第5章 汽包锅炉给水自动控制系统

第五章 汽包锅炉给水自动控制系统5-1 前馈--反馈调节系统 一.前馈--反馈调节原理反馈调节系统特点：事后控制，反馈校正。

调节过程中被调量的动态偏差较大,且调节过程也较长。

前馈调节系统特点：直接根据扰动进行调节,减小动态偏差。

y1. 定义直接根据造成被调量偏差的原因进行调节的系统,称为前馈调节系统。

2. 前馈的类型及整定 前馈调节的类型：很多,因而()b S W 的规律不同。

不变性原理：设计前馈补偿器,使被调量y 与扰动无关。

(a)扰动有单独通道()()()()0()()yx yx b o b o W s W s W s W s W s W s +=⇒=-(b) 扰动作用在对象之前补偿作用在调节器之前。

例如:喷水压力改变时对温度的影响。

()()()()()10()()1()()()o b a ob a o a W s W s W s W s Y s W s X s W s W s W s +==⇒=-+ (c) 扰动有单独通道,补偿作用在调节器之后()()()()()0()()1()()()yx b o yx b a o W s W s W s W s Y s W s X s W s W s W o s +==⇒=-+(d) 扰动有单独通道,补偿在调节之前()()()()()()0()()1()()()()yx a b o yx b a o a W s W s W s W s W s Y s W s X s W s W s W s Wo s +==⇒=-+前馈一般不能做到完全补偿。

常用静态前馈或者一些特定形式的动态前馈。

(a) 静态前馈即根据不变性原理求出()b S W ,用其静态放大系数作为补偿装置,它是一个比例环节:()0|bb S s k W →=(b) 动态前馈直接根据不变性原理求得。

在热工过程控制中常用:211()1b bT sW s k T s +=+-----超前—滞后环节()0|b b S s k W →=当21T T >时 ,超前补偿(PD作用)当12T T >时,滞后补偿(PI 作用)21T T >tktk 12211(0)lim ()lim ()b bS S T y SY S SW S k ST →∞→∞===1()lim ()b b S y SW S k S→∞==3. 存在缺点:(1) 只能针对一种或者几种典型扰动设计()b W s ,然而生产过程中扰动因素很多,因而调节效果受到限制. (2) 对不可测量的扰动,无法实现补偿. (3) 不能做到完全补偿,实现复杂,采用b k 或者2111bT s k T s++近似补偿.前馈—反馈调节系统：必须将前馈和反馈结合起来进行调节,利用前馈来减小扰动对被调量的影响,而反馈作用保障被调量等于给定值.二.前馈—反馈调节系统. 1.概念r y前馈控制:作用是有效抑制主要扰动,开环控制。

反馈控制:保证系统稳定 ,即最终消除扰动,使y r =。

2.前馈—反馈复合控制系统的特点（见书P110-112） 1）引入反馈后，前馈控制的完全补偿条件不变； 2）前馈控制规律还与反馈调节器位置有关；3）复合控制时，扰动对输出的影响比纯前馈控制时小得多；4）前馈对系统稳定性无影响。

3.系统整定(i) 在整定反馈回路是,只考虑是反馈形成的闭合回路,具有适当的稳定性裕度,而不要考虑前馈部分.(ii) 在整定前馈装置时,不考虑反馈的调节所引起的稳定性问题,直接用不变性原理整定.4. 工程整定(只介绍前馈调节整定) (1)静态前馈系统的b k 的整定 (a) 开环整定法使闭环系统稳定； 断开反馈回路，加扰动x ；b k 由小到大,使y 不变，记下b k .(b)闭环整定法开环整定法的主要缺点是容易造成被调量失控的事故,故工程上常用闭环整定法：断开b k ，使反馈系统稳定； 加扰动x，待再次稳定后记下u ；b u k x∆=∆（C ） 前馈—反馈复合整定这是一种试探式的方法：前馈和反馈都投入→在相同的扰动x ∆下, b k 由小变大→观察被调量的响应曲线→取过程最佳时的b k . (2) 动态前馈模型的参数整定原则()()()()0()()yx yx b o b o W s W s W s W s W s W s +=⇒=-211()1b bT s W s k T s +=+b k 可在210T T ==的条件下按前述方法确定.否否若有条件可先通过仿真实验确定1T 和2T ,然后再到现场修正.例题或习题 1.y(1) 说明环节k 的作用,并按静态整定k 值 .(2) 若环节k 改为1p d dk T sT s + (pk 值为上述整定值),则在反馈断开时,扰动x 的单位、阶跃变化能否使y 做到静态不变？为什么？若y 改变，则y 稳态变化量为多少？ 解： （1）32120(13)(12)ks s +=++，静态时，2k =-。

（2）不能。

由于当x 阶跃扰动达到静态时，实际微分环节输出为0，对y 无前馈补偿作用。

211()lim ()lim 2(12)s x y y t ss s→→∞∞===+2.图示系统：问：1.这是什么系统？2.说明调节器123(),(),()G s G s G s 的作用。

3.当2()W s 的惯性<<23()()W s W s 的惯性时,说明123(),(),()G s G s G s 的整定方法(画出相应的方框图)4.系统在运行过程中d y 与y 是否同方向变化?5.系统运行过程中,若1()G s 突然断开,则系统仍能稳定运行么?为什么? 答:1. 前馈—串级调节系统.2. 1()G s --前馈调节器. 2()G s--副调节器. 3()G s --主调节器. 2. 副回路d 2()G s3. 主回路:3()G s前馈:1221()()()()0G s G s W s W s +=1122()()()()W s G s G s W s -=4. 不一定. 13()()W s W s >>5. 能.因为1()G s 是前馈调节器,不在闭合回路内,不能影响系统的稳定性.5—2 给水调节的任务和调节对象的动态特性一.任务给水量适应锅炉的蒸发量,并且保持汽包水位在一定范围内。

汽包水位：1.过高:出口蒸汽带水,含盐浓度增加,损坏过热器.2.过低:破坏水循环,损坏水冷壁.二.动态特性锅炉给水调节对象的结构:=(,,,)f DW B p→因为要求汽机功率经常变化,所以D是经常性的扰动.:D H→主要是给水压力和给水调节开度的变化.W H:→B主要影响蒸发量(如果蒸发量大于给水量,则H下降;如果蒸B H:发量小于给水量,则H升高.)→反映汽水系统内蒸发与凝结的强度,是中间参数.:p H在这四个因素中,尤以D,W,B为重要.1. W 扰动系H 变化的动态特性.tt2h1. 对于等截面的容器,当W 变大时,水位按斜线上升。

对汽包,当水位变化较小时,近似看成等截面,如果不考虑水面下汽包体积变化,则水位按斜线1h 变化.2. 另一方面,汽包内工质处于饱和状态,水面下是汽水混合物.由于给水的温度较低,进入汽包的给水在包内需要吸收热量,当W 上升时,吸收热量上升,使得水面下汽水混合物中汽的容积减少(饱和蒸汽释放热量后成饱和水),由于汽容积减小,因而水位下降,曲线如2h .3．实际的水位响应曲线h 应该是曲线1h 和2h 的合成,即:H--实际水位响应曲线;1h --不考虑水下汽容积变化时,只考虑物质不平衡所引起的水位曲线;2h --仅考虑水下汽容积变化时的水位反应曲线.4．实际水位曲线的特点: (a) 有迟延.(b)呈积分状态(无自平衡能力) 根据这个特点,可设想对象()H W s W=具有下列形式:()1()(1)(1)nna H s W s WT s Ts s s nετ===++其中aT ε=,Tnτ=.ε--反应速度,单位给水流量变化引起水位变化速度的变化. τ--迟延时间;n --阶次,整数 .这三个参数,可由阶跃响应线上获得(怎么求？)。

当1n =时,()(1)1W s s s ssεεετττ==-++因此,可认为有两部分组成:sε----不考虑水下汽容积变化时,H 的响应曲线: 1h ;1sεττ+----仅考虑水下汽容积变化时,H 的响应曲线2h ;对于蒸发量为100T/H---230T/H 的汽包锅炉0.020.04//(/)mm s T H ε=-蒸发量大于230T/H, 0.033//(/)mm s T H ε>. 3. D 扰动下H 变化的动态特性.tDH1(1) D 上升将导致D>W,即汽包中流出量>流入量→水位h 1下降; (2) D 上升 —> 汽包压力下降 —> 水饱和温度下降 —> 水面下汽容积上升 —>水位h 2上升。

（3）实际水位12Hh h =+.（4）虚假水位：从H 曲线上看出, 当D 升高时,尽管汽包的流出量D大于流入量W,但水位H 不仅不下降,反而在起始时迅速上升,这种现象成为虚假水位.传递函数： 22()()()1H D k H s Ws D s T ssε==-+注: D 阶跃只是为定性说明问题而假定的,实际上D 阶跃是很难做到的.引起D 变化的如下:从图上不难看出,影响D 主要有两个因素: 1. 阀门开度T u2. 阀门前后的压差12P P P ∆=-(,)T D f u P =∆注:实际上D 是变化的.因为当压力下降后,响应的水的饱和温度下降,水的蒸发量应略有增加.若B u 能即使跟上,而保证P ∆不变,那么可使D 阶跃,遗憾的是做不到.3.燃烧率扰动对水位的影响t分析:(i) 为什么出现虚假水位?即水位先上升,后下降? (ii) 为什么起始时基本不变化? 虚假水位原因:(i) B 上升→蒸发量上升→流出汽包蒸汽上升→H 下降(最终) (ii) B 上升→蒸发量上升→水面下的汽容积上升→H 上升(起始)起始基本不变的原因:(i)B上升→蒸发量上升→水面下汽容积上升→气压上升→饱和水焓上升→部分蒸汽凝结成饱和水→水下汽容积下降→起始时水面下汽容积上升较慢→H上升较慢.(ii)另外,B→D 的变化,必有一定的热惯性.5—3.给水调节系统一、给水自动控制系统的基本要求1．对象无自平衡能力必须采用带比例作用的调节器2．虚假水位虚假水位可能导致调节作用相反.如:而实际上,为保证D→平衡,由该有W上升.解决：蒸汽流量前馈补偿3．给水压力会波动需消除内绕二、单级三冲量给水自动调节系统.1.系统组成:原理结构图:ukDγ}W α,D α--给水和蒸汽流量信号的灵敏度或分流系数。