火力发电厂热控自动调节系统一经典终极版

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1、羂芆薅羅芁芅蚇螈膇芄蝿羃肃芃葿螆罿莂薁羂袅莂蚄螄膃莁莃羀腿莀薆袃肅荿蚈肈羁莈螀袁芀莇蒀蚄膆莆薂衿肂蒆蚄蚂羈蒅莄袈袄蒄蒆蚀节蒃虿羆膈蒂螁蝿肄蒁蒁羄羀蒀薃螇艿薀蚅羃膅蕿螈螅肁薈蒇羁羇膄蚀螄羃膃螂聿芁膃蒂袂膇膂薄肇肃膁蚆袀罿膀螈蚃芈艿蒈衿膄芈薀蚁肀芇螃袇肆芇蒂螀羂芆薅羅芁芅蚇螈膇芄蝿羃肃芃葿螆罿莂薁羂袅莂蚄螄膃莁莃羀腿莀薆袃肅荿蚈肈羁莈螀袁芀莇蒀蚄膆莆薂衿肂蒆蚄蚂羈蒅莄袈袄蒄蒆蚀节蒃虿羆膈蒂螁蝿肄蒁蒁羄羀蒀薃螇艿薀蚅羃膅蕿螈螅肁薈蒇羁羇膄蚀螄羃膃螂聿芁膃蒂袂膇膂薄肇肃膁蚆袀罿膀螈蚃芈艿蒈衿膄芈薀蚁肀芇螃袇肆芇蒂螀羂芆薅羅芁芅蚇螈膇芄蝿羃肃芃葿螆罿莂薁羂袅莂蚄螄膃莁莃羀腿莀薆袃肅荿蚈肈羁莈螀袁芀莇蒀蚄

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9、须同时进行,发电机组的稳定运行越来越重要;由于用户的用电结构也在变化,使得电网负荷的峰谷差加大,发电机组要求有调峰能力,对这种电网负荷指令的随时变化要求能够快速稳定地响应;由于单元机组容量的逐步增大,机组的热工参数的提高,热工被控对象变得越来越复杂;所有的这些,都对火力发电厂热工自动控制提出了更新更高的要求。本书在介绍了自动调节系统控制理论的基础上,以300MW火力发电单元机组为控制对象,重点对机组的协调控制系统、燃烧控制系统、给水控制系统以及蒸汽温度控制系统进行了讨论,内容包括的被控设备的工艺流程、控制系统的任务、被控对象的动态特性和燃煤机组常用的几种控制策略,并对控制方案中的一些细节进行了

10、剖析。本书注重它的实用性和可操作性。在自动调节系统基本控制理论的内容里,介绍的主要是从事热工控制专业工作人员所必须要掌握的内容,而重点放在自动调节系统的现场试验方法上,如被控对象动态特性的试验获得方法、阀门及风门挡板的特性试验方法、自动调节系统的现场投运和整定方法等等,有些试验方法是根据我们长年在现场进行相关试验时的试验措施编写而成,具有很强的可操作性。在介绍协调、燃烧、给水和汽温控制系统的章节里,所列举的系统结构、控制逻辑、直至系数设置和参数整定,大多是在运行机组上的实例,具有参考价值。本书注意了所述内容的通用性。对同一控制对象而使用较为普偏的多种控制策略都作了介绍和讨论,并分析了各种控制策

11、略的特点。比如协调控制系统中的直接能量平衡控制策略和间接能量平衡控制策略、燃料控制系统中的燃料控制器指令调节磨煤机一次风量和调节磨煤机的给煤机转速等等。本书还注意到编写依据的实时性和先进性,以电力行业最新的标准、规程、导则、要求和法规规定为依据编写而成。例如,在给水调节系统信号测量这一节中,防止电力生产重大事故的二十五项重点要点国电发2000589号和国家电力公司电站锅炉汽包水位测量系统配置、安装和使用若干规定(试行)【国电发(2001)795号】作为汽包水位补偿运算的依据;又如,在模拟量控制系统性能指标中,编写依据是2001年国家经贸委颁布执行的火力发电厂分散控制系统运行检修导则【DL/T7

12、742001】,该导则针对单机容量300MW及以上采用分散控制系统(DCS)的火力发电机组而制定,是目前热控专业对分散控制系统进行检修和维护的最新导则。另外,本书还对机组协调控制系统中设计的快速甩负荷(FCB)逻辑,从意义上、功能上、以及组态上进行了实例分析,由于目前试验难度比较大,实现起来有一定的风险,这里供各位同行讨论。吕佳同志为本书绘制了所有的插图,在此表示衷心感谢!由于作者水平有限,加之编写时间仓促,书中的描述地不够详细,谬误和不妥之处也在所难免,敬请各位批评指正。何育生二00三年十月目 录第一章.自动调节系统的基础知识1第一节 引言1第二节 自动调节系统的基本概念2第三节 热工对象动

13、态特性的特点6第四节 调节器的动态特性19第五节 自动调节系统的品质指标23第六节 阀门和风门挡板的特性试验27第七节 自动调节系统的整定方法29第八节 自动调节系统的试验方法35第九节 自动调节系统中的前馈控制36第十节 用SAMA图表示的自动调节系统图38第二章.蒸汽温度自动控制系统41第一节 汽温控制系统的任务41第二节 汽温控制系统的对象特性41第三节 过热汽温控制系统结构45第四节 汽温控制系统细节分析49第五节 再热汽温控制系统结构53第三章.给水自动控制系统55第一节 给水系统信号的测量55第二节 给水控制系统的任务64第三节 给水控制系统的对象特性65第四节 给水系统的设备配置

14、68第五节 给水全程控制系统的结构70第六节 给水控制系统细节分析73第四章.燃烧控制系统77第一节 燃烧控制系统任务77第二节 燃烧控制系统的对象特性77第三节 燃烧控制系统的控制策略80第四节 燃烧各控制子系统的分析83第五章.协调控制系统93第一节 协调控制系统的任务93第二节 协调控制系统的对象特性94第三节 机组的负荷控制方式96第四节 协调控制的控制策略99第五节 机组负荷指令和压力设定值的形成回路105第六节 机组负荷指令的限制运算逻辑107 第一章. 自动调节系统的基础知识第一节 引言火力发电厂的生产过程是将一次能源转换成二次能源的过程,对于燃煤机组,就是将燃煤中的化学能依次转

15、换为热能、机械能,获得电能。电力生产过程中除了必须保证产生的电能满足一定的电量和质量要求外,同时主要保证生产的安全和经济。这就要求生产过程必须在预定的工况下进行。但是在实际生产过程中总会经常受到各种因素的干扰和影响,首先,机组的负荷决定于用户的需要,即网调的AGC指令,随时变动的负荷影响机组的稳定工作,这种来自外界的干扰称为外扰。其次,即使机组带固定的基本负荷运行但它们的运行工况也会不停变动,例如燃煤品种的变化、执行机构的抖动、运行设备的状态变化等情况的都会影响锅炉的稳定运行;进而影响整个机组的稳定。这类来自系统内部的扰动称之为内扰。因此,机组的运行工况经常由于外扰或内扰而发生变动。任何工况的

16、变化都会引起机组某些运行参数的变化,从而使运行工艺参数发生变化而偏离规定值。过去的小型机组可以部分或全部地由人工调节。在这种情况下运行人员必须时刻监视仪表的指示值,检查设备的的工作情况并根据机组的运行特性进行的分析,作出正确的判断和及时的调整。运行人员对变化的参数及时进行操作对它们加以控制,以使这些参数保持为生产所期望的数值这一操作控制过程就是调节。随着机组容量的增大,蒸汽参数地提高以及分散控制系统的应用,这个机组的结构也愈加复杂,因此,对运行参数调节的要求也愈来愈高,人工调整已不能满足机组安全稳定运行的需求,有运行经验告诉我们,某300MW机组在升负荷过程中,汽包给水控制如果不能及时地投入自

17、动调节,而靠运行人员手动调节,则难以将机组负荷稳定在高负荷运行。因此,需要将这个对参数的操作控制过程用一套自动控制装置来代替人工操作,完成调节任务,这就是自动调节。自动调节是一门能自动维持生产过程参数为要求值,以使生产过程保持在规定的工况下运行的自动控制技术。第二节 自动调节系统的基本概念一 术语1 被调对象:被调节的生产过程或工艺设备称为被调对象。2 调节设备如传感器、变送器、调节器、执行机构等用于代替人的眼睛,大脑和手来完成调节任务的装置,称调节设备。3 自动调节系统:调节设备和被调对象构成的具有调节功能的统一体称为自动调节系统。4 被调量:被调对象中需要加以控制和调节的物理量,叫做被调量

18、或被调参数。不能把对象中流入或流出的物质如水、汽等工作介质当做被调对象的被调量。5 给定值:根据生产过程的要求,规定被调量应达到并保持的数值,叫做被调量的给定值。6 输入量:输入到调节系统中并对被调参数产生影响的信号(包括给定值和扰动)叫做输入量。不可把调节设备使用的能源(如压缩空气、电源等)当做调节系统的输入量。7 扰动:引起被调量变化的各种因素称为扰动。阶跃变化的扰动叫做阶跃扰动。8 反馈:把输出量的全部或部分信号送到输入端称为反馈。反馈信号与输入信号极性相同时称为正反馈;极性相反时称为负反馈。9 开环与闭环:输出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统;反之,称为开环系统。二 自动调

19、节系统的分类工业生产过程中所应用的自动调节系统的形式是多种多样的,为了分析各种调节系统的特性,根据不同的分析方法有不同的分类。1 按给定值变化规律区分,有定值调节系统、程序调节系统和随动调节系统。定值调节系统的给定值在系统工作过程中是恒定的。扰动作用会使被调量偏离给定值,在调节过程结束后被调量能回到(或接近)给定值。锅炉的汽包水位等调节系统都属于这类系统,在任何负荷下,在任何时间,汽包水位的定值都是不变化的。按调节过程结束后被调量与给定值之间偏差的情况,定值调节系统又分为有差调节系统和无差调节。有差调节系统在调节过程结束后,被调量与给定值之间存在静差。具有比例调节规律的调节系统属于有差调节系统

20、。无差调节系统在调节过程结束后,被调量与给定值之间不存在静差。通常,采用比例积分调节器的调节系统就是一种无差调节系统。程序调节系统的给定值是根据生产过程的工艺要求,按预先确定的时间函数变化的。例如在锅炉按升温、升压曲线启动的过程中,汽温汽压调节系统属于程序调节系统。随动调节系统的给定值既不恒定又不按预定的规律变化,而是决定于某些外来因素。系统的输出跟着给定值变化,所以又称为跟踪系统。例如锅炉烟气含氧量调节系统属于随动调节系统,含氧量的定值随负荷变化而变化。按调节系统的结构来分,有闭环调节系统、开环调节系统和复合调节系统。输出量和输入量之间存在反馈回路的系统叫做闭环系统,大多的调节系统都是闭环调

21、节系统,如高低加水位等定值调节系统。输出量和输入量之间不存在反馈回路的系统叫做开环系统,如某300MW机组的燃料风调节系统(FUEL AIR DAMPER CONTROL)和燃烬风调节系统(OVERFIRE AIR DAMPER CONTROL)都是开环调节系统。既有开环调节作用又有闭环调节作用的系统复合调节系统,其调节效果比一般闭环调节系统的更好,如采用前馈信号的闭环调节系统都属于复合调节系统,其中的前馈调节,是开环调节,如引入蒸汽流量作为前馈信号的汽包水位调节系统,引入总风量作为前馈信号的炉膛负压调节系统等等。2 按调节系统内闭环回路的数量来分,有单回路调节系统和多回路调节系统。单回路调节

22、系统中只有一个被调量信号反馈到调节器的输入端,只形成一个闭环回路。这种调节系统适用于简单的调节对象。如果调节对象有两个或两个以上的输出信号被反馈的调节器的输入端,从而形成两个以上的闭环回路的系统,则属于多回路调节系统。带有超前信号的汽温调节系统,就是多回路调节系统。3 按系统的特性来分,有线性调节系统和非线性调节系统。当前火电厂热力生产过程中广泛采用的是线性、闭环定值调节系统,基本上能满足生产实际要求。三 自动调节系统的原理方框图调节系统的原理方框图是人们从实际生产过程中总结出来的一种描述系统组成原理的方法,用方框图分析和综合自动调节系统是非常方便的。在方框图中,用方框表示各种环节,环节之间信

23、号的传递方向用带箭头的线段表示。用符号表示信号的叠加点,称做比较器,箭头指向的表示比较器的输入量,箭头离开的表示比较器的输出量。输出量等于各输入量的代数和。方框图清楚地表示出自动调节系统中信号在个环节中的传递方向和顺序,表示调节系统的动态结构,在对调节系统的分析和设计是很有用的。对每个环节而言,输入量和输出量是确定的每个环节受它前一个环节的作用,又按照它本身的特性输出信号,并对下一个环节施加作用。每个环节的输入量是引起该环节内部发生运动的原因,其输出量是该环节发生运动的结果。在就是说,输入量的变化引起输出量的变化,而输出量不会反过来去影响输入量,这种特点称做调节系统的单向性。方框图同工艺流程图

24、不同,方框图中的信号线并不表示工质的流向,而只表示调节系统中个环节之间的信号传递关系。在实际工作中,为便于分析问题,可以把一个设备划分成几个环节,或者把几个设备合并为一个环节。任何一个调节系统或复杂的环节都可以看作是由若干个比较简单的环节组成的,这些简单的环节是按一定的信号 传递方式联系起来的。系统的特性是由这些简单环节的特性综合而成的。常规的热工自动调节系统主要由四大部分组成:调节器、执行机构、测量变送器和被控对象,用原理方框图可以表示如下:图1-1热工自动调节系统原理方框图调节器的作用是接受主信号和定值信号之间的偏差信号,进行一定规律的运算后产生一个调节作用送给执行机构。通常用Wt(S)表

25、示。执行机构通常包括执行器和阀门,它接受调节器送来的控制信号去完成被控对象的控制任务。通常用Kz和Kf表示。测量变送器由测量元件和变送器组成,它的作用是把系统中的被控信号测量出来,并把非电量信号转换成能进行控制运算的电量信号,通常用Kc来表示。在电厂热工系统中,温度信号采用热电偶或热电阻进行测量,然后送进DCS内部进行处理;流量信号采用节流孔板和喷嘴进行测量,送差压变送器进行转换;水位信号通过测量筒产生差压信号,送差压变送器进行转换;压力信号送压力变送器进行转换。被控对象是指需要进行控制的生产设备和生产过程,通常用Wd(S)表示,被控对象中需要进行控制的物理量称为被控制量。对于火力发电机组,被

26、控制量和相应的控制手段可以用下表表示:被控制量控制手段汽包水位给水调节阀门、给水泵转速主蒸汽温度减温水阀门开度再热汽温烟气再循环挡板、燃烧器倾角、减温水阀门锅炉负荷指令磨煤机一次风量、给煤量炉膛负压引风挡板开度、引风勺管位置烟气含氧量,送风量送风挡板开度、动叶导向、送风勺管位置一次风压一次风机挡板开度、动叶导向机组功率DEH调门开度、锅炉燃烧率除氧器水位凝结水控制阀门开度凝汽器水位化学水补水门开度高低加水位高低加疏水门开度第三节 热工对象动态特性的特点调节对象的动态特性是指调节对象的输入(调节作用和扰动)发生变化时,其输出(被调量)随时间变化的规律。由于一个调节对象在生产过程中会受到多个输入(

27、干扰)作用的影响,而在不同的输入作用发生时,调节对象的动态特性一般是不同的,因此把调节对象的特性又区分为外扰特性和内扰特性。所谓调节对象内扰特性是调节器阀门开度发生变化时所引起被调量变化的情况,而外扰特性则是指对象在某一生产干扰发生变化时所引起的被调量的变化情况。对象内扰动态特性的掌握对研究自动调节问题的研究具有更重要的意义,因为对象的内扰动态特性将直接影响调节系统的调节过程。图1-2为引风自动调节系统的方框图。图中调节对象是多输入、单输出的物理系统,如图中虚线所示,引起被调量Pf(S)变化的原因很多(调节作用,外部扰动X),而且各个输入信号引起被调量变化的动态特性(W01,W02,)是不同的

28、,这是热工对象的一个特点。图1-2引风自动调节系统的方框图对于有些热工对象(例如锅炉汽轮机组),可能是多输出的,即生产过程中要求控制的被调量有好几个,而且,引起这些被调量变化的原因也是多种多样的,回此,调节对象通常是一个多输出的环节。一个多输入多输出的环节可以分解成若干个单输入单输出和环节。图1-3为协调控制系统的调节系统方框图,它表示了一个二输入二输出对象。图1-3协调控制系统的调节系统方框图在研究热工对象动态特性时,应该充分了解各种引起被调量变化的原因,并了解其全部动态特性。热工对象的动态特性,原则上可以根据生产过程进行的机理和生产调备的具体结构,用理论分析和计算的方法得出。但是,热工生产

29、过程一般是物质和能量的传递过程,用解析分法获得动态特性比较复杂,因此,通常采用现场测试的方法来了解热工对象的动态特性。在各种测试动态特性的方法中,应用最普遍的是测出对象的阶跃响应曲线。下面从热工对象的阶跃响应曲线出发,研究一下热工对象动态特性的特点。要全面了解调节对象的动态特性,必须了解被调量的各种输入作用下的动态特性,这里更重要的是调节输出(调节量)作用下调节对象的动态特性。通过大量的现场测试和分析,大多数热工对象的动态特性具有图14(a)和图14(b)所示的形状。图14表示,热工对象尽管千差万别,但是,按它的阶跃响应特性基本上可以划分成两类,一类是有自平衡能力的,如图14(a)所示,另一类

30、是无自平衡能力的,如图14(b)所示。从两类响应曲线可以看出,热工调节对象的动态特性的基本特点是:一开始被调量并不立即有显著变化,而且达到新的平衡需要一个非周期的过程,这说明热工对象有一定的迟延和惯性,过渡过程是不振荡的,在曲线的最后阶段,被调量可能达到新的平衡(图14(a)),也可能被调量不断变化,而其变化速度趋近于某一数值(图14(b)),前者称为自平衡能力的对象,后者称为无自平衡的对象。图14热工对象典型的阶跃响应特性曲线(a)有自平衡能力 (b)无自平衡能力一 调节对象动态特性的特征参数当获取了调节对象的阶跃应试验曲线之后,如何来判断该对象的可控性能呢?工程上常用阶跃响应曲线上的几个特

31、征参数来说明之。1 有自平衡能力的对象所谓对象有自平衡能力,就是指在阶跃输入扰动下,不需要经过外加调节作用,调节对象的被调量经过一段时间后能自己稳定在一个新的平衡状态。如主蒸汽温度等被控对象特性属于有自平衡能力的对象。图14(a)所示为有自平衡能力对象的单位阶跃响应曲线,在此阶跃响应曲线的拐点作切线,与被调量的起始值和最终平衡值的横坐标轴线相交,得时间间隔和TC,并把被调量的稳态变化量记作y(),由此可定义下列特征参数。自平衡系数(或自平衡率)式中0阶跃输入量的幅值。 表示对象的输出量(被调量)每变化一个单位,能克服多大的输入不平衡。越大,对象的自平衡能力就越强。=0表示象没有自平衡能力。的倒

32、数为y()/0,它就是对象的静态放大系数K;(1) 时间常数Tc如果被调量以曲线上的最大速度(即阶跃响应曲线上拐点q处的速度)变化,则从起始至最终平衡值所需的时间,就是对象的时间常数Tc。TC=tb-ta(2) 迟延时间它是指从输入信号阶跃变化瞬间至切线与被调量起始值模轴交点间的距离,如图14(a)所示。=ta2 无自平衡能力的对象所谓对象无平衡能力,是指在阶跃输入扰动下,被调量在最后阶段以一定的速度不断变化,不能稳定下来。如汽包水位等被控对象特性属于无自平衡能力的对象。图14(b)所示为无自衡能力对象的单位阶跃响应曲线,作该曲线的渐近线,与时间坐标轴交于a点,得到时间间隔和倾斜角,与纵坐标轴

33、交于b点,得到y(0),由此可定义下列特征参数:(1) 迟延时间从工作出发输入信号阶跃变化瞬间至渐近线与时间坐标轴交点间的距离,即=ta反映了对象在阶跃输入作用下,被调量的变化速度由零变到接近于渐近线斜率所需的时间的长短。(2) 响应速度(飞升速度)式中O 阶跃输入量的幅值。 表示当输入信号单位阶跃输入时,阶跃响应曲线上的被调量的最大变化速度。有时也采用的倒数替作为特征参数,即 式中Ta对象的响应时间综上所述,有自平衡能力的热工对象可用(或Tc),、三个特征参数来表示它的动态特性;无自平衡能力的热工对象可用、两个特征参数来表示它的动态特性。如果考虑到无自平衡能力的热工对象的等于零,那么,不论对

34、象有无自平衡能力,都可统一用、三个特征参数来表征它们的动态特性。虽然它们不能很确切地表达热工对象的动态特性,但是,这三个特征参数在热工调节系统的工程整定中是经常要用到的。由试验得到的热工对象阶跃响应曲线,可以通过数学处理的方法写出热工对象的近似传递函数,从而为自动调节系统的进一步分析研究和整定计算提供必要的数学模型。对于图14所示的典型热工对象阶跃响应特性曲线,可用下列高阶递函数来近似描述:有自衡能力的对象:无自衡能力的对象:二 被调对象的动态特性的测试方法1 试验获得阶跃响应特性曲线:(1) 试验目的了解被调对象的动态特性,掌握其纯延时时间。飞升速度,惯性阶数等特性参数,用以选择调节系统的控

35、制方案,设置有关系数,整定调节参数。(2) 试验方法在设备完好,运行工况稳定的条件下,对被调对象进行调节量扰动,扰动量为额定量的1015,用DCS实时趋势图同时记录扰动量和被调量等参数的变化曲线。 (3) 阶跃扰动的注意事项根据阶跃响应曲线可以清楚地判别对象的性质,试验原理也很简单。但是,在生产实际中使用时会碰到一系列困难。首先,工艺设备(被控对象)正常运行时总会存在着各种各样的随机干扰,使试验结果产生畸变,在分析试验结果时难于分辨试验输入信号和随机干扰对输出的影响;其次,工艺设备运行时往往不允许工艺参数作大幅度的变动,这给阶跃响应试验带来一定的限制;再其次,不可能得到真正的阶跃输入信号,因为

36、调节机构只能以有限的速度动作;最后,工艺设备的缺陷和非线性会影响试验结果的准确性。上述问题的存在,严重时甚至使阶跃响应特性试验无法进行。总之,在测定阶跃应曲线时,随机噪声是一个必须认真考虑的问题,只有在足够高的信噪比条件下,测试结果才是有效的。鉴于以上情况,为保证试验结果准确,在测定阶跃特性曲线时,应注意以下事项:A 根据设备运行条件选择合适的输入信号幅值。为了区别试验输入信号与随机干扰信号,应保证有足够的输入信号幅值。但要注意输入信号幅值过大可能引起输出信号超过允许的变化范围。一般输入信号的幅值取被控对象额定负荷的10%15%。B 在试验开始前,应将工艺设备调整到适当的初始工况。如作负荷上升

37、扰动的响应曲线,则应将被对象输出调整到允许变动范围的下限值;反之,则应将被控对象输出调整到允许变动的范围的上限值。这就保证在试验过程中输出信号在允许范围内变化,能获得一条完整的试验曲线。C 在调整到预定的初始工况后,要使工艺设备稳定运行一段时间,然后再开始进行试验。D 由于受执行结构动作速度的限制,输入阶跃信号(t)不可能是理想的阶跃信号,而是有一定的变化斜率,为了获得更精确的试验结果,阶跃信号(t)的起始时间可认为是从开始到达到扰动幅值的一半时间开始的。E 在整个试验过程中,应尽量避免一切不必要的操作,并要采取措施防止各类干扰的发生。F 要特别仔细记录阶跃响应曲线初始阶段的数据,因为这部分数

38、据的准确性对确定动态特性参数的影响很大,对于有自平衡能力的对象,当输出信号接近到新的稳态值时,输出信号变化很慢,一定要耐心等待足够长的时间,一直到输出信号达到新的稳态值。另外,对于有自平衡能力的对象,当输入信号幅值过大而输出信号的稳态值超过对象允许的变化范围时,应该立即改做方波响应试验(即扰动信号改为方波信号),不可错误地认为被控对象是无自平衡能力的对象。G 为了获得一条准确的阶跃响应曲线,在相同的试验条件下应重复试验几次,试验结果中至少要有两条基本相同的曲线。H 应测定输入信号上升和下降两个方向变化的阶跃起响应曲线,若二者无明显差别时,取其动态参数的平均值作为对象的动态参数;否则,应对两种情

39、况分别分析。I 除记录被控对象输入、输出信号外,还应记录可能影响输入、输出信号的其他主要参数,供分析试验结果时参考。J 热工被控对象一般均在非线性特性,其动态特性随负荷不同而有所区别。因此,应测出不同负荷时的动特性,以便在设计、分析、整定控制系统时,考虑到最差的动态特性情况。K 试验测定的被控对象动态特性与其实际的动态特性是有区别的,前者包括了测试仪表本身的动态特性,在试验结果中除去测试仪表动态特性的影响是很困难的,所以,应选用滞后和惯性较小的测试仪表,使其对测试结果的影响减小到可以忽略的程度。三 阶跃响应特性曲线的传递函数的求取阶跃响应曲线形象地表示了被控对象的特性。但是,这种表达形式不便于

40、控制系统的分析和综合,往往需要由阶跃响应特性曲线求得传递函数,其基本方法是:先根据阶跃响应的几何形状,选定被控对象传递函数的形式,然后通过作图法或计算法,确定传递函数的未知参数1 有平衡能力的一阶对象传递函数的求取方法(1) 无滞后的有自平衡能力的一阶对象这种被控对象的阶跃响应曲线如图15所示。在阶跃输入信号作用下,其响应曲线初始阶段不是零,而是最大值,然后斜率逐渐减小,当曲线上升到稳态值时,斜率下降到零。这种被控对象为一阶惯性环节,其传递函数为式中 K被控对象放大系数;T被控对象时间常数。这时需要确定的参数为放大系数K和时间常数T,A 作图法求K、Ta 画一条相应于y()的水平线;b 按下式

41、计算出被控对象的放大系数:式中x0为阶跃输入信号的幅值。c 作阶跃响应曲线起始点的切线,切线与y()线相交,这段切线在时间轴上的投影即为时间常数T,如图1-5(a)中所示。B 计算法求T由于切线不容易画准确,也可利用一阶惯性环节的阶跃响应曲线方程直接计算时间常数T,即在阶跃响应曲线上找出对应0.5y()时的时间t0.5,或者对应0.63y()时的时间t0.63,然后利用下述公式计算时间常数T:T=1.44t0.5 或 T=t0.63 如图1-5(b)中所示。图15无滞后的有自平衡能力一阶对象的阶跃响应特性曲线(a)作图法 (b)计算法(2) 具有纯滞后有自平衡能力的一阶对象若试验测得的阶跃响庆

42、曲线为S形状的非周期曲线(如图1-6所示),则曲线可用具有纯滞后的一阶惯性环节的传递函数近似表示:式中,为纯滞后时间,T为时间常数,放大系数K,参数、T计算方法有两种:切线法和两点法,现分别介绍如下。A 切线法:通过阶跃响应曲线的拐点作切线,切线与时间轴交于a点(见图1-6(a)),与以稳态值y()画的水平线交于b点,则0a即为被控对象的纯滞后的时间,切线线段ab在时间轴上的投影即为时间常数T。这个方法简单易行,但是,切线不容易作准确。B 两点法:参数时间常数T及纯滞后时间可利用阶跃响应曲线中两个y(t)值计算得出。这时,首先要将试验得到的曲线进行标么化,转换成标么形式:y*(t)为标么形式的

43、阶跃响应曲线(见图1-6(b))。取y*(t1)=0.39, y*(t2)=0.63 T=2(t2-t1) =2*t1-t2图16带纯滞后的有自平衡能力一阶对象的阶跃响应特性曲线(a)试验曲线 (b)标么化曲线2 高阶被控对象传递函数求取(1) 求取被控对象传递数的切线法实际应用中,热工被控对象特性大部分都是高阶的,通常采用一个n阶等容惯性环节来近似表征有自平衡能力的被控对象,其传递函数为这个传递函数有三个待定的参数:放大系数K、时间常数T和阶数n。当n1时,等容惯性环节的阶跃响应曲线与二阶惯性环节的阶跃响应曲线类似,响应曲线呈S形状时放大系数K的求取和前面叙说的是一致的。为了确定T和n,通过

44、阶跃响应曲线拐点作切线,根据阶跃曲线图上几个交点的数值,求出T和n。图17高阶对象的阶跃响应特性曲线(切线法)高阶被控对象的阶跃响应曲线如图1-7所示,过拐点A作切线,切线与时间轴及y()水平线相交于B、C两点,可得特征时间参数Tc及值(/Tc=)。由图1-7可得如下关系式: 式中a切线与时间轴的夹角; C(tA)拐点A处的C(t)值。在获得曲线的特性参数Tc和以后,可以通过如下的拟合公式求取被控对象的阶数和时间常数。 用切线法求被控对象的传递函数比较方便,但缺点是切线不容易画准确,确定拐点位置和切线方向时往往带有视觉误差。(2) 求取被控对象传递数的两点法两点法避免了作切线时容易引起的误差。

45、此法是在阶跃响曲线上适当选择两点,然后把这两点的数值代入经验公式,从而确定被控对象的阶数和时间常数。此法仍用前面的方法确定被控对象的放大系数K。图18高阶对象的阶跃响应特性曲线(两点法)在试验获得如图1-8所示的阶跃响应曲线上,求得y(t1)=0.4y()及y(t2)=0.8y()时对应的时间t1、t2后,利用下式求阶数n上式求得之n值不是整数时,应选用与其最接近的整数。求到值n之后,再用下式求时间常数T在实际使用中,两点法比切线法简单易行,不一定要画出响应曲线,只要从试验数据中选项出相应于0.4y()及0.8y()之t1、t2值,即可用上述公式确定n和T。而用切线法进,切线不容易画准确,尤其

46、是当试验所得的曲线不规则时,切线法求得的结果误差较大。3 求取高阶无自平衡能力被调对象传递函数的方法高阶无自平衡能力被控对象传递函数表达式为:式中 T 时间常数; n 阶数 Ta由渐近线所表示的积分的积分环节的积分时间。其阶跃响应曲线如图1-9所示。图19高阶无自平衡能力对象的阶跃响应特性曲线曲线的起始阶段有滞后,最后趋向于一条不断上升的直线,其渐近线与时间交于a点,与纵轴交于-y(0)点。图中虚线y0(t)是积分时间为Ta的积分环节的阶跃响应曲线。(1) 阶数n的求取:求的比值ry(ta)/ y(0),由下列表格查取阶数nn123456r0.3680.2710.2240.1950.1750.

47、161(2) 时间常数T的求取:T= ta/n(3) 时间常数Ta的求取:Ta= (ta/ y(0)*x0式中x0为阶跃扰动的幅度(4) 阶数求取的结果大于6阶时,即r小于1.61时,无自平衡能力的被控对象传递函数可以简化为式中 纯滞后时间,等于ta Ta由渐近线所表示的积分的积分环节的积分时间。第四节 调节器的动态特性所谓调节特性,是指在调节过程中被调量的偏差信号(即调节器输入信号)与调节器输出信号之间的运算关系,这种关系由调节器决定的。火电厂通常采用的有比例、比例一积分、比例积分微分三种调节规律。一 比例调节规律图1-10所示是比例调节器的输出信号和输入信号之间的运算关系,图1-10比例调

48、节器特性其输出信号和输入信号之间的运算关系可用下式来表示: y = Kpx 或 y =(1/)x 式中 y 调节器的输出信号; 调节器的比例带,常以百分数表示, 它与Kp的关系是p =(1/Kp) 100%; Kp调节器的比例系数(比例培益),其数值等于比例带的倒数; x调节器的输入信号。比例调节器输出信号和输入信号是同时变化的,在时间上没有迟延,这种调节器的调节速度较快。比例系数Kp是一个只与调节器内部结构有关的并可进行调节的系数。常用比例带表示比例调节作用的大小。比例带的意义是:调节器输出量的相对变化量和输入量的相对变化量之比的百分数。比例带与比例系数互为倒数。比例调节器是按被调量偏差值的

49、极性和幅值大小成比例地改变调节器的输出,使调节对象最终达到能量或物料的平衡,被调量也能达到稳定值。当负荷变化时,为了建立能量或物料新的平衡关系,调节器的输出信号必须变化,经执行器动作使调节机构的位移变化,被调量最终达到新的稳定值。新的稳定值与原业的稳定值之差,就是比例调节形成的静态偏差,简称静差。静差的大小与比例带的数值有关,比例带大,静差大;比例带小,静差小。用传递函数来表示比例作用的调节器:二 比例积分调节规律比例积分调节规律由比例和积分两种调节规律组合而成。比例调节规律前已述及。所谓积分规律,就是调节器输出信号的变化量和输入信号的偏差及偏差存在的时间乘积的累计值成正比。或者说输出量的变化

50、速度与输入信号的偏差值成正比。所以,只要偏差信号存在,调节器输出的信号的变化率就不会等于零,即输出信号一直变化下去,直到输入信号的偏差消失,输出信号才停止变化,这时调节机构的位置也被确定。可见积分调节作用使被调量的静差得到消除,但调节器输出信号可以达到任何一个稳定值。这是因为比例作用结束后,积分作用使调节器输出信号继续变化,直到偏差消失,调节器输出达到一个新的稳定的值为止。从理论上说,比例积分调节器在输入偏差信号为0时,其输出信号可以为任何值,因此又把积分调节器称为无定式调节器。图1-11比例积分调节器特性在比例积分调节规律中,比例作用快,但不能消除静差。积分作用则是在比例作用后再继续进行调节

51、,故又称比例积分调节器为再调调节器。比例积分调节器的输出是比例部分Yp和积分部分Yi之和,如图1-11所示。由图可知,当输入为阶跃信号时,调节器的输出开始是一个跃变,幅值为Kpx,接着继续上升,当偏差信号消失时,积分作用停止,调节机构也停留在相应的位置上。积分作用的有关参数是积分时间,它是指当积分作用形成的输出达到和比例作用的输出相等时所用的时间。积分时间短,积分作用强;积分时间长,积分作用弱;积分时间取无穷大,则积分作用消失,比例积分调节器就成为纯比例调节器。积分时间对调节过程的影响具有两面性,积分时间短,积分作用强,消除静差快,但将使系统的稳定性降低,有产生振荡的倾向,积分时间越短,振荡的

52、倾向越大,甚至会造成发散振荡。对于滞后时间大的调节对象,其影响尤其明显。所以,使用比例积分调节器时,积分时间要根据对象的特性来选择。滞后时间不大的对象积分时间可选得短些;滞后较大的对象,积分时间可选得长一些。用传递函数来表示比例积分作用的调节器:三 比例积分微分调节规律比例积分调节器的输出是由比例、积分和微分等三种调节作用组合而成的。因此除了兼有前面两种调节规律的特点外,还因为微分调节作用的大小是与被调量偏差的速度成正比的,所以只要被调量有一变化趋势,调节器就能及时动作,这种超前调节作用有助于减小被调量的动态偏差,并能提高调节系统的稳定性。比例积分微分调节器常用于滞后较大的控制对象。比例积分微

53、分调节器的整定参数是:p调节器的比例带;Ti调节器的微分时间;Td调节器的微分增益;Kd调节器的微分增益。具有比例积分调节器的输入信号和输出信号关系如图1-12所示。图1-12比例积分微分调节器特性在比例积分微分调节规律中,微分作用反映了输出信号与输入信号的变化速度有关,输入信号不变化时,微分作用消失。由此可知,微分作用能及时消除对象的物质或能量的不平衡,减小被调量的超调量,从而减弱了被调量的波动。比例积分微分三种调节作用组合在一起,比例带、积分时间、微分时间等数选择适当,就能获得较好的调节质量。比例积分微分调节器的主要参数对调节过程的影响可归纳如下:(1)比例带增加时,比例调节作用减弱,调节

54、过程变慢,比例带减小时,比例调节作用增强,调节过程变快,但系统稳定降低;比例带过小时,调节过程会出现等幅振荡或发散振荡;(2)积分时间长时,积分调节作用弱,积分速度慢,消除静差需要经过较长时间,积分时间短进,积分调节作用强,积分速度快,消除静差快,但可能使调切过程出现振荡;积分时间太短,调节过程将可能变成等幅振荡或发散振荡;(3)微分时间长,微分调节作用强,超调量减小,但容易使系统出现周期较短的等幅振荡。从以主分析可以看出,比例带太小、积分时间太短及微分时间过长,都会引起调节过程振荡,只是振荡周期不同而已。积分时间太短引起的振荡的周期最大;比例带引起的振荡周期较小;微分时间过长引起的振荡周期最

55、小。用传递函数来表示比例积分作用的调节器:第五节 自动调节系统的品质指标一 调节品质指标的确定对任何一个设计并安装完成的自动调节系统,都希望它能具有良好的工作质量。如何来判断一个调节系统的工作好坏呢?最直观的方法是看系统受到扰动作用后,被调量随时间而变化的状况调节过程。因为一个原来处于平衡状态的调节对象,一旦受到扰动作用,被调量就会偏离规定值。这时,要通过自动调节作用才能使被调量重新稳定并回到规定值。这一过程称为调节过程,调节过程可直接反映了调节系统工作的好坏。图1-13几种典型的调节过程曲线(a)是单调变化的非周期过程(b)是有单峰值的非周期过程(c)是衰减振荡过程(d)是等幅振荡过程(e)

56、为扩大振荡发散过程显然,一个调节系统在不同形式和幅度的扰动作用下,其调节过程是不一样的。在实际生产过程中可能遇到的扰动形式是多种多样的,为了比较调节工作品质的好坏,为了分析系统工作品质能否满足生产过程的要求,通常要选定一种最典型的或最经常出现的扰动形式,作为研究调节系统工作品质的标准输入信号。在热工过程自动调节中,最常用的是单位阶跃输入。闭环调节系统在阶跃扰动作用下,被调量的调节过程可能有图1-13所示的几种不同形状。其中(a)、(b)、(c)三种过程中,被调量最后能重新达到平衡。这新的平衡状态的被调量数值,可能就是扰动前的数值,也可能是一个新的数值。具有这种调节过程的系统稳定的。曲线(a)是

57、单调变化的非周期过程。曲线(b)是有单峰值的非周期过程。(c)是衰减振荡过程。(d)是等幅振荡过程。调节系统受扰动作用后不能达到新的平衡,被调量和调节作用都作等幅振荡。这种情况称为“边界稳定”。(e)为扩大振荡发散过程。调节系统受扰动作用后,不但不能达到新的平衡,而且偏差时正时负,振幅越来越大,直到发生破坏作用或受到限幅保护装置的干涉为止。这种调节系统是不稳定的。从生产过程的要求来看,希望自动调节系统能随时被调量和规定值相等,不受任何扰动的影响。实际上调节过程中被调量总是要发生变化,产生偏差。那么怎样来衡量一个调节过程(即调节系统工作品质)的好坏呢?一般从三个方面,即稳定性、准确性和快速性来衡

58、量。1 稳定性调节过程的稳定性是对调节系统最基本的要求。不稳定的系统在生产上是不能采用的。边界稳定的系统一般也符合生产的要求(只有在个别情况下可以允许有振幅不大频率不高的持续荡)。只有稳定的系统才能完成正常的调节任务。在实际生产过程中,不但要求系统是稳定的,而且还要求有一定的“稳定性裕度”,以保证在每次调节过程中振荡次数不致过多(23次)。衰减率是判定调节系统稳定性的主要指标,检验一个调节过程的品质,用衰减率比较形象和直观,也能方便地从响应特性曲线上得到它的数值,如图1-13(c)所示:热工控制对象的调节过程的衰减率通常选择0.75-0.92 准确性准确性是指被调量偏差的大小,它包括动态偏差y

59、m和静态偏差y()(图1-13(c))。动态偏差ym是指调节过程中被调量偏离规定的值的最大偏差值。通常要求调节系统保证被调量的动态偏差,即指使在可能出现的最大扰动作用下,也不超过生产过程所允许的变化范围。静态偏关y()是指调节过程结束后被调量的残余偏差。最大静态偏差往往出现在负荷变动幅度最大的时候(如由满负荷跌到最低负荷)。一般应使最大静态偏差不超过生产所允许的变动范围。但有时为了提高生产设备对变动负荷的适应能力,有意造成静态偏差(即不同负荷下被调量保持不同的稳定值)。3 快速性快速性是指调过程持续时间的长短。一般希望尽可能短,以保证下一次扰动发生之前,这次扰动所引起的调节过程已经结束。不同的

60、生产过程,对这三方面的要求和排列主次地位是不同的,对于一个调节系统同时要求这三方面都达到很高的质量往往是困难的,也是不必要的。一般总是首先满足稳定性要求,再兼顾到准确和快速性。应当指出,对调节系统除了上述三方面基本要求之外,还应使它满足与运行条件有关的其它一些要求,例如有些生产过程对被调量的变化速度有一定限制,有的对调节作用的变化速度(开、关速度)和动作方式有一定限制等等。这些限制条件对调节系统的工作往往有重大的影响。二 :模拟量控制系统试验指标1 投入运行的模拟量控制系统应定期做扰动试验。扰动试验分为内扰试验和外扰试验。除定期试验外,出现下列情况时也应做扰动试验试:(1) 设备大修;(2)

61、控制策略变动;(3) 调节参数有较大修改;(4) 模拟量控制系统发生异常。2 试验前应编写实验措施,经审批后方可执行。实验结束后,应填写试验报告。试验结果如达不到规定的调节品质要求,应分析原因,提出解决对策。3 内扰试验(包括定值扰动)内扰试验应在70%负荷以上进行,扰动量宜为被调介质满量程的10%。调节过程衰减率应在0.70.9,被调节量的峰值不应达到保护动作值(对于主蒸汽压力和负荷控制系统,衰减率应在0.90.95)。4 评价标准:机组主要参数变化范围负荷状态给定负荷变化速率稳态(3%Pe/min)慢速变化(3%Pe/min)快速变化(5%Pe/min)主汽压力Mpa0.30.50.8汽包

62、水位mm254060新蒸汽温度4810在热汽温度51012炉膛压力Pa100200250第六节 阀门和风门挡板的特性试验调节阀特性好坏,是自动调节系统否投入运行的重要条件之一。选用特性较好的调节阀,是自动化的基础工作。调节特性满足要求是自动调节系统投入自动并获得理想调节品质的主要条件。一 试验目的摄取阀门、挡板调节特性,了解漏流量、死行程、调节范围、饱和区、回程差等特性参数,为调试、生产、维修提供直接资料。二 试验方法在相应的工况下,手动操作阀门或挡板的开度,使其单方向地从0开到100,再单方向地从100关到0,同时记录下开度和工质流量信号,并观察其它有关参数的变化。三 对调节阀的要求1 最大流量应满定负荷的需要,并具有一定的裕度,一般要求最大流量是额定流量的1.21.3倍。2 漏流量(阀门完全关闭

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