超临界机组协调控制系统的分析与设计

1、南 京 工 程 学 院毕业设计说明书(论文)作 者： 张 曼 学 号： 240072908 系 部： 康 尼 学 院 专 业： 热能与动力工程（火电厂集控运行） 题 目： 超临界机组协调控制系统的分析与设计 指导者： 张 君 副教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2011年 6月 南 京毕业设计说明书（论文）中文摘要火电厂超临界机组协调控制系统是一个多变量被控对象，具有非线性强、参数时变大、迟延等特性，针对这些特性，需要对机组进行解耦控制，然后对控制算法进行改进，使系统更加稳定的运行。本文首先介绍了协调控制系统的控制方案；其次，对协调控制系统的影响因素进行

2、了总结，分析了超临界机组的动态特性以及超临界机组在100%负荷下的动态数学模型；再次，通过对该超临界机组数学模型相对增益的计算，结果表明，该系统是以汽机跟随为基础的协调控制系统；然后，分别采用前馈解耦和对角阵解耦两种方法对超临界机组协调控制系统进行了仿真研究，比较解耦后与解耦前以及等效单回路的阶跃响应曲线；最后，对机组的控制效果进行改进，利用积分分离PID控制算法对超临界机组100%负荷模型进行了仿真研究，并与常规PID控制算法进行了比较，结果表明：积分分离PID控制算法比常规PID控制算法能够显著降低系统的超调量，使系统更趋与稳定运行。关键词 ： 协调控制 解耦控制 PID控制 积分分离PI

3、D控制毕业设计说明书（论文）外文摘要Title The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical UnitAbstractThe coordinated control system of boiler-turbine is a complicated multi-variable control object, and it has some characters such as nonlinear, time-varying parameters and large delay。Ac

4、cording to these characteristics, need to decouple control unit, then to control algorithm was improved, make the system more stable operation 。Firstly ，this article introduces the control schemes of coordinated control system are presented; Secondly, summarizes the influence of factors of coordinat

5、ion control system ，analyzes the dynamic characteristic of supercritical unit in 100% load and supercritical unit under the dynamic mathematical model ;Again, through the calculation of relative gain mathematical model, the result shows that ,this system is based on turbine follow coordinated contro

6、l system ; Then, we adopt feedforward decoupling and diagonal matrix decoupling two methods coordinated control system of supercritical unit simulated research, compare decoupling control and not decoupling control effect and completely decoupling single loop control effect after the difference ; Fi

7、nally, on the unit control effect, using improved integral separation PID control algorithm for supercritical unit 100% load model and simulation with the conventional PID control algorithm is compared, results show that: integral PID control algorithm is better than conventional PID control algorit

8、hm can significantly reduce the system overshoots, make the system more hasten and stable operationKeyword: The coordinated control system(CCS); Decoupling; PID controller; PID controller using integral separation目录前言1第一章 绪论21.1单元机组协调控制系统的研究目的及意义21.2单元机组协调控制系统的研究现状2国内外协调控制的应用现状31.3 研究内容与研究计划4第二章 机炉协

9、调控制系统概述62.1 协调控制系统概述6协调控制系统的基本策略82.2协调控制系统的数学模型分析102.2.1 超临界机组协调控制系统的特点102.2.2 超临界机组协调控制系统的数学模型15第三章 多变量耦合系统概述213.1概述213.2前馈补偿解耦法273.3对角矩阵法283.4解耦控制效果比较34模型降阶34前馈补偿法开环解耦控制效果比较41对角矩阵法开环解耦控制效果的比较463.5小结51第四章 协调控制系统的控制策略534.1机跟炉协调控制系统544.1.1 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统544.1.2 补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统554.1.3 实现双向补偿的机跟炉协调系统5

10、64.2 炉跟机协调控制系统574.2.1 补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统574.2.2 补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统584.2.3 实现双向补偿的炉跟机协调系统58第五章 协调控制系统的仿真研究与分析605.1解耦后单回路控制系统的整定605.2前馈法闭环解耦与等效单回路控制效果的比较675.2.1 前馈法闭环解耦后的整定675.2.2 前馈补偿法闭环解耦控制系统与等效单回路控制系统的仿真比较725.3对角矩阵法闭环解耦与等效单回路控制效果的比较745.3.1 对角矩阵法解耦后的整定745.3.2 对角矩阵法解耦控制系统与等效单回路控制系统的仿真比较795.4小结81第六章 改进积分算法的

11、协调控制系统仿真研究826.1采用积分分离PID控制器的仿真研究826.2 小结87第七章 结论89参考文献90致谢92前言众所周知，我国现阶段正处在电力建设的高峰期。根据国家的“十一五”电力规划，2010年发电装机将要达到5.86亿千瓦左右，其中火电在4亿千瓦以上，“十一五”电力安排投产在1.65亿千瓦左右，而其中火电为8500万千瓦，到2020年全国规划装机容量预计达到99.5亿千瓦左右，其中63为火电装机容量。而现阶段300MW、600MW等大容量、高参数、单元制机组已经成为火力发电的主力机组，1000MW也已陆续投入生产。目前，超临界机组是我国新建或扩建火力发电厂的主流机组，随着越来越

12、来多的大容量、高参数机组的投运，现代化电力生产对机组运行安全性、经济性要求的提高，使其自动化水平也得到了很大的提高，自动化已经在生产过程中起到了至关重要的作用。超临界机组是以汽水一次循环为特征的直流锅炉，是强耦合、非线性、多参数的被控对象，必须同时考虑锅炉惯性较大，汽机反应较快的特点，将机炉看作联系紧密的一体化对象，采用协调控制（CCS）策略；单元机组协调控制系统是在常规的机炉局部控制系统的基础上发展起来的复杂控制系统，具有多种控制功能，能够满足不同运行方式和不同工况下的控制要求。随着技术的发展，对单元机组控制提出更高的要求，研究单元机组协调控制系统，将有助于提高火电厂的自动化程度和安全经济运

13、行水平，因此具有很重要的现实意义；又由于协调控制系统的被控对象是一个多变量被控对象，具有非线性、参数时变、大迟延等特性。而且机、炉耦合严重，机、炉响应特性差异巨大，精确的数学模型难于得到，常规机炉协调控制系统的控制策略远远不能满足电网对单元机组协调控制系统的要求。因此，需要对单元机组协调控制系统的被控对象特性及控制策略进行深入研究。第一章 绪论1.1单元机组协调控制系统的研究目的及意义近年来，随着我国电力工业体制改革及电力建设步伐的加快，长期制约国民经济发展和人民生活水平提高的电力紧缺问题基本得到缓解。但是，由于用电结构发生明显变化，电网负荷峰谷差呈不断增大趋势，电力系统面临着电网峰谷差偏大、

14、调峰能力不足的矛盾。电网AGC控制对单元机组提出了深度调峰的要求。对单元机组来说，也就是对其协调控制系统的控制品质提出了更高的要求。主要包括:大范围的负荷变动，良好的负荷动静态跟踪性能、稳定性能等。目前，我国中小机组还占相当大的比例，且自动化水平较低，造成CCS的投入率很低。即使是大容量的新机组，其CCS的投入水平也往往不能适应电网AGC的要求。因此，设计合理适用的协调控制系统方案、改造不同容量的新老机组是迫切需要解决的实际问题。单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮机发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机的结合在一起，构成一种具有多种控制功能

15、，满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。单元机组协调控制系统的设计充分利用了机炉对象特性方面的特点，采用了前馈、补偿、多变量解耦等控制策略，使控制系统具有合理、可靠、易于维护调整等优点。1.2单元机组协调控制系统的研究现状传统意义上的协调控制有两种划分方式:一种是根据系统发展的基础按照机跟炉或炉跟机的方式来划分。另一种是从能量平衡的观点出发，将协调控制系统分为直接能量平衡(DEB)和间接能量平衡系统(IEB)两大类。协调控制的本质就是维持机组在运行过程中机炉之间供需能量的平衡。通常把机前压力P:作为锅炉输出能量与汽机需求能量之间平衡的特征参数。通过控制间接参数来维持整个机组能量平

16、衡的系统，称为间接能量平衡系统。通过构造出能量平衡信号，并以此直接控制能量输入的系统，称为直接能量平衡系统。从目前工程领域的应用来看，无论是直接能量平衡协调控制系统还是间接能量平衡协调控制系统都属于近似解祸设计方法范畴。这类系统通常具有以下局限性:(l)间接能量平衡协调控制系统的设计往往是在机炉独立控制回路的基础上加入前馈控制。这种设计是基于静态的近似解祸。因此无法考虑系统的不确定性扰动、非线性等因素。系统的鲁棒性能较差。(2)锅炉系统的大时延、大惯性等问题没有充分的考虑。因此很难在快速的汽轮机控制回路和相对较慢的锅炉控制回路之间达到快速的能量平衡。(3)系统的设计与整定一般基于特定的工作点线

17、性化处理，没有考虑动态非线性及大范围适应性等。(4)基于简化的建立在传递函数基础上的单元机组动态数学模型来设计的协调控制系统无法考虑相关系统相对较弱的祸合关系的影响及机组的动态时变性等。1.2.1国内外协调控制的应用现状目前,国内的协调控制系统基本上都是在引进系统的基础上设计和改进的，国内厂家以和利时公司的HS-2000系列比较成功，但市场占有率还很低，国内众多电厂已成功地应用了国外的控制系统。广东沙角发电厂A厂3号机组采用德国Hartmann&Braun公司的Symphony分散控制系统，其协调控制方案采用以机跟炉为基础的IEB控制方案。秦皇岛热电厂引进美国MCS公司的MAX1000

18、分散控制系统，协调控制系统采用以能量直接平衡(DEB)为基础的炉跟机控制策略。山西神头一电厂6号机组系统改造成INFI-90分散控制系统，协调控制方式为机跟炉协调，采用IEB的控制策略。山东十里泉电厂6号和7号机组采用美国西屋公司的WDPF分散控制系统作为硬件平台，协调控制方式采用直接能量平衡(DEB)的思想,以炉跟机为基础。山西阳泉二电厂3号机组采用了SIEMENS公司的Teleperm-Xp分散控制系统，协调控制系统采用SIEMENS的控制策略，该系统以锅炉跟随为基础，并综合采用了各种前馈控制方案功率调节和主汽压力调节由机炉作为统一整体来共同完成。国电北仑电厂 1 000 MW 超超临界机

19、组工艺过程，提出了超超临界机组协调控制优化方案，采用了一系列改进措施来改善过程协调性与动态品质，如加快锅炉动态响应的并行前馈控制，在锅炉主控制器中通过变参数控制，对进入给水指令的锅炉主指令进行分解，然后通过反馈信号来校正前馈等，获得了满意的效果。美国的L&N公司首先发明了DEB的控制方案，其协调控制方式基本以DEB为主而美国的FOXBORO公司的协调方案也是以DEB为主。对于日本的日立公司的HAICS-1000协调控制系统以锅炉跟随为基础，从能量的角度来看它以功率指令信号作为前馈，所以它也是能量间接平衡系统(IEB)。综合以上协调控制系统的分析，可以发现西欧和日本的协调控制系统基本采用

20、间接能量平衡(IEB)为主，而美国的公司基本上采用了能量直接平衡(DEB)为主。1.3 研究内容与研究计划本论文主要研究的内容是以下几面：（1） 协调控制系统的控制方案综述协调控制系统按反馈回路分类，可分为以机跟炉为基础和以炉跟机为基础的协调控制系统。由于纯粹的机跟炉和炉跟机系统都有较大的缺点，所以，在单元机组中一般都加入前馈补偿信号作为机炉彼此协调动作的联系。从前馈回路的设计不同，可分为按指令信号间接平衡(IEB)的系统和直接能量平衡(DEB)的系统。（2） 协调控制系统被控对象的模型分析单元机组协调控制系统的被控对象是一种存在强烈耦合特征的、复杂的多变量系统。受控过程是一个多输入、多输出的

21、过程，并在输入与输出之间存在着交叉的关联和耦合。由于直流锅炉单元机组就是三输入三输出的被控对象，在进行解耦及解耦器的设计过程中会比较复杂，因此有必要对传递函数进行简化，传递函数的微分环节具有快速随动性，因此解耦的过程中可将其忽略，从而化简的解耦的过程。（3） 对协调控制系统对象进行解耦研究由以上的分析可知，单元机组协调控制系统是以锅炉燃料量、汽轮机阀门开度、给水量为输入，锅炉主蒸汽压力、机组实际发电功率、中间点焓值为输出的多变量系统。各个主要被控参数之间是相互关联、相互耦合、相互影响的。控制系统之间存在耦合时，当各控制参数设置不合适的时候会引起系统间的干涉振荡，以至于系统无法正常运行。所以，分

22、析控制系统的动态特性，减弱系统间的耦合，是系统设计的一个重要内容。（4） 协调控制系统的控制器的选型与参数整定以机炉为被控对象的多变量系统经解耦后，可作为单回路控制系统进行研究。本毕业设计对于单回路控制系统结构的控制器结构选型和控制器参数的整定进行了仿真研究。（5） 用积分分离PID控制算法对协调系统的研究在标准的PID控制算法中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，由于短时间内出现较大的偏差，加上系统本身的惯性和滞后，在积分项的作用下，往往引起系统产生较大的超调和长时间的波动。采用积分分离PID控制算法后，设置积分分离阀值,对于大于的部分不进行积分作用，这样就显著降低了被调量的超调量，缩短了

23、调节时间。由于本次课程设计所选用的数学模型的阶次较低，在采用积分分离PID控制算法时，只能显著的降低超调量，调节时间几乎与标准PID控制算法的一致。第二章 机炉协调控制系统概述2.1 协调控制系统概述简单地说，机炉协调控制系统主要完成以下功能：(1)接受电网中心调度所的负荷自动调度指令、运行人员的负荷指令和电网频率偏差信号，及时响应负荷请求，使机组具有一定的电网调峰、调频能力，适应电网负荷变化的需要。(2)协调锅炉和汽轮发电机的运行，在负荷变化率较大时，能维持两者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定。(3)协调机组内部各子系统（燃料、送风、炉膛压力、给水、蒸汽温度等控制系统）的平衡。在负荷变化过

24、程中使机组的主要运行参数在允许的工作范围内，以确保机组有较高的效率和可靠的安全性。(4)协调外部负荷请求与主/辅设备实际承受能力的关系。在机组主/辅设备能力受到限制的异常情况下，可根据实际情况，限制或强迫改变机组负荷。协调控制系统的结构如图2-1图2-1 协调控制系统的结构机炉协调控制系统一般由协调主控系统及与协调主控系统相关的锅炉汽机控制子系统组成，如图2-2。图2-2 协调控制系统的组成协调主控系统主要由三部分组成：第一部分为机组指令处理回路，用以协调机组能力与电网需求的平衡，根据AGC指令或本机的运行人员指令（目标指令），经运算处理，给出在幅值大小和变化率均为机组可能接受的实际机组功率指

25、令ULD（Unit Load Demand）。第二部分为机炉主控系统或机炉主控制器，根据机组功率指令ULD、机组的运行工况、运行方式以及机、炉不同的动态特性，协调锅炉与汽轮机间的能量平衡，提供机组级的输出功率与机前压力联合控制，从而使机组的负荷适应性与运行稳定性兼优。第三部分为协调子系统。协调主控系统输出的锅炉指令和汽轮机指令，分别控制锅炉、汽轮机的各子系统燃料、送风、引风、给水、喷水以及汽轮机阀位。对主控系统来说，各子控制系统均相当于伺服系统或随动系统。要实现机组协调控制，首先必须使锅炉、汽轮机子系统运行正常，也就是说要提高基础自动化水平。2.1.1协调控制系统的基本策略从不同的观察角度，协

26、调控制系统的划分不尽相同。但最常用的有两种：1、按系统结构划分，主要有以锅炉跟随为基础的协调控制系统、以汽机跟随为基础的协调控制系统和汽机机炉协调控制系统；2、按能量平衡关系，主要有间接能量平衡系统（IEB）和直接能量平衡系统（DEB）。一、以锅炉跟随为基础的协调控制系统这种协调控制系统是在锅炉跟随控制系统基础上增加相应的环节形成的，原理如图2-3所示：图2-3 以锅炉跟随为基础的协调控制系统正常运行时汽轮机侧闭环调功、锅炉侧闭环调压+ULD前馈。图中，F(t)一般为超前-滞后环节，它一方面使燃烧率指令随给定功率变化而没有迟延，另一方面对给定功率的微分超前调节作用，有利于改善锅炉对功率的响应特

27、性。环节F(x)为带有死区的非线性环节有利于提高协调控制系统的稳定性。若负荷变化速度过快或燃料扰动过大，造成机前压力偏差超过F(x)的不灵敏区时，汽轮机侧即由调功率转入压力拉回方式，确保压力波动在规定的死区范围之内。死区的大小决定了蓄能的利用，兼顾负荷适应性与运行稳定性，斜率的选择取决于压力偏差动态校正的速度。二、以汽机跟随为基础的协调控制系统这种协调控制系统在汽机跟随控制方式的基础上，允许汽压在一定范围内波动，原理方框图如图2-4所示。图2-4 以汽机跟随为基础的协调控制系统汽轮机侧同时闭环调压调功+ULD前馈、锅炉侧闭环调功+ULD前馈。为了克服单纯汽轮机跟随控制方式时负荷响应慢及功率波动

28、大的缺点，在汽轮机侧同时加入了功率偏差信号，分析入下：（1）外扰时的蓄能应用功率指令同时送机、炉两侧，合理利用锅炉蓄能，提高了机组的负荷响应。汽轮机侧PI调节器输入为，可理解为负荷变化（增加）时，动态改变（降低）了压力定值，以放出蓄能。功差项就是加负荷时压力定值的动态降低量。若负荷变化超过规定，对信号设置有F(x)予以限制，以免机前压力偏差超过允许范围。F(x)模块的斜率K，就是一个外扰动态过程锅炉蓄能利用程度参数。（2）内扰时扰动单向补偿设计交叉环节F(x)，使之满足 则理论上基本消除了炉对机的影响，实际中一般取这样，燃料扰动（增加）时，功率信号（增加）抑制了汽轮机控制回路由于机前压力（增加

29、）要开大阀门的动作，减少了功率的波动，有利于系统的稳定。实际系统中，考虑到机组各种运行工况及辅机情况，一般设计有多种运行方式，并具有无扰切换功能。三、机炉协调控制方式机炉协调控制方式最早是在20世纪50年代提出的，但其是在60年代末，随着电动液压控制的发展而得到应用。不管是炉跟随还是机跟随控制方式，都是采取机炉分工、先后动作的配合方式，而对于变动负荷的机组负荷控制，必须遵循负荷协调控制原则的协调控制方式。当外界负荷发生变化时，负荷指令同时送到机、炉主控制器，对汽轮机和锅炉发出负荷控制指令，改变汽轮机的进汽量和锅炉的燃烧率，利用锅炉的蓄能快速响应负荷需求，同时通过改变燃烧率从而改变进入锅炉的能量

30、，保持机组输入能量与输出能量的平衡。同样，当主蒸汽压力产生偏差时，机、炉主控制器同时接受指令信号对汽轮机和锅炉进行操作，一方面改变锅炉的燃烧率，补偿蓄能的变化，另一方面适当改变汽轮机的进汽门的开度，控制蒸汽流量，维持主汽压力的稳定。其原理图如图2-5所示。图2-5 单元机组机炉协调控制方式2.2协调控制系统的数学模型分析2.2.1 超临界机组协调控制系统的特点由于不存在汽包的缓冲，超临界直流锅炉的热水段、蒸发段和过热段之间没有固定界限，水汽转换一次性完成，所以具有很多与亚临界汽包锅炉不一样的对象特性，而这些特性与机组的运行方式及控制策略密切相关。在分析和研究超临界机组的控制策略之前，我们首先需

31、要分析和研究超临界机组的对象特性。一、超临界机组的特点超临界参数锅炉与亚临界汽包锅炉在自动控制方面有所不同,其原因是直流锅炉与汽包锅炉之间的差别。超临界参数锅炉是指过热器出口主蒸汽压力超过22.129 MPa,理论上认为,在水的状态参数达到临界点时,水的汽化会在一瞬间完成,即在临界点时饱和水和饱和蒸汽之间不再有汽、水共存的二相区存在,也就是说二者的各项参数不再有区别。由于在临界参数下汽水密度相等,在超临界压力下无法维持自然循环,因此超临界锅炉必须是直流锅炉。随着锅炉朝着大容量参数的方向发展,超临界机组日益显示其诸多优点,不仅煤耗大大降低,排污量也相应减少,经济效益十分明显。超临界机组与亚临界汽

32、包锅炉结构和工艺过程有着显著不同,其控制具有如下一些特点：（1）机组启动系统首先要建立启动压力和启动流量,保证给水能连续通过省煤器和水冷壁,尤其要保证水冷壁能足够冷却和水动力的稳定性。同时,系统回收锅炉启动初期排出的热水、汽水混合物、饱和蒸汽以及过热度不足的过热蒸汽,以实现工质和热量的回收。（2）超临界直流炉没有汽包环节,给水经加热、蒸发和变成过热蒸汽是一次性连续完成的,随着运行工况不同,锅炉将运行在亚临界或超临界压力下,蒸发点会自发地在一个或多个加热区段内移动,汽水之间没有一个明确的分界点。这要求控制系统更为严格保持各种比值的关系(如给水量/蒸汽量、燃料量/给水量及喷水量/给水量等)。（3）

33、由于没有储能作用的汽包环节,锅炉的蓄能显著减小,负荷调节的灵敏性好,可实现快速启停和调节负荷,但汽压对负荷变动反映灵敏,变负荷性能差,汽压维持比较困难。（4）直流炉由于汽水是一次完成的,因而不象汽包炉那样。汽包在运行中除作为汽水分离器外,还作为燃水比失调的缓冲器。当燃水比失去平衡时,利用汽包中的存水和空间容积暂时维持锅炉的工质平衡关系,以保持各段受热面积不变。这使得直流炉汽机与锅炉之间具有强烈的耦合特性,整个受控对象是一多输入多输出的多变量系统。（5）强烈的非线性是超临界机组又一主要特征。超临界机组采用超临界参数的蒸汽，其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，运行压力10-

34、25 MPa之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下，在亚临界运行工况给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分，在超临界运行工况汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽，因此超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，超临界机组是一种特性复杂多变的被控对象，随着机组负荷的变化，机组的动态特性参数亦随之大幅度变化。如燃水比调节的温度对象，在负荷变化50100范围内，增益变化达56倍，时间常数的变化也有3倍左右。由于超临界直流炉的强非线性，常规的控制策略难以达到良好的控制效果。因此需要大量采用变参数PID，变结构控制策略，以保证在各个负荷点上控制系统具有良好的效果。发展超临界机组已

35、成为我国电力行业的主要方向之一。大容量超临界机组具有运行经济性高、负荷适应性强的特点,是我国未来大型火电机组的发展方向。二、超临界机组的动态特性：超临界直流锅炉对象特性的变化体现在汽水系统中，而制粉系统、风烟系统、汽轮机调门、汽轮机动态环节同汽包锅炉是一致的。当风烟系统特性忽略后，仍然可以将超临界直流炉划分为制粉环节和锅炉核心环节，只不过锅炉核心环节是三入三出的。各种扰动下输出的响应曲线如图2-6所示。1汽轮机调门开度阶跃增加扰动在汽轮机调门开度阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：机前压力降低导致锅炉蓄热释放，机组负荷增加，由于燃料量和给水流量没有变化，锅炉释放出蓄热后，经过一段时间后机组负荷

36、恢复到原来的水平；机前压力随着锅炉蓄热的释放逐渐降低最后稳定；中间点温度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和给水流量没有变化，随着蒸汽流量恢复回升到原来的水平。2燃料量阶跃增加扰动在燃料量阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：锅炉各个受热面吸热增加，导致附加蒸发量增加，机组负荷上升，由于给水流量没有增加，在附加蒸发量蒸发完毕后，蒸汽流量开始降低，过热汽温上升，减温水系统增加喷入减温水流量以维持过热汽温，实际蒸汽量增加，机组负荷增加到与燃料量相对应的水平；由于蒸汽量增加而汽轮机调门开度不变，机前压力上升至一定水平；由于燃水比增加，蒸发段提前，中间点温度上升至一定水平。3给水流量阶跃增加扰动在给水

37、流量阶跃增加扰动下，各个输出变量变化为：给水流量增加导致附加蒸发量增加，机组负荷先上升，由于过热段吸热减少导致过热蒸汽温度下降，减温水系统减少喷入减温水流量以维持过热汽温，最终使负荷恢复到原来水平；同样由于附加蒸发量增加，使机前压力先增加，由于减温水流量减少，最终恢复到原来水平；由于燃水比减小，蒸发段延后，中间点温度下降至一定水平。(a)汽轮机调门开度扰动；(b)然料量扰动；(c)给水流量扰动图2-6 超临界直流锅炉动态特性曲线三、超临界机组协调控制特点1机、炉控制耦合汽轮机和锅炉之间的非线性耦合是超临界机组难点之一，常规的控制系统难以达到好的控制效果。由于直流锅炉在汽水流程上的一次性循环特性

38、，没有汽包等参数集中的储能元件，在直流运行状态汽水之间没有一个明确的分界点，给水从省煤器进口就被连续加热、蒸发与过热，根据水、湿蒸汽与过热蒸汽物理性能的差异，可以划分为加热段、蒸发段与过热段三大部分，在流程中每一段的长度都受到燃料、给水、汽机调门开度的扰动而变化，从而导致了功率、压力、温度的变化。另外，由于没有汽包的缓冲，超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比汽包式锅炉大。主汽阀开度一方面控制汽轮机功率，一方面改变了锅炉的被控特性，这和汽包锅炉的情况不同。例如当汽轮机负荷增加时，汽轮机功率调节器会增大汽机主蒸汽阀开度，增大汽轮机进汽量，由于锅炉的响应速度较慢，无法及时产生足够蒸汽，从而使机前压

39、力降低，阻碍了汽轮机进汽量进一步增大。为了获得更多进汽量以满足负荷需求，汽轮机功率调节器会进一步开大调节汽门，导致机前压力进一步降低，最终形成恶性循环。对于汽包锅炉，由于汽包的蓄热较大，可利用汽包的蓄热满足汽轮机超调的需求，使主汽压力不致产生过大波动。对采用直流锅炉的超临界机组而言，由于锅炉的蓄热相对较小，难以按足汽轮机的需求，从而使主汽压力大幅度变化，降低了控制质量。a.汽机扰动对锅炉的耦合特性直流锅炉汽水一次性循环特性，使超临界锅炉动态特性受末端阻力的影响远比锅筒式锅炉大。当汽机主汽阀开度发生变化，影响了机组的功率,同时也直接影响了锅炉出口末端阻力特性,改变了锅炉的被控特性,由于没有汽包的

40、缓冲，汽机侧对直流锅炉的影响远大于对汽包锅炉的影响。其特性不但影响了锅炉的出口压力，而且由于压力的变化引起了给水流量的变化，延长了锅炉侧汽水流程的加热段，导致了温度的变化。b.锅炉燃料扰动对压力、温度、功率的影响燃料发生变化时，由于加热段和蒸发段缩短，锅炉储水量减少，在燃烧率扰动后经过一个较短的延迟蒸汽量会向增加的方向变化，当燃烧率增加时，一开始由于加热段蒸发段的缩短而使蒸发量增加，也使压力、功率、温度增加。c.给水扰动对压力、温度、功率的影响当给水流量扰动时，由于加热段、蒸发段延长而推出一部分蒸汽，因此开始压力和功率是增加的，但由于过热段缩短使汽温下降，最后虽然蒸汽流量增加但压力和功率还是下

41、降，汽温经过一段时间的延迟后单调下降，最后稳定在一个较低的温度上。d.被控参数之间的耦合关联在直流锅炉中，压力控制是最重要的被控对象，因为压力的变化不仅影响机组负荷的变化，还会影响给水流量的变化，从而导致对温度的影响。从上面的分析可以看出，直流锅炉的一次循环特性，使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响。从而也说明直流锅炉是一个三输入/三输出相互耦合关联极强的被控特性。2非线性特性强超临界机组采用超临界参数的蒸汽,其机组的运行方式采用滑参数运行，机组在大范围的变负荷运行中，压力运行在10MPa25MPa.之间。超临界机组实际运行在超临界和亚临界两种工况下。

42、在亚临界运行工况下，给水具有加热段、蒸发段与过热段三大部分；而在超临界运行工况下，由于汽水的密度相同，水在瞬间转化为蒸汽。由于超临界和亚临界区工质物性的巨大差异，以及不同燃烧率下锅炉蒸发段（或相变点）位置的迁移等因素的影响，机组的动态特性参数也大幅度变化，使超临界机组呈现很强的非线性特性和变参数特性。因此在超临界运行方式和亚临界运行方式机组具有完全不同的控制特性，是复杂多变的被控对象，远比常规的亚临界机组难于控制。3燃水比难于控制超临界机组控制的重点在于锅炉的燃水比调节。由于燃水比变化时出口汽温的响应迟延很大，因此不能用出口汽温来作为燃水比调节的反馈量。与汽包锅炉机组调节系统相比，超临界机组给

43、水调节系统类型繁多，但现有控制方案仍各有不足，不能满足变压运行与大范围负荷变化的要求。2.2.2 超临界机组协调控制系统的数学模型超临界单元机组可以看成一个三输入三输出的多变量调节对象, 如图2-7所示。考虑锅炉主要调节量 (汽机调门开度 µT、给煤量 B、给水量W ) 对功率N、主汽压 P、主汽温 T、中间点焓值H 的影响。图2-7 超临界机组控制系统的输入、输出由于汽机阀门开度对中间点焓值影响很小可以近似忽略。给水量对汽轮机功率影响不大也可忽略不计。则其动态模型可以简化如图2-8所示。图2-8 某厂1000MW燃煤机组在100%负荷上的动态数学模型一、 超临界机组数学模型的建立模

44、型的选取与编码在 100 %负荷下的汽轮机调节阀开度、给水量W、给煤量 B 作为辨识输入数据, 主汽压力P、汽轮机实际输出功率N、由汽水分离器出口压力 (中间点压力) 和汽水分离器出口温度 (中间点温度) 经华北电力大学能源与动力工程系开发的水和水蒸汽 I APWS- 97标准计算程序计算得到的中间点焓值H 分别作为辨识输出数据。 （7）根据热工过程阶跃响应曲线和超临界机组动态特性为： (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14)本文辨识所用到的数据均来自某 1 000MW 超临界机组运行的实际现场热工数据。为了满足可辨识性, 辨识数据是从长期记录的现场数据中选取汽机输出功

45、率在 100 %工况附近小范围变化的一段。数据的采样周期为 3 s , 共 600组。本文使用的量纲为: 功率 N: MW; 主汽压力 P: MPa ; 中间点焓值H: kJ/kg ; 给煤量 B: t /h ; 给水量 W:t /h。对各组数据进行去噪处理后通过编程对被控对象进行多变量系统的整体辨识。数据的去噪采用软阈值处理方法。例如给煤量数据去噪MATLAB实现语句为:M=3;X=wden(B,rigrsure,s,mln,M, sym4);采用上述自适应遗传系统辨识方法进行辨识，辨识结果为：BestS=157.6942, 3.1904, 42.2122, 0.3027, 10.5315,

46、 1.9382, 4.9925, 8.8999, 45,8783, 94.4774, 22.7701, 128.0847, 105.3025, 87.7958, 8.2869, 101.5385, 75.0311, 41.2927, 105.7540, 145.7527, 30.4466, 75.3121, 10.8201, 16.5258, 2.2897即100%负荷下的传递函数为： （15） （16） （17） （18） （19） （20） （21）分别对汽机调门开度阶跃变化+1，给煤量阶跃变化+1t/h,则在100%工况下功率、主汽压力、中间点焓值输出响应分别如图2-9、2-10所示。1

47、、汽机调门开度阶跃变化+1%响应曲线，如图2-9所示：(a)功率响应曲线(a) 压力响应曲线图2-9 汽机调门开度阶跃变化+1%响应曲线2、给煤量B阶跃变化+1t/h响应曲线，如图2-10所示(a) 功率响应曲线(b) 压力响应曲线(c) 中间点焓值响应曲线图2-10 给煤量阶跃变化+1t/h响应曲线通过图2-10与图2-6的比较发现，此处选择的数学模型的阶跃响应曲线与超临界机组的动态特性基本有一致，是符合超临界协调控制系统的数学模型。 第三章 多变量耦合系统概述3.1概述超临界机组协调控制系统是一个多变量控制系统，从理论上说，完全可以按多变量控制理论进行控制系统的设计。但由于受控对象数学模型

48、的精度不高、控制器结构复杂、设计方法不便于工程技术人员掌握等条件限制，目前直接按照多变量控制系统分析设计理论进行单元机组协调控制系统的设计与综合，还处于初级阶段。但随着多变量控制技术的发展与完善及计算机控制系统的广泛应用，这一问题将逐步得到解决。当回路间存在严重耦合时，即使采用最好的回路匹配也得不到满意得控制效果。一种简单、有效解决方法是对系统进行解耦。解耦的本质在于设计一个计算网络，用它去抵消过程中的关联，以保证各个单回路控制系统能独立工作。下面我们以某厂1000MW超临界机组在100%负荷下协调控制系统的三输入（汽轮机调门开度T、给煤量 B、给水量W）三输出(功率N、主汽压 P、主汽温 T

49、、中间点焓值H)的数学模型进行解耦控制。 一、 三输入三输出的相对增益 相对增益：是一个尺度，用来衡量一个预先选定的调节量j对一个特定的被调量yi的影响。对于一个三输入三输出的多变量系统，假设y是包含系统所有被调量yi(y1=N ; y2=P; y3=H)的列向量，是包含所有调节量j(1 =T ;2=B; 3 =W )的列向量。为了衡量系统的关联性质首先在所有其他回路均为开环，即所有其他调节量都保持不变的情况下，得到开环增益矩阵P，这里记作： 其中，矩阵P的元素pij的静态值称为j到yi通道的第一放大倍数。它是指调节量j改变了一个时，其他调节量（r）均不变的情况下，j与yi之间通道的开环增益。

50、显然它就是除j到yi通道以外，其他通道全部断开时所得到的j到yi通道的静态增益，可表为： 然后，在所有其他回路均闭合，即保持其他被调量都不变的情况下，找出各通道的开环增益，记作矩阵Q。它的元素qij的静态值称为j到yi通道的第二放大倍数。它是指利用闭合回路固定其他被调量时j到yi的开环增益。qij可以表为： 有了矩阵P和Q，取它们相应元素的比值构成新的矩阵。元素可以写作： 上式即为j到yi这个通道的相对增益，矩阵则称为相对增益矩阵。所以该控制系统的第一放大倍数分别为： 第二放大倍数分别为：由于 （1） （2） （3）将N分别用P、H、表示：由（3）式得： (4)将（4）带入（2）式得：故 所以

51、 所以 同理可得：所以该系统的相对增益矩阵为: 令，则传递函数的静态值为： 所以系统的静态相对增益为：； ；即由上述相对增益可可发现：表明静态时：由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联； 由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联；由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联；而，则表明不能用来控制。根据静态相对增益，得到静态时系统的单回路控制系统如图3-1：图3-1根据静态相对增益得到单回路控制系统根据相对增益矩阵，可将该机组100%负荷下的数学模型转化为如图3-2形式：图3-2 根据相对增益调整后的数学动态模型3.2前馈补偿解耦法前馈补偿法是自动控制中最早出现的一种克服干扰的方法，同样适用于解

52、耦控制系统。图所示为应用前馈补偿器来解除系统间耦合的方法，假定从到通路中的补偿器为，从到通路中的补偿器为,从到通路中的补偿器为,从到通路中的补偿器为,利用补偿原理得到图3-3： 图3-3 前馈补偿法解耦控制系统 由上四式可分别解出补偿器的数学模型： 3.3对角矩阵法研究某厂1000MW燃煤机组在100%负荷上三输入-三输出的控制系统如图3-2所示，设均为解耦器。为计算出解耦器的数学模型，先写出该系统的传递矩阵G（s）。由静态相对增益，原控制图形进行了调整，调整后的传递矩阵为：被调量yi和调节量i之间的矩阵为: （1）调节量Mi(s)与调节器输出Mci(s)之间的矩阵为： （2）将（2）式代入（

53、1）式得到系统传递矩阵为： （3）对角矩阵综合法即要使系统传递矩阵成为如下形式： （4）将（3）式和（4）式相比较可知，欲使传递矩阵成为对角矩阵，则要使 （5）如果传递矩阵G(s)的逆存在，则将式（5）式两边左乘G(s)矩阵之逆矩阵得到解耦器数学模型为： （6）按式（6）就可以组成如图3-4所示的解耦控制系统。图3-4 对角矩阵法解耦控制系统将解耦器带入上图，发现：；说明将不再受的影响；说明将不再受的影响；说明完全对角矩阵法解除不了对的影响，故不能达到完全解耦，不行形成单回路控制系统。由系统的传递函数可发现，为微分环节，当系统处于静态时，其输出为0，在此不考虑对其进行解耦，所以对该控制系统进行

54、部分对角矩阵法解耦，解耦器设计如图3-5所示：图3-5 部分对角矩阵法解耦控制系统传递函数为：被调量yi和调节量i之间的矩阵为: （1）调节量Mi(s)与调节器输出Mci(s)之间的矩阵为： （2）将（2）式代入（1）式得到系统传递矩阵为： （3）对角矩阵综合法即要使系统传递矩阵成为如下形式： （4）将（3）式和（4）式相比较可知，欲使传递矩阵成为对角矩阵，则要使 （5）如果传递矩阵的逆存在，则将式（5）式两边左乘矩阵之逆矩阵得到解耦器数学模型为： （6）按式（6）就可以组成如图所示的解耦控制系统。即：将解耦器带入上图，发现：；说明将不再受的影响；说明将不再受的影响则实现了控制系统的完全解耦，得到单回路控制系统，如图3-6所示：图3-6 利用部分对角矩阵法得到的三个彼此独立的系统由单回路控制系统可发现，该燃煤电厂1000MW机组的协调控制系统为以汽轮机跟随锅炉为基础的协调控制系统。