第3章 串级调节系统

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1、第3章串级调节系统第3章串级调节系统第一章串级调节系统 3-1概述、单回路反馈调节系统的特点1、调节过程x v r 环M 披口（$）t显然，调节器W(s)动作明显迟后于，的变化，即不能及时 消除干扰对被调量曲影响，造成/变化较大。W)W (s)是根据对象W (s)来整定的，而热工对象一般是惯性大,、阶次高，为保证系统稳定，W.(s)的动作必须缓慢，造成调二、改进途径从上述分析可看出，造成这种缺陷的原因有两个：1) W (s)可控性差(如惯性大)2) 系统结构不为最佳针对上述原因，加以改进：1) 对于外扰，设法设计一个装置W (s)以及时消除因扰动而产生的Vy = W(s)x + W (s)W

2、(s)x = 0W (S)。叫(s)= Wwo2) 尽量取得一些比被调量提前反映扰动的辅助信号，那么调节器就 能提前动作，有效的限制被调量的动态偏差。3) 若能改善调节作用下对象的动态特性，则无疑会改善调节变量。根据这些改进思想，电厂热工过程自动调节中常用到串级 调节系统，采用导前微分信号的系统，前馈-反馈调节系统和 多变量调节系统等。一、1、3-2串级调节系统 串级调节系统的结构 实例蒸汽口低过喷水减温高过99A单回路调节系统只有在9变化后，PI才会动作，因而减温水阀才动作。由 于过热器惯性大，9动态偏差大1B串级调节系统（加上测量元件崩）添加一个控制中间信号（2 , 一个调节器，只要6发生

3、变化，执行机构就能动作。222、串级系统方框图A定义：调节系统有两个调节回路，并且两个调节器串联工作。B几个名词：1）导前区和惰性区：调节对象中间点参数,以前的部分，称为调节对象的导前区，y以篇的部分称为调节对象的 惰性区。“2）主、副参数：整个调节对象的被调量称为主参数，导前区的被调量y称为副参数，也裱中间点或辅助参数。3）主、副调节器：根据主参数与给定值的偏差而动作的调节器为主调节器，以主调节器的输出为给定值，并根据副 参数与给定值的偏差而动作的调节器为副调节 器。4）主、副回路：副回路或内回路，随动回路主回路3、率从副需控嚣震看，串级系统有两类：1）要求/ .均等与给定值。对于这种情况，

4、y只能由生产过程要求确定，而主、副调 节器均应选择PI，以使稳态时，y，y均等于给定值。2）y 1等与给定值，亍a不加限制。1如汽温调节系统：y选择能提前反应较多的扰动a 能测量副调节器：选P或PD,以尽快消除内回路扰动；主调节器：选PI或PID,保证y ya。4、主、副回路的选择原则1）副回路应该把生产系统的主要干扰包括在内，应力求把变化幅度最大、最剧烈和最频繁的干扰包括在副回路内，以充分发挥副 回路改善系统动态特性的作用，保证主参数的稳定。2）选择副回路时，应力求把尽量多的干扰包括进去，以尽量减少它们对主参数的影响，提高系统抗干扰能力。3）主副对象的时间常数应适当匹配，原则是两者相差大一些

5、，效果好。5、主副回路调节器调节规律的选择原则1）主参数控制质量要求不十分严格，同时在对副参数的要求也不 高的情况下，为使两者兼顾而采用串级控制方式时，主副调节 器均可采用比例控制。2）要求主参数波动范围很小，且不允许有静差，此时副调节器可采用比例调节，主调节器采用？13）主参数要求高，副参数也有一定要求时，主副调节器均采用PI二、串级系统分析分析它的抗干扰能力和跟踪能力如对于下图系统，y若定值r经常变化，而系统要求y跟着r变化，可看作是随动系统。这时y - r越快越好，即黑 一 1，跟踪能力好，如内回路。若r不变，系统的目的使维持y = r那若u扰动，看作是定值系统，常希望系统的抗干扰能力强

6、即祟-0，如串级u (s)系统外回路。不同的扰动，串级系统的调节效果是不同的。1.副回路内的扰动U21)串级系统能有效抑制副回路的扰动u 2W 2(s) = K 2,W2(s) = r2y (s)=町(S)u (s)1 + K rW (s) 2，p 2 2 o 2W (s)可整定的较大。显然m K u rW (s)的静态放大系数小 p 2 2 o 2假定一般情况K于Wu2(s)的静态放大系数，即由于副回路的存在减小了 u2对y 的影响。由于副回路地存在，当u 2扰动时，y的变化会在很短时间内达到平衡。2)串级系统可以看作是改善了调节对象动态特性的单回路调节系统， 提高了调节品质。若无副回路：调

7、节对象Wo( s) = Wo1( s Wo 2( s)右珂曰畋 竺滴部务W (s) =W2(叫2()W (s)有副回路：等效对象 ei1 + W 2(s)W2(s)W2(s) oi /因此，副回路相当于改变了导前区的动态特性：a在主回路工作时，副回路是作为随动系统参与的；b如果Wo2(s)比起Woi(s)惯性和延迟均很小，则副回路相对于主回路而言，可看作是快速随动系统。即.r，又= W （s）ya aa H 2 a(S) ya = raraW 2( s)副回路可等效为 y =a故串级系统的等效框图为2、副回路外的扰动u1当扰动发生在副回路外时，尽管它不能直接削弱ui对y的 影响。但由于副回路改

8、善了对象动态特性，即把匕2（S）- W，所以串级系统比单回路系统而言，y的动H 2态偏差要小，调节过程要短。但要注意，对象特性改善的程度不是很大，很多惯性很大的汽温控制，控制品质不尽人意。3、结论A）副回路作为随动系统参与主回路工作，若导前区的延迟，惯性和整个对象相比小得多，则副回路为快速随动系统B)副回路的存在改善对象导前区的动态特性，提高了对发生在副回路的扰动的抑制力，也提高了主回路的控制性能三、串级系统的整定单回路整定据闭环特征方程式1 + Wq (s )Wo (s) = 1、一般方法A主调节器整定串级闭环系统特征方程式：1 + W (s)匚 2( s )Wo 2( s)W (s )W

9、(s)= 0Q1 1 + W (s )W (s )W (s) 。1H11 + WJ s )w s )Wh 1( s) = 0(A)注意Ws)中包含了副调节器W2(s)B副调节器的整定系统特征方程为：1 + W 2 (s)、2 (s)叫2 (s) + W (s WH1 (s)W 1 (s) = 01 + W2( s )W 2( s) = 0(B)注意W2(s)中包含了主调节器W 1(s)步骤：(逐步逼近法)据A据B叫冏一叫1一吃1一叱冲）一叱川）这种方法比较繁琐，介绍两种简单方法。2、两种简化整定方法工程上在合理的假定下，往往会使问题大大简化1）当副回路的调节过程比主回路快得多时这时，当副回路受

10、到扰动时，会立即消除，基本上不影响主回路， 而当主回路调节时，副回路为快速随动系统，即可将副回路看成是一 个比例环节。这时，两回路可单独整定副回路这里有两个问题需要交代: 能独立整定的条件o1o 2a y的选择：使w (s)延迟和惯性远小于W (s)W (s) ao2一W (s) = k_ o 2(1+ TS ) n22w (s) = W1(s)W 2(s)=k 0 (1+ TS ) n0枇履生质令。2 2w , n T 3n T快得多的含乂： 210 02 2b取wa2(s)为比例调节器，wai(s)为PI调节器，使副回路衰减振荡频 率较高。c整定指标副回路：调节过程快一些，稳定性差一些W

11、0.9一般来说，如果主回路的衰减振荡频率3和副回路的频率 1满足3 23 ,n T 3n T 则可用此法整定3满足 210 02 2，则可用此亿垂定。关于主回路调节器整定时用到的对象W (s)。1对于热工对象W (s),W2(s)可用试验方法得到，但W 1(s)无法 用实验得到，必须计算w (s) W (s)W (s) k0_(1+70S) 0W ( S ) k2-2(1+ TS )n22k0W (s) - - (1+ 罕)n。_。1W (s)k(1+ TS)n1”(1+ TS) n212利用技术展开及除法，可近似用We-优来整定 0小kk _0_i k2n T 2 - n T 2T 0 02

12、 21 n T - n T0 02 2(n T - n T )2n 00221 n T 2 - n T 2 0022当也2必nT 3nT时，可将串级系统简化为两个单回路系统 来整定。2) 主副回路动作快慢差不多时这种情况就不能用上述方法整定，下面介绍另一种方法-补偿法步骤：a将串级系统图做等价变换b等效调节器：匕(S)-匕(S叫2(S)c等效对象：七(s)的等效对象为W (s) = W (s)W (s) + %2?)/ oe o 2。1 W (s )W (s)d选择Wfli(s)构造一个动态特性较好的Woe (s)-补偿法的概念e据w(s)整定w (s)的参数，并求出W2(s)该方法的优点是不

13、必考虑主副回路互相影响，并能使系统有足够的稳定性的裕量。3、串级系统的工程整定方法这种方法适用于主副回路频率相差较大的情况、11) 整定副调节器W. 2( S)=-2 11a主副调节器投入闭环，设置匕(s)=脖(1+示+ Td 1S), 1Z18 =100%,T = 8 ,T =0副调节器的8较大 2b 82 J，使副回路产生等幅振荡，记下8 kp2c 8 = 28c 1 kp22) 整定匕(s)a将8设置好 2b 设置 8 = 100%,= 8,T = 0C闭合主副回路，81 J使主回路等幅振荡，记下8/ d用临界比例带法求出81,Ta,Tdle将主副调节器均设置好，投入闭环，观察调节过程，

14、适当修改参数。 3-3过热汽温串级系统控制系统一、过热汽温控制的任务过热汽温控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度 在允许 的范围内，并保护过热器，使其管壁温度不超过允许的工作温 度。过热汽温过高：管壁金属强度下降，烧坏高温段，严重影响安全；过热汽温是汽水系统中的最高点。540+5。过低：1）降低全厂效率：温度下降sr-ior，效率下降1%2）使汽机尾部蒸汽温度升高，使汽机叶片遭受 损失，影响汽机安全。二、过热汽温调节对象的动态特性引起过热汽温变化的因素很多，归纳起来为：蒸汽流量D 给水温度七 喷水量D,喷水温度气 过热器吸热量Q给水量 主要归纳为：0 = f （D, Dps, Q）1蒸汽负荷扰动下汽温对象的动态特性1）对流受热面：D T B个,V个，流过对流过热器的烟温和烟量f对流过热器出口温度T2）辐射受热面：DT炉膛温度上升不多辐射过热器吸