火力發(fā)電廠自動(dòng)控制講座

火力發(fā)電廠自動(dòng)控制講座一引言1.1電廠控制對(duì)象·鍋爐汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)·燃燒過(guò)程水汽過(guò)程發(fā)電過(guò)程·燃料（源）汽水（媒）電（果）1.2電廠目標(biāo)·保質(zhì)高產(chǎn)安全增效1.3電廠自控內(nèi)容·自動(dòng)監(jiān)測(cè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)反映生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行情況的各種參數(shù)及生產(chǎn)設(shè)備的工作狀態(tài)，以監(jiān)視生產(chǎn)進(jìn)行情況和趨勢(shì)·順序控制根據(jù)預(yù)先擬定的程序和條件，自動(dòng)地對(duì)設(shè)備進(jìn)行一系列操作。電廠中主要針對(duì)主機(jī)和輔機(jī)的啟動(dòng)和停止過(guò)程自動(dòng)保護(hù)發(fā)生事故時(shí)，自動(dòng)采取保護(hù)措施，以防止事故進(jìn)一步擴(kuò)大或保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備不受?chē)?yán)重破壞自動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)維持生產(chǎn)過(guò)程按工藝規(guī)定的要求運(yùn)行1.4電廠實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬儀表控制系統(tǒng)上世紀(jì)六、七十年代占主導(dǎo)地位，電動(dòng)單元組合儀表DDZ-Ⅱ等集中數(shù)字控制系統(tǒng)上世紀(jì)七、八十年代DDC(DirectDigitalControl)它采用單片機(jī)、PLC和順序邏輯控制器SLC(SequenceLogicalControl)或微機(jī)做控制器，控制器內(nèi)傳遞數(shù)字信號(hào)，一般為單回路，用PID算法，采用集中控制，用一臺(tái)微機(jī)集中監(jiān)控和管理過(guò)程，系統(tǒng)可靠性差，目前在底層應(yīng)用集散控制系統(tǒng)DCS（DistributedControlSystem）上世紀(jì)八、九十年代占主導(dǎo)地位，其核心思想是集中管理，分散控制。上位機(jī)用于集中監(jiān)視管理，若干臺(tái)下位機(jī)用預(yù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)分布式控制，上下位機(jī)間用控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以實(shí)現(xiàn)信息傳輸。優(yōu)點(diǎn)是可靠性高于DDC，處理能力高于DDC，但不同廠家的DCS產(chǎn)品協(xié)議不開(kāi)放，不能互操作。DCS產(chǎn)品造價(jià)高，目前電廠廣泛應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS（FieldbusControlSystem）用現(xiàn)場(chǎng)總線這一開(kāi)放、具有互連性的網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)各控制器和儀表設(shè)備互連，將控制功能徹底下放底層，降低成本和安裝維護(hù)費(fèi)用。是開(kāi)放、互操作、全分布、全數(shù)字化的控制系統(tǒng)，將成21世紀(jì)控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，將來(lái)也在電廠推廣應(yīng)用1.5電廠控制所采用的控制理論經(jīng)典反饋控制理論上世紀(jì)40~50年代現(xiàn)代控制理論上世紀(jì)60~70年代智能控制理論上世紀(jì)80年代~至今二、DDC（經(jīng)典反饋控制理論為基礎(chǔ)）2.1單回路控制系統(tǒng)2.1.1單回路反饋系統(tǒng)構(gòu)成單回路系統(tǒng)是復(fù)雜控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)g-給定f-反饋e-偏差c-控制B-被控其中控制器單回路一般采用PID，執(zhí)行器一般為調(diào)節(jié)閥，對(duì)象是被控制備或過(guò)程2.1.2熱工過(guò)程對(duì)象特點(diǎn)電廠過(guò)程屬熱工過(guò)程，如被控量溫度、壓力、液位、流量等有自衡對(duì)象階躍響應(yīng)曲線傳遞函數(shù)N和T可根據(jù)有關(guān)圖表求取

無(wú)自衡對(duì)象傳遞函數(shù)（n>6）n值根據(jù)比值查表定，而T0即可取2.1.3自動(dòng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用比例（P作用）比例作用加快動(dòng)態(tài)作用，增大P減少穩(wěn)態(tài)誤差，但震蕩加快，甚至不穩(wěn)定，當(dāng)偏差為0，比例不起作用積分（I作用）對(duì)穩(wěn)態(tài)可消除靜差，偏差為零時(shí)，仍然有輸出，對(duì)動(dòng)態(tài)有不利影響，甚至不穩(wěn)定微分（D作用）有預(yù)見(jiàn)作用，提前作用，加快動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用，改善動(dòng)態(tài)，不能單獨(dú)使用PI、PD、PID混合使用，各發(fā)揮長(zhǎng)處2.1.4整定調(diào)節(jié)系統(tǒng)的指標(biāo)指標(biāo)、對(duì)象、控制器是系統(tǒng)整定三要素，即被控對(duì)象，控制器，和指標(biāo)要求，求一般叫系統(tǒng)綜合，對(duì)過(guò)程控制求PID的參數(shù)叫整定一般要求它的階躍響應(yīng)被調(diào)量偏差較小，調(diào)節(jié)時(shí)間短和調(diào)節(jié)量超調(diào)量不大。但這些指標(biāo)不適于作調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，整定中的指標(biāo)有兩類積分準(zhǔn)則式中y(t)為被調(diào)量，此時(shí)y(∞)=0e(t)=y(t)-y(∞)=y(t)I1中y(t)不發(fā)生波動(dòng)時(shí)應(yīng)用，否則振蕩I2中避免I1缺點(diǎn)，是較好的指標(biāo)，但計(jì)算難I3中比I2計(jì)算方便，但有調(diào)節(jié)量超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)還有其他復(fù)合積分準(zhǔn)則

穩(wěn)定性裕量系統(tǒng)必須穩(wěn)定，穩(wěn)定裕量適當(dāng)，則調(diào)節(jié)系統(tǒng)有好的品質(zhì)衰減率Ψ：Ψ=0震蕩，Ψ<0發(fā)散，0<Ψ<1衰減震蕩，Ψ=1衰減，Ψ=0.75~0.9為整定用指標(biāo)其應(yīng)用可按主導(dǎo)極點(diǎn)概念，按Ψ和tgβ對(duì)應(yīng)關(guān)系，Ψ=0.75,m=0.221Ψ=0.9,m=0.368諧振比Mω：對(duì)二階系統(tǒng)Mω與ξ有一定關(guān)系，ξ與Ψ有關(guān)，（對(duì)于）增益裕量和相位裕量：分貝以上三種相對(duì)穩(wěn)定裕量指標(biāo)均與一定整定方法對(duì)應(yīng)

2.2單回路反饋控制系統(tǒng)整定法2.2.1按特征方程主導(dǎo)根的整定特征方程特征方程主導(dǎo)根 帶入特征方程，得如下關(guān)系：或解出調(diào)節(jié)器參數(shù)和，但獨(dú)立解有2個(gè)，需多于2個(gè)，例如PID加有4個(gè)，再引入兩個(gè)條件可求得2.2.2按根軌跡法的整定根據(jù)繪制根軌跡條件，即式中Wk(s)為開(kāi)環(huán)，W0(s)為對(duì)象，Wc(s)為調(diào)節(jié)器用根軌跡整定：W0(s)已知，Wc(s)的形式（結(jié)構(gòu)）已知，閉環(huán)零極點(diǎn)（按ψ或ω）已定 根據(jù)繪制根軌跡的條件，并結(jié)合熱工對(duì)象或的特點(diǎn)，通過(guò)做圖可求出待定PID的參數(shù)2.2.3頻率法整定2.2.4調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工程特性根據(jù)開(kāi)環(huán)階躍響應(yīng)曲線的近似計(jì)算法臨界比例帶法使調(diào)節(jié)僅有比例作用施于廣義對(duì)象，比例由小到大，直至出現(xiàn)不衰減振蕩為止，記下臨界比例K1和振蕩周期T1，則調(diào)節(jié)參數(shù)可按下面經(jīng)驗(yàn)公式比例調(diào)節(jié)器；

比例積分

比例積分微分2.3數(shù)字PID的控制算法2.3.1基本PID算法2.3.2改進(jìn)PID積分分離PID不完全微分PID算法微分先行PID控制微分先行PID控制，僅對(duì)輸出微分，而對(duì)給定值不微分，而當(dāng)給定值變化時(shí)，控制量不變。而被控量的變化總是比較緩和，這種方案適于給定值頻繁變化的情況。帶死區(qū)的PID控制算法為了消除頻繁動(dòng)作引起的震蕩，可采用待死區(qū)的PID控制算法2.3.3常用的數(shù)字PID控制系統(tǒng)

單回路控制系統(tǒng)系統(tǒng)中只有一個(gè)PID控制器c(n)串級(jí)控制系統(tǒng)系統(tǒng)中有兩個(gè)PID控制器串級(jí)回路整定是先主后副前饋反饋控制（復(fù)合控制）擾動(dòng)通過(guò)前饋補(bǔ)償，跟蹤通過(guò)反饋補(bǔ)償校正純滯后補(bǔ)償控制系統(tǒng)2.3.4數(shù)字PID參數(shù)整定采樣周期的確定理論：采樣（香濃）定理fs>2fmax，信號(hào)可不失真恢復(fù)，fs是采樣頻率，fmax

被采樣信號(hào)頻譜帶寬。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)：流量1-5s，壓力6-8s，液位6-8s，溫度15-20s，成分15-20s擴(kuò)充臨界比例度法1)選擇足夠小的采樣周期，如取純滯后時(shí)間的1/102)求臨界比例和振蕩周期3)4)由整定參數(shù)表查表求PID參數(shù)控制度控制規(guī)律擴(kuò)充響應(yīng)曲線法1）給一階躍響應(yīng)曲線2）求和及3）由，，及控制度表查表確定PID參數(shù)簡(jiǎn)化擴(kuò)充臨界比例帶法2.3.5控制算法的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)2.4先進(jìn)的控制算法基于現(xiàn)代控制理論，智能控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)2.4.1最優(yōu)控制 基于狀態(tài)空間模型，二次型性能指標(biāo)，變分法，最大值原理，動(dòng)態(tài)規(guī)劃法設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，使某種性能達(dá)到最優(yōu)。也可通過(guò)自尋最優(yōu)，如鍋爐燃燒節(jié)能控制。2.4.2自適應(yīng)控制 通過(guò)辨識(shí)和最優(yōu)控制結(jié)合。如自校正控制、模型參自適應(yīng)控制。鍋爐燃燒可應(yīng)用自校正控制。2.4.3預(yù)測(cè)控制 通過(guò)預(yù)測(cè)模型，滾動(dòng)優(yōu)化和誤差校正，給出一個(gè)計(jì)算機(jī)控制算法，適應(yīng)時(shí)滯時(shí)變隨機(jī)對(duì)象，以提高系統(tǒng)跟蹤抗擾及保證魯棒性。2.4.4解耦控制對(duì)于多變量系統(tǒng)，如果系統(tǒng)有強(qiáng)耦合，可通過(guò)解耦設(shè)計(jì)法變成多個(gè)獨(dú)立的單變量系