第一章(第1、2讲)13

1、华北电力大学华北电力大学 1 引言引言 2 现代电站热工自动化现代电站热工自动化 3 现代电站热工自动化技术的发展方向现代电站热工自动化技术的发展方向 锅炉动画锅炉动画汽机动画汽机动画图图 在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着在现代科学技术的众多领域中，自动控制技术起着 越来越重要的作用。所谓越来越重要的作用。所谓自动控制自动控制，是指在没有人直接，是指在没有人直接 参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、参与的情况下，通过控制器使被控对象（如机器设备、 生产过程等）自动地按照预定的规律运行。生产过程等）自动地按照预定的规律运行。 目前自动控制技术已经被广泛地应用于军事、航天、

2、目前自动控制技术已经被广泛地应用于军事、航天、 核动力、生物、医学、工业生产过程等领域。自动控制核动力、生物、医学、工业生产过程等领域。自动控制 已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。已成为现代社会活动中不可缺少的重要组成部分。 近半个世纪以来，特别是二十世纪八十年代以来，近半个世纪以来，特别是二十世纪八十年代以来， 工业自动化工业自动化领域发生了革命性的变化。领域发生了革命性的变化。 首先是芯片技术的突破，促进了自动化技术由首先是芯片技术的突破，促进了自动化技术由 “模拟模拟”向向“数字数字”时代的飞跃；建立在网络信息技时代的飞跃；建立在网络信息技 术基础上的分布式工业自动控制系统术基

3、础上的分布式工业自动控制系统DCS （Distributed Control System）为实现先进的工业自为实现先进的工业自 动化系统提供了强有力的硬件、软件平台。动化系统提供了强有力的硬件、软件平台。 电力工业作为国民经济的基础性产业，有别于其它电力工业作为国民经济的基础性产业，有别于其它 工业过程的主要特征是：电能的工业过程的主要特征是：电能的“发、输、供、用发、输、供、用”必必 须同时进行，并保持瞬时的平衡。与此同时，参与须同时进行，并保持瞬时的平衡。与此同时，参与“发、发、 输、供、用输、供、用”的所有设备构成了部件众多、结构复杂、的所有设备构成了部件众多、结构复杂、 分布广阔的动

4、态大系统。在这个系统中发电机组处于系分布广阔的动态大系统。在这个系统中发电机组处于系 统的最底层。统的最底层。 通常，人们把电力生产过程分为发电侧与输配电侧，通常，人们把电力生产过程分为发电侧与输配电侧， 相应地，从实现自动化的角度，可分为相应地，从实现自动化的角度，可分为电站自动化电站自动化和和电电 力系统自动化力系统自动化。 1.1 自动控制基础理论自动控制基础理论 1.1.1 自动控制理论的发展自动控制理论的发展 1.1.2 自动控制的基本概念自动控制的基本概念 1.1.3 开环控制与闭环控制开环控制与闭环控制 1.1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 1.2 热工自

5、动化概述热工自动化概述 l 自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动控自动控制理论是自动控制技术的基础理论，根据自动控 制技术的发展进程，制技术的发展进程，自动控制理论自动控制理论可分为以微分方程、传可分为以微分方程、传 递函数为基础的递函数为基础的经典控制理论经典控制理论和以状态空间为基础的和以状态空间为基础的现代现代 控制理论控制理论。 l 同时，随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展同时，随着自动控制理论的发展，自动化技术逐步发展 到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的到基于专家系统、模糊控制和人工神经网络的智能时代智能时代。 l前期控制前期控制(1400BC-1900) 中

6、国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶中国、埃及和巴比伦出现自动计时漏壶(1400BC-1100BC) 希腊发明了采用浮球保持燃油液面高度的油灯希腊发明了采用浮球保持燃油液面高度的油灯(250BC) 亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动装置亚历山大的希罗发明开闭庙门和分发圣水的自动装置(100年年) 中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪中国张衡发明水运浑象，研制出自动测量地震的候风地动仪 (100年年) 中国马钧研制出利用齿轮传动的自动指示方向的指南车中国马钧研制出利用齿轮传动的自动指示方向的指南车 (235年年) 英国英国J.Watt利用离心式调速器控制蒸汽机的速度利用离心式

7、调速器控制蒸汽机的速度(1788年年) l经典控制经典控制(1935-1950) 美国美国N.Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出PID 控制方法控制方法(1922) 美国美国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)，气压，气压 反馈控制器反馈控制器(1929) l现代控制现代控制(1950-今今) 美国美国MIT的的Servomechanism Laboratory研制第一台数控机研制第一台数控机 床床(1922) 现代控制起源于冷战时期的军备竞赛以及计算机技术的出现代控制起源于冷战时期的军备竞赛以及计

8、算机技术的出 现。现。 美国美国 George Devol研制出第一台工业机器人样机研制出第一台工业机器人样机(1954) 苏联东方苏联东方-1号飞船载着加加林进入人类地球卫星轨道，人类号飞船载着加加林进入人类地球卫星轨道，人类 宇航时代开始了宇航时代开始了(1961) l手动控制手动控制 l自动控制自动控制 l手动控制与自动控制的比较手动控制与自动控制的比较 l自动控制系统自动控制系统 l水箱水位的水箱水位的手动控制：手动控制： 观测观测实际水位，将实际水实际水位，将实际水 位与要求的水位值相位与要求的水位值相比较比较，得，得 出两者偏差。根据偏差的大小出两者偏差。根据偏差的大小 和方向和方

9、向调节调节进水阀门的开度，进水阀门的开度， 即当实际水位高于要求值时，即当实际水位高于要求值时， 关小进水阀门开度，否则加大关小进水阀门开度，否则加大 阀门开度以改变进水量，从而阀门开度以改变进水量，从而 改变水箱水位，使之与要求值改变水箱水位，使之与要求值 保持一致。保持一致。 图1-1 图图 l水箱水位的水箱水位的自动控制自动控制 浮子：浮子：测量作用测量作用 连杆：连杆：比较作用比较作用 放大器、伺服电动机和减速放大器、伺服电动机和减速 器：器： 调节作用调节作用 阀门：阀门：执行元件作用执行元件作用 当实际水位低于要求水位时，电位器输出电压值为正，且当实际水位低于要求水位时，电位器输出

10、电压值为正，且 其大小反映了实际水位与水位要其大小反映了实际水位与水位要求求值的差值，放大器输出信值的差值，放大器输出信 号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到号将有正的变化，电动机带动减速器使阀门开度增加，直到 实际水位重新与水位要求值相等时为止实际水位重新与水位要求值相等时为止。 水位自动控制的目的：水位自动控制的目的： 使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。 图1-21-2 眼 手 脑 水位测 量与变 送 执行器 控制器给定 手动控制与自动控制的比较：手动控制与自动控制的比较： 人脑手水箱系统 眼 h 控制器执行器水箱系统

11、 传感器 h 图图1-3 水箱水位手动控制系统方框图水箱水位手动控制系统方框图 图图1-4 水箱水位自动控制系统方框图水箱水位自动控制系统方框图 对应系统方框图对应系统方框图: 自动控制系统：自动控制系统： 为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按为达到某一目的，由相互制约、相互联系的各个部件按 照一定规律构成且具有独立功能的整体称为照一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统系统。 自动控制系统是由自动控制系统是由被控对象被控对象和和自动控制装置自动控制装置按照一定方式按照一定方式 连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。连接起来，能完成一定自动控制任务的总体。 自动控制系统的自动控制

12、系统的被控制量被控制量称为称为系统输出量系统输出量 影响系统输出量的影响系统输出量的外界输入外界输入称为系统的称为系统的输入量输入量 输入量分类：输入量分类： 给定输入给定输入（或称参考输入、希望值等）（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出指对系统输出 量的要求值量的要求值 扰动输入：扰动输入：指对系统输出量有不利影响的输入量指对系统输出量有不利影响的输入量 自动控制系统由两大组成部分，即自动控制系统由两大组成部分，即被控对象被控对象和和自动控制装自动控制装 置置（有时也称为控制器）（有时也称为控制器） 自动控制装置又可分为下列几个部分：自动控制装置又可分为下列几个部分： （1）测量元件测量

13、元件（或测量装置）。用于测量被控量的实际值（或测量装置）。用于测量被控量的实际值 或对被控量进行物理量变换的装置。或对被控量进行物理量变换的装置。 （2）比较元件比较元件（或比较器）。它将被控量的实际值（常取（或比较器）。它将被控量的实际值（常取 负号）与被控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的负号）与被控量的要求值（常取正号）相比较，得到偏差的 大小和符号。大小和符号。 （3）调节元件调节元件。通常包括放大器和校正装置。它能将偏差。通常包括放大器和校正装置。它能将偏差 信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数信号放大，并使输出控制信号与偏差信号之间具有一定的数 值运算关系（也

14、称为调节规律或控制算法）。值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。 （4）执行元件执行元件。接受调节元件的输出控制信号，产生具体。接受调节元件的输出控制信号，产生具体 的控制效果，使被控制量产生预期的改变。的控制效果，使被控制量产生预期的改变。 l闭环控制系统闭环控制系统 l开环控制系统开环控制系统 l闭环与开环控制系统的比较闭环与开环控制系统的比较 l1 反馈反馈：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号：把取出的输出量送回输入端，并与输入信号 相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信相比较产生偏差信号的过程，称为反馈。若反馈的信 号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为号与输入信

15、号相减，使产生的偏差越来越小，则称为 负反馈；反之，则称为正反馈。负反馈；反之，则称为正反馈。 l2 闭环控制系统闭环控制系统：能对输入量与输出量进行比较，并：能对输入量与输出量进行比较，并 且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定且将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间预定 关系的系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个关系的系统。由于引入了被反馈量的反馈信息，整个 控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。控制过程成为闭合的，因此反馈控制也称为闭环控制。 控控制制器器 对对象象 或或过过程程 测测量量元元件件 输入量输出量 闭环控制系统方框图 l被控对象被控对象 l控制装置控

16、制装置( (由具有一定职能的各种基本元件组成由具有一定职能的各种基本元件组成 ) ) l测量元件测量元件：其职能是测量被控制的物理量：其职能是测量被控制的物理量; ; l给定元件给定元件：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入：其职能是给出与期望的被控量相对应的系统输入 量（即参据量）量（即参据量）; ; l比较元件比较元件：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出：把测量元件检测的被控量实际值与给定元件给出 的参据量进行比较，求出它们之间的偏差的参据量进行比较，求出它们之间的偏差; ; l放大元件放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推

17、动执行 元件去控制被控对象元件去控制被控对象; ; l执行元件执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化：直接推动被控对象，使其被控量发生变化; ; l校正元件校正元件：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件，：亦称补偿元件，它是结构或参数便于调整的元件， 用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能用串联或反馈的方式连接在系统中，以改善系统性能 控控制制器器 对对象象 或或过过程程 输入量输出量 图1-5 开环控制系统 如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这如果系统的输出量与输入量间不存在反馈的通道，这 种控制方式称为种控制方式称为开环控制开环控制。 闭环与开环控制系统的比

18、较：闭环与开环控制系统的比较： 闭环控制系统闭环控制系统的特点的特点 偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生偏差控制，可以抑制内、外扰动对被控制量产生 的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。的影响。精度高、结构复杂，设计、分析麻烦。 开环控制系统开环控制系统的特点的特点 顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能顺向作用，没有反向的联系，没有修正偏差能 力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。力，抗扰动性较差。结构简单、调整方便、成本低。 1.1.4 对自动控制系统的基本要求对自动控制系统的基本要求 可以归结为可以归结为稳稳定性定性（长期稳定性）、（长期稳定性）、准准确性确性（精度

19、）（精度） 和和快快速性速性（相对稳定性）。（相对稳定性）。 稳 准快 稳定性：稳定性： 1 对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间对恒值系统，要求当系统受到扰动后，经过一定时间 的调整能够回到原来的期望值。的调整能够回到原来的期望值。 2 对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。对随动系统，被控制量始终跟踪参据量的变化。 稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预稳定性是对系统的基本要求，不稳定的系统不能实现预 定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。定任务。稳定性，通常由系统的结构决定与外界因素无关。 准确性：准确性： 用稳态误差来表示。用稳态误差来表示。 在参

20、考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态在参考输入信号作用下，当系统达到稳态后，其稳态 输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误输出与参考输入所要求的期望输出之差叫做给定稳态误 差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输差。显然，这种误差越小，表示系统的输出跟随参考输 入的精度越高。入的精度越高。 快速性快速性: 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性 能。能。 例如，对于稳定的高射炮射角随动系统，虽然炮身最例如，对于稳定的高射炮射角随动系统，虽然炮身最 终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，终能跟踪目标，但如果目标变动迅速，而

21、炮身行动迟缓，而炮身行动迟缓， 仍然抓不住目标。仍然抓不住目标。 伴随着电力工业的发展，电站自动化技术的内涵和外延伴随着电力工业的发展，电站自动化技术的内涵和外延 都已发生了巨大的变化。都已发生了巨大的变化。 n 一方面，自动控制系统已从辅助运行人员监控机组运行一方面，自动控制系统已从辅助运行人员监控机组运行 发展到实现不同程度的设备启停、过程控制和联锁保护的发展到实现不同程度的设备启停、过程控制和联锁保护的 综合体系；综合体系； n 另一方面，借助计算机和网络技术的发展，电站生产过另一方面，借助计算机和网络技术的发展，电站生产过 程的自动化程度达到了前所未有的高度，监控和管理信息程的自动化程

22、度达到了前所未有的高度，监控和管理信息 系统的广泛应用为电站自动化的进一步发展提供了必要的系统的广泛应用为电站自动化的进一步发展提供了必要的 物质基础。物质基础。 目前，通过应用各种先进的信息获取和处理技术，同时结目前，通过应用各种先进的信息获取和处理技术，同时结 合自动化领域的一些新的理论和方法，合自动化领域的一些新的理论和方法，电站自动化技术电站自动化技术已经已经 从传统的生产控制领域逐步渗透到了电站运行和管理的方方从传统的生产控制领域逐步渗透到了电站运行和管理的方方 面面，包括对面面，包括对机组整体运行工况的监控机组整体运行工况的监控、对、对发电过程经济性发电过程经济性 的分析的分析、对

23、、对主辅机设备的维护和管理主辅机设备的维护和管理以及对以及对生产过程的优化生产过程的优化 调度调度等。等。 2.1 现代电站自动化的主要内容现代电站自动化的主要内容 根据应用层次和范围的不同，我们将现代电站自动根据应用层次和范围的不同，我们将现代电站自动 化所涵盖的主要内容大致分为化所涵盖的主要内容大致分为7类：类： (1) 数据采集与管理数据采集与管理 包括对热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等包括对热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等 热工参数的测量；测量数据在不同系统之间的高速传热工参数的测量；测量数据在不同系统之间的高速传 输；生产过程实时输；生产过程实时/历史数据的高效存储；

24、历史数据的历史数据的高效存储；历史数据的 快速检索；统计数据的报表打印；报警数据的采集、快速检索；统计数据的报表打印；报警数据的采集、 存储、分析与处理等。存储、分析与处理等。数据显示和主控室如下图所示数据显示和主控室如下图所示 现代化电站的集中控制室现代化电站的集中控制室 图图3图图4 (2) 回路控制回路控制 以模拟量控制回路为主，主要对机组的运行参数进行以模拟量控制回路为主，主要对机组的运行参数进行 控制，如蒸汽温度、蒸汽压力、发电机功率、炉膛压力等。控制，如蒸汽温度、蒸汽压力、发电机功率、炉膛压力等。 其中最典型的是单元机组的协调控制系统其中最典型的是单元机组的协调控制系统 CCS:

25、Coordinated Control System (3) 顺序控制及联锁保护顺序控制及联锁保护 顺序控制顺序控制一般可分为时间定序式和过程定序式两类。一般可分为时间定序式和过程定序式两类。 前者是指按预定的时间顺序而触发控制作用的发生（如前者是指按预定的时间顺序而触发控制作用的发生（如 启动停止、闭合断开等）；而后者则是依据生产过启动停止、闭合断开等）；而后者则是依据生产过 程进行的状态决定下一步控制作用是否发生。程进行的状态决定下一步控制作用是否发生。 联锁保护联锁保护以顺序控制系统为基础，在重要运行参数以顺序控制系统为基础，在重要运行参数 超过限定值或相关设备运行条件不满足要求时按照预

26、先超过限定值或相关设备运行条件不满足要求时按照预先 设定的程序，自动终止异常的生产过程和设备，避免事设定的程序，自动终止异常的生产过程和设备，避免事 故扩大，损伤人员和设备。故扩大，损伤人员和设备。 (4) 运行优化运行优化 运行优化是用以节约能源和提高电站运行经济性为运行优化是用以节约能源和提高电站运行经济性为 目的的一系列优化技术的总称，包括控制系统优化；机目的的一系列优化技术的总称，包括控制系统优化；机 组启停优化；燃烧优化，设备运行方式优化，机组间的组启停优化；燃烧优化，设备运行方式优化，机组间的 优化调度等。优化调度等。 其中，以电站节能为目标的优化技术可以分为工艺其中，以电站节能为

27、目标的优化技术可以分为工艺 节能技术和控制节能技术。节能技术和控制节能技术。 工艺节能：工艺节能：在合理的生产工艺和操作规程的基础上，在合理的生产工艺和操作规程的基础上， 通过对生产过程和运行方式的优化，使发电设备的能源通过对生产过程和运行方式的优化，使发电设备的能源 消耗减少；消耗减少； 控制节能：控制节能：对工艺条件和运行方式已经确定的设备对工艺条件和运行方式已经确定的设备 或流程，通过应用先进的控制策略，确保主要工艺参数或流程，通过应用先进的控制策略，确保主要工艺参数 的控制品质，从而提高系统的运行效率。的控制品质，从而提高系统的运行效率。 (5) 经济性分析经济性分析 经济性分析主要通

28、过性能计算和耗差分析两个途径来实现。经济性分析主要通过性能计算和耗差分析两个途径来实现。 性能计算性能计算通过与监控系统和管理系统相连，实时获取机组通过与监控系统和管理系统相连，实时获取机组 的主要运行参数，在线计算热耗率、锅炉效率、厂用电率、发的主要运行参数，在线计算热耗率、锅炉效率、厂用电率、发 电煤耗、供电煤耗等经济参数。电煤耗、供电煤耗等经济参数。 耗差分析耗差分析在线监测包括锅炉、汽轮机、主要辅机在内的整在线监测包括锅炉、汽轮机、主要辅机在内的整 个热力系统的相关参数，准确地对热力设备和热力系统的技术个热力系统的相关参数，准确地对热力设备和热力系统的技术 改造、运行方式的调整、运行参

29、数的设定提供指导。改造、运行方式的调整、运行参数的设定提供指导。 (6) 状态监测和故障诊断状态监测和故障诊断 通过状态监测和故障诊断加强对各类设备或部件、尤通过状态监测和故障诊断加强对各类设备或部件、尤 其是不可直接观测或处于恶劣环境中的设备或部件进行检其是不可直接观测或处于恶劣环境中的设备或部件进行检 测和分析，判断系统的健康状况，指出故障隐患和并对其测和分析，判断系统的健康状况，指出故障隐患和并对其 发展趋势进行预测，协助相关人员查找故障部件及故障原发展趋势进行预测，协助相关人员查找故障部件及故障原 因，并提供故障处理指导。状态监测和故障诊断可在一定因，并提供故障处理指导。状态监测和故障

30、诊断可在一定 程度上提高机组运行的安全性和可靠性，减少非计化停机。程度上提高机组运行的安全性和可靠性，减少非计化停机。 (7) 设备管理设备管理 现代化的设备管理需要应用现代管理理念和管理技术，现代化的设备管理需要应用现代管理理念和管理技术， 在准确掌握设备状态，保证设备的安全、可靠和经济性的基在准确掌握设备状态，保证设备的安全、可靠和经济性的基 础上，科学的进行检修决策，合理安排检修项目、间修间隔础上，科学的进行检修决策，合理安排检修项目、间修间隔 和检修工期，有效降低检修成本，提高设备可用性。以状态和检修工期，有效降低检修成本，提高设备可用性。以状态 检修为核心的设备管理体制是电站管、控一

31、体化发展的重要检修为核心的设备管理体制是电站管、控一体化发展的重要 体现。体现。 目前，大多数在建电站和计划建设电站一般都设计了目前，大多数在建电站和计划建设电站一般都设计了 分级分层分级分层的自动化系统，包括的自动化系统，包括 生产过程级的生产过程级的 DCS (Distributed Control System) FCS (Fieldbus Control System) PLC (Programming Logic System) 监控优化级的监控优化级的 SIS (Supervisory Information System) 生产管理级的生产管理级的 MIS (Management

32、 Information System) #1#1机机DCS #1DCS #1机机PLC #1PLC #1机机RTURTU#2#2机机DCS #2DCS #2机机PLC #2PLC #2机机RTURTU 接口机接口机 SIS功能站功能站SIS维护站维护站SIS值长站值长站 安全隔离器安全隔离器 镜像镜像 服务器服务器 应用应用 服务器服务器 客户端客户端 Internet DCS网络网络 SIS网络网络 MIS网络网络 互联网互联网 服务器服务器 SIS防病毒防病毒 服务器服务器 SIS服务器服务器 结合上述的体系结构，需要着重强调两方面问题：结合上述的体系结构，需要着重强调两方面问题： n

33、一是如何一是如何将各个层次有机地融合在一起将各个层次有机地融合在一起，充分发，充分发 挥各自的功能优势，实现一体化的信息处理模式；挥各自的功能优势，实现一体化的信息处理模式； n 二是如何根据电力生产的需求，二是如何根据电力生产的需求，将自动化领域的将自动化领域的 新技术和新方法融入到这个层次化的结构中新技术和新方法融入到这个层次化的结构中，从广度，从广度 和深度两方面提升电站的自动化水平。和深度两方面提升电站的自动化水平。 在今后的发展中，电站自动化要始终以信息集成为在今后的发展中，电站自动化要始终以信息集成为 核心。核心。 n 进一步加强进一步加强先进控制理论与方法先进控制理论与方法的应用

34、研究；的应用研究； n 通过先进的自动化、信息化平台将生产过程控制和管通过先进的自动化、信息化平台将生产过程控制和管 理的基本内容有机的融合在一起，使电站自动化从回路理的基本内容有机的融合在一起，使电站自动化从回路 级、机组级提升到厂级甚至企业级，级、机组级提升到厂级甚至企业级，实现真正意义上的实现真正意义上的 电力生产管控一体化。电力生产管控一体化。 研究先进的控制理论与方法、解决电站控制领域研究先进的控制理论与方法、解决电站控制领域 的实际问题是自动控制理论与电站自动化研究的基本的实际问题是自动控制理论与电站自动化研究的基本 契合点。契合点。 在对发电机组控制策略的研究中，一方面要借鉴其在

35、对发电机组控制策略的研究中，一方面要借鉴其 它工业过程的成功经验，另一方面更要它工业过程的成功经验，另一方面更要强调电力生产强调电力生产 过程的特殊性，选择和推广适合于电站的理论和方法。过程的特殊性，选择和推广适合于电站的理论和方法。 3.1 先进控制理论与方法的应用研究先进控制理论与方法的应用研究 类类 别别 方方 式式 传统控制策略传统控制策略 PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制控制、比值控制、串级控制、前馈控制 先进控制经典技术先进控制经典技术 增益调整、时滞补偿、解耦控制、选择性超驰控制器增益调整、时滞补偿、解耦控制、选择性超驰控制器 先进控制流行技术先进控制流行技术 模型预测控

36、制、统计质量检测、内模控制、自适应控制模型预测控制、统计质量检测、内模控制、自适应控制 先进控制潜在技术先进控制潜在技术 最优控制最优控制(LQG)、专家系统、神经控制、模糊控制、专家系统、神经控制、模糊控制、 非线性控制非线性控制 先进控制研究中的策略先进控制研究中的策略 鲁棒控制、鲁棒控制、H 控制、 控制、综合综合 (1) 先进控制策略先进控制策略 n 模型预测控制模型预测控制：滚动优化的思想增加了控制系统在线滚动优化的思想增加了控制系统在线 处理各种约束、扰动和不确定因素的能力，更加适合于处理各种约束、扰动和不确定因素的能力，更加适合于 实际的生产过程实际的生产过程 ； n 鲁棒控制鲁

37、棒控制：设计在各种工况下都具有良好性能的定参设计在各种工况下都具有良好性能的定参 数控制器，避免控制器切换或参数调整对系统产生的扰数控制器，避免控制器切换或参数调整对系统产生的扰 动；动； n 自适应与自整定控制自适应与自整定控制：针对大范围、变工况下对象特针对大范围、变工况下对象特 性的显著变化，适时修正控制器的相关参数，维持控制性的显著变化，适时修正控制器的相关参数，维持控制 品质一定意义上的最佳；品质一定意义上的最佳； n 统计质量控制统计质量控制：对生产的全过程进行综合统计分析，：对生产的全过程进行综合统计分析， 确定最佳运行方式和各子回路的最优设定值。确定最佳运行方式和各子回路的最优

38、设定值。 (2) 智能化方法智能化方法 n 模糊控制模糊控制： 1974年英国学者首先把年英国学者首先把Fuzzy理论用于锅炉和理论用于锅炉和 汽轮机控制。目前，模糊控制的理论方法已大量地应用于大汽轮机控制。目前，模糊控制的理论方法已大量地应用于大 型电站的控制与优化中。型电站的控制与优化中。 n 神经网络控制神经网络控制：对于电站这样存在大量非线性的复杂系统：对于电站这样存在大量非线性的复杂系统 而言，神经网络控制有着巨大的应用潜力。目前的应用研究而言，神经网络控制有着巨大的应用潜力。目前的应用研究 领域包括单元机组模糊神经元协调控制、机组最优组合、报领域包括单元机组模糊神经元协调控制、机组

39、最优组合、报 警处理与故障诊断、负荷预报、经济运行等。警处理与故障诊断、负荷预报、经济运行等。 n 专家系统专家系统：在大机组控制中，专家系统应用的主要内容有：在大机组控制中，专家系统应用的主要内容有 故障诊断专家系统、操作指导专家系统、事故分析专家系统故障诊断专家系统、操作指导专家系统、事故分析专家系统 以及分析、评估、规划等专家系统。以及分析、评估、规划等专家系统。 (3) 控制结构优化控制结构优化 n 对基本控制回路的结构优化对基本控制回路的结构优化。包括反馈信号的选取与。包括反馈信号的选取与 构造、不同控制方式的切换（单冲量、三冲量切换；锅炉构造、不同控制方式的切换（单冲量、三冲量切换

40、；锅炉 跟随、汽机跟随、机炉协调控制方式切换等）、快变过程跟随、汽机跟随、机炉协调控制方式切换等）、快变过程 与慢变过程的相互补偿、多种控制手段之间的协同工作与慢变过程的相互补偿、多种控制手段之间的协同工作 （再热蒸汽温度的挡板调节、喷燃器摆角调节、喷水调节（再热蒸汽温度的挡板调节、喷燃器摆角调节、喷水调节 的相互协调等）；的相互协调等）； n 对于整个生产过程的结构优化对于整个生产过程的结构优化。这种优化往往采用分。这种优化往往采用分 级结构，从全局的高度协调各个局部设备或控制回路的优级结构，从全局的高度协调各个局部设备或控制回路的优 化运行。化运行。 PI1 调速调速 给水给水 单冲量单冲

41、量 HSP PI3 PI2三冲量三冲量 HSP PS H P 调节阀调节阀 调速 (4) 非线性控制非线性控制 大型火电机组是被控特性复杂多变的对象，其动态特性大型火电机组是被控特性复杂多变的对象，其动态特性 随着工况参数（负荷、压力、流量、温度等）的变化而大幅随着工况参数（负荷、压力、流量、温度等）的变化而大幅 度变动。度变动。采用非线性控制理论的有关设计方法抵消和补偿对采用非线性控制理论的有关设计方法抵消和补偿对 象的非线性，是保证机组大范围变工况条件下快速负荷响应象的非线性，是保证机组大范围变工况条件下快速负荷响应 和安全稳定运行的最直接、最根本的手段。和安全稳定运行的最直接、最根本的手

42、段。 在电站控制系统的设计中要根据不同的对象和设计目标在电站控制系统的设计中要根据不同的对象和设计目标 选择相应的非线性方法。由于非线性方法的复杂性以及电站选择相应的非线性方法。由于非线性方法的复杂性以及电站 被控对象的多样性，很难找出一种通用的非线性控制系统的被控对象的多样性，很难找出一种通用的非线性控制系统的 设计方法，因此，关于电站非线性控制方法的实用性研究将设计方法，因此，关于电站非线性控制方法的实用性研究将 是长期的。是长期的。 (5)复杂系统建模与仿真复杂系统建模与仿真 建立能够反映电站机组动态特性和非线性特性的模型具建立能够反映电站机组动态特性和非线性特性的模型具 有重要意义有重

43、要意义: n 首先可以为各种依赖于模型的控制算法的应用提供依据，首先可以为各种依赖于模型的控制算法的应用提供依据， 为先进控制方法在电站中的应用打好基础；为先进控制方法在电站中的应用打好基础； n 另外也可以作为一个通用的仿真平台，用以分析和比较不另外也可以作为一个通用的仿真平台，用以分析和比较不 同控制算法的性能。同控制算法的性能。 对先进控制理论与方法的研究要明确以下几点：对先进控制理论与方法的研究要明确以下几点： n PIDPID及其变形（积分分离、带死区、微分先行、自整定）及其变形（积分分离、带死区、微分先行、自整定） 以及与先进控制策略的综合（鲁棒以及与先进控制策略的综合（鲁棒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 传统控制策略，如前馈、补偿、解耦算法往往十分有效，传统控制策略，如前馈、补偿、解耦算法往往十分有效， 甚至能取得事半功倍的效果。甚至能取得事半功倍的效果。 n 系统结构设计与算法设计