3ooMW火力发电机组过热汽温仪表控制系统设计.doc
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300MW火力发电机组过热气温仪表控制系统设计
摘要
本文是针对锅炉过热蒸汽温度控制进行的分析和设计。
而对炉温过热蒸汽的良好控制是保证系统输出蒸汽温度稳定的前提，所以本设计采用串级控制系统，能克服时滞和惯性较大的过程动态特性，可以极大的消除控制系统工作过程中的各种干扰因素，使系统能在一个较为良好，较为稳定的状态下工作，同时使锅炉过热器出口蒸汽温度在允许的范围内变化，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
本设计用到的串级控制系统中，主对象为送入负荷设备的出口蒸汽温度，副对象为减温器和过热器之间的蒸汽温度。
通过控制减温水的流量来达到实现控制过热蒸汽温度的目的。
仿真实实验证明，改系统适用于中压型锅炉，也适用于对现有自动化仪表系统进行改造，而且在及时性、可靠性、自动化程度方面均有常规控制系统无法比较的优点。
关键词：
过热蒸汽蒸汽温度控制系统串级控制仿真
教师批阅：
目录
1生产工艺概述………………………………………………………1
1.1锅炉生产工艺介绍……………………………………………1
1.2过热器的介绍…………………………………………………2
1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素……………………………3
1.4蒸汽过热系统的控制…………………………………………4
2过热蒸汽温度控制原理简介………………………………………5
2.1控制方案的选择………………………………………………5
2.1.1单回路控制方案………………………………………5
2.2.2串级控制方案…………………………………………6
2.2串级控制方案论证……………………………………………7
3过热蒸汽温度控制系统的设计……………………………………8
3.1系统控制参数确定……………………………………………8
3.1.1主变量的选择……………………………………………8
3.1.2副变量的选择……………………………………………9
3.1.3操纵变量的选择…………………………………………9
3.2执行器的选择…………………………………………………9
3.3控制仪表的选择………………………………………………10
3.3.1温度变送器的选择……………………………………10
3.3.2温度传感器的选择……………………………………11
3.4主、副控制规律的选择………………………………………11
3.5控制器正、反作用的选择……………………………………12
4控制系统的流程图…………………………………………………13
5总结…………………………………………………………………19
参考文献………………………………………………………………20
教师批阅：
1生产工艺介绍
1.1锅炉设备介绍
锅炉是石油化工、发电等工业工厂必不可少的重要动力设备，它所产生的高压蒸汽既可作为驱动透平的动力源，又可作为精馏、干燥、反应、加热过程的热源。
随着工业生产规模的不断扩大，作为动力和热源的过滤，也向着大容量、高参数、高效率的方向发展。
锅炉设备根据用途、燃料性质、压力高低等有多种类型和称呼，工艺流程多种多样，常用的锅炉设备的蒸汽发生装置是由给水泵、给水控制阀、省煤器、汽包及循环管等组成。
燃料与空气按照一定比例送入锅炉燃烧室燃烧，生成的热量传递给蒸汽发生系统，产生饱和蒸汽，然后经过过热器形成一定气温的过热蒸汽，在汇集至蒸汽母管。
经过负荷设备调节阀供给生产负荷使用。
于此同时，燃烧过程中产生的烟气，将饱和蒸汽变成过热蒸汽后，经省煤器预热锅炉预热空气，最后经引风机送往烟筒排入大气。
常见锅炉设备的工业流程如图1.1所示：
锅炉设备的控制任务：
根据生产负荷的要求，供应一定压力或温度的蒸汽，同时要使锅炉在安全、经济的条件下运行。
按照这些控制要求，锅炉设备将有如下主要的控制系统：
教师批阅：
〔1〕锅炉汽包水位的控制系统：
主要是保持汽包内部的水位平衡，使积水量适应锅炉的蒸汽汽量，维持汽包中水位在工艺允许的范围内；
〔2〕锅炉燃料系统的控制：
其控制方案要满足燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，是燃料与空气量保持一定的比值，保证燃烧的经济性和锅炉的安全运行，使引风量与送风量相适应，保持炉膛负压在一定范围内；
〔3〕过热蒸汽系统控制：
主要使过热器出口温度保持在允许范围内，并保证管壁温度不超过工艺允许范围；
〔4〕锅炉水处理过程：
主要使古老给水的水性能指标达到工艺要求。
1.2过热器的介绍
过热器定义：
锅炉中将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度的
部件。
过热器概述：
过热蒸汽温度的高低取决于锅炉的压力、蒸发量、钢材的耐高温性能以及燃料与钢材的比价等因素，对电站锅炉来说，低压锅炉的温度一般为350～375℃，过热器前布置有大量蒸汽管束，进入过热器的烟温约在700℃上下。
中压锅炉多为烧煤粉或重油的室燃炉，其过热汽温为450℃，这时的炉膛辐射传热的烟温可达1000℃左右。
高压炉膛，尤其是超高压锅炉，加热水的热量和过热热量增大很多，而蒸发热减少，当中间有再过热时，情况更为突出，这时必须把一部分过热器受热布置在炉膛内，以吸收部分辐射热。
为了提高电厂热力循环的效率，蒸汽的初参数不断提高。
蒸汽压力的提高要求相应的提高过热蒸汽温度，否则蒸汽在汽轮机膨胀后的湿度就会过高，影响汽轮机的安全。
但蒸汽温度的增高要受到过热器钢材高湿强度性能的限制，因而采用了中间再热，即高压高温蒸汽在汽轮机内膨胀至某一中间压力后，引到布置在锅炉烟道内的再热器，再一次加热升温，然后又回到汽轮机的中、低压缸，继续膨胀至凝汽器压力，这样蒸汽膨胀后的湿度可控制在允许范围内。
超高压机组采用中间再热时，理论上可使循环经济性相对提高6～8%，但在实际设备中，由于有压降损失，热经济性的提高比理论值稍低。
教师批阅：
过热器可以根据它所采用的传热方式分为对流过热器、半辐射过热器、及辐射过热器三种。
现代大容量高参数锅炉的过热器主要由对流过热器，屏式过热器，包覆过热器，顶棚过热器，联箱及减温器构成。
由于过热器管壁金属在锅炉受压部件中承受的温度最高，因此必须采用耐高温的优质低碳钢和各种铬钼合金钢等，在最高的温度部分有时还要用奥氏体铬镍不锈钢。
锅炉运行中如果管子承受的温度超购材料的持久强度、疲劳强度或表面氧化所容许的温度限值，则会发生爆管等事故。
1.3过热器出口蒸汽温度的干扰因素
〔1〕蒸汽流量扰动：
汽轮机负荷变化会引起蒸汽量的变化。
蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件，导致汽温变化。
图1.3〔a〕是蒸汽流量D扰动下过热蒸汽温度的影响曲线，可以看到温度影响具有自平衡性，而且惯性和延迟都比较小。
这是因为蒸汽量变化时，沿过热器管道长度方向的个点温度几乎同时变化。
〔2〕烟气传热量扰动：
燃料量增减，燃料种类的变化，送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化，从而改变了传热的情况，导致过热器出口蒸汽温度的变化。
由于气温变化的延迟很小，
教师批阅：
一般在10～20s之间。
烟气传热量扰动的汽温响应曲线如图所示a所示。
它与蒸汽量扰动下的情况类似。
〔3〕喷水量扰动：
应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种控制方式，喷水量扰动就是基本扰动。
过热器是具有分布参数的对象，可以把管内的蒸汽和金属管壁看做无穷多个单容对象串联组成的多容对象。
当喷水量发生变化后，需要通过这些串联单容对象，最终引起过热器出口温度θs变化。
因此，θs影响有很大的延迟。
减温器离过热器出口越远，延迟越大。
喷水量扰动下的动态特性曲线如图b所示。
1.4蒸汽过热系统的控制
蒸汽过热系统是锅炉系统安全运行，确保蒸汽品质的重要部分。
蒸汽过热系统包括一级过热器、减温器、二级过热器。
控制任务是使过热器出口温度维持在允许范围内，并保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
过热蒸汽温度过高或过低，对锅炉运行及蒸汽用户设备都是不利的，过热蒸汽温度过高，过热器容易损坏，汽轮机也会因内部过度的膨胀而严重影响安全运行；过热蒸汽温度过低，一方面是设备的效率降低，同时使汽轮机后几级的蒸汽湿度增加，引起叶片磨损，所以必须把过热器出口蒸汽的温度控制在规定范围内。
影响过热蒸汽温度的因素很多，其中主要的有：
过热器是一个多容且延迟较大的惯性环节，设备结构设计与控制要求存在一些矛盾，各种扰动因素之间相互影响，如蒸汽量、燃烧工况、锅炉给水温度、进入过热蒸汽的热焓、流经过热器的烟气温度及流速的变化等。
而对各种不同的扰动，过热蒸汽温度的动态特性也各不相同。
因此，过热蒸汽温度控制的主要任务就是：
克服各种干扰因素，将过热器出口蒸汽温度维持在规定允许的范围内，从而保证蒸汽品质合格；保护过热器管壁温度不超过允许的工作温度。
本设计主要以控制减温水流量的变化来阐述对过热蒸汽温度的自动调节。
教师批阅：
2过热蒸汽温度控制原理简介
过热蒸汽温度控制系统采用两级喷水减温。
这样做的目的有两个，一是为了使汽温调节更灵敏，减小热惯性，而是为了保护过热器。
第一级喷水减温器布置在前屏过热器之后，调节量较大且调节惰性大，用来调节因负荷、给水温度和燃料性质变化而引起的汽温变化，为粗调。
另外，它还有保护屏式过热器受热面的作用。
第二级喷水减温器布置在高温对流过热器（末级过热器）之前，这一级热惯性小，可保证出口蒸汽汽温能得到迅速调节。
减温器共有四只，每级安装两只，每只喷水量为每级水量的一半。
减温水源自为自制冷凝水。
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：
单回路控制系统和串级汽温控制系统。
2.1控制方案的选择
2.1.1单回路控制方案
在运行过程中，改变减温水流量，实际上是改变过热器出口蒸汽的热焓，亦就是改变进口蒸汽温度，如下图2.1所示。
从动态特性上看，这种调节方法是最不理想的，但由于设备简单，因此，应用较为广泛。
减温器有表面式和喷水式两种。
减温器应尽可能地安装在靠近蒸
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汽出口处，但一定要考虑过热器材料的安全问题，这样能够获得较好的动态特性。
但作为控制对象的过热器，由于管壁金属的热容量比较大，使之有较大的热惯性。
加上管道较长有一定的传递滞后，如果采用下图所示的控制系统，调节器接受过热器出口蒸汽温度t变化后，调节器才开始动作，去控制减温水流量W。
减温水流量W的变化又要经过一段时间才能影响到蒸汽温度t。
这样，即使整个系统采用PID算法，也既不能急躁发现扰动，又不能及时反映控制的效果，将使蒸汽温度t发生不能允许的动态偏差。
严重影响锅炉生产的安全和经济运行。
实际中过热蒸汽控制系统常采用减温水流量作为操纵变量，但由于控制通道的时间常数及纯滞后均较大，组成单回路控制系统往往不能满足生产的要求。
因此，常采用串级控制系统，减温器出口温度为副参数，以提高对过热蒸汽温度的控制质量。
2.1.2串级控制方案
过热器出口蒸汽温度串级控制系统的方框图如下图2.2所示。
采用两级调节器，这两级调节器串在一起，各有其特殊任务，调节阀直接受调节器1的控制，而调节器1的给定值受到调节器2的控制形
教师批阅：
成了特有的双闭环系统，由副调节器和减温器出口温度形成的闭环称为副环。
由主调节器和主信号——出口蒸汽温度，形成的闭环称为主环，可见副环是在主环之中。
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。
由图可知，主调节器的输出即副调节器的给定，而副调节器的输出直接送往调节阀。
其中主调节器的给定值是一个定值，所以主回路是一个定值控制系统。
而副回路的给定值是由主调节器的输出给定的，所以它随主调节器输出的变化而变化，为一个随动控制系统。
系统中以减温器的喷水作为控制手段，通过减温水的控制达到控制蒸汽温度的效果。
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，副调节器采用PI或P控制规律。
在主、付调节器均具有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。
从而提高了整个系统的准确度和实用性。
再者，在串级控制系统中，两个调节器串联工作，但是以主调节为主导，保证主变量为目的，在整个控制过程两个调节器协调一致，相互配合，若干扰来自副回路，副调节器首先进行粗调，主调节器再进一步进行细调。
相对于过于简单的单回路控制系统，串级控制系统的控制质量明显优越。
具体体现在：
〔1〕由于副回路的存在，减少了控制对象的时间常数，缩短了控制通道，使控制作用更加明显；
〔2〕在一定程度上提高了系统的工作频率，是振荡周期明显缩短，调节时间也有一定程度上的缩短，系统的快速性相对增强了；
〔3〕整个控制系统对二次干扰，既包括在副回路范围内的扰动，具有很强的克服能力，这是单回路控制系统所不能实现的；
〔4〕对负荷或操作条件的变化有一定的自适能力。
综上所述，相比之下，串级控制系统更适应锅炉蒸汽温度的控制。
2.2串级控制方案论证
串级控制是随着工业的发展，新工艺不断出现，生产过程日趋强化，对产品质量要求越来越高，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况下产生的。
教师批阅：
由上图2.3可知，主控制器的输出即副控制器的给定，而副控制器的输出直接送往控制阀。
主控制器的给定值是由工艺规定的，是一个定制，因此，主环是一个定值控制系统；而副环控制器的给定值是由主控制器的输出提供的，它随主控制器输出变化而变化，因此，副环是一个随动控制系统。
一般来说，一个设计合理的串级控制系统，当干扰从副回路进入时，其最大偏差会减小到控制系统的0.01～0.1，即便是干扰从主回路进入，最大偏差也会缩小到单回路控制系统的0.2～0.3。
但是，如果串级控制系统设计得不合理，其优越性就不能够充分体现。
因此，串级控制系统的设计合理性十分重要。
3过热蒸汽温度控制系统的设计
3.1系统控制参数的确定
3.1.1主变量的选择
根据串级控制系统选择主变量的原则：
在条件允许的情况下，首先应尽量选择能直接反映控制目的的参数为主变量；其次，要选择与控制目的有某些单值对应关系的间接单数作为主变量：
最后，所选的主变量必须要有足够的变化灵敏度。
所以，在本系统中需选择送入负荷设备的出口温度作为主变量。
该参数可以直接反映本系统的控制目的。
教师批阅：
3.1.2副变量的选择
副回路应改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，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。
同时，要求主、副对象的时间常数应适当匹配。
并且应保证副变回路的选择能实现生产工艺上的合理性、可能性和经济性。
综上所述，应选择减温器和过热器之间的温度作为副变量。
3.1.3操纵变量的选择
控制变量和扰动变量似乎工业过程的两大输入变量。
其中，干扰时刻存在，它是影响系统平稳操作的主要因素，而操纵变量的主要作用是克服干扰的影响，是系统能重新稳定运行的因素。
选择操纵变量的基本原则是：
〔1〕选择对所选定的被控量影响较大的输入量作为操纵变量；
〔2〕在〔1〕的前提下，选择变化范围较大的输入量作为控制变量，以便于控制；
〔3〕在〔1〕的基础上选择被控变量作用效应较快的输入变量作为控制变量，使控制系统响应较快；
综上所述，应选择减温水的输入量作为操纵变量。
3.2执行器的选择
在本系统中，调节阀是系统的执行机构，是按照控制器所给定的信号大小和方向，改变阀的开度，以实现调节流量的装置。
调节阀的口径的大小，直接决定着控制介质流过它的能力。
为了保证系统有较好的流通能力，需要是控制阀两端的压降在整个管线的总压降占有较大的比例。
在正常工况下，一般要求调节阀开度应处于15%～85%之间，应具体根据实际需要的流通能力的大小进行选择。
调节阀按驱动方式可分为：
气动调节阀、电动调节阀和液动调节阀，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体价值压力为动力源的液动调节阀，由于生产现场有防爆要求，所以应选择气动执行器。
教师批阅：
调价阀的开、关形式需要考虑到以下几种因素：
〔1〕生产安全角度：
当起源供气中断，或调节阀出故障而无输出等情况下，应该确保生产设备的安全，不至发生事故；
〔2〕保证产品质量：
当发生控制阀处于无源状态而恢复到初始位置时，产品的质量不应降低；
〔3〕尽可能的降低原料、产品、动力耗损；
〔4〕从介质的特点考虑。
此设计中的串级控制系统主要是通过换热来达到控制目的按的，过热蒸汽在过热器内与减温水进行热交换被冷却，调节阀安装在减温水管道山，用热换后的蒸汽温度来控制减温水的水量，在汽源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，综合以上各种因素，在锅炉过热蒸汽控制系统中，调节阀选择气关式调节阀。
调节阀的流量特性的选择，在实际生产中常用的调节阀有线性特性、对数特性和快开特性三种，在本系统中调节阀的流量特性选择线性特性、快开特性三种，在本系统中的调节阀的流量特性选择线性特性。
阀门定位器的选用，阀门定位器是调节阀的一种辅助装置，与调节阀配套使用，它接受控制器来的信号作为输入信号，并以其输出信号去控制调节阀，同时将调节阀的阀杆位移反馈到阀门定位器的输入端而构成一个闭环随动系统，阀门定位器可以消除阀膜头和弹簧的不稳定以及各运动部件的摩擦，从而提高阀门定位器的精度和可靠性，实现准确定位。
同时，阀门定位器增大了执行机构的输出功率，减少了系统的传递滞后，加快阀杆的移动速度，并且，阀门定位器还可以改变调节阀的流量特性。
3.3控制仪表的选择
3.3.1温度变送器的选择
温度变送器可分为电动和气动，常用的控制仪表有电动Ⅱ型、Ⅲ型。
在串级系统中，选用的仪表不同，具体的实施方案也不同。
电动Ⅱ型和电动Ⅲ型仪表就其功能而言是基本上相同的，但是就其控制信号而言是存在差异的。
具体表现在：
电动Ⅱ型的典型控制信号为0～10mADC，电动Ⅲ型的典型控制信号为4～20mDAC。
另外，与Ⅱ型
教师批阅：
仪表相比Ⅲ型仪表操作、维护更为方便、简捷，同时Ⅲ型仪表还有较完善的跟踪、保持电路，使得手动切换更为方便，随时都可以进行转换，而且保证无干扰。
综上所述，在本设计中需选用电动Ⅲ型仪表。
3.3.2温度传感器的选择
温度传感器有热电偶和热电阻两种。
在本设计中，最好选用热电偶温度传感器。
原因在于热电偶的测温范围广（-200℃～1300℃，特殊情况下-270℃～2800℃），耐高温，精度高，结构简单，更换方便，压簧式感温元件，抗震性能好，可以将热信号转变为电信号，用所产生的热电势测量温度。
具体采用K型热电偶，原因在于：
〔1〕K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
〔2〕K型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中。
3.4主、副控制规律的选择
由于在控制系统中，主、副调节器的任务不同，对它们各自的选择也应有不同的考虑。
主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。
凡是需采用串级控制的生产过程，对控制的品质的要求都是很高的，不允许被调量存在静差。
因此，主调节器必须具有积分作用，一般都采用PI调节器。
如果控制对象惰性区的容积数目较多，同时又有主要扰动落在副回路以外的话，就可以考虑采用PID调节器。
对于本系统，由于控制通道容量较大，为克服容量滞后，选用PID控制器作为主控制器。
副调节器的任务是要快速动作已迅速消除进入副回路内的扰动，而且副参数并不要求无差，所以一般都选P调节器，也可以采用PD调节器，但这增加了系统的复杂性，在一般情况下，采用P调节器就足够了，如果主、副回路频率相差很大，也可以考虑采用PI
教师批阅：
调剂器。
本系统中，由于副环是一个随动系统，一旦主控制器输出稍有变化，控制阀就将大幅度变化，这对控制系统很不利，个副控制器只选用P控制器。
3.5控制器正、反作用的选择
对于串级控制系统，主、副控制器正、反作用的选择顺序应该是先副后主。
副控制器的正、反作用要根据副环的具体情况决定，而与主环无关。
为了是副环回路构成一个稳定的系统，副环的开环放大系数的符号必须为“负”，即副环内所有各环节放大倍数符号的乘积应为“负”。
在本设计在，随着调节阀的开度增加，减温水增加，副对象即减温器后端蒸汽温度会降低，所以调节阀对副对象的作用为“负”；而调节阀为汽关阀，其控制走远为负；变送器的控制作用均为正，为了保证开环放大系数乘积的符号为“负”，所以副调节器的控制作用符号需为“正”，即副调节器的控制作用为反作用。
主回路的正、反作用的选择：
与副回路相同，主回路中主控制器的正、反作用要根据主回路所包括的各个环节的情况来确定，同时由于副回路似乎一随动系统，所以可将整个副回路视为已放大系数为负的环境来对待。
在本系统中，随着调节阀的开度增加，主对象即过热器出口的蒸汽温度会减低，所以主对象的放大倍数的符号为“负”，为了保证开环放大系数乘积的符号为“正”，所以主控制器的控制作用符号“正”，即控制器的控制作用为反作用。
教师批阅：
4控制系统的分析及流程图
由电动Ⅲ型仪表构成的串级控制系统的基本方案有如下两种：
该方案中采用了两台控制器，主、副变量通过一台双笔记录仪进行记录。
由于副控制器输出的是电流信号，而控制阀只能接受0.02～0.1MPa气压信号，所以在副控制器与控制阀之间设置了一个电气转化器。
该方案较于上一方案多设置了一个主控-串级控制切换开关，可以根据不同情况使控制系统工作于主控制方式和串级控制方式下。
在本设计中采用第二种方式可以使控制系统更好的工作，得到更稳定的控制输出。
教师批阅：
式中
θ2──导前汽温
θ1──过热器出口汽温
wθ──减温喷水量
教师批阅：
串级汽温调节系统构成及原理：
内回路动作时，外回路可以视为开路状态；当外回路动作时，内回路可视为快速随动系统。
如果符合以上条件，则串级汽温调节系统可以采取内、外回路分别整定的方法进行整定。
一般nT≥3n2T2成立时即可认为内回路为快速随动系统。
教师批阅：
（1）内回路分析
设副调节器选用比例调节规律：
此时可将除G02（s）以外的部分视为等效调节器，则等效副调节器为:
可根据单回路系统整定原则对内回路进行整定计算。
（2）外回路分析:
当内回路整定好后，可把它看作一个快速随动系统，则
整个内回路等效为一个比例环节，外回路如图4-6所示，这也是一个单回路系统。
教师批阅：
如果将主调节器GPI（s）以外均视为被调对象，则等效被调对象的传递函数为：
可根据单回路整定方法来整定外回路。
采用导前汽温微分信号的双回路汽温调节系统：
1．系统构成及工作原理
可用等效串级系统整定和补偿法整定两种方法来整定。
2．等效串级系统整定方法
将原来方框图等效变换，变换后的系统为串级形式的双回路系统。
在内外回路分别有等效主、副调节器，即：
（1）等效主调节器：
可见等效主调节器为PI作用，其比例带和积分时间分别为：
（2）等效副调节器：
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