热工控制系统第七章_给水控制系统

（一）串级三冲量给水自动控制系统 对于迟延和惯性较大的汽包锅炉给水系统，采用串级三冲量 给水自动控制系统可以提高控制品质，其系统结构图如下：
过热器 D
串级三冲量给水自动控制系 统的组成：
内回路
主回路 前馈通道
Δp H Δp
给定值I0
αD
PI 1 + IH + ID - IW PI 2
内回路的分析整定
（3）前馈通道的分析整定
在完成了内回路和主回路的整定后，三冲量给水自动控制系 统简化方框图如下图所示：
D
αD
前馈通道 ID I0 +
γD W0D(s)
H2 W
ΔI
1
IH -
WW
γH
W0W(s)
H1
H
三冲量给水自动控制系统简化方框图 蒸汽流量前馈通道不在控制系统的闭环回路以内，因此不会 影响控制系统的稳定性。可以根据蒸汽流量D扰动时使汽包水位 H不发生变化的原则确定蒸汽流量分流系数αD ：
7.2 给水调节对象的动态特性
汽包锅炉给水调节对象的动态特性是指各种引起汽包水位变 化的原因与汽包水位变化之间的动态关系。下面重点分析给水流 量W和蒸汽流量D两种扰动下汽包水位 H变化的动态特性：
（1）给水流量W扰动下汽包水位变化的动态特性
在给水流量W产生阶跃扰动下，汽包水位 H变化的响应曲线 如下图所示：
图7－1 为 前 馈 －－反 馈 复 合 控 制 系 统 的 原 理 方 框 图： WB（S）
Z
WDZ（S）
X
WT（S） 图7-1
+
WD（S）
+
Y
复合控制系统原理方框图
由 图 可 得，没 有 加 入 反 馈 作 用 时 完 全 补 偿 的 条 件 为： 加上反馈后有：
WB S
WDz S WD S
整定方法与前述三冲量给水 自动控制系统相同。
αW
省 煤 器 SD K % 执行机构 W Δp
CF
主回路的分析整定
在主回路中内回路是一个快 速随动系统，简化方框图如下图 所示：
I0 IH -
ΔI
PI 1
1
H2 W
WW
γH
W0W(s)
H1
H
主回路简化方框图 整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈 信号IH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得 调节对象WOW(s)的迟延时间τ和反应速度 ε，建议采用以下公式 计算主回路比例积分调节器（PI1）的参数：
y1 S WDz S WB S WD S zS S zS
y1 S 1 WT S WD S S z S
加入反馈后则：
因 为 1+WT(S)WD(S) ≥1，所 以： Y1‘(S) ＜Y1(S) 对于其他未经过补偿的扰动作用也有类似的结果。
第七章
汽包锅炉给水自动控制系统
7.1 给水自动控制的基本任务
汽包锅炉给水自动控制的基本任务是使给水量适应锅炉蒸发 量的变化，并且保证汽包水位处于设定的安全范围以内。汽包锅 炉给水系统的结构图如下图所示：
2 3 4 5 D 蒸汽
1 给水 W
汽包锅炉给水系统结构图 1—给水泵；2—高加；3—省煤器；4—汽包；5—过热器
PI调节器
WT(s) αW
KZ
内回路
Kμ γW γH
W0W(s)
主回路
三冲量给水自动控制系统原理方框图
（1）内回路的分析整定
ΔI IW PI调节器 W1 执行机构 调节阀
WT(s) αW
分流器
KZ
内回路
Kμ γW
变送器
W W2
I I 0 I D I H
内回路原理方框图 在内回路中，可以把调节器以外的执行机构、调节阀、变送 器和分流器作为广义调节对象处理，则其动态特性近似为比例环 节，因此PI调节器的比例带δ和积分时间Ti 可以取较小值，通过 试验法进行整定。当给水流量分流系数αW 改变后，只需相应改变 W PI调节器的比例带δ使 保持不变，以保证内回路开环放大倍 数不变。
4 、前 馈 补 偿 对 于 系 统 的 稳 定 性 没 有 影 响
这 一 点 是 显 而 易 见 的， 因 为 前 馈 无 论 加 在 什 么 位 置，它 都 不 构 成 回 路，系 统 的 输 入－－ 输 出 传 递 函 数 的 分 母 均 保 持 不 变，因 而 不 会 影 响系统的稳定性。
7.4 其它给水自动控制系统介绍
前 馈－－ 反 馈 复 合 控 制 系 统 既 能 发 挥 前 馈 调 节 控 制 及 时 的 优 点，又能保持反馈控制对各种扰动因素都有抑制作用的长处， 因此得到了广泛的应用。 复合控制系统具有以下几个特点。
1 、引 入 反 馈 控 制 后，前 馈 控 制 中 的 完 全 补 偿 条 件 不 变。
3、复 合 控 制 时，扰 动 对 输 出 的 影 响 要 比 纯 前 馈 时 小 得 多
为 便 于 比 较 ，设 系 统 为 定 值 控 制， 即X(S)=0， 专 门 讨 论 扰 动Z(S) 对 系 统 的 影 响。因 为 前 馈 控 制 不 可 能 完 全 补 偿 ， 即Y(S) 的 第 二 项 不 可 能 完 全 为 零 ， 令 其 为 △(S)， 那 么，纯 前 馈 控 制 时：
一般选择ID＝IW ，则静态时汽包水位信号IH 与汽包水位给定 值信号I0 相等，从而使调节过程结束后的汽包水位 H与汽包水位 给定值H0相等。
对应的汽包锅炉三冲量给水自动控制系统的原理方框图如下 图所示：
D
αD
前馈通道
γD
W1 扰动 W0D(s) 通道 H2 W W2 H1 H
ID + I0 IH ΔI IW -
（2）主回路的分析整定
在主回路中可以把内回路看作快速随动系统处理，即输入信 号ΔI改变时调节器可以迅速改变给水流量W，使输入信号ΔI与 反馈信号IW 保持平衡，即：
I IW W W W
因此内回路可以简化为：
ΔI
W 1 I W W
1
W
W

W

在此基础上可得主回路简化方框图：
（2）蒸汽流量D扰动下汽包水位变化的动态特性
在蒸汽流量D产生阶跃扰动下，汽包水位 H变化的响应曲线如 下图所示：
D ΔD D0 t0 H
T2
t H2
H0 H1 t0 H t
蒸汽流量扰动下汽包水位响应曲线 图中：H1——只考虑工质储量变化的汽包水位响应曲线； H2——只考虑水面下汽泡容积变化的汽包水位响应曲线； H ——实际汽包水位响应曲线（ H ＝ H1 + H2 ）。
W W W W W
增大给水流量分流系数αW ，相当于增加主回路等效比例调节 器的比例带，使调节动作减慢，稳定性提高；但对于内回路，相 当于增加了内回路开环放大系数，使内回路稳定性下降。因此当 增大给水流量分流系数αW 以提高主回路稳定性时，必须相应增加 内回路PI调节器的比例带，以保持内回路的稳定。
Iห้องสมุดไป่ตู้ I0 + ΔI
1
H2 W
IH -
WW
γH
W0W(s)
H1
H
主回路简化方框图
根据主回路简化方框图，主回路的等效调节器可以看作比例 调节器，其等效比例带为：
W W W
整定主回路时，以给水流量W作为输入信号，汽包水位反馈 信号IH作为输出信号，做阶跃扰动试验，在阶跃响应曲线上求得 调节对象WOW(s)的迟延时间τ和反应速度 ε，建议采用以下公式 计算主回路参数：
根据以上原则可得：
D D
1
W W
W0W s W0 D s 0
因此可得蒸汽流量分流系数αD ：
W W W0 D s D D W0W s
此时蒸汽流量分流系数αD 是一个复杂的动态环节，在工程中 很难实现。实践证明αD只要满足比例特性，就可以保证在蒸汽流 量D变化时使汽包水位 H稳定在允许的范围内。通常采用蒸汽流 量信号ID与给水流量信号IW静态配合的原则确定αD ，即：
在蒸汽流量 D产生阶跃扰动下，汽包水位 H变化的动态特性 可用传递函数表示为：
W0 D s H s D s K2 1 T2 s s
式中：T2——响应曲线H2的时间常数，约10～20s； K2——响应曲线H2的传递系数； ε ——汽包水位反应速度。
在蒸汽流量D扰动下，汽包水位调节对象在调节过程中出现 “虚假水位”现象，即蒸汽流量D增大后汽包水位H由于汽包压 力突然下降先暂时上升，然后逐渐下降。 因此，汽包锅炉给水调节对象的动态特性可总结为：有惯性 有迟延，无自平衡能力，并且具有虚假水位现象。
若 复 合 控 制 系 统 的 组 成 如 图7－2所 示，反 馈 调 节 器 与 图7－2相比， 不 是 放 在 前 馈 信 号 前 面，而 是 放 在 它 的 后 面，则 有 ： WB（S）
Z
WDZ（S）
X
+ -
WT（S）
WD（S）
+
+
Y
图7－2 复合控制系统原理方框图之二
由图7-2得：
y S
PI调节器示意图
- IH + ID - IW
给定值
I0
PI调节器
K % 执行机构
CF
αW
W
Δp
图中汽包水位 H、蒸汽流 量D和给水流量W三个信号同 时送到PI调节器，在静态时三 个信号IH、ID和IW 与给定值信 号I0平衡，即：
I D I H IW I 0 0
三冲量给水自动控制系统结构图
1 WT S WD S