的安全。但蒸汽温度的增高需受到过热器刚才高湿强度性能的限制，因

而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布

10

置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，

继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀终了的湿度可控制在允许的范围内。超高

压机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高6、8轧在实际设备中,

由于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。

由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐

高温的优质低碳钢和各种辂合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体珞银

不锈钢。锅炉运行中如果管子承受的温度超过材料的持久强度、疲劳强度或表面

氧化所容许的温度限值，则会发生管子爆裂等事故。

2.3过热蒸汽温度控制对象的动态特性

过热蒸汽温度调芍对象的动态特性是指引起过热汽温变化的扰动与汽温之

间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因很多，如蒸汽流量变化、燃烧，况

变化、锅炉给水温度变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流经过热器的烟气的温

度和流速变化、锅炉受热面结垢、给水母管压力和减温水量等等，这些因素还可

能相互制约。归结起来，过热汽温调节对象的扰动主要来自三个方面：蒸汽流量

变化（负荷变化），加热烟气的热量变化和减温水流量变化（过热器入口汽温变

化）。通过对过热汽温调节对象作阶跃扰动试验，可得到在不同扰动作用下的对

象动态特性。

2.3.1蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性

蒸汽流量扰动下过热汽温对象的动态特性引起蒸汽流量扰动的原因有两

个：一是蒸汽母管的压力变化：二是汽轮机调节阀的开度变化。结构形式不同的

过热器，在相同蒸汽流量的扰动下，汽温变化的特性是不一样的。当锅炉负荷扰

动时，蒸汽流量的变化使沿整个过热器管路长度上各点的蒸汽流速几乎同时改

变，从而改变过热器的对流放热系数，使沿整个过热器各点的蒸汽温度几乎同时

改变，因而汽温反应较快。其传递函数可以表示为：

6田）=处^=占一不

D（S）i+rDs

式中，

K：棚炉负荷扰动时被控对象的放大系数;

11

r：一负荷扰动后对象的滞后时间；

TD_：对象的时间常数；

从阶跃响应曲线可知，其特点是：有延迟、有惯性、有自平衡能力，但其

延迟和惯性都比较小，即时间常数TD和滞后时间「都比较小，且7几较小，动

态特性曲线如图2-2:

图2-2锅炉负荷扰动下过热器出口汽温的阶跃响应曲线

2.3.2烟气热量扰动下过热汽温对象的动态特性

烟气传热量扰动引起的原因很多，如给粉机给粉不均匀、煤中水分改变、蒸

发受热面结渣、过剩空气系数改变、汽包给水温度变化、燃烧火炽中心位置改变

等。当烟气热量扰动（烟气温度和流速产生变化）时，由于烟气流速和温度的变化

也是沿整个过热器同时改变的，因而沿过热器整个长度使烟气传递热量也同时变

化，所以汽温反应较快，时间常数和延迟均比其它扰动小。和蒸汽流量扰动的影

响类似，烟气热量的扰动也几乎同时影响过热器管道长度方向各处的蒸汽温度，

故它是一个具有自平衡能力、滞后和惯性都不大的对象，其传递函数可表示为一

个二阶系统,即：

12

G（s）=2=__L—

久（S>1+qs+T2s2

式中：T为烟气温度

但对象特征总的特点是：有迟延，有惯性，有自平衡能力，其动态特性曲线

如图2-3所示：

图2-3烟气热量扰动下过热汽温的阶跃响应曲线

2.3.3减温水量扰动下过热汽温对象的动态特性

常见的减温方式有两种：喷水式减温和表面式减温，前者的效果比后者好。

减温器一般装在末级过热器高温段前面，一方面保护了过热器高温段；另一方面

又改善了调节性能。这种过热器的安装方法与在饱和侧装设表面式减温器相比，

延迟时间能减小1/4。其动态特性曲线如下图所示。从图中可以看出，其特点

也是有迟延、有惯性、有自平衡能力的。但是由于现代大型锅炉的过热器管珞很

长，因而当减温水流量扰动时，汽温反应较慢。

对于一般高、中压锅炉，当减温水流量扰动时，汽温的迟延时间r=30—60s,

时间常数TO4lOOs,而当烟气侧扰动时fg10〜20s,Z<100s。

13

图2-4减温水扰动下过热器出IZ1汽温的阶跃响应曲线

由图2-4可见，在减温水流量扰动下，减温器出口过热汽温ei的响应比过

热器出口汽温62快得多，可以肯定，在喷水减温过热蒸汽温度调节系统中，以

61作为导前信号构成串级调节系统，可大大改善控制系统的性能。在减温水流

量扰动下，导前汽温的传递函数可表示为：

G1(S)=^)=局

%(S)

式中：

K1一减温水流量扰动下导前汽温的放大系数；

T1一为减温水流量扰动下导前汽温对象的时间常数;

m一阶数;

在减温水流量扰动下，过热汽温的传递函数可表示为:

…K。

6°3)=需=(1+ToSV。

式中：

K0一减温水流量扰动下过热蒸汽温度的放大系数；

TO一为减温水流量扰动下过热蒸汽温度的时间常数

no---阶数：

对象惰性区的传递函数可表示为:

14

%（S）=“2

G2（S）=2

^（5）"（1+T2S/

式中：

K2—减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数；

T2一为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数；

〃2一阶数；

由于惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的

KI、T1、m和KO、TO、〃。来求取，计算公式如下：

K0（S）

1（S）

Gz（S）=%⑸

仇（S）

总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特

性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大的

差别。

15

第三章过热蒸汽温度控制原理及方案设计

过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温，这样做的目的有两个，一是为了

使汽温调节更灵敏，减小热惯性，二是为了保护过热器。第一级喷水减温器布置

在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，月来调节因负荷、给水温度和燃

料性质变化而引起的气温变化，为粗调。另外它还有保护屏式过热器和对流过热

器受热面的作用。第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前,

这一级热惯性小，可保证出口汽温能得到迅速调节。温度器共有四只，每级安装

两只，每只喷水量为每级喷水量的一半。减温水源为自制冷凝水。目前，过热汽

温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断。

发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控

制系统有两种：单回路控制系统和串级气温控制系统。

3.1简单蒸汽温度控制系统

3.1.1简单回路控制蒸汽温度系统主要由调节器和控制对象组成

它们的特性将决定控制系统的控制质量，因此讨论控制对象的特征参数和调

节器的调节参数对控制质量的影响是非常必要的。对象动态特性是确定系统结

构、调节器的控制规律、设置调节器参数的依据，那么根据对象动态特性和生产

过程对控制质量的要求，确定调节参数的数值是控制系统投入前要做的一项重要

工作。当然控制系统设计是否合理、控制仪表的安装和调试是否正确等是控制系

统能否使用的保障。简单控制回路的结构示意图如图3-1所示：

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图3-1简单控制回路的结构示意图

从图3-1可知该系统主要由被控对象一一过热器管道，执行机构一一气动

喷水阀门（执行器），检测变送部件一一热电偶或温度变送器，控制系统核心部件

一一控制器（调节器）组成。其中，被调量（测量值）一一蒸汽温度，调节量（控制

信号卜喷水流量，干扰信号一一炉膛燃烧工况。简单蒸汽温度控制系统原理方框

图如图3-2所示：

图3-2简单控制系统方框图

3.1.2过热蒸汽控制系统的控制策略的设计

当蒸汽温度的测量值等于设定值时，喷水阀门不动，则系统处在动态平衡

状态，此时，若炉膛燃烧工况发生变化使蒸汽温度上升，造成给定值和测量值产

生偏差，则偏差信号经过控制器的方向判断及数学运算后，产生控制信号使喷水

阀门开大，则减温水流量增大。测量值最终回到设定值，系统重新回到平衡状态。

17

3.2复杂蒸汽温度控制系统

简单控制系统虽然是一种最基本的，使用最广泛的控制系统，但是随着火

电厂锅炉机组越来越向大容量、高参数和高效率的方向发展，生产系统日益复杂、

系统的耦合性、时变性、非线性等特点显得更加突出，对于这些复杂较难控制的

过程，控制质量要求很严的参数，简单控制系统就无能为力了。因此，需要改进

控制结构，增加辅助回路或添加其它环节，组成复杂控制系统。日前关于蒸汽温

度控制系统主要有串级控制、前馈控制和多变量解耦等控制，其中最普遍的是串

级控制系统。

3.3串级控制系统的特点

串级控制系统具有以下特点：

(1)串级控制系统具有很强的克服内扰的能力系统的开环放大倍数越大，稳

态误差越小，克服干扰的能力也就越强，副调节器的放大倍数整定的越大，这个

优点越显著。

(2)串级控制系统可以减小副回路的时间常数，改善对象动态特性，提高系

统的工作频率，当主、副对象都是一阶惯性环节，主、副调节器都采用比例作用

时，串级控制系统由于改善了对象的特性，从而使整个系统的工作频率比单回路

系统的工作频率有所提高，而且当主、副对象特性一定时，副调节器放大倍数越

大，则工频率越高。当主调节器采用其它调节规律时，上述特点也是适用的。这

一特点说明即使在外扰作用下，由于副回路减小了对象的时间常数，使整个系统

的工频得以提高，因此仍能改善整个系统过渡过程的品质。

(3)串级控制系统具有一定的自适应能力，串级控制系统主回路是一个定值

系统，其副回路是一个随动系统，它的定值是主调节器的输出，是一个随机变化

的量，主调节器按照被控对象的特性和扰动变化的情况，不断地纠正着副调节器

的给定值，副调节器使系统时间常数缩短能很快克服扰动，改善动态特性，也就

是一种自适应能力。而采用单回路控制统就没有这种随动控制系统的作用。这种

自适应能力可以从系统的稳态偏差上出来，串级控制系统的稳态偏差比单回路控

制系统的稳态误差要小得多，就在于前者具有一定的自适应力。

18

3.4采用串级调节系统的条件

3.4.1串级调节系统需满足如下两个条件：

(1)控制对象可以分段。如图3-3所示的对象，在物理上可分为两段，两段

的传递函数分别为W01(S),和W02(S),整个对象的传递函数为

W(S)=W01(S)"W02(S)o其中W01(S)称作对象的导前区，W02(S)称为对象惰性

区.

图3-3串级系统控制对象

(2)中间信号可测。在图3-3中，中间信号92必须是可以测量的。81为被

调量，一般为系统的给定值，火电厂过热蒸汽温度控制系统符合这两个条件。

3.4.2,串级调节系统的分析

根据在减温水量扰动时，过热蒸汽温度有较大的容积迟延，而减温器出口蒸

汽温度却有明显的导前作用，完全可以构成以减温器出口蒸汽温度为副参数，

主蒸汽温度为主参数的串级控制系统，系统结构如图3-4所示。

系统中以减温器的喷水为控制手段，在单回路控制主汽温91(即将01作

为主信号反馈到调节器，由调节器直接去控制阀门开度)的基础上增加一个对减

温水流量变化反应快的中间温度信号62作为导前信号，增加一个副调节器，如

图8所示的串级控制信号系统。副调节器根据92信号控制减温水阀，如果某

种扰动，蒸汽温度62比61提早反映，使扰动引起的62波动很快消除，从而使

过热蒸汽温度基本不受影响。热蒸汽温度基本不受影响。

19

0I

过热II低0收0，过热器高温段

图3-4主汽温串级控制结构图

根据在减温水量WB扰动时，过热蒸汽温度印有较大的容积迟延。而减温

器出口蒸汽温度92比过热蒸汽温度响应快得多，且它的变化又可以预测过热蒸

汽温度的变化趋势，有明显的导前作用，故可引入以82信号为导前信号。以61

为被控量信号的串级控制系统，系统对应的原理框图如图3-5所示。系统中有主、

副两个调节器，主调节器WT1(S)接受过热蒸汽温度信号自，用于维持过热蒸汽

温度，使其等于给定值；副调节器WT2(S)接受主调节器的输出信号和减温器出

口温度信号62,副调节器的输出控制执行机构Kz的大小，从而控制减温水调节

阀门的开度。从两图中可以以看出：串级过热蒸汽温度控制系统由内、外两个闭

合的控制回路构成。内回路由对象的导前区[W92(S)],导前蒸汽温度变送器

[Y02],副调节器[WT2(S)],执行器[Kz]和减温水调节阀(Ku)组成的：外回路(主

回路)由对象的惰性区[wei(s)],过热蒸汽温度变送器(Yei),主调节器

[WT1(S)],以及副回路组成。

3.4.3过热蒸汽控制系统的控制策略的设计

20

图3-5串级过热汽温控制系统原理方框图

3.5串级控制系统主副回路确定

串级控制系统主副网路和主副调节器选择为充分发挥串级控制系统的上述

优点，设计控制系统时，还应当合理选择副回路及主副调节器的规律。主副回路

的选择原则。

副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最

剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作用

保证主参数的稳定，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统的抗干扰能力；

主、副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比，其工

作频率提高了，但这与主、副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差大

一些，效果好一些。主、副对象之间的动态联系十分紧密。如果在干扰作用下，

主、副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样，两个参数互相促进，

振荡更加剧烈，这就是所谓的“共振效应〃，显然应力求避免。主、副回路调节

器调节规律的选择原则主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求

也不高的情况下为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主、副调节器均可采用比

例控制。要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节器

可采用比例控制主调节器采用比例积分或比例积分微分控制。

再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节器为主导，

保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，互相配合，若干扰来

自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再进一步进行细调。相对于过于简

21

单的单回路控制系统，串级控制系统的控制质量明显优越。具体体现在：

1.由于副回路的存在没减少了控制对象的时间常数，缩短了控制通道，使控

制作用更加明显；

2.在一定程度上提高了整个系统的工作频率，使振荡周期明显缩短，调节时

间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了；

3.整个控制系统对二次干扰即包括在副回路范围内的扰动具有很强的克服

能力，这是单回路控制系统所不能实现的；

4.对负荷或操作条件的变化有一定的适应能刀。综上所述，串级控制系统

更适应锅炉蒸汽温度的控制。

3.6导前微分控制系统

在温度控制系统中，常用的一种便是导前微分控制系统。这种控制系统的结

构特点是：只用了一个调节器，调节器的输入取了两个信号。一个信号是主汽温

经变送器直接进入调节器的信号，另一个信号则是减温器后的温度经微分器后送

入调节器的信号。在时间和相位上，后一个信号超前于主信号（主汽温信号），

因此把这种系统称为导前微分控制系统。又因为它有两个信号直接送入到调节

器，所以也称这样的系统为具有导前微分信号的双冲量控制系统。微分作用能反

映输出量的变化趋势，因而能提前反映输出量的变化,把这种作用用于控制系统,

能改善控制性能。

3.6.1导前微分控制系统的组成及原理

采用导前微分信号的过热汽温控制系统如图3-6所示。这个系统引入了导前

汽温区的微分信号作为调节器的补充信号，以改善控制质量。因为名和主汽温a

的变化趋势是一致的，切冬的变化比q快的多，因此它能迅速反映a的变化趋

势。引入了名的微分信号后。将有助于调节器的动作快速性。在动态时，调节器

将根据名的微分信号和a与a的给定值之间的偏差而动作；但在静态时，凡的

微分信号消失，过热汽温a必然等于给定值。如果不采用导前信号a的微分信号,

则在静态时，调节器将保持Q+耳）等于给定值，而不能保持〃等于给定值。

22

由图3-6所示的系统结构图我们可以画出导前汽温微分信号控制系统的原

理方框图，如图3-7所示。它包括两个闭合的控制回路:

1、由控制对象的导前区网式s),导前汽温变送器为2、微分器吗($)、调节

器吗.(5)、执行器勺和减温水调节阀K”组成的副回路(导前补偿回路):

2、由控制对象的惰性区叱”(s)、主汽温变送器伍和副回路组成的主回路。

过热器再热器

_XI一

蒸汽

木

区3-6导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统

3.6,2导前微分控制系统的分析

对于如图3-6所示的控制系统，当去掉导前汽温的微分信号时，系统就成为

单回路控制系统，如图3-8(a)所示，控制对象叱)(s)=M)G)%(s)］的迟延、

惯性较大。当系统加入导前汽温微分信号后，调节器将同时接受两个输入信号，

系统也成了双回路结构。但对于这个双回路系统作适当的等效变换后，发现仍可

把它当作一个单回路系统来处理，如图3-8(b)所示。只是由于微分信号的引

入改变了控制对象的动态特性。这个新的控制对象的输入仍然是减温水流量信号

%,,但输出信号为等效控制对象的传递函数可以根据方框图求得。其中：

力冷।

23

%6)=然=%")叱”⑸十叫⑸陵

图3-7采用导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统原理框图

a

h

图3-8采用微分信号改变控制对象特性的方框图

a——单回路系统方框图；b——双回路系统的等效方框图

在静态时，微分器输出为零，所以等效控制对象的输出6：=a；在动态过程

中，等效控制对象的输出中除了主汽温信号，外，还叠加了导前汽温a的微分信

24

号。由于a的惯性迟延比&小得多，因而等效对象的输出。：的惯性迟延比4小

得多。因此加入导前汽温微分信号的作用可以理解为改变了控制对象的动态特

性，可见，等效控制对象是输出比主汽温a的响应有很大的改善。所以，在

控制对象惯性迟延较大的情况下导前汽温微分信号的双回路汽温控制系统是控

制品质远比单回路控制系统好。

3.6.3导前微分控制系统的整定

1、按补偿法进行整定

根据前面对系统的分析方法，我们可以得出补偿法的整定规则：整定微分

器叱,（$）的参数（K〃、TQ以形成一个等效对象，这个等效对象的动态特性等

于（或近似等于）在动态时为导前区的特性，在静态时为主汽温的特性，而调节

器叫（S）的参数（5,则按等效对象的特性整定（按一般单回路控制系统得

到整定方法）。

下面分析如何通过调整微分器的参数来获取等效对象的特性。

设主汽温对象的传递函数为：

(3-1)

导前区汽温对象的传递函数为：

叱⑸二—幺—

(3-2)

02（1+可

则等效对象的传递函数为：

叱；（S）="2（S）叱“G）+叱/"）厘\(3-3)

_Y0\J（l+£s）K2

由上式可得：

%⑸=他-%⑸］迎

(3-4)

LK2JYoi

可见微分器的参数时根据控制对象的惰性区来整定的，用控制对象惰性区传

递函数的求法，可得：

25

K、

(s)=

%（1+工$户

且&=K°K

则式（3-4）可写为:

叼⑸二需二八]2k(3-5)

(1+可」加2

假设汽温对象惰性区得传递函数时一阶的（即"=1）,则有:

K肝DS=KZ5九।=K/s九1

1+7；）$。+率为21+串为2

比较等式两边的对应项可得：

TD=T{

Y02

微分器按此组参数整定，则等效对象的传递函数为：

%（s）=K。

（i+W2

则实现了完仝补偿的预定目的。但是汽温对象的惰性区传递函数的阶次都是

高于一阶的（通常“22）,那么，式（3-5）等号两边就只能作到近似相等，而

不能实现完全补偿。下面推导4之2时，微分器参数的确定方法。

将式（3-5）等号的两边展开为基级数的形式:

等式左边为:

K/S

1+9

等式右边为:

K.I-----?——迎二尻迎nTs7；2s2

L(1+辜)'1为2~2T

令等式两边S的低阶项（二阶以下项）的系数相等

26

S项K/=K①咱

Y02

一项K片一心‘15+1)邛

Yei2

由此可以确定微分器的整定参数：

K_K,创2〃

K力一&-T

Yoi4+1

〃=竽Z(3-6)

按式(3-6)求得的叱,(s)参数仅能实现对象的近似补偿，即使：

叱;(sh%(s)§

在确定了等效对象的传递函数之后，对于调节器叫⑶的参数5和7；应按等

效对象叱：(s)来整定(按一般单回路系统的整定方法)，其原理框图如图3-9所

示：

图3-9补偿法整定框图

补偿法是整定双回路系统的一种很实用的方法，用该方法整定系统时，可以

不考虑内外回路之间的相互影响。

2、按等效为串级控制系统的整定方法来整定

采用导前汽温微分信号的控制系统等效为串级控制系统方框图见图3-9o整

定步骤和前面已讨论过的串级控制系统相同。

27

时,等效副调节器四2（5'）为PI调节器，

传递函数为:

%(5)=]

1+一

kT»s)

而等效主调节器W；（S）也是PT调节器，传递函数为:

%(s)=；IT

KD\

此时可根据对象导前区特性和主汽温特性，按串级控制系统的整定方法，分

别求得等效副调节器咚2（S）和等效主调节器叫;（5）的各个参数，从而

5、1、K»I'Do

3.7两种汽温自动控制系统的比较

前面讨论了串级过热汽温控制系统和导前汽温微分信号的双回路过热汽温

控制系统，他们在实际应用中一般都能满足生产上的要求，但这两种控制系统在

控制质量、系统构成、整定调试等方面各有特点。

1、把采用导前汽温微分信号的双回路控制系统转化为串级控制系统来看待

时，其等效主、副调节器均为PI调节器。但对于实际的串级汽温控制系统，为

了提高副回路的快速跟踪性能，副调节器应采用P或PD调节器，而主调节得应

采用PI或PID调节器。因此，采用导前汽温微分信号的双回路系统的副回路，

其快速跟踪和消除干扰的性能不如串级系统；在主回路中，串级系统的主调节器

可具有微分作用，故控制品质也比双回路系统好，特别对于惯性、延迟较大的系

统，双回路系统的控制质量不如串级系统。

2、串级控制系统主、副两个控制回路的工作相对比较独立，因此系统及运

时的整定、调试直观、方便。而有导前汽温微分信号的双回路控制系统的两个回

路在参数整定时相互影响，不容易掌握

3、从仪表硬件结陶上看，采用导前汽温微分信号的双回路系统较为简单。

一般情况下，双回路汽温控制系统已能够满足生产上的要求，因此得到了广泛的

28

应用。若被控对象的迟延较大，外扰频繁，而且要求有较高的控制质量，则应采

用串级控制系统。

第四章过热蒸汽温度控制系统的设计

29

4.1系统控制参数的确定

4.1.1主变量的选择

根据串级控制系统选择主变量的原则：在条件允许的情况下，首先应尽量

选择能直接反应控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有些单值对

应关系的间接单数作为主变量；最后，所选择的主变量必须足够的变化灵敏度。

所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。该参数可以直接

反映本系统的控制目的。

4.1.2副变量的选择

副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大，最

强烈和最频繁的十扰包括在副回路内，以允分发拦副回路改善系统动态特性的作

用，保证主参数的稳定，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应

使得副回路尽可能多的包括一些扰动。同时要求主、副对象的时间常数应适当匹

配。且应保证副变量的选择能实现生产工艺上的合理性，可能性和经济性。

终上所述，应该选择减温器和过热器之间的蒸汽温度作为副变量。

4.1.3操纵变量的选择

控制变量和扰动变量时工业过程的两大输入变量。其中，干扰时刻存在的，

它是影响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服烦扰的影响，

是系统能重新稳定运行的因素，选择操纵变量的基本原则为：

1、选择对所选定的被控变量影响较大的舒服变量作为操纵变量；

2、在1的前提下，选择变化范围较大作为控制变量，以便于控制；

3、在1的基础上选择被控制变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，

是控制系统响应较快；

4、综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量；

4.2执行器的选择

在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照调节器所给定的信号大小和

方向，改变阀门的开度，来实现调节流体流量的装置。

30

调节阀的口径大小，直接决定着控制介质流过他的能力。为了保证系统有较

好的流通能力，需要使控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的比例。

在正常情况下一般要求调节阀开度应处于15%〜85%之间，具体应根据实际需要的

流通能力大大小进行选择。

调节阀按驱动方式可分为：气动调节阀、电动调节阀和液动调节，即以压缩

空气为动力源的气动调节阀，以电动力源的电动调节阀，以液体介质压力为动力

的电液动调节阀；由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。

此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制目的，过热蒸汽在过热器内

与减温水进行热交换被冷却，调节阀安装在减温水的管道上，用换热后的蒸汽温

度来控制减温水的水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选

用气关式调节阀。

4.3控制仪表的选择

控制仪表的主要类型大致分为电动或气动，电动I型、n型、in型，单元

组合仪表或是基地是仪表等。常用的控制仪表有电动n型、in型。在串级控制

系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。

电动in型和电动n型仪表就其功能来说基本相同，但是其控制信号不相同,

控制II型典型信号为。~lOm/WC,而电动HI型仪表的典型信号为4~2O〃MDC,

此外。III型仪表较II型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时III型仪表还具有

完善的跟踪、保持电路，使得手动切换非常方便，随时都可以进行切换，且保证

无扰动。所以在本设计中选用电动ni型仪表。

由电动in型仪表构成的串级控制系统的基大方案有如下两种：

31

图4-1用电动III型仪表组成的串级控制系统方块图

该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。

由于副控制器输出的是，而控制阀只能接受0.02~0.LWPa气压信号，所以在副

控制器与控制阀之间设置了一个电气转换器。

图4-2用电动III型仪表组成的主控-串级控制系统方块图

该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同

情况使控制系统工作于主控方式和串级控制方式下。在本设计中采用第二种方式

可以是控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。

4.4串级控制系统主副回路和主副调节器选择

为充分发挥串级控制系统的优点，在设计控制系统时，还应当合理选择主副

回路及主副调节港的规律。

4.4.1主副回路的选择原则

（1）副回路应该把生产过程的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、

最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，充分发挥副回路改善系统动态特性的作

用，保证主参数的稳定。

（2）选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主

参数的影响，提高系统抗干扰能力。

（3）主副对象的时间常数应适当匹配，串级控制系统与单回路控制系统相比,

其工作频率提高了，但这与主副对象的时间常数选择是有关的。原则是两者相差

大一些。

32

由式丝=1+KsKzKfK,“2K2rl可知：在一定的系统中，若I+K72KzKfK.2K2确

3城T\+Ti

fTiyZJ*|.14-（1+K「2KzKK”12K2'T%

定，得函数：/—=—=-------k—串级控制系统频率增长

\Ti）m1+%^

的速度，在主副对象时间常数的比值%2较小时最显著，随着%?进一步增大

而明显减弱，一方面我们希望T2小一点可以使副回路灵敏些控制作用快一点。

但另一方面，T2过小，必然使比值%2增大，此时对提高系统的工作频率意义

不大。同时，T2过小，将导致副环过于敏感而不稳定。因此，在选择副回路时,

主副对象的时间常数比值应当选取适当，一般为「2飞（或310）之间较为合

适。

当为2>10时，表示T2很小，副回路包括的干扰因素越来越少，副回路克

服干扰能力强的优点未能充分利用。当%J3时，表明过大，副回路包括的干

扰多，控制作用不及时，当为2约等于1时，主副对象之间的动态联系十分紧

密，如果在干扰作用下，主副参数任一个先振荡，必将引起另一个也振荡，这样,

两个参数互相促进，振荡更加剧烈，这就是“共振效应”，应力求避免。

4.4.2主、副回路调节器调节规律的选择原则

（1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不高的情

况下，为使两者兼顾而采用的串级控制方式时，主副调节器均可采用比例控制。

（2）要求主参数波动范围很小，且不允许有余差（稳态误差），此时副调节

器可采用比例控制，主调节器采用比例积分控制。

（3）主参数要求高，副参数亦有一定要求，这时主副调节器均可采用比例积

分控制。

4.5控制器选择

对于一个完整的串级控制系统，主、副控制器的正。反作用的判断应该是先

副后主。

副回路的正、反作用的选择：副回路的具体情况决定论副控制器的正、反作

用，而与主.回路无关。为了使副回路能构成一个稳定的系统，所以副回路的开环

33

放大系数符号必须是“正“。即副回路中所有环节的放大倍系数符号的乘积为“

正“在本串级控制系统中随着调节阀开度的增加，减温水的流量会随之增加，副

对象即减温器后端蒸汽会有一定幅度的降低，所以调节阀对副对象的作用为负；

而调节阀是气关阀，其控制作用为负；变送器的控制作用均为正，为了保证开环

放大系数乘积的符号位“负”，所以副控制器的控制作用符号需为“正”，所以

主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控制作用为反作用。

第五章基于MATLAB的系统仿真

5.1电厂锅炉蒸汽温度串级控制系统的建模

从控制的角度来看，过程的静态数学模型是系统方案和控制算法设计的重

要基础之一，然而，在不少情况下必须同时掌握过程的动态特性，需要把静态模

型和动态模型结合起来。模型的建立方法可分为机理建模方法和测试建模方法，

34

下面分别进行阐述。

5.1.1机理法

用机理法建模就是根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程，例如物

质平衡方程，能量平衡方程，动量平衡方程，反映流体流动、传热、传质、化学

反应等基本规律的运动方程，物性参数方程和某些设备的特性方程等，从中获得

所需的数学模型。

机理法建模也称为过程动态学方法，它的特点是把研究的过程视为一个透明

的匣子，因此建立的模型也称为“白箱模型”。

机理法建模的主要步骤如下：

(1)根据过程的内在机理，写出各种有关的平衡方程；

(2)消去中间变量，建立状态变量、控制变量和输出变量之间的关系；

(3)在T作点附近对方程进行增量化，建立增量化方程：

机理建模法的首要条件是需要过程的先验知识，并且可以比较确切地对过程

加以数学描述。用机理法建模时，有时也会出现模型中有