过热汽温控制系统

第一部分 多容对象动态特性的求取
控制对象是指各种具体热工设备，例如热工过程中的各种热交换器，加热炉、锅炉、贮 液罐及流体输送设备等。

尽管它们的结构和生产过程的物理性质很不相同，从控制的观点来 看它们在本质上有许多相似之处。

控制对象是自动控制系统中的一个重要组成部分。

它的输 出信号通常是生产过程中要求控制的被调量；它的输入信号是引起被调量变化的各种因素 (扰动作用和控制作用)。

对象的动态特性取决于它的内部过程的物理性质，设备的结构参数和运行条件等，原则 上可以用分析方法写出它的动态方程式。

但是由于一般热工对象内部过程的物理性质比较复 杂，加之运行过程中的一些实际条件很难全面予以考虑，因此用分析方法并不容易得到动态 特性的精确数学表达式。

比较常用的方法是在运行条件下通过实验来获得对象的动态特性。

根据测定到的对象阶跃响应曲线，可以把它拟合成近似的传递函数，根据阶跃响应曲线 求近似传递函数有很多方法，采用的传递函数在形式上也是各式各样 有自平衡能力的高阶对象的阶跃响应曲线如图所示:
无迟延一阶对象阶跃响应曲线
选定的传递函数的形式为
()()
1N
K
W S T S =
+
即采用一个n 阶等容惯性环节来近似表征。

上式中有三个待定的参数：放大系数K ，时间常数T 和阶数n ，传递函数的放大系数K 的求取方法按前面求取公式确定。

(1)作稳态值的渐近线y(∞)，则
()()
0Y Y K μ
∞-=
∆
在试验获得的阶跃响应曲线上，求得y(t 1)＝0.4y(∞)及y(t 2)＝0.8y(∞)时对应的时间 t 1、t 2 后，利用下式求阶数n ：
利用两点法公式可知（见《热工控制系统》谷俊杰，课本62 页公式）：由曲线可知放大
系数K ,利用两点法可确定t1，t2，利用如下公式计算对象阶次和惯性时间。

2
1.07510.521T N T T *⎛⎫
=+ ⎪-⎝⎭
122.16T T T N +≈
上式求得的n 值不是整数时，应选用与其最接近的整数。

某主汽温对象不同负荷下导前区和惰性区对象动态特性如下：
37%： 导前区： 2
5.1 779551
S S -++
惰性区：
8
7
6
5
4
1.051
1052513693056791485283138501091836335285032463032785717119679S S S S S
-++++
3
2
10135188895204601
S S S +++
对于上述特定负荷下主汽温导前区和惰性区对象传递函数，可以用两点法求上述主汽温 对象的传递函数，传递函数形式为()()
1N
K
W S T S =+，利用Matlab 求取阶跃响应曲线，
然后利用两点法确定对象传递函数。

Matlab 应用如下所示:
利用两点法公式可知（见《热工控制系统》谷俊杰，课本62 页公式）：由曲线可知放大 系数K=5.1,利用两点法可确定t1=38.1，t2=82.5，
2
1.07510.521T N T T *⎛⎫
=+ ⎪-⎝⎭
≈2 122.16T T T N +≈
≈27.9
()()
0Y Y K μ
∞-=
∆=5.1
即可根据阶跃响应曲线利用两点法确定其传递函数：
()()
2
5.1
27.91w s s =
+
惰性区：
同理可得:
K=1.051 t1=395 t2=582 N=8 T=56.5 ()()
8
1.051
56.51w s s =+
第二部分 单回路系统参数整定
利用第一部分建立的对象传递函数，进行参数整定。

为便于分析，可以采用第一部分建 立的主汽温对象的惰性区对象（为一多容惯性环节）进行参数整定。

本指导书以第一部分整定确定的对象()()
8
1.051
56.51w s s =
+为例，进行参数整定。

一、临界比例带法确定调节器参数
采用等幅振荡法通过试凑法逐步确定等幅振荡时比例调节器的比例增益，和计算确定的 调节器参数进行比较。

对于对象()()
8
1.051
56.51w s s =
+，计算确定8
1
1.051cos 8kp π=
⎛
⎫ ⎪
⎝
⎭
将计算确定的参数kp =1.793,投入系统运行,系统结构如下图所示。

其中In1 Out1 模块如下图得到：
仿真后系统输出为：
根据等幅振荡是比例增益和系统输出曲线确定的等幅振荡周期T=760，可以查表确定当系统衰
减率φ= 0.75时调节器参数kp=0.8538 ki=0.0019kd=97.3343
根据查表确定的调节器参数，投入闭环运行，观察运行效果:
第三部分串级控制系统参数整定
一、主蒸汽温度串级控制系统参数整定
本实验以某300MW 机组配套锅炉的过热汽温串级控制系统为例，其原理结构图如下图所
示：
由上图，可得过热汽温串级控制系统的方框图如下：
图3-2 过热汽温串级控制系统方框图
在MATLAB 软件的Simulink 工具箱中，打开一个Simulink 控制系统仿真界面，根据图
3-2 所示的过热汽温串级控制系统方框图建立仿真组态图如下，其中主汽温对象选取100％负荷下的导前区和惰性区对象传递函数。

图3-3 过热汽温串级控制系统仿真组态图
上图中，惰性区对象的传递函数为:
利用选中这六个模块后，选择右键Create Subsystem 即可创建对象，惰性区对象也可
用上图中六个模块表示。

串级控制系统参数整定步骤如下：
1、首先整定内回路，即副调节器参数的整定
将图3-3 所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1 设为0（即断开主回路
的反馈），同时令主调节器的比例系数1
kp=1,积分系数1
kd=0。

将阶跃信
ki=0,微分系数1
号输出模块（Step）的终值（Final value）设为过热蒸汽温度的稳态值535℃，仿真时间设为1000s，逐渐增加副调节器的比例系数2
kp，在响应曲线显示器Scope1 中观察温度t2 的变化，使温度t2 尽快达到稳定，并尽量接近稳态值419.28℃，此时的比例系数2
kp即为副调节器的比例系数为4.4457。

根据副调节器参数，投入内回路闭环运行，观察运行效果:
2、整定外回路，即主调节器参数的整定
将图3-3 所示过热汽温串级控制系统仿真组态图中主回路反馈系数r1 改为1（即将主
回路反馈投入），副调节器的比例系数2
kp保持上一步的整定参数不变，仿真时间设1000s，逐渐增加主调节器的比例系数1
kp，在响应曲线显示器Scope 中观察温度t1 的变化，直至响应曲线出现等幅振荡，记下此时的比例系数1
kp=2.02，同时通过响应曲线可以确定振荡周期Tk=220，
1kp =2.02，振荡周期Tk =220
查表即可确定调节器参数值（见谷老师热工控制系统课本177 页表6-7）。

带入以下公式即可以计算主调节器的各参数： 主调节器比例系数11 2.1kp k δ=
=0.9667；积分系数:11 1.26ki Tk k
δ=
=0.007323；
微分系数14Tk
K dl k
δ=
=31.9007
3、完成过热汽温串级控制系统的参数整定后，在1500s 时加入减温水扰动，即将阶跃信
号输出模块（Step1）的响应时间（Step time）设为1500，终值（Final value）设为2500，仿真后在响应曲线显示器Scope 中观察减温水量增加后对过热蒸汽温度t1 的影响。

观察运行效果:
第四部分某电厂热工系统SAMA图分析
对汽包锅炉给水控制系统SAMA图分析，根据自己的理解画出其结构简图。

如图所示：
总结
通过对过热汽温控制系统的分析与研究，了解到了过热汽温控制的原理以及相关设备的特点并且对系统的组成有一定的了解。

再对锅炉给水控制系统的读图中，又对锅炉给水系统的工作原理及系统组成有所掌握。

达到了实验的预期目的。

参考文献：
[1]单元机组协调控制，谷俊杰、彭学志、鲁许鳌[编]，华北电力大学
[2]热工控制系统,谷俊杰、彭学志、朱予东、周俊霞[编] ，华北电力大学。