熱工自動控制系統(tǒng)1

1、熱工自動控制理論與技術(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 熱工自動控制基礎(chǔ)1.1 自動控制的基本概念1.1.1過程控制、程序控制與運動控制l 過程控制：對流程工業(yè)生產(chǎn)過程的控制，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)工藝過程中的設(shè)備自動地依次進(jìn)行操作。非流程工業(yè)控制（制造業(yè)等）。l 運動控制：機器人控制等。1.1.2 過程控制系統(tǒng)的組成在無人直接參與下可使生產(chǎn)過程或其它過程按期望規(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。它是由控制對象、測量環(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現(xiàn)時，稱為模擬（連續(xù)）控制系統(tǒng)；當(dāng)控制器由計算機實現(xiàn)時，則稱為計算機控制系統(tǒng)。由于計算機內(nèi)部使用數(shù)字量進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、運算與處理，而生產(chǎn)過程輸入輸出多為連續(xù)模擬信號，因此，計算機控制系統(tǒng)中首先要解決計算機與生產(chǎn)過程間的信號轉(zhuǎn)換問題。實現(xiàn)這一功能的器件是多路開關(guān)、采樣保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和保持器，控制器則由計算機實現(xiàn)。典型的輸出反饋計算機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2輸出反饋計算機控制系統(tǒng)目前普遍采用DCS實現(xiàn)過程控制，其本質(zhì)也是一個計算機控制系統(tǒng)。輸出反饋控制是狀態(tài)反饋控制的特例。計算機的使用使實現(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)過程控制創(chuàng)造了條件。狀態(tài)反饋計算機控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。圖1-3狀態(tài)反饋計算機控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要組成部分說明如下：一、控制對象控制對象是指所要控制的裝置或設(shè)備，如風(fēng)機、水泵、閥門及鍋爐、汽輪機、發(fā)電機等。在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計中，控制對象以數(shù)學(xué)模型形式來描述，其一般形式為微分方程。當(dāng)然，對于復(fù)雜控制對象，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)過簡化的、能滿足控制要求的近似模型。當(dāng)考慮被控對象參數(shù)在工作點附近波動時，可以假設(shè)被控對象具有線性輸入輸出關(guān)系，而以傳遞函數(shù)來表征。這也是目前使用最廣泛的對象特性描述方法?？刂茖ο笥脗鬟f函數(shù)來表征時，其特

4、性可以用放大系數(shù)K、慣性時間常數(shù)Tm、積分時間常數(shù)Ti和純滯后時間 t 來描述?？刂茖ο蟮膫鬟f函數(shù)可以歸納為以下幾類：（1） 放大環(huán)節(jié)G(s)=K，此類對象如線性閥門、杠桿系統(tǒng)等。（2） 慣性環(huán)節(jié)當(dāng)T1=T2=Tn時，有此類對象一般伴有物質(zhì)、能量的傳遞過程，如沿管道的加熱過程等。（3） 積分環(huán)節(jié)此類對象如水箱水位系統(tǒng)等。（4） 純滯后環(huán)節(jié)此類對象反映物質(zhì)流動或化學(xué)反映造成的純滯后。實際對象可能是放大環(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)過熱器出口溫度對減溫水調(diào)節(jié)閥開度的傳遞函數(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)：控制對象也可

5、以按照輸入、輸出量的個數(shù)分類，當(dāng)僅有一個輸入U(s)和一個輸出Y(s)時，稱為單輸入單輸出對象，這是最簡單的情況。當(dāng)對象具有多個輸入和單個輸出時，稱為多輸入單輸出對象。當(dāng)對象具有多個輸入和多個輸出時，稱為多輸入多輸出對象，這是最普遍的情況。鍋爐汽輪機系統(tǒng)，在一定條件下可以簡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為汽輪機調(diào)門開度，N為實發(fā)功率，P為機前壓力。該圖說明鍋爐汽輪機系統(tǒng)為耦合系統(tǒng)，mB既通過G11(s)影響P，又通過G12(s)影響N；mT既通過G22(s)影響N，又通過G21(s)影響P 。設(shè)計上述對象的控制系統(tǒng)時，要用到多變量解耦理論與方法。圖1-4機

6、爐控制對象掌握控制對象特性對調(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，通過調(diào)節(jié)機構(gòu)改變被調(diào)介質(zhì)的流量或能量，使生產(chǎn)過程符合預(yù)定的要求。按照采用的動力方式，執(zhí)行器可以分為電動執(zhí)行器、氣動執(zhí)行器和液動執(zhí)行器三大類。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特性等三種，如圖1-5所示。執(zhí)行器性能的好壞對控制系統(tǒng)控制效果將產(chǎn)生重要影響。因此，使用前要對其進(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)計時還要加入閥門特性非線性補償環(huán)節(jié)。三、測量變送器測量變送器由傳感器和測量線路

7、組成，它將過程參數(shù)轉(zhuǎn)換為某種形式的信號，以便于傳輸、顯示或計算。生產(chǎn)過程中常用的測量變送器有測量溫度的熱電偶、熱電阻，測量壓力的壓力變送器，測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、振動傳感器、火焰探測器等。在計算機控制系統(tǒng)中，首先要將過程參數(shù)通過測量變送器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過隔離、調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量進(jìn)入計算機。四、控制器數(shù)字控制器的核心為數(shù)字計算機，數(shù)字控制器的控制規(guī)律是由計算機程序來實現(xiàn)的。由于計算機程序編寫的靈活性，使得數(shù)字控制器比傳統(tǒng)模擬控制器能實現(xiàn)更強大的功能。1.1.3 幾個術(shù)語被調(diào)量（被控量）：被測量或被控制的變量，為系統(tǒng)輸出。通過檢測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)：單輸入單輸出系統(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。隨動控制：給定值根據(jù)某一變量變化。擾動量（干擾）：引起被調(diào)量偏離給定值的各種因素。內(nèi)部擾動：控制側(cè)產(chǎn)生的擾動；外部擾動：非控制側(cè)產(chǎn)生的擾動。模擬量：連續(xù)變化的變量，溫度、壓力、流量、液位等。開關(guān)量：非連續(xù)變化的變

9、量，接點的斷開與閉合、繼電器的激勵與非激勵、信號的高低、電機的起停等。開環(huán)監(jiān)視與閉環(huán)控制：開環(huán)監(jiān)視-過程參數(shù)只進(jìn)行簡單的顯示、記錄、處理等，不直接用于控制；閉環(huán)控制既反饋控制-通過控制信號通道與反饋信號通道構(gòu)成一個閉環(huán)回路。根據(jù)反饋信號與期望的偏差來修正控制信號，以達(dá)到干預(yù)被控對象的目的。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，實質(zhì)上是一種按照擾動進(jìn)行補償?shù)拈_環(huán)系統(tǒng)，擾動信號分別通過對象的擾動通道與前饋通道來影響被調(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前向通道，也存在從輸出到輸入的信號反饋通路，兩者構(gòu)成一個閉合的回路。反饋控制是自動控制的主要形式。常規(guī)控制與高級控制：用PID等簡單控制算法實現(xiàn)的控制叫常規(guī)控制；用高級控制算法實現(xiàn)的控制叫高級控制，如預(yù)估控制、狀態(tài)觀測器、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)，是相對的。動態(tài)：系統(tǒng)處于兩個平衡之間的過渡狀態(tài)，參數(shù)是變化的。系統(tǒng)受內(nèi)擾與外擾的作用，會不斷發(fā)生變化，如給定值變化、外界條件變化等。會偏離穩(wěn)定狀態(tài)。控制系統(tǒng)在受到干擾作用時的過渡過程可能有如圖四種情況：不

11、振蕩、衰減振蕩、等幅振蕩、漸擴振蕩。衡量一個控制系統(tǒng)的指標(biāo)一般可歸納為三個方面：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)過程對控制的穩(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)在給定擾動下的被調(diào)量階躍響應(yīng)曲線為例，說明幾種性能指標(biāo)的含義及計算方法。一、率減比和率減率率減比和率減率都是衡量一個過渡過程的率減程度的指標(biāo)。其中率減比等于兩個相鄰的同相波峰值之比，即率減比 率減率是指經(jīng)過一個周期后，波動幅度率減的百分?jǐn)?shù)，即率減率 率減比和率減率之間有簡單的的對應(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)過兩個周期以后系統(tǒng)將趨于穩(wěn)定了。圖1-7 控制系統(tǒng)階躍擾動及響應(yīng)二、最大動態(tài)偏差和超調(diào)量最大動態(tài)偏差是指給定值階躍擾動時，過渡過程開始后第一個波峰超過其新穩(wěn)態(tài)值的幅度，即圖中的y1。最大動態(tài)偏差占被調(diào)量穩(wěn)態(tài)變化幅度的百分?jǐn)?shù)稱為超調(diào)量。最大動態(tài)偏差和超調(diào)量是控制系統(tǒng)動態(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渡過程結(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)時間調(diào)節(jié)時間ts是從過渡過程開始到結(jié)束所需的時間。理論上它需要無

13、限長的時間，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)，就算過渡過程已經(jīng)結(jié)束。調(diào)節(jié)時間是衡量控制系統(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渡過程時間有關(guān)，因此希望它愈小愈好。常見的積分型指標(biāo)有以下幾種：誤差積分（IE）絕對誤差積分（IAE）平方誤差積分（ISE）時間與絕對誤差乘積積分（ITAE）一個具體的控制系統(tǒng)，到底使用以上所述的哪個指標(biāo)作為整定控制器參數(shù)的依據(jù)，與系統(tǒng)本身特點及控制要求有關(guān)。一般來說，單項指標(biāo)（率減比和率減率、最大動態(tài)偏差和超調(diào)量、殘余偏差及調(diào)節(jié)時間）計算簡單，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。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現(xiàn)某一積分準(zhǔn)則的最小。因此，控制器參數(shù)尋優(yōu)時往往使用積分型準(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)中加大了對偏差的懲罰力度，所以以ISE準(zhǔn)則最小整定出來的系統(tǒng)最大動態(tài)偏差較小，但調(diào)節(jié)時間較長；ITAE中考慮了調(diào)節(jié)時間的影響，因此以ITAE準(zhǔn)則最小整定出來的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間最短，但最大動態(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（包括定值擾動）。內(nèi)擾試驗在70%負(fù)荷以上進(jìn)行，擾動量宜為被調(diào)介質(zhì)滿量程的10%。調(diào)節(jié)過程衰減率應(yīng)在0.70.9，被調(diào)節(jié)量的峰值不應(yīng)達(dá)到保護動作值（對于主蒸汽壓力和負(fù)荷控制系統(tǒng)衰減率應(yīng)在0.90.95）。（2） 外擾試驗（負(fù)荷擾動）。負(fù)荷擾動試驗在機組負(fù)荷70%以上進(jìn)行，負(fù)荷變化分慢、中、快三種工況，各工況下機組主要參數(shù)變化范圍應(yīng)按DL/T 657執(zhí)行。機組主要參數(shù)變化范圍見表1。表1 機組主要參數(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)模型與動態(tài)模型。建立數(shù)學(xué)模型的過程稱為建模。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。（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)空間模型時域模

17、型、頻域模型。模型的簡化。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） 機理法建模。物質(zhì)平衡方程、能量平衡方程、動量平衡方程、相平衡方程、流動、傳熱化學(xué)等方程。（2） 測試法建模。根據(jù)工業(yè)過程的輸入和輸出的實測數(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 熱工過程動態(tài)特性的特點（1） 熱工過程常見動態(tài)特性有自平衡單容對象、有自平衡多容對象、無自平衡單容對象、無自平衡多容對象。（2） 純遲延傳輸遲延：物體移動需要時間。容積遲延：多個容積遲延，分布參數(shù)時有無窮多個容積遲延（過熱器等）。純遲延使控制更

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

19、設(shè)計閉環(huán)系統(tǒng)極點在右半平面內(nèi)。極點配置。1.4.2 PID控制器PID控制器參數(shù)對控制性能的影響下面以標(biāo)準(zhǔn)PID算法為例，說明控制器參數(shù)，即比例系數(shù)Kp、積分時間Ti和微分時間Td對系統(tǒng)性能的影響。一、比例作用Kp對控制性能的影響（1） 對動態(tài)特性的影響比例系數(shù)Kp越大，比例作用越強。在純比例控制中，比例作用Kp加大，使系統(tǒng)動作靈敏，速度加快。Kp偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時間加長。當(dāng)Kp太大時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。若Kp太小，又會使系統(tǒng)動作緩慢。圖1-9比較了不同Kp對動態(tài)特性的影響。（2） 對穩(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對控制性能的影響二、積分作用Ti對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。積分作用對系統(tǒng)性能的影響如圖1-10所示。（1） 對動態(tài)特性的影響積分時間Ti越小，積分作用越強。積分作用通常使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti偏小時振蕩次數(shù)較多，Ti太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。Ti太大時，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較小。（2） 對穩(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，要綜合考慮其對動態(tài)特性與穩(wěn)態(tài)特性的影響。圖1-10 Ti對控制性能的影響三、微分作用Td對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。微分作用對系統(tǒng)性能的影響如圖1-11所示。微分時間Td越大，微分作用越強。微分作用可以改善控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，如減少超調(diào)量sp，縮短調(diào)節(jié)時間ts，允許加大比例作用，使穩(wěn)態(tài)誤差減小，提高控制精度。無論Td偏大還是偏小，都會引起超調(diào)量的增大、調(diào)節(jié)時間的加長。四、控制規(guī)律的選擇實際應(yīng)用中，往往是PID控制器中的各種作用相互補充，以達(dá)到最佳的控制效果。一般來說，對于相同的控制對象，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)律時的過渡過程曲線。針對一個具體的控制對象，選擇控制規(guī)律的一般原則為：（1） 當(dāng)控制對象為一階慣性環(huán)節(jié)，且負(fù)荷變化不大，工藝要求不高時，可采用比例（P）控

22、制。如水箱水位的調(diào)節(jié)、串級調(diào)節(jié)系統(tǒng)的副回路等。（2） 當(dāng)控制對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，可采用比例積分（PI）控制。如壓力、流量、液位的調(diào)節(jié)。（3） 對于純滯后時間t較大，負(fù)荷變化較大，控制性能要求較高的場合，可采用比例積分微分（PID）控制。如過熱蒸汽溫度控制、PH值控制等。圖1-11 Td對控制性能的影響圖 1-12 不同控制規(guī)律的過渡過程曲線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)投入自動并使其穩(wěn)定運行。然后逐漸減小比例帶，直到被控量y出現(xiàn)等幅振蕩（見圖1-13(a)）。根據(jù)此時的比例帶du（稱為臨界比例帶）及振蕩周期Tu（稱為臨界振蕩周期）按照表1-2給出的經(jīng)驗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，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)，因此對于反應(yīng)較慢的系統(tǒng)，整定過程需要花費較長的時間。二、率減曲線法率減曲線法也是一種閉環(huán)整定方法，試驗過程與臨界比例度法相似，所不同的是要通過調(diào)整比例帶d直到過程輸出y出現(xiàn)圖1-13(b)所示的4:1率減振蕩。然后根據(jù)此時的比例帶dv及振蕩周期Tv按照表1-3給出的經(jīng)驗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、動態(tài)特性曲線法動態(tài)特性曲線法是一種開環(huán)整定方法，即利用被控對象的開環(huán)特性來整定PID參數(shù)。我們知道，對處于穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)加輸入階躍擾動時，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)為如圖1-14所示的S形曲線。對于該階躍擾動曲線，在拐點3處作曲線的切線，切線與擾動前輸出穩(wěn)態(tài)值的交點為2。不難求出對象的遲延時間L及切線斜率Rr，根據(jù)這兩個參數(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)開環(huán)整定方法都要對響應(yīng)曲線進(jìn)行簡化，而最常用的簡化方法

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為對象傳遞函數(shù)，為靜態(tài)增益，T0為慣性時間常數(shù)，L為純遲延。以L、T0及K0為對象特性參數(shù)的Z-N整定方法及改進(jìn)后的柯恩-庫恩（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)對于不同的應(yīng)用場合，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)荷擾動與定值擾動時的系數(shù)調(diào)整規(guī)則。一般來說，基于負(fù)荷擾動的整定方法得出的穩(wěn)定裕量較小，當(dāng)將其應(yīng)用到定值擾動時，輸出響應(yīng)會出現(xiàn)明顯的振蕩。表1-6 基于積分準(zhǔn)則及負(fù)荷擾動的整定規(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于對象的數(shù)學(xué)模型，特別是用上述方法求取模型時，在選擇切線點或作切線時會引入一定的誤差，影響整定效果。工程上試驗曲線一般都不規(guī)則，求取模型難度更大。因此常用面積法或最小二乘法來求取對象特性參數(shù)，關(guān)于這方面的內(nèi)容請參閱有關(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，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)荷擾動方法：IAE定值擾動方法：各種方法對應(yīng)的定值擾動曲線如圖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)運行過程中自動整定控制器的參數(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，降低了對工程技術(shù)人員經(jīng)驗和技術(shù)水平的要求；更為主要的是，當(dāng)被控過程特性發(fā)生變化時

31、，控制器能夠自動修改控制參數(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)辨識模塊：用來估計模型參數(shù)，模型一般具有一階慣性加純遲延的形式，因此需要辨識的參數(shù)有純遲延時間、慣性時間及穩(wěn)態(tài)增益。控制器參數(shù)計算模塊：根據(jù)目標(biāo)函數(shù)及模型計算控制器參數(shù)；控制器實現(xiàn)模塊：對控制器參數(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別的方法。第二章 自動發(fā)電控制與單元機組協(xié)調(diào)控制2.1 發(fā)電廠控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與自動發(fā)電控制（AGC）發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的大系統(tǒng)。處理大

32、系統(tǒng)控制問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)是一個典型的分級遞階控制系統(tǒng)，包含回路級控制系統(tǒng)、機組級控制系統(tǒng)、廠級控制系統(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自動發(fā)電控制自動發(fā)電控制（AGC）是電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)中的一項重要的基礎(chǔ)功能。AGC是指發(fā)電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）根據(jù)調(diào)度中心的AGC軟件計算結(jié)果輸出的設(shè)點命令，自動調(diào)節(jié)機組的出力使電網(wǎng)的頻率和聯(lián)絡(luò)線凈交換功率維持在計劃值。以保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行。它以滿足電力供需實時平衡為目的，實現(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，使與計劃值的偏差在允許的范圍內(nèi)；n 對參與遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)的發(fā)電廠，以發(fā)電成本或上網(wǎng)電價為依據(jù)進(jìn)行出力分配，使電網(wǎng)獲得最大經(jīng)濟效益。AGC設(shè)點控制首先下發(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。AGC還考慮了與EMS應(yīng)用軟件如機組計劃，聯(lián)絡(luò)線交易計劃，超短期負(fù)荷預(yù)報等的接口。假設(shè)兩個電網(wǎng)各有一臺機組，如圖所示。當(dāng)區(qū)域1發(fā)生負(fù)載變化DPL1時，穩(wěn)定后，有下圖給出負(fù)載階躍變化時頻率的變化曲線，可見總會導(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程是不斷進(jìn)行的。電網(wǎng)中有多個發(fā)電機組，必須有一種負(fù)荷分配方法。為此，為發(fā)電機組設(shè)置了一系列的控制裝置。調(diào)速器（Governor）用來維持轉(zhuǎn)速。輔助控制裝置用來實現(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)計的總控制策略從ACE開始，它是總發(fā)電量與總需求量的偏差。ACE計算如下圖所示。AGC性能的好壞由以下方面密切相關(guān)：（1）ACE信號不能過大。因為負(fù)載變化的不可預(yù)測性，因此是統(tǒng)計意義上的。（2）ACE不允許“漂移”，既ACE在一段時間內(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的偏差有簡單的負(fù)載變化引起，而不需要任何動作。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，熱耗率曲線在大的ACE時會出現(xiàn)問題。若某機組的參與系數(shù)比其他機組大的多，它將占用多數(shù)控制器的動作量，其他機組可能相對處于固定狀態(tài)。影響變負(fù)荷速度。措施：多個機組參與校正ACE，當(dāng)ACE校正后，AGC再恢復(fù)到經(jīng)濟分配方式。n ACE的濾波。n 遙測信號故障。一般AGC指令保位狀態(tài)。n 機組控制檢測。當(dāng)檢測到機組不隨AGC指令而變化時，應(yīng)在其他機組間重新分配指令。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 機組控制方式。要了解機組的控制方式，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。國內(nèi)對大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)實現(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（NERC）A1、A2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。A1、A2標(biāo)準(zhǔn)要求正常運行時控制區(qū)ACE在十分鐘內(nèi)至少過零一次及十分鐘ACE平均值必須在規(guī)定范圍Ld內(nèi)（國調(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)整機組出力使ACE在規(guī)定時間過零為控制目標(biāo)，物理概念比較清楚，但要以機組頻繁進(jìn)行調(diào)節(jié)、增加損耗為代價，而且不利于電網(wǎng)故障后對事故支援的評價。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)計學(xué)方法導(dǎo)出的。2.2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCSCoordinated Control Sys

38、tem），概括地說，就是把鍋爐及汽機作為一個整體進(jìn)行綜合控制時所用的系統(tǒng)。2.2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的功能和主要內(nèi)容簡單地說，機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：（1）接收中調(diào)來的負(fù)荷指令信號，實現(xiàn)自動發(fā)電控制（AGC）；（2）在滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化要求的同時，能夠保證單元機組本身運行的穩(wěn)定；（3）能夠根據(jù)機組狀況采取相應(yīng)運行方式，并具有處理意外事件的能力（可測的與非可測的）； （4）方便、簡潔的運行人員接口。機爐協(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：第一部分為機組指令處理回路，用以協(xié)調(diào)機組能力與電網(wǎng)需求的平衡，根據(jù)AGC指

39、令或本機的運行人員指令（目標(biāo)指令），經(jīng)運算處理，給出在幅值大小和變化率均為機組可能接受的實際機組功率指令ULD（Unit Load Demand）。第二部分為機爐主控系統(tǒng)或機爐主控制器，根據(jù)機組功率指令ULD、機組的運行工況、運行方式以及機、爐不同的動態(tài)特性，協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機間的能量平衡，提供機組級的輸出功率與機前壓力聯(lián)合控制，從而使機組的負(fù)荷適應(yīng)性與運行穩(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指令，分別控制鍋爐、汽輪機的各子系統(tǒng)燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、噴水以及汽輪機閥位。對主控系統(tǒng)來說，各子控制系統(tǒng)均相當(dāng)于伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。要實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制，首先必須使鍋爐、汽

40、輪機子系統(tǒng)運行正常，也就是說要提高基礎(chǔ)自動化水平。2.2.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案工程實際中協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有多種實現(xiàn)方案，他們都是在對機組特性充分研究的基礎(chǔ)上提出來的，并且具有獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)整定方法。一個具體機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計問題，首先要分析現(xiàn)有各種方案的特點，然后結(jié)合機組實際，給出一個切實可行的方案，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。正常運行時汽輪機側(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有遲延，另一方面對給定功率的微分超前調(diào)節(jié)作用，有利于改善鍋爐對功率的響應(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)荷變化速度過快或燃料擾動過大，造成機前壓力偏差超過F(x)的不靈敏區(qū) D 時，汽輪機側(cè)即由調(diào)功率轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，確保壓力波動在規(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)性與運行穩(wěn)定性，斜率的選擇取決于壓力偏差動態(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、機側(cè)同時閉環(huán)調(diào)功調(diào)壓的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從內(nèi)擾和外擾兩方面分析如下：(1) 內(nèi)擾時的擾動單向補償圖中的交叉環(huán)節(jié)，用于減少鍋爐燃料擾動對汽輪機動作的單向解耦。若取則理論上基本消除了爐對機的影響。工程上可以用一個簡單的比例環(huán)節(jié)K進(jìn)行補償，有式中，KNB、KPB分別為燃料擾動傳遞函數(shù)WNB(s)、WPB(s)的放大倍數(shù)。燃料擾動（增加）時，壓力信號（增加）通過交叉環(huán)節(jié)K抵消（要求汽輪機控制回路開大調(diào)門）了功率信號要求關(guān)小調(diào)門的動作。這樣，擾動由鍋爐側(cè)自行快速消除，汽輪機側(cè)控制系統(tǒng)盡量少動或不動，減少鍋爐

43、對汽輪機動作的相互影響，提高了穩(wěn)定性。(2) 外擾時限制負(fù)荷變化幅度與速度壓差信號通過交叉環(huán)節(jié)K引入汽輪機側(cè)，功差和壓差信號綜合為ULD-K(ps-pt) -N，相當(dāng)于負(fù)荷增加時，由于壓力動態(tài)降低，暫時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償信號”前饋中，第一項為負(fù)荷信號p1，第二項為隨負(fù)荷（p1）值比例改變的鍋爐蓄能補償Kp1(ps-pT)。若以該前饋信號不受鍋爐內(nèi)擾影響整定（p1項在內(nèi)擾時有正反饋作用），有K=1/ps，此時控制

44、回路的增益不會隨負(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)在汽機跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動，原理方框圖如下圖所示。汽輪機側(cè)同時閉環(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跟隨控制方式時負(fù)荷響應(yīng)慢及功率波動大的缺點，在汽輪機側(cè)同時加入了功率偏差信號，分析入下： (1) 外擾時的蓄能應(yīng)用功率指令同時送機、爐兩側(cè)，合理利用鍋爐蓄能，提高了機組的負(fù)荷響應(yīng)。汽輪機側(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，動態(tài)改變（降低）了壓力定值，

45、以放出蓄能。功差項K(ULD-N)就是加負(fù)荷時壓力定值的動態(tài)降低量。若負(fù)荷變化超過規(guī)定，對K(ULD-N)信號設(shè)置有F(x)予以限制，以免機前壓力偏差超過允許范圍。F(x)模塊的斜率K，就是一個外擾動態(tài)過程鍋爐蓄能利用程度參數(shù)。(2) 內(nèi)擾時擾動單向補償設(shè)計交叉環(huán)節(jié)F(x)，使之滿足，則理論上基本消除了爐對機的影響，實際中一般取。這樣，燃料擾動（增加）時，功率信號（增加）抑制了汽輪機控制回路由于機前壓力（增加）要開大閥門的動作，減少了功率的波動，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實際系統(tǒng)中，考慮到機組各種運行工況及輔機情況，一般設(shè)計有多種運行方式，并具有無擾切換功能。三、直接能量

46、平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)機爐間的能量平衡，以機前壓力Pt的穩(wěn)定為標(biāo)志。當(dāng)Pt維持在定值Ps時，就意味著機爐間達(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，機組負(fù)荷指令分別送往鍋爐及汽機控制器。對汽機控制器，它作為負(fù)荷定值，與機組實發(fā)功率一起構(gòu)成閉環(huán)控制，實現(xiàn)機組負(fù)荷的無差調(diào)節(jié)；對鍋爐控制器，它作為動態(tài)補償前饋，以克服鍋爐側(cè)的遲延。為了保證機前壓力的恒定，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。鍋爐指令稱為能量平

47、衡信號（或能量信號Energy Balance Signal），它是根據(jù)汽機能量需求計算出來的。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)必須的機前壓力閉環(huán)校正回路，僅使用了以能量平衡信號Ps*P1/Pt為指令，熱量信號Q=P1+dPd/dt為反饋的鍋爐燃料調(diào)節(jié)器（Pd為汽包壓力）。鍋爐控制由原來的串級控制代之以單級控制，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于參數(shù)的整定。DEB系統(tǒng)本身固有的保持機前壓力Pt為給定值Ps的能力，實現(xiàn)了機前壓力的無差。由于它能與汽機調(diào)門一樣快速反應(yīng)，因此適合于汽機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，即使機前壓力Pt等于給定值Psp。可見，該系統(tǒng)中的燃料調(diào)節(jié)器具有保持機前壓力Pt等于壓力給定值的能力，而無需另加壓力校正調(diào)節(jié)器。（2） 動態(tài)過程在動態(tài)過程中，汽包壓力的微分信號具有防止Pt過調(diào)，使過程穩(wěn)定的作用。例如，由于鍋爐內(nèi)擾作用使Pt增高時，成為負(fù)值，將為正值，鍋爐調(diào)節(jié)器入口偏差信號為負(fù)值，使燃料量減少，加速Pt的回升。當(dāng)Pt開始回升時，變?yōu)樨?fù)值，提供了過程阻尼，使燃料量難以繼續(xù)增加，防止Pt出現(xiàn)過調(diào)，有助

49、于變負(fù)荷過程的穩(wěn)定。由此可見，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)有所簡化，而且利用汽包壓力微分起到使控制過程更加平穩(wěn)的作用。汽機能量需求信號直接作為鍋爐指令，與熱量反饋信號構(gòu)成燃料控制信號，可以更為直接、快速地實現(xiàn)機、爐之間的動靜態(tài)能量平衡。DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有以下特點：（1） 結(jié)構(gòu)簡單。DEB的獨特設(shè)計，將鍋爐、汽輪機相互影響的、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)無需機前壓力閉環(huán)校正，結(jié)構(gòu)最為簡單。（2）負(fù)荷響應(yīng)快。對燃煤汽包鍋爐機組，不論正常運行或家/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，維護簡單。（4）應(yīng)用范圍廣。

50、DEB系統(tǒng)采用來自汽輪機調(diào)門動作結(jié)果的蒸汽參數(shù)測量的能量信號，匹配機、爐平衡，適合與各種DEH的接口，并適用于機組的定壓運行、滑壓運行，帶中間負(fù)荷運行或帶基本負(fù)荷運行。四、以多變量解耦理論為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)，從理論上說，完全可以按多變量控制理論進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。但由于受控對象數(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)計理論進(jìn)行單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與綜合，還處于初級階段。但隨著多變量控制技術(shù)的發(fā)展與完善及計算機控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這一問題將逐步得到解決。當(dāng)回路間存在嚴(yán)重耦合時，即

51、使采用最好的回路匹配也得不到滿意得控制效果。一種簡單、有效解決方法是對系統(tǒng)進(jìn)行解耦。解耦的本質(zhì)在于設(shè)計一個計算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消過程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個單回路控制系統(tǒng)能獨立工作。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、爐同時調(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)、以汽輪機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實質(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)序號控制系統(tǒng)Kij(s)K(s)1鍋爐跟隨K12(s)=0K21(s)=0K(s)=2汽輪機跟隨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 熱工自動控制系統(tǒng)設(shè)計調(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，僅包括控制器、模型等主要控制回路，不涉及輔助功能及實現(xiàn)問題。便于控制系統(tǒng)設(shè)計、分析與參數(shù)整定。功能圖：將控制系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能表示出來，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)計階段的主要目標(biāo)。功能圖與實現(xiàn)儀表無關(guān)。組態(tài)圖：將控制系統(tǒng)用選定儀表予以實現(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：常用的功能圖例見表A.1。我們用 SAMA 圖例表達(dá)回路方框圖時，常將一些符號畫在一起，這表示一個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) 求測量和給定信號的偏差；2) 對偏差值進(jìn)行比例加積分運算；3) 手自動切換；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) 指示測量值和給定值； 2) 給定值調(diào)整； 3) 手自動切換多；4) 手動輸出值驅(qū)動；5) 輸出值指示。圖A.2表示一個典型的控制回路，組件型號寫在相應(yīng)的組件圖例旁邊，上、下兩部分均表示現(xiàn)場，上部是變送器；下部是電氣轉(zhuǎn)換器（或閥門定位器），氣動調(diào)節(jié)閥，接受調(diào)節(jié)回路的輸出信號，圖中間左邊部分是調(diào)節(jié)、信號處理、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)示例下面以一個簡單的控制系統(tǒng)為例來說明控制系統(tǒng)的設(shè)計與組態(tài)過程，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組主要的安全經(jīng)濟參數(shù)，主汽溫度控制的目的就是要通

55、過適當(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)的串級溫度控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)。除了減溫水量以外，影響過熱器出口溫度的其他主要因素還有蒸汽量擾動和煙氣量擾動，統(tǒng)稱為外部干擾。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實現(xiàn)用INFI-90實現(xiàn)上述溫度控制系統(tǒng)時，需要從輸入輸出信號連接、控制回路組態(tài)、數(shù)據(jù)庫組態(tài)及畫面組態(tài)等幾