三冲量双回路汽包给水调节系统的整定

实验四 三冲量双回路汽包给水调节系统的整定
一、实验目的
1． 学会复杂系统的分析整定；
2． 熟悉汽包给水自动调节系统整定的步骤；
3． 了解PI 调节器参数及分流系数对调节过程的影响。

二、实验内容
汽包给水三冲量自动调节系统方框图，如下所示。

PI
K z
G o1(S)
G o2(S)K u
γw
γH I H0+
+--I D
D
W
αw
I H I w γD αD
H
图中，H 、D 、W 分别为汽包水位、蒸汽流量和给水流量；G o1(s)、G o2(s)分别为给水流量和蒸汽流量对汽包水位的传递函数：
)
130(037.0)
1()(01++=
s s s s s G ＝
τε， s
s s
Ts K s G 037.01
156.3＝
1
)(02-
+-
+=
ε；
γD 、γW 、γH 分别为蒸汽流量D 、给水流量W 和汽包水位H 测量变送器的传递系数，γD ＝γW ＝0.083，γH ＝0.033；αD 、αW 分别为蒸汽流量和给水流量的分流系数，αD ＝αW ＝0.21；K Z 、K u 分别为执行机构和阀门的特性系数，K Z ＝10，K u ＝2。

要求分别对三冲量汽包给水自动调节系统的内外回路进行整定，并进行计算机仿真。

系统中存在内、外两个闭合回路。

内回路是由给水流量信号W 局部反馈构成，外回路是由汽包水位信号H 反馈到系统调节器输入端构成的。

蒸汽流量信号D 只是引入的前馈信号，在系统中该信号并没有形成闭合回路，前馈调节不会影响系统的稳定性，在整定调节系统时，只需要对两个闭合回路进行稳定性的分析。

整定的具体步骤如下： 1．内回路的整定 内回路方框图如下所示。

PI
K z
K u
γw
-W
αw
I w -
ΔI
内回路系统的闭环传递函数为
w
w z i i z i i K K s
T s
T K K s
T s
T s I s W γ
αδδ∆μμ
++
+=111)
()
(
在内回路中有三个可以改变的参数：比例带δ、积分时间T i 和给水流量侧的分流系数αw ，可以把αw 归纳到调节器中构成一个等效调节器，等效调节器的传递函数为
)11()(*
s
T s G i w R +
=
δ
α
等效调节器的等效比例带为 w
n α
δδ=
*
在整定内回路时，先对αw 任意选取一个数值（如：αw =1），然后通过试验来改变δ和T i 的值，一般取T i 为5-10秒，再调整δ值直到满意为止，即把内回路整定为一个能迅速消除自发性内部扰动的快速随动系统。

整定得到的结果是T i 数值和δ/αw 的比值，整定时αw 只是一个任意选取的值，在整定外回路时αw 是一个唯一的整定参数，一旦αw 有了确定的数值后，δ也要随之改变，以保证δ/αw 比值不变（即：内回路特性不因为αw 的改变而改变）。

2．外回路的整定
调节器参数可以设置得较小，使内回路成为快速随动系统，即：w
w W I γ
α∆=或
w
w s I s W γ
α1
)
()(≈
∆。

去除不影响调节系统稳定性的前馈信号通道，可得到外回路系统方框图，
如下所示。

G o1(S)
γH
I H0+
-W
H
w
w γα1
外回路已可以看作是一个单回路调节系统，可采用整定单回路调节系统的方法来整定外回路。

内回路在外回路中相当于处在调节器的位置，因此，外回路调节器的传递函数为：
w
w R s G γ
α1
)(*
=
外回路的调节器实际上是一个比例调节器,它的等效比例带为
w
w w γ
αδ=*
因为w γ是一个确定的常数，所以外回路的稳定性及其它性能完全由w α来决定。

整定外回路时，可采用工程整定法来整定参数，得到w α值。

如果利用图表法整定，首先通过试验获得广义被调对象的阶跃响应曲线（广义被调对象的输入信号为给水流量W ，输出信号是水位侧差压变送器的输出值）。

求得ε和τ的数值，查图表求取整定参数。

w
w w γ
αετδ==*
可求出
w
w
γ
ετα
=
根据外回路整定得到的w α值，可求出调节系统比例积分调节器中的比例带δ值。

3．蒸汽流量侧D α的选择
要使静态偏差为零，静态时必须满足I D =I W ，即：
w
w D
D W D α
γα
γ=
在正常运行时，可认为D=W ，γD =γW ，则有
αD =αW
因此，为了克服静态偏差，蒸汽流量侧分流器的分流系数αD 必须等于给水流量侧分流器的分流系数αW 。

三、实验结果
1、内回路：
（1）整定得：T i ＝ 9 δ/αw = 90
1
（2）仿真曲线：
（3）性能指标：
峰值时间t p =1s 调节时间 t s =5s 2、外回路：
（1）整定得： αw =1.0 δ = αD = （2）仿真曲线：
（3）性能指标：
衰减率 ψ=
767
.0425
.1331
.04225.11
3
1=-=
-M M M
超调量 M p =
max 4
.47100
3
3
4225.4100
=⨯-=
⨯-∞
∞
y y y
静态偏差 4225.1=∞e 峰值时间t p =50s 调节时间 t s =350s
3、完整整回路：
（1）整定得： αw = 1.0 δ =90
1 αD =1.0
（2）仿真曲线：
（3）性能指标：
衰减率 ψ=
756
.02281
.13.02281.11
3
1=-=
-M M M
超调量 M p =
max 94
.40100
3
3
2281.4100
=⨯-=
⨯-∞
∞
y y y
静态偏差 4281.1=∞e 峰值时间t p =33.6s 调节时间 t s =300s
四、实验小结
通过参考代码编程实现，我体会到了MATLAB作为具有高效的计算能力、灵活的图形处理与可视化功能以及易学易懂的自然化语言的数学工具软件的强大功能，同时实验过程也是对该软件的编程使用的巩固。

我不止一次地感受到了信号处理原理与数学知识的紧密联系以及强烈的趣味性。