汽包锅炉给水水位自动控制系统的设计

1、内蒙古工业大学本科毕业设计说明书目 录引 言1 第一章 温度检测装置概述21.1 温度检测装置的构成原理21.2 量程调整、零点迁移和零点迁移3第二章 温度检测装置元件的介绍52.1 热电偶概述52.1.1 热电偶简介5 2.1.2 热点现象和热电偶测温基本原理72.1.3 热电偶的基本定律8 2.1.4 热电偶的测温误差92.1.5 热电偶的使用10 2.2 热电阻概述112.2.1 热电阻的测温原理12 2.2.2 热电阻材料及常用热电阻122.2.3 热电阻的结构13 2.2.4 热电阻测温系统的组成14第三章 以热电偶温度变送器为核心的温度检测装置153.1 温度检测装置的结构方框图1

2、53.2 以热电偶温度变送器为核心的温度检测装置的设计153.2.1 放大单元工作原理17 3.2.2 温度检测装置量程单元21结 论29参考文献30谢 辞31引 言近年来，随着国民经济的飞速发展，电力工业也在迅猛发展，不仅大容量、高参数的单元机组日益增多，而且电网的结构和运行模式也发生了很大变化，要求单元机组应具有大幅度的快速调峰能力，并具有更高的自动化水平，实现电网的自动发电控制(AGC)。 火力发电厂的工艺过程是一个能量转换与平衡的过程。储存在燃料(煤)中的化学能，通过锅炉燃烧、传热，转换成蒸汽的热力势能又通过汽轮机，将热力势能转换成机械能，再通过发电机，将机械能转换成电能，最后将电能传

3、输给用户。在每个能量转换的环节中，包含着能量转换与能量储存和释放，如果将整个电站看作是一个能量储存与转换系统，那么它的输出能量(电能)与输入能量(化学能)以及中间蓄能应是平衡的。因此，电力生产过程是一个能量输入与输出、储存与释放的动态平衡过程。由于电厂热工控制对象是复杂、时变动态过程。存在非线性、大时延、强耦合及大干扰。协调控制系统就是为了适应当前的电力发展趋势所实施的单元机组负荷控制方案。 但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大差异。在单元机组内部，锅炉和汽轮机是相对独立的对象。从控制负荷的角度看，它们的动态特性很不一样。锅炉的动态特性从燃烧率的改变到锅炉出口压力的改变，惯

4、性很大；而汽轮发电机组的动态特性从蒸汽流量的改变到输出功率的改变，惯性相对较小。因而单元机组内外两个能量供求平衡关系互相制约，即机组响应外部负荷变动与保持机组内部参数稳定之间的矛盾。根据这一特点，单元机组在实施负荷控制时，必须很好的协调机、炉两侧的控制动作，保持内外两个能量供求平衡关系，兼顾负荷响应和内部运行参数的稳定。单元机组负荷控制的任务就是保证主蒸汽压力偏差在允许的范围内的同时，使机组输出功率快速响应外部负荷变动。 机炉协调控制系统为单元机组的安全、稳定、经济运行提供了可靠的保证。随着电网技术的发展，大中型机组的运行方式也逐步发生变化，电网要求这些机组要有良好的负荷适应能力，承担较高的负

5、荷变化率，其主要运行参数如主汽压力、汽包水位、主汽温度等在负荷的变化过程中保持相对稳定，以保证机组在整个负荷变化范围内有较高的稳定性和安全性，从而保证机组有较高的效率。第一章 单元机炉机组协调控制系统概述1.1 单元机组协调控制的发展国民经济不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、高度自动化。由于高参数，大容量机组发展迅速，装机容量日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其它工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性。单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督

6、管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点，在工程应用中，协调控制系统能否成功的投入和运行，发挥其应有的功能，取决于机组主设备的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素。大型单元机组从设计、制造、安装都充分考虑到机组自动控制方面的需要，使机组可靠性得到了不断改善和提高，为机组自动化水平的提高奠定了基础。1.2 单元机组协调控制系统的概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。所谓大系统可理解为由若干相互关联子系统组成的复杂系统。应用大系统理论处理这类庞大而复杂系统控制问题的基本方法就是分解协调的方法。所谓分解是把大系统化为若干子系统，以便

7、进行分块的处理与控制，求得各子系统之间的局部最优解。而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，既机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及自身稳定（参数）运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加

8、电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制。所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能

9、力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时能充分考虑它们的差异，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控制，这样的控制系统称为协调控制系统。1.3 单元机组协调控制系统的功能与任务为了保证实现对机组负荷的有效控制，对大型单元机组协调控制系统的功能一般有以下几个方面的要求：（1）建立电网调度中心与机组锅炉控制和汽机控制系统之间的通信联系，实施机组负荷控制，参与电网调频。（2）在异常情况下，对单元机组及其锅炉和汽机负荷需求指令进行限制。（3）改善机组对外界负荷扰动的向应能力，及其克服各种

10、扰动影响，提高机组对负荷变化的适应能力。（4）使机组具有较高的运行效率。（5）减小锅炉和汽机的热应力。（6）减轻运行人员的劳动强度，确保机组的安全运行。为了达到上述几方面的功能要求，大型单元机组协调控制系统必须完成下列主要任务：（1）协调控制系统能协调机、炉的控制，在定的负荷范围内响应来自电网调度的负荷指令或机组运行人员就地设定的负荷指令，对机组进行负荷控制，并参与电网调频，同时保证机组的稳定运行，维持运行参数不超出允许的变化范围。（2）对某些需要在整个负荷变化范围内进行控制的过程变量，采用全程控制、以尽可能减少运行人员的劳动强度。（3）在机组设备异常或事故情况下，CCS越过保护、连锁等逻辑控

11、制回路，确保机组安全地继续远行，或使生产设备处于安全状态而不致造成损害。（4）当机组主要辅机，如送风机、引风机、磨煤机、给水泵、炉水循环泵、一次风机等发生故障而不能满足机组出力要求时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷快速返回信号，使机组实际负荷指令降至机组的最大可能出力值，以确保机组的安全运行。（5）对设计有足够容量的汽轮机旁路系统的机组，当汽轮机或电气故障致使汽轮机快速甩负荷时，锅炉有必要维持最低的燃烧率继续稳定运行，使机组带厂用电远行或停机不停炉，以便故障消除后能快速带上负荷。（6）当机组运行参数，如燃料量、空气量、给水量等，其实际值与给定位的偏差超出规定的允许值范围，或执行机构位置达到

12、预先设定的最大或最小限值时，CCS的负荷指令处理回路能产生负荷增减闭锁信号，根据偏差的方向，对机组实际负荷指令的增加或减小加以闭锁，以防止物料或能量的不平衡进一步扩大和引发事故，直至异常消除，偏差回到限位内才解除闭锁。 （7）对于机组设备工作异常的一类故障，CCS除了采用负荷增减闭锁措施外，还应进步采取机组负荷迫升迫降措施。 （8）协调控制系统对机组的一些重要过程变量的信号进行在线监控，一旦偏离正常状态，就自动采取措施、或切换至冗余部分(即备用设备)。或将控制系统切为手动方式，同的发出报警信号。 （9）对于重要参数的测量采用三变送器或双变选器。（10）重要凹路的执行机构监控具有阀位指今与实际阀

13、位的偏差监控、方向闭锁、超池开关、后备直接手操、失电、断气或断信号保护等功能。 （11）为了使机组能稳定运行，协调控制系统X、f所有控制回路的自动手动切换均具有无扰切换的功能，即当某控制回路切换到手动方式时。 （12）有比较完备的防运行人员的误操作连锁保护措施。 （13）协调控制系统还配备有必须的逻辑控制功能，它们能根据规定的逻辑条件自动地判断并执行系统的切换、操作、跟踪、保护、连锁、闭锁、监控、报警等等功能，如主燃料跳间处理、防炉膛内爆控制、风煤交叉连锁、汽轮机防进水保护等。1.4 单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的，其主要特点包括以下几个方面

14、：（1）系统结构先进。采用了递阶控制结构，在局部控制级的基础上引入了机炉协调级，把锅炉，汽轮发电机组作为一个整体进行控制。机炉协调控制器是一个多变量控制器。采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，并充分地利用了机炉动态特性方面的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。获得优良的控制品质。（2）系统功能完善。除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了一整套逻辑控制系统。包括实际功率给定逻辑，局部故障处理，运行方式切换逻辑，以及显示报警等，系统可根据实际需要和设备状况，选择不同的运行方式，比如机跟炉，炉跟机，机炉协调方式；定压运行或滑压运行方式；固定功率输出或可

15、调功率方式。（3）系统可靠性高。通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。综上所述，目前广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的范畴。系统分析设计与综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。第二章 单元机组机炉协调控制系统的结构2.1 单元机组协调控制系统的组成单元机组协调控制系统是由负荷控制系统也称主控制系统、常规控制系统也称子控制系统和负荷控制对象三大部分组成。如图2-1所示。负荷控制系统又由二部分即负荷指令处理部分也称负荷管理控制中心和机炉主控制器组成。负荷控制系统协调控制级子控制系统局部控制级TBN0负荷指令处理部分机炉主控制器锅炉控

16、制系统汽轮机控制系统被控对象NBNTNEPT外埠负荷指令图 2-1 单元机组协调控制系统简图其中，负荷指令管理中心的结构图如图2-2所示，负荷管理控制中心是协调控制系统的指挥机构，它的主要功能是根据电网调度中心的要求负荷指令或机组运行人员要求改变负荷的指令以及机组主辅机运行情况，处理成适合于机炉运行状态的实际负荷要求指令。图2-2 负荷指令管理中心的结构图其中，单元机组协调控制系统简化框图如图2-3。机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构，机、炉主控制器的主要功能是根据机组的运行条件和要求，运行人员通过选择控制方式，给出合理的控制方案提供机组全面的协调控制。图2-3单元机组协调控制系统简化框图

17、2.2 单元协调控制控制系统的原理图2-4 协调控制系统工作原理图协调控制系统工作原理图如图2-4所示。协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉控制回路这两部分组成。负荷指令处理回路可以接受3个负荷指令信号，即电网调度负荷指令信号，电网频差信号和值班员指令信号，电网频差信号和值班员改变负荷的指令信号。它们的总和反映了外界对机组负荷的要求。机组功率运算回路将这个负荷要求处理成为机组可能接受的功率信号。机组能否接受这个指令还要由机组允许负荷能力运算回路决定，允许负荷能力取决于当时的主要辅机运行台数及锅炉燃烧率的偏差。若负荷要求在机组所能承担的允许范围内，则可按负荷要求发出机组功率指令，否则，按机组允

18、许负荷能力发出机组功率指令，这个任务由限制回路来完成。经上述运算处理后的机组功率指令（功率给定值N0）分别送往锅炉调节器和汽机调节器。机炉主控制回路由锅炉调节器和汽机调节器组成，它们同时接受功率偏差（N0-Ne）和汽压偏差（P0-PT）信号。在稳定工况下，实发功率Ne等于功率给定值N0，机前压力PT等于压力给定值P0。当要求负荷增加时，将出现一个正的功率偏差信号（N0-Ne），此信号通过汽机调节器开大调节阀，增加实发功率，同时，这个信号也作用到锅炉调节器，使燃料量增加，增加蒸汽量。当调节阀开大时，会立即引起机前压力的下降，尽管此时锅炉已经开始增加燃料量，但由于燃料-机前压力通道有一定的惯性，这

19、时仍然会有正的压力偏差（P0-PT）信号出现。这个信号按正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，同时反方向作用到汽机调节器，力图使汽压恢复到正常数值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结果，会使调节阀开大到一定程度后停止。这时汽机实发功率还没有达到功率给定值，这种状态只能是暂时的，因为正的功率偏差信号与负的汽压信号同时通过锅炉调节器使锅炉增加燃料量，随着机前压力的逐渐恢复，压力偏差信号逐渐减小，这时汽机调节阀在正的功率偏差信号作用下继续开大，提高实发功率， 直到功率和汽压均与其给定值相等，机组达到新的稳定状。由此可见，在机组适应电网负荷变化过程中，协调控制方式允许汽压有一定的波动，以便能

20、充分利用锅炉的蓄热量，使机组能较快地适应电网的需求。但是，这里利用锅炉的蓄热量是有限的，因为在控制的过程中利用负的压力偏差能适当地限制汽机调节阀的动作，保持机前压力不致产生过大的偏差，所以，协调控制方式既能使机组较快地适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围内。另外，由于锅炉调节器接受功率前馈偏差信号，能迅速地改变燃料量，可使机组功率较快地达到功率给定值。第三章 单元机组机炉协调控制系统的基本方案机、炉主控制器是协调控制系统的控制机构。机炉主控制器的设计从其控制结构出发有二种指导思想，一种是以反馈控制为基础的，适当加入一些前馈信号作为辅助调节以改善控制品质；另一种则从能量平衡的角度考

21、虑前馈的控制，力争做到前馈补偿后，锅炉和汽机就能协调一致地达到所要求的负荷，反馈作用仅在此基础上起校正作用。所以，一般协调控制系统可按反馈和前馈回路不同进行分类。3.1 按反馈回路分类常见的机炉协调控制方式有三种方案：以锅炉跟随为基础的协调控制方式、以汽轮机跟随为基础的协调控制方式和综合型协调控制方式，下面分别介绍它们的工作原理及主要特性。3.1.1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式汽机控制手动，汽机调节器接受功率给定值与实发功率反馈信号，根据它们之间的偏差，调节汽门开度，从而改变进汽量，使发电机输出功率迅速满足负荷要求。锅炉主控制器自动，锅炉调节器接受机前压力定值的机前压力反馈信号，根据偏差，

22、调整燃料量，从而保证主汽压力稳定。如图3-1所示。 图3-1 以锅炉跟随为基础的协调控制方式所以，在锅炉跟随系统中，快速的功率响应和较大的主汽压力偏差是同时存在的，这就是由于锅炉跟随系统机组功率对汽机侧调节作用的响应迅速，当负荷要求变化时，本系统通过改变汽机调节阀开度，充分利用机组蓄能，就可以得到机组功率的快速响应。但是，这是以牺牲主蒸汽压力为代价的，又因为在锅炉侧的调节作用下，主汽压力的响应有较大惯性。 为了减小主汽压力的波动，以锅炉跟随为基础的协调控制系统可以采用机前压力的定值与机前压力的反馈值之间的偏差信号，通过函数模块（死区特性），作用在汽机调节器的输出端。当汽压偏差超过非线形模块的不

23、灵敏区时，汽机调节器发出的调节阀开度指令将受到限制。3.1.2 以汽机跟随为基础的协调控制方式当机组负荷发生变化时，通过锅炉调节器控制燃料量。机前压力改变后，按机前压力与给定值的偏差，通过汽机调节器改变汽轮机调节阀开度，从而改变机组功率。如图3-2所示。图3-2 以汽机跟随为基础的协调控制方式汽机跟随为基础的协调的控制系统，可以在汽机调节器前，加入功率偏差的前馈信号，其原理是利用锅炉的蓄能，同时允许汽压在一定范围内波动。功率偏差信号（NO-NE）可以看作是暂时改变的汽机调节器的给定值，当（PO- PT）>0时，汽压给定值降低，汽压调节器发出开大调节阀的指令，增加输出功率，反之亦然，当函数

24、模块F（x）=0时，前馈作用不存在。3.1.3 综合型协调控制方式锅炉和汽机同时接受负荷指令，并按一定的策略去协调锅炉和汽机之间的控制。锅炉主控制器自动，保证主汽压，同时接受负荷指令的前馈信号；汽机主控制器自动，保证机组功率。负荷指令作为机组功率设定值。对于单元机组协调控制系统控制质量的评价，主要根据以下两方面进行：其一是能否尽快地响应电网对机组的负荷要求；其二是在内、外扰作用下，机炉控制回路能否协调工作和能否使汽压偏差和功率偏差尽可能减小。如图3-3所示。图3-3 综合型协调控制方式 几种不同的运行方式间可以灵活的进行切换，锅炉出力受限制时，切至汽机跟随方式；当汽机出力受限制时，切至锅炉跟随

25、方式。任何一种运行方式的选择均要求所需要的子系统已被选择在自动方式；任何子系统的自动方式的切除，都将导致协调控制系统转到与之相适应的自动级。3.2 按前馈回路分类3.2.1 按指令间接平衡的协调控制(DIB)按指令间接平衡的协调控制系统的示意图如图3-4(a)所示。从图中可以看出此系统是以锅炉跟随的控制方式工作的。锅炉侧是以(1d/dt) N0作为前馈信号，以(P0PT)作为反馈信号。锅炉侧的反馈回路中，由锅炉控制器前的乘法器引入N0信号，其目的是使其放大倍数与N0成正比改变，以补偿不同负荷下对象动态特性放大倍数的非线性特性。锅炉侧前馈信号的引入目的是促使燃烧量随负荷变化及早动作补偿锅炉的惰性

26、。锅炉燃烧率指令NB为： (3-1)式中 KP 锅炉控制器的比例增益； KI 锅炉控制器的积分增益。稳态时，主汽压力PT等于给定值P0 ，锅炉的燃烧率指令等于负荷指令N0即 NBN0可见锅炉控制中把负荷指令信号N0(1d/dt)作为前馈信号，其中微分作用在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉之间对负荷响应速度的差异，式(3-1)中汽压偏差信号和汽压偏差信号的积分有二个作用，其一，反映了使汽压恢复到给定值对锅炉蓄热量变化所需要的燃料量，其二，保证稳态时汽压等于汽压的给定值。图3-4(a)所示系统中汽机控制器入口信号的平衡关系如下： N0NB NB(P0PT)0 (3-2)可见，汽机控制回路实际是

27、一个功率控制系统只有在汽压偏差为零时才有NBN0。在动态过程中采用两个方法防止调速汽门动态开得过大。第一个方法是引入压力偏差信号，作为负荷变化时的限制信号，限制汽机调速汽门动作的范围不能超过双向限幅器的限定值，即当汽压超过规定值时(10公斤厘米2)限制汽面调速汽门进一步开大。第二个方法是引入(P0PT)的反馈信号，其目的是根据汽压偏差变化的情况确定调速汽门的开度，限制调速汽门动态开得过大。图3-4(b)为按指令间接平衡的协调控制的另一种方案，从图中可以看出此系统是以汽机跟随的控制方式工作的。锅炉侧是以N0(1d/dt)作为前馈信号，形成对锅XPIP0DPIN0NE锅炉 汽机+-PTPT_B图

28、3-4(b) 间接平衡的协调控制系统T- NE_+_炉侧的前馈控制作用。其中比例作用使得燃烧率与负荷指令始终保持一致，微分作用用于补偿锅炉的动态迟延和惯性，加速锅炉的负荷响应。锅炉侧以功率偏差作为反馈信号，形成对锅炉侧的积分()反馈控制(积分增益同P0成正比。以适应不同负荷下的对象特性的改变，实现变参数控制) 用来校正燃烧率指令，以保证机组的功率偏差在稳定时为零。锅炉燃烧率根据汽压偏差而修正，例如，当PT<P0时应使燃烧率适当增加以补足由于汽压偏低而使锅炉蓄能的减少。锅炉燃烧率指令为： (3-3)在稳态时锅炉控制器保证NE = N0，若汽压偏差为零，那NB= N0。汽机侧以汽压偏差作为反

29、馈信号，形成对汽机侧的PI反馈控制。功率偏差是前馈信号，用来修正压力给定值，当功率给定值 N0改变时，引起压力给定值的改变，控制器发出 汽机调节阀门的改变指令。这样能充分利用锅炉的蓄热能力提高机组负荷响应特性。汽机侧的PI控制器可保证稳态时其输入端信号的代数和近似为零，即有 - K(N0 - NE) + (P0- PT) » 0 (3-4)或 P0-PT » K(N0 - NE) (3-5)可得 PT » P0-KDN 当N0增加时, DN= N0 - NE立即增加，相当于暂时减小压力给定值P0-KDN。这时PI控制器立即增大调节阀门的开度，增大实发功率。另外，使

30、汽压PT跟随定值而变，从而也就利用了机组蓄热能力。在一定范围内，K值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄热量的大小。在稳态时汽机侧控制器保证PT = P0 。从图3-4()可以看出，负荷要求指令N0(功率给定值)作为前馈信号分别送到机、炉控制回路,使机炉同时改变负荷,以保证快速响应外界负荷要求。当燃料内扰使机前压力及实发功率都增加时，由于中间再热机组功率滞后较大，机前压力响应比实发功率灵敏。因此在汽机调节阀开大克服燃料内扰的同时，又产生对汽机的扰动。所以这种负荷控制系统 消除锅炉内扰能力较差。当汽机调节阀产生扰动时，机前压力与实发功率变化方向相反，控制回路能较快地消除扰动。3.2.2 按指令直接平

31、衡的协调控制(DEB) 按指令直接平衡的协调控制系统示意图如图3-5所示。这种系统的一个主要特点是采用能量平衡信号P1PT取代功率给定信号NO，作为锅炉控制回路的前馈信号，其中P1为汽机第一级后的汽压，PT为机前压力，两者的比值P1PT与汽机调节阀开度成正比，无论什么原因引起的调节阀开度变化，P1PT都对调节阀开度的微小变化作出灵敏的反应。所以，无论在动态还是在静态，P1PT都反映了调节阀的开度，即汽机输入的能量。 在该系统中，功率偏差(N0- NE)送入汽机控制回路，机前压力PT与给定值的偏差作为锅炉的燃烧率指令，该系统属于以锅炉跟随为基础的协调控制。从图3-5可知汽机控制器输入信号的平衡关

32、系： (3-6)式中 P1 汽机第一级后压力，此信号可以用P1PT 取代； KP P调节器的比例系数； KI 积分通道的比例系数。该机侧设计两个反馈回路，即由P1作为反馈信号的内回路和以NE作为反馈信号的外回路。由于P1（P1PT )信号对汽机调节阀开度的响应比实发功率灵敏得多即响应快，故汽机调节阀能迅速而平稳地响应负荷指令的变化。上式中负荷指令的微分项可使汽机调节阀产生动态过开，能提高汽机的负荷适应性。而N0-NE的积分则用来校正功率偏差，使稳态时功率偏差为零。锅炉燃烧率指令的形成如下式：÷DPP0DPIN0NE锅炉 汽机+P1PT_B图 3-5 直接平衡的协调控制系统示意图IIT

33、_+×+ (3-7)可见，锅炉燃烧率指令的前馈信号不是式(3-5)那样的负荷指令N0，而是P1PT 的能量平衡信号。式中的微分项作用在动态过程中加强燃烧率指令，以补偿机炉间对负荷要求的响应速度的差异。由于要求动态补偿的能量不仅与负荷变化量成正比，而且还与负荷大小成正比，所以微分项要乘以P1/PT 值。差压的积分项保证稳态时，机前压力等于给定值。 能量平衡信号与功率给定值信号性质不同，后者仅表示电网对机组的负荷要求，前者反映了汽机对锅炉的能量要求。这就为机炉之间动态过程中协调两个控制回路的工作提供了一个比较直接的能量平衡信号，故称为直接能量平衡的协调控制。从锅炉内扰来看，当燃烧率自发增

34、加时，机前压力PT和汽机调节级压力P1均增大，由于P1与NE相比对扰动的响应更快一些。因此汽机控制器由P1作为反馈的内回路动作，调整汽机调节阀开度变小，使P1复到负荷指令N0相适应的水平。与此同时，锅炉侧因负的压力偏差(P0PT)和由于P1恢复而使P1PT 减小的信号共同作用。减小燃烧率指令B，所以锅炉侧消除内扰的能力较强。从汽轮机调节阀扰动来看，由于采用了P1作为汽机主控制器的反馈信号，则消除汽机调节阀自发扰动的能力是较强的。通过以上分析可以看出，采用炉跟机为基础的直接能量平衡的协调控制系统，能快速适应负荷要求和克服内扰，是各种负荷控制方式中较好的一种。前面我们介绍了几种单元机组的协调控制系

35、统，尽管形式各异，但有一些共同点： （1）前面介绍的系统都为前馈反馈的协调控制系统，一般还带有非线性控制环节。前馈、反馈和非线性控制部分各自分担着不同的任务，其作用都是为实现机、炉的协调控制。（2）前馈控制的作用是补偿机组的动态迟延和惯性，加快负荷响应，以及保持负荷指令与机、炉主控制指令之间满足一定的静态关系，在控制过程中起“粗调”作用。（3）采用非线性控制环节可使汽压在规定的允许偏差范围内变化，以利用机组的蓄热能力，提高负荷响应速度。（4）协调控制系统的控制精度和克服内扰的能力主要靠反馈控制保证，反馈控制是协调控制的基础，在控制过程中起“细调”作用。综上所述，组成单元机组协调控制系统的基本方

36、案有两个，其一是以锅炉跟随为基础的协调控制系统，在这类协调控制系统中，往往以P1PT (P1）这样的能量平衡信号作为锅炉控制中的前馈信号，以便在变工况下，协调机、炉之间的能量供求关系构成直接能量平衡的协调控制系统。其二是以汽机跟随为基础的协调控制系统，在这类系统中，往往负荷指令作为锅炉的前馈信号，以负荷指令来间接协调机、炉在能量需求方面的关系构成能量间接平衡的协调控制系统。第四章 单元机组机炉协调控制系统的设计单元机组协调控制系统是一个多变量控制系统。单独的锅炉控制系统和汽轮机控制系统的基础上发展起来的。系统的设计是从机炉整体能量平衡的目标出发，通过选取合理的控制信号，采用前馈，反馈，动态补偿

37、等控制策略，实现机组协调控制目标。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，目前还处于研究之中，虽然多变量时域的和频域的控制理论已建立了一系列分析，设计的方法，并可以借助于计算机进行辅助分析与设计，但是，在工程实际应用中，这些理论和方法还有着许多困难，因而使得这些理论方法还难以达到普遍应用研究的水平。多变量控制解耦理论与方法是一种有效的解决多变量控制问题的技术。针对多变量系统受控对象各输入与输出之间存在着关联与耦合这一基本特征，通过设计补偿网络来消除和削弱这种相互的关联和耦合，把多变量控制问题转化为多个单变量控制问题来处理。这种理论和方法物理概念清晰，使用的数学工

38、具较少，与单变量控制理论紧密衔接，便于工程技术人员掌握，因而，在工业过程中应用比较广泛。4.1 单元机组动态数学模型大型单元机组控制系统是一种多变量复杂控制系统，滞后大，受控过程是一个多输入多输出过程。在输入和输出之间存在着交叉的关联和耦合。只有通过合理的简化与近似处理，采用理论建模或实验的方法，才能建立起满足一定精度要求的动态特性数学模型。图4-1 单元机组负荷控制对象数学模型汽包锅炉单元机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象。如图4-1所示。图中，机组的输出功率N和机前压力PT为被控量；主汽门调节阀开度u和燃料量B为控制量。GNu和GNB分别为发电机实发功率对开度和燃料量的传递函数；G

39、Pu和GPB分别为机前压力对开度和燃料量的传递函数。这种合理简化的前提是：（1）送风量与燃料量相适应，保持燃烧稳定；（2）引风量与送风量相适应，保持炉膛压力；（3）给水量通过保持汽包水位进行控制，使给水流量与蒸汽流量相平衡；（4）主蒸汽温度控制相对独立。4.2 单元机组动态特性4.2.1 单元机组动态特性分析单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性如图4-2所示。图4-2 单元机组动态特性曲线（1）燃烧率B扰动下，主蒸汽压力PT和输出功率N的动态特性如下：当汽轮机调门开度不变，而B发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和输出电功率N的响应曲线如图4-2左所示。增加锅炉的燃烧率，必定使锅炉蒸发受热面的吸热量增

40、加，汽压经过迟延后逐渐升高。由于汽轮机调门开度保持不变，进入汽轮机的蒸汽流量增加，从而自发的限制了汽压的升高。当蒸汽流量与燃烧率达到新的平衡时，汽压PT就趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率N也增加。当蒸汽流量不变时，输出电功率也趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。（2）调门开度UT扰动下主蒸汽压力PT和输出功率N的动态特性如下：当锅炉燃烧率UB保持不变 ，而UT发生阶跃扰动时，主蒸汽压力PT和功率N的响应曲线如图4-2右所示。汽轮机调门开度阶跃增加后，一开始进入汽轮机的蒸汽流量立刻成比例增加，同时汽压PT也随之立刻阶跃下降PT（PT阶

41、跃下降的大小与蒸汽流量的阶跃增量成正比，且与锅炉的蓄热量大小有关）。由于燃烧率保持不变，所以蒸发量也不变。蒸汽流量的增加是因为锅炉汽压下降而释放出一部分蓄热，这只是暂时的。最终，蒸汽流量仍恢复到与燃烧率相适应的扰动前的数值，主蒸汽压力PT也逐渐趋于一个较低的新稳态值。因蒸汽流量在过渡过程中有暂时的增加，故输出功率N相应也有暂时的增加。最终，输出功率N也随蒸汽流量恢复到扰动前的数值。可以看出，机组增加负荷时，初始阶段所需的蒸汽量主要是由于锅炉释放蓄热量而产生的。通过以上分析，可以看出负荷控制对象的动态特性的特点是：当汽轮机调门开度动作时，被控量N和PT的响应都很快，即热惯性小；当锅炉燃烧率改变时

42、，N和PT的响应都很慢，即热惯性大，一快一慢就是机炉对象动态特性方面存在的较大差异。4.2.2 机炉动态特性的基本特征 构成单元机组受控对象的设备是锅炉和汽轮发电机组两大部分。协调控制系统设计时，主要针对一个双输入、双输出的受控对象。通过对机炉内在机理的分析，可以看出其动态特性方面的以下基本特征。（1）在锅炉控制量B作用下，输出被控量PT和N的响应是一个慢速的惯性过程。而在汽轮机控制量u的作用下，输出被控量PT和N的响应则是一个快速的过程。（2）由于锅炉的热惯性比汽轮发电机组的惯性大得多，使得输出被控量PT和N对于B的响应速度十分接近，表现为传递函数矩阵中GPB（s）与GNB（s）之间十分相似

43、的特性。（3）根据以上机炉特性的基本特征，利用汽轮机调门开度u作为控制量，可以快速的改变机组的被控量PT和N。其实质是利用了机组内部的蓄热，主要是锅炉内部的蓄热。机组容量越大，相对的这种蓄热能力越小。因而，利用汽轮机调节门控制机组输出功率的方法只是一种有限的、暂态的策略。4.2.3 控制系统对模型精度的要求不同控制理论和算法对模型的要求是不同的。因而，建模的目的以及对模型精度的要求应依据模型应用的要求而定。分析受控过程的基本特性，掌握其内在最主要、最本质的特征，对于设计出合理的控制系统是十分重要的。如前所述，单元机组协调控制系统，把机炉作为一个整体，针对机炉对象的特性，运用反馈、前馈、补偿以及

44、多变量解耦等控制理论方法，构成功能完备、结构简单可靠的控制系统。这些系统对过程模型精度方面的要求并不是很高的4。4.3 解耦控制系统单元机组协调控制系统是一个多变量控制系统。系统的设计是从机炉整体能量平衡的目标出发，通过选择合理的控制信号，采用前馈、反馈、动态补偿等策略，实现机组协调控制目标。对于多变量控制系统，通过变量的配对选择，可以降低各回路之间的耦合。然而若经配对选择仍存在严重的耦合，则需要考虑解耦设计，解耦设计的基本原理在于设置一个补偿网络，用以抵消存在于各回路之间的关联，以使各被调量能实现单变量控制，把多变量控制问题转化为多个单变量控制问题来处理。4.3.1 多变量被控对象的概念对于

45、一个具有n个被调量和n个调节变量的生产过程被控对象，其输入-输出特性可由矩阵方程表示： Y= WU （4-1）式（4-1）中：传递矩阵W中的元素Wij为被调量yi与调节变量uj的传递函数。若Wij=0，则表明yi不受uj作用影响。若对象的传递矩阵W可表示为对角形矩阵，则称之为无耦合对象。若对象的传递矩阵W可表示为三角形矩阵，则称之为半耦合对象。若对象的传递矩阵W中每一行和每一列均至少有两个元素不为0，则称之为耦合对象或多变量相关对象，以下简称多变量对象。4.3.2 解耦控制系统设计原理对于多变量控制系统，通过变量的配对选择，可降低各回路间的耦合。然而，若经配对选择仍存在严重的耦合，则需考虑解耦

46、设计，解耦设计的基本原理在于设置一个补偿网络，用以抵消存在于各回路间的关联，以使各被调量能实现单变量控制。（1）串联补偿法采用串联补偿法解耦的多变量控制系统如图4-3所示。图4-3 串联补偿结构图W=Wij为被控对象的传递矩阵。C=Cij为解耦网络的传递矩阵。对于C的设计原则，要求使其经解耦后系统的等效对象的传递矩阵WB=Weij为对角矩阵。即： WC=We(除对角元素不为0，其余都为0)。串联补偿法可分为： 串联前补偿结构； 带调节器的串联前补偿结构； 串联后补偿结构。 串联前补偿结构以双输入双输出系统为例，在被控对象的输入侧串联一个补偿网络，如图4-4所示，这种补偿方式称之为串联前补偿结构

47、。系统的等效对象传递函数表示为： 图4-4 串联前补偿结构图实现完全解耦的条件为： W12=G11*R12+G12=0 （4-2） W21=G21+G22*R21=0由上式可解出补偿器的传递函数为： （4-3）实现解耦以后系统的等效对象传递函数为： （4-4） 在式（4-4）中：由此，可以按照单变量系统设计出调节器R11和R22。串联前补偿解耦可以消除定值x扰动时对其它回路被调量的影响，但不能对发生在对象输入侧的扰动u实现解耦。这意味着当出现对象输入扰动时，仍然会对其它回路产生影响，只能由各自调节回路的调节作用去消除。 带调节器的串联前的补偿结构这种解耦系统的结构如图4-3所示。推导补偿环节R

48、12和R21的传递函数时，以先通过简单的框图交换，把系统化为图4-2所示的结构，有 =R12/R22 =R21/R11由方法1可得完全解耦的串联前补偿器、表达式为式： = R12/R22= -G12/G11 （4-5） = R21/R11= -G21/G22进一步可得带调节器的串联前补偿器R12、R21表达式为式： （4-6） 图4-5 带调节器的串联前的补偿结构 串联后补偿结构在受控对象的输出侧串联一个解耦网络，可实现系统的全解耦。系统结构如图4-6所示。以补偿器的输出C1、C2作为系统的输出，可得到等效对象的传递函数矩阵为： 图4-6 串联后补偿的结构图有解耦条件可得到补偿器传递函数为：

49、应当指出，上述解耦是补偿器输出C1、C2对定值扰动x与内扰u的全解耦。对于实际系统输出和而言，仍将受到内扰u的交叉干扰。对于系统调节器而言，等效对象为： （4-6）其中， （2）反馈补偿法采用反馈补偿法的解耦控制系统框图如图4-7所示。图4-7 反馈补偿控制系统框图由解耦网络A组成反馈解耦回路，由于调节器输出向量U和扰动向量M具有相同通道。因此，反馈解耦回路不仅能消除各通道间的相互关联，同时还能抑制系统的内扰，实现对内扰的不变性原理。解耦网络A可等效成串联解耦网络，然后借助串联解耦网络的计算来求出。反馈解耦回路等效成串联解耦网络后，系统框图如图4-8所示。 图4-8 反馈解耦系统等效框图不难看

50、出： 由于 则： 其中 We解耦后等效对象传递矩阵。 （4-7） 考虑到解耦作用在于消除交叉通道间的关联，因此，可令A的对角线元素， I为单位矩阵。由此上述式中：所以根据上述式子不难得出：（3）和差补偿法以上所介绍的几种解耦方法，在理论上具有较好的解耦效果，但实际上，常遇到以下问题：一是所设计的解耦补偿环节，经常是在物理上不可实现的。其二，补偿环节是按被控对象数学模型，根据零-极点对消的原则设计出来的。这不仅使之实现有困难，而且当对象中的参数变化而造成数学模型的改变时，可能造成系统开环不稳定，从而带来控制上的困难。采用和差补偿法解耦，不需采用补偿装置，而是利用对象各通道传递函数的特点，对各通道

51、的传递函数进行加减运算，使等效对象的传递矩阵成为对角矩阵。以下以一个具有两个输入和两个输出的对象为例，如图4-9所示。设此对象的传递矩阵为： （4-8）令： 由此可得： 图4-9 和差补偿系统结构图 当W12与W22有相似特性，变化方向相同时，选k1可使W12-k1W22=0；当W21与W11有相似特性，变化方向相反时，选k2可使W21+k2W11=0。由此可得： （4-9）则有 （4-10） 这样就实现了完全解耦。单向解耦是使经过补偿的等效对象传函矩阵成为一个三角阵，使补偿器的数量减少。以双输入双输出系统为例，如果系统中某一侧扰动对另一侧系统输出的影响较小，可忽略不计，或者受干扰侧控制回路消除干扰的能力较强，就可以考虑采用单向解耦，省去其