火力发电厂自动控制讲座

火力发电厂自动控制讲座一引言1.1电厂控制对象·锅炉汽轮机发电机·燃烧过程水汽过程发电过程·燃料（源）汽水（媒）电（果）1.2电厂目标·保质高产安全增效1.3电厂自控内容·自动监测自动监测反映生产过程进行情况的各种参数及生产设备的工作状态，以监视生产进行情况和趋势·顺序控制根据预先拟定的程序和条件，自动地对设备进行一系列操作。电厂中主要针对主机和辅机的启动和停止过程自动保护发生事故时，自动采取保护措施，以防止事故进一步扩大或保护生产设备不受严重破坏自动调节自动维持生产过程按工艺规定的要求运行1.4电厂实现自动控制系统模拟仪表控制系统上世纪六、七十年代占主导地位，电动单元组合仪表DDZ-Ⅱ等集中数字控制系统上世纪七、八十年代DDC(DirectDigitalControl)它采用单片机、PLC和顺序逻辑控制器SLC(SequenceLogicalControl)或微机做控制器，控制器内传递数字信号，一般为单回路，用PID算法，采用集中控制，用一台微机集中监控和管理过程，系统可靠性差，目前在底层应用集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）上世纪八、九十年代占主导地位，其核心思想是集中管理，分散控制。上位机用于集中监视管理，若干台下位机用预现场实现分布式控制，上下位机间用控制网络互联以实现信息传输。优点是可靠性高于DDC，处理能力高于DDC，但不同厂家的DCS产品协议不开放，不能互操作。DCS产品造价高，目前电厂广泛应用现场总线控制系统FCS（FieldbusControlSystem）用现场总线这一开放、具有互连性的网络将现场各控制器和仪表设备互连，将控制功能彻底下放底层，降低成本和安装维护费用。是开放、互操作、全分布、全数字化的控制系统，将成21世纪控制系统的主流产品，将来也在电厂推广应用1.5电厂控制所采用的控制理论经典反馈控制理论上世纪40~50年代现代控制理论上世纪60~70年代智能控制理论上世纪80年代~至今二、DDC（经典反馈控制理论为基础）2.1单回路控制系统2.1.1单回路反馈系统构成单回路系统是复杂控制系统的基础g-给定f-反馈e-偏差c-控制B-被控其中控制器单回路一般采用PID，执行器一般为调节阀，对象是被控制备或过程2.1.2热工过程对象特点电厂过程属热工过程，如被控量温度、压力、液位、流量等有自衡对象阶跃响应曲线传递函数N和T可根据有关图表求取

无自衡对象传递函数（n>6）n值根据比值查表定，而T0即可取2.1.3自动调节器的调节作用比例（P作用）比例作用加快动态作用，增大P减少稳态误差，但震荡加快，甚至不稳定，当偏差为0，比例不起作用积分（I作用）对稳态可消除静差，偏差为零时，仍然有输出，对动态有不利影响，甚至不稳定微分（D作用）有预见作用，提前作用，加快动态调节作用，改善动态，不能单独使用PI、PD、PID混合使用，各发挥长处2.1.4整定调节系统的指标指标、对象、控制器是系统整定三要素，即被控对象，控制器，和指标要求，求一般叫系统综合，对过程控制求PID的参数叫整定一般要求它的阶跃响应被调量偏差较小，调节时间短和调节量超调量不大。但这些指标不适于作调节器参数的整定，整定中的指标有两类积分准则式中y(t)为被调量，此时y(∞)=0e(t)=y(t)-y(∞)=y(t)I1中y(t)不发生波动时应用，否则振荡I2中避免I1缺点，是较好的指标，但计算难I3中比I2计算方便，但有调节量超调，调节时间长等缺点还有其他复合积分准则

稳定性裕量系统必须稳定，稳定裕量适当，则调节系统有好的品质衰减率Ψ：Ψ=0震荡，Ψ<0发散，0<Ψ<1衰减震荡，Ψ=1衰减，Ψ=0.75~0.9为整定用指标其应用可按主导极点概念，按Ψ和tgβ对应关系，Ψ=0.75,m=0.221Ψ=0.9,m=0.368谐振比Mω：对二阶系统Mω与ξ有一定关系，ξ与Ψ有关，（对于）增益裕量和相位裕量：分贝以上三种相对稳定裕量指标均与一定整定方法对应

2.2单回路反馈控制系统整定法2.2.1按特征方程主导根的整定特征方程特征方程主导根 带入特征方程，得如下关系：或解出调节器参数和，但独立解有2个，需多于2个，例如PID加有4个，再引入两个条件可求得2.2.2按根轨迹法的整定根据绘制根轨迹条件，即式中Wk(s)为开环，W0(s)为对象，Wc(s)为调节器用根轨迹整定：W0(s)已知，Wc(s)的形式（结构）已知，闭环零极点（按ψ或ω）已定 根据绘制根轨迹的条件，并结合热工对象或的特点，通过做图可求出待定PID的参数2.2.3频率法整定2.2.4调节系统的工程特性根据开环阶跃响应曲线的近似计算法临界比例带法使调节仅有比例作用施于广义对象，比例由小到大，直至出现不衰减振荡为止，记下临界比例K1和振荡周期T1，则调节参数可按下面经验公式比例调节器；

比例积分

比例积分微分2.3数字PID的控制算法2.3.1基本PID算法2.3.2改进PID积分分离PID不完全微分PID算法微分先行PID控制微分先行PID控制，仅对输出微分，而对给定值不微分，而当给定值变化时，控制量不变。而被控量的变化总是比较缓和，这种方案适于给定值频繁变化的情况。带死区的PID控制算法为了消除频繁动作引起的震荡，可采用待死区的PID控制算法2.3.3常用的数字PID控制系统

单回路控制系统系统中只有一个PID控制器c(n)串级控制系统系统中有两个PID控制器串级回路整定是先主后副前馈反馈控制（复合控制）扰动通过前馈补偿，跟踪通过反馈补偿校正纯滞后补偿控制系统2.3.4数字PID参数整定采样周期的确定理论：采样（香浓）定理fs>2fmax，信号可不失真恢复，fs是采样频率，fmax

被采样信号频谱带宽。实际经验：流量1-5s，压力6-8s，液位6-8s，温度15-20s，成分15-20s扩充临界比例度法1)选择足够小的采样周期，如取纯滞后时间的1/102)求临界比例和振荡周期3)4)由整定参数表查表求PID参数控制度控制规律扩充响应曲线法1）给一阶跃响应曲线2）求和及3）由，，及控制度表查表确定PID参数简化扩充临界比例带法2.3.5控制算法的计算机实现2.4先进的控制算法基于现代控制理论，智能控制理论和计算机技术2.4.1最优控制 基于状态空间模型，二次型性能指标，变分法，最大值原理，动态规划法设计控制系统，使某种性能达到最优。也可通过自寻最优，如锅炉燃烧节能控制。2.4.2自适应控制 通过辨识和最优控制结合。如自校正控制、模型参自适应控制。锅炉燃烧可应用自校正控制。2.4.3预测控制 通过预测模型，滚动优化和误差校正，给出一个计算机控制算法，适应时滞时变随机对象，以提高系统跟踪抗扰及保证鲁棒性。2.4.4解耦控制对于多变量系统，如果系统有强耦合，可通过解耦设计法变成多个独立的单变量系