一般來(lái)說(shuō)，火電廠高加和低加系統(tǒng)都采用單回路調(diào)節(jié)，通常選用單回路PID調(diào)節(jié)器。在不考慮系統(tǒng)耦合的情況下，它們是火電廠最簡(jiǎn)單的自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)了。調(diào)節(jié)原理框圖如1所示。
圖1 單回路調(diào)節(jié)原理框圖
20世紀(jì)90年代以前，國(guó)內(nèi)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)都采用單元組合式儀表，也就是說(shuō)有比例調(diào)節(jié)器，有積分調(diào)節(jié)器。如果使用無(wú)差調(diào)節(jié)的話，需要使用兩個(gè)調(diào)節(jié)器：比例和積分調(diào)節(jié)器。這種情況下，盡可能使用少的調(diào)節(jié)功能就比較重要。一方面節(jié)省了費(fèi)用，另一方面節(jié)省了寶貴的空間-當(dāng)時(shí)幾乎所有控制測(cè)量設(shè)備都很龐大，控制間一般都比較擁擠。所以這個(gè)時(shí)候，高低加調(diào)節(jié)系統(tǒng)都采用純比例調(diào)節(jié)。也有的電廠感覺(jué)高加系統(tǒng)更加重要，就把高加系統(tǒng)也加上了積分調(diào)節(jié)器。
20世紀(jì)90年代左右，國(guó)內(nèi)引進(jìn)了組件式控制系統(tǒng)，叫MZ-Ⅲ型組件控制系統(tǒng)。目前許多教科書(shū)在講述自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的時(shí)候，還大量用MZ-Ⅲ作為基礎(chǔ)來(lái)講述控制策略。
這個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器功能多了，既有單獨(dú)的比例、積分、微分調(diào)節(jié)器，又有組合了比例積分、比例微分、比例積分微分的調(diào)節(jié)器，可以不用過(guò)多考慮空間限制了。可是該組件故障率較高，即使是多功能調(diào)節(jié)器，也是把比例、積分、微分三種功能疊加到一個(gè)調(diào)節(jié)器內(nèi)部，所以故障率還是有的，購(gòu)買成本還是偏高的。所以當(dāng)時(shí)也有純比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的存在。
后來(lái)，國(guó)內(nèi)電廠掀起大規(guī)模的DCS改造和應(yīng)用風(fēng)潮。對(duì)于DCS來(lái)說(shuō)，增加一個(gè)積分運(yùn)算功能不涉及到任何費(fèi)用，并且DCS內(nèi)每個(gè)調(diào)節(jié)器一般都要加上比例積分作用，就看用戶愿不愿意使用了。那么在使用積分不會(huì)帶來(lái)費(fèi)用和空間問(wèn)題的情況下，純比例作用漸漸要絕跡了。
但是對(duì)于積分作用的應(yīng)用，理論上還有必要搞清楚一個(gè)概念：自平衡能力。
2、自平衡能力
還是前面說(shuō)的那個(gè)水池。上面一個(gè)進(jìn)水管，下面一個(gè)出水管(見(jiàn)圖2)，如果進(jìn)水管流量增大一些，水池水位會(huì)增高，導(dǎo)致出水口壓力增大，出水閥前后差壓增大，出水流量也增大，一直增大到進(jìn)出水流量相等，水位在新的高度不再變化。這說(shuō)明這個(gè)水池不需要經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)，水位就可以自動(dòng)穩(wěn)定在一個(gè)水平。我們說(shuō)：這個(gè)水池具有自平衡調(diào)節(jié)能力。
圖2 水池液位有自平衡能力 圖3 水池液位無(wú)自平衡能力
還是這個(gè)水池。如果把排水閥換成了水泵(圖3)，當(dāng)進(jìn)水流量做一次改變的時(shí)候，不管入口壓力多大，泵的出水量高始終不變化，那么水池的水位會(huì)一直改變下去。很簡(jiǎn)單，這個(gè)水池沒(méi)有自平衡能力。
那么自平衡能力有什么用處呢? 我們來(lái)看：當(dāng)進(jìn)水閥開(kāi)大后，流量增加，水位升高。調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使得出水泵開(kāi)大，讓水位降低。當(dāng)出水泵開(kāi)到一定地步，進(jìn)出口流量相等的時(shí)候，水位保持平衡。可是這個(gè)時(shí)候因?yàn)榉e分的存在，積分使得泵以最大的速度繼續(xù)開(kāi)大，一直到水位等于設(shè)定值泵的流量才停止變化。而此時(shí)，出口流量又遠(yuǎn)大于進(jìn)口流量，故此水位不能穩(wěn)定，形成震蕩。
這個(gè)描述存在如下兩個(gè)問(wèn)題：
①積分的速度與積分參數(shù)和輸入偏差有關(guān)。進(jìn)出口流量相等的時(shí)候不是水位偏差最大的時(shí)候，而是水位略微有所回調(diào)。所以此時(shí)泵的改變速度不是最大。
②如果比例積分設(shè)置參數(shù)合適，這個(gè)系統(tǒng)是個(gè)逐漸收斂的過(guò)程。在手動(dòng)狀態(tài)下，出水流量通過(guò)增加一降低的反復(fù)調(diào)節(jié)，最終水位可以穩(wěn)定在任何一個(gè)值，而不是某一個(gè)特定值。那么比例、積分作用使得出水流量的反復(fù)波動(dòng)，最終應(yīng)該可以穩(wěn)定，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)差。
所以，實(shí)際上，不管有無(wú)自平衡能力，都可以使用積分作用。只是有自平衡能力的調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)更容易整定，調(diào)節(jié)更容易穩(wěn)定。
3、隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
有人曾經(jīng)提過(guò)：電廠有一種隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也就是自動(dòng)投入時(shí)候只要在正常水位范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定在任何一個(gè)定值。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能很簡(jiǎn)單，就是去掉積分作用，用純比例調(diào)節(jié)。因?yàn)榧儽壤{(diào)節(jié)沒(méi)有消除靜態(tài)偏差的功能，當(dāng)然可以穩(wěn)定在任何一個(gè)值了。
對(duì)于與隨動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，應(yīng)該還有一種方式：設(shè)定值是經(jīng)常變動(dòng)的。這樣的系統(tǒng)很多：火電廠的滑壓運(yùn)行方式，這個(gè)滑壓就是壓力需要平滑的波動(dòng)，其設(shè)定值就應(yīng)該是個(gè)波動(dòng)的函數(shù)。還有在中調(diào)控制下的機(jī)爐協(xié)調(diào)(專業(yè)術(shù)語(yǔ)叫做AGC)、的機(jī)組負(fù)荷設(shè)定值，應(yīng)該也算是經(jīng)常變動(dòng)的。
電力行業(yè)之外，這種系統(tǒng)也很多。比如管道焊接中，為了消除熱應(yīng)力，需要對(duì)焊接點(diǎn)進(jìn)行控制下降溫度法，這個(gè)控制下降的溫度設(shè)定值，就應(yīng)該是經(jīng)常變化的，甚至是用時(shí)間函數(shù)來(lái)確定的。
從這個(gè)意義上講，設(shè)定值常變，有三種情況：
①隨便讓它變，不加控制；
②加以控制，根據(jù)時(shí)間或者其他情況，對(duì)設(shè)定值做有規(guī)律的修改；
③設(shè)定值是受其他因素控制的函數(shù)計(jì)算值。
4、高低加水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)耦合的解決辦法
昌暉儀表之所以專門介紹高低加水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，就是因?yàn)橄到y(tǒng)之間存在著耦合，而且這種狀況在電廠中非常普遍。圖3是一個(gè)電廠的低加系統(tǒng)耦合情況示意圖。
圖3 低加系統(tǒng)耦合情況示意圖
4#低加的凝結(jié)水流入5#低加，5#低加的凝結(jié)水流入6#低加。對(duì)于4#低加來(lái)說(shuō)，自動(dòng)投入很簡(jiǎn)單，沒(méi)有耦合，用一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)足可以了?？墒菍?duì)于5#低加來(lái)說(shuō)就不太好，因?yàn)樗邮?#低加來(lái)的凝結(jié)水。在有的系統(tǒng)中，上一級(jí)低加來(lái)的凝結(jié)水流量波動(dòng)不太大，對(duì)本系統(tǒng)干擾不大。而如果上一級(jí)來(lái)的流量波動(dòng)大，足以大幅度影響本系統(tǒng)的水位的時(shí)候，就必須要關(guān)注系統(tǒng)耦合了。
解決的辦法前面已經(jīng)說(shuō)過(guò)，加一個(gè)前饋。可以對(duì)4#低加的輸出增加一個(gè)流量測(cè)點(diǎn)。然后把此流量信號(hào)作為本系統(tǒng)的前饋?？墒窃黾恿髁繙y(cè)點(diǎn)涉及到安裝問(wèn)題。如果用流量孔板測(cè)量，需要尋找一個(gè)數(shù)米長(zhǎng)的直管段，擁擠的汽機(jī)空間不一定能夠找到這么一個(gè)直管段；還需要投入一定的費(fèi)用購(gòu)買流量孔板和變送器。所以許多廠礦沒(méi)有流量測(cè)量裝置。那么，我們可以讓4#低加輸水的執(zhí)行器反饋?zhàn)鳛?#低加水位的前饋信號(hào)，控制策略原理框圖如圖4所示。
也有人會(huì)說(shuō)：前饋信號(hào)到底帶來(lái)多大干擾時(shí)，需要對(duì)干擾情況進(jìn)行調(diào)節(jié)呢?這個(gè)問(wèn)題在副調(diào)的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)就可以解決，也就是修改比例帶的大小。不過(guò)也有很多人傾向于給副調(diào)的測(cè)量值加上一個(gè)系數(shù)，也可以?？刂撇呗栽砜驁D如圖4所示。
圖4 高低加水位自動(dòng)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)
5、幾個(gè)問(wèn)題
①為什么要用串級(jí)調(diào)節(jié)，而不能用單PID，在單PID的輸出疊加前饋信號(hào)?
因?yàn)楦櫜缓脤?shí)現(xiàn)。具體道理，在本站比例、積分、微分綜合整定里面已經(jīng)說(shuō)過(guò)。
②如何設(shè)定死區(qū)?
前面講過(guò)，死區(qū)的設(shè)置可以有效避免執(zhí)行器的動(dòng)作次數(shù)，提高執(zhí)行器的壽命。但是死區(qū)設(shè)置過(guò)大，不但會(huì)影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，而且會(huì)造成調(diào)節(jié)滯后，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。圖6就是死區(qū)過(guò)大影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的例子。
那么，死區(qū)設(shè)置多少合適呢?一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于高低加系統(tǒng)，其總量程都在1000-2000mm之間，可以在設(shè)定值±(10～20)mm之內(nèi)不運(yùn)算。那么死區(qū)可以設(shè)置為：(10～20)/(1000～2000)=0.5%-2%。在一般的PID調(diào)節(jié)器內(nèi)，死區(qū)往往是百分量。所以就可以省略地寫(xiě)為0.5-2。如果實(shí)際整定過(guò)程中，還發(fā)現(xiàn)死區(qū)過(guò)大，可以設(shè)置更小。
③那么怎么判斷調(diào)節(jié)系統(tǒng)是因?yàn)樗绤^(qū)過(guò)大造成的不穩(wěn)定?
很容易。我們可以觀察被調(diào)量和輸出的曲線。當(dāng)死區(qū)存在的時(shí)候，輸入偏差在死區(qū)以內(nèi)，調(diào)節(jié)器的輸出曲線是一條水平的直線。如果系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且水平直線過(guò)長(zhǎng)，就可以判定為死區(qū)過(guò)大。
當(dāng)被調(diào)量開(kāi)始回調(diào)的時(shí)候，輸出也跟著回調(diào)?？墒腔卣{(diào)到一定的地步，輸出不變了，為什么?死區(qū)的存在所致。如果系統(tǒng)不能穩(wěn)定，死區(qū)過(guò)大，死區(qū)的存在導(dǎo)致回調(diào)滯后，下一個(gè)回調(diào)的波峰推遲出現(xiàn)。如果系統(tǒng)能夠穩(wěn)定且波動(dòng)較小，說(shuō)明死區(qū)設(shè)置合理。合理的死區(qū)幾乎不會(huì)造成回調(diào)滯后。
引起調(diào)節(jié)滯后的原因有很多種，最主要的是積分時(shí)間過(guò)小和死區(qū)過(guò)大。要注意二者之間的區(qū)別。
6、偏差報(bào)警與偏差切除
我們?cè)O(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，目的就是為了讓系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。為防止出現(xiàn)意外，必須要有一個(gè)偏差報(bào)警和保護(hù)功能。
現(xiàn)在的調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)比較完善，在調(diào)節(jié)器內(nèi)往往都有偏差保護(hù)功能。所謂的偏差保護(hù)，就是當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸入偏差達(dá)到一定值的時(shí)候，要把自動(dòng)切換到手動(dòng)狀態(tài)的功能。
如果調(diào)節(jié)器內(nèi)沒(méi)有這個(gè)功能，就需要在控制策略中添加該功能。除了被調(diào)量與設(shè)定值的偏差保護(hù)外，還有一個(gè)輸出與反饋的偏差保護(hù)功能：當(dāng)調(diào)節(jié)器的輸出與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反饋達(dá)到一定值的時(shí)候，說(shuō)明執(zhí)行機(jī)構(gòu)出現(xiàn)了故障，要么執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)，要么拒動(dòng)，或者反饋故障。發(fā)生這樣的異常，也必須要把系統(tǒng)切除到手動(dòng)狀態(tài)。
切除到手動(dòng)狀態(tài)，一方面是保護(hù)系統(tǒng)不致出更大的問(wèn)題；另一方面是提醒運(yùn)行操作員，系統(tǒng)出現(xiàn)故障，需要手動(dòng)干預(yù)；同時(shí)需要檢查系統(tǒng)，消除缺陷。
