1、引 言電力工業的發展，高參數大容量的火力發電機組在電網中所占的比例越來越大，電網因用電結構變化，負荷峰谷差逐步加大，因此要求大型機組具有帶變動負荷運行的能力，以便迅速變化滿足負荷變化的需要及參加電網調頻。大型的機組都是以鍋爐、汽輪機組成單元機組方式運行，機、爐之間相互聯系緊密，成為一個不可分割的整體。因此，必須將二者作為一個聯合的條件對象進行控制，又由于外部負荷變化時，機、爐的動態響應特性差別比較大，控制系統應該考慮兩者的特點做適當的分工協調，以提高機組適應負荷變化和保持內部能量平衡的能力，所以協調控制就成為必然的趨勢，協調控制系統的控制策略設計直接決定了協調控制系統的調試及控制品質。目前，大

2、型單元機組已承擔了絕大多數的負荷。在單元機組協調控制系統中讓機、爐同時按照電網負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據主要運行參數的偏差，協調進行控制，從而在滿足電網負荷要求的同時，盡最大可能發揮機組的調頻、調峰能力，保持主要運行參數的穩定。因此，單元機組為了保證運行的高度安全、經濟、穩定，對其自動化水平提出了更高的要求。火電廠大型的單元機組控制對象為強耦合、時變、滯后大的復雜系統，當各種擾動作用時，導致控制對象參數不確定，模型難于準確建立。目前國內外對大型單元機組的研究投入了大量人力物力，但進展不大，應用主要控制策略仍為傳統的PID控制，很難使機組達到最佳狀態。因此，我們有必要不斷的探索，以

3、尋求更好的控制策略，來滿足日益提高的電力系統要求。第一章 單元機組協調控制系統1.1 單元機組協調控制的發展 國民經濟不斷增長，增加了對能源的需求量，電力工業逐漸發展為大電網、大機組、高參數、高度自動化。由于高參數，大容量機組發展迅速，裝機容量日益增多，因此對機組的自動化需求也日益提高。與其它工業生產過程相比，電力生產過程更加要求保持生產的連續性，高度的安全性和經濟性。單元機組協調控制系統已成為大型單元機組普遍采用的一種控制系統，該系統把自動調節、邏輯控制、安全保護、監督管理融為一體，具有功能完善、技術先進、可靠性高等特點，在工程應用中，協調控制系統能否成功的投入和運行，發揮其應有的功能，取決

4、于機組主設備的可控性、系統控制設備的性能及可靠性、系統設計與整定的合理性等因素。大型單元機組從設計、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。單元機組自動控制系統主要包括自動檢測與監視系統、自動調節系統、程序控制系統、自動保護系統等等。自動檢測與監視系統：把反映運行工況的物理參數，比如、壓力、流量、轉速、位移、成分等，以及反映設備運行狀態的物理參數，比如設備運行/停止、刀閘接通/斷開、閥門開啟/關閉等進行檢測。同時，也作為自動控制系統進行自動操作的依據。自動控制系統：它也稱為閉環控制系統。在機組運行過程中，持續不斷的對主要

5、運行參數進行調節，克服內部和外部各種擾動，維持各項參數在規定范圍內。程序控制系統：它也叫做順序控制系統。某些生產設備需要依照既定的操作步驟和順序進行一系列的操作，例如主輔機設備的順序的啟停等。自動保護系統：為了確保設備安全，在發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大。例如汽輪機保護系統、鍋爐保護系統、繼電保護系統。1.2 單元機組協調控制系統的基本概念1.2.1 單元機組協調控制系統概述1協調控制的基本概念單元機組的輸出電功率與負荷要求是否一致反映了機組與外部電網之間能量供求的平衡關系；主汽壓力反應了鍋爐和汽輪發電機組之間能量供求的平衡關系。協調控制系統就是為完成這兩種平

6、衡關系而設置的。使機組對外保證有較快的負荷響應和一定的調節能力，對內保證主要運行參數穩定的系統稱為協調控制系統。協調控制系統（Coordinated Concror system-CCS）,使將單元機組的鍋爐和汽輪發電機作為一個整體進行控制的系統。生產過程是否正常進行，通常是用一些物理量來表征（例如：汽輪發電機的參數、鍋爐的汽壓、汽溫、爐膛負壓、煙氣成分、汽包水位等）。當這些物理量偏離所希望維持的數值時，就表示生產過程離開了規定工況，必須加以調節。因為調節的任務就是使表征生產過程是否正常進行的這些物理量保持在所希望的數值上。而這種數值的控制中，協調控制是一種重要的方法。從大系統理論出發，協調控

7、制是一種解決大系統控制問題的基本策略。而大系統是指由若干相互關聯的子系統組成的復雜系統。應用大系統理論解決控制問題的基本方法就是分解-協調的方法。所謂分解是把大系統化為若干子系統，以便進行分塊處理與控制，求得各子系統的局部最優解；而協調則是從系統的全局出發，合理地調整各子系統之間的和諧與統一，進而得到整個大系統的最優解。大系統中包含的各子系統之間相互關聯的結構有多種多樣的形式，其中最為普遍的形式是遞階結構，也稱為多級控制。在這種遞階的結構中，各子系統處于不同級別的層次中，并具有不同的功能。如圖1-1，處于上位協調的協調控制器職能，就如同總公司的董事長，其下協調級的控制器就相當于各子公司的總裁，

8、處于局部控制級的控制器則相當于各部門的經理。圖1-1遞階控制系統結構框圖常規的自動控制系統是汽輪機和鍋爐分別控制。汽輪機調節機組負荷和轉速，機組負荷的變化必然會反映到機前主蒸汽壓力的變化，即機前主蒸汽壓力反映了機爐之間的能量平衡。主蒸汽壓力的控制由鍋爐燃燒調節系統來完成，燃燒調節系統一般又分為主蒸汽壓力調節系統、送風氧量調節系統、爐膛負壓調節系統等子系統。隨著單元機組容量的不斷增大、電網容量的增加和電網調頻、調峰要求的提高以及自身穩定（參數）運行要求的提高，常規的自動調節系統已很難滿足單元機組既參加電網調頻、調峰，又穩定機組自身運行參數這兩個方面的要求，因此必須將汽輪機和鍋爐視為一個統一的控制

9、對象進行協調控制。所謂協調控制，是指通過控制回路協調汽輪機和鍋爐的工作狀態，同時給鍋爐自動控制系統和汽輪機自動控制系統發出指令，以達到快速響應負荷的目的，盡最大可能發揮機組的調頻、調峰能力，穩定運行參數1。單元機組協調控制系統是在常規機爐局部控制系統基礎上發展起來的新型控制系統。單元機組在處理負荷要求并同時維持機組主要運行參數的穩定這兩個問題時，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，它們通過各自的調節手段，如汽輪機調節閥開度、鍋爐燃燒率，滿足電網負荷的要求及主參數的穩定，但它們的能力不盡相同，主要表現在鍋爐調節的相對滯后，如果在設計控制系統時能充分考慮它們的差異，采取某些

10、措施（如引入某些前饋信號、協調信號），讓機爐同時按照電網負荷的要求變化，接收外部負荷的指令，根據主要參數的偏差，協調地進行控制，這樣的控制系統稱為協調控制系統。協調控制系統是由負荷指令處理回路、機爐主控制回路、主壓力設定回路三部分組成。負荷指令處理回路接收中調指令、操作員指令和頻率偏差指令，通過選擇和計算，再根據機組主輔機運行情況，發出機組實際負荷指令，送給機爐主控制回路，改變調節閥的開度和鍋爐燃燒率。機前壓力設定回路，由運行人員選擇定壓/滑壓運行方式，經幅值和變化率處理后形成合適的機前壓力設定點，保證機組處于穩定、經濟的運行工況。2單元機組協調控制系統的結構單元機組協調控制系統的結構如下圖1

11、-2所示。圖中只給出了單元機組鍋爐和汽輪發電機組最主要的控制系統部分。單元機組協調控制系統可認為是一種二級遞階控制系統。處于上位級的機爐協調級，也叫作單元機組主控系統，是整個系統的核心部分。處于局部控制級的子系統包括鍋爐燃料控制系統，風量控制系統，汽輪機功率/頻率調節系統，以及直流鍋爐的給水控制系統。單元機組主控系統產生指揮機爐控制器動作的鍋爐指令和汽機指令。局部控制級的控制器執行主控系統發出的指令，完成指定的控制任務。1.2.2 單元機組協調控制系統的基本要求1機組并網運行時，應使機組滿足電網對機組負荷的要求，并具有較高的負荷適應能力。在調節過程中，各調節機構的動作不應過分頻繁，不致出現過分

12、超調。2保證機組運行安全。當主機或主要輔機設備故障時，應自動采取相應的措施，把故障限制在最小的范圍內，保證設備安全的前提下，不致使機組全停。負荷變更時，變更幅度和速度必須限制在安全允許的范圍內。3對于允許滑壓運行的單元機組，其協調控制系統應能滿足定壓和滑壓不同運行方式的需要。4具有機爐間協調與能量平衡，實時監視主機、輔機的運行能力。5系統要方便于運行人員的干預，保證任何一臺執行器手動、自動切換的自平衡、無擾動。中調指令操作員指令 頻差指令單元機組主控系統汽機指令 鍋爐指令 給 水控 制系 統風 量控 制系 統燃 料控 制系 統汽輪機控 制系 統進 燃 風 給 汽 料 量 水 量 量 量 機 爐

13、 受 控 對 象圖1-2 單元機組協調控制系統框圖1.2.3 單元機組協調控制系統的特點單元機組協調控制系統是在常規機爐控制系統基礎上發展起來的，其主要特點包括以下幾個方面：1系統結構先進。采用了遞階控制結構，機爐協調控制器是一個多變量控制器，采用了前饋、反饋、補償以及變結構控制等技術，充分利用了機爐動態特性的特點，克服系統內部耦合和非線性特性。2系統功能完善。除了正常工況下的連續調節之外，系統根據需要設計了一整套邏輯控制系統。3系統可靠性高。通過設置安全保護系統和采取一系列可靠性措施，可獲得很高的系統可靠性2。1.2.4 單元機組協調控制的任務單元機組協調控制的任務有三項:又能迅速協調鍋爐、

14、汽輪機之間的能量供求關系，使輸入機組的熱能盡快與機組的輸出功率相適應；而且在各種運行工況下，確保機組安全穩定運行。協調控制系統的任務是協調地控制鍋爐燃料量、送風量、給水量等，以及汽輪機閥門開度，使機組既能保證機組輸出功率迅速滿足電網的要求，又能保證機組運行穩定。1.3 單元機組的運行方式單元機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組負荷怎樣變動，始終維持主蒸汽壓力以及主蒸汽溫度為額定值，通過改變汽輪機調節門的開度，改變機組的輸出功率。滑壓運行則是始終保持汽輪機調節汽門全開，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組的輸出功率。1.3.1 滑壓運行采用滑壓運行方式和

15、滑壓參數啟停是單元機組具有的特點之一。單元機組在滑壓運行方式下保持主汽門和調節汽門全開。外界負荷變化時，通過調節鍋爐的燃料、風量、給水以及相應的輸入量，改變鍋爐的輸入量，改變鍋爐的蒸發量，進而改變汽輪機的進氣壓力，在維持汽溫為額定值的前提下，使進入汽輪機蒸汽能量改變，使汽輪發電機組的輸出功率適應外界負荷的需求。由于鍋爐設備內部具有很大的蓄熱能力，熱慣性也大。當外界負荷需求變化時，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，還要經過一段滯后時間和慣性過程。這就會使滑壓運行方式下，機組難以快速地響應。另外，如果使汽輪機總是處于全開位置，當電網頻率波動時，機組就不可能通過調節進汽量，參與

16、電網的一次調頻。所以不要使汽輪機的調節汽門處于全開位置，而是留出一定的調節余地。滑壓運行方式具有以下主要特點：1汽輪機調節汽門保持近似全開將會使進汽節流損失降低。2在部分負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。3部分負荷下給水泵的功耗比定壓運行時小。4負荷越低，滑壓運行的經濟性越顯著。5調峰停機后再啟動快，可降低啟動損耗。1.3.2 定壓運行定壓運行方式的基本特征是機組負荷在任何穩定工況下，均保持主蒸汽壓力和溫度為額定值。定壓運行機組的運行方式有鍋爐跟隨、汽機跟隨、協調控制方式三種。1鍋爐跟隨方式汽機控制手動，汽機調節器接受功率給定值與實發功率反饋信號，根據它們之間的偏差，調節

17、汽門開度，從而改變進汽量，使發電機輸出功率迅速滿足負荷要求。鍋爐主控制器自動，鍋爐調節器接受機前壓力定值的機前壓力反饋信號，根據偏差，調整燃料量，從而保證主汽壓力穩定。如圖1-3所示。圖1-3 鍋爐跟隨方式所以，在鍋爐跟隨系統中，快速的功率響應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機組功率對汽機側調節作用的響應迅速，當負荷要求變化時，本系統通過改變汽機調節閥開度，充分利用機組蓄能，就可以得到機組功率的快速響應。但是，這是以犧牲主蒸汽壓力為代價的，又因為在鍋爐側的調節作用下，主汽壓力的響應有較大慣性。為了減小主汽壓力的波動，以鍋爐跟隨為基礎的協調控制系統可以采用機前壓力的定值與

18、機前壓力的反饋值之間的偏差信號，通過函數模塊（死區特性），作用在汽機調節器的輸出端。當汽壓偏差超過非線性模塊的不靈敏區時，汽機調節器發出的調節閥開度指令將受到限制。2汽機跟隨方式當機組負荷發生變化時，通過鍋爐調節器控制燃料量。機前壓力改變后，按機前壓力與給定值的偏差，通過汽機調節器改變汽輪機調節閥開度，從而改變機組功率。如圖1-4所示。汽機跟隨為基礎的協調的控制系統，可以在汽機調節器前，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波動。功率偏差信號（NO-NE）可以看作是暫時改變的汽機調節器的給定值，當（PO- PT）>0時，汽壓給定值降低，汽壓調節器發出開大

19、調節閥的指令，增加輸出功率，反之亦然，當函數模塊F（x）=0時，前饋作用不存在。圖1-4 汽機跟隨方式3協調控制方式鍋爐和汽機同時接受負荷指令，并按一定的策略去協調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定值。對于單元機組協調控制系統控制質量的評價，主要根據以下兩方面進行：其一是能否盡快地響應電網對機組的負荷要求；其二是在內、外擾動作用下，機爐控制回路能否協調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。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；當汽機出力

20、受限制時，切至鍋爐跟隨方式。任何一種運行方式的選擇均要求所需要的子系統已被選擇在自動方式；任何子系統的自動方式的切除，都將導致協調控制系統轉到與之相適應的自動級。當機組負荷發生變化時，通過鍋爐調節器控制燃料量3。圖1-5 協調控制方式1.4 單元機組協調控制系統各部分功能介紹 單元發電機組是由鍋爐、汽輪發電機和輔助設備組成的龐大的設備群。協調控制系統包括機組主控、鍋爐主控和汽輪機主控，下面作具體介紹。1.4.1 鍋爐主控 鍋爐定值通過鍋爐主控器設定，鍋爐主控器可根據不同的運行方式可以自動或手動。 1當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

21、跟蹤燃料量。2 在汽輪機跟隨方式時，鍋爐主控器可以手操也可以自動，由運行員選擇。當在自動時，運行員通過手動負荷設定器改變負荷定值。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閥位開度的乘積所代表的直接能量平衡信號。4. 在協調控制方式運行時，鍋爐主控器也只能自動運行，它的輸出就是燃料量和風量調節的定值。1.4.2 機組主控1負荷信號（1）在協調和汽輪機跟隨運行方式時，負荷信號由運行人員在“手動負荷設定器”上人工設置。當機組切換到自動發電控制時，機組接受電網的自動調度信號。機組上的上述負荷需求信號要受到負荷限值（最大/最小負荷限值及發生RUN BACK、RUN UP

22、/RUN DOWN等）對負荷需求設定值的限制，負荷指令的變化亦要受到人工設定速率或汽輪機熱應力的限制。當機組參加電網一次調頻，還要迭加上頻差部分的負荷指令，這時機組主控輸出為機組負荷需求指令，同時送往鍋爐和汽輪機主控。（2）鍋爐跟隨方式時，機組負荷指令由汽輪機主控器設置。2. 負荷定值控制當機組能力和負荷需求不相適應時，應根據機組實際能力對負荷定值做一定限制。圖1-6 負荷指令管理中心的結構圖（1）與機組負荷相關的主要運行參數而引起強迫增（RUN UP）、強迫減（RUN DOWN）；機組負荷超出了主、輔機的安全運行，這種迫降負荷既稱RUN DOWN；當上述各值超出各自運行的下限值時，則要發生迫

23、升負荷，即RUN UP。（2）輔機故障負荷RUN BACK是指機組的主要輔機發生故障時，自動將負荷減到和主要輔機負載能力相適應的負荷水平。主要輔機故障指：部分風機（送風機、引風機、一次風機）故障、給水泵故障、磨煤機故障、鍋水循環泵故障等。發生主軸開關跳閘所引起的大幅度甩負荷，為維持汽輪機電廠用電或空負荷運行而導致的RUN BACK稱FCB。3機組主控進行操作的內容（1）選擇機組運行方式；（2）設置機組需求負荷；（3）設置負荷變動率；（4）設置機組負荷最大/最小值；（5）電網調度信號的切換；（6）電網頻率信號的切換。1.4.3 汽輪機入口壓力定值根據機組負荷情況，可選擇定壓或滑壓運行，汽輪機入口

24、壓力（或主汽壓力）的定值一般是負荷的函數（如圖1-7所示）。1668壓 15力定 值 10 MPa 668 5 29 75 100負荷指令（%）圖1-7 主汽壓力定值與負荷指令的關系曲線1.4.4 汽輪機主控當DEH裝置在遠方控制方式時，汽輪機主控才能通過DEH起調節作用。1當選擇協調運行方式時，電功率（需求負荷）為設定值，實測電功率和需求負荷相比較，其偏差經汽壓偏差修正，然后經PI處理去改變汽輪機調節汽門開度，達到消除功率偏差的目的。2當選擇了汽輪機跟隨方式，汽輪機進汽壓力在設定值，實測進汽壓力與設定值相比較，其偏差經汽輪機壓力控制器去改變汽輪機調節汽門開度，達到消除壓力偏差的目的。3當選擇

25、了鍋爐跟隨和手動方式時，運行員直接在汽輪機主控器上操作來增加負荷，得到所需要的電功率。汽輪機調節汽門需求位置與實際開度的偏差送到DEH系統去修正閥位，最后達到平衡3。1.5 單元機組協調控制系統的分類目前，各種不同單元機組協調控制系統的設計，都是從處理快速負荷響應和主要參數運行穩定這一矛盾出發的，只是汽輪機、鍋爐控制系統的任務及相互間的聯系信號不同，具體方案各異而已。一般協調控制系統可按反饋和前饋回路不同進行分類。（1）按反饋回路分類： 汽輪機跟隨鍋爐為基礎的協調控制系統 鍋爐跟隨汽輪機為基礎的協調控制系統（2）按前饋回路分類： DIB：指令信號間接平衡 DEB：能量直接平衡系統另一種分類方法

26、是從能量平衡的觀點出發，把協調控制系統劃分為直接能量平衡（DEB）和間接能量平衡（IEB）兩大類。（3）按能量平衡分類： 直接能量平衡（DEB） 間接能量平衡（IEB） 直接能量平衡協調控制系統直接能量平衡協調控制系統是以汽輪機能量平衡需求信號直接對鍋爐輸入能量進行控制的協調控制系統，基本出發點是在任何工況下均保證鍋爐能量的輸入與汽輪機能量的需求相平衡。主要特點是采用能量平衡信號PS×P1/Pt取代功率給定信號，作為控制回路的前饋信號，P1為汽機調速級后壓力，直接反映的是進汽流量也就是機組負荷，Pt為機前壓力也就是自動主汽門前壓力，PS為機前壓力設定值，P1/Pt與汽機調節閥開度成正

27、比，無論什么原因引起的調節閥開度變化，該值都能做出靈敏的反映，無論在靜態還是動態，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的能量輸入（亦即汽機對鍋爐的能量需求），從而調節鍋爐的風/煤輸入指令。燃煤機組的燃料量如采用給粉機轉速或給煤率等信號來直接測量，易受制粉系統延遲、煤質變化等諸多干擾的影響。在燃煤汽包鍋爐DEB控制系統中，無論是直吹式或中間粉倉制粉系統，都采用熱量信號作為燃料量反饋，提供了一個在穩態或動態工況下都適用的燃煤量工程測量方法。 間接能量平衡協調控制系統協調控制系統是在簡單的機爐控制系統的基礎上發展的。按控制方式的不同，這種簡單的機爐控制系統可分為機

28、跟爐方式和爐跟機方式兩種。在機跟爐系統中，機組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機主汽門開度調節主蒸汽壓力。其主要缺點是對機組負荷變化需求的響應速度慢。當鍋爐側產生內部擾動時，機前壓力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，最終導致輸出功率長時間的波動甚至振蕩，因而機跟爐方式既不適用于帶變動負荷的運行工況，也缺乏有效抑制鍋爐側內部擾動的能力。在爐跟機系統中，充分利用了機組內部蓄熱能量，機組對負荷變化需求的響應性好，但是維持機爐能量的平衡，最終要由鍋爐輸入量的改變，保持機前壓力。若沒有考慮機爐對象的耦合性，系統品質會不理想；若調節器參數整定不當，可能會使系統振蕩、不穩定。單元機組協調控制

29、系統吸收了機跟爐、爐跟機控制的特點，提高了系統的控制品質2。第二章 單元機組數學模型的動態分析2.1 單元機組數學模型的動態分析大型單元機組控制系統是一種多變量復雜控制系統，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聯和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建模或實驗的方法，才能建立起滿足一定精度要求的動態特性數學模型。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2-1所示。圖中，機組的輸出功率和機前壓力為被控量；主汽門調節閥開度和燃料量為控制量。WNT和WNB分別為發電機實發功率對調門開度和燃料量的傳遞函數；WPT和WPB分別為機前壓力對調門

30、開度和燃料量的傳遞函數。這種合理簡化的前提是：1送風量與燃料量相適應，保持燃燒穩定；2引風量與送風量相適應，保持爐膛壓力；3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；4主蒸汽溫度控制相對獨立。圖2-1 單元機組負荷控制對象數學模型在保證上述條件的基礎上，進一步假定：1考慮單元機組在額定工況下的小擾動特性，即作為線性系統處理。2把分布的傳熱過程，分布的管道阻力視為集中傳熱，集中管道阻力，即作為集中參數系統處理。在此基本假設條件下，單元機組受控過程動態特性可由下式表示：單元機組負荷控制對象的階躍響應特性如圖2-2所示：圖2-2 階躍響應特性圖單元機組動態特性分析：1燃燒率擾動下，

31、主蒸汽壓力和輸出功的動態特性如下：當汽輪機調門開度不變，而發生階躍擾動時，主蒸汽壓力和輸出電功率的響應曲線如圖2-2（a）所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發受熱面的吸熱量增加，汽壓經過延遲后逐漸升高。由于汽輪機調門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發的限制了汽壓的升高。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓P就趨于一個較高的新穩態值，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。當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩態值，具有自平衡能力。2調門開度擾動下主蒸汽壓力和輸出功率的動態特性如下：當鍋爐燃燒率保持不變，而發生階躍擾動時，主蒸汽壓力

32、和功率的響應曲線如圖2-2（b）所示。汽輪機調門開度階躍增加后，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓P也隨之立刻階躍下降（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）。由于燃燒率保持不變，所以蒸發量也不變。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，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應的擾動前的數值，主蒸汽壓力也逐漸趨于一個較低的新穩態值。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時的增加，故輸出功率相應也有暫時的增加。最終，輸出功率也隨蒸汽流量恢復到擾動前的數值。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生的。通過以

33、上分析，可以看出負荷控制對象的動態特性的特點是：當汽輪機調門開度動作時，被控量和的響應都很快，即熱慣性小；當鍋爐燃燒率改變時，和的響應都很慢，即熱慣性大，一快一慢就是機爐對象動態特性方面存在的較大差異8。2.2 機爐動態特性的基本特征構成單元機組受控對象的設備是鍋爐和汽輪發電機組兩大部分。協調控制系統設計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機爐內在機理的分析，可以看出其動態特性方面的以下基本特征。1在鍋爐控制量作用下，輸出被控量和的響應是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量的作用下，輸出被控量和的響應則是一個快速的過程。2由于鍋爐的熱慣性比汽輪發電機組的慣性大得多，使得輸出被控量和

34、對于的響應速度十分接近，表現為傳遞函數矩陣中與之間十分相似的特性。3根據以上機爐特性的基本特征，利用汽輪機調門開度作為控制量，可以快速的改變機組的被控量和。其實質是利用了機組內部的蓄熱，主要是鍋爐內部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調節門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態的策略。2.3 控制系統對模型精度的要求同控制理論和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依據模型應用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內在最主要、最本質的特征，對于設計出合理的控制系統是十分重要的。如前所述，單元機組協調控制系統，把機爐作為一個整體，針

35、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，構成功能完備、結構簡單可靠的控制系統。這些系統對過程模型精度方面的要求并不是很高的4第三章 多變量系統的解耦設計3.1 概述對于多變量控制系統，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而若經配對選擇，仍存在嚴重耦合，則需要考慮解耦設計，解耦設計的基本原理在于設置一個補償網絡，用以抵銷存在于各回路間的關聯，以使各被調量能實現單變量控制。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數學工具較少，與單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術人員掌握，因而，在工業過程控制中應用比較廣泛。3.2 解耦方法簡介控制系統解耦的基本原理是設置一個合理的補

36、償網絡，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之間的耦合，實現完全單相控制；而單相解耦通過補償網絡只能實現一個變量的單相控制，不能完全解除系統中的耦合，在實際生產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補償法、反饋補償法和和差補償法。3.2.1 串聯補償法采用串聯補償法解耦的多變量控制系統如下圖所示，圖3-1 串聯解耦系統T-調節器傳遞矩陣；C-補償裝置傳遞矩陣；W-被控對象傳遞矩陣； U-調節器輸出向量；Y-被調量向量；G-給定值向量；M-擾動向量W=Wij為被控對象的傳遞矩陣，C=Cij為解耦網絡的

37、傳遞矩陣，對于C的設要求使其經解耦后系統的等效對象的傳遞矩陣WB=Weij為對角矩陣。即：WC=We(除對角元素不為0，其余都為0)串聯補償法可分為：（1） 串聯前補償結構；（2）帶調節器的串聯前補償結構；（3） 串聯后補償結構;（4）單向解耦1串聯前補償結構以雙輸入雙輸出系統為例，在被控對象的輸入側串聯一個補償網絡，如圖3-2所示，這種補償方式稱之為串聯前補償結構。系統的等效對象傳遞函數表示為： （3-1） 圖3-2 串聯前補償結構圖實現完全解耦的條件為： （3-2） 由上式可解出補償器的傳遞函數為：（3-3）實現解耦以后系統的等效對象傳遞函數為：（3-4） 在式（3-4）中： （3-5）由

38、此，可以按照單變量系統設計出調節器R11和R22。串聯前補償解耦可以消除定值x擾動時對其它回路被調量的影響，但不能對發生在對象輸入側的擾動實現解耦。這意味著當出現對象輸入擾動時，仍然會對其它回路產生影響，只能由各自調節回路的調節作用去消除。 2帶調節器的串聯前的補償結構，這種解耦系統的結構如圖3-3所示。圖3-3 帶調節器的串聯前的補償結構圖推導補償環節和的傳遞函數時，可以先通過簡單的框圖交換，把系統化為圖3-2所示的結構，有：可得完全解耦的串聯前補償器、表達式為式（5-4）：（3-6）進一步可得帶調節器的串聯前補償器R12、R21表達式為式(5-6)：（3-7）3串聯后補償結構在受控對象的輸

39、出側串聯一個解耦網絡，可實現系統的全解耦。系統結構如圖3-4所示。以補償器的輸出C1、C2作為系統的輸出，可得到等效對象的傳遞函數矩陣為：圖3-4 串聯后補償的結構圖由解耦條件可得到補償器傳遞函數為： （3-8）應當指出，上述解耦是補償器輸出C1、C2對定值擾動x與內擾u的全解耦。對于實際系統輸出和而言，仍將受到內擾u的交叉干擾。對于系統調節器而言，等效為： 其中 （3-9）3.2.2 反饋補償法采用反饋補償法的解耦控制系統框圖如圖3-5所示。由解耦網絡A組成反饋解耦回路，由于調節器輸出向量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聯，同時還能抑制系統的內擾，實現

40、對內擾的不變性原理。解耦網絡A可等效成串聯解耦網絡，然后借助串聯解耦網絡的計算來求出。反饋解耦回路等效成串聯解耦網絡后，系統框圖如圖3-6所示。圖3-5 反饋補償控制系統框圖所以不難看出：圖3-6 反饋解耦系統等效框圖由于 ： 則： 其中，We解耦后等效對象傳遞矩陣。 （3-10）考慮到解耦作用在于消除交叉通道間的關聯，因此，可令A的對角元素，I為單位矩陣。由此上述式中：所以根據上述式子不難得出： （3-11） 和差補償法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：一是所設計的解耦補償環節，經常是在物理上不可實現的。其二，補償環節是按被控對象數學模型，根據零

41、-極點對消的原則設計出來的。這不僅使之實現有困難，而且當對象中的參數變化而造成數學模型的改變時，可能造成系統開環不穩定，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的特點，對各通道的傳遞函數進行加減運算，使等效對象的傳遞矩陣成為對角矩陣。以下以一個具有兩個輸入和兩個輸出的對象為例，如圖3-7所示。圖3-7 和差補償系統結構圖設此對象的傳遞矩陣為：（3-12）令： 由此可得： （3-13）當W12與W22有相似特性，變化方向相同時，選k1可使W12-k1W22=0；當W21與W11有相似特性，變化方向相反時，選k2可使W21+k2W11=0。由此可得：（

42、3-14） 則有： （3-15） 即實現了完全解耦。3.2.4 單向解耦單向解耦是使經過補償的等效對象傳函矩陣成為一個三角陣，使補償器的數量減少。以雙輸入雙輸出系統為例，如果系統中某一側擾動對另一側系統輸出的影響較小，可忽略不計，或者受干擾側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。采用單相串聯補償解耦的控制系統框圖與全解耦串聯補償解耦法系統框圖相同，見圖3-4，只是該解耦的補償矩陣為下三角陣，這里不詳細介紹。第四章 125MW中間再熱燃煤機組協調控制系統的設計4.1 系統解耦串聯解耦設計針對國產125MW中間再熱燃煤機組，對其進行協調控制系統的串聯解耦設計。為

43、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調，而沒有考慮機組的汽溫控制回路。根據解耦理論，針對給定的125MW單元機組數學模型特點和實際生產情況，分析數學模型動態特性，采用串聯后補償解耦方法，對系統進行單向解耦，設計的基本步驟為：(1) 設計系統解耦框架圖；(2) 計算合理的補償網絡傳遞函數；(3) 做不帶調節器系統解耦后仿真響應曲線；(4) 初步分析解耦效果；(5) 系統加調節器，分析設計效果。4.1.1 系統解耦框架圖及數學模型系統采用串聯后補償結構。（4-1）圖4-1 串聯后補償的結構圖其中 （4-2）（4-3）（4-4） （4-5）4.1.2 解耦網絡設置1全解耦補償網絡設置

44、由解耦條件可得到補償器傳遞函數為：（4-6） （4-7）應當指出，上述解耦是補償器輸出、對設定值擾動的全解耦。對于實際系統輸出和而言，仍將受到擾動的交叉干擾。對于系統調節器而言，等效為： （4-8）其中 （4-9） （4-10）帶入參數可解得：解耦矩陣傳遞函數為： （4-11） （4-12）（4-13） 2單向解耦網絡設置由式（4-12）我們可以看到，在解耦矩陣傳遞函數中，不穩定，實現完全解耦時，k2的值相當復雜，而且物理上也不易實現。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。在實際生產過程中，擾動常來自某一方面，所以，針對該系統及被控對象，而且該系統運行特性要求輸出功率穩定

45、，且運行過程中的主要擾動來自鍋爐側，所以采用串聯后補償單向解耦方案，以爐跟機為基礎的協調控制方式，可得到比較滿意的控制效果。根據式（4-7）給出的解耦條件：,由于與特性的相似性，可以近似的認為兩者的極點可以抵消，即： （4-14）即補償矩陣為：4.1.3 受控對象數學模型及等效傳遞矩陣考慮圖4-3所示的雙輸入、雙輸出系統，受控系統的動態傳遞函數表示為（4-15）圖4-1 汽壓溫度系統對象傳遞函數框圖各傳遞函數為 （4-16）（4-17）（4-18） （4-19）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；為汽輪機同步器位移，量綱為mm。 由上訴理論可知,解耦

46、后,被控對象等效傳遞矩陣如下所示：（4-20）4.1.4 系統無調節仿真研究1未解耦環節系統分析圖4-2系統無解耦Simulink圖解耦前仿真結果：當只有閥門開度單獨作用時，功率的輸出曲線如圖4-3所示。圖4-3 閥門開度作用下的功率輸出曲線當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。圖4-4 閥門開度作用下的主汽壓力輸出曲線當鍋爐燃燒率保持不變，而汽輪機調門開度階躍增加后，主蒸汽壓力和功率的響應曲線如圖4-3、4-4所示，一開始進入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，功率迅速增加。由于燃燒量保持不變，所以蒸發量也不變，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

47、的。最終，蒸汽流量仍恢復到與燃燒率相適應的擾動前的數值，蒸汽量也逐漸趨于一個較低的新穩態值，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。當只有燃煤量單獨作用時，功率的輸出曲線如圖4-5所示。圖4-5 燃煤量作用下的功率輸出曲線當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。圖4-6燃煤量作用下的主汽壓力輸出曲線當汽輪機調門開度不變，而燃煤量發生階躍擾動時，輸出電功率和主蒸汽壓力的響應曲線如圖4-5、4-6所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發受熱面的吸熱量增加，汽壓經過遲

48、延后逐漸升高。由于汽輪機調門開度保持不變，進入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發的限制了汽壓的升高。當蒸汽流量與燃燒率達到新的平衡時，汽壓就趨于一個較高的新穩態值。由于蒸汽流量的增加使汽輪機輸出功率增加，輸出電功率也增加。當蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩態值，具有自平衡能力。從上面的分析可以看出，系統存在嚴重耦合，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。而當汽機閥門開度動作時，功率和主汽壓力的響應曲線方向相反，所以可以大致的把與之比也近似為一個負的常數。系

49、統解耦就是基于這樣一個理論。2不帶調節器串聯單向解耦方框圖及仿真研究針對125MW中間再熱燃煤機組給出的數學模型，分析數學模型的特點，可用如圖4-7所示的系統進行解耦。圖4-7不帶調節器串聯單向解耦Simulink圖由上述理論可知，該解耦網絡將實現閥門開度對功率的單一影響，因為系統采用單向解耦，所以系統將不能解除燃煤量對功率的耦合而實現燃煤量對主汽壓力的單一控制。上述理論以下的系統仿真得以驗證。3. 仿真曲線分析當只有功率設定值擾動時，閥門開度動作時，系統的輸出曲線如圖4-8、4-9所示。圖4-8 閥門開度動作下功率輸出曲線圖4-9 閥門開度動作下主汽壓力輸出曲線當功率設定值擾動，閥門開度增加

50、時，汽體壓力迅速排出，系統由于受到蒸汽增加和鍋爐蓄熱作用，功率在很短的時間內達到了峰值，隨后在500秒左右達到擾動穩態值。由圖4-9可以看出，主汽壓力是一個下降狀態，有較大的波動，說明由于受系統耦合作用，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秒左右達到最低值，在220秒左右達到平衡值。當只有主汽壓力設定值擾動，燃煤量動作時，系統的輸出曲線如圖4-10、4-11所示。圖4-10 主汽壓力設定值擾動燃煤量動作下功率輸出曲線圖4-11 主汽壓力設定值擾動燃煤量動作下主汽壓力輸出曲線主汽壓力設定值擾動，燃料量的加大時，受熱加大必然使蒸汽

51、增多，汽壓顯然會增加，氣體的增加必然導致會使主汽壓增加，170秒左右達到峰值，經過一個短暫的慣性過程，300秒左右達到穩定值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而不受燃煤量影響，即消除了燃煤量對功率的耦合作用。當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。圖4-12閥門開度和燃煤量同時作用下功率輸出曲線當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，這種增加要比當閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨

52、增加大，在130秒左右達到峰值0.44MW，因為閥門開度和燃煤量同時作用，由于系統不能完全解耦，有一定的疊加性。當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。圖4-13 閥門開度和燃煤量同時擾動下功率輸出曲線當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，這種增加要比當閥門開度或和燃煤量單獨增加來的更快、達到的峰值要比閥門開度或和燃煤量單獨增加大。4.2 PID參數的整定及系統仿真控制系統的整定是指在控制系統的結構已經確定、控制儀表與控制對象等都處在正常狀態的情況下，適當選擇調節器的參數()使控制儀表的特性和控制對象的特性配合，從而使控制系統的運行達到最佳狀態

53、，取得最好的控制效果。顯然，如果控制對象的運行方式不當，或者系統設計方案不合理，測量儀表和調節機構選型不當，安裝質量不高等，則無論怎樣整定調節器的參數，也不能滿足調節質量的要求。另一方面，在主設備完善、系統設計方案合理、設備安裝等均已完善的條件下，只有經過正確的整定，才能達到預期的控制質量。從理論上看，通過計算來整定調節器的參數是可行的辦法。采用各種計算方法，求出閉環系統特征根的分布情況，對振蕩頻率、靜態偏差、動態偏差、控制過程時間等有明確的結論，根據所得結論能夠比較在不同的調節規律、不同參數值的情況下過渡過程的品質和實現保證衰減率大于所規定的數值的要求。但問題是計算方法要以控制對象的動態特性

54、為依據，而動態特性測取時含有不精確性，更難以處理的是在工況變動時，對象的動態特性可能發生變化。另外，對控制系統中的一些非線性環節要近似為線性環節，甚至要對調節器本身在計算時也只能看作是線性的理想調節器。由于這些原因，各種計算結果只能是近似的，只宜作參考依據。在熱工生產過程中，比較實用的是現場整定方法，即通過現場調試來選擇調節器的參數。但是現場整定也要在正確的理論指導下才能有效進行并解決所能發現的問題，若事先不經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果，而是利用一些經驗性圖表，先略估計調節器參數的取值范圍，從而給現場整定提供參考。4.2.1 參數整定方法簡介1臨界比例帶法臨界比例帶法又稱邊界穩定法，其要點是將調節器設置成純比例作用，將系統投入自動運行并將比例帶由大到小改變，直到系統產生等幅振蕩為止。這時控制系統處于邊界穩定狀態，記下此狀態下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據經驗公式計算出調節器的各個參