斩波技术在自动控制系统中的应用课件

斩波技术在自动控制系统中的应用大唐韩城第二发电有限责任公司刘永红斩波技术在自动控制系统中的应用大唐韩城第二发电有限责任公司010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

凡是调试过自动控制技术人员都经历这种困惑，有的复杂自动在投入后，有时自动调节品质优良，有时候调节品质又很差，特别是近年火电厂燃煤成分越来越复杂，深度调峰的机会越来越多，电网两个细则对各电厂AGC控制的要求越来越严，这就对火电厂协调控制提出了很高的要求，然而很多电厂都存在压力和负荷波动比较大问题，在这样的背景下研究出了该技术成果。

010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语自动控制

自动控制是按偏差来控制，随着偏差的增大，PID逐渐减小指令，当偏差到最大值时，PID根据偏差逐渐降低到最低值，当偏差由最大值逐步返回时，PID根据偏差逐渐增加，被调量必然要经过设定值后降低至某一值，即使自动控制参数整定合适，到下一个波形必然会波动，导致自动控制系统需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。手动控制

手动控制是按趋势来控制的，有经验的运行人员当发生大的扰动时，随着偏差的增大，手动减小指令，当偏差达到最大值并有回头的趋势时，运行人员快速手动把指令阶跃返回某一固定值保持不变，当然指令返回多少取决于运行人员对调节对象特性的了解，接下来的扰动能够很快被稳定在设定值附近保持不变010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用介绍语自动控制：随着偏差的增大，PID逐渐减小指令，当偏差到最大值时，PID根据偏差逐渐降低到最低值，当偏差由最大值逐步返回时，PID根据偏差逐渐增加，被调量必然要经过设定值后降低至某一值，导致自动控制系统需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。即使自动控制参数整定合适，到下一个波形必然会波动，曲线如图1。图1自动调整曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

手动控制：控制思路同自动调节不尽相同，有经验的运行人员会根据被调量的变化趋势进行调整。如运行人员手动调节，被调量增大时，运行人员减小输出值，当发现被调量已经到最大并开始回头时，及时预返回一个值不动，可以看出被调量在这个波结束时比较接近设定值且波动很小曲线,如图2：图2手动调整曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

如何设计一个控制逻辑，既能用常规自动PID控制，又能包含手动控制的控制策略？如图3，把一个被调量变化波形分为四个部分，分析上述自动控制同手动控制的区别，就可以认为第二区是多余的。如果自动控制时能判断被调量已经回头进入第二区时就加一个前馈，来抵消第二区的PID输出作用，那么当曲线到第三区时，最低值就很接近平衡点。斩波技术就是如何判断被调量回头，以及如何设计一个合适的前馈去抵消第二区的PID输出作用。图3被调量变化曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

判断被调量进入第二区：

图4判断被调量进入第二区逻辑图4逻辑中用到的LEADLAG函数，是个非线性的超前/滞后函数，其功能符号：OUT=(K1XIN1)+(K2XOLDIN1)+(K3XOLDOUT)

该模块有两个参数LEAD和LAG，当LEAD=0时，LAG＞0时，该模块即为纯滞后模块，在本逻辑中使用其滞后功能。该滞后模块对于阶跃响应相当于平滑后再变化，对于正玄波的响应相当于把曲线滞后某一时刻，但波形与原波形是完全一致的。

010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语图4被调量进入第二区的判断逻辑输出，可通过图5有波形来说明。

图5判断被调量进入第二区的曲线图5中，当被调量同前一刻的滞后值相减，形成a曲线，如果又把a曲线同前一刻的滞后值再相减形成b曲线，从图5中就会发现当被调量进入第二区时，a曲线同b曲线均为负值，而其它情况均不会同时为负值，因此判断a<0并且b<0时，就可以判读出被调量已经在第二区。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语当判断被调量进入第二区时，逻辑如下图，切换到Y路输出，通过函数转换，该前馈输出同PID的输出叠加，综合作用后输出到执行机构。图6斩波前馈逻辑010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

斩波技术应用于韩城第二发电公司机组协调控制的主汽压力回路中，图7是斩波前馈应用逻辑。主汽压力偏差通过函数Fx转换为所需煤量值，该函数是稳态时煤量同压力偏差之间关系，通过LEADLAG的滞后和平滑，再用不同负荷段对应的函数系数相乘，以体现同样的压力偏差，在不同的负荷段所需煤量是不相同的这一关系。最后该前馈同炉主控的PID输出相加，去控制煤量，以实现对压力的闭环控制。图7斩波前馈在主汽压力回路中应用逻辑由图7可知，当主汽压力经过两个滞后环节后，可以判断出主汽压力测量值是否到第二区，当到第二区时，此时切换器切换到“Y”路输出，通过函数转换和滞后平滑后乘以功率的函数即系数，这形成了斩波前馈，该前馈同PID的输出及其它前馈叠加后输出到煤主控，来准确控制煤量。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语应用该控制策略很好地解决了韩城第二发电公司机组协调控制中出现的压力不稳定，进而导致负荷大幅度波动，燃烧恶化情况。目前煤种越来越复杂，原先的控制逻辑，即使参数整定得很好，但在同一负荷不同时间段内，自动调节品质也相差很大。如使用各类优化软件，不但投资大且维护维护修改参数很困难。使用该控制策略后，压力控制的稳定时间大大缩短。斩波后逻辑优化前逻辑

对于一个较大扰动，即使参数合适，必然经过几个逐渐收敛的波动才能达到稳定值，需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。由于斩波产生的前馈作用，使得当被调量到第三区时，最低点不会是普通的自动控制系统的最低点，因为给PID的输出叠加了预置值，由于无后劲作用，被调量到最低点时已经向稳定点回归，如果参数调整合适，被调量到第三区时就已经接近稳态值。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语由上图可以看出，未采用斩波控制策略前，主汽压力的变化由于扰动必须经过几个波形才能稳定，而且煤量的波形也是上下近似与正弦波，这不利于机组的稳定运行，对于热力系统，一旦出现扰动，需要控制系统在尽可能短的时间把被调量稳定在平衡点。图8未采用斩波前馈主汽压力曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语由上图可以看出，采用斩波前馈控制策略后，波形基本未出现类似正弦波的曲线，而且从曲线可以看出，当压力到最大时，煤量指令在最低值时出现一个快速预加值，使随后的压力控制在设定值附近，压力波动很小。而采用斩波技术后，被调量波形基本无规律而且波动很小图9采用斩波前馈主汽压力曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语目前有些电厂的协调控制系统投入几十万元的资金，采用斯密斯预估、状态观测器等先进算法，但由于理论太深，参数太多，有的还是黑匣子，一般普通工程技术人员很难掌握修改参数的方法。而斩波控制策略没有使用先进的控制算法，不需要投入资金，仅采用DCS系统常用的模块搭接而成，解决了困扰提高机组调节品质的技术难题，具有较大的推广价值。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

该技术创新点就是把人的控制思路加进自动控制范畴，即使原PID参数整定不合适，在某一阶段曲线震荡甚至发散，通过采用斩波技术，能把扰动迅速降低到最小，极大提高了自动控制品质，特别是电厂中最难控制的协调控制系统。

亮点就是把该控制回路通过简单、常用的DCS模块用逻辑组态的方法加以实现，解决了自动PID无法解决的问题。在自动控制方面应用前景十分广泛，具有独创性。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点荣誉列表结束语2012年8月在国家级刊物《自动化博览》上发表。2012年11月全国热工自动化年会获二等奖并在大会上

进行宣讲和技术交流。2013年获陕西发电公司一等奖和集团公司二等奖。2013年荣获第五届全国电力职工技术成果二等奖。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点荣誉010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语结束语

该技术成果应用与火力发电厂最重要的协调控制系统，能很好地解决主汽压力波动对自动调节品质的影响。如果把这个控制策略推广到其它自动控制系统中，对控制逻辑进行优化，能极大提高自动调节品质。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广斩波技术在自动控制系统中的应用大唐韩城第二发电有限责任公司刘永红斩波技术在自动控制系统中的应用大唐韩城第二发电有限责任公司010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

凡是调试过自动控制技术人员都经历这种困惑，有的复杂自动在投入后，有时自动调节品质优良，有时候调节品质又很差，特别是近年火电厂燃煤成分越来越复杂，深度调峰的机会越来越多，电网两个细则对各电厂AGC控制的要求越来越严，这就对火电厂协调控制提出了很高的要求，然而很多电厂都存在压力和负荷波动比较大问题，在这样的背景下研究出了该技术成果。

010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语自动控制

自动控制是按偏差来控制，随着偏差的增大，PID逐渐减小指令，当偏差到最大值时，PID根据偏差逐渐降低到最低值，当偏差由最大值逐步返回时，PID根据偏差逐渐增加，被调量必然要经过设定值后降低至某一值，即使自动控制参数整定合适，到下一个波形必然会波动，导致自动控制系统需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。手动控制

手动控制是按趋势来控制的，有经验的运行人员当发生大的扰动时，随着偏差的增大，手动减小指令，当偏差达到最大值并有回头的趋势时，运行人员快速手动把指令阶跃返回某一固定值保持不变，当然指令返回多少取决于运行人员对调节对象特性的了解，接下来的扰动能够很快被稳定在设定值附近保持不变010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用介绍语自动控制：随着偏差的增大，PID逐渐减小指令，当偏差到最大值时，PID根据偏差逐渐降低到最低值，当偏差由最大值逐步返回时，PID根据偏差逐渐增加，被调量必然要经过设定值后降低至某一值，导致自动控制系统需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。即使自动控制参数整定合适，到下一个波形必然会波动，曲线如图1。图1自动调整曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

手动控制：控制思路同自动调节不尽相同，有经验的运行人员会根据被调量的变化趋势进行调整。如运行人员手动调节，被调量增大时，运行人员减小输出值，当发现被调量已经到最大并开始回头时，及时预返回一个值不动，可以看出被调量在这个波结束时比较接近设定值且波动很小曲线,如图2：图2手动调整曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

如何设计一个控制逻辑，既能用常规自动PID控制，又能包含手动控制的控制策略？如图3，把一个被调量变化波形分为四个部分，分析上述自动控制同手动控制的区别，就可以认为第二区是多余的。如果自动控制时能判断被调量已经回头进入第二区时就加一个前馈，来抵消第二区的PID输出作用，那么当曲线到第三区时，最低值就很接近平衡点。斩波技术就是如何判断被调量回头，以及如何设计一个合适的前馈去抵消第二区的PID输出作用。图3被调量变化曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

判断被调量进入第二区：

图4判断被调量进入第二区逻辑图4逻辑中用到的LEADLAG函数，是个非线性的超前/滞后函数，其功能符号：OUT=(K1XIN1)+(K2XOLDIN1)+(K3XOLDOUT)

该模块有两个参数LEAD和LAG，当LEAD=0时，LAG＞0时，该模块即为纯滞后模块，在本逻辑中使用其滞后功能。该滞后模块对于阶跃响应相当于平滑后再变化，对于正玄波的响应相当于把曲线滞后某一时刻，但波形与原波形是完全一致的。

010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语图4被调量进入第二区的判断逻辑输出，可通过图5有波形来说明。

图5判断被调量进入第二区的曲线图5中，当被调量同前一刻的滞后值相减，形成a曲线，如果又把a曲线同前一刻的滞后值再相减形成b曲线，从图5中就会发现当被调量进入第二区时，a曲线同b曲线均为负值，而其它情况均不会同时为负值，因此判断a<0并且b<0时，就可以判读出被调量已经在第二区。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语当判断被调量进入第二区时，逻辑如下图，切换到Y路输出，通过函数转换，该前馈输出同PID的输出叠加，综合作用后输出到执行机构。图6斩波前馈逻辑010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语

斩波技术应用于韩城第二发电公司机组协调控制的主汽压力回路中，图7是斩波前馈应用逻辑。主汽压力偏差通过函数Fx转换为所需煤量值，该函数是稳态时煤量同压力偏差之间关系，通过LEADLAG的滞后和平滑，再用不同负荷段对应的函数系数相乘，以体现同样的压力偏差，在不同的负荷段所需煤量是不相同的这一关系。最后该前馈同炉主控的PID输出相加，去控制煤量，以实现对压力的闭环控制。图7斩波前馈在主汽压力回路中应用逻辑由图7可知，当主汽压力经过两个滞后环节后，可以判断出主汽压力测量值是否到第二区，当到第二区时，此时切换器切换到“Y”路输出，通过函数转换和滞后平滑后乘以功率的函数即系数，这形成了斩波前馈，该前馈同PID的输出及其它前馈叠加后输出到煤主控，来准确控制煤量。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语应用该控制策略很好地解决了韩城第二发电公司机组协调控制中出现的压力不稳定，进而导致负荷大幅度波动，燃烧恶化情况。目前煤种越来越复杂，原先的控制逻辑，即使参数整定得很好，但在同一负荷不同时间段内，自动调节品质也相差很大。如使用各类优化软件，不但投资大且维护维护修改参数很困难。使用该控制策略后，压力控制的稳定时间大大缩短。斩波后逻辑优化前逻辑

对于一个较大扰动，即使参数合适，必然经过几个逐渐收敛的波动才能达到稳定值，需几个过渡过程才能稳定下来，这对工业生产的控制是不利的。由于斩波产生的前馈作用，使得当被调量到第三区时，最低点不会是普通的自动控制系统的最低点，因为给PID的输出叠加了预置值，由于无后劲作用，被调量到最低点时已经向稳定点回归，如果参数调整合适，被调量到第三区时就已经接近稳态值。010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语由上图可以看出，未采用斩波控制策略前，主汽压力的变化由于扰动必须经过几个波形才能稳定，而且煤量的波形也是上下近似与正弦波，这不利于机组的稳定运行，对于热力系统，一旦出现扰动，需要控制系统在尽可能短的时间把被调量稳定在平衡点。图8未采用斩波前馈主汽压力曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广应用结束语由上图可以看出，采用斩波前馈控制策略后，波形基本未出现类似正弦波的曲线，而且从曲线可以看出，当压力到最大时，煤量指令在最低值时出现一个快速预加值，使随后的压力控制在设定值附近，压力波动很小。而采用斩波技术后，被调量波形基本无规律而且波动很小图9采用斩波前馈主汽压力曲线010203040506成果背景项目原理实际应用创新难点推广010203040506