【正文】 前饋法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較 ...................... 67 前饋法閉環(huán)解耦后的整定 ..................................... 67 前饋補(bǔ)償法閉環(huán)解耦控制系統(tǒng)與等效單回路控制系統(tǒng)的仿真比較 72 對(duì)角矩陣法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較 .................. 74 對(duì)角矩陣法解耦后的整定 ..................................... 74 對(duì)角矩陣法解耦控制系統(tǒng)與等效單回路控制系統(tǒng)的仿真比較 ..... 79 小結(jié) ............................................................. 81 第六章 改進(jìn)積分算法的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究 ......................... 82 采用積分分離 PID控制器的仿真研究 ............................... 82 小結(jié) ............................................................. 87 第七章 結(jié)論 ......................................................... 89 參考文獻(xiàn) ............................................................. 90 致謝 ................................................................. 92 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 1 頁 前言 眾所周知，我國現(xiàn)階段正處在電力建設(shè)的高峰期。根據(jù)國家的“十一五”電力規(guī)劃， 20xx 年發(fā)電裝機(jī)將要達(dá)到 ～ 6億 千瓦左右，其中火電在 4 億千瓦以上，“十一五”電力安排投產(chǎn)在 億千瓦左右，而其中火電為 8500 萬千瓦，到 2020 年全國規(guī)劃裝機(jī)容量預(yù)計(jì)達(dá)到 9～ 億千瓦左右，其中 63％為火電裝機(jī)容量。而現(xiàn)階段 300MW、 600MW 等大容量、高參數(shù)、單元制機(jī)組已經(jīng)成為火力發(fā)電的主力機(jī)組， 1000MW 也已陸續(xù)投入生產(chǎn)。 目前，超臨界機(jī)組是我國新建或擴(kuò)建火力發(fā)電廠的主流機(jī)組，隨著越來越來多的大容量、高參數(shù)機(jī)組的投運(yùn)，現(xiàn)代化電力生產(chǎn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性要求的提高，使其自動(dòng)化水平也得到了很大的提高，自動(dòng)化已經(jīng)在生產(chǎn)過程中起 到了至關(guān)重要的作用。超臨界機(jī)組是以汽水一次循環(huán)為特征的直流鍋爐，是強(qiáng)耦合、非線性、多參數(shù)的被控對(duì)象，必須同時(shí)考慮鍋爐慣性較大，汽機(jī)反應(yīng)較快的特點(diǎn)，將機(jī)爐看作聯(lián)系緊密的一體化對(duì)象，采用協(xié)調(diào)控制（ CCS）策略；單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)的機(jī)爐局部控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的復(fù)雜控制系統(tǒng)，具有多種控制功能，能夠滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下的控制要求 。 隨著技術(shù)的發(fā)展，對(duì)單元機(jī)組控制提出更高的要求，研究單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將有助于提高火電廠的自動(dòng)化程度和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，因此具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義；又由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 的被控對(duì)象是一個(gè)多變量被控對(duì)象，具有非線性、參數(shù)時(shí)變、大遲延等特性。而且機(jī)、爐耦合嚴(yán)重，機(jī)、爐響應(yīng)特性差異巨大，精確的數(shù)學(xué)模型難于得到，常規(guī)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電網(wǎng)對(duì)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的要求。因此，需要對(duì)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象特性及控制策略進(jìn)行深入研究。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 第一章 緒論 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究目的及意義 近年來，隨著我國電力工業(yè)體制改革及電力建設(shè)步伐的加快，長期制約國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提高 的電力緊缺問題基本得到緩解。但是，由于用電結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，電網(wǎng)負(fù)荷峰谷差呈不斷增大趨勢，電力系統(tǒng)面臨著電網(wǎng)峰谷差偏大、調(diào)峰能力不足的矛盾。電網(wǎng) AGC 控制對(duì)單元機(jī)組提出了深度調(diào)峰的要求。對(duì)單元機(jī)組來說，也就是對(duì)其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了更高的要求。主要包括 :大范圍的負(fù)荷變動(dòng)，良好的負(fù)荷動(dòng)靜態(tài)跟蹤性能、穩(wěn)定性能等。 目前，我國中小機(jī)組還占相當(dāng)大的比例，且自動(dòng)化水平較低，造成 CCS 的投入率很低。即使是大容量的新機(jī)組，其 CCS 的投入水平也往往不能適應(yīng)電網(wǎng) AGC 的要求。因此，設(shè)計(jì)合理適用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案、改造不 同容量的新老機(jī)組是迫切需要解決的實(shí)際問題。 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)整體進(jìn)行控制，采用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，把自動(dòng)調(diào)節(jié)、邏輯控制、聯(lián)鎖保護(hù)等功能有機(jī)的結(jié)合在一起，構(gòu)成一種具有多種控制功能，滿足不同運(yùn)行方式和不同工況下控制要求的綜合控制系統(tǒng)。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了機(jī)爐對(duì)象特性方面的特點(diǎn)，采用了前饋、補(bǔ)償、多變量解耦等控制策略，使控制系統(tǒng)具有合理、可靠、易于維護(hù)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的 研究現(xiàn)狀 傳統(tǒng)意義上的協(xié)調(diào)控制有兩種劃分方式 :一種是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)按照機(jī)跟爐或爐跟機(jī)的方式來劃分。另一種是從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，將協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分為直接能量平衡 (DEB)和間接能量平衡系統(tǒng) (IEB)兩大類。協(xié)調(diào)控制的本質(zhì)就是維持機(jī)組在運(yùn)行過程中機(jī)爐之間供需能量的平衡。通常把機(jī)前壓力 P:作為鍋爐輸出能量與汽機(jī)需求能量之間平衡的特征參數(shù)。通過控制間接參數(shù)來維持整個(gè)機(jī)組能量平衡的系統(tǒng)，稱為間接能量平衡系統(tǒng)。通過構(gòu)造出能量平衡信號(hào)，并以此直接控制能量輸入的系統(tǒng)，稱為直接能量平衡系統(tǒng) ??01 。 從目前工程領(lǐng)域的應(yīng)用來看，無論是直接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)還是間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)都屬于近似解禍設(shè)計(jì)方法范疇。這類系統(tǒng)通常具有以下局限性 : (l)間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往是在機(jī)爐獨(dú)立控制回路的基礎(chǔ)南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 3 頁 上加入前饋控制。這種設(shè)計(jì)是基于靜態(tài)的近似解禍。因此無法考慮系統(tǒng)的不確定性擾動(dòng)、非線性等因素。系統(tǒng)的魯棒性能較差。 (2)鍋爐系統(tǒng)的大時(shí)延、大慣性等問題沒有充分的考慮。因此很難在快速的汽輪機(jī)控制回路和相對(duì)較慢的鍋爐控制回路之間達(dá)到快速的能量平衡。 (3)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與整定一般基于特定的工作點(diǎn)線性化 處理，沒有考慮動(dòng)態(tài)非線性及大范圍適應(yīng)性等。 (4)基于簡化的建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的單元機(jī)組動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法考慮相關(guān)系統(tǒng)相對(duì)較弱的禍合關(guān)系的影響及機(jī)組的動(dòng)態(tài)時(shí)變性等 ??02 。 國內(nèi)外協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前 ,國內(nèi)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本上都是在引進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和改進(jìn)的，國內(nèi)廠家以和利時(shí)公司的 HS20xx 系列比較成功，但市場占有率還很低 ，國內(nèi)眾多電廠已成功地應(yīng)用了國外的控制系統(tǒng) 。 廣東沙角發(fā)電廠 A 廠 3 號(hào)機(jī)組采用德國 Hartmannamp。Braun 公司 的 Symphony 分散控制系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)控制方案采用以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的 IEB 控制方案 ??03 。秦皇島熱電廠引進(jìn)美國 MCS 公司的 MAX1000 分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以能量直接平衡 (DEB)為基礎(chǔ)的爐跟機(jī)控制策略 ??04 。山西神頭一電廠 6 號(hào)機(jī)組系統(tǒng)改造成 INFI90分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制方式為機(jī)跟爐協(xié)調(diào)，采用 IEB 的控制策略 ??05 。山東十里泉電廠 6 號(hào)和 7 號(hào)機(jī)組采用美國西屋公司的 WDPF 分散控 制系統(tǒng)作為硬件平臺(tái) ，協(xié)調(diào)控制方式采用直接能量平衡 (DEB)的思想 ,以爐跟機(jī)為基礎(chǔ) ??06 。山西陽泉二電廠 3 號(hào)機(jī)組采用了 SIEMENS 公司的 TelepermXp 分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用 SIEMENS 的控制策略，該系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，并綜合采用了各種前饋控制方案功率調(diào)節(jié)和主汽壓力調(diào)節(jié)由機(jī)爐作為統(tǒng)一整體來共同完成??07 。 國電北侖電廠 1 000 MW 超超臨界機(jī)組工藝過程，提出了超超臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案，采用了一系列改進(jìn)措 施來改善過程協(xié)調(diào)性與動(dòng)態(tài)品質(zhì)，如加快鍋爐動(dòng)態(tài)響應(yīng)的并行前饋控制，在鍋爐主控制器中通過變參數(shù)控制，對(duì)進(jìn)入給水指令的鍋爐主指令進(jìn)行分解，然后通過反饋信號(hào)來校正前饋等，獲得了滿意的效果 ??08 。 美國的 Lamp。N 公司首先發(fā)明了 DEB 的控制方案，其協(xié)調(diào)控制方式基本以DEB 為主而美國的 FOXBORO 公司的協(xié)調(diào)方案也是以 DEB 為主。對(duì)于日本的南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 日立公司的 HAICS1000 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，從能量的角度來看它以功率指令信號(hào)作為前饋，所以它也是能量間接平衡系統(tǒng) (IEB)。 綜合 以上協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)西歐和日本的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本采用間接能量平衡 (IEB)為主，而美國的公司基本上采用了能量直接平衡 (DEB)為主。 研究內(nèi)容與研究計(jì)劃 本論文主要研究的內(nèi)容是以下幾面： （ 1） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案綜述 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)按反饋回路分類，可分為以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)和以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。由于純粹的機(jī)跟爐和爐跟機(jī)系統(tǒng)都有較大的缺點(diǎn)，所以，在單元機(jī)組中一般都加入前饋補(bǔ)償信號(hào)作為機(jī)爐彼此協(xié)調(diào)動(dòng)作的聯(lián)系。從前饋回路的設(shè)計(jì)不同，可分為按指令信號(hào)間接平衡 (IEB)的系統(tǒng)和直接能量平衡 (DEB)的系統(tǒng)。 （ 2） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對(duì)象的模型分析 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對(duì)象是一種存在強(qiáng)烈耦合特征的、復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。受控過程是一個(gè)多輸入、多輸出的過程，并在輸入與輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。由于直流鍋爐單元機(jī)組就是三輸入三輸出的被控對(duì)象，在進(jìn)行解耦及解耦器的設(shè)計(jì)過程中會(huì)比較復(fù)雜，因此有必要對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行簡化，傳遞函數(shù)的微分環(huán)節(jié)具有快速隨動(dòng)性，因此解耦的過程中可將其忽略，從而化簡的解耦的過程。 （ 3） 對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象進(jìn)行解耦研究 由以上的分析可知，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以鍋爐燃料量、汽輪機(jī)閥門開度、給水量為 輸入，鍋爐主蒸汽壓力、機(jī)組實(shí)際發(fā)電功率、中間點(diǎn)焓值為輸出的多變量系統(tǒng)。各個(gè)主要被控參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)、相互耦合、相互影響的?？刂葡到y(tǒng)之間存在耦合時(shí)，當(dāng)各控制參數(shù)設(shè)置不合適的時(shí)候會(huì)引起系統(tǒng)間的干涉振蕩，以至于系統(tǒng)無法正常運(yùn)行。所以，分析控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，減弱系統(tǒng)間的耦合，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容。 （ 4） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制器的選型與參數(shù)整定 以機(jī)爐為被控對(duì)象的多變量系統(tǒng)經(jīng)解耦后，可作為單回路控制系統(tǒng)進(jìn)行研究。本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制器結(jié)構(gòu)選型和控制器參數(shù)的整南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 5 頁 定進(jìn)行了仿真研究。 （ 5） 用積分分離 PID控制算 法對(duì)協(xié)調(diào)系統(tǒng)的研究 在標(biāo)準(zhǔn)的 PID控制算法中，當(dāng)有較大的擾動(dòng)或大幅度改變給定值時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的偏差，加上系統(tǒng)本身的慣性和滯后，在積分項(xiàng)的作用下，往往引起系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時(shí)間的波動(dòng)。采用積分分離 PID控制算法后，設(shè)置積分分離閥值 0E ,對(duì)于大于 0E 的部分不進(jìn)行積分作用，這樣就顯著降低了被調(diào)量的超調(diào)量，縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。由于本次課程設(shè)計(jì)所選用的數(shù)學(xué)模型的階次較低，在采用積分分離 PID控制算法時(shí)，只能顯著的降低超調(diào)量， 調(diào)節(jié)時(shí)間幾乎與標(biāo)準(zhǔn) PID控制算法的一致。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 第二章 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述 ??12 簡單地說，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要完成以下功能： (1)接受電網(wǎng)中心調(diào)度所的負(fù)荷自動(dòng)調(diào)度指令、運(yùn)行人員的負(fù)荷指令和電網(wǎng)頻率偏差信號(hào)，及時(shí)響應(yīng)負(fù)荷請(qǐng)求，使機(jī)組具有一定的電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻能力，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要。 (2)協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，在負(fù)荷變化率較大時(shí)，能維持兩者之間的能量平衡，保證主蒸汽壓力穩(wěn)定。 (3)協(xié)調(diào)機(jī)組內(nèi) 部各子系統(tǒng)（燃料、送風(fēng)、爐膛壓力、給水、蒸汽溫度等控制系統(tǒng)）的平衡。在負(fù)荷變化過程中使機(jī)組的主要運(yùn)行參數(shù)在允許的工作范圍內(nèi)，以確保機(jī)組有較高的效率和可靠的安全性。 (4)協(xié)調(diào)外部負(fù)荷請(qǐng)求與主 /輔設(shè)備實(shí)際承受能力的關(guān)系。在機(jī)組主 /輔設(shè)備能力受到限制的異常情況下，可根據(jù)實(shí)際情況，限制或強(qiáng)迫改變機(jī)組負(fù)荷。 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 21 圖 21 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般由協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)及與協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)相關(guān)的鍋爐汽機(jī)控制子系統(tǒng)組成，如圖 22。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 圖 22 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成 協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)主要由 三部分組成： 第一部分為機(jī)組指令處理回路，用以協(xié)調(diào)機(jī)組能力與電網(wǎng)需求的平衡，根據(jù) AGC 指令或本機(jī)的運(yùn)行人員指令（目標(biāo)指令），經(jīng)運(yùn)算處理，給出在幅值大小和變化率均為機(jī)組可能接受的實(shí)際機(jī)組功率指令 ULD（ Unit Load Demand）。 第二部分為機(jī)爐主控系統(tǒng)或機(jī)爐主控制器，根據(jù)機(jī)組功率指令 ULD、機(jī)組的運(yùn)行工況、運(yùn)行方式以及機(jī)、爐不同的動(dòng)態(tài)特性，協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機(jī)間的能量平衡，提供機(jī)組級(jí)的輸出功率與機(jī)前壓力聯(lián)合控制，從而使機(jī)組的負(fù)荷適應(yīng)性與運(yùn)行穩(wěn)定性兼優(yōu)。 第三部分為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)。協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)輸出的鍋爐指令和 汽輪機(jī)指令，分別控制鍋爐、汽輪機(jī)的各子系統(tǒng) — 燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、噴水 …… 以及汽輪機(jī)閥位。對(duì)主控系統(tǒng)來