8 章 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定試驗.doc

第八章 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定與試驗第八章 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定與試驗第一節(jié) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)好壞，表示了調(diào)節(jié)系統(tǒng)克服干擾能力的大小。在生產(chǎn)設(shè)備或工藝過程受到干擾作用后，要求被調(diào)量既快又準(zhǔn)地迅速恢復(fù)到給定值，使生產(chǎn)過程按正常工況運行。干擾作用進入調(diào)節(jié)系統(tǒng)的位置、形式、幅值和頻率不同，對被調(diào)量的影響也不同，其過渡過程曲線的變化也不同。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程包括動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程兩部分。因此在討論調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)時，應(yīng)分別對動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程提出質(zhì)量指標(biāo)的要求。一、動態(tài)過程的性能和質(zhì)量指標(biāo)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)過程隊穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性都有要求。其中，穩(wěn)定性是首先要保證的。一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)不僅要穩(wěn)定，還應(yīng)具有一定的穩(wěn)定裕度。準(zhǔn)確性要求在動態(tài)過程中被調(diào)量的偏離值（尤其是最大動態(tài)偏差）保持在運行所容許的范圍內(nèi)?？焖傩詣t要求動態(tài)過程的持續(xù)時間要盡可能短，即要求衰減速度要盡可能快。為了檢驗調(diào)節(jié)過程的質(zhì)量，用衰減率作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性指標(biāo)較為直觀和形象，也容易由過渡過程曲線求出其參數(shù)值。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性通常是不能改變的。系統(tǒng)的穩(wěn)定性可通過調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)來改變。衰減率值確定后，系統(tǒng)過渡過程的形式即被確定后，系統(tǒng)過渡過程的形式即被確定。 y 1 3 2 0 t 圖81 不同衰減率時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)特性圖81是不同值時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。其中，曲線1是1的情況，此時，系統(tǒng)的過渡過程是非周期過程，其穩(wěn)定性最好，但其調(diào)節(jié)作用比較慢，即系統(tǒng)動態(tài)過程的持續(xù)時間比較長，且動態(tài)偏差比較大。因此，從準(zhǔn)確性和快速性來看，曲線1表示的過程不是最好的。加快調(diào)節(jié)作用，可使被調(diào)量的動態(tài)偏差減小，但系統(tǒng)過渡過程振蕩頻繁并且衰減得很慢，其階躍響應(yīng)特性如圖81中曲線2所示，這種調(diào)節(jié)過程也是不能滿意的。這說明衰減率得選擇應(yīng)兼顧穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性三個方面。在熱力過程的調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，通常取的數(shù)值在0.750.9范圍內(nèi)。圖81中曲線3是0.75時的調(diào)節(jié)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，曲線表明系統(tǒng)振蕩11.5次后即基本穩(wěn)定。衰減率的實際值應(yīng)根據(jù)具體被調(diào)對象進行適當(dāng)修改。如在燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，燃料量的調(diào)節(jié)過程不允許頻繁振蕩，則衰減率的取值應(yīng)大一些。而對于允許超調(diào)量大、偏差大的調(diào)節(jié)對象，則的取值可以小些（0.60.7）。二、穩(wěn)態(tài)過程性能和質(zhì)量指標(biāo)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)過程不僅與系統(tǒng)的動態(tài)過程有關(guān)，而且與輸入信號的形式有關(guān)。對于定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)過程的質(zhì)量指標(biāo)一般是以階躍輸入作用下，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時被調(diào)量與給定值之間的偏差值（見圖82）來衡量。這種偏差稱為靜態(tài)偏差。通常以生產(chǎn)過程中被調(diào)量所允許的最大偏差作為限制性指標(biāo)。調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)保證被調(diào)量應(yīng)保證被調(diào)量在可能出現(xiàn)的最大擾動作用時所產(chǎn)生的靜態(tài)偏差小于，即 式中 被調(diào)量的靜態(tài)偏差； 系統(tǒng)作階躍擾動試驗時的最大擾動量；生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的最大擾動量。 x 0 t y 0 t 圖82 階躍輸入時被調(diào)量的靜態(tài)偏差對于隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其靜態(tài)過程的質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)根據(jù)輸入信號(即給定值)的變化形式而定。它可能是靜態(tài)偏差方面的要求，也可能還要附加動態(tài)時被調(diào)量與給定值之間的速度偏差和加速度偏差等方面的要求?？傊?，在隨動系統(tǒng)中，應(yīng)保證靜態(tài)參數(shù)（靜差、速度、加速度等）與輸入作用的狀態(tài)參數(shù)之間的偏差在允許范圍之內(nèi)。為了便于分析和判斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)，現(xiàn)將從現(xiàn)場實踐中作中總結(jié)的一套口訣摘錄如下，可供借鑒：整定參數(shù)尋最佳，由大到小逐步查；先調(diào)比例后積分，微分作用最后加：曲線振蕩鋸齒形，比例刻毒要增大；曲線飄浮繞大彎，比例刻度向小減； 曲線偏離回復(fù)慢，積分時間向小減； 曲線往返波動大，積分時間再增大； 曲線振蕩很頻繁，微分時間要加長； 曲線上下有偏差，微分時間是太大； 理想曲線兩個波，調(diào)節(jié)質(zhì)量為最佳。有關(guān)對調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求，在部頒熱工儀表及控制裝置檢修運行規(guī)程(試行)的第四篇中有明確的要求，實際工作中應(yīng)認(rèn)真貫徹執(zhí)行。第二節(jié) 調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性測試調(diào)節(jié)對象是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，不同的調(diào)節(jié)對象需要采用不同的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。某些特殊的調(diào)節(jié)對象則要求采用復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。分析調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性對設(shè)計人員和調(diào)試人員來說是非常必要的。 調(diào)節(jié)對象是一些復(fù)雜的設(shè)備和系統(tǒng)，輸入量較多，很難用數(shù)學(xué)方法直接求出其動態(tài)特性，一般用試驗方法進行測試。對現(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)(或曲線)進行適當(dāng)?shù)臄?shù)字處理，即可求出調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性。進行動態(tài)特性測試工作，首先應(yīng)明確以下幾個有關(guān)問題： (1)輸入量和輸出量的確定。根據(jù)被調(diào)對象在生產(chǎn)過程中所起的作用及其在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所處的地位來確定其相應(yīng)的輸入量和輸出量。如汽包用來進行汽水分離并穩(wěn)定主汽壓力，取汽包水位信號作為給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號，取汽包壓力信號作為壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號。影響調(diào)節(jié)對象輸出信號的因素不是單一的。例如，引起汽包水位變化的因素有主蒸汽流量、給水流量、排污量、燃料量等，其中任何一個因素的改變都可以作為調(diào)節(jié)對象的輸入信號，其中給水量和燃料量變化所引起的擾動稱為基本擾動(或內(nèi)部擾動)，基本擾動在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中起決定性作用。不屬于閉環(huán)系統(tǒng)范圍內(nèi)的擾動稱為外部擾動。外部擾動也會引起被調(diào)量變化。負(fù)荷變化是引起汽包壓力變化的最重要、最經(jīng)常的外部擾動作用；蒸汽流量變化或汽輪機調(diào)節(jié)汽門開度變化是給水調(diào)節(jié)系統(tǒng)的外部擾動。(2)擾動信號的形式。擾動信號可以采用階躍信號或矩行脈沖信號。采用階躍信號得到的響應(yīng)曲線稱作階躍響應(yīng)曲線(或飛升曲線)。當(dāng)受到運行條件的限制，不可能獲取完整的階躍響應(yīng)曲線時，可采用矩形脈沖擾動試驗，再將脈沖響應(yīng)曲線變換為階躍響應(yīng)曲線。下面介紹在現(xiàn)場求取調(diào)節(jié)對象特性的試驗方法。1.求取階躍響應(yīng)曲線的現(xiàn)場試驗方法 從原理來講，階躍響應(yīng)試驗容易實現(xiàn)，但在實際操作時卻經(jīng)常遇到不少具體困難。這是因為，生產(chǎn)過程是連續(xù)進行的，不可預(yù)測的擾動作用時有發(fā)生。試驗還受設(shè)備及運行條件的限制，擾動量大了，輸出信號將接近或超過允許范圍，稍有疏忽又會受到自動保護裝置的干與，甚致造成事故。所以在試驗前要做好準(zhǔn)備工作，制定試驗方案和安全措施。(1)試驗前應(yīng)將調(diào)節(jié)對象的運行工況調(diào)整到要求的初始條件。作上升曲線時，被調(diào)量的初始值應(yīng)穩(wěn)定在其允許變動范圍的下限值；作下降曲線時，被調(diào)量的初始值應(yīng)穩(wěn)定在其允許變動范圍的上限值。(2)進行擾動前，應(yīng)保持系統(tǒng)處于穩(wěn)定工況，各有關(guān)參數(shù)應(yīng)基本穩(wěn)定不變。(3)在穩(wěn)定工況下迅速進行擾動，擾動量應(yīng)足夠大（一般為額定負(fù)荷時的10%15%)，并記錄擾動時刻及輸入、輸出信號的數(shù)據(jù)，(尤其是被調(diào)量變化的起始階段和接近穩(wěn)態(tài)的階段)，還應(yīng)記錄主要參數(shù)及與試驗有關(guān)的參數(shù)，供分析試驗結(jié)果時使用。記錄方式可采用多筆記錄儀或利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。若采用曲線記錄儀，還應(yīng)將每個通道接入的信號及標(biāo)尺預(yù)先設(shè)置好。 (4)試驗過程中，除確定的輸入量作一次階躍擾動外，應(yīng)防止其它干擾作用的發(fā)生，盡量避免一切影響運行工況的操作，并保持外部負(fù)荷穩(wěn)定。每項試驗應(yīng)在相同條件下重復(fù)進行，至少應(yīng)作出兩條基本相同的曲線，以排除隨機性干擾的影響。 (5)調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性與負(fù)荷有關(guān)，所以試驗應(yīng)分別在最小負(fù)荷、最大負(fù)荷、中間負(fù)荷三種工況下進行，分別取得幾條試驗曲線，以便在系統(tǒng)參數(shù)整定時，考慮到最不利的情況，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可靠性。 (6)試驗應(yīng)分別在正、負(fù)階躍擾動下進行，以求取被調(diào)量在上升和下降情況下，調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性。在進行分析計算時取上升和下降兩組參數(shù)的平均值，或者分別進行分析。 (7)利用試驗獲得的階躍響應(yīng)曲線，可求出動態(tài)特性的有關(guān)參數(shù)：放大系數(shù)、飛升速度、自平衡率、時間常數(shù)和遲延時間等。2.矩形脈沖擾動試驗方法 在進行階躍擾動時，當(dāng)被調(diào)量上升(或下降)到將要超出允許變化范圍，但還未出現(xiàn)參數(shù)穩(wěn)定的趨勢時，應(yīng)立即“停止”擾動，使調(diào)節(jié)機構(gòu)恢復(fù)到擾動前的位置，這就是矩形脈沖的擾動試驗，記錄數(shù)據(jù)的工作應(yīng)從擾動開始，直至參數(shù)穩(wěn)定為止。利用疊加原理可以將脈沖響應(yīng)曲線變換為階躍反應(yīng)曲線，如圖，8-3所示。其變換方法是把脈沖響應(yīng)曲線劃分為兩個方向相反的階躍反應(yīng)曲線(兩條曲線的起始時間之差為矩形脈沖的寬度T)。圖8-3(a)是自平衡對象的特性曲線; 圖8-3(b)是無自平衡對象的特性曲線。圖中y(t)是脈沖響應(yīng)曲線，y是階躍響應(yīng)曲線。 (a) (b) 圖83 由脈沖響應(yīng)曲線求取階躍響應(yīng)曲線 （a）有自平衡對象 （b）無自平衡對象由圖8-3可知，對于有自平衡對象，其階躍響應(yīng)曲線最終能達(dá)到一個新的穩(wěn)定值；其脈沖響應(yīng)曲線最終則完全恢復(fù)到初始情況。無自平衡對象的階躍響應(yīng)曲線始終不能穩(wěn)定下來，而是按一定速率一直變化；其脈沖響應(yīng)曲線最終不能回到初始情況，被調(diào)量存在靜態(tài)偏差。這說明自平衡對象和無自平衡對象具有完全不同的動態(tài)特性。在進行脈沖擾動試驗時，如果擾動量沒有恢復(fù)到初始值，或者測量儀器有誤差，將使試驗結(jié)果有一定偏差，則有可能將自平衡對象誤認(rèn)可為無自平衡對象。所以進行脈沖擾動試驗時，應(yīng)合理選擇擾動信號的幅度和寬度，以得到滿意的響應(yīng)曲線。一般取脈沖幅值為額定負(fù)荷時的2030。脈沖寬度T的選擇要考慮對象的滯后和慣性，使被調(diào)量的幅度有明顯的變化。T過小，響應(yīng)曲線的峰值過小，不明顯，降低了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性；T過大，有可能使被調(diào)量超出允許變化范圍。 3.調(diào)節(jié)閥門的特性試驗 調(diào)節(jié)閥特性好壞是自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)能否投入正常運行的重要條件之一。選用特性較好的調(diào)節(jié)閥門是自動化的基礎(chǔ)工作。在熱工儀表及控制裝置檢修運行規(guī)程中，明確要求“在鍋爐每次大修后檢修過的和新投入使用的調(diào)節(jié)閥門都應(yīng)當(dāng)進行試驗”，對其質(zhì)量要求是： (1)最大流量應(yīng)滿足額定負(fù)荷的需要，并具有1030的裕度。(2)漏流量(閥門完全關(guān)閉后的流量)一般應(yīng)小于額定流量的10。 (3)變差流量(按開啟和關(guān)閉兩個方向操作到同一開度時流量的差值)應(yīng)小于額定流量的23。 (4)死行程應(yīng)小于全行程的5。流量變化的飽和區(qū)應(yīng)在開度范圍的85以上。(5)在有效行程內(nèi)，流量變化率隨閥門開度的變化應(yīng)比較均勻。 調(diào)節(jié)閥門的特性與閥門的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)場運行條件有關(guān)，所以閥門特性應(yīng)通過現(xiàn)場試驗求取，試驗方法及注意事項如下：(1)試驗時應(yīng)按開啟和關(guān)閉兩個方向進行，當(dāng)進行開啟試驗時，每次操作應(yīng)迅速準(zhǔn)確地達(dá)到測試點的開度，中途不允許有關(guān)閉的操作；當(dāng)進行關(guān)閉試驗時，每次操作也應(yīng)準(zhǔn)確地達(dá)到測試點的開度，中途不允許有開啟的操作。開啟和關(guān)閉兩個方向的試驗都應(yīng)全部進行，以取得完整的數(shù)據(jù)。 (2)試驗時要求主設(shè)備的負(fù)荷及運行工況穩(wěn)定。進行給水調(diào)節(jié)閥門特性試驗時，應(yīng)保持給水壓力和汽包壓力穩(wěn)定。(3)試驗時必須將所有的旁路閥門全部關(guān)死，而所有串聯(lián)的閥門則必須全部開啟(包括電動閥門和手動閥門)。 (4)試驗過程中，操作應(yīng)迅速、準(zhǔn)確，一步到位。在條件具備時，全部試驗工作應(yīng)集中力量一次完成。(5)為確保安全，在進行開啟試驗前，應(yīng)使被調(diào)量保持在較低的數(shù)值；進行關(guān)閉方向的試驗時，應(yīng)使被調(diào)量保持在較高的初始值(調(diào)節(jié)閥門安裝在對象的流人側(cè))。 第三節(jié) 單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定方法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定就是根據(jù)調(diào)節(jié)對象調(diào)節(jié)通道的特性確定調(diào)節(jié)器參數(shù)，以使調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足生產(chǎn)過程的要求。調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定首先要保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。不同的穩(wěn)定裕度，有不同的整定方法。工程技術(shù)中廣泛采用的衰減率是衡量系統(tǒng)的過渡過程具有的穩(wěn)定裕度的參數(shù)。但是，具有相同衰減率的過渡過程的質(zhì)量并不一定相同。因此，對于有兩個以上整定參數(shù)的調(diào)節(jié)器來說，在滿足相同衰減率的條件下，其整定參數(shù)的組合會有無窮多組。這就需要按照工藝要求提出的附加條件進行整定計算，或通過現(xiàn)場調(diào)試解決，使調(diào)節(jié)系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性的要求。用現(xiàn)場試驗方法求取的調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性參數(shù)，通常僅作為整定計算的參考，因為在整理試驗數(shù)據(jù)時，都是近似地將調(diào)節(jié)系統(tǒng)和各元件作為線性環(huán)節(jié)。同時在整定計算中，對調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律也進行了簡化，并將其視為理想調(diào)節(jié)器。因此，各種計算結(jié)果是近似的。所以，在整定過程中不必過分追求準(zhǔn)確性。下面介紹幾種工程整定方法。一、臨界比例帶法 這種方法是以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的邊界穩(wěn)定條件為前提，先用純比例作用試驗求出臨界比例帶，然后整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。其具體方法如下：先將積分時間置最大，微分時間置最小，比例帶置較大數(shù)值，此時調(diào)節(jié)器為純比例作用。將系統(tǒng)投入閉環(huán)，比例帶由大到小逐漸調(diào)整，觀察調(diào)節(jié)器輸出信號和被調(diào)量的變化情況。如果調(diào)節(jié)過程呈衰減振蕩，則應(yīng)使比例帶繼續(xù)減小；如果調(diào)節(jié)過程呈發(fā)散振蕩，則應(yīng)使比例帶增大。直到調(diào)節(jié)過程呈等幅振蕩為止，此時的比例帶稱為臨界比例帶(記為)。根據(jù)被調(diào)量隨時間波動的記錄曲線求出被調(diào)量的波動周期(稱為臨界周期，記為)。采用下列經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器的比例帶和振蕩周期對于P調(diào)節(jié)器，取 對于PI調(diào)節(jié)器，取 對于PID調(diào)節(jié)器，取以上計算結(jié)果只能作為參考，在系統(tǒng)投人閉環(huán)運行后還需作適當(dāng)修正。多數(shù)調(diào)節(jié)對象允許進行邊界穩(wěn)定試驗。因為在試驗過程中，雖然是等幅振蕩，但振幅較小，并且振蕩周期比較長(一般了)。這種試驗方法簡單，容易掌握，所以應(yīng)用較廣。當(dāng)調(diào)節(jié)對象的慣性和遲延很小，使臨界比例帶很小時，或生產(chǎn)過程不允許呈等幅振蕩和增幅振蕩的情況下，則不宜采用。二、飛升曲線法和脈沖曲線法 (一)飛升曲線法調(diào)節(jié)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)下，調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)運行，就地或遠(yuǎn)方操作，使調(diào)節(jié)機構(gòu)產(chǎn)生階躍擾動。用快速記錄儀同時記錄下擾動量大小和被調(diào)量隨時間的變化曲線，依據(jù)該曲線可求出調(diào)節(jié)對象的特性參數(shù)：飛升速度()、自平衡率()，飛升過程的遲延時間()或另一組參數(shù)：系統(tǒng)的放大系數(shù)()、過程時間常數(shù)()以及飛升過程的遲延時間()對衰減比為4：1(即衰減率為0.75)的調(diào)節(jié)過程，調(diào)節(jié)器參數(shù)可參考以下經(jīng)驗公式整定：對于P調(diào)節(jié)器，取 或 對于PI調(diào)節(jié)器，取 或 對于PID調(diào)節(jié)器，取 或(二)脈沖特性曲線法這種方法的擾動信號是一個矩形脈沖。具體操作方法是：在調(diào)節(jié)對象處于穩(wěn)定狀態(tài)時，改變調(diào)節(jié)機構(gòu)位置產(chǎn)生一階躍擾動，當(dāng)被調(diào)量變化到一定值時，再使調(diào)節(jié)機構(gòu)迅速恢復(fù)到最初的位置，記錄擾動信號和被調(diào)量的變化過程曲線，便可得到脈沖特性曲線。將脈沖特性曲線用疊加原理變換成飛升曲線，即可求出系統(tǒng)的、和(或K、T和)，并用經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的有關(guān)參數(shù)值。 (三)經(jīng)驗法經(jīng)驗法即通過試湊，實現(xiàn)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定的方法。其操作方法是，首先確定調(diào)節(jié)器的作用規(guī)律及有關(guān)參數(shù)的大致范圍。然后，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，根據(jù)被調(diào)量的記錄曲線調(diào)整參數(shù)，直到滿意為止。對于不同的調(diào)節(jié)對象，其過渡過程不同，調(diào)節(jié)器參數(shù)