【文章內(nèi)容簡介】 時，鍋爐側(cè)因負(fù)的壓力偏差 (P0－ PT)和由于 P1恢復(fù)而使 P1／ PT 減小的信號共同作用。減小燃燒率指令μ B，所以鍋爐側(cè)消除內(nèi)擾的能力較強。 從汽輪機調(diào)節(jié)閥擾動來看，由于采用了 P1 作為汽機主控制器的反饋信號，則消除汽機調(diào)節(jié)閥自發(fā)擾動的能力是較強的。 △ 247。 D P ∑ P0 D ∑ △ PI N0 NE 鍋爐 汽機 + P1 PT _ μ B 圖 35 直接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)示意圖 △ I I μ T _ _ + + 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 16 通過以上分析可以看出，采用爐跟機為基礎(chǔ)的直接能量平衡的 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能快速適應(yīng)負(fù)荷要求和克服內(nèi)擾，是各種負(fù)荷控制方式中較好的一種。 前面我們介紹了幾種單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，盡管形式各異，但有一些共同點： （ 1） 前面介紹的系統(tǒng)都為前饋 — 反饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，一般還帶有非線性控制環(huán)節(jié)。前饋、反饋和非線性控制部分各自分擔(dān)著不同的任務(wù)，其作用都是為實現(xiàn)機、爐的協(xié)調(diào)控制。 （ 2） 前饋控 制的作用是補償機組的動態(tài)遲延和慣性，加快負(fù)荷響應(yīng)，以及保持負(fù)荷指令與機、 爐主控制指令之間滿足一定的靜態(tài)關(guān)系，在控制過程中起“粗調(diào)”作用。 （ 3） 采用非線性控制環(huán)節(jié)可使汽壓在規(guī)定的允許偏差范圍內(nèi)變化，以利用機組的蓄熱能力，提高負(fù)荷響應(yīng)速度。 （ 4） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制精度和克服內(nèi)擾的能力主要靠反饋控制保證，反饋控制是協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，在控制過程中起“細(xì)調(diào)”作用。 綜上所述，組成單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案有兩個，其一是以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，往往以 P1／ PT (P1）這樣的能量 平衡信號作為鍋爐控制中的前饋信號，以便在變工況下，協(xié)調(diào)機、爐之間的能量供求關(guān)系構(gòu)成直接能量平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。其二是以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，往往負(fù)荷指令作為鍋爐的前饋信號，以負(fù)荷指令來間接協(xié)調(diào)機、爐在能量需求方面的關(guān)系構(gòu)成能量間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 17 第四章 單元機組 機爐 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。單獨的鍋爐控制系統(tǒng)和汽輪機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。系統(tǒng)的設(shè)計是從機爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選取合理的控制信號，采用前饋， 反饋，動態(tài)補償?shù)瓤刂撇呗?，實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。 直接按照多變量控制系統(tǒng)分析設(shè)計理論進(jìn)行單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與綜合，目前還處于研究之中，雖然多變量時域的和頻域的控制理論已建立了一系列分析，設(shè)計的方法，并可以借助于計算機進(jìn)行輔助分析與設(shè)計，但是，在工程實際應(yīng)用中，這些理論和方法還有著許多困難，因而使得這些理論方法還難以達(dá)到普遍應(yīng)用研究的水平。 多變量控制解耦理論與方法是一種有效的解決多變量控制問題的技術(shù)。針對多變量系統(tǒng)受控對象各輸入與輸出之間存在著關(guān)聯(lián)與耦合這一基本特征，通過設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)來消除和削弱這種 相互的關(guān)聯(lián)和耦合，把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。這種理論和方法物理概念清晰，使用的數(shù)學(xué)工具較少，與單變量控制理論緊密銜接，便于工程技術(shù)人員掌握，因而，在工業(yè)過程中應(yīng)用比較廣泛。 單元機組動態(tài)數(shù)學(xué)模型 大型單元機組控制系統(tǒng)是一種多變量復(fù)雜控制系統(tǒng)，滯后大，受控過程是一個多輸入多輸出過程。在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。只有通過合理的簡化與近似處理，采用理論建?；?qū)嶒灥姆椒?，才能建立起滿足一定精度要求的動態(tài)特性數(shù)學(xué)模型。 圖 41 單元機組負(fù)荷控制對象數(shù)學(xué)模型 汽包鍋爐單元 機組可簡化為一個具有雙輸入雙輸出的被控對象。如圖 41所示。 圖中，機組的輸出功率 N 和機前壓力 PT為被控量；主汽門調(diào)節(jié)閥開度 u 和燃料量 B為控制量。 GNu 和 GNB 分別為發(fā)電機實發(fā)功率對開度和燃料量的傳遞函數(shù)； GPu 和 GPB內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 分別為機前壓力對開度和燃料量的傳遞函數(shù)。這種合理簡化的前提是： （ 1）送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定； （ 2）引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛壓力； （ 3）給水量通過保持汽包水位進(jìn)行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡； （ 4）主蒸汽溫度控制相對獨立。 單元機組動態(tài)特性 單 元機組動態(tài)特性分析 單元機組負(fù)荷控制對象的階躍響應(yīng)特性如圖 42所示。 圖 42 單元機組動態(tài)特性曲線 （ 1）燃燒率 B 擾動下，主蒸汽壓力 PT和輸出功率 N 的動態(tài)特性如下：當(dāng)汽輪機調(diào)門開度不變，而 B 發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力 PT和輸出電功率 N 的響應(yīng)曲線如圖 42左所示。增加鍋爐的燃燒率，必定使鍋爐蒸發(fā)受熱面的吸熱量增加，汽壓經(jīng)過遲延后逐漸升高。由于汽輪機調(diào)門開度保持不變，進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。當(dāng)蒸汽流量與燃燒率達(dá)到新的平衡時，汽壓 PT 就趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力 。由于蒸汽流量的增加使汽輪機輸出功率增加，輸出電功率 N 也增加。當(dāng)蒸汽流量不變時，輸出電功率也趨于一個較高的新穩(wěn)態(tài)值，具有自平衡能力。 （ 2）調(diào)門開度 UT擾動下主蒸汽壓力 PT和輸出功率 N 的動態(tài)特性如下：當(dāng)鍋爐燃燒率 UB 保持不變 ，而 UT發(fā)生階躍擾動時，主蒸汽壓力 PT和功率 N 的響應(yīng)曲線內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 如圖 42右所示。汽輪機調(diào)門開度階躍增加后，一開始進(jìn)入汽輪機的蒸汽流量立刻成比例增加，同時汽壓 PT也隨之立刻階躍下降 △ PT（ △ PT階躍下降的大小與蒸汽流量的階躍增量成正比，且與鍋爐的蓄熱量大小有關(guān)）。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。蒸汽流量的增加是因為鍋爐汽壓下降而釋放出一部分蓄熱，這只是暫時的。最終，蒸汽流量仍恢復(fù)到與燃燒率相適應(yīng)的擾動前的數(shù)值，主蒸汽壓力 PT 也逐漸趨于一個較低的新穩(wěn)態(tài)值。因蒸汽流量在過渡過程中有暫時的增加，故輸出功率 N 相應(yīng)也有暫時的增加。最終，輸出功率 N 也隨蒸汽流量恢復(fù)到擾動前的數(shù)值?？梢钥闯?，機組增加負(fù)荷時，初始階段所需的蒸汽量主要是由于鍋爐釋放蓄熱量而產(chǎn)生的。通過以上分析，可以看出負(fù)荷控制對象的動態(tài)特性的特點是 ：當(dāng)汽輪機調(diào)門開度動作時，被控量 N 和 PT的響應(yīng)都很快，即熱慣性??；當(dāng)鍋爐燃燒率改變時， N 和 PT的響應(yīng)都很慢，即熱 慣性大，一快一慢就是機爐對象動態(tài)特性方面存在的較大差異。 機爐動態(tài)特性的基本特征 構(gòu)成單元機組受控對象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象。通過對機爐內(nèi)在機理的分析，可以看出其動態(tài)特性方面的以下基本特征。 （ 1）在鍋爐控制量 △ B作用下，輸出被控量 △ PT和 △ N的響應(yīng)是一個慢速的慣性過程。而在汽輪機控制量 △ u 的作用下，輸出被控量 △ PT 和 △ N 的響應(yīng)則是一個快速的過程。 （ 2）由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使 得輸出被控量 △ PT 和△ N 對于 △ B 的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中 GPB（ s）與 GNB（ s）之間十分相似的特性。 （ 3）根據(jù)以上機爐特性的基本特征，利用汽輪機調(diào)門開度 △ u 作為 控制量，可以快速的改變機組的被控量 △ PT 和 △ N。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機組容量越大，相對的這種蓄熱能力越小。因而，利用汽輪機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。 控制系統(tǒng)對模型精度的要求 不同控制理論和算法對模型的要求是不同的。因而，建模的目的以及對模型精度的要求應(yīng)依據(jù) 模型應(yīng)用的要求而定。分析受控過程的基本特性，掌握其內(nèi)在最主要、最本質(zhì)的特征，對于設(shè)計出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的。如前所述，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，把機爐作為一個整體，針對機爐對象的特性，運用反饋、前饋、補償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡單可靠的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 過程模型精度方面的要求并不是很高的 [4]。 解耦控制系統(tǒng) 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的設(shè)計是從機爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過選擇合理的控制信號，采用前饋、反饋、動態(tài)補償?shù)炔呗?，實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。 對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可以降低各回路之間的耦合。然而若經(jīng)配對選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需要考慮解 耦 設(shè)計，解 耦 設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路之間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制 ， 把多變量控制問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。 多變量被控對象的概念 對于一個具有 n 個被調(diào)量和 n 個調(diào)節(jié)變量的生產(chǎn)過程被控對象，其輸入 輸出特性可由矩陣方程表示： Y= WU （ 41） 式 （ 41） 中： 傳遞矩陣 W 中的元素 Wij 為被調(diào)量 yi 與調(diào)節(jié)變量 uj 的傳遞函數(shù)。若 Wij=0，則表明 yi 不受 uj 作用影響。 若對象的傳遞矩陣 W 可表示為對角形矩陣，則稱之為無耦合對象。 若對象的傳遞矩陣 W 可表示為三角形矩陣，則稱之為半耦合對象。 若對象的傳遞矩陣 W 中每一行和每一列均至少有兩個元素不為 0，則稱之為耦合對象或多變量相關(guān)對象，以下簡稱多變量對象。 解耦控制系統(tǒng)設(shè)計原理 對于多變量控制系統(tǒng)，通過變量的配對選擇，可降低各回路間的耦合。然而，若經(jīng)配對選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需考慮解耦設(shè)計， 解耦設(shè)計的基本原理在于設(shè)置一個補償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消存在于各回路間的關(guān)聯(lián)，以使各被調(diào)量能實現(xiàn)單變量控制。 （ 1）串聯(lián)補償法 ?????????????nnnnnnW. . .. . .. . .. . .. . .. . .. . .212222111211? ?TyyyY n...21?? ?Tnuuuu .. .21?內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 采用串聯(lián)補償法解耦的多變量控制系統(tǒng)如圖 43所示。 圖 43 串聯(lián)補償結(jié)構(gòu)圖 W={Wij}為被控對象的傳遞矩陣。 C={Cij}為解耦網(wǎng)絡(luò)的傳遞矩陣。對于 C 的設(shè)計原則，要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對象的傳遞矩陣 WB={Weij}為對角矩陣。即： WC=We(除對角元素不為 0，其余都為 0)。 串聯(lián)補償法可分為： ○ 1 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； ○ 2 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)； ○ 3 串聯(lián)后補償結(jié)構(gòu)。 ○ 1 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu) 以雙輸入雙輸出系統(tǒng)為例，在被控對象的輸入側(cè)串聯(lián)一個補償網(wǎng)絡(luò)，如圖 44所示，這種補償方式稱之為串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)表示為： 圖 44 串聯(lián)前補償結(jié)構(gòu) 圖 實現(xiàn)完全解耦的條件為： W12=G11*R12+G12=0 （ 42） W21=G21+G22*R21=0 由上式可解出補償器的傳遞函數(shù)為： ???????????????????? 2221 121121 122221 1211 11*)( WW WWR RGG GGSW內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 222121111212GGRGGR???? （ 43） 實現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對象傳遞函數(shù)為： （ 44） 在式 （ 44） 中： 由此，可以按照單變量系統(tǒng)設(shè)計出調(diào)節(jié)器 R11 和 R22。 串聯(lián)前補償解耦可以消除定值 x 擾動時對其它回路被調(diào)量的影響，但不能對發(fā)生