河南城建学院本科毕业设计（论文） 汽温控制系统的组成与对象动态特性
n0—阶数；
对象惰性区的传递函数可表示为：
W01(S)??1(S)K1? ?2(S)(1?T1S)n1式中：
K1—减温水流量扰动下惰性区温度的放大系数；
T1—为减温水流量扰动下惰性区温度的时间常数；
n1—阶数；
由于惰性区的传递函数无法直接通过实验求出，所以可由实验得到的K2、T2 、
n2和 K0、T0、n0 来求取，计算公式如下：
K1?? K0nT?nT;T1?;n1?K2n0T0?n2T2n0T02?n2T222002222?n0T0?n2T2总的来说，根据对过热蒸汽温度调节对象做阶跃扰动试验得出的动态特性曲线可知，它们均为有延迟的惯性环节，但各自的动态特性参数值有较大的差别。
17
河南城建学院本科毕业设计（论文） 过热汽温控制系统的基本方案
3过热汽温控制系统的基本方案
目前，过热汽温的控制方案很多，而且随着自动控制技术和计算机技术的不断发展，新的控制方法不断出现，汽温控制的质量也不断提高。传统的汽温控制系统有两种：串级汽温控制系统和采用导前微分信号的汽温控制系统。由于过热汽温控制通道的迟延和惯性很大，被调量信号反应慢，因此选择减温器后的汽温作为局部反馈信号，形成了本次设计所采用的串级控制系统。下面将加以介绍。
3.1 串级汽温控制系统
单回路控制系统是各种复杂控制系统的基础，由于其控制简单而得到广泛应用。但随着工业技术的不断更新，生产不断强化，工业生产过程对工业参数提出了越来越严格的要求，并且由于生产过程中各参数间的关系复杂化及控制对象迟延和惯性的增大，都使得单回路控制系统显得无能为力，因而产生了许多新的、较复杂的控制系统，如串级控制、导前微分控制、复合控制、分段控制、多变量控制等。串级控制系统对改善控制品质有独到之处，本节将对其组成、特点及整定进行讨论。
3.2 串级汽温控制系统的基本结构及原理
单元厂过热汽温串级控制系统的结构图3.1所示：
图3.1 过热汽温串级控制系统
18
河南城建学院本科毕业设计（论文） 过热汽温控制系统的基本方案
该汽温串级控制系统中，有主、副两个调节器。由于汽温对象具有较大的延迟和惯性，主调节器多采用PID控制规律，其输入偏差信号为I?0-I?2，输出信号为IT1，副调节器采用PI或P控制规律，接受导前汽温信号I?1和主调节器输出信号IT1，输出为IT2。当过热汽温升高时，I?2增加，主调节器输出IT1减小，副调节器输出IT2减小，减温水量增加，过热汽温下降。在主、副调节器均具有PI控制规律的情况下，当系统达到稳定时，主、副调节器的输入偏差均为零，即：
I?2=I?0；I?1=IT1
由此也可以认为主调节器的输出IT1是导前汽温I?1的给定值。
过热汽温串级控制系统的原理方框图如图3.2所示，具有内外两个回路。内回路由导前汽温变送器、副调节器、执行器、减温水调节阀及减温器组成；外回路由主汽温对象、汽温变送器、主调节器及整个内回路组成。系统中以减温器的喷水作为控制手段，因为减温器离过热器出口较远，且过热器管壁热容较大，主汽温对象的滞后和惯性较大。若采用单回路控制主汽温q1(即将q1作为主信号反馈到调节器PI1,PI1直接去控阀门开度)无法取得满意的控制品质。为此再取一个对减温水量变化反映快的中间温度信号q2作为导前信号，增加一个调节器PI2组成如图3.2所示的串级控制系统。调节器PI2根据q2信号控制减温水阀，如果有某种扰动使汽温q2比q1提早反映（例如：内扰为喷水量W的自发性变化），那么由于PI2的提前动作，扰动引起的q2波动很快消除，从而使主汽温q1基本不受影响。另外，PI2的给定值受调节器PI1的影响，后者根据q1改变q2的给定值，从而保证负荷扰动时，仍能保持X满足要求。可见，串级系统中采用了两级调节器，各有其特殊任务。
图3.2 过热汽温串级控制系统的原理方框图
19
河南城建学院本科毕业设计（论文） 过热汽温控制系统的基本方案
3.3 串级汽温控制系统的设计
为充分发挥串级控制系统的优点，在设计实施控制系统时，还应适当合理的设计主、副回路及选择主、副调节器的控制规律。
1、主、副回路的设计原则
（1）副参数的选择，应使副回路的时间常数小，控制通道短，反应灵敏。通常串级控制系统是被用来克服对象的容积迟延和惯性。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。因此，在设计串级控制系统时，应设法找到一个反应灵敏的副参数，使得干扰在影响主参数之前就得到克服，副回路的这种超前控制作用，必然使控制质量有很大的提高。 （2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰。串级控制系统对进入副回路的扰动有很强的克服能力，为发挥这一特殊作用，在系统设计时，副参数的选择应使得副回路尽可能多的包括一些扰动。但这将与要求副回路控制通道短，反应快相矛盾，应在设计中加以协调。在具体情况下，副回路的范围应当多大，取决于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副回路的范围也不是愈大愈好。太大了，副回路本身的控制性能就差，同时还可能使主回路的控制性能恶化。一般应使副回路的频率比主回路的频率高的多，当副回路的时间常数加在一起超过了主回路时，采用串级控制就没有什么效果了。
（3）主、副对象的时间常数应适当匹配。由于串级系统中主、副回路是两个相互独立又密切相关的回路。如果在某种干扰作用下，主参数的变化进入副回路时，会引起副回路中参数振幅增加，而副参数的变化传到主回路后，又迫使主参数变化幅度增大，如此循环往复，就会使主、副参数长时间大幅度波动，这就是所谓串级系统的“共振现象”。一旦发生了共振系统就失去控制，不仅使系统控制品质恶化，如不及时处理，甚至可能导致生产事故，引起严重后果。为确保串级系统不受共振现象的威胁，一般取
Td1??3~10?Td2 (3.1)
式子中：Td1为主回路的振荡周期；Td2为副回路振荡周期，要满足式子（3.1），除了在副回路设计中加以考虑之外，还与主、副调节器的整定参数有关。 2、主、副调节器的选型
串级控制系统中，主调节器和副调节器的任务不同，对于它们的选型即控制规律的选择也有不同考虑。 （1）副调节器的选型
副调节器的任务是要快速动作以迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并
20