第一章(第1、2講)13

1、華北電力大學(xué)華北電力大學(xué)1 引言引言2 現(xiàn)代電站熱工自動化現(xiàn)代電站熱工自動化3 現(xiàn)代電站熱工自動化技術(shù)的發(fā)展方向現(xiàn)代電站熱工自動化技術(shù)的發(fā)展方向鍋爐動畫鍋爐動畫汽機動畫汽機動畫圖圖 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的眾多領(lǐng)域中，自動控制技術(shù)起著越來越重要的作用。所謂越來越重要的作用。所謂自動控制自動控制，是指在沒有人直接，是指在沒有人直接參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機器設(shè)備、參與的情況下，通過控制器使被控對象（如機器設(shè)備、生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。生產(chǎn)過程等）自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。 目前自動控制技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、目前自動控制技

2、術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、航天、核動力、生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)過程等領(lǐng)域。自動控制核動力、生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)生產(chǎn)過程等領(lǐng)域。自動控制已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。已成為現(xiàn)代社會活動中不可缺少的重要組成部分。 近半個世紀以來，特別是二十世紀八十年代以來，近半個世紀以來，特別是二十世紀八十年代以來，工業(yè)自動化工業(yè)自動化領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。領(lǐng)域發(fā)生了革命性的變化。 首先是芯片技術(shù)的突破，促進了自動化技術(shù)由首先是芯片技術(shù)的突破，促進了自動化技術(shù)由“模擬模擬”向向“數(shù)字數(shù)字”時代的飛躍；建立在網(wǎng)絡(luò)信息技時代的飛躍；建立在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)基礎(chǔ)上的分布式工業(yè)自動控制系統(tǒng)術(shù)基礎(chǔ)上的分布式工業(yè)自動控制

3、系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）為實現(xiàn)先進的工業(yè)自為實現(xiàn)先進的工業(yè)自動化系統(tǒng)提供了強有力的硬件、軟件平臺。動化系統(tǒng)提供了強有力的硬件、軟件平臺。 電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，有別于其它電力工業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，有別于其它工業(yè)過程的主要特征是：電能的工業(yè)過程的主要特征是：電能的“發(fā)、輸、供、用發(fā)、輸、供、用”必必須同時進行，并保持瞬時的平衡。與此同時，參與須同時進行，并保持瞬時的平衡。與此同時，參與“發(fā)、發(fā)、輸、供、用輸、供、用”的所有設(shè)備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、的所有設(shè)備構(gòu)成了部件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布廣闊的動態(tài)大系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中發(fā)電機組處于系

4、分布廣闊的動態(tài)大系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中發(fā)電機組處于系統(tǒng)的最底層。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)，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，從實現(xiàn)自動化的角度，可分為相應(yīng)地，從實現(xiàn)自動化的角度，可分為電站自動化電站自動化和和電電力系統(tǒng)自動化力系統(tǒng)自動化。1.1 自動控制基礎(chǔ)理論自動控制基礎(chǔ)理論 1.1.1 自動控制理論的發(fā)展自動控制理論的發(fā)展 1.1.2 自動控制的基本概念自動控制的基本概念 1.1.3 開環(huán)控制與閉環(huán)控制開環(huán)控制與閉環(huán)控制 1.1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求1.2 熱工自動化概述熱工自動化概述l 自動控制理論是自動控

5、制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動控自動控制理論是自動控制技術(shù)的基礎(chǔ)理論，根據(jù)自動控制技術(shù)的發(fā)展進程，制技術(shù)的發(fā)展進程，自動控制理論自動控制理論可分為以微分方程、傳可分為以微分方程、傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)的遞函數(shù)為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制理論經(jīng)典控制理論和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的和以狀態(tài)空間為基礎(chǔ)的現(xiàn)代現(xiàn)代控制理論控制理論。l 同時，隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(shù)逐步發(fā)展同時，隨著自動控制理論的發(fā)展，自動化技術(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)的智能時代智能時代。l前期控制前期控制(1400BC-1900)中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時漏壺中國、埃及和巴比倫出現(xiàn)自動計時

6、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)圣水的自動裝置亞歷山大的希羅發(fā)明開閉廟門和分發(fā)圣水的自動裝置(100年年)中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀中國張衡發(fā)明水運渾象，研制出自動測量地震的候風(fēng)地動儀(100年年)中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指示方向的指南車中國馬鈞研制出利用齒輪傳動的自動指示方向的指南車 (235年年)英國英國J.Watt利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度利用離心式調(diào)速器控制蒸汽機的速度(1788年年)l經(jīng)典控制經(jīng)典控制(1935-195

7、0) 美國美國N.Minorsky研制出用于船舶駕駛的伺服機構(gòu)，提出研制出用于船舶駕駛的伺服機構(gòu)，提出PID控制方法控制方法(1922) 美國美國E.Sperry以及以及C.Mason研制出火炮控制器研制出火炮控制器(1925)，氣壓，氣壓反饋控制器反饋控制器(1929)l現(xiàn)代控制現(xiàn)代控制(1950-今今) 美國美國MIT的的Servomechanism Laboratory研制第一臺數(shù)控機研制第一臺數(shù)控機床床(1922) 現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)代控制起源于冷戰(zhàn)時期的軍備競賽以及計算機技術(shù)的出現(xiàn)?，F(xiàn)。 美國美國 George Devol研制出第一臺工業(yè)機器人樣機研

8、制出第一臺工業(yè)機器人樣機(1954) 蘇聯(lián)東方蘇聯(lián)東方-1號飛船載著加加林進入人類地球衛(wèi)星軌道，人類號飛船載著加加林進入人類地球衛(wèi)星軌道，人類宇航時代開始了宇航時代開始了(1961)l手動控制手動控制l自動控制自動控制l手動控制與自動控制的比較手動控制與自動控制的比較l自動控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)l水箱水位的水箱水位的手動控制：手動控制： 觀測觀測實際水位，將實際水實際水位，將實際水位與要求的水位值相位與要求的水位值相比較比較，得，得出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小出兩者偏差。根據(jù)偏差的大小和方向和方向調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)進水閥門的開度，進水閥門的開度，即當(dāng)實際水位高于要求值時，即當(dāng)實際水位高于要求值時，關(guān)小進水閥

9、門開度，否則加大關(guān)小進水閥門開度，否則加大閥門開度以改變進水量，從而閥門開度以改變進水量，從而改變水箱水位，使之與要求值改變水箱水位，使之與要求值保持一致。保持一致。圖1-1圖圖l水箱水位的水箱水位的自動控制自動控制 浮子：浮子：測量作用測量作用 連桿：連桿：比較作用比較作用 放大器、伺服電動機和減速放大器、伺服電動機和減速 器：器：調(diào)節(jié)作用調(diào)節(jié)作用 閥門：閥門：執(zhí)行元件作用執(zhí)行元件作用 當(dāng)實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且當(dāng)實際水位低于要求水位時，電位器輸出電壓值為正，且其大小反映了實際水位與水位要其大小反映了實際水位與水位要求求值的差值，放大器輸出信值的差值，放大器輸出信號將

10、有正的變化，電動機帶動減速器使閥門開度增加，直到號將有正的變化，電動機帶動減速器使閥門開度增加，直到實際水位重新與水位要求值相等時為止實際水位重新與水位要求值相等時為止。 水位自動控制的目的：水位自動控制的目的： 使偏差消除或減小，使實際水位達到要求的水位值使偏差消除或減小，使實際水位達到要求的水位值。圖1-21-2眼手腦水位測量與變送執(zhí)行器控制器給定手動控制與自動控制的比較：手動控制與自動控制的比較：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圖圖1-3 水箱水位手動控制系統(tǒng)方框圖水箱水位手動控制系統(tǒng)方框圖圖圖1-4 水箱水位自動控制系統(tǒng)方框圖水箱水位自動控制系統(tǒng)方框圖對應(yīng)系統(tǒng)方框圖對應(yīng)系

11、統(tǒng)方框圖:自動控制系統(tǒng)：自動控制系統(tǒng)： 為達到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按為達到某一目的，由相互制約、相互聯(lián)系的各個部件按照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨立功能的整體稱為照一定規(guī)律構(gòu)成且具有獨立功能的整體稱為系統(tǒng)系統(tǒng)。 自動控制系統(tǒng)是由自動控制系統(tǒng)是由被控對象被控對象和和自動控制裝置自動控制裝置按照一定方式按照一定方式連接起來，能完成一定自動控制任務(wù)的總體。連接起來，能完成一定自動控制任務(wù)的總體。 自動控制系統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的被控制量被控制量稱為稱為系統(tǒng)輸出量系統(tǒng)輸出量 影響系統(tǒng)輸出量的影響系統(tǒng)輸出量的外界輸入外界輸入稱為系統(tǒng)的稱為系統(tǒng)的輸入量輸入量 輸入量分類：輸入量分類： 給定輸入給定

12、輸入（或稱參考輸入、希望值等）（或稱參考輸入、希望值等）：指對系統(tǒng)輸出指對系統(tǒng)輸出量的要求值量的要求值 擾動輸入：擾動輸入：指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量指對系統(tǒng)輸出量有不利影響的輸入量 自動控制系統(tǒng)由兩大組成部分，即自動控制系統(tǒng)由兩大組成部分，即被控對象被控對象和和自動控制裝自動控制裝置置（有時也稱為控制器）（有時也稱為控制器） 自動控制裝置又可分為下列幾個部分：自動控制裝置又可分為下列幾個部分： （1）測量元件測量元件（或測量裝置）。用于測量被控量的實際值（或測量裝置）。用于測量被控量的實際值或?qū)Ρ豢亓窟M行物理量變換的裝置。或?qū)Ρ豢亓窟M行物理量變換的裝置。 （2）比較元件比較元件（或比較

13、器）。它將被控量的實際值（常?。ɑ虮容^器）。它將被控量的實際值（常取負號）與被控量的要求值（常取正號）相比較，得到偏差的負號）與被控量的要求值（常取正號）相比較，得到偏差的大小和符號。大小和符號。 （3）調(diào)節(jié)元件調(diào)節(jié)元件。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差。通常包括放大器和校正裝置。它能將偏差信號放大，并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)信號放大，并使輸出控制信號與偏差信號之間具有一定的數(shù)值運算關(guān)系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。值運算關(guān)系（也稱為調(diào)節(jié)規(guī)律或控制算法）。 （4）執(zhí)行元件執(zhí)行元件。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體。接受調(diào)節(jié)元件的輸出控制信號，產(chǎn)生具體的控制效果，使被控制

14、量產(chǎn)生預(yù)期的改變。的控制效果，使被控制量產(chǎn)生預(yù)期的改變。l閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)l開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)l閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較l1 反饋反饋：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號：把取出的輸出量送回輸入端，并與輸入信號相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信相比較產(chǎn)生偏差信號的過程，稱為反饋。若反饋的信號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為號與輸入信號相減，使產(chǎn)生的偏差越來越小，則稱為負反饋；反之，則稱為正反饋。負反饋；反之，則稱為正反饋。 l2 閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)：能對輸入量與輸出量進行比較，并：能對輸入量與輸出量進行比較，并且將它們的偏

15、差作為控制手段，以保持兩者之間預(yù)定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，整個關(guān)系的系統(tǒng)。由于引入了被反饋量的反饋信息，整個控制過程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制?？刂七^程成為閉合的，因此反饋控制也稱為閉環(huán)控制。 控控制制器器對對象象或或過過程程測測量量元元件件 輸入量輸出量閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖l被控對象被控對象l控制裝置控制裝置( (由具有一定職能的各種基本元件組成由具有一定職能的各種基本元件組成 ) )l測量元件測量元件：其職能是測量被控制的物理量：其職能是測量被控制的物理量; ;l給定元件給定元件：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系

16、統(tǒng)輸入：其職能是給出與期望的被控量相對應(yīng)的系統(tǒng)輸入量（即參據(jù)量）量（即參據(jù)量）; ;l比較元件比較元件：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出：把測量元件檢測的被控量實際值與給定元件給出的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差的參據(jù)量進行比較，求出它們之間的偏差; ;l放大元件放大元件：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行：將比較元件給出的偏差進行放大，用來推動執(zhí)行元件去控制被控對象元件去控制被控對象; ;l執(zhí)行元件執(zhí)行元件：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化：直接推動被控對象，使其被控量發(fā)生變化; ;l校正元件校正元件：亦稱補償元件，它是結(jié)構(gòu)或參數(shù)便于調(diào)整的元件，：亦稱補償元件，它是

17、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)性能控控制制器器對對象象或或過過程程 輸入量輸出量圖1-5 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，這種控制方式稱為種控制方式稱為開環(huán)控制開環(huán)控制。閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較：閉環(huán)與開環(huán)控制系統(tǒng)的比較：閉環(huán)控制系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點的特點 偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生偏差控制，可以抑制內(nèi)、外擾動對被控制量產(chǎn)生的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。的影響。精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計、分析麻煩。開環(huán)控制系統(tǒng)開環(huán)

18、控制系統(tǒng)的特點的特點 順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能順向作用，沒有反向的聯(lián)系，沒有修正偏差能力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。力，抗擾動性較差。結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低。1.1.4 對自動控制系統(tǒng)的基本要求對自動控制系統(tǒng)的基本要求 可以歸結(jié)為可以歸結(jié)為穩(wěn)穩(wěn)定性定性（長期穩(wěn)定性）、（長期穩(wěn)定性）、準準確性確性（精度）（精度）和和快快速性速性（相對穩(wěn)定性）。（相對穩(wěn)定性）。 穩(wěn) 準快 穩(wěn)定性：穩(wěn)定性： 1 對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間對恒值系統(tǒng)，要求當(dāng)系統(tǒng)受到擾動后，經(jīng)過一定時間的調(diào)整能夠回到原來的期望值。的調(diào)整能夠回到原來的期望值。 2 對隨動系統(tǒng)，被控

19、制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。對隨動系統(tǒng)，被控制量始終跟蹤參據(jù)量的變化。 穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)定性是對系統(tǒng)的基本要求，不穩(wěn)定的系統(tǒng)不能實現(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)。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)。準確性：準確性： 用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。用穩(wěn)態(tài)誤差來表示。 在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，其穩(wěn)態(tài)在參考輸入信號作用下，當(dāng)系統(tǒng)達到穩(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)的輸出跟隨參考輸差。顯然，這種誤差越小，表示系統(tǒng)的輸出

20、跟隨參考輸入的精度越高。入的精度越高?？焖傩钥焖傩? 對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性對過渡過程的形式和快慢提出要求，一般稱為動態(tài)性能。能。 例如，對于穩(wěn)定的高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最例如，對于穩(wěn)定的高射炮射角隨動系統(tǒng)，雖然炮身最終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，終能跟蹤目標，但如果目標變動迅速，而炮身行動遲緩，而炮身行動遲緩，仍然抓不住目標。仍然抓不住目標。 伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電站自動化技術(shù)的內(nèi)涵和外延伴隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電站自動化技術(shù)的內(nèi)涵和外延都已發(fā)生了巨大的變化。都已發(fā)生了巨大的變化。 n 一方面，自動控制系統(tǒng)已從輔助運行人員監(jiān)控機組運行一方面，自動控制系統(tǒng)已從

21、輔助運行人員監(jiān)控機組運行發(fā)展到實現(xiàn)不同程度的設(shè)備啟停、過程控制和聯(lián)鎖保護的發(fā)展到實現(xiàn)不同程度的設(shè)備啟停、過程控制和聯(lián)鎖保護的綜合體系；綜合體系；n 另一方面，借助計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電站生產(chǎn)過另一方面，借助計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，電站生產(chǎn)過程的自動化程度達到了前所未有的高度，監(jiān)控和管理信息程的自動化程度達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)用為電站自動化的進一步發(fā)展提供了必要的系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為電站自動化的進一步發(fā)展提供了必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。物質(zhì)基礎(chǔ)。 目前，通過應(yīng)用各種先進的信息獲取和處理技術(shù)，同時結(jié)目前，通過應(yīng)用各種先進的信息獲取和處理技術(shù)，同時結(jié)合自動化領(lǐng)域的一些新的理論和方法，

22、合自動化領(lǐng)域的一些新的理論和方法，電站自動化技術(shù)電站自動化技術(shù)已經(jīng)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行和管理的方方從傳統(tǒng)的生產(chǎn)控制領(lǐng)域逐步滲透到了電站運行和管理的方方面面，包括對面面，包括對機組整體運行工況的監(jiān)控機組整體運行工況的監(jiān)控、對、對發(fā)電過程經(jīng)濟性發(fā)電過程經(jīng)濟性的分析的分析、對、對主輔機設(shè)備的維護和管理主輔機設(shè)備的維護和管理以及對以及對生產(chǎn)過程的優(yōu)化生產(chǎn)過程的優(yōu)化調(diào)度調(diào)度等。等。2.1 現(xiàn)代電站自動化的主要內(nèi)容現(xiàn)代電站自動化的主要內(nèi)容 根據(jù)應(yīng)用層次和范圍的不同，我們將現(xiàn)代電站自動根據(jù)應(yīng)用層次和范圍的不同，我們將現(xiàn)代電站自動化所涵蓋的主要內(nèi)容大致分為化所涵蓋的主要內(nèi)容大致分為7類

23、：類：(1) 數(shù)據(jù)采集與管理數(shù)據(jù)采集與管理 包括對熱力過程中溫度、壓力、流量、液位、成分等包括對熱力過程中溫度、壓力、流量、液位、成分等熱工參數(shù)的測量；測量數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的高速傳熱工參數(shù)的測量；測量數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)之間的高速傳輸；生產(chǎn)過程實時輸；生產(chǎn)過程實時/歷史數(shù)據(jù)的高效存儲；歷史數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)的高效存儲；歷史數(shù)據(jù)的快速檢索；統(tǒng)計數(shù)據(jù)的報表打印；報警數(shù)據(jù)的采集、快速檢索；統(tǒng)計數(shù)據(jù)的報表打?。粓缶瘮?shù)據(jù)的采集、存儲、分析與處理等。存儲、分析與處理等。數(shù)據(jù)顯示和主控室如下圖所示數(shù)據(jù)顯示和主控室如下圖所示現(xiàn)代化電站的集中控制室現(xiàn)代化電站的集中控制室圖圖3圖圖4(2) 回路控制回路控制 以模擬量控制

24、回路為主，主要對機組的運行參數(shù)進行以模擬量控制回路為主，主要對機組的運行參數(shù)進行控制，如蒸汽溫度、蒸汽壓力、發(fā)電機功率、爐膛壓力等?？刂?，如蒸汽溫度、蒸汽壓力、發(fā)電機功率、爐膛壓力等。 其中最典型的是單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)其中最典型的是單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) CCS: Coordinated Control System(3) 順序控制及聯(lián)鎖保護順序控制及聯(lián)鎖保護 順序控制順序控制一般可分為時間定序式和過程定序式兩類。一般可分為時間定序式和過程定序式兩類。前者是指按預(yù)定的時間順序而觸發(fā)控制作用的發(fā)生（如前者是指按預(yù)定的時間順序而觸發(fā)控制作用的發(fā)生（如啟動停止、閉合斷開等）；而后者則是依據(jù)生產(chǎn)過

25、啟動停止、閉合斷開等）；而后者則是依據(jù)生產(chǎn)過程進行的狀態(tài)決定下一步控制作用是否發(fā)生。程進行的狀態(tài)決定下一步控制作用是否發(fā)生。 聯(lián)鎖保護聯(lián)鎖保護以順序控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在重要運行參數(shù)以順序控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在重要運行參數(shù)超過限定值或相關(guān)設(shè)備運行條件不滿足要求時按照預(yù)先超過限定值或相關(guān)設(shè)備運行條件不滿足要求時按照預(yù)先設(shè)定的程序，自動終止異常的生產(chǎn)過程和設(shè)備，避免事設(shè)定的程序，自動終止異常的生產(chǎn)過程和設(shè)備，避免事故擴大，損傷人員和設(shè)備。故擴大，損傷人員和設(shè)備。(4) 運行優(yōu)化運行優(yōu)化 運行優(yōu)化是用以節(jié)約能源和提高電站運行經(jīng)濟性為運行優(yōu)化是用以節(jié)約能源和提高電站運行經(jīng)濟性為目的的一系列優(yōu)化技術(shù)的總稱，包括

26、控制系統(tǒng)優(yōu)化；機目的的一系列優(yōu)化技術(shù)的總稱，包括控制系統(tǒng)優(yōu)化；機組啟停優(yōu)化；燃燒優(yōu)化，設(shè)備運行方式優(yōu)化，機組間的組啟停優(yōu)化；燃燒優(yōu)化，設(shè)備運行方式優(yōu)化，機組間的優(yōu)化調(diào)度等。優(yōu)化調(diào)度等。 其中，以電站節(jié)能為目標的優(yōu)化技術(shù)可以分為工藝其中，以電站節(jié)能為目標的優(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)。節(jié)能技術(shù)和控制節(jié)能技術(shù)。 工藝節(jié)能：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，在合理的生產(chǎn)工藝和操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，通過對生產(chǎn)過程和運行方式的優(yōu)化，使發(fā)電設(shè)備的能源通過對生產(chǎn)過程和運行方式的優(yōu)化，使發(fā)電設(shè)備的能源消耗減少；消耗減少； 控制節(jié)能：控制節(jié)能：對工藝條件和運行方式已經(jīng)確定的設(shè)備對工藝條件和

27、運行方式已經(jīng)確定的設(shè)備或流程，通過應(yīng)用先進的控制策略，確保主要工藝參數(shù)或流程，通過應(yīng)用先進的控制策略，確保主要工藝參數(shù)的控制品質(zhì)，從而提高系統(tǒng)的運行效率。的控制品質(zhì)，從而提高系統(tǒng)的運行效率。(5) 經(jīng)濟性分析經(jīng)濟性分析 經(jīng)濟性分析主要通過性能計算和耗差分析兩個途徑來實現(xiàn)。經(jīng)濟性分析主要通過性能計算和耗差分析兩個途徑來實現(xiàn)。 性能計算性能計算通過與監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)相連，實時獲取機組通過與監(jiān)控系統(tǒng)和管理系統(tǒng)相連，實時獲取機組的主要運行參數(shù)，在線計算熱耗率、鍋爐效率、廠用電率、發(fā)的主要運行參數(shù)，在線計算熱耗率、鍋爐效率、廠用電率、發(fā)電煤耗、供電煤耗等經(jīng)濟參數(shù)。電煤耗、供電煤耗等經(jīng)濟參數(shù)。 耗差分析

28、耗差分析在線監(jiān)測包括鍋爐、汽輪機、主要輔機在內(nèi)的整在線監(jiān)測包括鍋爐、汽輪機、主要輔機在內(nèi)的整個熱力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，準確地對熱力設(shè)備和熱力系統(tǒng)的技術(shù)個熱力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，準確地對熱力設(shè)備和熱力系統(tǒng)的技術(shù)改造、運行方式的調(diào)整、運行參數(shù)的設(shè)定提供指導(dǎo)。改造、運行方式的調(diào)整、運行參數(shù)的設(shè)定提供指導(dǎo)。 (6) 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷 通過狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷加強對各類設(shè)備或部件、尤通過狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷加強對各類設(shè)備或部件、尤其是不可直接觀測或處于惡劣環(huán)境中的設(shè)備或部件進行檢其是不可直接觀測或處于惡劣環(huán)境中的設(shè)備或部件進行檢測和分析，判斷系統(tǒng)的健康狀況，指出故障隱患和并對其測和分析，判斷系統(tǒng)

29、的健康狀況，指出故障隱患和并對其發(fā)展趨勢進行預(yù)測，協(xié)助相關(guān)人員查找故障部件及故障原發(fā)展趨勢進行預(yù)測，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)測和故障診斷可在一定因，并提供故障處理指導(dǎo)。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷可在一定程度上提高機組運行的安全性和可靠性，減少非計化停機。程度上提高機組運行的安全性和可靠性，減少非計化停機。(7) 設(shè)備管理設(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)，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)，在準確掌握設(shè)備狀態(tài)，保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟性的基在準確掌握設(shè)備狀態(tài)，保證設(shè)備的安全、可靠和經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上，科學(xué)的進行檢修決策，合理安排檢修

30、項目、間修間隔礎(chǔ)上，科學(xué)的進行檢修決策，合理安排檢修項目、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)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)。體現(xiàn)。 目前，大多數(shù)在建電站和計劃建設(shè)電站一般都設(shè)計了目前，大多數(shù)在建電站和計劃建設(shè)電站一般都設(shè)計了分級分層分級分層的自動化系統(tǒng)，包括的自動化系統(tǒng)，包括生產(chǎn)過程級的生產(chǎn)過程級的 DCS (Distributed Control System) FCS (Fieldbus Control System) PLC (Pro

31、gramming Logic System)監(jiān)控優(yōu)化級的監(jiān)控優(yōu)化級的 SIS (Supervisory Information System) 生產(chǎn)管理級的生產(chǎn)管理級的 MIS (Management Information System) #1#1機機DCS #1DCS #1機機PLC #1PLC #1機機RTURTU#2#2機機DCS #2DCS #2機機PLC #2PLC #2機機RTURTU接口機接口機SIS功能站功能站SIS維護站維護站SIS值長站值長站安全隔離器安全隔離器鏡像鏡像服務(wù)器服務(wù)器應(yīng)用應(yīng)用服務(wù)器服務(wù)器客戶端客戶端InternetDCS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)SIS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)MIS網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)互

32、聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器服務(wù)器SIS防病毒防病毒服務(wù)器服務(wù)器SIS服務(wù)器服務(wù)器結(jié)合上述的體系結(jié)構(gòu)，需要著重強調(diào)兩方面問題：結(jié)合上述的體系結(jié)構(gòu)，需要著重強調(diào)兩方面問題：n 一是如何一是如何將各個層次有機地融合在一起將各個層次有機地融合在一起，充分發(fā)，充分發(fā)揮各自的功能優(yōu)勢，實現(xiàn)一體化的信息處理模式；揮各自的功能優(yōu)勢，實現(xiàn)一體化的信息處理模式；n 二是如何根據(jù)電力生產(chǎn)的需求，二是如何根據(jù)電力生產(chǎn)的需求，將自動化領(lǐng)域的將自動化領(lǐng)域的新技術(shù)和新方法融入到這個層次化的結(jié)構(gòu)中新技術(shù)和新方法融入到這個層次化的結(jié)構(gòu)中，從廣度，從廣度和深度兩方面提升電站的自動化水平。和深度兩方面提升電站的自動化水平。 在今后的發(fā)展中，

33、電站自動化要始終以信息集成為在今后的發(fā)展中，電站自動化要始終以信息集成為核心。核心。n 進一步加強進一步加強先進控制理論與方法先進控制理論與方法的應(yīng)用研究；的應(yīng)用研究；n 通過先進的自動化、信息化平臺將生產(chǎn)過程控制和管通過先進的自動化、信息化平臺將生產(chǎn)過程控制和管理的基本內(nèi)容有機的融合在一起，使電站自動化從回路理的基本內(nèi)容有機的融合在一起，使電站自動化從回路級、機組級提升到廠級甚至企業(yè)級，級、機組級提升到廠級甚至企業(yè)級，實現(xiàn)真正意義上的實現(xiàn)真正意義上的電力生產(chǎn)管控一體化。電力生產(chǎn)管控一體化。 研究先進的控制理論與方法、解決電站控制領(lǐng)域研究先進的控制理論與方法、解決電站控制領(lǐng)域的實際問題是自動控

34、制理論與電站自動化研究的基本的實際問題是自動控制理論與電站自動化研究的基本契合點。契合點。 在對發(fā)電機組控制策略的研究中，一方面要借鑒其在對發(fā)電機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，另一方面更要它工業(yè)過程的成功經(jīng)驗，另一方面更要強調(diào)電力生產(chǎn)強調(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。過程的特殊性，選擇和推廣適合于電站的理論和方法。 3.1 先進控制理論與方法的應(yīng)用研究先進控制理論與方法的應(yīng)用研究 類類 別別 方方 式式 傳統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)控制策略 PID控制、比值控制、串級控制、前饋控制控制、比值控制、串級控制、前饋控制 先進控制經(jīng)典技術(shù)先進控制經(jīng)典技術(shù) 增益

35、調(diào)整、時滯補償、解耦控制、選擇性超馳控制器增益調(diào)整、時滯補償、解耦控制、選擇性超馳控制器 先進控制流行技術(shù)先進控制流行技術(shù) 模型預(yù)測控制、統(tǒng)計質(zhì)量檢測、內(nèi)?？刂?、自適應(yīng)控制模型預(yù)測控制、統(tǒng)計質(zhì)量檢測、內(nèi)模控制、自適應(yīng)控制 先進控制潛在技術(shù)先進控制潛在技術(shù) 最優(yōu)控制最優(yōu)控制(LQG)、專家系統(tǒng)、神經(jīng)控制、模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)控制、模糊控制、非線性控制非線性控制先進控制研究中的策略先進控制研究中的策略 魯棒控制、魯棒控制、H控制、控制、綜合綜合 (1) 先進控制策略先進控制策略n 模型預(yù)測控制模型預(yù)測控制：滾動優(yōu)化的思想增加了控制系統(tǒng)在線滾動優(yōu)化的思想增加了控制系統(tǒng)在線處理各種約束、擾動和不確

36、定因素的能力，更加適合于處理各種約束、擾動和不確定因素的能力，更加適合于實際的生產(chǎn)過程實際的生產(chǎn)過程 ；n 魯棒控制魯棒控制：設(shè)計在各種工況下都具有良好性能的定參設(shè)計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)整對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾數(shù)控制器，避免控制器切換或參數(shù)調(diào)整對系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動；動； n 自適應(yīng)與自整定控制自適應(yīng)與自整定控制：針對大范圍、變工況下對象特針對大范圍、變工況下對象特性的顯著變化，適時修正控制器的相關(guān)參數(shù)，維持控制性的顯著變化，適時修正控制器的相關(guān)參數(shù)，維持控制品質(zhì)一定意義上的最佳；品質(zhì)一定意義上的最佳；n 統(tǒng)計質(zhì)量控制統(tǒng)計質(zhì)量控制：對生產(chǎn)的全過程進行綜合統(tǒng)計分析，

37、：對生產(chǎn)的全過程進行綜合統(tǒng)計分析，確定最佳運行方式和各子回路的最優(yōu)設(shè)定值。確定最佳運行方式和各子回路的最優(yōu)設(shè)定值。 (2) 智能化方法智能化方法n 模糊控制模糊控制： 1974年英國學(xué)者首先把年英國學(xué)者首先把Fuzzy理論用于鍋爐和理論用于鍋爐和汽輪機控制。目前，模糊控制的理論方法已大量地應(yīng)用于大汽輪機控制。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。型電站的控制與優(yōu)化中。 n 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：對于電站這樣存在大量非線性的復(fù)雜系統(tǒng)：對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

38、研究領(lǐng)域包括單元機組模糊神經(jīng)元協(xié)調(diào)控制、機組最優(yōu)組合、報領(lǐng)域包括單元機組模糊神經(jīng)元協(xié)調(diào)控制、機組最優(yōu)組合、報警處理與故障診斷、負荷預(yù)報、經(jīng)濟運行等。警處理與故障診斷、負荷預(yù)報、經(jīng)濟運行等。 n 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)：在大機組控制中，專家系統(tǒng)應(yīng)用的主要內(nèi)容有：在大機組控制中，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)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、評估、規(guī)劃等專家系統(tǒng)。以及分析、評估、規(guī)劃等專家系統(tǒng)。 (3) 控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)優(yōu)化 n 對基本控制回路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對基本控制回路的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。包括反饋信號的選取與。包括反饋信號的選取與構(gòu)造、

39、不同控制方式的切換（單沖量、三沖量切換；鍋爐構(gòu)造、不同控制方式的切換（單沖量、三沖量切換；鍋爐跟隨、汽機跟隨、機爐協(xié)調(diào)控制方式切換等）、快變過程跟隨、汽機跟隨、機爐協(xié)調(diào)控制方式切換等）、快變過程與慢變過程的相互補償、多種控制手段之間的協(xié)同工作與慢變過程的相互補償、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)（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）；的相互協(xié)調(diào)等）；n 對于整個生產(chǎn)過程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化對于整個生產(chǎn)過程的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這種優(yōu)化往往采用分。這種優(yōu)化往往采用分級結(jié)構(gòu)，從全局的高度協(xié)調(diào)各個局部設(shè)備或控制回路的優(yōu)級結(jié)構(gòu)，從全局的高度協(xié)調(diào)各個局部

40、設(shè)備或控制回路的優(yōu)化運行?；\行。PI1調(diào)速調(diào)速給水給水單沖量單沖量HSPPI3PI2三沖量三沖量HSPPSHP調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)閥調(diào)速 (4) 非線性控制非線性控制 大型火電機組是被控特性復(fù)雜多變的對象，其動態(tài)特性大型火電機組是被控特性復(fù)雜多變的對象，其動態(tài)特性隨著工況參數(shù)（負荷、壓力、流量、溫度等）的變化而大幅隨著工況參數(shù)（負荷、壓力、流量、溫度等）的變化而大幅度變動。度變動。采用非線性控制理論的有關(guān)設(shè)計方法抵消和補償對采用非線性控制理論的有關(guān)設(shè)計方法抵消和補償對象的非線性，是保證機組大范圍變工況條件下快速負荷響應(yīng)象的非線性，是保證機組大范圍變工況條件下快速負荷響應(yīng)和安全穩(wěn)定運行的最直接、最根本的

41、手段。和安全穩(wěn)定運行的最直接、最根本的手段。 在電站控制系統(tǒng)的設(shè)計中要根據(jù)不同的對象和設(shè)計目標在電站控制系統(tǒng)的設(shè)計中要根據(jù)不同的對象和設(shè)計目標選擇相應(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象的多樣性，很難找出一種通用的非線性控制系統(tǒng)的被控對象的多樣性，很難找出一種通用的非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計方法，因此，關(guān)于電站非線性控制方法的實用性研究將設(shè)計方法，因此，關(guān)于電站非線性控制方法的實用性研究將是長期的。是長期的。 (5)復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真 建立能夠反映電站機組動態(tài)特性和非線性特性的模型具建立能夠反映電站機組動態(tài)特性和非

42、線性特性的模型具有重要意義有重要意義:n 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)，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)，為先進控制方法在電站中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)；為先進控制方法在電站中的應(yīng)用打好基礎(chǔ)；n 另外也可以作為一個通用的仿真平臺，用以分析和比較不另外也可以作為一個通用的仿真平臺，用以分析和比較不同控制算法的性能。同控制算法的性能。 對先進控制理論與方法的研究要明確以下幾點：對先進控制理論與方法的研究要明確以下幾點：n PIDPID及其變形（積分分離、帶死區(qū)、微分先行、自整定）及其變形（積分分離、帶死區(qū)、微分先行、自整定）以及與先進控制策略的綜合（魯棒以及與先進控制策略的綜合（魯棒PIDPID、智能智能PIDPID等）仍然是等）仍然是有效的控制策略。有效的控制策略。n 傳統(tǒng)控制策略，如前饋、補償、解耦算法往往