畢業(yè)設(shè)計--125mw中間再熱燃煤機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　引 言</b></p><p>　　電力工業(yè)的發(fā)展，高參數(shù)大容量的火力發(fā)電機(jī)組在電網(wǎng)中所占的比例越來越大，電網(wǎng)因用電結(jié)構(gòu)變化，負(fù)荷峰谷差逐步加大，因此要求大型機(jī)組具有帶變動負(fù)荷運行的能力，以便迅速變化滿足負(fù)荷變化的需要及參加電網(wǎng)調(diào)頻。</p><p>　　大型的機(jī)組都是以鍋爐、汽輪機(jī)組成單元機(jī)組方式運行，機(jī)、爐之間相互聯(lián)系緊密，成為一個

2、不可分割的整體。因此，必須將二者作為一個聯(lián)合的條件對象進(jìn)行控制，又由于外部負(fù)荷變化時，機(jī)、爐的動態(tài)響應(yīng)特性差別比較大，控制系統(tǒng)應(yīng)該考慮兩者的特點做適當(dāng)?shù)姆止f(xié)調(diào)，以提高機(jī)組適應(yīng)負(fù)荷變化和保持內(nèi)部能量平衡的能力，所以協(xié)調(diào)控制就成為必然的趨勢，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略設(shè)計直接決定了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的調(diào)試及控制品質(zhì)。</p><p>　　目前，大型單元機(jī)組已承擔(dān)了絕大多數(shù)的負(fù)荷。在單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中讓機(jī)、爐同時按照電網(wǎng)負(fù)

3、荷的要求變化，接收外部負(fù)荷的指令，根據(jù)主要運行參數(shù)的偏差，協(xié)調(diào)進(jìn)行控制，從而在滿足電網(wǎng)負(fù)荷要求的同時，盡最大可能發(fā)揮機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，保持主要運行參數(shù)的穩(wěn)定。因此，單元機(jī)組為了保證運行的高度安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定，對其自動化水平提出了更高的要求。</p><p>　　火電廠大型的單元機(jī)組控制對象為強耦合、時變、滯后大的復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)各種擾動作用時，導(dǎo)致控制對象參數(shù)不確定，模型難于準(zhǔn)確建立。目前國內(nèi)外對大型單元機(jī)組的研

4、究投入了大量人力物力，但進(jìn)展不大，應(yīng)用主要控制策略仍為傳統(tǒng)的PID控制，很難使機(jī)組達(dá)到最佳狀態(tài)。因此，我們有必要不斷的探索，以尋求更好的控制策略，來滿足日益提高的電力系統(tǒng)要求。</p><p>　　第一章 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　1.1 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制的發(fā)展</p><p>　　國民經(jīng)濟(jì)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)

5、、大機(jī)組、高參數(shù)、高度自動化。由于高參數(shù)，大容量機(jī)組發(fā)展迅速，裝機(jī)容量日益增多，因此對機(jī)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(jì)性。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)已成為大型單元機(jī)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(hù)、監(jiān)督管理融為一體，具有功能完善、技術(shù)先進(jìn)、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

6、入和運行，發(fā)揮其應(yīng)有的功能，取決于機(jī)組主設(shè)備的可控性、系統(tǒng)控制設(shè)備的性能及可靠性、系統(tǒng)設(shè)計與整定的合理性等因素。大型單元機(jī)組從設(shè)計、制造、安裝都充分考慮到機(jī)組自動控制方面的需要，使機(jī)組可靠性得到了不斷改善和提高，為機(jī)組自動化水平的提高奠定了基礎(chǔ)。</p><p>　　單元機(jī)組自動控制系統(tǒng)主要包括自動檢測與監(jiān)視系統(tǒng)、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、自動保護(hù)系統(tǒng)等等。</p><p>　　自動檢測

7、與監(jiān)視系統(tǒng)：把反映運行工況的物理參數(shù)，比如、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、位移、成分等，以及反映設(shè)備運行狀態(tài)的物理參數(shù)，比如設(shè)備運行/停止、刀閘接通/斷開、閥門開啟/關(guān)閉等進(jìn)行檢測。同時，也作為自動控制系統(tǒng)進(jìn)行自動操作的依據(jù)。</p><p>　　自動控制系統(tǒng)：它也稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。在機(jī)組運行過程中，持續(xù)不斷的對主要運行參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，克服內(nèi)部和外部各種擾動，維持各項參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)。</p><p>

8、　　程序控制系統(tǒng)：它也叫做順序控制系統(tǒng)。某些生產(chǎn)設(shè)備需要依照既定的操作步驟和順序進(jìn)行一系列的操作，例如主輔機(jī)設(shè)備的順序的啟停等。</p><p>　　自動保護(hù)系統(tǒng)：為了確保設(shè)備安全，在發(fā)生故障時能夠自動地完成必要操作，使故障及時排除或防止故障擴(kuò)大。例如汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、鍋爐保護(hù)系統(tǒng)、繼電保護(hù)系統(tǒng)。</p><p>　　1.2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本概念</p><p

9、>　　1.2.1 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述</p><p>　　1．協(xié)調(diào)控制的基本概念</p><p>　　單元機(jī)組的輸出電功率與負(fù)荷要求是否一致反映了機(jī)組與外部電網(wǎng)之間能量供求的平衡關(guān)系；主汽壓力反應(yīng)了鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組之間能量供求的平衡關(guān)系。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)就是為完成這兩種平衡關(guān)系而設(shè)置的。使機(jī)組對外保證有較快的負(fù)荷響應(yīng)和一定的調(diào)節(jié)能力，對內(nèi)保證主要運行參數(shù)穩(wěn)定的系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)控制

10、系統(tǒng)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（Coordinated Concror system-----CCS）,使將單元機(jī)組的鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)作為一個整體進(jìn)行控制的系統(tǒng)。</p><p>　　生產(chǎn)過程是否正常進(jìn)行，通常是用一些物理量來表征（例如：汽輪發(fā)電機(jī)的參數(shù)、鍋爐的汽壓、汽溫、爐膛負(fù)壓、煙氣成分、汽包水位等）。當(dāng)這些物理量偏離所希望維持的數(shù)值時，就表示生產(chǎn)過程離開了規(guī)定工況，必須加以調(diào)節(jié)。因為調(diào)節(jié)的任務(wù)就是使表征生產(chǎn)過程是否

11、正常進(jìn)行的這些物理量保持在所希望的數(shù)值上。而這種數(shù)值的控制中，協(xié)調(diào)控制是一種重要的方法。</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。而大系統(tǒng)是指由若干相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)。應(yīng)用大系統(tǒng)理論解決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(jìn)行分塊處理與控制，求得各子系統(tǒng)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

12、和諧與統(tǒng)一，進(jìn)而得到整個大系統(tǒng)的最優(yōu)解。</p><p>　　大系統(tǒng)中包含的各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)有多種多樣的形式，其中最為普遍的形式是遞階結(jié)構(gòu)，也稱為多級控制。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，各子系統(tǒng)處于不同級別的層次中，并具有不同的功能。如圖1-1，處于上位協(xié)調(diào)的協(xié)調(diào)控制器職能，就如同總公司的董事長，其下協(xié)調(diào)級的控制器就相當(dāng)于各子公司的總裁，處于局部控制級的控制器則相當(dāng)于各部門的經(jīng)理。</p><

13、p>　　圖1-1 遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　常規(guī)的自動控制系統(tǒng)是汽輪機(jī)和鍋爐分別控制。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，機(jī)組負(fù)荷的變化必然會反映到機(jī)前主蒸汽壓力的變化，即機(jī)前主蒸汽壓力反映了機(jī)爐之間的能量平衡。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(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)等子系統(tǒng)。隨著單元機(jī)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

14、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(jī)組既參加電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰，又穩(wěn)定機(jī)組自身運行參數(shù)這兩個方面的要求，因此必須將汽輪機(jī)和鍋爐視為一個統(tǒng)一的控制對象進(jìn)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(jī)和鍋爐的工作狀態(tài)，同時給鍋爐自動控制系統(tǒng)和汽輪機(jī)自動控制系統(tǒng)發(fā)出指令，以達(dá)到快速響應(yīng)負(fù)荷的目的，盡最大可能發(fā)揮機(jī)組的調(diào)頻、調(diào)峰能力，穩(wěn)定運行參數(shù)[1]。</p><p>　　單元

15、機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機(jī)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(jī)組在處理負(fù)荷要求并同時維持機(jī)組主要運行參數(shù)的穩(wěn)定這兩個問題時，是將機(jī)爐作為一個整體來看待的。然而汽機(jī)、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(jī)調(diào)節(jié)閥開度、鍋爐燃燒率，滿足電網(wǎng)負(fù)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(jī)爐同時按

16、照電網(wǎng)負(fù)荷的要求變化，接收外部負(fù)荷的指令，根據(jù)主要參數(shù)的偏差，協(xié)調(diào)地進(jìn)行控制，這樣的控制系統(tǒng)稱為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是由負(fù)荷指令處理回路、機(jī)爐主控制回路、主壓力設(shè)定回路三部分組成。負(fù)荷指令處理回路接收中調(diào)指令、操作員指令和頻率偏差指令，通過選擇和計算，再根據(jù)機(jī)組主輔機(jī)運行情況，發(fā)出機(jī)組實際負(fù)荷指令，送給機(jī)爐主控制回路，改變調(diào)節(jié)閥的開度和鍋爐燃燒率。機(jī)前壓力設(shè)定回路，由運行人員選擇定壓/

17、滑壓運行方式，經(jīng)幅值和變化率處理后形成合適的機(jī)前壓力設(shè)定點，保證機(jī)組處于穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運行工況。</p><p>　　2．單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖1-2所示。圖中只給出了單元機(jī)組鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組最主要的控制系統(tǒng)部分。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可認(rèn)為是一種二級遞階控制系統(tǒng)。處于上位級的機(jī)爐協(xié)調(diào)級，也叫作單元機(jī)組主控系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心部分。

18、處于局部控制級的子系統(tǒng)包括鍋爐燃料控制系統(tǒng)，風(fēng)量控制系統(tǒng)，汽輪機(jī)功率/頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及直流鍋爐的給水控制系統(tǒng)。單元機(jī)組主控系統(tǒng)產(chǎn)生指揮機(jī)爐控制器動作的鍋爐指令和汽機(jī)指令。局部控制級的控制器執(zhí)行主控系統(tǒng)發(fā)出的指令，完成指定的控制任務(wù)。</p><p>　　1.2.2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本要求</p><p>　　1．機(jī)組并網(wǎng)運行時，應(yīng)使機(jī)組滿足電網(wǎng)對機(jī)組負(fù)荷的要求，并具有較高的負(fù)荷

19、適應(yīng)能力。在調(diào)節(jié)過程中，各調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動作不應(yīng)過分頻繁，不致出現(xiàn)過分超調(diào)。</p><p>　　2．保證機(jī)組運行安全。當(dāng)主機(jī)或主要輔機(jī)設(shè)備故障時，應(yīng)自動采取相應(yīng)的措施，把故障限制在最小的范圍內(nèi)，保證設(shè)備安全的前提下，不致使機(jī)組全停。負(fù)荷變更時，變更幅度和速度必須限制在安全允許的范圍內(nèi)。</p><p>　　3．對于允許滑壓運行的單元機(jī)組，其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足定壓和滑壓不同運行方式的需要。&

20、lt;/p><p>　　4．具有機(jī)爐間協(xié)調(diào)與能量平衡，實時監(jiān)視主機(jī)、輔機(jī)的運行能力。</p><p>　　5．系統(tǒng)要方便于運行人員的干預(yù)，保證任何一臺執(zhí)行器手動、自動切換的自平衡、無擾動。</p><p><b>　　中調(diào)指令</b></p><p>　　操作員指令 頻差指令</p><p&g

21、t;<b>　　汽機(jī)指令 </b></p><p><b>　　鍋爐指令 </b></p><p>　　進(jìn) 燃 風(fēng) 給 </p><p>　　汽 料 量 水 </p><p>　　

22、量 量 量 </p><p>　　圖1-2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　1.2.3 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點</p><p>　　單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)機(jī)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>　　1．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)。

23、采用了遞階控制結(jié)構(gòu)，機(jī)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)控制等技術(shù)，充分利用了機(jī)爐動態(tài)特性的特點，克服系統(tǒng)內(nèi)部耦合和非線性特性。</p><p>　　2．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)。</p><p>　　3．系統(tǒng)可靠性高。通過設(shè)置安全保護(hù)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[2]。</p

24、><p>　　1.2.4 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制的任務(wù)</p><p>　　單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制的任務(wù)有三項:又能迅速協(xié)調(diào)鍋爐、汽輪機(jī)之間的能量供求關(guān)系，使輸入機(jī)組的熱能盡快與機(jī)組的輸出功率相適應(yīng)；而且在各種運行工況下，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運行。</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的任務(wù)是協(xié)調(diào)地控制鍋爐燃料量、送風(fēng)量、給水量等，以及汽輪機(jī)閥門開度，使機(jī)組既能保證機(jī)組輸出功率迅速滿足電

25、網(wǎng)的要求，又能保證機(jī)組運行穩(wěn)定。</p><p>　　1.3 單元機(jī)組的運行方式</p><p>　　單元機(jī)組的運行方式有定壓運行和滑壓運行兩種。定壓運行是指無論機(jī)組負(fù)荷怎樣變動，始終維持主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度為額定值，通過改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門的開度，改變機(jī)組的輸出功率?；瑝哼\行則是始終保持汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門全開，在維持主蒸汽溫度恒定的同時，通過改變主蒸汽壓力改變機(jī)組的輸出功率。</p&

26、gt;<p>　　1.3.1 滑壓運行</p><p>　　采用滑壓運行方式和滑壓參數(shù)啟停是單元機(jī)組具有的特點之一。單元機(jī)組在滑壓運行方式下保持主汽門和調(diào)節(jié)汽門全開。外界負(fù)荷變化時，通過調(diào)節(jié)鍋爐的燃料、風(fēng)量、給水以及相應(yīng)的輸入量，改變鍋爐的輸入量，改變鍋爐的蒸發(fā)量，進(jìn)而改變汽輪機(jī)的進(jìn)氣壓力，在維持汽溫為額定值的前提下，使進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽能量改變，使汽輪發(fā)電機(jī)組的輸出功率適應(yīng)外界負(fù)荷的需求。</

27、p><p>　　由于鍋爐設(shè)備內(nèi)部具有很大的蓄熱能力，熱慣性也大。當(dāng)外界負(fù)荷需求變化時，雖然改變了鍋爐的能量輸入，但直到鍋爐輸出蒸汽能量的變化，還要經(jīng)過一段滯后時間和慣性過程。這就會使滑壓運行方式下，機(jī)組難以快速地響應(yīng)。另外，如果使汽輪機(jī)總是處于全開位置，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時，機(jī)組就不可能通過調(diào)節(jié)進(jìn)汽量，參與電網(wǎng)的一次調(diào)頻。所以不要使汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)汽門處于全開位置，而是留出一定的調(diào)節(jié)余地。</p><p&

28、gt;　　滑壓運行方式具有以下主要特點：</p><p>　　1．汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門保持近似全開將會使進(jìn)汽節(jié)流損失降低。</p><p>　　2．在部分負(fù)荷下主蒸汽和再熱蒸汽的壓力降低，容易保持蒸汽溫度不變。</p><p>　　3．部分負(fù)荷下給水泵的功耗比定壓運行時小。</p><p>　　4．負(fù)荷越低，滑壓運行的經(jīng)濟(jì)性越顯著。</p&g

29、t;<p>　　5．調(diào)峰停機(jī)后再啟動快，可降低啟動損耗。</p><p>　　1.3.2 定壓運行</p><p>　　定壓運行方式的基本特征是機(jī)組負(fù)荷在任何穩(wěn)定工況下，均保持主蒸汽壓力和溫度為額定值。定壓運行機(jī)組的運行方式有鍋爐跟隨、汽機(jī)跟隨、協(xié)調(diào)控制方式三種。</p><p><b>　　1．鍋爐跟隨方式</b></p

30、><p>　　汽機(jī)控制手動，汽機(jī)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，從而改變進(jìn)汽量，使發(fā)電機(jī)輸出功率迅速滿足負(fù)荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調(diào)節(jié)器接受機(jī)前壓力定值的機(jī)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1-3所示。</p><p>　　圖1-3 鍋爐跟隨方式</p><p>　　所以，在鍋爐跟隨系統(tǒng)中，

31、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(jī)組功率對汽機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)作用的響應(yīng)迅速，當(dāng)負(fù)荷要求變化時，本系統(tǒng)通過改變汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，充分利用機(jī)組蓄能，就可以得到機(jī)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。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(jī)前壓力的定值與機(jī)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(jī)調(diào)

32、節(jié)器的輸出端。當(dāng)汽壓偏差超過非線性模塊的不靈敏區(qū)時，汽機(jī)調(diào)節(jié)器發(fā)出的調(diào)節(jié)閥開度指令將受到限制。</p><p><b>　　2．汽機(jī)跟隨方式</b></p><p>　　當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量。機(jī)前壓力改變后，按機(jī)前壓力與給定值的偏差，通過汽機(jī)調(diào)節(jié)器改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，從而改變機(jī)組功率。如圖1-4所示。</p><p>

33、;　　汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，可以在汽機(jī)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(jī)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>　　圖1-4 汽機(jī)跟隨方式</p>

34、<p><b>　　3．協(xié)調(diào)控制方式</b></p><p>　　鍋爐和汽機(jī)同時接受負(fù)荷指令，并按一定的策略去協(xié)調(diào)鍋爐和汽機(jī)之間的控制。鍋爐主控制器自動，保證主汽壓，同時接受負(fù)荷指令的前饋信號；汽機(jī)主控制器自動，保證機(jī)組功率。負(fù)荷指令作為機(jī)組功率設(shè)定值。對于單元機(jī)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(jìn)行：其一是能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對機(jī)組的負(fù)荷要求；其二是在內(nèi)、外擾動作用

35、下，機(jī)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1-5所示。</p><p>　　幾種不同的運行方式間可以靈活的進(jìn)行切換，鍋爐出力受限制時，切至汽機(jī)跟隨方式；當(dāng)汽機(jī)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。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷發(fā)生變化

36、時，通過鍋爐調(diào)節(jié)器控制燃料量[3]。</p><p>　　圖1-5 協(xié)調(diào)控制方式</p><p>　　1.4 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)各部分功能介紹</p><p>　　單元發(fā)電機(jī)組是由鍋爐、汽輪發(fā)電機(jī)和輔助設(shè)備組成的龐大的設(shè)備群。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括機(jī)組主控、鍋爐主控和汽輪機(jī)主控，下面作具體介紹。</p><p>　　1.4.1 鍋爐主控&l

37、t;/p><p>　　鍋爐定值通過鍋爐主控器設(shè)定，鍋爐主控器可根據(jù)不同的運行方式可以自動或手動。</p><p>　　1．當(dāng)所有依賴鍋爐主控器的控制回路都在自動時，它可以手動；反之，鍋爐控制都在手動時，它不能手操，而只跟蹤燃料量。</p><p>　　2． 在汽輪機(jī)跟隨方式時，鍋爐主控器可以手操也可以自動，由運行員選擇。當(dāng)在自動時，運行員通過手動負(fù)荷設(shè)定器改變負(fù)荷定值。

38、</p><p>　　3. 鍋爐跟隨方式，鍋爐主控器只能自動運行，它的輸入信號是壓力定值與汽輪機(jī)閥位開度的乘積所代表的直接能量平衡信號。</p><p>　　4. 在協(xié)調(diào)控制方式運行時，鍋爐主控器也只能自動運行，它的輸出就是燃料量和風(fēng)量調(diào)節(jié)的定值。</p><p>　　1.4.2 機(jī)組主控</p><p><b>　　1．負(fù)荷信號

39、</b></p><p>　?。?）在協(xié)調(diào)和汽輪機(jī)跟隨運行方式時，負(fù)荷信號由運行人員在“手動負(fù)荷設(shè)定器”上人工設(shè)置。當(dāng)機(jī)組切換到自動發(fā)電控制時，機(jī)組接受電網(wǎng)的自動調(diào)度信號。機(jī)組上的上述負(fù)荷需求信號要受到負(fù)荷限值（最大/最小負(fù)荷限值及發(fā)生RUN BACK、RUN UP/RUN DOWN等）對負(fù)荷需求設(shè)定值的限制，負(fù)荷指令的變化亦要受到人工設(shè)定速率或汽輪機(jī)熱應(yīng)力的限制。當(dāng)機(jī)組參加電網(wǎng)一次調(diào)頻，還要迭加上頻

40、差部分的負(fù)荷指令，這時機(jī)組主控輸出為機(jī)組負(fù)荷需求指令，同時送往鍋爐和汽輪機(jī)主控。</p><p>　?。?）鍋爐跟隨方式時，機(jī)組負(fù)荷指令由汽輪機(jī)主控器設(shè)置。</p><p><b>　　2. 負(fù)荷定值控制</b></p><p>　　當(dāng)機(jī)組能力和負(fù)荷需求不相適應(yīng)時，應(yīng)根據(jù)機(jī)組實際能力對負(fù)荷定值做一定限制。</p><p>

41、;　　圖1-6 負(fù)荷指令管理中心的結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　（1）與機(jī)組負(fù)荷相關(guān)的主要運行參數(shù)而引起強迫增（RUN UP）、強迫減（RUN DOWN）；機(jī)組負(fù)荷超出了主、輔機(jī)的安全運行，這種迫降負(fù)荷既稱RUN DOWN；當(dāng)上述各值超出各自運行的下限值時，則要發(fā)生迫升負(fù)荷，即RUN UP。</p><p>　?。?）輔機(jī)故障負(fù)荷RUN BACK是指機(jī)組的主要輔機(jī)發(fā)生故障時，自動將負(fù)荷&l

42、t;/p><p>　　減到和主要輔機(jī)負(fù)載能力相適應(yīng)的負(fù)荷水平。主要輔機(jī)故障指：部分風(fēng)機(jī)（送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)）故障、給水泵故障、磨煤機(jī)故障、鍋水循環(huán)泵故障等。發(fā)生主軸開關(guān)跳閘所引起的大幅度甩負(fù)荷，為維持汽輪機(jī)電廠用電或空負(fù)荷運行而導(dǎo)致的RUN BACK稱FCB。</p><p>　　3．機(jī)組主控進(jìn)行操作的內(nèi)容</p><p>　?。?）選擇機(jī)組運行方式；</p

43、><p>　?。?）設(shè)置機(jī)組需求負(fù)荷；</p><p>　?。?）設(shè)置負(fù)荷變動率；</p><p>　?。?）設(shè)置機(jī)組負(fù)荷最大/最小值；</p><p>　　（5）電網(wǎng)調(diào)度信號的切換；</p><p>　?。?）電網(wǎng)頻率信號的切換。</p><p>　　1.4.3 汽輪機(jī)入口壓力定值</p&

44、gt;<p>　　根據(jù)機(jī)組負(fù)荷情況，可選擇定壓或滑壓運行，汽輪機(jī)入口壓力（或主汽壓力）的定值一般是負(fù)荷的函數(shù)（如圖1-7所示）。</p><p><b>　　16．68</b></p><p><b>　　壓 15</b></p><p><b>　　力</b></p>

45、<p><b>　　定 </b></p><p><b>　　值 10 </b></p><p><b>　　MPa</b></p><p><b>　　6．68</b></p><p><b>　　5 </b>&

46、lt;/p><p>　　29 75 100</p><p><b>　　負(fù)荷指令（%）</b></p><p>　　圖1-7 主汽壓力定值與負(fù)荷指令的關(guān)系曲線</p><p>　　1.4.4 汽輪機(jī)主控</p><p>

47、;　　當(dāng)DEH裝置在遠(yuǎn)方控制方式時，汽輪機(jī)主控才能通過DEH起調(diào)節(jié)作用。</p><p>　　1．當(dāng)選擇協(xié)調(diào)運行方式時，電功率（需求負(fù)荷）為設(shè)定值，實測電功率和需求</p><p>　　負(fù)荷相比較，其偏差經(jīng)汽壓偏差修正，然后經(jīng)PI處理去改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度，達(dá)到消除功率偏差的目的。</p><p>　　2．當(dāng)選擇了汽輪機(jī)跟隨方式，汽輪機(jī)進(jìn)汽壓力在設(shè)定值，實測進(jìn)汽壓

48、力與設(shè)定值相比較，其偏差經(jīng)汽輪機(jī)壓力控制器去改變汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門開度，達(dá)到消除壓力偏差的目的。</p><p>　　3．當(dāng)選擇了鍋爐跟隨和手動方式時，運行員直接在汽輪機(jī)主控器上操作來增加</p><p>　　負(fù)荷，得到所需要的電功率。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽門需求位置與實際開度的偏差送到DEH系統(tǒng)去修正閥位，最后達(dá)到平衡[3]。</p><p>　　1.5 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

49、的分類</p><p>　　目前，各種不同單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計，都是從處理快速負(fù)荷響應(yīng)和主要參數(shù)運行穩(wěn)定這一矛盾出發(fā)的，只是汽輪機(jī)、鍋爐控制系統(tǒng)的任務(wù)及相互間的聯(lián)系信號不同，具體方案各異而已。一般協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可按反饋和前饋回路不同進(jìn)行分類。</p><p>　?。?）按反饋回路分類： ① 汽輪機(jī)跟隨鍋爐為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　?、?鍋爐跟隨汽

50、輪機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　?。?）按前饋回路分類： ① DIB：指令信號間接平衡</p><p>　　② DEB：能量直接平衡系統(tǒng)</p><p>　　另一種分類方法是從能量平衡的觀點出發(fā)，把協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)劃分為直接能量平衡（DEB）和間接能量平衡（IEB）兩大類。</p><p>　　（3）按能量平衡分類： ① 直接能量

51、平衡（DEB） </p><p>　?、?間接能量平衡（IEB）</p><p>　?、?直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以汽輪機(jī)能量平衡需求信號直接對鍋爐輸入能量進(jìn)行控制的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，基本出發(fā)點是在任何工況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機(jī)能量的需求相平衡。主要特點是采用能量平衡信號PS×P1/Pt取代功率給定信號，

52、作為控制回路的前饋信號，P1為汽機(jī)調(diào)速級后壓力，直接反映的是進(jìn)汽流量也就是機(jī)組負(fù)荷，Pt為機(jī)前壓力也就是自動主汽門前壓力，PS為機(jī)前壓力設(shè)定值，P1/Pt與汽機(jī)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，該值都能做出靈敏的反映，無論在靜態(tài)還是動態(tài)，PS×P1/Pt可以表征定壓運行或滑壓運行等不同運行工況下汽機(jī)的能量輸入（亦即汽機(jī)對鍋爐的能量需求），從而調(diào)節(jié)鍋爐的風(fēng)/煤輸入指令。燃煤機(jī)組的燃料量如采用給粉機(jī)轉(zhuǎn)速或給煤率等

53、信號來直接測量，易受制粉系統(tǒng)延遲、煤質(zhì)變化等諸多干擾的影響。在燃煤汽包鍋爐DEB控制系統(tǒng)中，無論是直吹式或中間粉倉制粉系統(tǒng)，都采用熱量信號作為燃料量反饋，提供了一個在穩(wěn)態(tài)或動態(tài)工況下都適用的燃煤量工程測量方法。</p><p>　?、?間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)</p><p>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在簡單的機(jī)爐控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展的。按控制方式的不同，這種簡單的機(jī)爐控制系統(tǒng)可分為機(jī)跟爐方式和爐

54、跟機(jī)方式兩種。在機(jī)跟爐系統(tǒng)中，機(jī)組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機(jī)主汽門開度調(diào)節(jié)主蒸汽壓力。其主要缺點是對機(jī)組負(fù)荷變化需求的響應(yīng)速度慢。當(dāng)鍋爐側(cè)產(chǎn)生內(nèi)部擾動時，機(jī)前壓力PT和輸出功率N的變化將引起主汽門開度和燃料量的同時動作，最終導(dǎo)致輸出功率長時間的波動甚至振蕩，因而機(jī)跟爐方式既不適用于帶變動負(fù)荷的運行工況，也缺乏有效抑制鍋爐側(cè)內(nèi)部擾動的能力。在爐跟機(jī)系統(tǒng)中，充分利用了機(jī)組內(nèi)部蓄熱能量，機(jī)組對負(fù)荷變化需求的響應(yīng)性好，但是維持機(jī)爐能量的平衡，最

55、終要由鍋爐輸入量的改變，保持機(jī)前壓力。若沒有考慮機(jī)爐對象的耦合性，系統(tǒng)品質(zhì)會不理想；若調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當(dāng)，可能會使系統(tǒng)振蕩、不穩(wěn)定。</p><p>　　單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)吸收了機(jī)跟爐、爐跟機(jī)控制的特點，提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)[2]。</p><p>　　第二章 單元機(jī)組數(shù)學(xué)模型的動態(tài)分析</p><p>　　2.1 單元機(jī)組數(shù)學(xué)模型的動態(tài)分析</p>

56、;<p>　　大型單元機(jī)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><p>　　汽包鍋爐單元機(jī)組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。如圖2-1所示。圖中，機(jī)組的輸出功率和機(jī)前壓力為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度和燃料量為

57、控制量。WNT和WNB分別為發(fā)電機(jī)實發(fā)功率對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)；WPT和WPB分別為機(jī)前壓力對調(diào)門開度和燃料量的傳遞函數(shù)。這種合理簡化的前提是：</p><p>　　1．送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定；</p><p>　　2．引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛壓力；</p><p>　　3．給水量通過保持汽包水位進(jìn)行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡；<

58、;/p><p>　　4．主蒸汽溫度控制相對獨立。</p><p>　　圖2-1 單元機(jī)組負(fù)荷控制對象數(shù)學(xué)模型</p><p>　　在保證上述條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步假定：</p><p>　　1．考慮單元機(jī)組在額定工況下的小擾動特性，即作為線性系統(tǒng)處理。</p><p>　　2．把分布的傳熱過程，分布的管道阻力視為集中傳熱，

59、集中管道阻力，即作為集中參數(shù)系統(tǒng)處理。</p><p>　　在此基本假設(shè)條件下，單元機(jī)組受控過程動態(tài)特性可由下式表示：</p><p>　　單元機(jī)組負(fù)荷控制對象的階躍響應(yīng)特性如圖2-2所示：</p><p>　　圖2-2 階躍響應(yīng)特性圖</p><p>　　單元機(jī)組動態(tài)特性分析：</p><p>　　1．燃燒率擾動下

60、，主蒸汽壓力和輸出功的動態(tài)特性如下：</p><p>　　當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門開度不變，而發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力和輸出電功率的響應(yīng)曲線如圖2-2（a）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)過延遲后逐漸升高。由于汽輪機(jī)調(diào)門開度保持不變，進(jìn)入汽輪機(jī)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(dá)到新的平衡時，汽壓P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

61、機(jī)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>　　2．調(diào)門開度擾動下主蒸汽壓力和輸出功率的動態(tài)特性如下：</p><p>　　當(dāng)鍋爐燃燒率保持不變，而發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力和功率的響應(yīng)曲線如圖2-2（b）所示。汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加后，一開始進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓P也隨之立刻階躍下降（階

62、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，故輸出功率相應(yīng)也有暫時的增加。最終，輸出功率也隨蒸汽流量恢復(fù)到擾動前的數(shù)值。可以看出，機(jī)組增加負(fù)荷時，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放

63、蓄熱量而產(chǎn)生的。通過以上分析，可以看出負(fù)荷控制對象的動態(tài)特性的特點是：當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門開度動作時，被控量和的響應(yīng)都很快，即熱慣性小；當(dāng)鍋爐燃燒率改變時，和的響應(yīng)都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機(jī)爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異[8]。</p><p>　　2.2 機(jī)爐動態(tài)特性的基本特征</p><p>　　構(gòu)成單元機(jī)組受控對象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要針對一

64、個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機(jī)爐內(nèi)在機(jī)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>　　1．在鍋爐控制量作用下，輸出被控量和的響應(yīng)是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機(jī)控制量的作用下，輸出被控量和的響應(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(jī)組的慣性大得多，使得輸出被控量和對于的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中與之間十分相似的特性

65、。</p><p>　　3．根據(jù)以上機(jī)爐特性的基本特征，利用汽輪機(jī)調(diào)門開度作為控制量，可以快速的改變機(jī)組的被控量和。其實質(zhì)是利用了機(jī)組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機(jī)組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門控制機(jī)組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)對模型精度的要求</p><p>　　同控制理論和

66、算法對模型的要求是不同的。因不而，建模的目的以及對模型精度的要求應(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(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機(jī)爐作為一個整體，針對機(jī)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>　　

67、第三章 多變量系統(tǒng)的解耦設(shè)計</p><p><b>　　3.1 概述</b></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)，用以抵銷存在于各回路間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制。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

68、單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)過程控制中應(yīng)用比較廣泛。</p><p>　　3.2 解耦方法簡介</p><p>　　控制系統(tǒng)解耦的基本原理是設(shè)置一個合理的補償網(wǎng)絡(luò)，分全解耦和單向解耦，所謂全解耦，對于雙變量來說，簡單的來說就是指兩個輸入信號對控制對象能夠分別控制，能夠完全的解除系統(tǒng)之間的耦合，實現(xiàn)完全單相控制；而單相解耦通過補償網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)一個變量的單相控制

69、，不能完全解除系統(tǒng)中的耦合，在實際生產(chǎn)過程中能夠得到比較滿意的控制效果。解耦方法一般有串聯(lián)補償法、反饋補償法和和差補償法。</p><p>　　3.2.1 串聯(lián)補償法</p><p>　　采用串聯(lián)補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如下圖所示，</p><p>　　圖3-1 串聯(lián)解耦系統(tǒng)</p><p>　　T-調(diào)節(jié)器傳遞矩陣；C-補償裝置傳遞矩陣

70、；W-被控對象傳遞矩陣；</p><p>　　U-調(diào)節(jié)器輸出向量；Y-被調(diào)量向量；G-給定值向量；M-擾動向量</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)要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣WB={Weij}為對角矩陣。即：</p><p>　　WC=We(除對角元素不為0，其余都為0)</p&g

71、t;<p>　　串聯(lián)補償法可分為：（1） 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)；（2）帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)；</p><p>　　（3） 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu);（4）單向解耦</p><p><b>　　1．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3-2所示，這種補償方式稱之為串聯(lián)前補償

72、結(jié)構(gòu)。</p><p>　　系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為：</p><p>　?。?-1） </p><p>　　圖3-2 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><b>　?。?-2） </b></p&

73、gt;<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>　?。?-4）

74、 </p><p>　　在式（3-4）中： </p><p><b>　　（3-5）</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

75、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>　　2．帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)，這種解耦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補償結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　推導(dǎo)補償環(huán)節(jié)和的傳遞函數(shù)時

76、，可以先通過簡單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖3-2所示的結(jié)構(gòu)，有：</p><p>　　可得完全解耦的串聯(lián)前補償器、表達(dá)式為式（5-4）：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　進(jìn)一步可得帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償器R12、R21表達(dá)式為式(5-6)：</p><p><b>　?。?-7）

77、</b></p><p><b>　　3．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3-4所示。</p><p>　　以補償器的輸出C1、C2作為系統(tǒng)的輸出，可得到等效對象的傳遞函數(shù)矩陣為：</p><p>　　圖3-4 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)

78、圖</p><p>　　由解耦條件可得到補償器傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-8）</b></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，等效為： </p><p><b>　　其中

79、</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　3.2.2 反饋補償法</p><p>　　采用反饋補償法的解耦控制系統(tǒng)框圖如圖3-5所示。</p><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

80、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3-6所示。</p><p>　　圖3-5 反饋補償控制系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　所以不難看出：</b></p><p>　　圖3-6 反饋解耦系統(tǒng)等效框圖<

81、;/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>　　… （3-10）</p><p>　　考慮到解

82、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>　?。?-11）</b></p><p>　　3.2.3 和差補償法</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

83、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(jìn)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

84、有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 和差補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　設(shè)此對象的傳遞矩陣為：</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　令： </p><p>　　由此

85、可得： </p><p><b>　?。?-13）</b></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>

86、<p><b>　　由此可得：</b></p><p>　?。?-14） </p><p>　　則有： </p><p>　?。?-15）

87、 </p><p><b>　　即實現(xiàn)了完全解耦。</b></p><p>　　3.2.4 單向解耦</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，或者受干擾側(cè)控制回路消

88、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。采用單相串聯(lián)補償解耦的控制系統(tǒng)框圖與全解耦串聯(lián)補償解耦法系統(tǒng)框圖相同，見圖3-4，只是該解耦的補償矩陣為下三角陣，這里不詳細(xì)介紹。</p><p>　　第四章 125MW中間再熱燃煤機(jī)組</p><p><b>　　協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)解

89、耦串聯(lián)解耦設(shè)計</p><p>　　針對國產(chǎn)125MW中間再熱燃煤機(jī)組，對其進(jìn)行協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的串聯(lián)解耦設(shè)計。為簡化起見，只考慮了主蒸汽壓力和電功率兩個回路之間的協(xié)調(diào)，而沒有考慮機(jī)組的汽溫控制回路。</p><p>　　根據(jù)解耦理論，針對給定的125MW單元機(jī)組數(shù)學(xué)模型特點和實際生產(chǎn)情況，分析數(shù)學(xué)模型動態(tài)特性，采用串聯(lián)后補償解耦方法，對系統(tǒng)進(jìn)行單向解耦，設(shè)計的基本步驟為：</p>

90、<p>　　設(shè)計系統(tǒng)解耦框架圖；</p><p>　　計算合理的補償網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)；</p><p>　　做不帶調(diào)節(jié)器系統(tǒng)解耦后仿真響應(yīng)曲線；</p><p><b>　　初步分析解耦效果；</b></p><p>　　系統(tǒng)加調(diào)節(jié)器，分析設(shè)計效果。</p><p>　　4.1.1 系

91、統(tǒng)解耦框架圖及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　系統(tǒng)采用串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖4-1 串聯(lián)后補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　?。?-2）</b&g

92、t;</p><p>　?。?-3） </p><p>　?。?-4） </p><p><b>　　（4-5）</b></p><p>　　4.1.2 解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 </p><p>　　1．全解耦補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)置</p><p>　　由解耦條件可得到

93、補償器傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　（4-7）</b></p><p>　　應(yīng)當(dāng)指出，上述解耦是補償器輸出、對設(shè)定值擾動的全解耦。對于實際系統(tǒng)輸出和而言，仍將受到擾動的交叉干擾。對于系統(tǒng)調(diào)節(jié)器而言，等效為： </p><p><b&g

94、t;　?。?-8）</b></p><p>　　其中 （4-9）</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　帶入?yún)?shù)可解得：解耦矩陣傳遞函數(shù)為： （4-11）</p><p><b&g

95、t;　　（4-12）</b></p><p><b>　?。?-13） </b></p><p>　　2．單向解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)置</p><p>　　由式（4-12）我們可以看到，在解耦矩陣傳遞函數(shù)中，不穩(wěn)定，實現(xiàn)完全解耦時，k2的值相當(dāng)復(fù)雜，而且物理上也不易實現(xiàn)。采用完全和差解耦時，對被控對象的傳遞矩陣的形式有較高的要求。在實際生產(chǎn)過程

96、中，擾動常來自某一方面，所以，針對該系統(tǒng)及被控對象，而且該系統(tǒng)運行特性要求輸出功率穩(wěn)定，且運行過程中的主要擾動來自鍋爐側(cè)，所以采用串聯(lián)后補償單向解耦方案，以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制方式，可得到比較滿意的控制效果。</p><p>　　根據(jù)式（4-7）給出的解耦條件：,由于與特性的相似性，可以近似的認(rèn)為兩者的極點可以抵消，即：</p><p>　?。?-14） </p>

97、<p><b>　　即補償矩陣為：</b></p><p>　　4.1.3 受控對象數(shù)學(xué)模型及等效傳遞矩陣</p><p>　　考慮圖4-3所示的雙輸入、雙輸出系統(tǒng)，受控系統(tǒng)的動態(tài)傳遞函數(shù)表示為</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　圖4-1 汽壓溫度系

98、統(tǒng)對象傳遞函數(shù)框圖 </p><p><b>　　各傳遞函數(shù)為 </b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　?。?-18） </b></p>&

99、lt;p><b>　　（4-19）</b></p><p>　　式中，為主蒸汽壓力，量綱為MPa；為電功率，量綱為MW；為燃料量，量綱為t/h；為汽輪機(jī)同步器位移，量綱為mm。</p><p>　　由上訴理論可知,解耦后,被控對象等效傳遞矩陣如下所示：</p><p><b>　　（4-20）</b></p&g

100、t;<p>　　4.1.4 系統(tǒng)無調(diào)節(jié)仿真研究</p><p>　　1．未解耦環(huán)節(jié)系統(tǒng)分析</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)無解耦Simulink圖</p><p><b>　　解耦前仿真結(jié)果：</b></p><p>　　當(dāng)只有閥門開度單獨作用時，功率的輸出曲線如圖4-3所示。</p>

101、<p>　　圖4-3 閥門開度作用下的功率輸出曲線</p><p>　　當(dāng)只有閥門開度單獨作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 閥門開度作用下的主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當(dāng)鍋爐燃燒率保持不變，而汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍增加后，主蒸汽壓力和功率的響應(yīng)曲線如圖4-3、4-4所示，一開始進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量立刻成比

102、例增加，功率迅速增加。由于燃燒量保持不變，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，蒸汽量也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值，同時主汽壓力也隨之立刻階躍下降，功率也將逐漸下降回到穩(wěn)定值。從4-3、4-4可以看出，功率和主汽壓力的變化不是完全的成比例，因為鍋爐的蓄熱量大小有一定的影響。</p><p>　　當(dāng)只有燃煤量單獨作用時

103、，功率的輸出曲線如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 燃煤量作用下的功率輸出曲線</p><p>　　當(dāng)只有燃煤量單獨作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 燃煤量作用下的主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門開度不變，而燃煤量發(fā)生階躍擾動時，輸出電功率和主蒸汽壓力的響應(yīng)曲線如圖4-

104、5、4-6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(jī)調(diào)門開度保持不變，進(jìn)入汽輪機(jī)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(dá)到新的平衡時，汽壓就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值。由于蒸汽流量的增加使汽輪機(jī)輸出功率增加，輸出電功率也增加。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>　　從上面的分析可以看出，系統(tǒng)存

105、在嚴(yán)重耦合，功率的輸出不僅受閥門開度的影響，還受燃煤量地影響；主汽壓力不僅受燃煤量的影響，還受閥門開度的影響。當(dāng)鍋爐燃料量動作時，功率和主汽壓力方向相同，所以可以和之比是一個常數(shù)。而當(dāng)汽機(jī)閥門開度動作時，功率和主汽壓力的響應(yīng)曲線方向相反，所以可以大致的把與之比也近似為一個負(fù)的常數(shù)。系統(tǒng)解耦就是基于這樣一個理論。</p><p>　　2．不帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦方框圖及仿真研究</p><p>

106、;　　針對125MW中間再熱燃煤機(jī)組給出的數(shù)學(xué)模型，分析數(shù)學(xué)模型的特點，可用如圖4-7所示的系統(tǒng)進(jìn)行解耦。</p><p>　　圖4-7 不帶調(diào)節(jié)器串聯(lián)單向解耦Simulink圖</p><p>　　由上述理論可知，該解耦網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)閥門開度對功率的單一影響，因為系統(tǒng)采用單向解耦，所以系統(tǒng)將不能解除燃煤量對功率的耦合而實現(xiàn)燃煤量對主汽壓力的單一控制。上述理論以下的系統(tǒng)仿真得以驗證。<

107、/p><p><b>　　3. 仿真曲線分析</b></p><p>　　當(dāng)只有功率設(shè)定值擾動時，閥門開度動作時，系統(tǒng)的輸出曲線如圖4-8、4-9所示。</p><p>　　圖4-8 閥門開度動作下功率輸出曲線</p><p>　　圖4-9 閥門開度動作下主汽壓力輸出曲線</p><p>　　當(dāng)功

108、率設(shè)定值擾動，閥門開度增加時，汽體壓力迅速排出，系統(tǒng)由于受到蒸汽增加和鍋爐蓄熱作用，功率在很短的時間內(nèi)達(dá)到了峰值，隨后在500秒左右達(dá)到擾動穩(wěn)態(tài)值。</p><p>　　由圖4-9可以看出，主汽壓力是一個下降狀態(tài)，有較大的波動，說明由于受系統(tǒng)耦合作用，主汽壓力受到閥門開度的影響。這是由于閥門開度的增大，蒸汽的迅速排出，壓力顯然會隨著蒸汽流失而減小，在90秒左右達(dá)到最低值，在220秒左右達(dá)到平衡值。</p&g

109、t;<p>　　當(dāng)只有主汽壓力設(shè)定值擾動，燃煤量動作時，系統(tǒng)的輸出曲線如圖4-10、4-11所示。</p><p>　　圖4-10 主汽壓力設(shè)定值擾動燃煤量動作下功率輸出曲線</p><p>　　圖4-11 主汽壓力設(shè)定值擾動燃煤量動作下主汽壓力輸出曲線</p><p>　　主汽壓力設(shè)定值擾動，燃料量的加大時，受熱加大必然使蒸汽增多，汽壓顯然會增加

110、，氣體的增加必然導(dǎo)致會使主汽壓增加，170秒左右達(dá)到峰值，經(jīng)過一個短暫的慣性過程，300秒左右達(dá)到穩(wěn)定值0.7MP，如圖4-11所示。由于燃煤加熱是一個緩慢的過程，所以功率先下降了一個微小的值約0.009MP，在320秒左右后回到平衡值，波動很小，基本跟隨閥門開度的狀態(tài)而不受燃煤量影響，即消除了燃煤量對功率的耦合作用。</p><p>　　當(dāng)閥門開度和燃煤量同時作用時，功率的輸出曲線如圖4-12所示。</p

111、><p>　　圖4-12 閥門開度和燃煤量同時作用下功率輸出曲線</p><p>　　當(dāng)閥門開度和燃煤量同時加大時，功率必然增加，而且從上圖可以看出，這種增加要比當(dāng)閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達(dá)到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨增加大，在130秒左右達(dá)到峰值0.44MW，因為閥門開度和燃煤量同時作用，由于系統(tǒng)不能完全解耦，有一定的疊加性。</p><p>　　

112、當(dāng)閥門開度和燃煤量同時作用時，主汽壓力的輸出曲線如圖4-13所示。</p><p>　　圖4-13 閥門開度和燃煤量同時擾動下功率輸出曲線</p><p>　　當(dāng)閥門開度和燃煤量同時加大時，主汽壓力也必然增加，同功率一樣，這種增加要比當(dāng)閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達(dá)到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨增加大。</p><p>　　4.2 PID參數(shù)的整定及

113、系統(tǒng)仿真</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(dá)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(jī)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

114、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(dá)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