熱工控制系統(tǒng)13

熱工控制系統(tǒng)13第1頁/共71頁第一章熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本概念1引言2現(xiàn)代電站熱工自動(dòng)化3現(xiàn)代電站熱工自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向鍋爐動(dòng)畫汽機(jī)動(dòng)畫圖第2頁/共71頁1引言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動(dòng)控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂自動(dòng)控制，是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對(duì)象（如機(jī)器設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。目前自動(dòng)控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、核動(dòng)力、生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)過程等領(lǐng)域。自動(dòng)控制已成為現(xiàn)代社會(huì)活動(dòng)中不可缺少的重要組成部分。

第3頁/共71頁近半個(gè)世紀(jì)以來，特別是二十世紀(jì)八十年代以來，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。首先是芯片技術(shù)的突破，促進(jìn)了自動(dòng)化技術(shù)由“模擬”向“數(shù)字”時(shí)代的飛躍；建立在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)基礎(chǔ)上的分布式工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的硬件、軟件平臺(tái)。第4頁/共71頁電力工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，有別于其它工業(yè)過程的主要特征是：電能的“發(fā)、輸、供、用”必須同時(shí)進(jìn)行，并保持瞬時(shí)的平衡。與此同時(shí)，參與“發(fā)、輸、供、用”的所有設(shè)備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣闊的動(dòng)態(tài)大系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組處于系統(tǒng)的最底層。通常，人們把電力生產(chǎn)過程分為發(fā)電側(cè)與輸配電側(cè)，相應(yīng)地，從實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的角度，可分為電站自動(dòng)化和電力系統(tǒng)自動(dòng)化。第5頁/共71頁1.1自動(dòng)控制基礎(chǔ)理論

1.1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展

1.1.2自動(dòng)控制的基本概念

1.1.3開環(huán)控制與閉環(huán)控制

1.1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求1.2熱工自動(dòng)化概述第6頁/共71頁1.1.1自動(dòng)控制理論的發(fā)展

自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，自動(dòng)控制理論可分為以微分方程、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理論。同時(shí)，隨著自動(dòng)控制理論的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)逐步發(fā)展到基于專家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能時(shí)代。第7頁/共71頁前期控制(1400BC-1900)中國(guó)、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動(dòng)計(jì)時(shí)漏壺(1400BC-1100BC)希臘發(fā)明了采用浮球保持燃油液面高度的油燈(250BC)亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動(dòng)裝置(100年)中國(guó)張衡發(fā)明水運(yùn)渾象，研制出自動(dòng)測(cè)量地震的候風(fēng)地動(dòng)儀(100年)第8頁/共71頁中國(guó)馬鈞研制出利用齒輪傳動(dòng)的自動(dòng)指示方向的指南車(235年)英國(guó)J.Watt利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機(jī)的速度(1788年)第9頁/共71頁經(jīng)典控制(1935-1950)美國(guó)N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服機(jī)構(gòu)，提出PID控制方法(1922)美國(guó)E.Sperry以及C.Mason研制出火炮控制器(1925)，氣壓反饋控制器(1929)第10頁/共71頁現(xiàn)代控制(1950-今)美國(guó)MIT的ServomechanismLaboratory研制第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床(1922)現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)。第11頁/共71頁美國(guó)GeorgeDevol研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)(1954)蘇聯(lián)東方-1號(hào)飛船載著加加林進(jìn)入人類地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時(shí)代開始了(1961)第12頁/共71頁1.1.2自動(dòng)控制的基本概念手動(dòng)控制自動(dòng)控制手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的比較自動(dòng)控制系統(tǒng)第13頁/共71頁水箱水位的手動(dòng)控制：

觀測(cè)實(shí)際水位，將實(shí)際水位與要求的水位值相比較，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向調(diào)節(jié)進(jìn)水閥門的開度，即當(dāng)實(shí)際水位高于要求值時(shí)，關(guān)小進(jìn)水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進(jìn)水量，從而改變水箱水位，使之與要求值保持一致。圖1-1圖第14頁/共71頁水箱水位的自動(dòng)控制浮子：測(cè)量作用連桿：比較作用放大器、伺服電動(dòng)機(jī)和減速器：調(diào)節(jié)作用閥門：執(zhí)行元件作用

當(dāng)實(shí)際水位低于要求水位時(shí)，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實(shí)際水位與水位要求值的差值，放大器輸出信號(hào)將有正的變化，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速器使閥門開度增加，直到實(shí)際水位重新與水位要求值相等時(shí)為止。水位自動(dòng)控制的目的：使偏差消除或減小，使實(shí)際水位達(dá)到要求的水位值。圖1-2第15頁/共71頁眼手腦水位測(cè)量與變送執(zhí)行器控制器給定手動(dòng)控制與自動(dòng)控制的比較：第16頁/共71頁人腦手水箱系統(tǒng)眼h控制器執(zhí)行器水箱系統(tǒng)傳感器h圖1-3水箱水位手動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖圖1-4水箱水位自動(dòng)控制系統(tǒng)方框圖對(duì)應(yīng)系統(tǒng)方框圖:第17頁/共71頁自動(dòng)控制系統(tǒng)：

為達(dá)到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個(gè)部件按照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨(dú)立功能的整體稱為系統(tǒng)。

自動(dòng)控制系統(tǒng)是由被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置按照一定方式連接起來，能完成一定自動(dòng)控制任務(wù)的總體。

自動(dòng)控制系統(tǒng)的被控制量稱為系統(tǒng)輸出量

影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入稱為系統(tǒng)的輸入量

輸入量分類：

給定輸入（或稱參考輸入、希望值等）：指對(duì)系統(tǒng)輸出量的要求值

擾動(dòng)輸入：指對(duì)系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量第18頁/共71頁自動(dòng)控制系統(tǒng)由兩大組成部分，即被控對(duì)象和自動(dòng)控制裝置（有時(shí)也稱為控制器）

自動(dòng)控制裝置又可分為下列幾個(gè)部分：

（1）測(cè)量元件（或測(cè)量裝置）。用于測(cè)量被控量的實(shí)際值或?qū)Ρ豢亓窟M(jìn)行物理量變換的裝置。

（2）比較元件（或比較器）。它將被控量的實(shí)際值（常取負(fù)號(hào)）與被控量的要求值（常取正號(hào)）相比較，得到偏差的大小和符號(hào)。

（3）調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號(hào)放大，并使輸出控制信號(hào)與偏差信號(hào)之間具有一定的數(shù)值運(yùn)算關(guān)系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。

（4）執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號(hào)，產(chǎn)生具體的控制效果，使被控制量產(chǎn)生預(yù)期的改變。第19頁/共71頁1.1.3閉環(huán)控制與開環(huán)控制閉環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較第20頁/共71頁閉環(huán)控制系統(tǒng)：1反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號(hào)相比較產(chǎn)生偏差信號(hào)的過程，稱為反饋。若反饋的信號(hào)與輸入信號(hào)相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負(fù)反饋；反之，則稱為正反饋。

2閉環(huán)控制系統(tǒng)：能對(duì)輸入量與輸出量進(jìn)行比較，并且將它們的偏差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個(gè)控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。

第21頁/共71頁閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖第22頁/共71頁閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成:被控對(duì)象控制裝置(由具有一定職能的各種基本元件組成)測(cè)量元件：其職能是測(cè)量被控制的物理量;給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）;比較元件：把測(cè)量元件檢測(cè)的被控量實(shí)際值與給定元件給出的參據(jù)量進(jìn)行比較，求出它們之間的偏差;放大元件：將比較元件給出的偏差進(jìn)行放大，用來推動(dòng)執(zhí)行元件去控制被控對(duì)象;執(zhí)行元件：直接推動(dòng)被控對(duì)象，使其被控量發(fā)生變化;校正元件：亦稱補(bǔ)償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，用串聯(lián)或反饋的方式連接在系統(tǒng)中，以改善系統(tǒng)性能第23頁/共71頁開環(huán)控制系統(tǒng)：

如果系統(tǒng)的輸出量與輸入量間不存在反饋的通道，這種控制方式稱為開環(huán)控制。第24頁/共71頁閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較：閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動(dòng)對(duì)被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動(dòng)性較差。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低。第25頁/共71頁1.1.4對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本要求可以歸結(jié)為穩(wěn)定性（長(zhǎng)期穩(wěn)定性）、準(zhǔn)確性（精度）和快速性（相對(duì)穩(wěn)定性）。穩(wěn)準(zhǔn)快

穩(wěn)定性：1對(duì)恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，經(jīng)過一定時(shí)間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。2對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。穩(wěn)定性是對(duì)系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)預(yù)定任務(wù)。穩(wěn)定性，通常由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定與外界因素?zé)o關(guān)。第26頁/共71頁準(zhǔn)確性：用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。在參考輸入信號(hào)作用下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)輸出與參考輸入所要求的期望輸出之差叫做給定穩(wěn)態(tài)誤差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出跟隨參考輸入的精度越高?？焖傩?對(duì)過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動(dòng)態(tài)性能。例如，對(duì)于穩(wěn)定的高射炮射角隨動(dòng)系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標(biāo)，但如果目標(biāo)變動(dòng)迅速，而炮身行動(dòng)遲緩，仍然抓不住目標(biāo)。第27頁/共71頁1.2熱工自動(dòng)化概述

隨著國(guó)內(nèi)用電量的持續(xù)增長(zhǎng)，提高發(fā)電機(jī)組的容量和參數(shù)成為我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展的重要方向。機(jī)組的大容量和高參數(shù)帶來的是過程參數(shù)測(cè)量點(diǎn)的大量增加，相應(yīng)的控制回路數(shù)和控制的復(fù)雜程度都大為提高，生產(chǎn)過程對(duì)控制精度的要求更為嚴(yán)格。

這些艱巨而繁重的控制任務(wù)必須要有現(xiàn)代化的電站自動(dòng)化技術(shù)作為支撐。第28頁/共71頁

伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電站自動(dòng)化技術(shù)的內(nèi)涵和外延都已發(fā)生了巨大的變化。一方面，自動(dòng)控制系統(tǒng)已從輔助運(yùn)行人員監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行發(fā)展到實(shí)現(xiàn)不同程度的設(shè)備啟停、過程控制和聯(lián)鎖保護(hù)的綜合體系；另一方面，借助計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電站生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度達(dá)到了前所未有的高度，監(jiān)控和管理信息系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為電站自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。第29頁/共71頁目前，通過應(yīng)用各種先進(jìn)的信息獲取和處理技術(shù)，同時(shí)結(jié)合自動(dòng)化領(lǐng)域的一些新的理論和方法，電站自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)從傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制領(lǐng)域逐步滲透到了電站運(yùn)行和管理的方方面面，包括對(duì)機(jī)組整體運(yùn)行工況的監(jiān)控、對(duì)發(fā)電過程經(jīng)濟(jì)性的分析、對(duì)主輔機(jī)設(shè)備的維護(hù)和管理以及對(duì)生產(chǎn)過程的優(yōu)化調(diào)度等。第30頁/共71頁2現(xiàn)代電站自動(dòng)化2.1現(xiàn)代電站自動(dòng)化的主要內(nèi)容

根據(jù)應(yīng)用層次和范圍的不同，我們將現(xiàn)代電站自動(dòng)化所涵蓋的主要內(nèi)容大致分為7類：(1)數(shù)據(jù)采集與管理包括對(duì)熱力過程中溫度、壓力、流量、液位、成分等熱工參數(shù)的測(cè)量；測(cè)量數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的高速傳輸；生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)/歷史數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)；歷史數(shù)據(jù)的快速檢索；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的報(bào)表打??；報(bào)警數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析與處理等。數(shù)據(jù)顯示和主控室如下圖所示第31頁/共71頁現(xiàn)代化電站的集中控制室圖3圖4第32頁/共71頁(2)回路控制

以模擬量控制回路為主，主要對(duì)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制，如蒸汽溫度、蒸汽壓力、發(fā)電機(jī)功率、爐膛壓力等。其中最典型的是單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

CCS:CoordinatedControlSystem第33頁/共71頁(3)順序控制及聯(lián)鎖保護(hù)

順序控制一般可分為時(shí)間定序式和過程定序式兩類。前者是指按預(yù)定的時(shí)間順序而觸發(fā)控制作用的發(fā)生（如啟動(dòng)／停止、閉合／斷開等）；而后者則是依據(jù)生產(chǎn)過程進(jìn)行的狀態(tài)決定下一步控制作用是否發(fā)生。

聯(lián)鎖保護(hù)以順序控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在重要運(yùn)行參數(shù)超過限定值或相關(guān)設(shè)備運(yùn)行條件不滿足要求時(shí)按照預(yù)先設(shè)定的程序，自動(dòng)終止異常的生產(chǎn)過程和設(shè)備，避免事故擴(kuò)大，損傷人員和設(shè)備。第34頁/共71頁(4)運(yùn)行優(yōu)化運(yùn)行優(yōu)化是用以節(jié)約能源和提高電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目的的一系列優(yōu)化技術(shù)的總稱，包括控制系統(tǒng)優(yōu)化；機(jī)組啟停優(yōu)化；燃燒優(yōu)化，設(shè)備運(yùn)行方式優(yōu)化，機(jī)組間的優(yōu)化調(diào)度等。其中，以電站節(jié)能為目標(biāo)的優(yōu)化技術(shù)可以分為工藝節(jié)能技術(shù)和控制節(jié)能技術(shù)。工藝節(jié)能：在合理的生產(chǎn)工藝和操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，通過對(duì)生產(chǎn)過程和運(yùn)行方式的優(yōu)化，使發(fā)電設(shè)備的能源消耗減少；控制節(jié)能：對(duì)工藝條件和運(yùn)行方式已經(jīng)確定的設(shè)備或流程，通過應(yīng)用先進(jìn)的控制策略，確保主要工藝參數(shù)的控制品質(zhì)，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。第35頁/共71頁(5)經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性分析主要通過性能計(jì)算和耗差分析兩個(gè)途徑來實(shí)現(xiàn)。

性能計(jì)算通過與監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)相連，實(shí)時(shí)獲取機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)，在線計(jì)算熱耗率、鍋爐效率、廠用電率、發(fā)電煤耗、供電煤耗等經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

耗差分析在線監(jiān)測(cè)包括鍋爐、汽輪機(jī)、主要輔機(jī)在內(nèi)的整個(gè)熱力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，準(zhǔn)確地對(duì)熱力設(shè)備和熱力系統(tǒng)的技術(shù)改造、運(yùn)行方式的調(diào)整、運(yùn)行參數(shù)的設(shè)定提供指導(dǎo)。

第36頁/共71頁(6)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷

通過狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷加強(qiáng)對(duì)各類設(shè)備或部件、尤其是不可直接觀測(cè)或處于惡劣環(huán)境中的設(shè)備或部件進(jìn)行檢測(cè)和分析，判斷系統(tǒng)的健康狀況，指出故障隱患和并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，協(xié)助相關(guān)人員查找故障部件及故障原因，并提供故障處理指導(dǎo)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷可在一定程度上提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，減少非計(jì)化停機(jī)。第37頁/共71頁(7)設(shè)備管理

現(xiàn)代化的設(shè)備管理需要應(yīng)用現(xiàn)代管理理念和管理技術(shù)，在準(zhǔn)確掌握設(shè)備狀態(tài)，保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，科學(xué)的進(jìn)行檢修決策，合理安排檢修項(xiàng)目、間修間隔和檢修工期，有效降低檢修成本，提高設(shè)備可用性。以狀態(tài)檢修為核心的設(shè)備管理體制是電站管、控一體化發(fā)展的重要體現(xiàn)。第38頁/共71頁2.2現(xiàn)代電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前，大多數(shù)在建電站和計(jì)劃建設(shè)電站一般都設(shè)計(jì)了分級(jí)分層的自動(dòng)化系統(tǒng)，包括生產(chǎn)過程級(jí)的DCS(DistributedControlSystem)

FCS(FieldbusControlSystem)

PLC(ProgrammingLogicSystem)監(jiān)控優(yōu)化級(jí)的SIS(SupervisoryInformationSystem)

生產(chǎn)管理級(jí)的MIS(ManagementInformationSystem)

第39頁/共71頁#1機(jī)DCS#1機(jī)PLC#1機(jī)RTU#2機(jī)DCS#2機(jī)PLC#2機(jī)RTU接口機(jī)SIS功能站SIS維護(hù)站SIS值長(zhǎng)站安全隔離器鏡像服務(wù)器應(yīng)用服務(wù)器客戶端InternetDCS網(wǎng)絡(luò)SIS網(wǎng)絡(luò)MIS網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器SIS防病毒服務(wù)器SIS服務(wù)器現(xiàn)

代

電

站

自

動(dòng)

化

系

統(tǒng)

結(jié)

構(gòu)第40頁/共71頁結(jié)合上述的體系結(jié)構(gòu)，需要著重強(qiáng)調(diào)兩方面問題：一是如何將各個(gè)層次有機(jī)地融合在一起，充分發(fā)揮各自的功能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)一體化的信息處理模式；二是如何根據(jù)電力生產(chǎn)的需求，將自動(dòng)化領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法融入到這個(gè)層次化的結(jié)構(gòu)中，從廣度和深度兩方面提升電站的自動(dòng)化水平。

第41頁/共71頁3現(xiàn)代電站自動(dòng)化技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向

在今后的發(fā)展中，電站自動(dòng)化要始終以信息集成為核心。

進(jìn)一步加強(qiáng)先進(jìn)控制理論與方法的應(yīng)用研究；通過先進(jìn)的自動(dòng)化、信息化平臺(tái)將生產(chǎn)過程控制和管理的基本內(nèi)容有機(jī)的融合在一起，使電站自動(dòng)化從回路級(jí)、機(jī)組級(jí)提升到廠級(jí)甚至企業(yè)級(jí)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的電力生產(chǎn)管控一體化。第42頁/共71頁

研究先進(jìn)的控制理論與方法、解決電站控制領(lǐng)域的實(shí)際問題是自動(dòng)控制理論與電站自動(dòng)化研究的基本契合點(diǎn)。在對(duì)發(fā)電機(jī)組控制策略的研究中，一方面要借鑒其它工業(yè)過程的成功經(jīng)驗(yàn)，另一方面更要強(qiáng)調(diào)電力生產(chǎn)過程的特殊性，選擇和推廣適合于電站的理論和方法。

3.1

先進(jìn)控制理論與方法的應(yīng)用研究

第43頁/共71頁類別

方式

傳統(tǒng)控制策略

PID控制、比值控制、串級(jí)控制、前饋控制

先進(jìn)控制－經(jīng)典技術(shù)

增益調(diào)整、時(shí)滯補(bǔ)償、解耦控制、選擇性超馳控制器

先進(jìn)控制－流行技術(shù)

模型預(yù)測(cè)控制、統(tǒng)計(jì)質(zhì)量檢測(cè)、內(nèi)?？刂啤⒆赃m應(yīng)控制

先進(jìn)控制－潛在技術(shù)

最優(yōu)控制(LQG)、專家系統(tǒng)、神經(jīng)控制、模糊控制、非線性控制先進(jìn)控制－研究中的策略

魯棒控制、H∞控制、μ綜合

第44頁/共71頁(1)先進(jìn)控制策略

模型預(yù)測(cè)控制：滾動(dòng)優(yōu)化的思想增加了控制系統(tǒng)在線處理各種約束、擾動(dòng)和不確定因素的能力，更加適合于實(shí)際的生產(chǎn)過程；

魯棒控制：設(shè)計(jì)在各種工況下都具有良好性能的定參數(shù)控制器，避免控制器切換或參數(shù)調(diào)整對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動(dòng)；

自適應(yīng)與自整定控制：針對(duì)大范圍、變工況下對(duì)象特性的顯著變化，適時(shí)修正控制器的相關(guān)參數(shù)，維持控制品質(zhì)一定意義上的最佳；

統(tǒng)計(jì)質(zhì)量控制：對(duì)生產(chǎn)的全過程進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，確定最佳運(yùn)行方式和各子回路的最優(yōu)設(shè)定值。第45頁/共71頁

(2)智能化方法

模糊控制：1974年英國(guó)學(xué)者首先把Fuzzy理論用于鍋爐和汽輪機(jī)控制。目前，模糊控制的理論方法已大量地應(yīng)用于大型電站的控制與優(yōu)化中。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：對(duì)于電站這樣存在大量非線性的復(fù)雜系統(tǒng)而言，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制有著巨大的應(yīng)用潛力。目前的應(yīng)用研究領(lǐng)域包括單元機(jī)組模糊神經(jīng)元協(xié)調(diào)控制、機(jī)組最優(yōu)組合、報(bào)警處理與故障診斷、負(fù)荷預(yù)報(bào)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等。

專家系統(tǒng)：在大機(jī)組控制中，專家系統(tǒng)應(yīng)用的主要內(nèi)容有故障診斷專家系統(tǒng)、操作指導(dǎo)專家系統(tǒng)、事故分析專家系統(tǒng)以及分析、評(píng)估、規(guī)劃等專家系統(tǒng)。第46頁/共71頁

(3)控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)基本控制回路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。包括反饋信號(hào)的選取與構(gòu)造、不同控制方式的切換（單沖量、三沖量切換；鍋爐跟隨、汽機(jī)跟隨、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方式切換等）、快變過程與慢變過程的相互補(bǔ)償、多種控制手段之間的協(xié)同工作（再熱蒸汽溫度的擋板調(diào)節(jié)、噴燃器擺角調(diào)節(jié)、噴水調(diào)節(jié)的相互協(xié)調(diào)等）；

對(duì)于整個(gè)生產(chǎn)過程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這種優(yōu)化往往采用分級(jí)結(jié)構(gòu)，從全局的高度協(xié)調(diào)各個(gè)局部設(shè)備或控制回路的優(yōu)化運(yùn)行。第47頁/共71頁給水全程控制原理方案PI1調(diào)速給水單沖量HSPPI3PI2三沖量HSPPS～HP調(diào)節(jié)閥調(diào)速第48頁/共71頁

(4)非線性控制

大型火電機(jī)組是被控特性復(fù)雜多變的對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性隨著工況參數(shù)（負(fù)荷、壓力、流量、溫度等）的變化而大幅度變動(dòng)。采用非線性控制理論的有關(guān)設(shè)計(jì)方法抵消和補(bǔ)償對(duì)象的非線性，是保證機(jī)組大范圍變工況條件下快速負(fù)荷響應(yīng)和安全穩(wěn)定運(yùn)行的最直接、最根本的手段。在電站控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中要根據(jù)不同的對(duì)象和設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇相應(yīng)的非線性方法。由于非線性方法的復(fù)雜性以及電站被控對(duì)象的多樣性，很難找出一種通用的非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，因此，關(guān)于電站非線性控制方法的實(shí)用性研究將是長(zhǎng)期的。

第49頁/共71頁

(5)復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真

建立能夠反映電站機(jī)組動(dòng)態(tài)特性和非線性特性的模型具有重要意義:首先可以為各種依賴于模型的控制算法的應(yīng)用提供依據(jù)，為先進(jìn)控制方法在電站中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)；另外也可以作為一個(gè)通用的仿真平臺(tái)，用以分析和比較不同控制算法的性能。

第50頁/共71頁山西神頭第二發(fā)電廠500MW機(jī)組

簡(jiǎn)化非線性模型第51頁/共71頁對(duì)先進(jìn)控制理論與方法的研究要明確以下幾點(diǎn)：

PID及其變形（積分分離、帶死區(qū)、微分先行、自整定）以及與先進(jìn)控制策略的綜合（魯棒PID、智能PID等）仍然是有效的控制策略。傳統(tǒng)控制策略，如前饋、補(bǔ)償、解耦算法往往十分有效，甚至能取得事半功倍的效果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與算法設(shè)計(jì)是構(gòu)成控制系統(tǒng)的兩大要素。合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)往往比某種先進(jìn)算法更為重要。從控制目標(biāo)出發(fā)，綜合運(yùn)用各種控制方法是構(gòu)成先進(jìn)控制系統(tǒng)的有效途徑。第52頁/共71頁在未來的發(fā)展過程中，電站自動(dòng)化技術(shù)要立足于適應(yīng)電站運(yùn)行和管理的最新要求，把自身的不斷改進(jìn)和完善與引進(jìn)新技術(shù)、新方法、新觀念相結(jié)合，走一條開放的、可持續(xù)發(fā)展之路。小結(jié)第53頁/共71頁播放第54頁/共71頁第55頁/共71頁第56頁/共71頁第57頁/共71頁第58頁/共71頁第59頁/共71頁第60頁/共71頁第61頁/共71頁第62頁/共71頁機(jī)組狀態(tài)參數(shù)負(fù)荷指令中心

機(jī)爐協(xié)調(diào)器

汽機(jī)控制系統(tǒng)

機(jī)爐受控對(duì)象

中調(diào)指令

頻差信號(hào)

操作員指令

PT

NB

μ

NSP

…燃料控制系統(tǒng)

風(fēng)量控制系統(tǒng)

給水控制系統(tǒng)

單元機(jī)組主控系統(tǒng)局部回路控制系統(tǒng)生產(chǎn)過程進(jìn)汽量燃料量風(fēng)量給水量單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐和汽輪機(jī)作為一個(gè)整體，采用了分級(jí)、遞階的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把參數(shù)調(diào)節(jié)、邏輯控制和聯(lián)鎖保護(hù)等控