【正文】 元機(jī)組采用直吹式制粉系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該在燃料量之前增加描述制粉系統(tǒng)的環(huán)節(jié) ()式中，為進(jìn)入制粉系統(tǒng)的原煤量，為一次風(fēng)量，為磨煤機(jī)原煤裝載量。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，時(shí)間常數(shù)。把鍋爐和蒸汽管道的蓄熱能力分開(kāi)，可求出鍋爐的蓄熱量為 ()式中，為鍋爐的蓄批熱系數(shù)，一般可根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法確定。熱能從爐膛傳遞管道時(shí)將經(jīng)過(guò)管道傳熱，為了問(wèn)題簡(jiǎn)化，這里將主蒸汽管道看作集中參數(shù)系統(tǒng)，其蓄熱量可以表示為 () ()其中，為蒸汽管道蓄熱系數(shù)；為主蒸汽管道內(nèi)蒸汽量；為蒸汽管道容積；為蒸汽重度系數(shù)。蒸汽管道兩端的壓力降與管道蒸汽量之間的關(guān)系為： ()其中，為蒸汽管道的阻力系數(shù)。機(jī)前壓力與汽輪機(jī)進(jìn)汽量之間有以下關(guān)系 ()其中，和分別為主蒸汽調(diào)節(jié)閥的阻力和汽輪機(jī)的沿程阻力。定義蒸汽調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度為： ()將式()代入式()中，可得到： () 汽輪機(jī)做功過(guò)程無(wú)中間再熱器時(shí)，機(jī)組從蒸汽流量變化到汽輪機(jī)功率變化的反應(yīng)很快，可以簡(jiǎn)單地將汽輪機(jī)做功過(guò)程表示為： 或 ()有中間再熱器系統(tǒng)，汽輪機(jī)的輸出功率為高壓缸輸出功率和中、低壓缸輸出功率兩部分之和： ()在靜態(tài)工況下： ()其中，為汽輪機(jī)高壓缸輸出功率在總輸出功率中所占比例系數(shù)。在動(dòng)態(tài)工況下，考慮再熱器的熱容積和阻力，將蒸汽流量與中、低壓缸輸出功率的關(guān)系表示為： ()其中，為中間再熱器時(shí)間常數(shù)。將式()和()代入()中得： ()在一般情況下，,。根據(jù)以上的分析，我們可以得出描述單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)框圖， 所示。這是一個(gè)22的非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。分別在輸入端加入階躍擾動(dòng)信號(hào)，可以得到定性的輸出響應(yīng)特性曲線。 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖Fig Structural dynamic chatacteristics of unit plant (a) 汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度擾動(dòng) (b) 燃料量擾動(dòng) (c) 給水流量擾動(dòng)(a) Opening disturbance of (b) Fuel amount (c) Water supply flow steam turbine valve disturbance disturbanceFig Dynamic characteristics curve of unit plant 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)模型的簡(jiǎn)化形式在上述分析的基礎(chǔ)上，如果做進(jìn)一步簡(jiǎn)化，把鍋爐和蒸汽管道看作一個(gè)集中的蓄熱容積，則上述的式()和()可以合并為如下式： ()其中，為鍋爐和主蒸汽管道的蓄熱系數(shù)。蒸汽管道兩端的壓力降與進(jìn)汽輪機(jī)的蒸汽流量之間的關(guān)系為： ()其中，為蒸汽管道和主蒸汽調(diào)節(jié)閥的阻力系數(shù)。相應(yīng)地， 簡(jiǎn)化的單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖Fig Simplified structural dynamic chatacteristics of unit plant 典型單元機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型1 Astrom燃油機(jī)組模型 ()其中，為鍋爐汽包壓力；為機(jī)組輸出的電功率；為鍋爐汽包內(nèi)液體密度；為燃油調(diào)節(jié)閥開(kāi)度；為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度；為給水調(diào)節(jié)閥開(kāi)度；鍋爐汽包水位()；而為蒸汽量；為蒸汽消耗。此模型存在的主要問(wèn)題是：(1) 模型針對(duì)燃油機(jī)組設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮制粉環(huán)節(jié)，而大型燃油機(jī)組在我國(guó)已經(jīng)十分罕見(jiàn)；(2) 模型輸出變量為汽包壓力，而目前協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控變量為機(jī)前壓力，中間差過(guò)熱器環(huán)節(jié):(3) 模型研究的是超高壓機(jī)組，其特性同目前亞臨界機(jī)組存在差別。 線性多變量模型線性多變量模型主要通過(guò)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)或系統(tǒng)辨識(shí)獲得，200MW機(jī)組模型如下[77, 78]： ()其中，為機(jī)組輸出實(shí)際功率(MW)；為機(jī)前壓力(MPa)；為鍋爐燃料指令(t/h)；為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度(%)；；；300MW機(jī)組模型如下：；； ； ；其中，為鍋爐繞料量擾動(dòng)；為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度擾動(dòng)；為爐膛輻射能；為機(jī)前壓力(MPa)；為機(jī)組輸出功率。 De Mello模型De ，只是燃燒動(dòng)態(tài)過(guò)程和汽輪機(jī)做功過(guò)程的表述略有不同。 Cheres 模型同樣是在IEEE Power Engineering Society的審核和推薦下，1990年，Cheres在IEEE Transaction on Energy Conversion上發(fā)表了有關(guān)中小型汽包鍋爐長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)響應(yīng)模型的文章[82]。文章的最大特點(diǎn)是從控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度來(lái)研究模型，因此該模型相對(duì)于De Mello模型更為簡(jiǎn)化。Cheres將該模型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到75MW, 141MW, 214MW, 228MW, 350MW等五種不同容量的機(jī)組上，均收到了良好的辨識(shí)效果。1994年，以上述模型為基礎(chǔ)，Cheres對(duì)以鍋爐跟蹤為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究[83]。進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型的有效性。 章末小結(jié)本章介紹的模型一是側(cè)重于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的簡(jiǎn)化模型，一是側(cè)重于機(jī)理分析的模塊化模型，對(duì)于簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于控制器設(shè)計(jì)和參數(shù)整定，由模型得到的控制器的形式也相對(duì)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)，從機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)的角度看，簡(jiǎn)單的控制結(jié)構(gòu)有利于提高系統(tǒng)得可靠性和抗干擾能力，能夠在一定程度上減少檢修和維護(hù)的工作量。對(duì)于采用機(jī)理分析方法的數(shù)學(xué)模型，在合理簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，從能量傳遞與轉(zhuǎn)換的角度描述了單元機(jī)組的最本質(zhì)特性，因此，基于機(jī)理分析的模型對(duì)于控制器的結(jié)構(gòu)及智能控制系統(tǒng)具有一定的通用性和普遍意義。第三章 模糊控制在非線性單元機(jī)組協(xié)調(diào) 控制中的應(yīng)用 引言火電廠單元機(jī)組由發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)和鍋爐構(gòu)成。它是一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、強(qiáng)耦合的復(fù)雜多輸入多輸出的 控制對(duì)象，具有純滯后、大慣性和非線性的顯著特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)特性較為復(fù)雜。火電廠單元機(jī)組的數(shù)學(xué)模型難以準(zhǔn)確建立，且由于電網(wǎng)波動(dòng)等原因，其數(shù)學(xué)模型隨時(shí)間變化緩慢，采用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)控制，其控制效果很難滿足要求，即使用 Smith預(yù)估控制和Dahlin算法，同樣需知道被控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，所以很難取得較好的控制效果[8491]。模糊控制是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型控制算法，本質(zhì)是一種非線性控制。它不需要知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，具有比常規(guī)控制系統(tǒng)更好的穩(wěn)定性和魯棒性。本章基于模糊控制的這些特點(diǎn)，將其確定為對(duì)火電廠單元機(jī)組運(yùn)行的基本控制策略[9294]。另外，隨著智能控制理論的發(fā)展，近些年來(lái)將自適應(yīng)與常規(guī)模糊控制技術(shù)相結(jié)合的方法引起學(xué)者們極大的關(guān)注。所以，本章最后設(shè)計(jì)了模糊自適應(yīng)控制器并應(yīng)用于單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制中，獲得了良好的控制效果。 模糊控制器原理及設(shè)計(jì) 模糊控制器組成， 模糊控制組成圖Fig Fuzzy control construction graph模糊化：數(shù)據(jù)庫(kù)(DB Date Base)：規(guī)則庫(kù)(RB Rule Base)：規(guī)則庫(kù)就是用來(lái)存放全部模糊控制規(guī)則的，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。模糊推理：對(duì)于MIMO系統(tǒng)，其規(guī)則具有如下的形式：其中。而的前提條件構(gòu)成了在直積空間上的模糊集合，結(jié)論是個(gè)控制作用的并，它們之間是相互獨(dú)立的。因此可以看成是個(gè)獨(dú)立的MISO系統(tǒng)，規(guī)則為：其中，, 因此在這里只考慮其中一個(gè)MISO子系統(tǒng)的近似推理問(wèn)題。在這里以兩輸入單輸出的模糊系統(tǒng)為例。：：：設(shè)已知模糊控制器的輸入模糊量為：，則根據(jù)模糊控制規(guī)則進(jìn)行推理，可以得到輸出模糊量為：式中有三種模糊邏輯運(yùn)算：and 運(yùn)算，合成運(yùn)算“”，蘊(yùn)含運(yùn)算“”。and 運(yùn)算通常采用求交或求積的方法；合成運(yùn)算“”通常采用最大最小或最大積的方法；蘊(yùn)含運(yùn)算“”。通常采用求交或求積的方法。清晰化： 模糊控制器設(shè)計(jì) (1) 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量；(2) 設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則；(3) 確立模糊化和非模糊化的方法；(4) 選擇模糊控制器的輸入變量及輸出變量的論域并確定模糊控制器的參數(shù)；(5) 編制模糊控制算法的應(yīng)用程序；(6) 合理選擇模糊控制算法的采樣時(shí)間； 基于模糊解耦的火電單元機(jī)組負(fù)荷控制　單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成，主要由鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組成?？刂苹芈分饕绣仩t控制和汽輪機(jī)控制。汽輪機(jī)控制回路通過(guò)輸入信號(hào)完成對(duì)主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)主蒸汽壓力閥的開(kāi)度，以改變汽輪機(jī)輸出功率。鍋爐控制回路通過(guò)輸入信號(hào)控制鍋爐的燃燒率，改變鍋爐的出力，以適應(yīng)負(fù)荷變化的需要。 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系數(shù)Fig Unit coordinated control system為便于研究，用傳遞函數(shù)表示單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)， 所示。其中： Pg為功率給定值，PE 為實(shí)發(fā)功率，Pe = Pg – PE 為功率偏差，Ng為主蒸汽壓力給定值，NE 為主蒸汽壓力，Ne = Ng NE 為主蒸汽壓力偏差，為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，U為鍋爐燃燒率，為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器， 為鍋爐調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)采用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)功率輸出，當(dāng)功率偏差功率發(fā)生變化時(shí)，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器通過(guò)改變調(diào)節(jié)汽閥的開(kāi)度來(lái)改變汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，使發(fā)電機(jī)輸出功率迅速滿足電網(wǎng)的負(fù)荷要求。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的改變會(huì)使機(jī)前壓力發(fā)生變化，可通過(guò)鍋爐調(diào)節(jié)器改變鍋爐燃燒率來(lái)盡快恢復(fù)主蒸汽壓力（機(jī)前壓力）。在燃燒率調(diào)節(jié)的同時(shí)，鍋爐其他調(diào)節(jié)系統(tǒng)也相應(yīng)地改變送風(fēng)量、引風(fēng)量、給水量等。 用傳遞函數(shù)表示的系統(tǒng)Fig System expression by transfer function功率偏差和汽壓偏差信號(hào)同時(shí)送到汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器和鍋爐調(diào)節(jié)器。在穩(wěn)定工況下，機(jī)組的實(shí)發(fā)功率等于給定功率，主蒸汽壓力（機(jī)前壓力）等于主蒸汽壓力給定值。增加負(fù)荷時(shí)將出現(xiàn)一個(gè)正功率偏差信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器開(kāi)大汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥門(mén)，增加機(jī)組的實(shí)發(fā)功率。此信號(hào)同時(shí)作用于鍋爐調(diào)節(jié)器入口，以增加燃燒率，主蒸汽壓力將立即隨之下降。盡管此時(shí)鍋爐已經(jīng)開(kāi)始增大燃燒率，但由于燃料量主蒸汽壓力通常存在較大慣性，負(fù)荷擾動(dòng)出現(xiàn)初期仍會(huì)有正的壓力偏差出現(xiàn)。該信號(hào)以正方向作用于鍋爐調(diào)節(jié)器，繼續(xù)加大鍋爐的燃料量，以盡快恢復(fù)主蒸汽壓力。同時(shí)，此信號(hào)反向作用于汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器入口，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)器在正功率偏差和反方向壓力偏差的共同作用下，會(huì)使調(diào)節(jié)閥開(kāi)大到一定程度后停止動(dòng)作。因?yàn)閼T性作用，此時(shí)汽輪機(jī)的實(shí)發(fā)功率尚未達(dá)到給定值，所以這種狀態(tài)是暫時(shí)的，隨著鍋爐燃燒率加大，主蒸汽壓力逐漸恢復(fù)，壓力偏差逐漸減小，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥在正的功率偏差信號(hào)作用下會(huì)繼續(xù)開(kāi)大，以提高機(jī)組的實(shí)發(fā)功率，直至實(shí)發(fā)功率與機(jī)前壓力均與給定值相等，機(jī)組重新進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)?！∧：刂破鞯慕M成根據(jù)以上分析可以看出，在單元制機(jī)組的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，變工況運(yùn)行為控制帶來(lái)相當(dāng)困難。當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)，汽輪機(jī)的功率應(yīng)立即作出相應(yīng)的變化。但是，汽輪機(jī)的機(jī)器時(shí)間常數(shù)一般只有7~8s， 而鍋爐從改變?nèi)紵秸羝扛淖?，需長(zhǎng)達(dá)100~250s。由于汽輪機(jī)和鍋爐的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間這一動(dòng)態(tài)特性相差太大，使汽輪機(jī)不能適應(yīng)外界負(fù)荷的迅速變化，從而使得鍋爐不能及時(shí)提供足夠的蒸汽量。為此有必要將鍋爐和汽輪機(jī)作為一個(gè)整體考慮，采用模糊的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制。，應(yīng)用多變量模糊解偶的控制方法[8]，采用功率偏差和主蒸汽壓力偏差調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量。這樣既能將部分鍋爐蓄熱量用于汽輪機(jī)迅速發(fā)出功率，又能使主蒸汽壓力保持在允許的變化范圍內(nèi)，同時(shí)以功率偏差和主蒸汽壓力偏差信號(hào)輸入鍋爐調(diào)節(jié)器系統(tǒng)來(lái)控制燃燒率，迅速改變鍋爐的出力，以適應(yīng)負(fù)荷變化的需要。功率偏差Pe及其變化率和主蒸汽壓力偏差Ne及其變化率作為模糊控制器的輸入，控制器的輸出為鍋爐燃燒率U和控制主蒸汽壓力的閥門(mén)開(kāi)度。被控對(duì)象的輸出為發(fā)電機(jī)輸出功率PE。因?yàn)闄C(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的多變量強(qiáng)耦合控制系統(tǒng)，所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于處理好解耦。 采用模糊控制的單元機(jī)組負(fù)載控制系統(tǒng)Fig Unit plant load control system with fuzzy control method　單元機(jī)組負(fù)荷控制的解耦算法設(shè)V1 = Pe (功率偏差)，V2 = CPe (功率偏差變化率)，V3 = Ne (主蒸汽壓力偏差)，V4 = CNe (主蒸汽壓力偏差變化率)，U為燃燒率(輸出控制量)，為主蒸汽閥門(mén)開(kāi)度(輸出控制量)。，此系統(tǒng)為一個(gè)4輸入2輸出的多變量摸糊控制器(MVFC)。在實(shí)際工作中，直接設(shè)計(jì)一個(gè)多變量模糊控制器相當(dāng)困難，因此首先想到的是如何利用模糊控制器本身的解耦性，通過(guò)模糊關(guān)系方程分解，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)解耦，將一個(gè)MIMO模糊控制器分解成若干個(gè)MISO的模糊控制器，將上述4輸入2輸出模糊控制器等效成兩個(gè)4輸入1輸出的模糊控制器。 模糊解耦控制器Fig Fuzzy coupling controller由前可知，模糊控制器的輸入為V1，V2，V3，V4，輸出為U和，其模糊關(guān)系可表示為，其中第i條規(guī)則為表示成模糊蘊(yùn)含式為式中：+表示并運(yùn)算，