热工控制系统第一章热工自动控制系统的基本概念和自动化技术发展方向

1、热工控制系统第一章 热工自动控制系统的基本概念和自动化技术发展方向1 引言2 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锅炉动画汽机动画图1 引言 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。所谓自动控制，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、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、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。 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

2、“模拟”向“数字”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DCS（Distributed Control System）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。 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“发、输、供、用”必须同时进行，并保持瞬时的平衡。与此同时，参与“发、输、供、用”的所有设备构成了部件众多、结构复杂、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。 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，可分为电站自动化和电力系统自动化。1.1 自动控制基础理论 1.1.1 自动

3、控制理论的发展 1.1.2 自动控制的基本概念 1.1.3 开环控制与闭环控制 1.1.4 对自动控制系统的基本要求1.2 热工自动化概述1.1.1 自动控制理论的发展 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，自动控制理论可分为以微分方程、传递函数为基础的经典控制理论和以状态空间为基础的现代控制理论。 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智能时代。前期控制(1400BC-1900)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(250BC)亚历山大的希罗发明开

4、闭庙门和分发圣水的自动装置(100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(100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 (235年)英国利用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)经典控制(1935-1950) 美国研制出用于船舶驾驶的伺服机构，提出PID控制方法(1922) 美国以及研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)现代控制(1950-今) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制第一台数控机床(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。 美国 George Devol研制出第一台工业机

5、器人样机(1954) 苏联东方-1号飞船载着加加林进入人类地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)1.1.2 自动控制的基本概念手动控制自动控制手动控制与自动控制的比较自动控制系统水箱水位的手动控制： 观测实际水位，将实际水位与要求的水位值相比较，得出两者偏差。根据偏差的大小和方向调节进水阀门的开度，即当实际水位高于要求值时，关小进水阀门开度，否则加大阀门开度以改变进水量，从而改变水箱水位，使之与要求值保持一致。图1-1图水箱水位的自动控制 浮子：测量作用 连杆：比较作用 放大器、伺服电动机和减速 器：调节作用 阀门：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，且其大小反

6、映了实际水位与水位要求值的差值，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： 使偏差消除或减小，使实际水位达到要求的水位值。图1-2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：人脑手水箱系统眼h控制器执行器水箱系统传感器h图1-3 水箱水位手动控制系统方框图图1-4 水箱水位自动控制系统方框图对应系统方框图: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照一定规律构成且具有独立功能的整体称为系统。 自动控制系统是由被控对象和自动控制装置按照一定方式连接起来，能完成一定自动控制任务的

7、总体。 自动控制系统的被控制量称为系统输出量 影响系统输出量的外界输入称为系统的输入量 输入量分类： 给定输入（或称参考输入、希望值等）：指对系统输出量的要求值 扰动输入：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，即被控对象和自动控制装置（有时也称为控制器） 自动控制装置又可分为下列几个部分： （1）测量元件（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。 （2）比较元件（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，得到偏差的大小和符号。 （3）调节元件。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

8、偏差信号之间具有一定的数值运算关系（也称为调节规律或控制算法）。 （4）执行元件。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。1.1.3 闭环控制与开环控制闭环控制系统开环控制系统闭环与开环控制系统的比较闭环控制系统：1 反馈：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。若反馈的信号与输入信号相减，使产生的偏差越来越小，则称为负反馈；反之，则称为正反馈。 2 闭环控制系统：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

9、控制。 闭环控制系统方框图闭环控制系统的基本组成:被控对象控制装置(由具有一定职能的各种基本元件组成 )测量元件：其职能是测量被控制的物理量;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量（即参据量）;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的参据量进行比较，求出它们之间的偏差;放大元件：将比较元件给出的偏差进行放大，用来推动执行元件去控制被控对象;执行元件：直接推动被控对象，使其被控量发生变化;校正元件：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 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，这种控制方式称为开

10、环控制。闭环与开环控制系统的比较：闭环控制系统的特点 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。开环控制系统的特点 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。1.1.4 对自动控制系统的基本要求 可以归结为稳定性（长期稳定性）、准确性（精度）和快速性（相对稳定性）。 稳 准快 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。 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

11、。准确性： 用稳态误差来表示。 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。快速性: 对过渡过程的形式和快慢提出要求，一般称为动态性能。 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，而炮身行动迟缓，仍然抓不住目标。1.2 热工自动化概述 随着国内用电量的持续增长，提高发电机组的容量和参数成为我国电力工业发展的重要方向。机组的大容量和高参数带来的是过程参数测量点的大量增加，相应的控制回路数和控制的复杂程度都大为提高，生产过程对控制精度的要求更为严格。

12、 这些艰巨而繁重的控制任务必须要有现代化的电站自动化技术作为支撑。 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。 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综合体系； 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。 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，电站自动化技术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面面，包括对机组整体运行工况的监控、

13、对发电过程经济性的分析、对主辅机设备的维护和管理以及对生产过程的优化调度等。2 现代电站自动化2.1 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化所涵盖的主要内容大致分为7类：(1) 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/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、存储、分析与处理等。数据显示和主控室如下图所示现代化电站的集中控制室图3图4(2) 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控制，如蒸汽温度、蒸汽压力、发电机功率、炉膛压

14、力等。 其中最典型的是单元机组的协调控制系统 CCS: Coordinated Control System(3) 顺序控制及联锁保护 顺序控制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。 联锁保护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先设定的程序，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。(4) 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

15、；燃烧优化，设备运行方式优化，机组间的优化调度等。 其中，以电站节能为目标的优化技术可以分为工艺节能技术和控制节能技术。 工艺节能：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，使发电设备的能源消耗减少； 控制节能：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 经济性分析主要通过性能计算和耗差分析两个途径来实现。 性能计算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、发电煤耗、供电煤耗等经济参数。 耗差分析在线监测包括锅炉、汽轮机、主

16、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 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因，并提供故障处理指导。状态监测和故障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。(7) 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，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

17、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。 2.2 现代电站自动化系统结构 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的自动化系统，包括生产过程级的 DCS (Distributed Control System) FCS (Fieldbus Control System) PLC (Programming Logic System)监控优化级的 SIS (Supervisory Information System) 生产管理级的 MIS (Management Information System)

18、 #1机DCS #1机PLC #1机RTU#2机DCS #2机PLC #2机RTU接口机SIS功能站SIS维护站SIS值长站安全隔离器镜像服务器应用服务器客户端InternetDCS网络SIS网络MIS网络互联网服务器SIS防病毒服务器SIS服务器现代电站自动化系统结构结合上述的体系结构，需要着重强调两方面问题： 一是如何将各个层次有机地融合在一起，充分发挥各自的功能优势，实现一体化的信息处理模式； 二是如何根据电力生产的需求，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，从广度和深度两方面提升电站的自动化水平。 3 现代电站自动化技术的重点发展方向 在今后的发展中，电站自动化要始终以

19、信息集成为核心。 进一步加强先进控制理论与方法的应用研究； 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级、机组级提升到厂级甚至企业级，实现真正意义上的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。 在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。 先进控制理论与方法的应用研究 类 别 方 式 传统控制策略 PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制 先进控制经典技术 增益调整、时滞补偿

20、、解耦控制、选择性超驰控制器 先进控制流行技术 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 最优控制(LQG)、专家系统、神经控制、模糊控制、非线性控制先进控制研究中的策略 鲁棒控制、H控制、综合 (1) 先进控制策略 模型预测控制：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，更加适合于实际的生产过程 ； 鲁棒控制：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动； 自适应与自整定控制：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，维持控制品质一定意义上的最佳； 统计质量控制：对生产的全

21、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。 (2) 智能化方法 模糊控制： 1974年英国学者首先把Fuzzy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型电站的控制与优化中。 神经网络控制：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。目前的应用研究领域包括单元机组模糊神经元协调控制、机组最优组合、报警处理与故障诊断、负荷预报、经济运行等。 专家系统：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、事故分析专家系统以及分析、评估、规划等专家系统。 (3) 控制结构优化 对基本控制回路的结构优化。

22、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（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）； 对于整个生产过程的结构优化。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化运行。给水全程控制原理方案PI1调速给水单冲量HSPPI3PI2三冲量HSPPSHP调节阀调速 (4) 非线性控制 大型火电机组是被控特性复杂多变的对象，其动态特性随着工况参数（负荷、压力、流量、温度等）的变化而大幅度变动。采用非线性控制理论的有关设计方法抵消和补偿

23、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和安全稳定运行的最直接、最根本的手段。 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。 (5)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有重要意义: 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； 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。 山西神头第二发电厂500MW机组简化非线性模型对先进控制理论与方法的研究要明确以下几点： PID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PID、智能PID等）仍然是有效的控制策略。 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