機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，大容量火力發(fā)電中，大型單元機組已成為電網(wǎng)中的骨干機組。單元機組正常運行的高度安全性、經(jīng)濟性，對其自動化水平提出了更高的要求。在常規(guī)局部控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，大型單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用越來越普遍，同時協(xié)調(diào)控制理論和技術(shù)的研究也得到了更多的完善和發(fā)展，已成為現(xiàn)代過程控制領(lǐng)域的重要內(nèi)容。大型的單元機組具有

2、時變、強耦合、非線性等特點，屬于復(fù)雜的被控對象。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略設(shè)計直接決定了機組的運行狀況及控制品質(zhì)。</p><p>　　本設(shè)計研究對象是330MW單元機組，首先介紹了機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本概念及組成原理，隨后對機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案和設(shè)計過程進行了分析，最后應(yīng)用多變量頻域法實現(xiàn)了靜態(tài)解耦，從而消除了輸入與輸出之間強烈耦合帶來的不利影響。并對此進行了 MATLAB 仿真。通過仿真結(jié)果驗證了解耦的有效

3、性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單元機組；機爐協(xié)調(diào)控制；解耦</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the swift development of national electric power industry, thermal Unit has become the key part in

4、large capacity electric power generating system. In order to ensure the safety and economy of the unit aircrew in normal operating, the automatic demand of the aircrew should be improved gradually. On the basis of the ro

5、utine part controlled system, the usage of large-scale thermal unit have already been more and more common, and the research of cooperative control theory and technology also h</p><p>　　330 MW thermal unit h

6、aving introduced in this design, that the stove having introduced element aircraft crew machine first harmonizes the naval basic concept and is composed of principle originally, the stove harmonizes the naval basic schem

7、e and the analysis designing that process has been in progress subsequently to machine, static state having applied multivariate frequency law realization finally have untied a couple, have removed the adverse effect tha

8、t the intense coupling brings about bet</p><p>　　Keywords: Thermal Unit; the stove harmonizes machine controlling; decoupling</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　近年來，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)

9、展，電力工業(yè)也在迅猛發(fā)展，不僅大容量、高參數(shù)的單元機組日益增多，而且電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運行模式也發(fā)生了很大變化，要求單元機組應(yīng)具有大幅度的快速調(diào)峰能力，并具有更高的自動化水平，實現(xiàn)電網(wǎng)的自動發(fā)電控制(AGC)。 火力發(fā)電廠的工藝過程是一個能量轉(zhuǎn)換與平衡的過程。儲存在燃料(煤)中的化學(xué)能，通過鍋爐燃燒、傳熱，轉(zhuǎn)換成蒸汽的熱力勢能又通過汽輪機，將熱力勢能轉(zhuǎn)換成機械能，再通過發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換成電能，最后將電能傳輸給用戶。在每個能量轉(zhuǎn)換的

10、環(huán)節(jié)中，包含著能量轉(zhuǎn)換與能量儲存和釋放，如果將整個電站看作是一個能量儲存與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，那么它的輸出能量(電能)與輸入能量(化學(xué)能)以及中間蓄能應(yīng)是平衡的。因此，電力生產(chǎn)過程是一個能量輸入與輸出、儲存與釋放的動態(tài)平衡過程。由于電廠熱工控制對象是復(fù)雜、時變動態(tài)過程。存在非線性、大時延、強耦合及大干擾。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就是為了適應(yīng)當(dāng)前的電力發(fā)展趨勢所實施的單元機組負荷控制方案。 但是，鍋爐和汽輪發(fā)電機在響應(yīng)外界負荷時的動態(tài)特性存在很大差異。

11、在單元機組內(nèi)部，鍋爐和汽輪機是相對獨立的對象。從控制負荷的角度看，它們的動態(tài)特性很不一樣。鍋</p><p>　　第一章 單元機爐機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述</p><p>　　1.1 單元機組協(xié)調(diào)控制的發(fā)展</p><p>　　國民經(jīng)濟不斷增長，增加了對能源的需求量，電力工業(yè)逐漸發(fā)展為大電網(wǎng)、大機組、高參數(shù)、高度自動化。由于高參數(shù)，大容量機組發(fā)展迅速，裝機容量日益增多，

12、因此對機組的自動化需求也日益提高。</p><p>　　與其它工業(yè)生產(chǎn)過程相比，電力生產(chǎn)過程更加要求保持生產(chǎn)的連續(xù)性，高度的安全性和經(jīng)濟性。單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)已成為大型單元機組普遍采用的一種控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)把自動調(diào)節(jié)、邏輯控制、安全保護、監(jiān)督管理融為一體，具有功能完善、技術(shù)先進、可靠性高等特點，在工程應(yīng)用中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能否成功的投入和運行，發(fā)揮其應(yīng)有的功能，取決于機組主設(shè)備的可控性、系統(tǒng)控制設(shè)備的性能及可靠性

13、、系統(tǒng)設(shè)計與整定的合理性等因素。大型單元機組從設(shè)計、制造、安裝都充分考慮到機組自動控制方面的需要，使機組可靠性得到了不斷改善和提高，為機組自動化水平的提高奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的概念</p><p>　　從大系統(tǒng)理論出發(fā)，協(xié)調(diào)控制是一種解決大系統(tǒng)控制問題的基本策略。所謂大系統(tǒng)可理解為由若干相互關(guān)聯(lián)子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。應(yīng)用大系統(tǒng)理論處理這類龐大而復(fù)雜

14、系統(tǒng)控制問題的基本方法就是分解協(xié)調(diào)的方法。所謂分解是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便進行分塊的處理與控制，求得各子系統(tǒng)之間的局部最優(yōu)解。而協(xié)調(diào)則是從系統(tǒng)的全局出發(fā)，合理地調(diào)整各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，求得各子系統(tǒng)之間的和諧與統(tǒng)一，進而得到整個大系統(tǒng)的最優(yōu)解。</p><p>　　常規(guī)的自動控制系統(tǒng)是汽輪機和鍋爐分別控制。汽輪機調(diào)節(jié)機組負荷和轉(zhuǎn)速，機組負荷的變化必然會反映到機前主蒸汽壓力的變化，既機前主蒸汽壓力反映了機爐之間

15、的能量平衡。主蒸汽壓力的控制由鍋爐燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)來完成，燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般又分為主蒸汽壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、送風(fēng)氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)、爐膛負壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。隨著單元機組容量的不斷增大、電網(wǎng)容量的增加和電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰要求的提高以及自身穩(wěn)定（參數(shù)）運行要求的提高，常規(guī)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)已很難滿足單元機組既參加電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰又穩(wěn)定機組自身運行參數(shù)這兩個方面的要求，因此必須將汽輪機和鍋爐視為一個統(tǒng)一的控制對象進行協(xié)調(diào)控制。所謂協(xié)調(diào)控制，是指通過控制回路協(xié)調(diào)汽輪機和

16、鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達到快速響應(yīng)負荷的目的，盡最大可能發(fā)揮機組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)。</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐局部控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制系統(tǒng)。單元機組在處理負荷要求并同時維持機組主要運行參數(shù)的穩(wěn)定這兩個問題時，是將機爐作為一個整體來看待的。然而汽機、鍋爐又是相對獨立的，它們通過各自的調(diào)節(jié)手段，如汽輪機調(diào)節(jié)閥開度、鍋爐

17、燃燒率，滿足電網(wǎng)負荷的要求及主參數(shù)的穩(wěn)定，但它們的能力不盡相同，主要表現(xiàn)在鍋爐調(diào)節(jié)的相對滯后，如果在設(shè)計控制系統(tǒng)時能充分考慮它們的差異，采取某些措施（如引入某些前饋信號、協(xié)調(diào)信號），讓機爐同時按照電網(wǎng)負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據(jù)主要參數(shù)的偏差，協(xié)調(diào)地進行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能與任務(wù)</p><p>　　為了

18、保證實現(xiàn)對機組負荷的有效控制，對大型單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能一般有以下幾個方面的要求：</p><p>　?。?）建立電網(wǎng)調(diào)度中心與機組鍋爐控制和汽機控制系統(tǒng)之間的通信聯(lián)系，實施機組負荷控制，參與電網(wǎng)調(diào)頻。</p><p>　?。?）在異常情況下，對單元機組及其鍋爐和汽機負荷需求指令進行限制。</p><p>　　（3）改善機組對外界負荷擾動的向應(yīng)能力，及其克服各

19、種擾動影響，提高機組對負荷變化的適應(yīng)能力。</p><p>　?。?）使機組具有較高的運行效率。</p><p>　?。?）減小鍋爐和汽機的熱應(yīng)力。</p><p>　　（6）減輕運行人員的勞動強度，確保機組的安全運行。</p><p>　　為了達到上述幾方面的功能要求，大型單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)必須完成下列主要任務(wù)：</p>&

20、lt;p>　　（1）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能協(xié)調(diào)機、爐的控制，在—定的負荷范圍內(nèi)響應(yīng)來自電網(wǎng)調(diào)度的負荷指令或機組運行人員就地設(shè)定的負荷指令，對機組進行負荷控制，并參與電網(wǎng)調(diào)頻，同時保證機組的穩(wěn)定運行，維持運行參數(shù)不超出允許的變化范圍。</p><p>　?。?）對某些需要在整個負荷變化范圍內(nèi)進行控制的過程變量，采用全程控制、以盡可能減少運行人員的勞動強度。</p><p>　　（3）在機組設(shè)備

21、異常或事故情況下，CCS越過保護、連鎖等邏輯控制回路，確保機組安全地繼續(xù)遠行，或使生產(chǎn)設(shè)備處于安全狀態(tài)而不致造成損害。</p><p>　?。?）當(dāng)機組主要輔機，如送風(fēng)機、引風(fēng)機、磨煤機、給水泵、爐水循環(huán)泵、一次風(fēng)機等發(fā)生故障而不能滿足機組出力要求時，CCS的負荷指令處理回路能產(chǎn)生負荷快速返回信號，使機組實際負荷指令降至機組的最大可能出力值，以確保機組的安全運行。</p><p>　?。?

22、）對設(shè)計有足夠容量的汽輪機旁路系統(tǒng)的機組，當(dāng)汽輪機或電氣故障致使汽輪機快速甩負荷時，鍋爐有必要維持最低的燃燒率繼續(xù)穩(wěn)定運行，使機組帶廠用電遠行或停機不停爐，以便故障消除后能快速帶上負荷。</p><p>　?。?）當(dāng)機組運行參數(shù)，如燃料量、空氣量、給水量等，其實際值與給定位的偏差超出規(guī)定的允許值范圍，或執(zhí)行機構(gòu)位置達到預(yù)先設(shè)定的最大或最小限值時，CCS的負荷指令處理回路能產(chǎn)生負荷增／減閉鎖信號，根據(jù)偏差的方向，對

23、機組實際負荷指令的增加或減小加以閉鎖，以防止物料或能量的不平衡進一步擴大和引發(fā)事故，直至異常消除，偏差回到限位內(nèi)才解除閉鎖。</p><p>　　（7）對于機組設(shè)備工作異常的一類故障，CCS除了采用負荷增／減閉鎖措施外，還應(yīng)進—步采取機組負荷迫升／迫降措施。</p><p>　?。?）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對機組的一些重要過程變量的信號進行在線監(jiān)控，一旦偏離正常狀態(tài)，就自動采取措施、或切換至冗余部分

24、(即備用設(shè)備)?；?qū)⒖刂葡到y(tǒng)切為手動方式，同的發(fā)出報警信號。</p><p>　?。?）對于重要參數(shù)的測量采用三變送器或雙變選器。</p><p>　　（10）重要凹路的執(zhí)行機構(gòu)監(jiān)控具有閥位指今與實際閥位的偏差監(jiān)控、方向閉鎖、超池開／關(guān)、后備直接手操、失電、斷氣或斷信號保護等功能。</p><p>　?。?1）為了使機組能穩(wěn)定運行，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)X、f所有控制回路的自

25、動／手動切換均具有無擾切換的功能，即當(dāng)某控制回路切換到手動方式時。</p><p>　?。?2）有比較完備的防運行人員的誤操作連鎖保護措施。</p><p>　?。?3）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還配備有必須的邏輯控制功能，它們能根據(jù)規(guī)定的邏輯條件自動地判斷并執(zhí)行系統(tǒng)的切換、操作、跟蹤、保護、連鎖、閉鎖、監(jiān)控、報警等等功能，如主燃料跳間處理、防爐膛內(nèi)爆控制、風(fēng)／煤交叉連鎖、汽輪機防進水保護等。</

26、p><p>　　1.4 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機爐控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其主要特點包括以下幾個方面：</p><p>　?。?）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進。采用了遞階控制結(jié)構(gòu)，在局部控制級的基礎(chǔ)上引入了機爐協(xié)調(diào)級，把鍋爐，汽輪發(fā)電機組作為一個整體進行控制。機爐協(xié)調(diào)控制器是一個多變量控制器。采用了前饋、反饋、補償以及變結(jié)構(gòu)控制等

27、技術(shù)，充分利用了機爐動態(tài)特性的特點，并充分地利用了機爐動態(tài)特性方面的特點，克服系統(tǒng)內(nèi)部耦合和非線性特性。獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。</p><p>　?。?）系統(tǒng)功能完善。除了正常工況下的連續(xù)調(diào)節(jié)之外，系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)計了一整套邏輯控制系統(tǒng)。包括實際功率給定邏輯，局部故障處理，運行方式切換邏輯，以及顯示報警等，系統(tǒng)可根據(jù)實際需要和設(shè)備狀況，選擇不同的運行方式，比如機跟爐，爐跟機，機爐協(xié)調(diào)方式；定壓運行或滑壓運行方式；固定

28、功率輸出或可調(diào)功率方式。</p><p>　?。?）系統(tǒng)可靠性高。通過設(shè)置安全保護系統(tǒng)和采取一系列可靠性措施，可獲得很高的系統(tǒng)可靠性。</p><p>　　綜上所述，目前廣泛應(yīng)用的單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律仍屬于經(jīng)典控制規(guī)律的范疇。系統(tǒng)分析設(shè)計與綜合的方法多采用多變量頻域法和常規(guī)的工程方法。</p><p>　　第二章 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</

29、p><p>　　2.1 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成</p><p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負荷控制系統(tǒng)也稱主控制系統(tǒng)、常規(guī)控制系統(tǒng)也稱子控制系統(tǒng)和負荷控制對象三大部分組成。如圖2-1所示。負荷控制系統(tǒng)又由二部分即負荷指令處理部分也稱負荷管理控制中心和機爐主控制器組成。</p><p>　　其中，負荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示，負荷管理控制中心是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

30、的指揮機構(gòu)，它的主要功能是根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度中心的要求負荷指令或機組運行人員要求改變負荷的指令以及機組主輔機運行情況，處理成適合于機爐運行狀態(tài)的實際負荷要求指令。</p><p>　　圖2-2 負荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其中，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡化框圖如圖2-3。機、爐主控制器是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制機構(gòu)，機、爐主控制器的主要功能是根據(jù)機組的運行條件和要求，運行人員通過選擇控

31、制方式，給出合理的控制方案提供機組全面的協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　圖2-3　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)簡化框圖</p><p>　　2.2 單元協(xié)調(diào)控制控制系統(tǒng)的原理</p><p>　　圖2-4 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作原理圖</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)工作原理圖如圖2-4所示。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負荷指令處理回路和機爐控制回路這兩部分組成。負荷

32、指令處理回路可以接受3個負荷指令信號，即電網(wǎng)調(diào)度負荷指令信號，電網(wǎng)頻差信號和值班員指令信號，電網(wǎng)頻差信號和值班員改變負荷的指令信號。它們的總和反映了外界對機組負荷的要求。機組功率運算回路將這個負荷要求處理成為機組可能接受的功率信號。機組能否接受這個指令還要由機組允許負荷能力運算回路決定，允許負荷能力取決于當(dāng)時的主要輔機運行臺數(shù)及鍋爐燃燒率的偏差。若負荷要求在機組所能承擔(dān)的允許范圍內(nèi)，則可按負荷要求發(fā)出機組功率指令，否則，按機組允許負荷能

33、力發(fā)出機組功率指令，這個任務(wù)由限制回路來完成。經(jīng)上述運算處理后的機組功率指令（功率給定值N0）分別送往鍋爐調(diào)節(jié)器和汽機調(diào)節(jié)器。</p><p>　　機爐主控制回路由鍋爐調(diào)節(jié)器和汽機調(diào)節(jié)器組成，它們同時接受功率偏差（N0-Ne）和汽壓偏差（P0-PT）信號。在穩(wěn)定工況下，實發(fā)功率Ne等于功率給定值N0，機前壓力PT等于壓力給定值P0。當(dāng)要求負荷增加時，將出現(xiàn)一個正的功率偏差信號（N0-Ne），此信號通過汽機調(diào)節(jié)器開

34、大調(diào)節(jié)閥，增加實發(fā)功率，同時，這個信號也作用到鍋爐調(diào)節(jié)器，使燃料量增加，增加蒸汽量。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開大時，會立即引起機前壓力的下降，盡管此時鍋爐已經(jīng)開始增加燃料量，但由于燃料-機前壓力通道有一定的慣性，這時仍然會有正的壓力偏差（P0-PT）信號出現(xiàn)。這個信號按正方向作用到鍋爐調(diào)節(jié)器，繼續(xù)增加燃料量，同時反方向作用到汽機調(diào)節(jié)器，力圖使汽壓恢復(fù)到正常數(shù)值。正的功率偏差信號和負的壓力偏差信號作用的結(jié)果，會使調(diào)節(jié)閥開大到一定程度后停止。這時汽機實發(fā)功

35、率還沒有達到功率給定值，這種狀態(tài)只能是暫時的，因為正的功率偏差信號與負的汽壓信號同時通過鍋爐調(diào)節(jié)器使鍋爐增加燃料量，隨著機前壓力的逐漸恢復(fù)，壓力偏差信號逐漸減小，這時汽機調(diào)節(jié)閥在正的功率偏差信號作用下繼續(xù)開大，提高實發(fā)功率， 直到功率和汽壓均與其給定值相等，機組達到新的穩(wěn)定狀。</p><p>　　由此可見，在機組適應(yīng)電網(wǎng)負荷變化過程中，協(xié)調(diào)控制方式允許汽壓有一定的波動，以便能充分利用鍋爐的蓄熱量，使機組能較快

36、地適應(yīng)電網(wǎng)的需求。但是，這里利用鍋爐的蓄熱量是有限的，因為在控制的過程中利用負的壓力偏差能適當(dāng)?shù)叵拗破麢C調(diào)節(jié)閥的動作，保持機前壓力不致產(chǎn)生過大的偏差，所以，協(xié)調(diào)控制方式既能使機組較快地適應(yīng)電網(wǎng)的負荷要求，又能確保汽壓的波動在允許的范圍內(nèi)。另外，由于鍋爐調(diào)節(jié)器接受功率前饋偏差信號，能迅速地改變?nèi)剂狭?，可使機組功率較快地達到功率給定值。</p><p>　　第三章 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案</p>

37、;<p>　　機、爐主控制器是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制機構(gòu)。機爐主控制器的設(shè)計從其控制結(jié)構(gòu)出發(fā)有二種指導(dǎo)思想，一種是以反饋控制為基礎(chǔ)的，適當(dāng)加入一些前饋信號作為輔助調(diào)節(jié)以改善控制品質(zhì)；另一種則從能量平衡的角度考慮前饋的控制，力爭做到前饋補償后，鍋爐和汽機就能協(xié)調(diào)一致地達到所要求的負荷，反饋作用僅在此基礎(chǔ)上起校正作用。所以，一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可按反饋和前饋回路不同進行分類。</p><p>　　3.1 按反饋

38、回路分類</p><p>　　常見的機爐協(xié)調(diào)控制方式有三種方案：以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式、以汽輪機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式和綜合型協(xié)調(diào)控制方式，下面分別介紹它們的工作原理及主要特性。</p><p>　　3.1.1 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式</p><p>　　汽機控制手動，汽機調(diào)節(jié)器接受功率給定值與實發(fā)功率反饋信號，根據(jù)它們之間的偏差，調(diào)節(jié)汽門開度，從

39、而改變進汽量，使發(fā)電機輸出功率迅速滿足負荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調(diào)節(jié)器接受機前壓力定值的機前壓力反饋信號，根據(jù)偏差，調(diào)整燃料量，從而保證主汽壓力穩(wěn)定。如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式</p><p>　　所以，在鍋爐跟隨系統(tǒng)中，快速的功率響應(yīng)和較大的主汽壓力偏差是同時存在的，這就是由于鍋爐跟隨系統(tǒng)機組功率對汽機側(cè)調(diào)節(jié)作用的響應(yīng)迅速，當(dāng)負

40、荷要求變化時，本系統(tǒng)通過改變汽機調(diào)節(jié)閥開度，充分利用機組蓄能，就可以得到機組功率的快速響應(yīng)。但是，這是以犧牲主蒸汽壓力為代價的，又因為在鍋爐側(cè)的調(diào)節(jié)作用下，主汽壓力的響應(yīng)有較大慣性。</p><p>　　為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可以采用機前壓力的定值與機前壓力的反饋值之間的偏差信號，通過函數(shù)模塊（死區(qū)特性），作用在汽機調(diào)節(jié)器的輸出端。當(dāng)汽壓偏差超過非線形模塊的不靈敏區(qū)時，汽機調(diào)節(jié)器發(fā)

41、出的調(diào)節(jié)閥開度指令將受到限制。</p><p>　　3.1.2 以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式</p><p>　　當(dāng)機組負荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。機前壓力改變后，按機前壓力與給定值的偏差，通過汽機調(diào)節(jié)器改變汽輪機調(diào)節(jié)閥開度，從而改變機組功率。如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式</p>&l

42、t;p>　　汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，可以在汽機調(diào)節(jié)器前，加入功率偏差的前饋信號，其原理是利用鍋爐的蓄能，同時允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動。功率偏差信號（NO-NE）可以看作是暫時改變的汽機調(diào)節(jié)器的給定值，當(dāng)（PO- PT）>0時，汽壓給定值降低，汽壓調(diào)節(jié)器發(fā)出開大調(diào)節(jié)閥的指令，增加輸出功率，反之亦然，當(dāng)函數(shù)模塊F（x）=0時，前饋作用不存在。</p><p>　　3.1.3 綜合型協(xié)調(diào)控制方式&l

43、t;/p><p>　　鍋爐和汽機同時接受負荷指令，并按一定的策略去協(xié)調(diào)鍋爐和汽機之間的控制。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負荷指令的前饋信號；汽機主控制器自動，保證機組功率。負荷指令作為機組功率設(shè)定值。對于單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評價，主要根據(jù)以下兩方面進行：其一是能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對機組的負荷要求；其二是在內(nèi)、外擾作用下，機爐控制回路能否協(xié)調(diào)工作和能否使汽壓偏差和功率偏差盡可能減小。如圖3-3所示。&

44、lt;/p><p>　　圖3-3 綜合型協(xié)調(diào)控制方式 </p><p>　　幾種不同的運行方式間可以靈活的進行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機跟隨方式；當(dāng)汽機出力受限制時，切至鍋爐跟隨方式。</p><p>　　任何一種運行方式的選擇均要求所需要的子系統(tǒng)已被選擇在自動方式；任何子系統(tǒng)的自動方式的切除，都將導(dǎo)致協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)到與之相適應(yīng)的自動級。</p>&

45、lt;p>　　3.2 按前饋回路分類</p><p>　　3.2.1 按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制(DIB)</p><p>　　按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的示意圖如圖3-4(a)所示。從圖中可以看出此系統(tǒng)是以鍋爐跟隨的控制方式工作的。鍋爐側(cè)是以(1＋d/dt) N0作為前饋信號，以(P0－PT)作為反饋信號。鍋爐側(cè)的反饋回路中，由鍋爐控制器前的乘法器引入N0信號，其目的是使其放大倍

46、數(shù)與N0成正比改變，以補償不同負荷下對象動態(tài)特性放大倍數(shù)的非線性特性。鍋爐側(cè)前饋信號的引入目的是促使燃燒量隨負荷變化及早動作補償鍋爐的惰性。</p><p>　　鍋爐燃燒率指令NB為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中 KP— 鍋爐控制器的比例增益；</p><p>　　KI—

47、鍋爐控制器的積分增益。</p><p>　　穩(wěn)態(tài)時，主汽壓力PT等于給定值P0 ，鍋爐的燃燒率指令等于負荷指令N0即</p><p><b>　　NB＝N0</b></p><p>　　可見鍋爐控制中把負荷指令信號N0(1＋d/dt)作為前饋信號，其中微分作用在動態(tài)過程中加強燃燒率指令，以補償機爐之間對負荷響應(yīng)速度的差異，式(3-1)中汽壓偏差

48、信號和汽壓偏差信號的積分有二個作用，其一，反映了使汽壓恢復(fù)到給定值對鍋爐蓄熱量變化所需要的燃料量，其二，保證穩(wěn)態(tài)時汽壓等于汽壓的給定值。</p><p>　　圖3-4(a)所示系統(tǒng)中汽機控制器入口信號的平衡關(guān)系如下：</p><p>　　N0－NB －NB(P0－PT)＝0 (3-2)</p><p>　　可

49、見，汽機控制回路實際是一個功率控制系統(tǒng)只有在汽壓偏差為零時才有NB＝N0。在動態(tài)過程中采用兩個方法防止調(diào)速汽門動態(tài)開得過大。第一個方法是引入壓力偏差信號，作為負荷變化時的限制信號，限制汽機調(diào)速汽門動作的范圍不能超過雙向限幅器的限定值，即當(dāng)汽壓超過規(guī)定值時(10公斤／厘米2)限制汽面調(diào)速汽門進一步開大。第二個方法是引入(P0－PT)的反饋信號，其目的是根據(jù)汽壓偏差變化的情況確定調(diào)速汽門的開度，限制調(diào)速汽門動態(tài)開得過大。</p>

50、<p>　　圖3-4(b)為按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制的另一種方案，從圖中可以看出此系統(tǒng)是以汽機跟隨的控制方式工作的。鍋爐側(cè)是以N0(1＋d/dt)作為前饋信號，形成對鍋</p><p>　　爐側(cè)的前饋控制作用。其中比例作用使得燃燒率與負荷指令始終保持一致，微分作用用于補償鍋爐的動態(tài)遲延和慣性，加速鍋爐的負荷響應(yīng)。</p><p>　　鍋爐側(cè)以功率偏差作為反饋信號，形成對鍋爐

51、側(cè)的積分(Ⅰ)反饋控制(積分增益同P0成正比。以適應(yīng)不同負荷下的對象特性的改變，實現(xiàn)變參數(shù)控制) 用來校正燃燒率指令，以保證機組的功率偏差在穩(wěn)定時為零。鍋爐燃燒率根據(jù)汽壓偏差而修正，例如，當(dāng)PTP0時應(yīng)使燃燒率適當(dāng)增加以補足由于汽壓偏低而使鍋爐蓄能的減少。鍋爐燃燒率指令為：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　在穩(wěn)態(tài)時鍋爐控制器保證NE

52、 = N0，若汽壓偏差為零，那NB= N0。</p><p>　　汽機側(cè)以汽壓偏差作為反饋信號，形成對汽機側(cè)的PI反饋控制。功率偏差是前饋信號，用來修正壓力給定值，當(dāng)功率給定值 N0改變時，引起壓力給定值的改變，控制器發(fā)出 汽機調(diào)節(jié)閥門的改變指令。這樣能充分利用鍋爐的蓄熱能力提高機組負荷響應(yīng)特性。</p><p>　　汽機側(cè)的PI控制器可保證穩(wěn)態(tài)時其輸入端信號的代數(shù)和近似為零，即有<

53、/p><p>　　K(N0 NE) + (P0 PT) 0 (3-4)</p><p>　　或 P0PT K(N0 NE) (3-5)</p><p>　　可得 PT P0KN

54、 </p><p>　　當(dāng)N0增加時, N= N0 NE立即增加，相當(dāng)于暫時減小壓力給定值P0KN。這時PI控制器立即增大調(diào)節(jié)閥門的開度，增大實發(fā)功率。另外，使汽壓PT跟隨定值而變，從而也就利用了機組蓄熱能力。在一定范圍內(nèi)，K值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄熱量的大小。在穩(wěn)態(tài)時汽機側(cè)控制器保證PT = P0 。</p><p

55、>　　從圖3-4(ｂ)可以看出，負荷要求指令N0(功率給定值)作為前饋信號分別送到機、爐控制回路,使機爐同時改變負荷,以保證快速響應(yīng)外界負荷要求。當(dāng)燃料內(nèi)擾使機前壓力及實發(fā)功率都增加時，由于中間再熱機組功率滯后較大，機前壓力響應(yīng)比實發(fā)功率靈敏。因此在汽機調(diào)節(jié)閥開大克服燃料內(nèi)擾的同時，又產(chǎn)生對汽機的擾動。所以這種負荷控制系統(tǒng) 消除鍋爐內(nèi)擾能力較差。當(dāng)汽機調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生擾動時，機前壓力與實發(fā)功率變化方向相反，控制回路能較快地消除擾動。&l

56、t;/p><p>　　3.2.2 按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制(DEB)</p><p>　　按指令直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖如圖3-5所示。這種系統(tǒng)的一個主要特點是采用能量平衡信號P1／PT取代功率給定信號NO，作為鍋爐控制回路的前饋信號，其中P1為汽機第一級后的汽壓，PT為機前壓力，兩者的比值P1／PT與汽機調(diào)節(jié)閥開度成正比，無論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開度變化，P1／PT都對調(diào)節(jié)閥開度的微小

57、變化作出靈敏的反應(yīng)。所以，無論在動態(tài)還是在靜態(tài)，P1／PT都反映了調(diào)節(jié)閥的開度，即汽機輸入的能量。 </p><p>　　在該系統(tǒng)中，功率偏差(N0 NE)送入汽機控制回路，機前壓力PT與給定值的偏差作為鍋爐的燃燒率指令，該系統(tǒng)屬于以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　從圖3-5可知汽機控制器輸入信號的平衡關(guān)系：</p>

58、;<p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式中 P1— 汽機第一級后壓力，此信號可以用P1／PT 取代；</p><p>　　KP— P調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；</p><p>　　KI— 積分通道的比例系數(shù)。</p><p>　　該機側(cè)設(shè)計兩個反饋回路，即由P1作為反饋信號的內(nèi)回路和以

59、NE作為反饋信號的外回路。由于P1（P1／PT )信號對汽機調(diào)節(jié)閥開度的響應(yīng)比實發(fā)功率靈敏得多即響應(yīng)快，故汽機調(diào)節(jié)閥能迅速而平穩(wěn)地響應(yīng)負荷指令的變化。上式中負荷指令的微分項可使汽機調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生動態(tài)過開，能提高汽機的負荷適應(yīng)性。而N0NE的積分則用來校正功率偏差，使穩(wěn)態(tài)時功率偏差為零。</p><p>　　鍋爐燃燒率指令的形成如下式：</p><p><b>　　(3-7)<

60、/b></p><p>　　可見，鍋爐燃燒率指令的前饋信號不是式(3-5)那樣的負荷指令N0，而是P1／PT 的能量平衡信號。式中的微分項作用在動態(tài)過程中加強燃燒率指令，以補償機爐間對負荷要求的響應(yīng)速度的差異。由于要求動態(tài)補償?shù)哪芰坎粌H與負荷變化量成正比，而且還與負荷大小成正比，所以微分項要乘以P1/PT 值。差壓的積分項保證穩(wěn)態(tài)時，機前壓力等于給定值。</p><p>　　能量平

61、衡信號與功率給定值信號性質(zhì)不同，后者僅表示電網(wǎng)對機組的負荷要求，前者反映了汽機對鍋爐的能量要求。這就為機爐之間動態(tài)過程中協(xié)調(diào)兩個控制回路的工作提供了一個比較直接的能量平衡信號，故稱為直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制。</p><p>　　從鍋爐內(nèi)擾來看，當(dāng)燃燒率自發(fā)增加時，機前壓力PT和汽機調(diào)節(jié)級壓力P1均增大，由于P1與NE相比對擾動的響應(yīng)更快一些。因此汽機控制器由P1作為反饋的內(nèi)回路動作，調(diào)整汽機調(diào)節(jié)閥開度變小，使P

62、1復(fù)到負荷指令N0相適應(yīng)的水平。與此同時，鍋爐側(cè)因負的壓力偏差(P0－PT)和由于P1恢復(fù)而使P1／PT 減小的信號共同作用。減小燃燒率指令μB，所以鍋爐側(cè)消除內(nèi)擾的能力較強。</p><p>　　從汽輪機調(diào)節(jié)閥擾動來看，由于采用了P1作為汽機主控制器的反饋信號，則消除汽機調(diào)節(jié)閥自發(fā)擾動的能力是較強的。</p><p>　　通過以上分析可以看出，采用爐跟機為基礎(chǔ)的直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

63、，能快速適應(yīng)負荷要求和克服內(nèi)擾，是各種負荷控制方式中較好的一種。</p><p>　　前面我們介紹了幾種單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，盡管形式各異，但有一些共同點：

64、

65、</p><p>　?。?）前面介紹的系統(tǒng)都為前饋—反饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，一般還帶有非線性控制環(huán)節(jié)。前饋、反饋和非線性控制部分各自分擔(dān)著不同的任務(wù)，其作用都是為實現(xiàn)機、爐的協(xié)調(diào)控制。</p><p>　?。?）前饋控制的作用是補償機組的動態(tài)遲延和慣性，加快負荷響應(yīng)，以及保持負荷指令與機、爐主控制指令之間滿足一定的靜態(tài)關(guān)系，在控制過程中起“粗調(diào)”作用。</p><p>

66、;　?。?）采用非線性控制環(huán)節(jié)可使汽壓在規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)變化，以利用機組的蓄熱能力，提高負荷響應(yīng)速度。</p><p>　?。?）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和克服內(nèi)擾的能力主要靠反饋控制保證，反饋控制是協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，在控制過程中起“細調(diào)”作用。</p><p>　　綜上所述，組成單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案有兩個，其一是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，往往以P

67、1／PT (P1）這樣的能量平衡信號作為鍋爐控制中的前饋信號，以便在變工況下，協(xié)調(diào)機、爐之間的能量供求關(guān)系構(gòu)成直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其二是以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，往往負荷指令作為鍋爐的前饋信號，以負荷指令來間接協(xié)調(diào)機、爐在能量需求方面的關(guān)系構(gòu)成能量間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。</p><p>　　第四章 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　單元機組協(xié)

68、調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。單獨的鍋爐控制系統(tǒng)和汽輪機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)的設(shè)計是從機爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選取合理的控制信號，采用前饋，反饋，動態(tài)補償?shù)瓤刂撇呗裕瑢崿F(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。</p><p>　　直接按照多變量控制系統(tǒng)分析設(shè)計理論進行單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與綜合，目前還處于研究之中，雖然多變量時域的和頻域的控制理論已建立了一系列分析，設(shè)計的方法，并可以借助于計算機進行輔助分

69、析與設(shè)計，但是，在工程實際應(yīng)用中，這些理論和方法還有著許多困難，因而使得這些理論方法還難以達到普遍應(yīng)用研究的水平。</p><p>　　多變量控制解耦理論與方法是一種有效的解決多變量控制問題的技術(shù)。針對多變量系統(tǒng)受控對象各輸入與輸出之間存在著關(guān)聯(lián)與耦合這一基本特征，通過設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)來消除和削弱這種相互的關(guān)聯(lián)和耦合，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數(shù)學(xué)工具較少，與單

70、變量控制理論緊密銜接，便于工程技術(shù)人員掌握，因而，在工業(yè)過程中應(yīng)用比較廣泛。</p><p>　　4.1 單元機組動態(tài)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　大型單元機組控制系統(tǒng)是一種多變量復(fù)雜控制系統(tǒng)，滯后大，受控過程是一個多輸入多輸出過程。在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建?；?qū)嶒灥姆椒?，才能建立起滿足一定精度要求的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型。</p&g

71、t;<p>　　圖4-1 單元機組負荷控制對象數(shù)學(xué)模型</p><p>　　汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。如圖4-1所示。</p><p>　　圖中，機組的輸出功率N和機前壓力PT為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度u和燃料量B為控制量。GNu和GNB分別為發(fā)電機實發(fā)功率對開度和燃料量的傳遞函數(shù)；GPu和GPB分別為機前壓力對開度和燃料量的傳遞函數(shù)。這種合理

72、簡化的前提是：</p><p>　?。?）送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定；</p><p>　?。?）引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛壓力；</p><p>　?。?）給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡；</p><p>　?。?）主蒸汽溫度控制相對獨立。</p><p>　　4.2 單元機組

73、動態(tài)特性</p><p>　　4.2.1 單元機組動態(tài)特性分析</p><p>　　單元機組負荷控制對象的階躍響應(yīng)特性如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2 單元機組動態(tài)特性曲線</p><p>　?。?）燃燒率B擾動下，主蒸汽壓力PT和輸出功率N的動態(tài)特性如下：當(dāng)汽輪機調(diào)門開度不變，而B發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力PT和輸出電功率N

74、的響應(yīng)曲線如圖4-2左所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過遲延后逐漸升高。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。當(dāng)蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓PT就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽輪機輸出功率增加，輸出電功率N也增加。當(dāng)蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。</p><p>

75、;　?。?）調(diào)門開度UT擾動下主蒸汽壓力PT和輸出功率N的動態(tài)特性如下：當(dāng)鍋爐燃燒率UB保持不變 ，而UT發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力PT和功率N的響應(yīng)曲線如圖4-2右所示。汽輪機調(diào)門開度階躍增加后，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓PT也隨之立刻階躍下降△PT（△PT階躍下降的大小與蒸汽流量的階躍增量成正比，且與鍋爐的蓄熱量大小有關(guān)）。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。蒸汽流量的增加是因為鍋爐汽壓下降而釋放出一部分蓄

76、熱，這只是暫時的。最終，蒸汽流量仍恢復(fù)到與燃燒率相適應(yīng)的擾動前的數(shù)值，主蒸汽壓力PT也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時的增加，故輸出功率N相應(yīng)也有暫時的增加。最終，輸出功率N也隨蒸汽流量恢復(fù)到擾動前的數(shù)值。可以看出，機組增加負荷時，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放蓄熱量而產(chǎn)生的。通過以上分析，可以看出負荷控制對象的動態(tài)特性的特點是：當(dāng)汽輪機調(diào)門開度動作時，被控量N和PT的響應(yīng)都很快，即熱慣性??；當(dāng)鍋爐燃燒率

77、改變時，N和PT的響應(yīng)都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異。</p><p>　　4.2.2 機爐動態(tài)特性的基本特征</p><p>　　構(gòu)成單元機組受控對象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機爐內(nèi)在機理的分析，可以看出其動態(tài)特性方面的以下基本特征。</p><p>　　

78、（1）在鍋爐控制量△B作用下，輸出被控量△PT和△N的響應(yīng)是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量△u的作用下，輸出被控量△PT和△N的響應(yīng)則是一個快速的過程。</p><p>　　（2）由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量△PT和△N對于△B的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中GPB（s）與GNB（s）之間十分相似的特性。</p><p>　　（3）根據(jù)以上機爐特

79、性的基本特征，利用汽輪機調(diào)門開度△u作為控制量，可以快速的改變機組的被控量△PT和△N。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。</p><p>　　4.2.3 控制系統(tǒng)對模型精度的要求</p><p>　　不同控制理論和算法對模型的要求是不同的。因而，建模的目的以及對

80、模型精度的要求應(yīng)依據(jù)模型應(yīng)用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)在最主要、最本質(zhì)的特征，對于設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。如前所述，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機爐作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡單可靠的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對過程模型精度方面的要求并不是很高的[4]。</p><p>　　4.3 解耦控制系統(tǒng)</p>&l

81、t;p>　　單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計是從機爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選擇合理的控制信號，采用前饋、反饋、動態(tài)補償?shù)炔呗?，實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可以降低各回路之間的耦合。然而若經(jīng)配對選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需要考慮解耦設(shè)計，解耦設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路之間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問

82、題來處理。</p><p>　　4.3.1 多變量被控對象的概念</p><p>　　對于一個具有n個被調(diào)量和n個調(diào)節(jié)變量的生產(chǎn)過程被控對象，其輸入-輸出特性可由矩陣方程表示： </p><p>　　Y= WU （4-1）</p><p><b>　　式（4-

83、1）中：</b></p><p>　　傳遞矩陣W中的元素Wij為被調(diào)量yi與調(diào)節(jié)變量uj的傳遞函數(shù)。若Wij=0，則表明yi不受uj作用影響。</p><p>　　若對象的傳遞矩陣W可表示為對角形矩陣，則稱之為無耦合對象。</p><p>　　若對象的傳遞矩陣W可表示為三角形矩陣，則稱之為半耦合對象。</p><p>　　若對象的

84、傳遞矩陣W中每一行和每一列均至少有兩個元素不為0，則稱之為耦合對象或多變量相關(guān)對象，以下簡稱多變量對象。</p><p>　　4.3.2 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原理</p><p>　　對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而，若經(jīng)配對選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需考慮解耦設(shè)計，解耦設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控

85、制。</p><p><b>　　（1）串聯(lián)補償法</b></p><p>　　采用串聯(lián)補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　W={Wij}為被控對象的傳遞矩陣。C={Cij}為解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞矩陣。對于C的設(shè)計原則，要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的

86、傳遞矩陣WB={Weij}為對角矩陣。即： WC=We(除對角元素不為0，其余都為0)。</p><p>　　串聯(lián)補償法可分為： 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，在被控對象的輸入側(cè)串聯(lián)一個補償網(wǎng)絡(luò)，如圖4-4所示，這種

87、補償方式稱之為串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)。</p><p>　　系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為：</p><p>　　圖4-4 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　實現(xiàn)完全解耦的條件為：</p><p>　　W12=G11*R12+G12=0 （4-2）</p><p&

88、gt;　　W21=G21+G22*R21=0</p><p>　　由上式可解出補償器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　實現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>&l

89、t;b>　　在式（4-4）中：</b></p><p>　　由此，可以按照單變量系統(tǒng)設(shè)計出調(diào)節(jié)器R11和R22。</p><p>　　串聯(lián)前補償解耦可以消除定值x擾動時對其它回路被調(diào)量的影響，但不能對發(fā)生在對象輸入側(cè)的擾動u實現(xiàn)解耦。這意味著當(dāng)出現(xiàn)對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產(chǎn)生影響，只能由各自調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)作用去消除。</p><p>　　帶

90、調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)</p><p>　　這種解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。推導(dǎo)補償環(huán)節(jié)R12和R21的傳遞函數(shù)時，以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖4-2所示的結(jié)構(gòu)，有</p><p>　　=R12/R22 </p><p><b>　　=R21/R11</b></p><p>　　

91、由方法1可得完全解耦的串聯(lián)前補償器、表達式為式：</p><p>　　= R12/R22= -G12/G11 （4-5）</p><p>　　= R21/R11= -G21/G22</p><p>　　進一步可得帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償器R12、R21表達式為式：</p><p>

92、;<b>　　（4-6）</b></p><p>　　圖4-5 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu) </p><p><b>　　串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　在受控對象的輸出側(cè)串聯(lián)一個解耦網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)系統(tǒng)的全解耦。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。</p><p>　　以補償器的輸出C1、C2作為系

93、統(tǒng)的輸出，可得到等效對象的傳遞函數(shù)矩陣為：</p><p>　　圖4-6 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖</p><p>　　有解耦條件可得到補償器傳遞函數(shù)為：</p><p>　　應(yīng)當(dāng)指出，上述解耦是補償器輸出C1、C2對定值擾動x與內(nèi)擾u的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到內(nèi)擾u的交叉干擾。對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)器而言，等效對象為：</p><p>&l

94、t;b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　其中，</b></p><p><b>　?。?）反饋補償法</b></p><p>　　采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖4-7所示。</p><p>　　圖4-7 反饋補償控制系統(tǒng)框圖</p><

95、;p>　　由解耦網(wǎng)絡(luò)A組成反饋解耦回路，由于調(diào)節(jié)器輸出向量U和擾動向量M具有相同通道。因此，反饋解耦回路不僅能消除各通道間的相互關(guān)聯(lián)，同時還能抑制系統(tǒng)的內(nèi)擾，實現(xiàn)對內(nèi)擾的不變性原理。解耦網(wǎng)絡(luò)A可等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)，然后借助串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)的計算來求出。反饋解耦回路等效成串聯(lián)解耦網(wǎng)絡(luò)后，系統(tǒng)框圖如圖4-8所示。</p><p>　　圖4-8 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖</p><p><

96、b>　　不難看出：</b></p><p>　　由于 </p><p>　　則： </p><p>　　其中 We——解耦后等效對象傳遞矩陣。 </p><p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　考慮到解

97、耦作用在于消除交叉通道間的關(guān)聯(lián)，因此，可令A(yù)的對角線元素， I為單位矩陣。由此上述式中：</p><p>　　所以根據(jù)上述式子不難得出：</p><p><b>　?。?）和差補償法</b></p><p>　　以上所介紹的幾種解耦方法，在理論上具有較好的解耦效果，但實際上，常遇到以下問題：一是所設(shè)計的解耦補償環(huán)節(jié)，經(jīng)常是在物理上不可實現(xiàn)的。其

98、二，補償環(huán)節(jié)是按被控對象數(shù)學(xué)模型，根據(jù)零-極點對消的原則設(shè)計出來的。這不僅使之實現(xiàn)有困難，而且當(dāng)對象中的參數(shù)變化而造成數(shù)學(xué)模型的改變時，可能造成系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定，從而帶來控制上的困難。采用和差補償法解耦，不需采用補償裝置，而是利用對象各通道傳遞函數(shù)的特點，對各通道的傳遞函數(shù)進行加減運算，使等效對象的傳遞矩陣成為對角矩陣。</p><p>　　以下以一個具有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖4-9所示。</p&

99、gt;<p>　　設(shè)此對象的傳遞矩陣為：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　令： </p><p>　　由此可得： </p><p>　　圖4-9

100、 和差補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 </p><p>　　當(dāng)W12與W22有相似特性，變化方向相同時，選k1可使W12-k1W22=0；當(dāng)W21與W11有相似特性，變化方向相反時，選k2可使W21+k2W11=0。</p><p><b>　　由此可得：</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p>&

101、lt;p><b>　　則有</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　這樣就實現(xiàn)了完全解耦。</p><p>　　單向解耦是使經(jīng)過補償?shù)牡刃ο髠骱仃嚦蔀橐粋€三角陣，使補償器的數(shù)量減少。以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，如果系統(tǒng)中某一側(cè)擾動對另一側(cè)系統(tǒng)輸出的影響較小，可忽略不計，或者受干擾

102、側(cè)控制回路消除干擾的能力較強，就可以考慮采用單向解耦，省去其中的一個補償器。</p><p>　　4.3.3 靜態(tài)解耦</p><p>　　按照以上解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)表達式，可以實現(xiàn)多變量系統(tǒng)受控對象的解耦。然而，補償器往往會很復(fù)雜，甚至不可實現(xiàn)。因此，工程實現(xiàn)時，對解耦網(wǎng)絡(luò)進行必要的簡化是至關(guān)重要的。現(xiàn)在就介紹一種工程上常用的解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　靜

103、態(tài)解耦是對受控對象傳遞函數(shù)靜態(tài)增益矩陣實現(xiàn)解耦。靜態(tài)解耦可使系統(tǒng)在穩(wěn)定工況下成為非耦合系統(tǒng)，而在動態(tài)條件下，即系統(tǒng)信號頻率不等于零時，存在一定的耦合。因而靜態(tài)解耦也稱之為零頻解耦。特別是火電廠熱工過程，一般頻率比較低，常采用低頻段預(yù)補償法設(shè)計Kp。低頻段預(yù)補償法是在s=0條件下，設(shè)計實常數(shù)預(yù)補償陣Kp，實現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)解耦。</p><p>　　靜態(tài)解耦補償網(wǎng)絡(luò)是一個常數(shù)矩陣，可通過下式求得</p>

104、<p>　　Kp=G (4-11)</p><p>　　靜態(tài)解耦的特點是結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。本次設(shè)計將采用此方法。</p><p>　　4.4 PID參數(shù)的整定</p><p>　　控制系統(tǒng)的整定是指在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態(tài)的情況下，適當(dāng)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)()使控制儀

105、表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統(tǒng)的運行達到最佳狀態(tài)，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對象的運行方式不當(dāng)，或者系統(tǒng)設(shè)計方案不合理，測量儀表和調(diào)節(jié)機構(gòu)選型不當(dāng)，安裝質(zhì)量不高等，則無論怎樣整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)，也不能滿足調(diào)節(jié)質(zhì)量的要求。另一方面，在主設(shè)備完善、系統(tǒng)設(shè)計方案合理、設(shè)備安裝等均已完善的條件下，只有經(jīng)過正確的整定，才能達到預(yù)期的控制質(zhì)量。</p><p>　　從理論上看，通過計算來整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)是

106、可行的辦法。采用各種計算方法，求出閉環(huán)系統(tǒng)特征根的分布情況，對振蕩頻率、靜態(tài)偏差、動態(tài)偏差、控制過程時間等有明確的結(jié)論，根據(jù)所得結(jié)論能夠比較在不同的調(diào)節(jié)規(guī)律、不同參數(shù)值的情況下過渡過程的品質(zhì)和實現(xiàn)保證衰減率大于所規(guī)定的數(shù)值的要求。但問題是計算方法要以控制對象的動態(tài)特性為依據(jù)，而動態(tài)特性測取時含有不精確性，更難以處理的是在工況變動時，對象的動態(tài)特性可能發(fā)生變化。另外，對控制系統(tǒng)中的一些非線性環(huán)節(jié)要近似為線性環(huán)節(jié)，甚至要對調(diào)節(jié)器本身在計算時

107、也只能看作是線性的理想調(diào)節(jié)器。由于這些原因，各種計算結(jié)果只能是近似的，只宜作參考依據(jù)。</p><p>　　在熱工生產(chǎn)過程中，比較實用的是現(xiàn)場整定方法，即通過現(xiàn)場調(diào)試來選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)。但是現(xiàn)場整定也要在正確的理論指導(dǎo)下才能有效進行并解決所能發(fā)現(xiàn)的問題，若事先不經(jīng)過任何理論計算和分析，盲目地實踐可能會延誤時機，甚至帶來麻煩。因此，計算還是有必要的。不過計算分析不必要求達到精確的結(jié)果，而是利用一些經(jīng)驗性圖表，先略估

108、計調(diào)節(jié)器參數(shù)的取值范圍，從而給現(xiàn)場整定提供參考。</p><p><b>　?。?）臨界比例帶法</b></p><p>　　臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個