过程控制系统课程设计书

题目: 锅炉给水冲量控制系统设计

初始条件：

1.课程设计辅导资料：“过程控制系统和应用”、“过程控制系统与仪表”、“过程

控制仪表及控制系统”、“过程控制系统及仪表”等；

2.先修课程：仪表与过程控制系统等。

3.主要涉及的知识点：

过程控制仪表、控制系统、被控过程等

要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具

体要求）

1.课程设计时间：2周；

2.课程设计内容：根据指导老师给定的题目，按规定选择其中1套完成；

本课程设计统一技术要求：研读辅导资料对应章节，对选定的设计题目所涉及的生产工艺和控制原理进行介绍，针对具体设计选择相应的控制参数、被控参数以及过程检测控制仪表，并画出控制流程图及控制系统方框图。3.课程设计说明书按学校“课程设计工作规范”中的“统一书写格式”撰写，

具体包括：

①目录；

②摘要；

③生产工艺和控制原理介绍；

④控制参数和被控参数选择；

⑤控制仪表及技术参数；

⑥控制流程图及控制系统方框图；

⑦总结与展望；（设计过程的总结，还有没有改进和完善的地方）；

⑧课程设计的心得体会（至少500字）；

⑨参考文献（不少于5篇）；

⑩其它必要内容等。

摘要

现代大型锅炉的水位动态特性复杂，汽包存在着严重的“虚假水位”现象，为了给水系统的安全可靠，有多种设计方案，三冲量给水系统包括单级三冲量给水系统和串级三冲量给水系统，设计中重点针对串级三冲量给水系统进行了详细的设计及仿真研究。

本次设计是根据实验给定的参数，用理论计算的方法整定调节器的参数，同时借助MATLAB应用软件整定调节器的参数，并与单冲量给水控制系统进行分析比较。理论计算时，副回路需要用试探法，只能在仿真中进行整定；而主回路要结合所学的专业课知识，用经验公式计算主、副调节器的参数；再用结合实际的工程整定法也就是衰减曲线法来选择调节器参数并进行仿真。

设计中介绍了冲量给水系统的结构组成及工作原理，接着根据理论计算，并结合工程整定方法，详细论述了系统的参数整定问题。参数整定后要使串级冲量系统的副回路成为一个快速随动系统，主回路成为一个衰减率为四分之一的衰减振荡系统。最后分析了水位扰动、蒸汽流量扰动下的系统的性能和蒸汽流量信号丢失后的水位变化情况。

关键词：汽包锅炉水位；冲量给水控制系统

Abstract

The dynamic characteristic of modern large-scale boiler water level is complicated, the vapor is existing "the false water level " phenomenon, in order to keep water supply system reliable and safe, we can adopt three methods to complete this design, Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler includes single stage three impulses water supply system and cascade three impulses water supply system, in my study, I have made a detailed introduction of water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler and has carried out simulated curve.

This design use theoretical method to adjust the controller parameter basing on parameter of experiment. It chooses the controller parameter by using MATLAB application software and makes a comparation with water Level Control System of Cascade Single Parameters Control Boiler Drum. In the process of theoretical calculating, the inner circuit needs to use heuristic approach, it can carry out adjusting process only in simulation; But, the outside circuit needs to combine with specialized course knowledge that we have learned, the parameter was calculated by using Empirical formula. Subsidiary controller; Adjuster parameter is choosed and simulated by practical engineering method.

Design has made a introduction of the structure and principle of Water Level Control System of Cascade Three Parameters Control Boiler, adjusting method combining with a project has discussed systematic parameter in detailed. The water level having analyzed water level perturbation motion, lower systematic steam rate of flow perturbation motion function and steam rate of flow signal finally after being lost water level that changes condition.

Keywords: water level of steam drum boiler; elements water supply control system

目录

1 概述 (1)

2 锅炉给水控制系统 (2)

2.1锅炉控制系统介绍 (2)

2.2锅炉控制系统要求 (3)

3 调节器的调节规律 (4)

3.1 比例调节对控制性能的影响 (4)

3.2 积分调节对控制性能的影响 (5)

3.3 微分调节对控制性能的影响 (8)

4 单回路控制系统的介绍 (10)

4.1 单回路控制系统的概述 (10)

4.2 单回路控制系统各组成部分的选择 (11)

4.3 对象特性对控制过程的影响 (12)

4.3.1 对象放大系数对控制过程的影响 (12)

4.3.2 对象时间常数对控制过程的影响 (13)

5 汽包锅炉给水控制系统 (14)

5.1 汽包锅炉简介 (14)

5.2 汽包锅炉给水控制系统的任务及基本要求 (16)

5.3 锅炉给水冲量给水控制系统 (18)

6 仪表的选用 (21)

6.1 检测类仪表 (21)

6.1.1压力仪表的选型 (21)

6.1.2液位仪表的选型 (21)

6.1.3流量仪表的选型 (21)

6.2调节阀的选型 (22)

7 总结 (23)

参考文献 (24)

锅炉给水冲量控制系统设计

1 概述

工业锅炉是生产和生活中重要的动力源，在整个能源消耗中占有相当大的比重。目前，我国有百分之九十以上的锅炉燃煤，耗煤量占全国原煤消耗量的1/3以上，而且锅炉燃用的主要是中低质煤，工业污染十分严重；同时，锅炉形式比较陈旧，生产效率和自动化程度低，这又进一步加重了环境污染的程度，因此，调整能源消费结构，逐步提高使用液体燃料和气体燃料的比例是加强环境保护、实施可持续发展战略的措施之一；同时有必要对工业锅炉进行技术改造，提高运行的自动化水平，这样将获得较为理想的控制效果，其节能效果也是十分可观的。

给水控制的任务是维持汽包水位在工艺允许范围内。由于影响汽包水位的几个因素中，燃料量的扰动影响较小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位为被控变量，以调节给水流量为控制手段。同时，由于汽包水位不仅受锅炉侧的影响，也受到汽轮机侧的影响，当锅炉负荷变化或汽轮机用汽量变化时，给水控制都应该能限制汽包水位只在给定的范围内变化。

目前，对汽包水位的控制大部分采用常规PID控制方式。此方式是根据被控对象的数学模型建立，使锅炉的给水量适应锅炉的蒸发量，以维持汽包水位在规定的范围内，同时保持稳定的给水流量。汽包水位是一个重要的监控参数，反映了锅炉蒸汽负荷与给水量之间的平衡关系。另外还有汽包水位控制方式（单冲量、双冲量及三冲量控制），其中的冲量指的是变量。

2 锅炉给水控制系统

2.1锅炉控制系统介绍

锅炉是一种承受一定工作压力的能量转换设备。其作用就是有效地把燃烧中

的化学能转换为热能，或再通过相应设备将热能转化为其它生产和生活所需的能

量形式，长期以来在生产和居民生活中都起很重要的作用。

根据锅炉的作用不同，可分为电站锅炉，工业锅炉，生活锅炉等。其中电站

锅炉主要用于发电，工业锅炉主要用于工农业生产，而生活锅炉主要用于供暖取

暖。随着工业生产规模不断扩大，生产过程不断强化，生活设备不断革新，锅炉

向大容量、高参数、高效率方向发展。为确保生产生活安全，对锅炉设备的自动

控制就显得十分明显[4][5]。锅炉系统主要包括燃烧系统、送引风系统、汽水系

统及辅助系统等。其工艺流程如下： 减温器D D s PM

过热蒸汽送负荷设备

炉端

热空气送往炉膛

空气预热器

给水（由水泵来）

冷空气（由送风机来）烟气（经引风机送往烟囱）过热器省煤器炉膛热空气燃料

燃烧嘴汽包

除尘

器

烟囱

锅炉引风机

图2.1锅炉主要工艺流程图

由图2.1可知，给水泵、给水调节器、省煤器、汽包及循环管等构成了蒸

汽发生系统。燃烧和空气按一定比例进入燃烧室燃烧，生成的热量传给蒸汽发生

系统，生产饱和蒸汽Ds ，然后经过过热器，形成具有一定温度的过热蒸汽D ，

汇聚至蒸汽母管。压力为PM 的过热蒸汽，经负荷设备调节控制机构，提供给生

产负荷设备使用。与此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽

后，再经省煤器预热锅炉给水和空气预热器预热空气，最后由引风机送往烟囱排

出。

2.2锅炉控制系统要求

锅炉是工农业生产的主要设备之一，其生产任务是根据外界负荷的变化，输送一定质量（汽压、气温）和相应数量的蒸汽给汽轮机，以满足生产的要求。为了满足负荷设备的要求，保证锅炉本身运行的安全性和经济性，提高锅炉的自动化水平，减轻操作工人的劳动强度。其主要控制要求如下：

1 保持汽包水位在规定的范围内：锅炉汽包水位的高度，关系到汽水分离的速度和生产蒸汽的质量，也是确保安全生产的重要条件。如果锅炉汽包水位过高，就会影响汽包水位分离装置的正常工作，造成出口蒸汽水分过多，结果可能会使过热器受热面结垢而导致过热器烧坏，并会引起汽轮机叶片上结垢增加，严重时将损坏汽轮机叶片，同时，还会使过热器气温产生急剧变化，直接影响机组运行的经济性和安全性。如果汽包水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生停滞，致使水冷壁因供水不足而烧坏，因此，必须对汽包水位进行控制，将其严格控制在规定的范围内。现在要求将其控制在0±5cm.

2、稳定蒸汽温度：由于过热器的作用是将从汽包出来的饱和蒸汽加热成为过热蒸汽，使过热器长期承受高温高压。因此，在安全生产和技术经济指标上，必须对其进行控制，使蒸汽温度保持保持在额定值范围内。现场要求将其控制在445±50℃。

3、控制蒸汽压力稳定：蒸汽压力是安全生产的需要，是维持负荷设备正常工作的需要，也是保证燃烧经济性的需要。现场要求将其控制在3.9±0.1MPa。

4、控制炉膛负压在规定的范围内：炉膛负压的变化，反映了引风量与送风量的不相适应。维持炉膛负压在一定的范围内，对于锅炉的安全运行时有利的。现在要求将其控制在0.1±0.05Pa。

5、保持烟气含氧量在一定范围内：要使锅炉燃烧过程出现最佳工况，提高锅炉的效率和经济性，必须使空气和燃料维持适当的比例，将过剩空气降低到接近于理想水平而又不出现一氧化碳和冒黑烟，这就需要快速而准确地对燃烧过程进行自动化控制，使空气和煤出现最佳的配比，否则势必增加热量损失，降低经济技术指标，并造成对周围环境的污染。现场要求将其控制在：2.6±0.2（%）。

3 调节器的调节规律

调节规律是指调节器输出信号与其输入信号之间的动态关系，从理论上说可

有各种形式的函数关系，然而在实践中总结出比例调节规律、积分调节规律、微

分调节规律三种基本调节规律，广为采用。三种调节规律的组合可设计出多种调

节规律的调节器，如比例调节器、比例积分调节器、比例积分微分调节器等。调

节器作为控制系统组成部分之一，其动态特性对控制过程有着很大的影响，因为

对象的特性是不容易改变的。本章内容的重点是分析和比较不同调节规律的调节

器的控制效果。

3.1 比例调节对控制性能的影响

所谓比例调节规律，是指调节器输出的控制作用)(t u 与其偏差输入信号)

(t e 之间成比例关系，即

)()(t e K t u P = （3-1）

其中 P K ——比例增益。

比例调节器的传递函数为 P P K s E s U s W ==)

()()( （3-2） 工程中，常用比例带δ来描述其控制作用的强弱，即 P

K 1=δ （3-3） 其物理意义是在调节机构的位移改变100%时，被调量应有的改变量。如

%20=δ，则表明调节器输出变化100%时，需要其输入信号变化20%。

比例调节的阶跃响应图如图2-1所示。从图中看出，在0t 时刻前，系统处于

稳定状态；0t 时刻偏差信号)(t e 发生阶跃变化，对于定值控制系统，即被调量产

生阶跃变化，调节输出控制作用)(t u 将成比例地变化，而且几乎是同时产生的。

控制作用的变化目的是调节进入对象的流入量，消除不平衡流量，使被调量回到

原来的值上。从这一点看，比例调节规律的特点之一就是调节及时、迅速。

由图3-1还可看出，在∞→t 时调节过程结束，但偏差信号)(t e 仍存在；换

言之，调节过程结束被调量的偏差仍未完全消除。因为采用比例调节规律的调节

器，其输出的控制作用大小与偏差大小成比例关系，一定大小的控制作用是抵消

扰动的影响、使系统重新稳定下来的保证。在系统受到扰动后，被调量偏离了其

给定值，而出现偏差；调节器的调节使系统再次进入稳定状态，但偏差或大或小

还要存在，否则偏差为零，控制作用也随之消失，干扰信号的存在就不可能使系

统稳定下来。调节过程结束，被调量偏差仍存在称为有差调节，这是比例调节规

律的又一特点。

图3-1 比例调节的阶跃响应

3.2 积分调节对控制性能的影响

比例调节规律的特点是控制及时，控制作用贯穿整个调节过程，因此它是基

本的调节作用。然而比例调节不能保证系统无差，因此对于一些要求较高的控制

（定值调节）还需引入积分调节规律，实现无差调节。

积分调节规律是调节器输出控制作用)(t u 与其偏差输入信号)(t e 随时间的积

累值成正比，即

?=dt t e T t u i

)(1)( （3-4）

其传递函数形式为 s

T s W i I 1)(= （3-5） 式中i T 为积分时间。

积分调节器的阶跃响应如图3-2所示。由图可以看出，当被调量出现偏差并

呈阶跃形式变化时，积分调节器输出的控制作用并不立即变化，而是由零开始线

性增长。从这一点看，积分调节作用是不及时的。只要偏差信号存在，调节器输

出值在消除对系统影响的控制作用就一直增加，且其增长的速度始终为初始速

度。 i

T t e dt t du )()(= （3-6） 上式表明，控制作用在积分时间i T 越小的时候越强。

从响应曲线看，只要偏差存在，积分控制作用一直增加；换言之，只有偏差

为零时，积分作用才停止变化。这表明系统达到再次稳定状态时，被调量的偏差

必然为零。积分调节规律的另一特点就是消除稳态偏差，实现无差调节，其控制

作用体现在调节过程的后期。

不过在现实中，积分调节规律很少单独使用，它总是与比例调节规律结合成

为比例积分调节规律，以发扬各自的特长，弥补对方的不足。

描述比例积分调节规律的动态方程是 ?+=dt t e T K t e K t u i

P P )()()( （3-7） 式中，P K 为比例增益；i T 为积分时间。

比例积分调节器的传递函数为

???? ?

?+=???? ??+=s T s T K s W i i P PI 11111)(δ （3-8）

图3-2 积分作用曲线

比例积分调节器的飞升特性如图3-3所示。由图可以看出，当被调量一旦偏离给定值出现偏差时，调节器立即输出一个与偏差成比例的控制作用，这是比例作用的结果；随着时间的增长，控制作用线性增加，积分作用表现出来；只要偏差存在，控制作用就一直增长下去，直至消除偏差时，控制作用才停止变化。由此可见，比例积分调节作用具有比例作用及时和积分作用消除偏差的优点，从而克服了单纯比例作用时不能消除偏差的缺点和单纯积分作用控制不及时的缺点。

图3-3 比例积分响应曲线

3.3 微分调节对控制性能的影响

无论是比例调节规律，还是积分调节规律，一个共同特点就是控制作用只有在偏差出现后才能产生。这对存在延迟或惯性较大的对象来说，要获得满意的调节效果是很困难的，这就需要引入微分调节规律。

微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比。对于定值控制系统，偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度，即

dt

t dc T dt t de T t u d d )()()(== （3-9） 式中d T 称为微分时间。

传递函数式为

s T s W d D =)( （3-10） 由于受控对象总存在一定的容量，调节器也存在一定的不灵敏区，因此使调节器动作的偏差信号在时间上肯定落后于偏差变化速度信号，被调量变化速度（即偏差变化速度）信号又称超前信号。被调量的变化速度往往反映了对象流入量与流出量之间的不平衡状态，因此对惯性较大的对象，在调节器中加入微分调节作用实现超前调节，无疑将大大改善调节过程。

微分调节作用的大小仅于偏差信号的变化速度有关，而与偏差值大小无关。因此对象在受到较小的扰动后，被调量变化量及变化速度都将很小，微分作用调节器同时由于自身动作的不灵敏区的存在而始终不动作；这样，经过一段时间后，偏差将积累成一个较大的值。就是说纯微分作用的调节器是不能单独使用的，微分作用要与比例作用或比例积分作用相结合，形成比例微分调节规律或比例微分积分调节规律。

式（3-9）是理论上的微分调节规律表达式，因为在偏差作阶跃变化时的瞬间，控制作用将为无穷大量，这是任何物理元件都不可能实现的。实际的微分调节规律具有惯性，其传递函数为

)(11)('s W s

T K s T s T K s W D d D d d D D ?+=?+= （3-11） 式中d T ——微分时间；D K ——微分增益。

由初值定理有

E K s

E s T s T K s U D d d D s =?+?=∞→1lim )0( （3-12） 由终值定理知 01lim )(0=?+?=∞→s

E s T s T K s U d d D s （3-13） 由上述两式可以得出微分调节的阶跃响应曲线，如图2-4所示。

图3-4 微分调节的阶跃响应

由图3-4可以看出，当偏差作幅度为E 的阶跃变化时，微分作用将立即产生，其值为偏差的D K 倍。从这一点上与比例作用相比，调节及时且作用强。在时间较长后，微分作用消失，直到为零。可见微分作用主要在调节过程的初期，和积分作用恰好相反。

通过前两节和本节对比例调节规律、积分调节规律和微分调节规律的分析，可以看出它们对调节过程的影响是不同的。

比例调节作用是按比例反映系统的偏差系统一旦出现偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例作用，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。积分作用使系统消除稳态误差，提高无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数i T ，i T 越小，积分作用就越强，反之i T 大，则积分作用就弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。微分调节作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因

此能产生超前的控制作用，从而改善系统的动态性能。在微分时间选择合适的情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的微分调节，对系统抗干扰不利。

综上所述，比例调节作用是最基本的调节作用，而积分和微分作用为辅助调节作用，比例作用贯穿于整个调节过程之中，积分作用则体现在调节过程后期，用以消除静态偏差，微分作用则体现在调节过程的初期。实际应用中，应根据具体情况选择调节规律，同时设置适当的比例带，积分时间，微分时间，才能收到满意的调节效果。

对于一阶惯性环节，负荷变化不大，工艺要求不高，可采用比例控制，如压力、液位控制。

对于一阶惯性环节与纯滞后环节串联的对象，负荷变化不大，控制精度要求高，可采用比例积分控制。因为热力火电厂，工作环境较复杂，对于调节质量要求高，所以本文所设计的将采用PI调节器。

4 单回路控制系统的介绍

4.1 单回路控制系统的概述

单回路反馈控制系统又称简单控制系统，它是仅由一个测量变送器，一个调节器和一个执行器（包括调节阀），连同被控对象组成的闭环负反馈控制系统。其组成原理方框图如图4-1所示。

单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，因此在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后、惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或是控制质量要求不太高的场合。

在热工生产过程中，最基本的且应用最多的是单回路控制系统。即使在高水平的自动化控制方案中，单回路控制系统目前仍占控制回路的绝大多数。而且各种复杂控制系统都是在单回路控制系统的基础上发展起来的，因此熟练掌握了单回路系统的设计方法稍加拓展就可以设计复杂系统。

图4-1 单回路控制系统组成原理方框图

4.2 单回路控制系统各组成部分的选择

（1）被调量的选择

被调量是表征生产过程是否符合工艺要求的物理量，在热工生产过程中主要是温度、压力、流量、化学成分等。一般情况下，欲维持的工艺参数就是系统的被调量，如火力发电厂锅炉过热蒸汽温度控制系统的任务就是维持锅炉过热器出口蒸汽温度，所以汽温控制系统的被调量就是过热器出口汽温。

但是生产过程中，有些工艺参数目前还没有得到直接的快速测量手段，如火电厂进入磨煤机的原煤干燥程度的测量。这种情况下往往采用间接参数作为系统的被调量，要求被调量与实际所需维持的工艺参数之间为单值函数关系，否则要采用相应的补偿措施。对于那些虽有直接测量手段，但所测得的信号过于微弱或延迟较大的情况，不如选用间接参数作为系统的被调量。

（2）控制量的选择

选择什么样的控制量去克服扰动对被调量的影响呢？原则上是选择工艺上允许作为控制手段的变量作为控制量，一般不应选择工艺上的主要物料或不可控制的变量作为控制量。例如：火力发电厂的锅炉负荷控制系统，其被调量是主蒸汽压力，而影响主蒸汽压力的主要因素是汽轮机进汽量和锅炉燃料量，前者是电力生产要求所确定的，因而不能作为控制量而只能选择燃料量作为系统的控制手段。

（3）控制通道和扰动通道的选择

单回路控制系统传递方框图如图4-2所示，图中)

(s

W为对象的传递函数，它是包括了检测单元、测量变送器、执行机构和调节阀在内的广义对象特性；

)(s W T 为调节器的传递函数，D 为扰动信号，)(s W Z 为被调量与扰动信号间的传递函数。扰动信号D 经)(s W Z 影响被调量的信号通道称为扰动通道；调节器输出的控制信号U 通过)(s W 影响被调量的信号通道称为控制通道。

图4-2 单回路控制系统的传递方框图

4.3 对象特性对控制过程的影响

由自动控制理论知，控制过程的品质指标一般用衰减率、动态偏差、稳态偏差、过渡过程时间来衡量，它们描述了控制系统过渡过程的稳定性、准确性和快速性。描述对象动态特性的特征参数有对象的放大系数K ，时间常数T 和迟延时间τ。

4.3.1 对象放大系数对控制过程的影响

图3-2所示的单回路控制系统传递方框图中，设调节器为比例调节器，即 δ

1)(==P T K s W （4-1） 控制对象的传递函数为 ()1

K W s Ts =+ （4-2） 扰动通道的传递函数为 )1)(1()(21++=

s T s T K s W Z Z （4-3） 由图3-2求出 )

()(1)()()(s W s W s W s D s E T Z +-= （4-4） 当系统受到单位阶跃扰动，即s s D /1)(=作用下，控制系统过渡过程结束时，静态偏差为

K

K K s s W s W s W s e P Z T Z s +=?+=∞∞→11)()(1)(lim )( （4-5） 式（3-5）表明，干扰通道的放大系数Z K 越大，系统的稳态误差（又称静态偏差）越大；而控制通道的放大系数P K 越大，稳态误差越小。对于线性控制系统，P K 与K 是一种互补关系，即总可以通过改变调节器的比例增益P K （或比例带δ）来满足K 和P K 的乘积要求，这就是说对象的放大系数K 对控制过程的质量没有什么影响。当然，对非线性对象其K 值随负荷变化而变化，要利用P K 来补偿，则要求P K 也随负荷变化而变化，即需要参数可变调节器。

4.3.2 对象时间常数对控制过程的影响

（1）干扰通道

设图3-2中各环节的放大系数均为1，即：1=K ，1=Z K ，1=P K 。干扰通道为一阶惯性环节，即

1

1)(+=s T s W Z Z （4-6） 则 )]

()(1)[1(1)()(1)()()(s W s W s T s W s W s W s D s C T Z T Z ++=+= （4-7） 系统的闭环特征方程

0)]()(1)[1(=++s W s W s T T Z （4-8）

式（3-8）表明，干扰通道的存在使系统的特征方程式产生变化，且干扰通道的惯性阶次增加一阶，系统就增加一个负实数闭环极点。当干扰通道的时间常数Z T 增大时，该新增加的极点就向坐标原点靠近。由自动控制理论可知，这将使控制过程的动态偏差减小。实际上，具有惯性的干扰通道相当于低通滤波器，从而减弱了干扰信号对系统工作的影响。

如果干扰通道还存在延迟τ，则

s e s C C ττ-=)( （4-9） 式中，)(s C 为干扰通道不存在延时的被调量，即

()s T Z e s D s W s W s W ττ-+=

)()

()(1)(S C （4-10） 由延迟定理知 )()(ττ-=t c t c （4-11）

上式表明，干扰通道迟延的存在并不影响控制过程的质量，只不过是使被调量在时间轴上顺延一个时间τ而已。

（2）控制通道

控制通道的时间常数T 如果增加，系统的工作频率下降，反映速度变慢，过渡过程的时间将加长。时间常数T 过小，系统反映则过于灵敏，又会使系统的稳定性下降。这就是说，在保证控制系统有一定的稳定程度下，应尽量减小控制通道的时间常数。实际系统中，控制通道是由执行器、变送器、对象串联组成的广义对象。广义对象内部各环节的时间常数之间应相互错开，要求它们之间有一个良好的匹配关系。

控制通道如果存在迟延τ（包括纯迟延和容积迟延），将会使控制过程质量变坏。因为控制作用不能及时影响被调量，从而使系统的动态偏差加大，控制过程时间加长。然而在控制通道的时间常数较大时，延迟时间的影响将会减小。控制通道存在迟延τ，调节过程的质量与T /τ比值有关，比值越大质量越差。

综上所述，对象的特征参数K 、T 、τ对调节过程质量的影响是不同的。干扰通道的放大系数Z K 大，意味着干扰对被调量的影响大，即增加系统的静差。控制通道的放大系数K ，由于可由调节器的比例带来补偿，因而不影响调节质量。干扰通道的时间常数Z T 大，对于干扰的滤波作用大，从而有利于调节器克服干扰的影响。控制通道时间常数小，调节及时，但容易引起系统的振荡趋于不稳定。干扰通道的迟延对调节过程无影响，而控制通道的迟延总是有害的。

5 汽包锅炉给水控制系统

5.1 汽包锅炉简介

在设计锅炉汽包水位控制的过程中首先从汽包锅炉入手，汽包锅炉有自然循环方式和强制循环方式两种，汽包锅炉自动控制的任务与直流锅炉几乎一样，也

是主要包括四个方面：

（1）保证系统安全运行；

（2）保持燃烧的经济性；

（3）保持炉膛负压在一定范围内；

（4）运行中保证汽轮机所需的蒸汽量，过热蒸汽压力和蒸汽温度的恒定。

无论自然循环锅炉还是强制循环锅炉，其给水控制的任务都是为了保证锅炉负荷和给水的平衡关系。但是，汽包锅炉由于有了汽包的存在，使锅炉的运行方式、锅炉的结构、工作原理与直流锅炉不同，这就使实现控制的方式，采用被调量都有所区别。

汽包锅炉的工作原理：汽包锅炉的蒸发系统有汽包、下降管、分配水管、下联箱、上升管、上联箱、汽水引出管、汽水分离器组成，这种与直流锅炉结构的不同的最大优点是：这个蒸发系统是闭合的，工质在所有时候都在这个闭合的蒸发管道系统中不断循环。锅炉的蒸发受热面是有比较明显的分界线的。无论是自然循环还是强制循环汽包锅炉只是工质的循环方式不同，并不改变汽包锅炉的工作原理。这主要是由锅炉运行参数决定的，而且没有很严格的规定，当锅炉压力工作在9.8MPa～18.6MPa范围内时，汽水密度差可以自行推动工质流动，因此可以采用自然循环；当锅炉工作压力≥16MPa时，一般可以采用强制循环。

调节过程特点：汽包水位成为给水控制的唯一标志，因此汽包水位：

（1）反映了锅炉负荷与给水的平衡关系；

（2）汽包水位影响蒸发面的改变，影响锅炉的安全运行。

因此在汽包锅炉中，给水控制比直流锅炉的给水控制简单，其对象可以看成是带有可测扰动的两输入输出系统，其指标是单一的，即把水位维持在一个范围内即可。

众所周知，工业过程控制系统的安全性、稳定性、准确性和经济性是企业考虑的重中之重，是衡量系统是否可靠的重要指标。随着工业自动化整体水平的提高，方案的选择范围增多，但据不同的要求和不同的侧重点，最优方案始终是我们的首选。下面以汽包水位控制系统的设计为例，对几种方案略解。

汽包水位是锅炉运行的主要指标之一，是一个非常重要的被控量。维持水位在一定范围内是保证锅炉安全运行的首要条件，这是因为：

（1）水位过高会影响汽包内汽水分离，饱和水蒸汽温度急剧下降，该过热蒸汽作为汽轮机动力的话，将会损坏汽轮机叶片，影响运行的安全性和经济性。

（2）水位过低，则由于汽包内的水量转少，而负荷很大时，如不及时调节就会使汽包内的水全部液化，导致水冷壁烧坏，甚至引起爆炸。因此，锅炉汽包水位必须严加控制。

5.2 汽包锅炉给水控制系统的任务及基本要求

汽包锅炉给水控制的任务是使给水量适应锅炉蒸发量，并使汽包中的水位保持在一定的范围内，其要求包括以下两个方面：

（1）维持汽包水位在一定范围内。

汽包水位是影响锅炉安全运行的重要因素。水位过高，会破坏汽水分离装置的正常工作，严重时会导致蒸汽带水增多，从而增加在过热器管壁上和汽轮机叶片上的结垢，甚至使汽轮机发生水冲击而损坏叶片；水位过低，则会破坏水循环，引起水冷壁的破裂。

正常运行时的水位波动范围：±30mm～50mm

汽包异常情况：±200mm

汽包事故情况：>±350mm

（2）保持稳定的给水量。

稳定工况下，给水量不应该时大时小地剧烈波动，否则，将对省煤器和给水管道的安全运行不利。

上述两个任务中，第一个任务尤为重要。实践证明，无论是电站锅炉，或是工业锅炉，用人工操作调节水位，既不安全，也不经济，其最有效的方法是实现给水自动调节。

根据我们所学知识可知，给水控制系统应该符合以下基本要求：

首先，由于被控对象在给水量G扰动下的水位阶跃反应曲线表现为无自平衡能力，且有较大的迟延，因此必须采用带比例作用的调节器以保证系统的稳定性。

其次，由于对象在蒸发量D扰动下，水位阶跃反应曲线表现有“虚假水位”现象，这种现象的反应速度比内扰快，为了克服“虚假水位”现象对控制系统的不利影响，应考虑引入蒸汽流量的补偿信号。