然而，随着电力事业的发展，现代锅炉机组大多采用那些大容量高参数、高效率的大型锅炉，其过热器管道相应地加长，其结构也更复杂。此外，在电力生产过程中，过热器出口温度还受到诸如蒸汽流量（负荷）变化、炉膛热负荷变化、烟气量及烟气温度波动、过热器管壁结焦等等可测的或不可测的外部因素影响。在这些外部因素的共同作用下，主汽温对象除了具有多容大惯性、大迟延特性之外，往往又表现出一定的非线性和时变特性。
理论分析和大量的实践表明，在影响过热汽温的诸多因素当中，蒸汽流量（负荷）、烟气扰动（热负荷）、过热器入口温度 、（减温水量）是三个最主要的因素。根据不同的调节机理，在实际应用中可采用设置摆动式燃烧器、烟气挡板和多级喷水减温等调节方式。其中，喷水减温因为调节方式灵活、设备相对简单易于控制是电厂主汽温调节,特别是高温过热器出口汽温调节是最主要的调节手段.由于各种过热器的构造不同,它们的动态特性和静态特性也有差异.所以在我们将应用前一章所介绍的模糊自适应预测控制算法着重研究。
3.3 常规串级控制系统的设计与分析 3.3.1过热汽温串级调节系统的组成
图3-3过热汽温串级调节系统。汽温调节对象由减温器和过热器组成，减温水流量Wj为对象调节通道的输入信号，过热器出口汽温?2为输入信号。为了改善调节品质，系统中采用减温器出口处汽温?1作为辅助调节信号（称为导前汽温信号）。当调节机构动作（喷水量变化）后，导前汽温信号?1的反应显然要比被调量信号?2早很多。
图3-3过热汽温串级控制
由于从调节对象中引出了?1信号，对象调节通道的动态特性G0(s)可以看成由两部分组成：①以减温水流量Wj作为输入信号，减温器出口温度?1作为输出信号的通
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道，这部分调节通道称为导前区，传递函数G1(s)；②以减温器出口温度?1作为输入信号，过热器出口汽温?2为输出信号的通道，这部分调节通道称为惰性区，传递函数G2(s)。显然，导前区G1(s)的迟延和惯性都要比惰性区G2(s)的小得多。
3.3.2串级汽温调节系统的分析
串级汽温调节系统的方框图如图3-4所示，它有两个闭合的调节回路：①由对象调节通道的导前区G1(s)、导前汽温变送器??1、副调节器GR1(s)、执行器K2和减温水调节阀K?组成的副调节回路；②由对象调节通道的惰性区G2(s)、过热汽温变送器??2、主调节器GR2(s)以及副调节回路组成的主回路。
串级调节系统能改善调节品质，主要是由于有一个快速动作的副调节回路存在。由图可以看出，引入?1负反馈而构成的副回路起到了稳定?1的作用，从而使过热汽温保持不变，因此可以认为副回路起着粗调节过热汽温?2的作用。而过热汽温的规定值，主要由主调节器GR2(s)来严格保持。只要?2不等于规定值，主调节器就会不断改变其输出信号?2并通过副调节器不断改变减温水流量，直到?2恢复到等于规定值为止。可见，主调节器输出信号?2相当于副调节器的可变给定值。稳定时过热汽温等于给定值，而导前汽温?1则不一定等于原来的数值，?1的信号数值??1等于稳态时主调节器输出值?2。
对于串级汽温调节系统，无论扰动发生在副调节回路还是发生在主调节回路，其调节品质都是优于单回路调节系统的。
图3-4 汽温串级调节系统方框图
Wj-减温水流量；Wj1-减温水流量扰动；Wj2-调解作用引起的减温水流量变化；G1(s)-
G2(s)-调解通道惰性区的传递函数；GR1(s)-副调解器的传递函数；调解通道导前区的传递函数；
GR2(s)-主调解器的传递函数；??1-导前汽温变送器的斜率；??2-主汽温变送器的斜率；K2-执行器的比例系数；K?-减温水调节阀的比例系数
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（1）扰动发生在副回路内，例如当减温水流量Wj发生自发性波动（可能是减温水压力或蒸汽压力改变）而引起Wj1变化时，对于单回路汽温调节系统，由于没有副调节回路去迅速消除Wj的波动，所以必然要影响到主汽温的稳定；对于串级汽温调节系统，由于有副回路存在，而且导前区的惯性又小，副调节器能及时动作，快速消除掉减温水流量的自发性波动，从而使过热汽温基本不变。
（2）扰动发生在副回路以外，引起过热汽温偏离给定值时，串级系统首先由主调节器GR2(s)改变其输入信号?2，通过副调节回路去改变减温水流量，使过热汽温恢复的给定值。这时，主调节器GR2(s)的调节对象可以近似认为是等效对象，它的惯性迟延比采取单回路汽温调节系统时的调节对象G0(s)=G1(s)G2(s)要小，因此在这种情况下，串级系统的调节质量还是优于单回路系统的。
可见，在串级汽温调节系统中，副回路的任务是尽快消除减温水流量的自发性扰动和其它进入副回路的各种扰动，对过热汽温的稳定起粗调作用。汽温系统的副调节器一般采用比例调节器，主调节器的任务是保持过热汽温等于给定值，所以可采用比例积分或比例积分微分调节器。
3.3.3 调节器的整定
根据参考文献[10]知：
副调节器 GR1(s)?主调节器 GR2(s)?1?1
(1?1) Tis?变送器斜率 ??1???2?0.1mA/℃ 被控对象惰性区 G1(s)?1.125(℃/mA) 3(1?20s)8(℃/mA)
(1?15s)2被控对象导前区 G2(s)?根据参考文献[10]可知被控对象的传递函数
K=K1K2?8?1.125?9
nT2?n2T22nT2?2?152T1???20
nT?n2T2nT?2?1518
n1?nT?n2T2nT?2?15??3 2222nT?n2T2nT?2?15由于n2T2?2?15?30，nT=2×15+3×20=90,nT≥3n2T2,主副回路可相互独立的原则进行参数整定，即认为副回路是一个快速随动系统。
副回路中调节器的参数整定：副回路的特征方程式：
1+GR1(s)G2(s)??2= 0
1+
1?2×8?0.1=0 2(1?15s)0.8 225s+30s+1+
2?2=0
这是一个二阶系统，设副回路的整定要求为衰减率?=0.75，相应的阻尼系数?=0.216
则??302?151?0.8?0.216
?2由上式可算出调节器的比例带?2为
?2=
0.812()?10.216?0.04
主调节器参数的整定：当副回路整定好以后，副回路的闭环传递函数Wf(s)可写为
Gf(s)=
GR1(s)G2(s)
1?GR1(s)G2(s)??2当前向传递函数GR1(s)G2(s)远大于1时，则上式中分母的1可以忽略，得副回路的闭环传递函数为
1Gf(s)=
主回路的开环传递函数为
??2
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1Ti111.1251.125. )?Gk(s)=*(1?Tis(1?20s)3?*(20)3(s?1)3?20s?式中?*?
??2? ??1图3-5 主调节器参数整定的根轨迹图
1如图3-5所示，在根据平面上相应于?=0.75的射线0-1，并计算出极点（s??20）
的位置。首先，令Ti=∞时，在原点处的极点被抵消，根据轨迹的幅角条件，过P点做出与实轴夹角为60?的直线，此直线与射线0-1相交于?p点，应用三角公式或直接从图上量出?p的坐标为-0.0138+j0.0626.然后，设wpI?0.8wp?0.8?0.0626?0.05，则
?pI坐标为-0.011+j0.05.应用三角公式求出：?pI至P点距离P?PI?LP?0.063，?pI到0
点的距离0?PI?L0?0.0512；P?PI与负实轴的夹角?P?52.05?。
至此，可确定积分时间Ti?根据轨迹的幅角条件，零点Z至?pI的幅角
?Z?Z?102.47??3?52.05??180??78.62?，可由此定出零点位置Z，并求出Z点的坐
标（-0.021，j0）,则Ti值为
Ti?1?47.6s 0.021 调节器的比例带可用此法求出。零点Z至?pI的距离Z?PI?LZ?0.051，根据轨迹的幅值条件，则调节器的比例带为
1.125s?1T21(20)3ss?203????1.125?LZ1.125?0.051??0.5625 33203L?L3(20)?0.0512?(0.063)P20