【畢業(yè)學位論文】(Word原稿)分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究-自動化

畢 業(yè) 設 計 (論文 ) 題目 分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究 院 系 自動化系 專業(yè)班級 自動化專業(yè) 學生姓名 導教師 二 一 年六月 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） I 分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究 中文摘要 隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的高參數(shù)大容量機組陸續(xù)投產(chǎn)。從發(fā)展趨勢看 , 600以上等級的火電機組已成為大電網(wǎng)的主力機組。同時大容量機組的不斷增加和電網(wǎng)調(diào)度自動化程度的日益提高，對火電廠機組的控制品質(zhì)提出了更高的要求。主 蒸汽溫度是鍋爐運行中的主要參數(shù) ,它的高低直接影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。鍋爐主汽溫控制有非線性和時變性。其大延時和大慣性的特點使其一直以來都成為火電廠自動控制的難點。 本次畢業(yè)設計，針對分段串級汽溫控制系統(tǒng)的特點，組成及工作原理進行分析，提出一種適合大遲延對象的并能在實際中得到應用的控制策略后，進行仿真實驗，研究其動態(tài)特性與魯棒性。 關鍵字 ：過熱器，分段控制，串級控制，過熱汽溫，控制策略 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） s 00 MW a of in of of of it is a to of is of is in of of in is It is to of In we on of a be in we 北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 目 錄 中文摘要 . I . 一章 緒論 . 1 力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況 . 1 題內(nèi)容和背景 . 1 包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 . 1 流鍋爐 主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 . 2 過熱器的分段控制策略 . 2 熱汽溫控制的意義及控制難點 . 2 級控制策略 . 3 文的研究內(nèi)容 . 4 第二章 主汽溫熱力系統(tǒng)及控制策略分析 . 5 流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別 . 5 熱器的工藝流程 . 5 溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性 . 6 熱汽溫的分段控制策略 . 7 汽溫控制的任務分配 . 8 級控制系統(tǒng)的概述 . 9 級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) . 11 第三章 主汽溫控制策略 . 13 述 . 13 糊控制論 . 14 經(jīng)網(wǎng)絡控制及其與模糊控制的結(jié)合 . 15 估器 . 16 第四章 分段串級控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn) . 17 熱汽溫控制系統(tǒng) . 17 熱汽溫控制連鎖邏輯 . 19 級減溫噴水控制邏輯 . 20 級減溫水噴水控制邏輯 . 21 第五章 分段串級汽溫控制系統(tǒng)的 仿真實驗 . 22 節(jié)器參數(shù)的工程整定法 . 22 控對象數(shù)學模型 . 22 汽溫控制系統(tǒng) 真及性能分析 . 23 汽溫控制系統(tǒng) 態(tài)圖 . 23 汽溫控制系統(tǒng)在設定值擾動下的仿真 . 23 汽溫控制系統(tǒng)在減溫水擾動下的仿真 . 24 汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測試 . 25 級汽溫控制系統(tǒng)的 真及性能分析 . 25 級汽溫控制系統(tǒng) 態(tài)圖 . 25 級汽溫在設定值擾動下的響應曲線 . 26 級汽溫在減溫水擾動下的響應曲線 . 26 級汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測試 . 27 第六章 總結(jié) . 28 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 參考文獻 . 29 致 謝 . 30 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 第一章 緒論 力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況 電力行業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，是人類社會生產(chǎn)和生活必不可少的重要產(chǎn)業(yè)。在我國各大電力系統(tǒng)中，主力機組的單機容量已有 30000繼續(xù)到 1000著單機容量的增大，初蒸汽參數(shù)也向高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界壓力逐步過渡。超臨界機組是我國近期發(fā)展 起來的大容量機組，并逐漸將成為國家電力行業(yè)的主力機組。 就目前看來，我國發(fā)電還是主要以火力發(fā)電為主，由于我國的煤炭儲量還較為豐富，所以火力發(fā)電廠主要還是燃煤電廠，而考慮到煤炭、石油、天然氣等資源的有限性和不可再生性以及我國水利資源的可觀性，我國這幾年正在大力發(fā)展水電站。除此以外，核電事業(yè)的發(fā)展也取得了很好的成績，如新建的三門核電站、福清核電站等。這標志著我國的發(fā)電模式逐漸向環(huán)保、節(jié)能、高效、多元、安全、低耗、環(huán)保、調(diào)度靈活的電力系統(tǒng)目標發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，截至 2009 年底，全國發(fā)電設備容量 87407 萬千瓦，同比 增長 其中，水電 19679 萬千瓦，占總?cè)萘?同比增長 火電 65205 萬千瓦，占總?cè)萘?同比增長 水電占總?cè)萘勘戎厣仙?百分點，而火電占比則減少 上可知，在未來很長的一段時間內(nèi)，火電機組仍是發(fā)電的主力。 火電廠日漸朝著大機組大容量的方向發(fā)展，這樣可以提高熱效率，每千瓦的建設投資和發(fā)電成本也會降低。目前，我國發(fā)電主要是向 6001000于超臨界和超超臨界機組可以調(diào)高煤炭利用率、降低環(huán)境污染、提高經(jīng)濟性的 優(yōu)勢，發(fā)展超臨界機組和超超臨界機組是必然趨勢。 題內(nèi)容和背景 包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)是由汽包，水冷壁，減溫器和過熱器串聯(lián)而成。其工藝流程可以從圖 1看出。主汽溫控制系統(tǒng)采用分段控制策略，具體內(nèi)容可見 包爐主汽溫調(diào)節(jié)可以分為 A、 汽經(jīng)過 A、 后通過蒸汽管道進入汽輪機。通過 A、 、 過 A、 文） 圖 1包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程圖 流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 直流鍋爐沒有汽包，只有汽水分離器。直流鍋爐是依靠給水泵一次性的將通過省煤器預熱、水冷壁蒸發(fā)、過熱器各受熱面而變成過熱蒸汽。其工藝流程可以從圖 1流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)和汽包鍋爐一樣，采用分段控制、通過調(diào)節(jié) A、 B 兩側(cè)噴水流量調(diào)節(jié)蒸汽溫度。 圖 1流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖 過熱器的分段控制策略 過熱器一般會分為低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器。過熱器采用兩級噴水減溫，一級噴水減溫器通常布置在屏式過熱器之前，且分布在過熱器的中間位置。二級噴水減溫器通常布置在高溫過熱器之前，同樣安裝在過熱器的中間位置。一級減溫器的作用是使屏式過熱器出口溫度維持在設定值，以保護屏式過熱器管壁不超溫，同時配合高溫過熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)， 并保持末級過熱器不超溫。過熱器每級噴水減溫系統(tǒng)均有兩只減溫器，每只減溫器均分 A、 B 兩側(cè)。對于 A、 B 兩側(cè)來說，由于其出口均有獨立的溫度測點，且溫度的設定值可以相互獨立，所以其控制系統(tǒng)可以設計為兩套獨立的汽溫控制策略。 熱汽溫控制的意義及控制難點 過熱汽溫控制對于機組的安全經(jīng)濟的運行有著非常重要的意義，但同時也是最難控制的的系統(tǒng)之一，其控制難點主要體現(xiàn)在一下幾個方面： 1）過熱汽溫的干擾因素很多，例如負荷，減溫水量等。 2）在各種擾動量的干擾下汽溫對象具有非線性、時變等特性，使控制難度加 大。 3）汽溫對象具有大遲延、大慣性的特點，尤其是隨著機組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過熱受熱面的比例加大，使其遲延和慣性進一步加大，增大了控制難度。 但同時過熱汽溫控制對于機組安全經(jīng)濟的運行有著相當重要的作用，主要有以下幾個方面： 后屏過熱器 未級過熱器 主汽溫水冷壁汽水分離器一級減溫水前屏過熱器二級減溫水華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） s) s) s) s)s)s)s)s)u1 -+-+1） 過熱汽溫過高會使蒸汽管道金屬和鍋爐受熱面的蠕變加快，影響使用壽命。當超溫嚴重的時候，將會使材料強度急劇下降從而導致管道破裂。過熱汽溫過高還會導致汽輪機的汽缸、汽門、前幾級噴嘴和葉片的機械強度下降，導致使用壽命降低和設備損壞。 2） 汽溫過低，將會影響機組的經(jīng)濟性。當汽溫低的時候機組熱效率降 低，煤耗增大。另外，汽溫降低會使汽輪機尾部的蒸汽濕度增大，影響汽輪機內(nèi)部的熱效率，使汽輪機末幾級葉片的侵蝕加劇。此外，汽溫降低會使汽輪機所受的軸向推力增大，對汽輪機的安全運行很不利。 3） 主汽溫變化過大，除使管材及有關部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動，危及機組安全運行。 總之，過熱汽溫是火電機組的主要參數(shù)。由于過熱器是在高溫、高壓環(huán)境下工作，過熱器出口汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處，工藝上允許的汽溫變化又很小，汽溫對象特性呈非線性，影響汽溫變化的干擾因 素多等，這些都使得汽溫控制系統(tǒng)復雜化，因此正確選擇控制汽溫的手段及控制策略是非常重要的。 級控制策略 過熱汽溫控制對象具有大遲延大慣性的特質(zhì)，簡單的單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制要求。目前大型機組多數(shù)采用串級控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)原理框圖如圖 圖 1級控制系統(tǒng)原理框圖 從圖中可以看出，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路，在控制過程中起著“ 粗調(diào)”的作用，一個環(huán)在外面，成為主環(huán)或者主回路，用來完成“細調(diào)”的任務，最終能夠保證被調(diào)量滿足工藝要求。 串級控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，主要原因有以下三個原因： 1）對二次干擾有很強的克服能力； 2）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率； 3）對負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。 由于串級控制系統(tǒng)的良好控制性能，所以在過熱汽溫控制中得到了廣泛的應用。在基本擾動下，主汽溫反映有著較大的遲延，而減溫器出口溫度有著明顯的導前作用，因此可以構(gòu)成以減溫器出口溫度為副參數(shù)，過熱器出口溫度為主參數(shù)的 串級控制系統(tǒng)，具體如圖1 當擾動發(fā)生在副回路時（如減溫水溫度發(fā)生擾動），由于有副回路的存在，并且導前區(qū)的慣性小，副調(diào)節(jié)器能夠快速反應，消除擾動，從而使主汽溫不必發(fā)生較大變化。當擾動發(fā)生在副回路之外時，引起主汽溫偏離設定值，這時主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號，通過副華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)減溫水流量，使主汽溫恢復設定值。 圖 1過熱汽溫串級控制系統(tǒng) 文的研究內(nèi)容 1)了解主汽溫控制現(xiàn)狀，主汽溫控制系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)及其控制對象的特性 ,對各種控制策略都要 有大概的了解，并選定自己要做的控制策略。 2)對分段串級控制系統(tǒng)的工程應用做出分析。 3)了解各種整定方法，建立汽溫控制對象的數(shù)學模型。 4）在文獻中找到符合自己需要的數(shù)學模型，分別設計一級與二級汽溫控制系統(tǒng)，并進行參數(shù)整定。 5) 對一級與二級汽溫控制系統(tǒng)分別進行仿真實驗，熟悉參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動態(tài)性能并進行魯棒性測試。 溫器y 221+減溫水調(diào)節(jié)閥華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 第二章 主汽溫熱力系統(tǒng)及控制策略分析 流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別 汽包爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器，汽包，下 降管，水冷壁，過熱器和再熱器組成。 在汽水系統(tǒng)中 ,鍋爐的給水由給水泵打出 ,先經(jīng)過高壓加熱器 ,再經(jīng)過省煤器吸收一部分煙氣中的余熱后進入汽包 不斷地吸收爐膛輻射熱量 ,由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出 ,再經(jīng)過多級過熱器進一步加熱成過熱蒸汽。這個具有一定壓力和溫度的過熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品 . 高壓汽輪機接受從鍋爐供給的過熱蒸汽，其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動，帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動而生成電能。從高壓汽輪機排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器中再次加熱， 然后再進入中、低壓汽輪機做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機尾部排入冷凝器凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補充水一起經(jīng)凝結(jié)水泵先打到低壓加熱器，然后進入除氧器，除氧后進入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。 直流爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器、汽水分離器、分離器儲水罐和儲水罐控制閥、水冷壁、過熱器和再熱器組成。 直流爐與傳統(tǒng)汽包爐在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別主要在于直流爐沒有汽包，只有汽水分離器，所以直流爐的蓄水能力不強，但是對于擾動和負荷的響應較快。直流鍋爐因為沒有汽包，給水一次性通過省煤器、水冷壁、過熱器。直流鍋爐不受 工作壓力的限制，可以適用于 300 直流鍋爐的加熱面和蒸發(fā)受熱面之間和蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面之間無固定的分界點，在工質(zhì)發(fā)生變化時，各受熱面的長度會發(fā)生變化。 直流爐的主要過程是：首先從給水泵過來的鍋爐除鹽水，經(jīng)過省煤器加熱后再經(jīng)過水冷壁的受熱面加熱后變成汽水混合物，經(jīng)汽水分離器后到過熱面。 在直流鍋爐中，蒸汽流量等于給水量和減溫水量的疊加，如果采用和汽包爐同樣的噴水降溫的手段，則當噴水增加時，給水就會減少，繼而擴大了燃水比的失調(diào)程度。所以對于直流鍋爐，必須保持燃水比 作為維護主汽溫的粗調(diào)手段，用噴水減溫作為細調(diào)手段。 超臨界直流鍋爐的主汽溫控制相對于汽包鍋爐增加了許多困難，主要體現(xiàn)在：汽溫控制的要求增大；被控量過熱器溫度對于給水流量改變的相應遲延時間（ T=200汽包鍋爐的同樣遲延（ T=30的多。因此，通常采用響應較快的微過熱汽溫作為判斷燃水比是否失調(diào)的的檢查信號。 熱器的工藝流程 從圖 2以看出，過熱器分為低溫過熱器、屏式過熱器、末級過熱器，有兩級減溫系統(tǒng)。一級噴水減溫器的作用是使屏式過熱器出口溫度維持在設定值，以保護屏式 過熱器華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 管壁不超溫，同時配合高溫過熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，并保持末級過熱器不超溫。每級過熱器的 A、 B 兩側(cè)都有各自的溫度測點，且溫度設定值可以單獨設定，所以其控制策略可以設計為兩套獨立的控制策略。 圖 2熱器噴水減溫控制工藝流程圖 溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性 影響過熱器出口溫度的因素有很多，主要有以下三種擾動： （ 1）蒸汽流量擾動下過熱汽溫動態(tài)特性 汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過熱蒸 汽和煙氣之間的傳熱條件，導致汽溫變化。蒸汽流量擾動下過熱蒸汽溫度的響應曲線如圖 2以看到溫度響應具有自平衡特性，而且慣性小和遲延都比較小。這是因為蒸汽量變化時，沿過熱器管道長度方向的各點溫度幾乎同時變化。 圖 2汽流量擾動下的汽溫響應曲線 （ 2） 煙氣側(cè)傳熱量擾動下的汽溫動態(tài)特性 燃料量增減，燃料種類的變化，送風量、吸風量的改變都將引起煙氣流速與煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上 同時發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小。煙氣側(cè)擾動的汽溫響應華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 曲線如圖 2 圖 2氣側(cè)傳熱量擾動下汽溫響應曲線 （ 3） 噴水量擾動下的動態(tài)特性 過熱器是具有分布參數(shù)的對象，可以把管內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無窮個單容對象 串聯(lián)組成的多容對象。當噴水量發(fā)生變化時，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終引起出口 蒸汽溫度的變化。因此，蒸汽溫度的響應有很大的遲延。減溫器離過熱器出口越 遠，延遲 越大。噴水擾動下的動態(tài)特性曲線如圖 2 圖 2水量擾動下的汽溫響應曲線 熱汽溫的分段控制策略 從汽溫動態(tài)特性的情況看，煙氣量、煙氣溫度和噴水量都可以用來控制過熱汽溫，但是考慮到在實際應用中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的難易度，目前大多數(shù)過熱汽溫控制系統(tǒng)都采用噴水量作為汽溫調(diào)節(jié)手段。由于噴水量擾動下的大遲延特性，目前的汽溫控制系統(tǒng)都采用分段控制策略，設有兩級噴水，這樣能夠有效的調(diào)高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 從控制策略上看，分段控制策略可以分為定值控制策略和溫差 控制策略。在實際應用中，定值控制策略由于其操作簡單得到廣泛的應用。本文主要討論定值控制策略。在定值 圖 2汽溫分段控制策略 控制策略中，一級噴水與二級噴水減溫的控制邏輯相互獨立，互不干擾。定值控制策略的控制目標明確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，參數(shù)整定容易，投運簡單。當過熱器各段都是以對流換熱為主時 ，定值控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)基本上能夠達到要求的品質(zhì)。由于定值汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)分別維持各自的設定值，所以當汽溫調(diào)節(jié)對象特性不同時，這種控制系統(tǒng)將不能滿足控制要求。例如在許多鍋爐的屏式過熱器處在輻射換熱區(qū)，汽溫調(diào) 節(jié)對性呈現(xiàn)輻射特性，而高溫過熱器是布置在對流換熱區(qū)，呈現(xiàn)對流特性。當機組負荷升高時輻射式過熱器中單位質(zhì)量蒸汽的輻射吸熱量減少，出口汽溫下降，而對流過熱器中單位質(zhì)量蒸汽的吸熱量增加，其出口汽溫增加。由于定值控制策略的各個子系統(tǒng)的控制邏輯相互獨立，所以其一級減溫器噴水量減少，調(diào)節(jié)閥關小，而二級減溫器噴水量增大，調(diào)節(jié)閥開大。此種控制策略兩級噴水器噴水量不協(xié)調(diào)。為了克服這種缺陷，可以將其改進，從二級控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器輸出引出前饋回路到一級減溫系統(tǒng)。 汽溫控制的任務分配 主汽溫 1的控制是通過控制一級 減溫器 的噴水量 和二級 減溫器的 噴水 量 來實現(xiàn)的，主汽溫與設定值（與負荷成單值函數(shù)關系）的偏差經(jīng)調(diào)節(jié)器運算產(chǎn)生基本噴水量需求信號，此信號經(jīng)與前饋信號迭加形總噴水量需求信號。前饋信號包括代表鍋爐送風量的信號和主汽壓偏差信號（主汽壓與設定值之差），它們都提前反映負荷變化。總噴水量需求分別乘以兩個不同的系數(shù) 2（ 到一級噴水需求信號 。正 y 4+一級減溫水調(diào)節(jié)閥二級減溫水調(diào)節(jié)閥342 1單元機組負荷指令f(x)f(x)f(x)總給水流量f(x)f(x)f(x)末過熱器出口壓力偏置+x)f(x)f(x)f(x)f(x)f(x)-+-+ +華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 常情況下，一級噴水量需求信號 a，從而控制一級噴水閥。二級噴水量需求信號經(jīng)修正形成二級噴水調(diào)節(jié)器設定值 b，從而控制二級噴 水閥。 因為 所以當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時， 一級噴水量 是 大于二級噴水量 的，即二級噴水的出力較小，這樣能夠使二級噴水留有余力的防止主汽溫超溫 。 當系統(tǒng)處于 動態(tài)時，系統(tǒng)將一級噴水需求通過慣性環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié) 調(diào)整 一級噴水量 的 設定值，逐步改變一級噴水量；系統(tǒng)將一級噴水需求與一級噴水量設定值的偏差加到二級噴水量需求上，使二級噴水閥完成一級噴水閥 沒有 完成的部分。這樣保證 了 主汽溫 1能夠 快速 的 維持在設定值。實際上，二級噴水量值是由總噴水量進行比例微分形成，加強二級噴水的動態(tài)控制作用，改善控制效果。 級控制系統(tǒng)的 概述 串級控制在熱工自動控制系統(tǒng)中的應用非常廣泛，其調(diào)節(jié)品質(zhì)好，特別適用于時間常數(shù)較大，階次較高和有較大延遲的調(diào)節(jié)對象。串級控制系統(tǒng)除了主被調(diào)量外，還有一個輔助被調(diào)量，輔助被調(diào)量對調(diào)節(jié)作用的響應要比較迅速。比較典型的有鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，當減溫水量改變后，過熱汽溫的變化較慢，減溫器出口汽溫的變化較快，這時就可以把減溫器出口汽溫作為過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的輔助被調(diào)量，形成一個調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)。串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如下圖 2示。 串級控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)有有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成 了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著粗調(diào)的作用；一個閉環(huán)在外面，別成為主環(huán)或者主回路，用來完成細調(diào)的任務，以保證被調(diào)量最終滿足工藝要求。如圖 調(diào)節(jié)單元 I、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)對象 構(gòu)成的回路稱為副回路 (或稱內(nèi)回路 )，調(diào)節(jié)單元 節(jié)對象 調(diào)節(jié)單元 回路、調(diào)節(jié)對象 I 構(gòu)成的回路稱為主回路 (或稱外回路 )，調(diào)節(jié)單元 節(jié)對象 節(jié)對象 。 串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有下列特點 : (1)串級控制系統(tǒng)有一個副回路，副回路具有快速作用，能夠有效的克服二次擾動的影響可以說串級控制系統(tǒng)主要是用來克服進入副回路的二次擾動的。從圖 以看出，進入副回路的擾動 先影響副參數(shù) 是副調(diào)節(jié)器立即動作，力圖消除干擾對于副參數(shù)的影響。顯然，如果沒有副回路，擾動 果具有副回路，擾動 (2)副回路起了改善調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的作用，因此可以加 大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。在串級控制系統(tǒng)中，副回路替代了單回路的一部分對象，其等效時間常華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 數(shù)會縮短，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小。通常副回路被控對象都是單容或者雙容的對象，因此副回路控制器的比例增益可以調(diào)的很大，這樣，等效時間常數(shù)就可以很小，從而加快了副環(huán)的響應速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。 (3)由于副回路的存在，使串級控制系統(tǒng)有了一定的自適應能力。在生產(chǎn)過程中，往往會包含一些非線性因素的存在。因此，在一定負荷下，即在確定的工作點情況下，按照一定控制指標整定的控制器參數(shù)只適應于工作點附近的一個小 范圍。如果符合變化過大，超出這個范圍，控制品質(zhì)就會下降。在單回路控制系統(tǒng)中如不采取其他措施是很難解 圖 2級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖 決的。但在串級控制系統(tǒng)中，負荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以減少影響或不影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一方面，等效副對象的增益在副對象增益或者調(diào)節(jié)閥的特性隨負荷變化時受到的影響不大，因而在不改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動的克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質(zhì)量；另一方面，由于副回路是一個流量隨動系統(tǒng)，當操作條件或負荷變化時，主調(diào)節(jié)器將改變其 輸出值，副回路能快速跟蹤及時而精確的控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從上述的兩個方面看，串級控制系統(tǒng)對于負荷變化有一定的自適應能力。 在設計串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)時，必須遵循下列兩條原則 :一個原則是副回路應使副回路的時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應靈敏。通常串級系統(tǒng)是用來克服對象的容積遲延和純遲延。也就是說，選擇這樣的參數(shù)使得副回路時間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，使得等效對象的時間常數(shù)減小，提高了工作頻率，加速了反應速度，縮短控制時間，從而改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)；另一個原則就是要把主要擾動納入副回路中，這是因為副回路對于 二次擾動有較強的克服能力。但是也不能走極端，試圖把所用的擾動都包含在副回路中，這樣將使主調(diào)節(jié)器失去作用，也就不能成為串級控制系統(tǒng)了。 對于主汽溫串級控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過程的要求是被調(diào)量等于給定值，而對輔助被調(diào)量則沒有嚴格的要求。針對這種情況，副調(diào)節(jié)器應該選用 P 作用或者 用，使內(nèi)回路盡快調(diào)節(jié)單元 調(diào)節(jié)單元 調(diào)節(jié)對象 調(diào)節(jié)對象 測量單元 測量單元 執(zhí)行器y+-+文） 溫器y 221+減溫水調(diào)節(jié)閥地消除擾動，以減少擾動對被調(diào)量的影響 (實現(xiàn)粗調(diào) );而主調(diào)節(jié)器一般選用 穩(wěn)態(tài)被調(diào)量等于給定值。 級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng) 串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩個閉環(huán)控制回路的組成是：由被調(diào)對象的導前區(qū)、汽溫變送器、副 調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成內(nèi)回路；由被調(diào)對象的惰性區(qū)、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器和內(nèi)回路組成外回路。 圖 2過熱汽溫串級控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。汽溫調(diào)節(jié)對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調(diào)節(jié)通道的輸入信號，過熱器出口汽溫為輸出信號。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)中也采用減溫器出口汽溫作為輔助調(diào)節(jié)信號。 對于串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論擾動發(fā)生在副調(diào)節(jié)器回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，其調(diào)節(jié)品質(zhì)都是優(yōu)于單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的。 (1)擾動發(fā)生在副回路內(nèi) ,例如當減溫水流量 可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變 )而引起減溫 水流量擾動變化時，對于單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于沒有副調(diào)節(jié)回路去迅速消除 以必然要影響到主汽溫的穩(wěn)定 ;對于串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于有副回路的存在，而且導前區(qū)的慣性又很小，副調(diào)節(jié)器將能及時動作，快速消除掉減溫水流量的自發(fā)性波動，從而使過熱汽溫基本不變。 圖 2熱汽溫串級控制系統(tǒng) 2)擾動發(fā)生在副回路以外，引起過熱汽溫偏離給定值時，串級系統(tǒng)首先由主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號，通過副調(diào)節(jié)回路去改變減溫水流量，使過熱汽溫恢復到給定值。這時，主調(diào)節(jié)器的 調(diào)節(jié)對象的慣性遲延比采取單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)時的調(diào)節(jié)對象的要小。因此在這華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 種情況下，串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)解質(zhì)量還是高于單回路系統(tǒng)的。 可見，在串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副回路的任務是盡快消除減溫水流量的自發(fā)性擾動和其他進入副回路的各種擾動，對過熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。汽溫系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的任務是保持過熱汽溫等于給定值，可采用比例積分或者比例積分微分調(diào)節(jié)器。 華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 第三章 主汽溫控制策略 述 直流鍋爐主汽溫控制對象是大 遲延大滯后的對象，具有大純滯后工藝過程的自動控制，是過程控制中最棘手的控制問題之一。長期以來，人們研究和提出了許多克服大遲延大滯后對象的控制方法，最簡單的就是利用 節(jié)器。 節(jié)器具有調(diào)節(jié)方便、適應力強的特點，在要求不太嚴格的情況下，足以滿足生產(chǎn)過程的要求。當對系統(tǒng)進行特別整定時還不能取得良好的效果時，還可以在常規(guī)控制的基礎上進行少許的改動，例如，中間反饋方案，微分先行方案。微分先行和中間反饋控制方案能在無需多加任何特殊設備的條件下有效的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但總的來說，上述方案都存在這較大的超調(diào)量， 并且響應速度都挺慢的，如果要求更高的控制精度，則需要其它的控制策略。 控制理論經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，研究出了許多新型的控制策略。但就主汽溫控制上的工程應用來說，使用最多的還是史密斯預估器。例如采用常規(guī)串級控制系統(tǒng)和 是對于這么簡單的控制器，仍然有很多沒有解決的問題。預估補償方案在理論上能夠消除純滯后對閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)影響，但它最大的缺點就是對數(shù)學模型的依賴。預估補償方案要求工程數(shù)學模型有一定的精確度，但隨著計算機技術的發(fā)展和辨識技術的推廣， 使得預估控制方案在工程上得以實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制理論都要求有精確的數(shù)學模型，對被控對象進行時域或頻域的分析，然后設計出針對該控制對象的控制器。一旦對象的參數(shù)或者特性發(fā)生變化，原有的控制策略就不能夠取得較好的控制效果。因此，對于傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法，找到精確的數(shù)學模型是至關重要的。 電廠控制的復雜控制目標和任務以及控制對象動態(tài)特性的不確定性、非線性等特性，使得傳統(tǒng)的基于對象精確數(shù)學模型的控制方法的應用受到限制。就在常規(guī)控制理論面臨復雜生產(chǎn)過程的挑戰(zhàn)的時候，人們在工程實 踐中發(fā)現(xiàn)這些復雜過程卻可由操作熟練的操作人眼通過在實踐中不斷學習、經(jīng)驗積累而達到有效的控制，這使得人們漸漸認識到了在傳統(tǒng)控制中加入邏輯推理和啟發(fā)式知識的重要性。于此同時，人工智能由于計算機科學的發(fā)展而成為一門學科。這些發(fā)展和思想促使了智能控制理論的誕生。智能控制作為新興的邊緣交叉學科，目前對智能控制系統(tǒng)尚沒有統(tǒng)一的定義，然而對它的基本特征卻可以加以描述，制系統(tǒng)學會描述為：“智能控制系統(tǒng)必須有適應能力以應付變化的環(huán)境和條件，但如果要能適應較大的不可預測的變化，系統(tǒng)必須具有學習能力；系統(tǒng)必須具有在不確 定環(huán)境中的自主能力，以最終實現(xiàn)自行設定并達到控制目標；為有效處理復雜性，系統(tǒng)應具有華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文） 分級分層的功能結(jié)構(gòu)。”這顯然對控制系統(tǒng)設計有了更高的要求，也為控制理論的發(fā)展指明了方向。在電廠控制研究領域，目前關于智能控制的實際應用雖然較少。但在各種國際會議和雜志中發(fā)表文獻的日益增多表贏了電廠控制系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢。 常見的智能控制系統(tǒng)有那些采用模糊控制邏輯、專家系統(tǒng)或神經(jīng)網(wǎng)絡及其他智能方法的控制系統(tǒng)，它通常表示具有下列特征的控制器： 1） 除了采用數(shù)值計算方法，還使用邏輯、排序、推理或啟發(fā)式方法的控制器； 2） 本質(zhì)上是一種自治程度 范圍比常規(guī)控制器更廣的非線性控制器； 3) 為實現(xiàn)更廣泛的功能，它依賴于模仿那些設想在人類或生物系統(tǒng)中起作用的行為模式所表現(xiàn)出來的形式以及決策方法步驟。 糊控制論 模糊控制是以模糊集合論、模糊變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本結(jié)構(gòu)如圖 3 A / 知 識 庫傳 感 器I 糊控制系統(tǒng)框圖 從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制，它的組成核心是模糊控制器。所以，從其控制器的智能性看，它屬于智能控制的范疇，而且它己成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而且又有 效的形式。尤其是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等新學科的相融合，正在顯示出其巨大的應用潛力。 模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。模糊控制器由以下四部分組成 : l)模糊化 這部分的作用是將輸入的精確量轉(zhuǎn)換成