（动力机械及工程专业论文）母管制机组典型热工过程的优化控制.pdf

摘要 中石化的自备l h 厂基本上都是母管制的供热机组，其运行模式及控制方式与电力系统 中的单元制机组不太相同发电过程的自动控制水平与单元机组也有一定的芹距，不少热 电厂除汽包水位能采用自动控制外，其它如主汽温度、主汽母管压力等重要参数由于存在 种种问题而【支期无法投入自动控制，这对火电机组安全、稳定、经济运行极为不利。 本论文就是针对中石化扬子热电厂母管制机组的典型热j 二过程，阐明这些热工过程在 实施自动控制时所存在的问题，针对这些问题，采用先进的控制理论，研究出能解决这些 问题的先进控制系统，并将这些先进的控制系统应用于现场。具体内容分为三个部分：火 电机组主汽温和一级汽温的优化控制。研究5 0 m w 及以下容量机组在实现汽温控制时所存 在的问题，提出基于状态变量和相位补偿技术的控制策略，为了使控制系统具有适应锅炉 负荷的变化能力，又应用了调节器参数模糊自调整技术；中储式钢球磨制粉系统的优化 控制。提出钢球磨常4 粉系统中各重要参数的优化控卷4 方法。并阐明如何通过优化控制来降 低整个制粉系统的制粉电耗；基于能餐平衡s m i t h 预估器的锅炉母管蒸汽压力的优化控 制。研究实施锅炉母管蒸汽压力控制的难点提出基于直接能量平衡和s m i t h 预估器的锅 炉母管蒸汽压力的优化控制方法。 本论文的研究内容是结合实际科研开发项目，意在解决母管n , 5 容量供热机组热工过 程控制方面的一些难题，提高企业的自动控制水平。上述所有控制策略全部应用丁扬子热 电厂母管制机组的自动控制系统中，通过了实际运行的检验，其优良的控制品质及创造的 经济效益得到崩户肯定，顺利通过项目的鉴定，其研究成果在国内处于领先水平。 关键词：母管制供热机组，主汽温和一级汽温，母管压力，制粉系统，状态变量，直 接能量平衡，模糊控制 东南大学坝十学位_ 硷文 a b s t r a c t t h ep o w e rp l a n t so ft h ec h i n ap o t r o l e u ma n dc h e m i c a lc o r p o r a t i o na r es t e a ma n d g e n e r a t i n gu n i t si nc e n t r a l i z i n gp i p ef o r mo nt h ew h o l ew h o s eo p e r a t i o nf o r ma n dc o n t r o lw a y a l ed i f f e r e n tw i t h u n i t g e n e r a t i n g u n i t s m o r e o v e r , t h ea u t o m a t i o nc o n t r o l l e v e lo ft h e s e g e n e r a t i n gu n i t si sl o w e r t h a no n eo fu n i t g e n e r a t i n gu n i t s i nm o r e s t e a ma n dp o w e r p l a n ts o m e i m p o r t a n tp a r a m e t e r ss u c ha sm a i ns t e a mt e m p e r a t u r e c e n t r a l i z i n gp i p es t e m np r e s s u r a n ds oo n c a l l th a v eb ec o n t r o l l e d a u t o m a t i c a l l y f o ra l o n g t i m eb e c a u s es o m ep r o b l e m sw h i c ha r e d i s a d v a n t a g eo f s e c u r e ，s t e a d ya n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no f g e n e r a t i n gu n i t s a st ot h et y p i c a lt h e r m a lp r o c e s so f t h ec h i n ap o t r o l e u ma n dc h e m i c a lc o r p o r a t i o n y a n g z is t e a ma n dp o w e rp l a n t , t h ep a p e ri l l u s t r a t e dt h ed i f f i c u l t i e si ni m p l e m e n t i n ga u t o m a t i c c o n t r 0 1 a st ot h e s ep r o b l e m st h ep a p e rd e s i g n e da d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m sw h i c hc a ns e t t l et h e s e p r o b l e m sb a s e do ns o m ea d v a n c e dc o n t r o lt h e o r i e s 。t h e n ，t h e s ea d v a n c e dc o n t r o ls y s t e m sw e l , e a p p l i e dt ot h el o c a l e t h ec o n t e n t so f t h ep a p e r i n c l u d e3p a r t s ：f i r s t ，t h eo p t i m i z a t i o nc o n t o lf o r m a i ns t e a m sa n df i r s ts t a g es t e a m st e m p e r a t u r eo i lt h eb o i l e r s t u d y i n gt h ed i f f i c u l t i e si n c o n t r o l l i n gs t e a mt e m p e r a t u r eo f t h e5 0 w mo rl o w e rg e n e r a t i n gu n i t s p u t t i n gf o r w a r de f f i c i e n t c o n 订o ls t r a t e g i e sb a s e do ns t a t ev a r i a b l ea n dp h a s ec o m p e n s a t et e c h n o l o g y m o r e o v e r , a p p l y i n g a d j u s t o rp a r a m e t e rf u z z ys e l f - t u n n i n gt e c h n o l o g yi no r d e rt oa d a p t i n gt h ec h a n go f t h eb o i l e r s l o a d s e c o n d ，a d a p t i v ef u z z yc o n t r o lf u rt h eb i ns y s t e mw i t ht u b em i l l p u t t i n gf o r w a r de f f i c i e n t c o n t r o ls t r a t e g i e so f s o m e i m p o r t a m p a r a m e t e r s i n t h e b i n s y s t e m w i t h r o b e m i l l m o r e o v e r , i l l u s t r a t e h o wt or e d u c ep o w e rc o s t sb yo p t i m i z a t i o nc o n t 0 1 f i n a l l y , c e n t r a l i z i n gp i p es t e a mp r e s s u r ec o n t r o l b a s e do nd i r e c te n e r g yb a l a n c ea n ds m i t hp r e d i c t o ls t u d y i n gt h ed i f f i c u l t i e si n c o n t r o l l i n g c e n t r a l i z i n gp i p e s t e a mp r e s s u r e p u t t i n gf o r w a r de f f i c i e n tc o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do nd i r e c t e n e r g yb a l a n c ea n d s m i t h p r e d i c t o r t h ep a p e r sc o n t e n t si n t e g r a t ew i t hp r a c t i c a ls c i e n c es t u d yi t e m s i t sp u r p o s ei st os o v l e s o m ed i f f i c u l tp r o b l e m si nt h ew a yo ft h e r m a lp r o c e s sc o n t r o la b o u tl i t t l ec e n t r a l i z i n gp i p eu n i t s a n di m p r o v ei n d u s t r i e s a u t o m a t i o nc o n t r o ll e v e l a b o v ea l le o n t o ls t r a t e g i e sw e r ea p p l i e dt o c e n t r a l i z i n gp i p e u n i t so fy a n g z it h e r m a la n dp o w e rp l a n ta n dp a s s e dt h et e s to fp r a c t i c a l o p e r a t i o ni t se x c e l l e n tc o n t r o lq u a l i t i e sa n dc r e a t e de c o n o m i cb e n e f i t sw e r ep r a i s e db yu s e r s i t l ss t u d yf r u i t sk e e pa h e a dj no t l rc o u n t r y k e yw o r d s ：s t e a ma n dg e n e r a t i n gu n i t si nc e n t r a l i z i n gp i p ef o r m ，m a i ns t e a m sa n df i r s t s t a g es t e a m st e m p e r a t u r e ，c e n t r a l i z i n gp i p es t e a mp r e s s u r e ，t h eb i ns y s t e m ，s t a t ev a r i a b l e ， d i r e c te n e r g yb a l a n c e ，f u z z yc o n t r o l h 6 9 4 1 3 8 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导f 进行的研究t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南入学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同t 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外。允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名日期： o 乒， 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 热上过程自动控制是保证热力设备安全和经济运行的必要措施和手段，目前热上过程 自动控制广泛采用的控制策略是p i d 控制，其算法简单、鲁棒性好且可靠性高，尤其适用 于可建立精确数学模型的确定性控制系统。今几年来，火电机组单机容量和参数不断提 高，系统变得更加复杂，热工过程越来越表现出非线性、慢时变、大迟延、强偶合性和不 确定性，这对热工自动控制系统】j ! | j 提出了更高的控制要求，传统的p i d 控制已经无法满足 这种要求，必须采用先进的控制策略进行优化控制，随着火电机组普遍采用分散控制系统 d c s ，其灵活的组态方式也为优化控制的实现提供了方便的平台。 中石化的自各电厂基本上都是母管制的供热机组，其运行模式及控制方式与电力系统 中的单元制机组不太相同，发电过程的自动控制水平与单元机组也有一定的差距，不少热 电厂除汽包水位能采用自动控制外，其它如主汽温度、主汽母管压力、磨煤机负荷等重要 参数由于存在种种问题而长期无法投入自动控制，这对火电机组安全、稳定、经济运行极 为不利。 中石化扬子热电厂为9 台炉并列运行的母管制电厂，一、二级汽温通过喷水来凋节， 被控对象的惯性很丈 由于锅炉本体上的原因，如锅炉甲、乙两侧过热器的热负荷不均匀， 会造成两二级减温器的出口汽温偏差过大而超出实际运行要求；而且由于正常情况下，一、 二级喷水的需要量较小，喷水阀阎位一般在较小的位置，润位与流量之间存在强的非线性； 另外，原控制系统还存在积分饱和等现象，导致汽温超温时无法及时打开喷水调节阀。所 有的这些原因均造成了原来的常规p i d 串级控制系统无法投入。 中储式钢球磨煤机制粉系统的能耗较高，其用电量高达厂用电的2 0 左右。对于设备 已定型并投运的制粉系统，要降低制粉电耗，必须尽量维持磨煤机最佳运行工况。但由于 磨煤机是一个具有非线性、大滞后和不确定性扰动的多变量对象，要求运行人员在操作过 程中实现磨煤机的最佳：眦冠是很难做到的，简单的p i d 控制系统也很难控好这种复杂的多 变量对象，扬子热电厂制粉系统一直无法投入自动控制。 在母管制锅炉的运行中，母管的蒸汽压力是必须监视和控制的主要参数，母管压力波 动会影响经济运行，甚至可能造成严重安全事故。但母管制锅炉的蒸汽压力对象具有大延 迟特性，并列运行锅炉之间关联性强，而且还要确保锅炉燃烧的经济性和安全性，常规的 控制方法很难控好，必须研究新的、有效的控制镱略，才能把母管蒸汽压力控制在允许的 范围内 在这样的状况和背景下，中石化扬子热电厂与东南大学签定了一系列关于母管制机组 的优化控制科研开发项目。本论文就是针对中石化扬子热电厂母管制机组的典型热工过程， 阐明这些热工过程在实施自动控制时所存在的问题，针对这些问题，采用先进的控制理论， 研究出能解决这些问题的先进控制系统，并将这些先进的控制系统应用于现场，显著地提 高了，扬子热电厂的自动化水平，保证了机组的安全、稳定、经济、运行。 1 2 火电机组汽温的控制现状 电站锅炉的过热汽温是机组安全、经济运行的重要参数之一，若汽温太高则容易烧坏 过热器和汽机的进汽部件；若汽温太低则不仅会影响到经济性( 对高压锅炉而言，汽温每 降2 。c ，锅炉效率会减少o 卜0 2 ) ，而且也会造成汽机未级的蒸汽湿度过大而损坏叶片， 因此，电站的一、二级汽温必须严格控制在规定的范围内。但由于汽温被控对象的滞后很 东南大学硕士学位论文 大( 即喷水量变化到引起汽温变化需要较长的时间) ，常规的串级控制系统，或采用导前 微分补偿信号的双同路控制系统，对滞后较大的汽温控制往往不能获得理想的控制品质， 只有通过采用先进的控制策略才能获得满意的控制品质。实际应用也表明，尽管很多电厂 已完成了d c s 改造，但一、二级过热汽温的品质不理想，有些电厂当机组负荷仅以2 涮c r m i n 的速率变化时，汽温就偏离设定值1 0 以上，故常常只能通过手动操作来控制汽温，有经 验的运行人员也只能降低汽温设定值来运行，降低了机组的经济性，增加了运行人员的劳 动强度。扬子热电厂# 卜# 8 炉一、二级汽温通过喷水来调节，被控对象的惯性较大，而且 由丁锅炉本体上的原因，如锅炉甲、乙两侧过热器的热负荷不均匀，会造成两二级减温器 的出口汽温偏差过大而超出实际运行要求。而且由丁正常情况下，一、二级喷水的需要量 较小，喷水阀阀位一般在较小的位置，造成喷水阀两侧的压差较大，阀fj 的磨损根快。另 外，原控制系统还存在积分饱和等现象，导致汽温超温时无法及时打开喷水调节阀，所有 的这些原因均造成了原来的控制系统无法投入口j 。 国内对汽温控制系统的改进主要集中在前馈控制方案及分段控制方案上尽管可适当 改善控制效果，但分段控制系统的控制设备多，因而成本及维护量增加而且分段控制系 统受锅炉本体设各的限制，一般的锅炉很难采用这种方案。在国内个别电厂的引进机组上 也有成功应用状态变量控制器1 和相位补偿技术的。 1 3 国内中储式制粉系统的控制现状 中储式钢球磨煤机已广泛用于国内外火电厂，但中储式钢球磨煤机制粉系统的能耗较 高，其用电量高达厂用电的2 0 左右1 3 1 。对于设备已定型并投运的制粉系统，要降低制粉电 耗，必须尽量维持磨煤机晟佳运行工况。但由于磨煤机是一个具有非线性、大滞后和不确 定性扰动的多变量对象，要求运行人员在操作过程中实现磨煤机的最佳工况是很难做到的。 而常规的基于单回路p i d 调节的磨煤机控制系统难于投入使用，即使投入部分自动，也难于 保证磨煤机处在最佳工况，即难于保证磨煤机的出力大，同时制粉电耗低的要求。冈此， 投入中储式钢球磨制粉系统的自动控制系统是保证制粉系统运行在晟佳工况的前提条仆 4 1 。 但由于制粉系统是一个具有非线性、大滞后和不确定性扰动的多变量对象，常规p i d 控制系统根本无法正常投入。国内外对钢球磨制粉系统自动控制的改进主要分为如下三类： ( 】) 以直接测量磨煤机存煤量为基础，在磨煤机轴承上安装测重装置或原煤斗和给煤机 间加装计最设备等，但这类方法投资和改装工作量大，测重装置的维护量大，且当钢球装 载量变化时，影响对存煤量的测量；【5 1 ( 2 ) 通过噪声来确定磨煤机的存煤量。但当煤种、 水份及钢球装载量等发生变化时，同样的存煤量对应的噪声电流不同，由于该类控制系统 没有白适应能力，不可能获得理想的控制品质；( 3 ) 通过控制磨煤机的进出口差压，来控 制给煤量。但磨煤机通风量变化时，对差压有影响而且被控过程的滞后很大，自动控制 系统不容易投入 6 1 。 1 4 母管制电厂主蒸汽母管压力的控制现状 理论与应用已证实( 吕剑虹等电厂锅炉燃烧控制系统优化，中国电力，2 0 0 1 年第 如期) “j ，基于锅炉、汽机直接能量平衡的压力控制系统可以较好地维持单元制机纽的主 蒸汽压力，但母管制机组和单元制机组的系统结构及运行方式上有着较大的差别，与单元 制机组相比，母管制机组的压力被控对象要复杂得多，对象时滞很大，可控性也相对较差。 在单元制机组上已成功应用的基于能量直接平衡的压力控制系统，无法直接应用到母管制 机组的压力控制上。 对丁母管压力的自动控制，目前国内外均采用的是基于p i d 控制器的常规控制方案， 2 笫一章绪论 且实际成功投运的例子较少。文【8 在常规p i d 基础上通过增加前馈及不同工况选择不同的 控制器实现母管压力控制，实际上控制器的切换存在很大扰动，是系统无法克服的；而对 于基于机一炉直接能量平衡的压力控制系统，国内仅有的是已将这种先进的控制策略应用剑 单元制机组的蒸汽压力控制中【”( 如东南大学已成功地将该项控制技术应用到南京热电厂、 华能南京电厂、横山桥电厂及浙江长兴电厂等) ，但国内外还未有将基于能量平衡的控制策 略应用到母管制机组的蒸汽压力控制中，更没有将直接能量平衡与自适应s m i t h 预估器相 结台的控制方案。 1 5 论文的主要工作 本文是结合扬子热电厂与东南大学合作的科研开发项目完成的，在进行了大量的调研 和试验的基础上，通过仔细分析对象特性并归纳总结运行人员的操作经验，成功地将状 态变量控制技术、相位补偿控制技术、p i d 参数模糊自调整控制技术【i i 、f u z z y p i d 控制技 术及基于直接能量平衡算法的控制技术等先进控制方法应用到母管制机组的几个典型热 工过程控制中，取得了良好的效果。除了调研、设计、仿真实验等工作外，本文的工作还 包括大量现场凋试、结果测试工作，所以文中含有大量的现场测试数据和曲线，本文的主 要内容如下： 1 ) 现场调研，摸清扬子热电厂一、二级汽温、制粉系统、母管压力控制现状和存在的问 题。 2 ) 一、二级汽温被控对象的动态特性实验，带相位补偿的状态变量控制器设计，p i d 参 数模糊白调整设计，以上控制策略的仿真实验。 3 ) 一、二级汽温现场控制系统的组态调试。曲线测试。 4 ) 中储式钢球磨煤机制粉系统被控对象的动态特性实验，f u z z y p i d 控制器设计，多变量 解偶控制系统的设计，以上控制策略的仿真实验。 5 ) 制粉系统控制系统的组态调试，曲线测试。 6 ) 母管压力被控对象的动态特性实验，母管压力直接能量平衡算法推导，自适应s m i t h 预估控制器的设计，仿真实验。 7 ) 基于能量平衡s m i t h 预估的母管压力控制系统的组态调试，曲线测试。 本论文属于应用技术性论文，主要是针对母管制供热机组热工过程控制中存在的实际 难题，采用一些先进的控制策略，最终达到解决这些难题的目的。本文采用的控制策略全 部应用到扬子热电厂，并正式投运受到用户的好评。 东南大学硕十学位论文 第二章锅炉主汽温和一级汽温的优化控制 2 1 引言 电站锅炉的过热汽温是机组安全、经济运行的重要参数之一，若汽温太高则容易烧坏 过热器和汽机的进汽部什；若汽温太低则不仅会影响到经济性( 对高压锅炉而言，汽温每 降2o c 锅炉效率会减少o 卜o 2 ) ，而且也会造成汽机未级的蒸汽湿度过大而损坏叶片。 因此，电站的主汽温必须严格控制在规定的范围内。但由r 汽温被控对象的滞后很大( 即 喷水量变化到引起汽温变化需要较长的时间) ，常规的串级控制系统，或采用导前微分褂 偿信号的双回路控制系统，对滞后较大的汽温控制往往不能获得理想的控制品质，只有通 过采用先进的控制策略才能获得满意的控制品质。实际应用也表明，尽管很多电厂已完成 了d c s 政造，但一、二级过热汽温的品质不理想，有些电厂当机组负荷仅以2 m c r m i h a 9 速 率变化时，汽温就偏离设定值1 0 c 以上，故常常只能通过手动操作来控制汽温，有经验的 运行人员也只能降低汽温设定值来运行，降低了机组的经济性，增加了运行人员的劳动强 度”。 传统的对汽温控制系统的改进主要集中在前馈控制方案及分段控制方案上，尽管可适 当改善控制效果，但分段控制系统的控制设备多，因而成本及维护量增加，而且分段控制 系统受锅炉本体设备的限制，一般的锅炉很难采用这种方案。 扬子热电厂# 卜# 8 炉、二级汽温通过喷水来调节，被控对象的惯性较大，而且由于 锅炉本体上的原因，如锅炉甲、乙两侧过热器的热负荷不均匀，会造成两二级减温器的出 口汽温偏差过大而超出实际运行要求。而且由于正常情况下，一、二级喷水的需要量较小， 喷水阀阀位一般在较小的1 1 ) = 置，造成喷水阀两侧的压差较大，阀门的磨损很快。另外，原 控制系统还存在积分饱和等现象。所有的这些原因均造成了原来的控制系统无法投入。在 汽温的优化控制之前，# 卜# 8 炉汽温控制的现状为如下： 1 汽温控制采用的是常规的串级控制方案，由于不能获得满意的控制品质，控制系 统一直无法止常投入。长期以来，汽温一直依靠手动操作来调节； 2 手动操作时的汽温品质不理想。机组负荷稳定时，主汽温会偏离定值3 。c 左右变 化；当负荷变化以2 m i n 的速率变化时，主汽温就偏离设定值达9 c 左右，运行人员只能 把汽温设定值降到5 3 0 运行； 3 而对于级汽温，会随着锅炉负荷降低而降低，但运行人员经常忽略关小一级喷 水阀，导致一级汽温经常只运行在, t 6 0 左右，大大偏离希望值4 9 0 。c 。 2 0 0 1 年，中石化集团扬子石油化工有限责任公司将“火电机组过热蒸汽温度的优化 控制”作为科技项目正式立项，并委托东南大学进行研究实施。2 0 0 1 年9 月，新的基丁 状态变鼍控制器和相位补偿的蒸汽温度控制系统在现场通过了调试，并投入了运行。经过 1 0 多次升、降负荷和启、停制粉系统的试验，一、二级蒸汽温度严格地控制在允许的范围 内，确保了过热汽温控制系统的长期、稳定投入。 在对一、二级汽温进行优化控制后，汽温控制的现状为如下： 采用状态变量控制技术和相位补偿控制技术实施对汽温控制系统的优化，人大提高了 控制系统的控制品质，确保了锅炉主汽温控制系统和一级汽温控制系统的长期稳定投入； 八台炉的汽温控制控制品质均十分优良，稳态负荷时，主汽温仅变化仅0 5 。c 左也， 变负荷时，主汽温仅变化仅3 5 c 左右，汽温品质大人优于优化控制实施前的品质，也优 于在优化前所预定的6 的目标。由于控制品质的提高，汽温定值已设定在5 3 6 。c ，有效 地提高了整个锅炉的经济效益； 使级蒸汽温度尽可能维持在较高的数值，一级蒸汽温度的没定值设定在4 9 0 。c ，同 4 第二章锅炉主汽温和一级汽温的优化控制 样也可提高锅炉的整体敛率，并使二级汽温具有更好的品质。 2 2 状态变量控制器设计原理 2 2 1 状态反馈控制设计原理 当锅炉负荷发生变化时，在过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的变化， 如果控制系统根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化，控制系统马 上动作、及时调节，就能取得好的控制效果。在常规的串级汽温控制方案的基础上，考虑 增加过热器流程上各点温度后所组成的状态变量控制系统如图2 1 所示。 值e s d 图2 1 状态变量控制系统的原理图 在上面的方案中，假设了在过热器的流程上增加了5 个温度测点，各测点之间的过热 器相对较短，因此，假定为一阶惯性环节，即为：g ( 5 ) = 而1 ，而整个汽温被控对象为 尼 5 阶多容惯性环节( 1 + 7 j ) 5 。一般而言，喷水对导前温度的影响是很快的，因此t 上面控 制系统的内回路可以看成是一个快速随动系统【9 1 ，即有：只圭气，因此，图2 1 的状态 变量控制系统可以进一步表示为图2 2 所示。 7 ! ! ! 广弋 曼+ 曼+ 臭+ 重+ c 、- ，卜1 弋j l ，一 图2 2 简化后的状态变量控制系统原理图 从图2 2 中可以看出，若不引入状态变量反馈i ”1 ( 即：z = 0 ( 扛1 ，2 ，5 ) ) ，则汽温 东南大学硕士学位论文 控制系统的被控对象为g 0 ( s ) = 七g 5 ( s ) = 志，而引入状态变量反馈后补偿了汽温被 控对象酌动态特性补偿后的汽温被控对象如式( 2 2 - 1 ) 所示。 g o ( s ) = f 丽万砑硒而面k g s 再( s ) f 丽丽丽 ( 2 2 1 ) 将g ( s ) = 而1 代入，得 瓴( j j - k ，r 。，+ 堡! ! + ! ! ! ：! 五互立。坚! 二! 五! 五五! + 堕! 堑：! 占五堡+ 五：点五：五! 五：】 rr or r r ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 - 2 ) 可知，补偿后的对象特性与状态反馈系数有关，显然，通过选择组状 态反馈系数，i = 1 2 5 使补偿的对象具有较理想的动态特性。那么，什么样的特性较 理想呢? 显然，一方面对象要具有较小的惯性和滞后另一方面要使对象的静态放大系数 相对小一些。据此，我们可以选择所希望的等效对象如式( 2 2 - 3 ) 所示。 ) = 茄( o y 1 ) ( 22 _ 3 ) 将其按二项式展开，得 g e ( 5 ) 2 1 r 而r 靠r 1 广 2 2 叫) ，+ 万+ 万+ 万+ 万+ 万 令g o ( 5 ) = q ( j ) ，并比较系数，可得 5 十4 , + 3 五+ 2 4 + 五= 、 y 6 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) m 一广 = 卫广 啊 = l _ 分 5 一厂 + + = 五 石 “ “ 第二章锅炉主汽温和一级汽温的优化控制 l + _ ，：+ 五+ 六+ 五+ 工= 。专 般可解得： ：5 ( 三一1 ) 五：l o ( 1 1 ) z 六：1 0 ( 1 1 ) 3 工：5 ( 1 1 ) 工：( 三一1 ) s ( 2 2 - 9 ) ( 2 2 一l o ) ( 2 2 一】1 ) ( 2 2 - 1 2 ) ( 2 2 1 3 ) ( 2 2 1 4 ) 一股，对于n 阶控制对象，司以证明，状态变量反馈系数( 或控制增益) ，i = l ，2 5 等于。f 列两项式展开的各项： 1 + ( ! - i ) “： y 1 + a ( 三一1 ) + 哿( 三一1 ) z + + q “( 土一1 ) n ，+ g ( 上1 ) yyyj y “ ( 2 2 - 1 5 ) 其中，g ，i = 1 ，2 ，n 为组合系数 弘南 组z ) 由此可见经状态反馈控制后，等效对象的放大系数和时间常数都发生了变化，其传 递函数 g o 蜘南 眨z ， 其中，k = k y ”，t = y t k 。即放大系数减小了y ”倍；时间常数减小了y 倍。改 东南大学硕士学位论文 善了等效对象的特性。y 的大小直接决定了状态反馈系数，i = 1 2 5 的大小。 由于y 使等效对象的响应在幅值和时间两个方向的坐标轴上受到了压缩( 相当于改变 了它们的比例尺) ，故称其为压缩冈子。 从改善对象动态特性的角度来看，压缩因子y 越小越好，并总能找到一组对应的状态 反馈系数，。但，越小则反馈系数z 越大，而人的反馈系数，会使控制系统过份灵敏 特别是当温度测量信号存在小的噪声干扰时 的选取应视实际情况适可而止。一般整定时 2 2 2 状态观测器设计原理 则会导致喷水凋门的抖动。因此，压缩因子y y 取为o 5 - 0 7 ，可以取得较好的补偿特性。 要实现图2 1 所示的状态变量控制系统，则必须要测量过热器流程中的各点蒸汽温度 ( 即状态) ，但这显然是难于实现的。一种可替代的方法是利用被控过程动态数学模型来估 计这些中间温度( 这当然会损失些控制品质) ，在控制理论上就是采用状态观测器来估计 这些状态o ，由于利用输入重构状态观测器1 【1 ”，当真实系统的重构系统的初始值不同 时，；将无法趋近于x ，所以，利用重构系统的输出和实际系统的输出差值作为反馈，通 过观测器矩阵作用于状态变量旧，从而保证了状态变量主和x 在初始值不同的情况下，也 能逐渐逼近。本文所采用的状态观测器如图2 3 所示。 图2 3 状态变量的观测器回路 因为状态观测矩阵的计算方法与反馈矩阵算法类似，所以直接咀n 阶惯性环节为例 推导出状态观测矩阵的一般公式，其原理方框图见图2 4 。 图2 4 状态观测器一般结构图 8 第二章锅炉主汽温和一级汽温的优化控制 控制对象的传递函数为 g o ( 沪k g 如) = 志 根据梅森公式，等效对象的传递函数为 其中 g 0 ( 5 ) = k g ”( s ) 1 + g i g ”( s ) + 9 2 g ”一1 ( s ) + 9 3 g ”一2 ( s ) + + g _ l g 2 0 ) + g 。g ( s ) g f n ：上 1 + t s 设等效对象的参考模型为 g 小) = 矗每其中洲删 ( 2 2 一1 8 ) ( 2 2 1 9 ) ( 2 2 2 0 ) 对照上述求解反馈矩阵的过程，我们不难看出其相似性，这是因为观测器反馈矩阵和 状态观测矩阵的求解是对偶问题，故只给出在l i a t l a b 中用矩阵运算形式表达的最终结果： 其中 g ： ( y u ) g = 凶9 29 39 4g s9 6 岛 7 u = 1 c 0 1c 0 2g 3e 4g 5 g ”1 由方程( 2 ，2 - 1 8 ) 可解得 g ：g ”一一1 ) 一 o f , 9 c , , - 5 盟、 口”一5口。 ( 2 2 2 2 ) 。岛巳；喇 ，q g口q；0q口q口o0 ，q g q o o ；d q口0 0 o ；o ，q 0 o o oo 1 d 9 0 d n u ；n v 笠望笠盟q 万 忙 东南人学硕土学位论文 一，：e z ( 土一1 ) ： g 。= e 2 二一1 ) 其中，i = 1 ，2 ，n 为组合系数 一一 ”! 、一而 ( 2 22 3 ) ( 2 2 - 2 4 ) ( 2 2 - 2 5 ) ( 2 2 2 6 ) ( 2 2 2 7 ) ( 2 2 - 2 8 ) ( 2 2 2 9 ) 由此可见，应用状态观测器后，重构对象的放大系数和时间常数相对于实际对象都 发生了变化，其传递函数 瓯= 矗哥 c 。z - 。o ， 其中，t = 口，。即放大系数减小了口”倍，时间常数减小了岔倍。也就是说在相同 的内扰下，重构对象能有较好的动态特性，提前于真实对象作出反应。提前量的大小直接 由观测矩阵的值决定，而观测矩阵的值则依赖于口值的选取。因为口值的大小决定了观测 器重构对象的输出或状态变量趋近于真实对象的灵敏程度，所以称口为灵敏度系数。 类似于压缩因子，灵敏度系数的选择，在0 和l 之间有定的任意性。从改善重构对 象的灵敏程度来讲，a 值越小越好。但是实际上灵敏度系数的减小将导致观测矩阵中各个 参数璺，i = 1 ，2 3 n 的增大。这样会 l 起观铡系统的过分敏感，当重构系统输出和真实 系统输出只有微小差别的时候，反馈输入也会产生很大的跃变，这是实际控制过程中所不 允许的。因此，灵敏度系数口的选取也应视实际情况而定。 2 2 3 状态变量汽温控制系统 综合图2 2 和图2 3 ，本文最终所设计的状态变量汽温控制系统如图2 5 所示。 1 0 旷 矿 驴 矿 0旺0强0吼0岱 吖 吖 吖 吖 = i i l l = 岛 甑 岛 第二章锅炉主汽温和一缀汽温的优化控制 2 3 对象分析 图2 5 状态变量汽温控制系统的设计框图 自 扬子热电厂锅炉一级汽温和二级汽温被控对象的结构均如图2 6 所示。通过调整甲、 乙两侧的一级喷水量来调节进入二级喷水减温器的蒸汽温度；同样，通过调节甲、乙两侧 的二级喷水流量来控制主蒸汽温度。对于一级汽温控制，甲、乙两侧相互独立，可设计成 两套独立的控制系统。而对二级汽温控制系统，由于甲、乙两侧的汽温被调量是同一测点 的温度，因此，甲、乙两侧只能设计成一套控制系统，这就相当于由两个输入变量米控制 一个输出变量，同时，实际运行还要求保证两二级喷水减温器的出口汽温基本相同。 图2 6 锅炉汽温被控对象的系统结构 斟2 7 是甲侧二级喷水阀从3 3 1 快速关d , n 达1 4 2 时，甲侧喷水减温器出口温度 东南大学颂上学位论文 和主蒸汽温度的曲线。整个过程则需要6 4 8 秒后才能达到稳定；曲线4 为二级喷水减温器 出口汽温( 即为二级导前汽温) 的变化曲线，当阀门关小时，二级导前汽温从4 6 4 。c 上升4 7 9 。 1 0 0 o s 4 0 o 5 4 0 o 5 1 0 o o 0 s 2 0 o 5 2 0 o 4 5 0 o 4 5 0 o 1 一甲侧喷水阀阀位：2 删主汽温实测值； 3 一由主汽温模型产生的仿真数据； 4 一甲侧喷水减温器出口汽温( 导前汽温) 实测值；5 一由导前汽温动态模型产 生的仿真数据。 图2 7 汽温被控对象的阶跃响应试验曲线及模型拟台曲线 由汽温的实测阶跃响应曲线，利用我们的模型拟合程序，可方便地求出喷水阀开度变 化引起二级导前汽温和主汽温的动态数学模型为： 二级导前区的数学模型为： 喇加等o c ( 2 3 - 1 ) 二级惯性区的数学模型为： 州= 怒。c o c ( 23 - 2 ) 为验证被控对象数学模型的精确性，图2 7 中也给出了由数学模型产生的仿真数据， 其中，曲线3 由主汽温动态数学模型产生的数据；曲线5 为由二级导前区数学模型产生的仿 真数据。由图中不难看出，由仿真模型所产生的数据基本上逼近于实测数据，这说明了所 拟合的数学模型具有相当的正确性。 通过类似的实测阶跃响应试验， 一级汽温导前区的数学模型为： g 0 ：( s ) = 百- 0 7 丽2 8 5 我们也获得了有关一级汽温的动态数学模型为 1 2 ( 2 3 - 3 ) 第二章锅炉土汽温和一级汽温的优化控制 级汽温惯性区的数学模型为： = 器 ( 2 3 - 4 ) 显然，一级汽温被控对象的惯性人于二级主汽温被控对象的惯性。主蒸汽温度的定值 为5 3 5 。c ，一级汽温的温度定值为4 9 0 。c 。 2 4 控制策略 2 4 1 原控制方案分析及改进设想 扬子热电厂# 卜# 8 炉原一级和二级汽温控制系统均为常规的串级控制方案，但由于汽 温被控对象的惯性很大( 参见上节的对象分析) ，而对惯性很大的被控对象，简单的串级控 制系统不可能获得满意的控制鼎质。主要有两个原因，一是对惯性很大的被控对象，只有 当主调节器整定得很慢( 即比例带和积分时间均很大) 时，闭环控制系统才可能是稳定的。 而另一方面，对于大惯性的被控过程，只有主调节器快速、及时动作( 最好是在被调量变 化之前就动作) ，才有可能使被调量具有好的控制品质。显然，对于滞后很大的被控过程， 若采用简单的串级控制方案，被调量的控制品质和闭环系统的稳定性是一对无法调和的矛 盾，这就导致了常规串级控制系统的无法投入。二是尽管与单回路调节系统相比，串级控 制系统的控制品质有所改善，但改善的程度不大。这是因为，串级控制系统只有对哪些先 引起导前温度变化因而导致被调量变化的扰动( 内扰) 才能起到明显的提前调节作用。而对 哪些作用在外回路上的扰动，只有当被调量偏离设定值后，调节器才动作。对这类扰动， 串级控制系统与单回路调节系统一样，没有任何提前调节( 这种调节称事后调节) 。而当机 组升、降负荷时，烟气流量、烟温及蒸汽流量是引起汽温变化的主要扰动。显然，大量的 扰动是作用在喷水减温器之后的高温过热器上，由于串级控制系统对这些扰动只能是事后 调节，被调量的控制品质就不会理想。合理的改进方法是，设计新的控制系统，使调节器 在被调量变化之前，就能正确及时动作( 称事前调节) ，只有事前调节才能及时有效抑制被 调量的变化。由于前馈是根据引起被调量变化的原因( 而不是被调量) 进行调节的，因此， 前馈控制是一种比较典型的事前调节方法i j 。在汽温控制系统中，加入前馈作用，一定能 起到好的调节作用。那么，对反馈调节，怎样才能做到事前调节呢? 一种比较有效的事前 调节方法是采用状态变量控制器。尽管状态变量控制器的结构较复杂，但它可以通过常规 模块的组态而成。另外，通过相位补偿的方法同样可以减小被控对象的惯性，也可改善控 制系统的品质。因此，在本项目中，我们将状态变量控制器和相位补偿方法有机地结合起 来，综合各自的优点，使汽温控制系统的品质有效提高。同时在汽温控制系统的设计中， 还有效地调平了甲、乙两侧二级喷水减温器的出口汽温和成功地解决了调节器的积分饱和 问题。 2 4 2 基于状态变量控制器的控制方案 基于状态变量控制器的汽温控制方案如图2 8 所示。 东南人学硕上学位论文 图2 8 基于状态变量控制器的汽温控制系统示意图 图2 8 中，环节d 和p t 分别是实际微分环节和一阶惯性环节；t 为汽温被调量，对一 级汽温控制系统，t 是二级喷水减温器入口汽温，其设定值为4 9 0 ；而对二级汽温控制系 统，t ! j i l j 指主蒸汽的温度，其设定值为5 3 5 。k i ，f i ( i = i ，8 ) 分别为状态观测器系数和 系统反馈系数。p l 调节器的输出为喷水调门的开度指令( 或作为内回路的设定值) 。在控 制系统中，引入的前馈信号有送风风量信号和汽机对锅炉的能量要求信号，能量信号实质 上反映了机组的负荷。在很多汽温控制系统的设计中，常采用热量信号作为前馈，设计思 想是合理的，但由于热量信号的变化往往很频繁，会引起喷水调门过多不必要的动作。整 个控制系统是在常规调节系统的基础上通过叠加状态变量控制器而组成的。 对于状态变量控制器，本章第2 节详细说明了其设计原理，这里再总结说明一下它的 原理和实质。其一从机理上分析对于作用在喷水减湓器后的扰动，串级控制系统只有在 被控汽温变化后才能调节( 事后调节) ，这是控制不好的主要原因。那么，怎样才能在过热 汽温变化之前就开始调节呢? 显然，在过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的 变化，如果控制系统根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化( 尽管 此时主汽温还没有变化) ，控制系统马上动作、及时调节，就能取得好的控制效果。但是， 在高温过热器上加装温度测点是不现实的，这就自然想到了用过热器的动态