主汽温控制系统仿真

第二节计算机仿真技术

计算机仿真是指以计算机为主要工具，运行真实系统或预研系统的仿真模型，通过对计算机输出信息的分析与研究，实现对实际系统运行状态和演化规律的综合评估与预测。它是分析评价现有系统运行状态或设计优化未来系统性能与功能的一种技术手段，在工程设计、电力工业、航空航天、交通运输、经济管理、生态环境、通讯网络和计算机集成等领域中有着广泛的应用。

动态系统计算机仿真是一门以系统科学、计算机科学、系统工程理论、随机网络理论、随机过程理论、概率论、数理统计和时间序列分析等多个学科理论为基础的、以工程系统和各类社会经济系统为主要处理对象的、以数学模型和数字计算机为主要研究工具的新兴的边缘学科。它属于技术科学的范畴。动态系统计算机仿真的目的是通过对动态系统仿真模型运行过程的观察和统计，获得系统仿真输出和掌握模型基本特性，推断被仿真对象的真实参数(或设计最佳参数)，以期获得对仿真对象实际性能的评估或预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化。

根据仿真过程中所采用计算机的类型不同，动态系统计算机仿真可分为模拟机仿真、数字机仿真和模拟一数字混合机仿真。随着计算机技术的快速发展，特别是并行处理机和并行处理技术的研究与发展，数字仿真成为了计算机仿真的主流。

建立适合于研究并能较好地体现实际系统各关键特征的模型是系统仿真的基础。模型分析方法是现代科学的基本研究方法之一，它通过对实际系统抽象的或本质的描述，构造出与实际系统之间存在同构或同态关系的、简化的数学模型或物理模型，以模型分析与模型实验为基础，达到对实际系统的认识、控制和优化。

根据研究对象、表示方式和使用途径不同，系统模型有多种不同分类体系。一般地，从表示方式可划分为物理模型和数学模型，计算机仿真中主要采用系统数学模型。系统数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型。根据系统的状态描述及其变化方式，可划分为连续变量系统模型和离散事件系统变化模型。

目前，面向系统的计算机仿真技术既涵盖了连续变量动态系统的仿真也涉及离散事件动态系统的仿真。在连续变量系统模型中，系统各主要因素之间变化关系以及系统的演化规律主要采用方程式描述。例如，微分方程、偏微分方程、差分方程、回归方程等。对于离散事件动态系统模型，由于系统状态的变化域为离散空间，状态变化发生在一串难以预知的离散时间点上，因而难以建立定量变化关系方程，主要采用以网络图为基础的各类流图模型。

电厂机组的各种不同热力系统都是由一些热力设备，如换热器、风机、水泵、阀门、容器等经过管道连接而成，形成一个个流体网络。热力系统的动态过程不仅取决于各热力设备本身的特性，即设备模块;还取决于这些设备的连接方式，即拓扑结构。因此流体网络建模技术成为电厂仿真中的一项重要技术。

本次课题研究的目的在于利用本软件系统进行电厂自动调节系统的参数整定，因侧重点不同，在这里，就不再关于系统建模问题进行展开论述。本章中凡遇到需要建模的问题，将直接给出模型，而不再讨论具体建模过程。

第三节导前气温微分信号调节系统

5.3.1采用中间被调量微分信号的调节系统概述

对于时间常数大、阶次高和迟延大的对象，为了改善其调节品质，可以采用引入中间被调量微分信号的调节系统。例如过热气温调节系统，其中间被调量就是减温器后的气温，气温调节器除接受过热器出口温度信号外，还同时接受减温器后气温的微分信号。图5-1表示采用中间被调量微分信号调节系统的方框图。

这个系统的特点是，调节器除了接受调节对象的主被调量信号外，还接受一个中间被调量的微分信号。由于中间被调量的响应比主被调量快，因此，这个微分信号起着导前作用，以补偿主被调量的滞后。/在稳态时，中间被调量微分信号等于零，调节器维持主被调量为规定值。

设图5-1中调节对象工的传递函数为Gol (s)，调节对象II的传递函数为Got (s)，调节器的传递函数为Gr (s)，微分器的传递函数为Gd (s)，令

从上面两式可以看出，等效主调节器是比例积分型的，等效副调节器是比例积分一比例微分混合型的。如果Ti>Td，则近似于比例微分型:如果Td>Ti，则近似于比例微分型:如果Ti=Td, 则是比例型的。

如果在副回路中存在着频率较高的干扰，致使中间被调信号含有高频成分，那么由于微分器对于高频干扰信号没有抑制作用，而有放大作用，所以不宜采用具有中间被调量微分信号的调节系统。

5. 3. 2过热气温调节的任务、调节对象的动态特性及调节方案

过热蒸汽温度是锅炉运行质量的重要指标之一。过热蒸汽温度过高或过低都会显著的影响电厂的安全性和经济性。过热蒸汽温度过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏;过热蒸汽温度过低，会引起电厂热耗上升，并使汽轮机轴向推力增大而造成推力轴承过载，还会引起汽轮机末级蒸汽适度增加，从而降低汽轮机的内效率，加剧对叶片的侵蚀。

所以，在锅炉运行中，必须保持过热气温稳定在稳定值附近。一般要求过热器温与规定值的暂时偏差不超过士10 0C，长期偏差不超过土5 0C o过热蒸汽温度的自动调节使锅炉自动调节的困难任务之一，主要是因为:

(1)造成过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，而各种扰动之间又互有影响，使对象的动态过程很复杂。

(2)锅炉结构设计与自动调节的要求存在一定矛盾。为使调节作用的迟延最小，希望把减温器布置在过热器的出口或尽量接近出口;但从过热器的金属壁温不超过允许值的安全角度出发，则希望把减温器布置在某段过热器的入口，以便保护过热器。

(3)调节对象和测温元件的迟延比较大，测温元件又有较大的惯性，这样在扰动发生之

后，温度不能立即发生变化，因此要保持很小的蒸汽温度偏差是很困难的。

过热气温调节对象的动态特性是指引起过热气温变化的扰动与气温之间的动态关系。引起过热蒸汽温度变化的原因包括蒸汽流量变化、燃烧工矿变化、进入过热器的蒸汽温度变化、流过过热器的烟气的温度和流速变化等。归结起来，过热气温调节对象的扰动主要来自三个方面:蒸汽流量变化(符合变化)，加热烟气的热量变化和减温水流量变化(过热器入口气温变化)。从过热气温动态特性的角度考虑，改变烟气侧参数(改变烟温或烟气流速)的调节手段是比较理想的，但具体实现比较困难，所以一般很少被采用。喷水减温对过热器的安全运行比较有利，所以尽管对象的调节特性不够理想，但还是目前被广泛采用的过热蒸汽温度调节方法。采用喷水减温时，由于对象调节通道有较大的延迟和惯性以及运行中要求有较小的气温控制偏差，所以采用单回路调节系统往往不能获得较好的调节品质。针对过热气温调节对象调节通道惯性迟延大、被调量信号反馈慢的特点，应该从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号作为调节器的补充反馈信号，以改善对象调节通道的动态特性，提高调节系统的质量。

目前采用的过热蒸汽温度自动调节系统主要有两种方案:采用导前气温的微分信号作为补充信号的调节系统方案和串级调节系统方案。本节我们将介绍前一种方案，关于串级调节系统方案，我们将在下一节中给予详细介绍。

5. 3. 3采用导前气温微分信号的双回路气温调节系统

具有导前微分信号的双冲量气温调节系统，也叫双冲量气温自动调节系统，该系统如图5-1所示。这个系统引入了导前气温的微分信号作为调节器的补充信号，以改善调节质量。因为e1和02的变化趋势是一致的，且e1的反应比e2快得多，因此它能迅速的反映02的变化趋势。引入了。1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d e 1/dt和02与82的给定值之间的偏差而动作;但在静态时，d e 1/dt信号消失，过热气温e2必然等于给定值。如果不采用导前信号e1的微分信号a e 1/dt，则在静态时，调节器将保持e 1+e2等于给定值，而不能保持e2等于给定值。

采用导前气温微分信号的双回路气温调节系统方框图如图5-2所示:

这个系统包括两个闭合的调节回路:一个是由对象调节通道的导前区G1 (s)、导前气温