熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)1

1、熱工自動(dòng)控制理論與技術(shù)牛玉廣北方聯(lián)合電力公司華北電力大學(xué)2006年7月目錄第一章 熱工自動(dòng)控制基礎(chǔ)1.1 自動(dòng)控制的基本概念1.1.1過(guò)程控制、程序控制與運(yùn)動(dòng)控制l 過(guò)程控制：對(duì)流程工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的控制，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石化、輕工等行業(yè)。l 程序控制（順序控制或開(kāi)關(guān)控制）：根據(jù)預(yù)先規(guī)定的順序和條件，使生產(chǎn)工藝過(guò)程中的設(shè)備自動(dòng)地依次進(jìn)行操作。非流程工業(yè)控制（制造業(yè)等）。l 運(yùn)動(dòng)控制：機(jī)器人控制等。1.1.2 過(guò)程控制系統(tǒng)的組成在無(wú)人直接參與下可使生產(chǎn)過(guò)程或其它過(guò)程按期望規(guī)律或預(yù)定程序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。圖1-1典型的輸出反饋控制系統(tǒng)典型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。它是由控制對(duì)象、測(cè)量環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)

2、器和執(zhí)行器構(gòu)成輸出反饋控制系統(tǒng)。當(dāng)圖中控制器由模擬儀表實(shí)現(xiàn)時(shí)，稱(chēng)為模擬（連續(xù)）控制系統(tǒng)；當(dāng)控制器由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)，則稱(chēng)為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算與處理，而生產(chǎn)過(guò)程輸入輸出多為連續(xù)模擬信號(hào)，因此，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中首先要解決計(jì)算機(jī)與生產(chǎn)過(guò)程間的信號(hào)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)這一功能的器件是多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和保持器，控制器則由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。典型的輸出反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2輸出反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)目前普遍采用DCS實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制，其本質(zhì)也是一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。輸出反饋控制是狀態(tài)反饋控制的特例。計(jì)算機(jī)的使用使實(shí)現(xiàn)狀態(tài)反饋控制成為可能，從

3、而為現(xiàn)代控制理論應(yīng)用于生產(chǎn)過(guò)程控制創(chuàng)造了條件。狀態(tài)反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3狀態(tài)反饋計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要組成部分說(shuō)明如下：一、控制對(duì)象控制對(duì)象是指所要控制的裝置或設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、水泵、閥門(mén)及鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等。在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中，控制對(duì)象以數(shù)學(xué)模型形式來(lái)描述，其一般形式為微分方程。當(dāng)然，對(duì)于復(fù)雜控制對(duì)象，其完整準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型是難以獲得的，工程上往往使用經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的、能滿足控制要求的近似模型。當(dāng)考慮被控對(duì)象參數(shù)在工作點(diǎn)附近波動(dòng)時(shí)，可以假設(shè)被控對(duì)象具有線性輸入輸出關(guān)系，而以傳遞函數(shù)來(lái)表征。這也是目前使用最廣泛的對(duì)象特性描述方法?？刂茖?duì)象用傳遞函數(shù)來(lái)表征時(shí)，其特

4、性可以用放大系數(shù)K、慣性時(shí)間常數(shù)Tm、積分時(shí)間常數(shù)Ti和純滯后時(shí)間 t 來(lái)描述?？刂茖?duì)象的傳遞函數(shù)可以歸納為以下幾類(lèi)：（1） 放大環(huán)節(jié)G(s)=K，此類(lèi)對(duì)象如線性閥門(mén)、杠桿系統(tǒng)等。（2） 慣性環(huán)節(jié)當(dāng)T1=T2=Tn時(shí)，有此類(lèi)對(duì)象一般伴有物質(zhì)、能量的傳遞過(guò)程，如沿管道的加熱過(guò)程等。（3） 積分環(huán)節(jié)此類(lèi)對(duì)象如水箱水位系統(tǒng)等。（4） 純滯后環(huán)節(jié)此類(lèi)對(duì)象反映物質(zhì)流動(dòng)或化學(xué)反映造成的純滯后。實(shí)際對(duì)象可能是放大環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)。如噴水減溫系統(tǒng)過(guò)熱器出口溫度對(duì)減溫水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的傳遞函數(shù)為慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)：汽包水位對(duì)給水量的傳遞函數(shù)為積分環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)的串聯(lián)：控制對(duì)象也可

5、以按照輸入、輸出量的個(gè)數(shù)分類(lèi)，當(dāng)僅有一個(gè)輸入U(xiǎn)(s)和一個(gè)輸出Y(s)時(shí)，稱(chēng)為單輸入單輸出對(duì)象，這是最簡(jiǎn)單的情況。當(dāng)對(duì)象具有多個(gè)輸入和單個(gè)輸出時(shí)，稱(chēng)為多輸入單輸出對(duì)象。當(dāng)對(duì)象具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出時(shí)，稱(chēng)為多輸入多輸出對(duì)象，這是最普遍的情況。鍋爐汽輪機(jī)系統(tǒng)，在一定條件下可以簡(jiǎn)化為二輸入二輸出系統(tǒng)，如圖1-4所示。其中mB為進(jìn)入鍋爐的熱量，mT為汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度，N為實(shí)發(fā)功率，P為機(jī)前壓力。該圖說(shuō)明鍋爐汽輪機(jī)系統(tǒng)為耦合系統(tǒng)，mB既通過(guò)G11(s)影響P，又通過(guò)G12(s)影響N；mT既通過(guò)G22(s)影響N，又通過(guò)G21(s)影響P 。設(shè)計(jì)上述對(duì)象的控制系統(tǒng)時(shí)，要用到多變量解耦理論與方法。圖1-4機(jī)

6、爐控制對(duì)象掌握控制對(duì)象特性對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)整定十分有用。二、執(zhí)行器執(zhí)行器是控制系統(tǒng)中的重要部件，它根據(jù)控制器輸出的控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過(guò)程符合預(yù)定的要求。按照采用的動(dòng)力方式，執(zhí)行器可以分為電動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器和液動(dòng)執(zhí)行器三大類(lèi)。圖1-5調(diào)節(jié)閥的輸入輸出特性執(zhí)行器通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成，調(diào)節(jié)閥的特性有線性特性、等百分比特性和快開(kāi)特性等三種，如圖1-5所示。執(zhí)行器性能的好壞對(duì)控制系統(tǒng)控制效果將產(chǎn)生重要影響。因此，使用前要對(duì)其進(jìn)行調(diào)校，以減少死區(qū)、增加可調(diào)范圍、縮小回差?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要加入閥門(mén)特性非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)。三、測(cè)量變送器測(cè)量變送器由傳感器和測(cè)量線路

7、組成，它將過(guò)程參數(shù)轉(zhuǎn)換為某種形式的信號(hào)，以便于傳輸、顯示或計(jì)算。生產(chǎn)過(guò)程中常用的測(cè)量變送器有測(cè)量溫度的熱電偶、熱電阻，測(cè)量壓力的壓力變送器，測(cè)量流量的差壓變送器及液位傳感器、力傳感器、應(yīng)變傳感器、振動(dòng)傳感器、火焰探測(cè)器等。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，首先要將過(guò)程參數(shù)通過(guò)測(cè)量變送器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)隔離、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量進(jìn)入計(jì)算機(jī)。四、控制器數(shù)字控制器的核心為數(shù)字計(jì)算機(jī)，數(shù)字控制器的控制規(guī)律是由計(jì)算機(jī)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于計(jì)算機(jī)程序編寫(xiě)的靈活性，使得數(shù)字控制器比傳統(tǒng)模擬控制器能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。1.1.3 幾個(gè)術(shù)語(yǔ)被調(diào)量（被控量）：被測(cè)量或被控制的變量，為系統(tǒng)輸出。通過(guò)檢測(cè)可以得到的描述系統(tǒng)行為

8、的變量，需要調(diào)節(jié)的參數(shù)，使某參數(shù)符合給定要求。調(diào)節(jié)量（控制量）：通過(guò)控制器或操作可改變的變量，為系統(tǒng)輸入?？梢砸鸨徽{(diào)量變化，與被調(diào)量有因果關(guān)系。SISO系統(tǒng)：?jiǎn)屋斎雴屋敵鱿到y(tǒng)（Single Input Single Output）；MIMO系統(tǒng)：多輸入多輸出系統(tǒng)（Multi-Input Multi-Output）。給定值（設(shè)定值）：規(guī)定被調(diào)量按一定目標(biāo)變化。定值控制：給定值保持不變。隨動(dòng)控制：給定值根據(jù)某一變量變化。擾動(dòng)量（干擾）：引起被調(diào)量偏離給定值的各種因素。內(nèi)部擾動(dòng)：控制側(cè)產(chǎn)生的擾動(dòng)；外部擾動(dòng)：非控制側(cè)產(chǎn)生的擾動(dòng)。模擬量：連續(xù)變化的變量，溫度、壓力、流量、液位等。開(kāi)關(guān)量：非連續(xù)變化的變

9、量，接點(diǎn)的斷開(kāi)與閉合、繼電器的激勵(lì)與非激勵(lì)、信號(hào)的高低、電機(jī)的起停等。開(kāi)環(huán)監(jiān)視與閉環(huán)控制：開(kāi)環(huán)監(jiān)視-過(guò)程參數(shù)只進(jìn)行簡(jiǎn)單的顯示、記錄、處理等，不直接用于控制；閉環(huán)控制既反饋控制-通過(guò)控制信號(hào)通道與反饋信號(hào)通道構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)回路。根據(jù)反饋信號(hào)與期望的偏差來(lái)修正控制信號(hào)，以達(dá)到干預(yù)被控對(duì)象的目的。前饋控制與反饋控制：前饋控制是以不變性原理為基礎(chǔ)的一種控制方法，實(shí)質(zhì)上是一種按照擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)環(huán)系統(tǒng)，擾動(dòng)信號(hào)分別通過(guò)對(duì)象的擾動(dòng)通道與前饋通道來(lái)影響被調(diào)量，并使被調(diào)量保持不變；反饋控制系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息進(jìn)行控制，即通過(guò)比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望行為

10、之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號(hào)前向通道，也存在從輸出到輸入的信號(hào)反饋通路，兩者構(gòu)成一個(gè)閉合的回路。反饋控制是自動(dòng)控制的主要形式。常規(guī)控制與高級(jí)控制：用PID等簡(jiǎn)單控制算法實(shí)現(xiàn)的控制叫常規(guī)控制；用高級(jí)控制算法實(shí)現(xiàn)的控制叫高級(jí)控制，如預(yù)估控制、狀態(tài)觀測(cè)器、智能控制等。1.2 控制系統(tǒng)性能指標(biāo)靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)）：參數(shù)在一定意義下保持不變，平衡狀態(tài)，是相對(duì)的。動(dòng)態(tài)：系統(tǒng)處于兩個(gè)平衡之間的過(guò)渡狀態(tài)，參數(shù)是變化的。系統(tǒng)受內(nèi)擾與外擾的作用，會(huì)不斷發(fā)生變化，如給定值變化、外界條件變化等。會(huì)偏離穩(wěn)定狀態(tài)。控制系統(tǒng)在受到干擾作用時(shí)的過(guò)渡過(guò)程可能有如圖四種情況：不

11、振蕩、衰減振蕩、等幅振蕩、漸擴(kuò)振蕩。衡量一個(gè)控制系統(tǒng)的指標(biāo)一般可歸納為三個(gè)方面：穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性?？刂葡到y(tǒng)的性能指標(biāo)是衡量和比較控制系統(tǒng)優(yōu)劣的準(zhǔn)則。這些準(zhǔn)則體現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性的要求。以圖1-7所示控制系統(tǒng)在給定擾動(dòng)下的被調(diào)量階躍響應(yīng)曲線為例，說(shuō)明幾種性能指標(biāo)的含義及計(jì)算方法。一、率減比和率減率率減比和率減率都是衡量一個(gè)過(guò)渡過(guò)程的率減程度的指標(biāo)。其中率減比等于兩個(gè)相鄰的同相波峰值之比，即率減比 率減率是指經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，波動(dòng)幅度率減的百分?jǐn)?shù)，即率減率 率減比和率減率之間有簡(jiǎn)單的的對(duì)應(yīng)關(guān)系，例如率減比為4:1就相當(dāng)于率減率0.75或75%。為了保證控制系統(tǒng)有一定

12、的穩(wěn)定裕度，在過(guò)程控制中一般要求率減比為4:1到10:1，相當(dāng)于率減率為75%到90%，這樣，大約經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期以后系統(tǒng)將趨于穩(wěn)定了。圖1-7 控制系統(tǒng)階躍擾動(dòng)及響應(yīng)二、最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量最大動(dòng)態(tài)偏差是指給定值階躍擾動(dòng)時(shí)，過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始后第一個(gè)波峰超過(guò)其新穩(wěn)態(tài)值的幅度，即圖中的y1。最大動(dòng)態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為超調(diào)量。最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量是控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)準(zhǔn)確性的一種衡量指標(biāo)。超調(diào)量三、殘余偏差殘余偏差是指過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被調(diào)量新的穩(wěn)態(tài)值y與新給定值r之間的差值，它是控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的衡量指標(biāo)。Ess=r- y四、調(diào)節(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)時(shí)間ts是從過(guò)渡過(guò)程開(kāi)始到結(jié)束所需的時(shí)間。理論上它需要無(wú)

13、限長(zhǎng)的時(shí)間，但一般認(rèn)為當(dāng)被調(diào)量已進(jìn)入其穩(wěn)態(tài)值的5%（或2%）范圍內(nèi)，就算過(guò)渡過(guò)程已經(jīng)結(jié)束。調(diào)節(jié)時(shí)間是衡量控制系統(tǒng)快速性的指標(biāo)。五、積分型指標(biāo)積分型指標(biāo)是衡量控制系統(tǒng)性能的綜合性指標(biāo)，它與誤差的幅值及過(guò)渡過(guò)程時(shí)間有關(guān)，因此希望它愈小愈好。常見(jiàn)的積分型指標(biāo)有以下幾種：誤差積分（IE）絕對(duì)誤差積分（IAE）平方誤差積分（ISE）時(shí)間與絕對(duì)誤差乘積積分（ITAE）一個(gè)具體的控制系統(tǒng)，到底使用以上所述的哪個(gè)指標(biāo)作為整定控制器參數(shù)的依據(jù)，與系統(tǒng)本身特點(diǎn)及控制要求有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，單項(xiàng)指標(biāo)（率減比和率減率、最大動(dòng)態(tài)偏差和超調(diào)量、殘余偏差及調(diào)節(jié)時(shí)間）計(jì)算簡(jiǎn)單，容易理解，工程上使用最為廣泛。而積分型指標(biāo)又具有精確

14、、唯一的優(yōu)點(diǎn)。例如多種PID參數(shù)的組合均可以使閉環(huán)系統(tǒng)達(dá)到4:1的率減比，而只有一種組合可以實(shí)現(xiàn)某一積分準(zhǔn)則的最小。因此，控制器參數(shù)尋優(yōu)時(shí)往往使用積分型準(zhǔn)則。另外，使用不同積分準(zhǔn)則整定出的控制系統(tǒng)，其過(guò)程響應(yīng)曲線形狀也是不盡相同的。例如ISE指標(biāo)中加大了對(duì)偏差的懲罰力度，所以以ISE準(zhǔn)則最小整定出來(lái)的系統(tǒng)最大動(dòng)態(tài)偏差較小，但調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)；ITAE中考慮了調(diào)節(jié)時(shí)間的影響，因此以ITAE準(zhǔn)則最小整定出來(lái)的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間最短，但最大動(dòng)態(tài)偏差最大；IAE介于ISE與ITAE之間，其系統(tǒng)響應(yīng)在很多情況下都接近4:1的率減比。根據(jù)火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)運(yùn)行檢修導(dǎo)則1，火電廠主要熱工控制系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)滿足以下

15、要求：（1） 內(nèi)擾試驗(yàn)（包括定值擾動(dòng)）。內(nèi)擾試驗(yàn)在70%負(fù)荷以上進(jìn)行，擾動(dòng)量宜為被調(diào)介質(zhì)滿量程的10%。調(diào)節(jié)過(guò)程衰減率應(yīng)在0.70.9，被調(diào)節(jié)量的峰值不應(yīng)達(dá)到保護(hù)動(dòng)作值（對(duì)于主蒸汽壓力和負(fù)荷控制系統(tǒng)衰減率應(yīng)在0.90.95）。（2） 外擾試驗(yàn)（負(fù)荷擾動(dòng)）。負(fù)荷擾動(dòng)試驗(yàn)在機(jī)組負(fù)荷70%以上進(jìn)行，負(fù)荷變化分慢、中、快三種工況，各工況下機(jī)組主要參數(shù)變化范圍應(yīng)按DL/T 657執(zhí)行。機(jī)組主要參數(shù)變化范圍見(jiàn)表1。表1 機(jī)組主要參數(shù)變化范圍負(fù)荷狀態(tài)給定負(fù)荷變化速率穩(wěn)態(tài)（1%min慢速變化（3%min）快速變化（5%min）主汽壓力（MPa）±0.3±0.5±0.8汽包水位（m

16、m）±25±40±60新蒸汽溫度（）±4±8±10再熱汽溫度（）±5±10±12爐膛壓力（Pa）±100±200±2501.3 熱工控制對(duì)象建模方法1.3.1 系統(tǒng)建模數(shù)學(xué)模型：行為規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。靜態(tài)模型與動(dòng)態(tài)模型。建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程稱(chēng)為建模。一、建模目的（1） 改進(jìn)系統(tǒng)或設(shè)備。（2） 制訂啟停及操作方案。（3） 仿真培訓(xùn)。（4） 控制方案設(shè)計(jì)。（5） 控制系統(tǒng)參數(shù)整定。二、數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式微分方程模型：線性、非線性連續(xù)系統(tǒng)模型、離散系統(tǒng)模型輸入輸出模型、狀態(tài)空間模型時(shí)域模

17、型、頻域模型。模型的簡(jiǎn)化。復(fù)雜系統(tǒng)模型建立困難，分段、線性化、主要因素等進(jìn)行簡(jiǎn)化。傳遞函數(shù)的定義。三、建立數(shù)學(xué)模型的基本方法（1） 機(jī)理法建模。物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動(dòng)量平衡方程、相平衡方程、流動(dòng)、傳熱化學(xué)等方程。（2） 測(cè)試法建模。根據(jù)工業(yè)過(guò)程的輸入和輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種數(shù)學(xué)處理后得到模型。主要用于建立輸入輸出模型。經(jīng)典法與現(xiàn)代法。1.3.2 熱工過(guò)程動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)（1） 熱工過(guò)程常見(jiàn)動(dòng)態(tài)特性有自平衡單容對(duì)象、有自平衡多容對(duì)象、無(wú)自平衡單容對(duì)象、無(wú)自平衡多容對(duì)象。（2） 純遲延傳輸遲延：物體移動(dòng)需要時(shí)間。容積遲延：多個(gè)容積遲延，分布參數(shù)時(shí)有無(wú)窮多個(gè)容積遲延（過(guò)熱器等）。純遲延使控制更

18、加困難。t/T>0.5時(shí)，控制較為困難。也常用用et來(lái)衡量。圖1-8 動(dòng)態(tài)特性曲線由（自平衡過(guò)程）或（非自平衡過(guò)程）從響應(yīng)開(kāi)始到再經(jīng)過(guò)t 時(shí)間后，被調(diào)量的變化量近似為et 值越大，則過(guò)程越接近一個(gè)純遲延過(guò)程，控制起來(lái)越困難。這一參數(shù)被用于控制器參數(shù)整定。有時(shí)用 t/T作為表征對(duì)象純遲延的指標(biāo)。（3） 對(duì)象動(dòng)態(tài)特性是不振蕩的。（4） 被控對(duì)象往往具有非線性。簡(jiǎn)化。最簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)化為一階慣性加純遲延：1.3.3 試驗(yàn)建模方法一、 由階躍響應(yīng)求取對(duì)象的傳遞函數(shù)二、 由脈沖響應(yīng)求取對(duì)象傳遞函數(shù)三、 求取對(duì)象傳遞函數(shù)的面積法四、最小二乘辨識(shí)法五、閉環(huán)辨識(shí)。1.4 控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定1.4.1 控制器

19、設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)在右半平面內(nèi)。極點(diǎn)配置。1.4.2 PID控制器PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響下面以標(biāo)準(zhǔn)PID算法為例，說(shuō)明控制器參數(shù)，即比例系數(shù)Kp、積分時(shí)間Ti和微分時(shí)間Td對(duì)系統(tǒng)性能的影響。一、比例作用Kp對(duì)控制性能的影響（1） 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響比例系數(shù)Kp越大，比例作用越強(qiáng)。在純比例控制中，比例作用Kp加大，使系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，速度加快。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長(zhǎng)。當(dāng)Kp太大時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。若Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)作緩慢。圖1-9比較了不同Kp對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。（2） 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響加大比例作用Kp，在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以減少穩(wěn)態(tài)誤差ess，提高控制精度，但不能完全消除靜

20、態(tài)誤差。圖1-9 Kp對(duì)控制性能的影響二、積分作用Ti對(duì)控制性能的影響積分作用通常與比例作用或微分作用相結(jié)合，構(gòu)成PI或PID控制。積分作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖1-10所示。（1） 對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響積分時(shí)間Ti越小，積分作用越強(qiáng)。積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti偏小時(shí)振蕩次數(shù)較多，Ti太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。Ti太大時(shí)，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小。（2） 對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響積分作用能消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制系統(tǒng)的控制精度。調(diào)整積分作用Ti時(shí)，要綜合考慮其對(duì)動(dòng)態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性的影響。圖1-10 Ti對(duì)控制性能的影響三、微分作用Td對(duì)控制性能的影響微分作用通常與比例作用或積分作用相結(jié)合，構(gòu)成PD或P

21、ID控制。微分作用對(duì)系統(tǒng)性能的影響如圖1-11所示。微分時(shí)間Td越大，微分作用越強(qiáng)。微分作用可以改善控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，如減少超調(diào)量sp，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間ts，允許加大比例作用，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。無(wú)論Td偏大還是偏小，都會(huì)引起超調(diào)量的增大、調(diào)節(jié)時(shí)間的加長(zhǎng)。四、控制規(guī)律的選擇實(shí)際應(yīng)用中，往往是PID控制器中的各種作用相互補(bǔ)充，以達(dá)到最佳的控制效果。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于相同的控制對(duì)象，不同的控制規(guī)律，有不同的控制效果，圖1-12曲線是不同控制規(guī)律時(shí)的過(guò)渡過(guò)程曲線。針對(duì)一個(gè)具體的控制對(duì)象，選擇控制規(guī)律的一般原則為：（1） 當(dāng)控制對(duì)象為一階慣性環(huán)節(jié)，且負(fù)荷變化不大，工藝要求不高時(shí)，可采用比例（P）控

22、制。如水箱水位的調(diào)節(jié)、串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副回路等。（2） 當(dāng)控制對(duì)象為一階慣性加純遲延環(huán)節(jié)，且負(fù)荷變化不大，控制精度要求不高時(shí)，可采用比例積分（PI）控制。如壓力、流量、液位的調(diào)節(jié)。（3） 對(duì)于純滯后時(shí)間t較大，負(fù)荷變化較大，控制性能要求較高的場(chǎng)合，可采用比例積分微分（PID）控制。如過(guò)熱蒸汽溫度控制、PH值控制等。圖1-11 Td對(duì)控制性能的影響圖 1-12 不同控制規(guī)律的過(guò)渡過(guò)程曲線1.4.3 參數(shù)整定PID控制器參數(shù)整定，是在控制器結(jié)構(gòu)確定之后（P、PI、PD、PID）如何調(diào)整控制器參數(shù)（Kp、Ti、Td等）以達(dá)到給定的控制指標(biāo)?？刂破鲄?shù)的工程整定方法一、臨界比例度法臨界比例度法也叫穩(wěn)定邊

23、界法，是一種閉環(huán)整定方法，于1942年由Ziegler及Nichols提出。該方法首先將控制器設(shè)置為純比例模式（Ti=，Td=0），比例帶d置較大值（d=1/Kp），系統(tǒng)投入自動(dòng)并使其穩(wěn)定運(yùn)行。然后逐漸減小比例帶，直到被控量y出現(xiàn)等幅振蕩（見(jiàn)圖1-13(a)）。根據(jù)此時(shí)的比例帶du（稱(chēng)為臨界比例帶）及振蕩周期Tu（稱(chēng)為臨界振蕩周期）按照表1-2給出的經(jīng)驗(yàn)公式重新整定控制器參數(shù)。（a）臨界振蕩 （b）率減振蕩圖 1-13 臨界振蕩與率減振蕩表1-2 臨界比例度法整定PID參數(shù)控制規(guī)律dTiTdP2du-PI2.2du0.85Tu-PID1.6du0.50Tu0.13Tu上表是按照4:1的率減比進(jìn)

24、行整定的。臨界比例度法的優(yōu)點(diǎn)是能得到精確的臨界參數(shù)（臨界比例帶與臨界振蕩周期），且受測(cè)量噪聲的影響較小。但當(dāng)被控系統(tǒng)不希望出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象時(shí)，該方法就不能使用。另外，由于該方法需要不斷地調(diào)整參數(shù)以使系統(tǒng)達(dá)到臨界振蕩狀態(tài)，因此對(duì)于反應(yīng)較慢的系統(tǒng)，整定過(guò)程需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間。二、率減曲線法率減曲線法也是一種閉環(huán)整定方法，試驗(yàn)過(guò)程與臨界比例度法相似，所不同的是要通過(guò)調(diào)整比例帶d直到過(guò)程輸出y出現(xiàn)圖1-13(b)所示的4:1率減振蕩。然后根據(jù)此時(shí)的比例帶dv及振蕩周期Tv按照表1-3給出的經(jīng)驗(yàn)公式重新整定控制器參數(shù)。表1-3 率減曲線法整定PID參數(shù)控制規(guī)律dTiTdPdv-PI1.2dv0.5Tv-PI

25、D0.8dv0.3 Tv0.1 Tv三、動(dòng)態(tài)特性曲線法動(dòng)態(tài)特性曲線法是一種開(kāi)環(huán)整定方法，即利用被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)特性來(lái)整定PID參數(shù)。我們知道，對(duì)處于穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)加輸入階躍擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為如圖1-14所示的S形曲線。對(duì)于該階躍擾動(dòng)曲線，在拐點(diǎn)3處作曲線的切線，切線與擾動(dòng)前輸出穩(wěn)態(tài)值的交點(diǎn)為2。不難求出對(duì)象的遲延時(shí)間L及切線斜率Rr，根據(jù)這兩個(gè)參數(shù)的Z-N整定方法如表1-4所示。表1-4 Z-N法整定PID參數(shù)控制規(guī)律KTiTdP1/（RrL）-PI0.9/（RrL）3.3L-PID1.2/（RrL）2L0.5L圖 1-14 特性曲線大多數(shù)開(kāi)環(huán)整定方法都要對(duì)響應(yīng)曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化，而最常用的簡(jiǎn)化方法

26、是將其近似為純遲延與一階慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)，即：其中G0為對(duì)象傳遞函數(shù)，為靜態(tài)增益，T0為慣性時(shí)間常數(shù)，L為純遲延。以L、T0及K0為對(duì)象特性參數(shù)的Z-N整定方法及改進(jìn)后的柯恩-庫(kù)恩（Cohen-Coon）整定方法如表1-5所示。表1-5 Z-N及Cohen-Coon整定方法控制規(guī)律Z-N方法Cohen-Coon方法PK0Kp=(L/T0)-1.0K0Kp=(L/T0)-1.0+0.333PIK0Kp=0.9(L/T0)-1.0Ti/T0=3.33(L/T0)K0Kp=0.9(L/T0)-1.0+0.082PIDK0Kp=1.2(L/T0)-1.0Ti/T0=2.0(L/T0)Td/T0=0.5(

27、L/T0)K0Kp=1.35(L/T0)-1.0+0.27四、基于偏差積分指標(biāo)最小的整定方法基于積分準(zhǔn)則的控制器參數(shù)整定可用以下方程描述：其中Y=K0Kp（比例作用）或Y=T0/Ti（積分作用）或Y=Td/T0（微分作用），L、T0含義同前。A,B=系數(shù)對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，即使使用同一準(zhǔn)則，其整定結(jié)果也是有區(qū)別的。表1-6與表1-7分別給出負(fù)荷擾動(dòng)與定值擾動(dòng)時(shí)的系數(shù)調(diào)整規(guī)則。一般來(lái)說(shuō)，基于負(fù)荷擾動(dòng)的整定方法得出的穩(wěn)定裕量較小，當(dāng)將其應(yīng)用到定值擾動(dòng)時(shí)，輸出響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)明顯的振蕩。表1-6 基于積分準(zhǔn)則及負(fù)荷擾動(dòng)的整定規(guī)則準(zhǔn)則控制規(guī)律模式ABIAEP比例0.902-0.985ISEP比例1.411-

28、0.917ITAEP比例0.49-1.084IAEPI比例積分0.9840.608-0.986-0.707ISEPI比例積分1.3050.492-0.959-0.739ITAEPI比例積分0.8590.647-0.977-0.68IAEPID比例積分微分1.4350.8780.482-0.921-0.7491.137ISEPID比例積分微分1.4951.1010.560-0.945-0.7711.006ITAEPID比例積分微分1.3570.8420.381-0.947-0.7380.995表1-7 基于積分準(zhǔn)則及定值擾動(dòng)的整定規(guī)則準(zhǔn)則控制規(guī)律模式ABIAEPI比例積分0.7571.02-0.

29、861-0.323ITAEPI比例積分0.5861.03-0.916-0.165IAEPID比例積分微分1.0860.7400.348-0.869-0.130.914ITAEPID比例積分微分0.9650.7960.308-0.855-0.1470.929動(dòng)態(tài)特性法與基于偏差積分指標(biāo)最小的整定方法都依賴(lài)于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別是用上述方法求取模型時(shí)，在選擇切線點(diǎn)或作切線時(shí)會(huì)引入一定的誤差，影響整定效果。工程上試驗(yàn)曲線一般都不規(guī)則，求取模型難度更大。因此常用面積法或最小二乘法來(lái)求取對(duì)象特性參數(shù)，關(guān)于這方面的內(nèi)容請(qǐng)參閱有關(guān)資料。六、參數(shù)整定示例考慮一單輸入單輸出系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)曲線如圖1-14所示，

30、求得模型參數(shù)為：L=1.19分，T0=1.39分，K0=25%/單位，L/T0=0.857當(dāng)使用PI控制器時(shí)，利用不同方法整定出的控制器參數(shù)分別為Z-N方法：Kp=4.2，Ti=3.96Cohen-Coon方法：Kp=4.53，Ti=1.47IAE負(fù)荷擾動(dòng)方法：IAE定值擾動(dòng)方法：各種方法對(duì)應(yīng)的定值擾動(dòng)曲線如圖1-15所示。圖1-15 參數(shù)整定比較 1.4.4 PID控制器參數(shù)自整定所謂自整定（Auto-Tuning），是指在系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)整定控制器的參數(shù)。具有自整定功能的控制器，一方面大大方便了工程應(yīng)用，降低了對(duì)工程技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)水平的要求；更為主要的是，當(dāng)被控過(guò)程特性發(fā)生變化時(shí)

31、，控制器能夠自動(dòng)修改控制參數(shù)，維持系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，從而使控制系統(tǒng)具備自適應(yīng)的能力。自整定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖1-16所示，它主要由以下幾部分組成：圖 1-16 自整定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理系統(tǒng)辨識(shí)模塊：用來(lái)估計(jì)模型參數(shù)，模型一般具有一階慣性加純遲延的形式，因此需要辨識(shí)的參數(shù)有純遲延時(shí)間、慣性時(shí)間及穩(wěn)態(tài)增益?？刂破鲄?shù)計(jì)算模塊：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及模型計(jì)算控制器參數(shù)；控制器實(shí)現(xiàn)模塊：對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行周期性的修改。目前使用的自整定方法主要有基于模型的方法與基于模式識(shí)別的方法。第二章 自動(dòng)發(fā)電控制與單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制2.1 發(fā)電廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)龐大而復(fù)雜的大系統(tǒng)。處理大

32、系統(tǒng)控制問(wèn)題的基本方法就是分解協(xié)調(diào)的方法。所謂分解就是把大系統(tǒng)化為若干子系統(tǒng)，以便進(jìn)行分塊的處理與控制，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)之間的關(guān)系，求得各子系統(tǒng)之間的和諧與統(tǒng)一，進(jìn)而得到整個(gè)大系統(tǒng)的最優(yōu)解。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一種遞階的結(jié)構(gòu)。在這種遞階的結(jié)構(gòu)中，各子系統(tǒng)處于不同級(jí)別的層次中，并具有不同的職能。發(fā)電廠控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的分級(jí)遞階控制系統(tǒng)，包含回路級(jí)控制系統(tǒng)、機(jī)組級(jí)控制系統(tǒng)、廠級(jí)控制系統(tǒng)等，如果把電網(wǎng)的負(fù)荷分配也考慮進(jìn)去的話，還包括電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)。2.1.1 AGC的構(gòu)成AGCAuto

33、matic Generation Control自動(dòng)發(fā)電控制自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）是電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)功能。AGC是指發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）根據(jù)調(diào)度中心的AGC軟件計(jì)算結(jié)果輸出的設(shè)點(diǎn)命令，自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的出力使電網(wǎng)的頻率和聯(lián)絡(luò)線凈交換功率維持在計(jì)劃值。以保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。它以滿足電力供需實(shí)時(shí)平衡為目的，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：n 控制電網(wǎng)頻率在允許誤差范圍之內(nèi)；n 控制區(qū)域凈交換功能，使與計(jì)劃值的偏差在允許的范圍內(nèi)；n 對(duì)參與遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)的發(fā)電廠，以發(fā)電成本或上網(wǎng)電價(jià)為依據(jù)進(jìn)行出力分配，使電網(wǎng)獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。AGC設(shè)點(diǎn)控制首先下發(fā)給SCADA（包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)

34、視控制的全部功能），再由SCADA下發(fā)至前置機(jī)。AGC還考慮了與EMS應(yīng)用軟件如機(jī)組計(jì)劃，聯(lián)絡(luò)線交易計(jì)劃，超短期負(fù)荷預(yù)報(bào)等的接口。假設(shè)兩個(gè)電網(wǎng)各有一臺(tái)機(jī)組，如圖所示。當(dāng)區(qū)域1發(fā)生負(fù)載變化DPL1時(shí)，穩(wěn)定后，有下圖給出負(fù)載階躍變化時(shí)頻率的變化曲線，可見(jiàn)總會(huì)導(dǎo)致頻率偏差。2.1.2 AGC控制由于負(fù)載不斷的變化，電網(wǎng)上各發(fā)電機(jī)組也處于不斷的調(diào)整之中。這種從一種平衡到另一種平衡的過(guò)程是不斷進(jìn)行的。電網(wǎng)中有多個(gè)發(fā)電機(jī)組，必須有一種負(fù)荷分配方法。為此，為發(fā)電機(jī)組設(shè)置了一系列的控制裝置。調(diào)速器（Governor）用來(lái)維持轉(zhuǎn)速。輔助控制裝置用來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。AGC的控制規(guī)律有多種方案可供選用，就目前情況常用

35、的控制方式為：式中DF電網(wǎng)頻率偏差；N0電網(wǎng)區(qū)域供電功率，或某聯(lián)絡(luò)線約定的交換功率；Ne發(fā)電功率。即按照一定權(quán)重，既控制系統(tǒng)間的交換功率，又參與系統(tǒng)調(diào)頻。2.1.3 AGC控制策略與考核標(biāo)準(zhǔn)我們所設(shè)計(jì)的總控制策略從ACE開(kāi)始，它是總發(fā)電量與總需求量的偏差。ACE計(jì)算如下圖所示。AGC性能的好壞由以下方面密切相關(guān)：（1）ACE信號(hào)不能過(guò)大。因?yàn)樨?fù)載變化的不可預(yù)測(cè)性，因此是統(tǒng)計(jì)意義上的。（2）ACE不允許“漂移”，既ACE在一段時(shí)間內(nèi)的積分應(yīng)該很小。（3）AGC產(chǎn)生的控制指令應(yīng)該最小。很多情況下，ACE的偏差有簡(jiǎn)單的負(fù)載變化引起，而不需要任何動(dòng)作。試圖跟蹤這些變化將加快調(diào)速部件的磨損。另外還要考慮

36、到其他因素：n 輔助作用。有時(shí)，熱耗率曲線在大的ACE時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。若某機(jī)組的參與系數(shù)比其他機(jī)組大的多，它將占用多數(shù)控制器的動(dòng)作量，其他機(jī)組可能相對(duì)處于固定狀態(tài)。影響變負(fù)荷速度。措施：多個(gè)機(jī)組參與校正ACE，當(dāng)ACE校正后，AGC再恢復(fù)到經(jīng)濟(jì)分配方式。n ACE的濾波。n 遙測(cè)信號(hào)故障。一般AGC指令保位狀態(tài)。n 機(jī)組控制檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到機(jī)組不隨AGC指令而變化時(shí)，應(yīng)在其他機(jī)組間重新分配指令。n 速率控制。按一定變化率升降負(fù)荷。n 速率限制。應(yīng)力變化。n 機(jī)組控制方式。要了解機(jī)組的控制方式，如基本負(fù)荷方式，調(diào)整方式等。AGC控制策略是與考核標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的。國(guó)內(nèi)對(duì)大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)AGC控制的研究還不很

37、成熟。華北、東北聯(lián)網(wǎng)初期，華北電網(wǎng)AGC控制與考核仍按北美可靠性委員會(huì)（NERC）A1、A2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。A1、A2標(biāo)準(zhǔn)要求正常運(yùn)行時(shí)控制區(qū)ACE在十分鐘內(nèi)至少過(guò)零一次及十分鐘ACE平均值必須在規(guī)定范圍Ld內(nèi)（國(guó)調(diào)中心要求十五分鐘）。采用A1、A2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制，以調(diào)整機(jī)組出力使ACE在規(guī)定時(shí)間過(guò)零為控制目標(biāo)，物理概念比較清楚，但要以機(jī)組頻繁進(jìn)行調(diào)節(jié)、增加損耗為代價(jià)，而且不利于電網(wǎng)故障后對(duì)事故支援的評(píng)價(jià)。NERC在1996年推出適應(yīng)于互聯(lián)電網(wǎng)AGC控制的CPS標(biāo)準(zhǔn),CPS標(biāo)準(zhǔn)是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法導(dǎo)出的。2.2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCSCoordinated Control Sys

38、tem），概括地說(shuō)，就是把鍋爐及汽機(jī)作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合控制時(shí)所用的系統(tǒng)。2.2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能和主要內(nèi)容簡(jiǎn)單地說(shuō)，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：（1）接收中調(diào)來(lái)的負(fù)荷指令信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）；（2）在滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化要求的同時(shí)，能夠保證單元機(jī)組本身運(yùn)行的穩(wěn)定；（3）能夠根據(jù)機(jī)組狀況采取相應(yīng)運(yùn)行方式，并具有處理意外事件的能力（可測(cè)的與非可測(cè)的）； （4）方便、簡(jiǎn)潔的運(yùn)行人員接口。機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般由協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)及與協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)相關(guān)的鍋爐汽機(jī)控制子系統(tǒng)組成，如圖所示。協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分為機(jī)組指令處理回路，用以協(xié)調(diào)機(jī)組能力與電網(wǎng)需求的平衡，根據(jù)AGC指

39、令或本機(jī)的運(yùn)行人員指令（目標(biāo)指令），經(jīng)運(yùn)算處理，給出在幅值大小和變化率均為機(jī)組可能接受的實(shí)際機(jī)組功率指令ULD（Unit Load Demand）。第二部分為機(jī)爐主控系統(tǒng)或機(jī)爐主控制器，根據(jù)機(jī)組功率指令ULD、機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行方式以及機(jī)、爐不同的動(dòng)態(tài)特性，協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機(jī)間的能量平衡，提供機(jī)組級(jí)的輸出功率與機(jī)前壓力聯(lián)合控制，從而使機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性兼優(yōu)。第三部分為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)。協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)輸出的鍋爐指令和汽輪機(jī)指令，分別控制鍋爐、汽輪機(jī)的各子系統(tǒng)燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、噴水以及汽輪機(jī)閥位。對(duì)主控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，各子控制系統(tǒng)均相當(dāng)于伺服系統(tǒng)或隨動(dòng)系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制，首先必須使鍋爐、汽

40、輪機(jī)子系統(tǒng)運(yùn)行正常，也就是說(shuō)要提高基礎(chǔ)自動(dòng)化水平。2.2.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案工程實(shí)際中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有多種實(shí)現(xiàn)方案，他們都是在對(duì)機(jī)組特性充分研究的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，并且具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)整定方法。一個(gè)具體機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，首先要分析現(xiàn)有各種方案的特點(diǎn)，然后結(jié)合機(jī)組實(shí)際，給出一個(gè)切實(shí)可行的方案，并作以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。從不同的觀察角度，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的劃分不盡相同。但最常用的有兩種：按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，主要有以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；按能量平衡關(guān)系，主要有間接能量平衡系統(tǒng)（IEB）和直接能量平衡系統(tǒng)（DEB）。一、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制

41、系統(tǒng)是在鍋爐跟隨控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的環(huán)節(jié)形成的，原理方框圖如下圖所示。正常運(yùn)行時(shí)汽輪機(jī)側(cè)閉環(huán)調(diào)功、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+ULD前饋。圖中，F(xiàn)(t)一般為超前-滯后環(huán)節(jié)，它一方面使燃燒率指令mB隨給定功率變化而沒(méi)有遲延，另一方面對(duì)給定功率的微分超前調(diào)節(jié)作用，有利于改善鍋爐對(duì)功率的響應(yīng)特性。環(huán)節(jié)F(x) 為帶有死區(qū)的非線性環(huán)節(jié)有利于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若負(fù)荷變化速度過(guò)快或燃料擾動(dòng)過(guò)大，造成機(jī)前壓力偏差超過(guò)F(x)的不靈敏區(qū) D 時(shí)，汽輪機(jī)側(cè)即由調(diào)功率轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，確保壓力波動(dòng)在規(guī)定的死區(qū)范圍之內(nèi)。死區(qū)的大小決定了蓄能的利用，兼顧負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性，斜率的選擇取決于壓力偏差動(dòng)態(tài)校正的速度

42、。以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（一）另一種設(shè)計(jì)方案如圖（二）所示，該方案采用了爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+ULD前饋、機(jī)側(cè)同時(shí)閉環(huán)調(diào)功調(diào)壓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從內(nèi)擾和外擾兩方面分析如下：(1) 內(nèi)擾時(shí)的擾動(dòng)單向補(bǔ)償圖中的交叉環(huán)節(jié)，用于減少鍋爐燃料擾動(dòng)對(duì)汽輪機(jī)動(dòng)作的單向解耦。若取則理論上基本消除了爐對(duì)機(jī)的影響。工程上可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的比例環(huán)節(jié)K進(jìn)行補(bǔ)償，有式中，KNB、KPB分別為燃料擾動(dòng)傳遞函數(shù)WNB(s)、WPB(s)的放大倍數(shù)。燃料擾動(dòng)（增加）時(shí)，壓力信號(hào)（增加）通過(guò)交叉環(huán)節(jié)K抵消（要求汽輪機(jī)控制回路開(kāi)大調(diào)門(mén)）了功率信號(hào)要求關(guān)小調(diào)門(mén)的動(dòng)作。這樣，擾動(dòng)由鍋爐側(cè)自行快速消除，汽輪機(jī)側(cè)控制系統(tǒng)盡量少動(dòng)或不動(dòng)，減少鍋爐

43、對(duì)汽輪機(jī)動(dòng)作的相互影響，提高了穩(wěn)定性。(2) 外擾時(shí)限制負(fù)荷變化幅度與速度壓差信號(hào)通過(guò)交叉環(huán)節(jié)K引入汽輪機(jī)側(cè)，功差和壓差信號(hào)綜合為ULD-K(ps-pt) -N，相當(dāng)于負(fù)荷增加時(shí)，由于壓力動(dòng)態(tài)降低，暫時(shí)減少了功率定值增加，即在充分利用蓄能的基礎(chǔ)上，兼顧壓力穩(wěn)定的要求，又限制了負(fù)荷變化的速度和幅度。第三種方式如圖（三）所示，汽輪機(jī)側(cè)閉環(huán)調(diào)功+ULD前饋、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+p11+K(ps-pT)?！皦翰钛a(bǔ)償信號(hào)”前饋中，第一項(xiàng)為負(fù)荷信號(hào)p1，第二項(xiàng)為隨負(fù)荷（p1）值比例改變的鍋爐蓄能補(bǔ)償Kp1(ps-pT)。若以該前饋信號(hào)不受鍋爐內(nèi)擾影響整定（p1項(xiàng)在內(nèi)擾時(shí)有正反饋?zhàn)饔茫?，有K=1/ps，此時(shí)控制

44、回路的增益不會(huì)隨負(fù)荷而改變。以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（二）以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（三）二、以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在汽機(jī)跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，原理方框圖如下圖所示。汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)閉環(huán)調(diào)壓調(diào)功+ULD前饋、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)功+ULD前饋。為了克服單純汽輪機(jī)跟隨控制方式時(shí)負(fù)荷響應(yīng)慢及功率波動(dòng)大的缺點(diǎn)，在汽輪機(jī)側(cè)同時(shí)加入了功率偏差信號(hào)，分析入下： (1) 外擾時(shí)的蓄能應(yīng)用功率指令同時(shí)送機(jī)、爐兩側(cè)，合理利用鍋爐蓄能，提高了機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)。汽輪機(jī)側(cè)PI調(diào)節(jié)器輸入為ps-K(ULD-N)-pT，可理解為負(fù)荷變化（增加）時(shí)，動(dòng)態(tài)改變（降低）了壓力定值，

45、以放出蓄能。功差項(xiàng)K(ULD-N)就是加負(fù)荷時(shí)壓力定值的動(dòng)態(tài)降低量。若負(fù)荷變化超過(guò)規(guī)定，對(duì)K(ULD-N)信號(hào)設(shè)置有F(x)予以限制，以免機(jī)前壓力偏差超過(guò)允許范圍。F(x)模塊的斜率K，就是一個(gè)外擾動(dòng)態(tài)過(guò)程鍋爐蓄能利用程度參數(shù)。(2) 內(nèi)擾時(shí)擾動(dòng)單向補(bǔ)償設(shè)計(jì)交叉環(huán)節(jié)F(x)，使之滿足，則理論上基本消除了爐對(duì)機(jī)的影響，實(shí)際中一般取。這樣，燃料擾動(dòng)（增加）時(shí)，功率信號(hào)（增加）抑制了汽輪機(jī)控制回路由于機(jī)前壓力（增加）要開(kāi)大閥門(mén)的動(dòng)作，減少了功率的波動(dòng)，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)際系統(tǒng)中，考慮到機(jī)組各種運(yùn)行工況及輔機(jī)情況，一般設(shè)計(jì)有多種運(yùn)行方式，并具有無(wú)擾切換功能。三、直接能量

46、平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機(jī)爐間的能量平衡，以機(jī)前壓力Pt的穩(wěn)定為標(biāo)志。當(dāng)Pt維持在定值Ps時(shí)，就意味著機(jī)爐間達(dá)到靜態(tài)平衡。間接能量平衡式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案中，機(jī)組負(fù)荷指令分別送往鍋爐及汽機(jī)控制器。對(duì)汽機(jī)控制器，它作為負(fù)荷定值，與機(jī)組實(shí)發(fā)功率一起構(gòu)成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的無(wú)差調(diào)節(jié)；對(duì)鍋爐控制器，它作為動(dòng)態(tài)補(bǔ)償前饋，以克服鍋爐側(cè)的遲延。為了保證機(jī)前壓力的恒定，間接能量平衡式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的鍋爐控制均為串級(jí)壓力控制方式，主調(diào)節(jié)器為具有積分作用的壓力控制器，副調(diào)節(jié)器為燃料調(diào)節(jié)器。直接能量平衡式協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（DEBDirect Energy Balance）方案中，電功率控制與鍋爐指令已被解耦。鍋爐指令稱(chēng)為能量平

47、衡信號(hào)（或能量信號(hào)Energy Balance Signal），它是根據(jù)汽機(jī)能量需求計(jì)算出來(lái)的。與常規(guī)控制系統(tǒng)不同，DEB方案中取消了常規(guī)CCS系統(tǒng)必須的機(jī)前壓力閉環(huán)校正回路，僅使用了以能量平衡信號(hào)Ps*P1/Pt為指令，熱量信號(hào)Q=P1+dPd/dt為反饋的鍋爐燃料調(diào)節(jié)器（Pd為汽包壓力）。鍋爐控制由原來(lái)的串級(jí)控制代之以單級(jí)控制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于參數(shù)的整定。DEB系統(tǒng)本身固有的保持機(jī)前壓力Pt為給定值Ps的能力，實(shí)現(xiàn)了機(jī)前壓力的無(wú)差。由于它能與汽機(jī)調(diào)門(mén)一樣快速反應(yīng)，因此適合于汽機(jī)在任意工況下的鍋爐控制指令。下圖所示為直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)原理方框圖。直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（1） 靜

48、態(tài)平衡進(jìn)入鍋爐控制器入口的能量偏差信號(hào)為：其中，為壓力偏差。在靜態(tài)工況下，=0，因此鍋爐控制器的積分作用總是消除調(diào)節(jié)器入口偏差，使ef最終等于零。由于P1/Pt恒不等于零，這就必須使，即使機(jī)前壓力Pt等于給定值Psp。可見(jiàn)，該系統(tǒng)中的燃料調(diào)節(jié)器具有保持機(jī)前壓力Pt等于壓力給定值的能力，而無(wú)需另加壓力校正調(diào)節(jié)器。（2） 動(dòng)態(tài)過(guò)程在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，汽包壓力的微分信號(hào)具有防止Pt過(guò)調(diào)，使過(guò)程穩(wěn)定的作用。例如，由于鍋爐內(nèi)擾作用使Pt增高時(shí)，成為負(fù)值，將為正值，鍋爐調(diào)節(jié)器入口偏差信號(hào)為負(fù)值，使燃料量減少，加速Pt的回升。當(dāng)Pt開(kāi)始回升時(shí)，變?yōu)樨?fù)值，提供了過(guò)程阻尼，使燃料量難以繼續(xù)增加，防止Pt出現(xiàn)過(guò)調(diào)，有助

49、于變負(fù)荷過(guò)程的穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，這種取消主壓力調(diào)節(jié)器的DEB系統(tǒng)不僅系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化，而且利用汽包壓力微分起到使控制過(guò)程更加平穩(wěn)的作用。汽機(jī)能量需求信號(hào)直接作為鍋爐指令，與熱量反饋信號(hào)構(gòu)成燃料控制信號(hào)，可以更為直接、快速地實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐之間的動(dòng)靜態(tài)能量平衡。DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。DEB的獨(dú)特設(shè)計(jì)，將鍋爐、汽輪機(jī)相互影響的、復(fù)雜的、多變量的CCS系統(tǒng)，由單向解耦轉(zhuǎn)化為單變量系統(tǒng)。系統(tǒng)無(wú)需機(jī)前壓力閉環(huán)校正，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。（2）負(fù)荷響應(yīng)快。對(duì)燃煤汽包鍋爐機(jī)組，不論正常運(yùn)行或家/減負(fù)荷，DEB系統(tǒng)均有滿意的調(diào)節(jié)品質(zhì)。（3）調(diào)試整定方便。整定參數(shù)范圍寬，維護(hù)簡(jiǎn)單。（4）應(yīng)用范圍廣。

50、DEB系統(tǒng)采用來(lái)自汽輪機(jī)調(diào)門(mén)動(dòng)作結(jié)果的蒸汽參數(shù)測(cè)量的能量信號(hào)，匹配機(jī)、爐平衡，適合與各種DEH的接口，并適用于機(jī)組的定壓運(yùn)行、滑壓運(yùn)行，帶中間負(fù)荷運(yùn)行或帶基本負(fù)荷運(yùn)行。四、以多變量解耦理論為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)，從理論上說(shuō)，完全可以按多變量控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。但由于受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的精度不高、控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計(jì)方法不便于工程技術(shù)人員掌握等條件限制，目前直接按照多變量控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)理論進(jìn)行單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與綜合，還處于初級(jí)階段。但隨著多變量控制技術(shù)的發(fā)展與完善及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這一問(wèn)題將逐步得到解決。當(dāng)回路間存在嚴(yán)重耦合時(shí)，即

51、使采用最好的回路匹配也得不到滿意得控制效果。一種簡(jiǎn)單、有效解決方法是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行解耦。解耦的本質(zhì)在于設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消過(guò)程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個(gè)單回路控制系統(tǒng)能獨(dú)立工作。下圖所示為協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。圖中控制器陣為CCS的主控系統(tǒng)。若Kij(s)0，即為機(jī)、爐同時(shí)調(diào)功、調(diào)壓的綜合控制系統(tǒng)。因此，鍋爐跟隨控制系統(tǒng)、汽輪機(jī)跟隨控制系統(tǒng)、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、以汽輪機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是綜合控制系統(tǒng)的特例，下表給出了這種關(guān)系。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)序號(hào)控制系統(tǒng)Kij(s)K(s)1鍋爐跟隨K12(s)=0K21(s)=0K(s)=2汽輪機(jī)跟隨K1

52、1(s)=0K22(s)=0K(s)=3以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制K12(s)=0K(s)=4以汽輪機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制K11(s)=0K(s)=5綜合型協(xié)調(diào)控制Kij(s)0K(s)=第三章 熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試3.1 SAMA圖原理圖：將控制系統(tǒng)以原理方框圖形式表示出來(lái)，僅包括控制器、模型等主要控制回路，不涉及輔助功能及實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。便于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析與參數(shù)整定。功能圖：將控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能表示出來(lái)，包括控制回路及顯示、操作、切換等輔助功能。功能圖是系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段的主要目標(biāo)。功能圖與實(shí)現(xiàn)儀表無(wú)關(guān)。組態(tài)圖：將控制系統(tǒng)用選定儀表予以實(shí)現(xiàn)。與儀表有關(guān)。是系統(tǒng)安裝、調(diào)試、使用的基礎(chǔ)。3.1

53、.1 功能圖表示方法SAMA圖SAMA-Scientific Apparatus Makers AssociationSAMA 功能圖例。外形分 4 種，每一種形狀都有明確的含意：常用的功能圖例見(jiàn)表A.1。我們用 SAMA 圖例表達(dá)回路方框圖時(shí)，常將一些符號(hào)畫(huà)在一起，這表示一個(gè)具體的儀表或組件具有那些功能，這樣在回路方框圖中又清楚地表達(dá)了使用多少具體組件。例如最常用的調(diào)節(jié)器可用圖A.1（a）表示，這組組合圖例表示調(diào)節(jié)器具有以下功能：1) 求測(cè)量和給定信號(hào)的偏差；2) 對(duì)偏差值進(jìn)行比例加積分運(yùn)算；3) 手自動(dòng)切換；4) 輸出限幅。圖A.1 SAMA圖例圖A.1（b）表示一顯示操作器，具有以下功能

54、：1) 指示測(cè)量值和給定值； 2) 給定值調(diào)整； 3) 手自動(dòng)切換多；4) 手動(dòng)輸出值驅(qū)動(dòng)；5) 輸出值指示。圖A.2表示一個(gè)典型的控制回路，組件型號(hào)寫(xiě)在相應(yīng)的組件圖例旁邊，上、下兩部分均表示現(xiàn)場(chǎng)，上部是變送器；下部是電氣轉(zhuǎn)換器（或閥門(mén)定位器），氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，接受調(diào)節(jié)回路的輸出信號(hào)，圖中間左邊部分是調(diào)節(jié)、信號(hào)處理、輸入、輸出等功能組件，圖中間右邊部分是顯示及操作儀表。圖A.2 SAMA圖表示的控制回路3.1.2 控制系統(tǒng)組態(tài)示例下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)為例來(lái)說(shuō)明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與組態(tài)過(guò)程，為今后理解復(fù)雜的工程圖紙打下基礎(chǔ)。一、控制方案主汽溫度是單元機(jī)組主要的安全經(jīng)濟(jì)參數(shù)，主汽溫度控制的目的就是要通

55、過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)手段，使主汽溫度按照給定規(guī)律變化。圖A.3所示為采用噴水調(diào)節(jié)的串級(jí)溫度控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)。除了減溫水量以外，影響過(guò)熱器出口溫度的其他主要因素還有蒸汽量擾動(dòng)和煙氣量擾動(dòng)，統(tǒng)稱(chēng)為外部干擾。為了提高控制系統(tǒng)抵御外部干擾的能力，一般使用前饋方法。圖A.4為溫度控制系統(tǒng)的原理方框圖。表A.1 常用SAMA圖例圖A.3 串級(jí)溫度控制系統(tǒng)圖A.4 原理方框圖圖A.5所示為溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（SAMA圖），圖中同時(shí)還給出了控制回路的基本結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)器跟蹤、手自動(dòng)切換邏輯。圖A.5 主汽溫度控制SAMA圖二、主汽溫度控制系統(tǒng)的INFI-90實(shí)現(xiàn)用INFI-90實(shí)現(xiàn)上述溫度控制系統(tǒng)時(shí)，需要從輸入輸出信號(hào)連接、控制回路組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)及畫(huà)面組態(tài)等幾