反向特性
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
H (s) (K2 K1T2 )s K1 K1(T0s 1)
D(s)
s(T2s 1)
s(T2s 1)
T0
K2 K1
T2
对象为非最小相位（存在位于复平面右半平面的零 点）的条件为
T0
K2 K1
T2
0
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(1)汽包水位的单冲量控制
第十五章 典型工业过程控制系统
15.1 锅炉设备的控制 15.2 传热设备的控制 15.3 加热炉燃烧过程控制 15.4 流体输送设备的控制
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15.1 锅炉设备的控制
锅炉是发电、炼油、化工等工业部门的重 要能源、热源动力设备。锅炉种类很多，按所 用燃料分类，有燃煤锅炉、燃油锅炉、燃气锅 炉，还有利用残渣、残油、释放气等为燃料的 锅炉。
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1)燃烧过程的任务 和被控变量、操纵变量
❖控制任务： 锅炉蒸汽出口压力稳定；燃烧过程的经济 运行；锅炉炉膛负压稳定。
❖被控变量： 蒸汽出口压力；燃料量与送风量比值；炉 膛负压。
❖操纵变量： 燃料量；送风量；抽风量。
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2)燃烧过程的控制
方案一：串级-比值控制系统
该方案包括以蒸汽压力为主被 控变量、燃料量为副被控变量 组成的串级控制系统；以及燃 料量为主动量、空气量为从动 量的比值控制系统。
三冲量控制系统的简化连接
水
蒸
给
位
汽
水
C2
∑
C1
C3
LC
水
蒸
给
位
汽
水
LC
C2
∑
C1
C3
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只采用一个控制器
15.1.2 锅炉燃烧系统的控制
锅炉燃烧控制系统与燃料的种类、燃烧设备以及 锅炉形式有关，以下以燃油锅炉燃烧控制系统为例。 1）燃烧控制的任务
是使燃料燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需求， 同时保证锅炉的经济、安全运行。第一，为适应蒸汽负 荷的变化，应及时调整燃料量；第二，为完全燃烧，应 控制燃料量与空气量的比值，使过剩空气系数满足要求； 第三，为防止燃烧过程中火焰或烟气外喷，应控制炉膛 负压。这三项控制任务相互影响，应消除或削弱它们的 关联。此外，从安全考虑，需设置防喷嘴背压过低的回 火和防喷嘴背压过高的脱火措施。
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锅炉设备的工艺流程
负荷设备 调节阀
D
过热蒸汽送 负荷设备
PM 减温器
汽
包
炉墙
热空气 燃料
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炉 膛
燃料嘴
过热器
省 煤 器
热空气 送往炉膛
空气预热器
给水
冷空气 烟气
(经引风机送往烟囱)
锅炉
❖ 由两大部分组成：第一部分为燃烧系统，由送风机、 空气预热器、燃料系统、燃烧室、烟道、除尘器和引 风机等组成；第二部分为蒸汽发生系统，由给水系统、 省煤器、汽包和过热器等组成。
汽 包
省 煤 器
给 水
蒸汽 PF
LC ∑
PC
C1PC +C2PF+C0
前馈补偿原理：假设
调节阀为气关阀， C1=1，则调节器为正 作用，而C2应取负号， 具体数值可现场调整
或根据阀门特性计算 其初始值。
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双冲量控制系统（本质：前馈-反馈控制系统）
双冲量控制的特点
❖双冲量控制系统考虑了蒸汽流量扰动对汽包水 位的影响，但对给水流量扰动的影响未加考虑， 因此适用于给水流量波动较小的场合。
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(2) 汽包水位的双冲量控制
汽包水位的主要干扰是
ห้องสมุดไป่ตู้
蒸汽
蒸汽流量的变化。双冲
PF 量水位控制系统利用蒸
汽 包
LC ∑ 汽流量变化信号对给水
PC
量进行补偿控制，从而
省 煤 器
给 水
C1PC +C2PF+C0
不仅可以消除或减小虚 假水位现象对汽包水位 的影响，而且使给水控 制阀的调节更及时。
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汽包水位的双冲量控制
该方案能够确保燃料量与空气 量的比值关系，当燃料量变化 时，空气量能够跟踪燃料量变 化，但是送入的空气量滞后于 燃料量的变化。
燃烧控制方案二：串级-串级控制系统
❖ 工作时，燃料和空气按一定比例进入炉膛燃烧，燃烧 释放的热量通过蒸汽发生系统产生饱和蒸汽，再经过 过热器将饱和蒸汽加热成满足一定质量(温度、压力) 指标的过热蒸汽输出，供给生产负荷设备使用。与此 同时，燃烧过程中产生的高温烟气经过过热器，将饱 和蒸汽加热成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉给水， 再经过空气预热器预热锅炉送风，最后经引风机送往 烟囱排入大气，每经过一个环节，烟气的温度都会有 所降低，使燃料燃烧热量得到充分利用。
Ht H1
t H
H1 H
τ t
传递函数表达？
1）汽包水位的对象特性
干扰通道特性 蒸汽流量扰动下汽包 水位的阶跃响应曲线
D
控制通道特性 给水流量扰动下汽包 水位的阶跃响应曲线
G
t
H
H2
H0
Ht
H1
H (s) K1 K2 D(s) s T2s 1
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t H
H1 H
τ t
H (s) K0 e s G(s) s
蒸汽负荷（蒸汽流量），用D (s)表示 ❖ 其它扰动：
给水方面的扰动；燃料量的扰动；汽包压力变 化 ❖ 通道对象： 非自衡、反向特性、非线性等特性
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1）汽包水位的对象特性
干扰通道特性 蒸汽流量扰动下汽包 水位的阶跃响应曲线
D
控制通道特性 给水流量扰动下汽包 水位的阶跃响应曲线
G
H H0
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t H2
汽 包
省 煤 器
给 水
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蒸汽
LC
单回路控制系统
单冲量汽包水位控制系统的特点
❖ 结构简单，投资少 ❖ 适用于汽包容量较大，虚假水位不严重，负荷
较平稳的场合 ❖ 为安全运行，可设置水位报警和联锁控制系统
缺点： 由于存在虚假水位的反向特性，当负荷变
化比较大时，会造成控制器输出误动作，影响 控制系统的控制品质。此外，由于蒸汽负荷变 化后，要在引起水位变化后才改变给水量，因 此，控制不及时。
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锅炉设备的控制问题
负 荷
给水量 减温水 燃料量 送风量 引风量
锅炉设备
水位 蒸汽温度 蒸汽压力 过剩空气 炉膛负压
主要控制系统：（1）锅炉汽包水位的控制；
（2）锅炉燃烧系统的控制；
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（3）过热蒸汽系统的控制。
15.1.1 锅炉汽包水位的控制
❖被控变量：汽包水位，用H (s)表示 ❖控制变量：汽包给水量流量，用G (s)表示 ❖ 主要干扰：
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(3)汽包水位的三冲量控制
汽包水位是主被控参数，也称主冲量；给水流量
为副被控参数，蒸汽流量是前馈补偿的主要扰动，给 水流量与蒸汽流量也称为辅助冲量。它实际上是一个 前馈-串级复合控制系统。
蒸汽
水
蒸
给
位
汽
水
PF
汽
LC ∑
包
PC
LC PC
PF
∑
省 煤
FC
C1PC +C2PF+C0
器
FC
给水
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