【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，如圖31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，如圖32所示。圖32 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性結(jié)構(gòu)圖[15] (a) 汽輪機(jī)調(diào)門開度擾動(dòng) (b) 燃料量擾動(dòng) (c) 給水流量擾動(dòng) 不同的控制理論和算法對(duì)模型的要求是不同的。例如，許多建立在現(xiàn)代控制理論基礎(chǔ)上的控制算法對(duì)象模型的精度要求很好。這些控制算法在航天和軍事工業(yè)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，然而在工業(yè)過程控制領(lǐng)域收效甚微。其主要原因之一在于很難建立起精確性很高的工業(yè)過程受控對(duì)象數(shù)學(xué)模型[16]。反之，許多常規(guī)的工業(yè)控制技術(shù)，特別是PID控制技術(shù)，至今仍作為最為普遍的控制方法，廣泛應(yīng)用與工業(yè)控制領(lǐng)域，其重要原因也在于它對(duì)模型的精度要求是很低的。因而，建模的目的以及對(duì)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)最主要、最本質(zhì)的特性，對(duì)于設(shè)計(jì)出合理的控制系統(tǒng)是十分重要的[17]。 如前所述，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制以及全程控制系統(tǒng)，把機(jī)爐作為一個(gè)整體，針對(duì)機(jī)爐對(duì)象的特性，運(yùn)用反饋、前饋、補(bǔ)償以及多變量解耦等控制理論方法，構(gòu)成功能完善、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的控制系統(tǒng)[18]。這些系統(tǒng)對(duì)過程模型精度方面的要求并不是很高。在合理簡(jiǎn)單化的基礎(chǔ)上，利用比較簡(jiǎn)便的機(jī)理分析方法和實(shí)驗(yàn)方法，簡(jiǎn)歷單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，可以滿足協(xié)調(diào)控制以及全程控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)的需要[19]。隨著工業(yè)過程控制技術(shù)的發(fā)展，一方面人們?cè)谔剿餍碌摹⒏鼮橛行У慕７椒ê图夹g(shù)，以適應(yīng)一系列現(xiàn)代控制理論和方法對(duì)模型方面的要求。另一方面，尋求更適用于工業(yè)過程控制的理論和方法，而這些理論和方法應(yīng)具有對(duì)于模型要求不高的特點(diǎn)[20]。近年來，系統(tǒng)辨識(shí)理論方法和技術(shù)為建立更高精度的模型提供了方法和手段；而諸如模糊控制、自整定控制以及人工智能在控制中的應(yīng)用，則大大降低了對(duì)過程模型方面的要求[21]。第4章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理及實(shí)現(xiàn)第4章年協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本原理及實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括機(jī)爐局部控制子系統(tǒng)和處于上位協(xié)調(diào)級(jí)的單元機(jī)組主控系統(tǒng)。單元機(jī)組主控系統(tǒng)是討論整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心。主控系統(tǒng)可分為負(fù)荷指令中心、機(jī)爐協(xié)調(diào)控制器以及相應(yīng)的邏輯控制系統(tǒng)幾個(gè)部分，構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一的整體，滿足單元機(jī)組不同工況下的需要，保證機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[22]。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是大型火力發(fā)電機(jī)組普遍采用的控制系統(tǒng)。在許多國(guó)產(chǎn)機(jī)組以及從國(guó)外引進(jìn)的機(jī)組上設(shè)計(jì)了不同的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)原理、功能以及使用的控制系統(tǒng)設(shè)備有著許多差異和不同[23]。在工程應(yīng)用中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能否成功地投入和運(yùn)行，發(fā)揮其應(yīng)有的功能，主要取決于機(jī)組主設(shè)備本身的可控性、系統(tǒng)控制設(shè)備的性能及可靠性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與整定的合理性等因素。近年來，計(jì)算機(jī)分散控制系統(tǒng)（DCS)的應(yīng)用,為實(shí)現(xiàn)功能更加完善，控制方式更加先進(jìn)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)提供良好的條件。主設(shè)備可控性以及局部控制系統(tǒng)性能的改善，譬如汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組數(shù)字式電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的采用，也為機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的投入奠定了必要的基礎(chǔ)[24]。對(duì)于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，有不同的命名方式，亦可劃分為幾種不同的類型。譬如，機(jī)爐綜合系統(tǒng)，聯(lián)合控制系統(tǒng)，總括控制系統(tǒng)等等。對(duì)系統(tǒng)的分類方法也有許多不同。一種方法是根據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，按照機(jī)跟爐、爐跟機(jī)的方式來劃分[25]。但隨著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷更新和變化，許多系統(tǒng)已難以區(qū)分究竟屬于機(jī)跟爐還是爐跟機(jī)的形式，另一種分類方法是從能量平衡的觀點(diǎn)出發(fā)，把協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)劃分為直接能量平衡(DEH)和簡(jiǎn)介能量平衡(IEB)兩大類。這種分類方法從一定意義上講，揭示了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有的內(nèi)在本質(zhì)特性。因?yàn)橛涗浛刂频母救蝿?wù)就在于維持整個(gè)機(jī)組運(yùn)行過程的能量平衡，包括機(jī)組輸入能量和輸出能量的平衡；機(jī)爐之間供需能量的平衡；鍋爐內(nèi)部各子系統(tǒng)之間物質(zhì)能量傳遞的平衡等[26]。由于能量信號(hào)不便于直接測(cè)量，常常采用一些間接的參數(shù)表征這些平衡關(guān)系。最典型的例子就是把機(jī)前壓力PT作為鍋爐能量輸出與汽輪機(jī)能量需要之間的平衡特征參數(shù)。通過控制這些間接參數(shù)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)造出能量需求信號(hào)，并依此控制能量輸入的系統(tǒng)，稱為直接能量平衡系統(tǒng)。在工程領(lǐng)域人們也習(xí)慣以國(guó)外不同公司的典型系統(tǒng)來區(qū)分協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的種類。譬如美國(guó)Lamp。N公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，貝利公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，F(xiàn)oxboro公司的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，日本日立公司的系統(tǒng)，瑞士BBC公司的系統(tǒng)等。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)在簡(jiǎn)單的機(jī)爐控制系統(tǒng)上發(fā)展起來的。按照控制方式的不同，這種簡(jiǎn)單的機(jī)爐空置系統(tǒng)可分為機(jī)跟爐方式兩種[27]。 在機(jī)跟爐系統(tǒng)中，機(jī)組輸出功率由鍋爐給定，汽輪機(jī)主汽門開度調(diào)節(jié)主蒸汽壓力。因而，這個(gè)系統(tǒng)也稱之為汽機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)。這種控制方式的主要缺點(diǎn)在于對(duì)機(jī)組負(fù)荷變化需求的響應(yīng)速度慢。另外，當(dāng)鍋爐側(cè)產(chǎn)生內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致機(jī)前壓力PT的變化和輸出功率N的變化。這將引起主汽門開度和燃料量的同時(shí)動(dòng)作。正確的調(diào)節(jié)作用應(yīng)當(dāng)是由鍋爐調(diào)節(jié)器來改變?nèi)紵?，消除?nèi)部擾動(dòng)，使汽壓和功率回復(fù)到給定值?？梢?，當(dāng)鍋爐內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出功率長(zhǎng)時(shí)間來回波動(dòng)甚至振蕩。因而，機(jī)跟爐控制方式既不適用于帶變動(dòng)負(fù)荷的運(yùn)行工況，也缺乏有效地抑制鍋爐側(cè)內(nèi)部擾動(dòng)的能力。目前在機(jī)爐控制中還保留這種控制方式，主要是用于當(dāng)鍋爐側(cè)輔機(jī)設(shè)備局部故障，使鍋爐的最大處理受到限制，小于汽輪機(jī)最大可能出力時(shí)使用。由鍋爐給出最大負(fù)荷，汽機(jī)跟隨，保持壓力。在爐跟機(jī)系統(tǒng)中，機(jī)組對(duì)外負(fù)荷變化需求的響應(yīng)性好。其實(shí)質(zhì)是利用了機(jī)組內(nèi)部的蓄熱能量，滿足外部負(fù)荷的需求。這一套基本特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中。然而，維持機(jī)爐能量的平衡，最終要由鍋爐輸入量的改變，保持機(jī)前壓力。由于這種方式?jīng)]有考慮機(jī)爐對(duì)象的耦合特性，系統(tǒng)品質(zhì)就不會(huì)很理想。如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定不當(dāng)，可能引起系統(tǒng)的振蕩和不穩(wěn)定，一般地，爐跟機(jī)方式在汽機(jī)側(cè)局部故障時(shí)使用。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把機(jī)爐當(dāng)作一個(gè)整體，引入前饋、補(bǔ)償?shù)瓤刂剖侄?，盡可能消除機(jī)爐對(duì)象間不利的耦合因素，并充分吸收機(jī)跟爐和爐跟機(jī)控制方式的特點(diǎn)，克服其存在的弱點(diǎn)和不足，使系統(tǒng)的控制品質(zhì)得以改善和提高。在簡(jiǎn)要介紹機(jī)跟爐和爐跟機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)就典型的IEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行討論。 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)系統(tǒng)原理框圖如圖41所示。為敘述方便起見，統(tǒng)記為Il系統(tǒng)。 圖41 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（I1）I1系統(tǒng)的基礎(chǔ)是機(jī)跟爐控制系統(tǒng)。引入功率偏差信號(hào)至汽機(jī)調(diào)節(jié)器，作為對(duì)鍋爐側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償信號(hào)；引入功率定值信號(hào)作為鍋爐前饋信號(hào)。當(dāng)鍋爐側(cè)出現(xiàn)擾動(dòng)，譬如進(jìn)入鍋爐的燃料量變化、或鍋爐燃燒工況產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，將引起汽壓和輸出功率偏離給定值。依據(jù)功率偏差，鍋爐調(diào)節(jié)器輸出改變?nèi)剂狭浚韵齼?nèi)部擾動(dòng)。此時(shí)，并不希望汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門動(dòng)作。通過將功率偏差信號(hào)引入汽機(jī)調(diào)節(jié)器，利用機(jī)前壓力和實(shí)發(fā)功率N對(duì)燃料擾動(dòng)反應(yīng)曲線形狀相似的特性，近似地使汽機(jī)調(diào)節(jié)器上的功率偏差信號(hào)與汽壓偏差信號(hào)相互抵消，保持汽機(jī)調(diào)節(jié)器的輸出不變。這樣，實(shí)現(xiàn)了鍋爐側(cè)擾動(dòng)由鍋爐調(diào)節(jié)器消除，而不引起汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門不必要的動(dòng)作。當(dāng)機(jī)組功率定值變化時(shí)，功率偏差信號(hào)將通過立即使汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門動(dòng)作、及時(shí)地利用鍋爐內(nèi)部蓄熱，使機(jī)組輸出功率跟上外負(fù)荷的需要。與此同時(shí)，功率定值又作為鍋爐指令前饋信號(hào)，快速地改變?nèi)剂陷斎?，補(bǔ)充鍋爐蓄熱的變化。這樣有效地克服了單純機(jī)跟爐系統(tǒng)響應(yīng)外負(fù)荷緩慢的缺點(diǎn)。吸收了爐跟機(jī)系統(tǒng)能有效地利用鍋爐蓄熱能力，負(fù)荷響應(yīng)性好的特點(diǎn)，并保留了爐跟機(jī)方式能保持機(jī)前壓力盡可能地穩(wěn)定的特點(diǎn)，使系統(tǒng)品質(zhì)得到改善[28]。 補(bǔ)償汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)圖42 補(bǔ)償汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（I2）在I2系統(tǒng)中，機(jī)爐調(diào)節(jié)器的主信號(hào)仍與I1系統(tǒng)相同。由機(jī)爐動(dòng)態(tài)特性可知，在汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門擾動(dòng)下，輸出功率的響應(yīng)曲線與汽壓的微分信號(hào)曲線形狀相似，方向相反。由此可以把機(jī)前壓力的微分信號(hào)引入至鍋爐主調(diào)節(jié)器中。當(dāng)汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，功率信號(hào)與的微分信號(hào)相抵消，使的輸出不變，避免汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)引起鍋爐調(diào)節(jié)器的不必要功作。汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)由汽機(jī)調(diào)節(jié)作用來消除。另外，的微分信號(hào)引入鍋爐調(diào)節(jié)器還相當(dāng)于引入了一個(gè)快速的壓力反饋信號(hào)。當(dāng)鍋爐側(cè)出現(xiàn)擾動(dòng)，首先引起機(jī)前壓力變化時(shí)，的微分信號(hào)將使鍋爐調(diào)節(jié)器產(chǎn)生很快的動(dòng)作，以消除鍋爐側(cè)的擾動(dòng)。I2系統(tǒng)中還引入了功率定值微分信號(hào)作為鍋爐和汽機(jī)調(diào)節(jié)器、的前饋信號(hào)，可增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)外界負(fù)荷需求的響應(yīng)能力。當(dāng)功率定值為恒定時(shí)，微分器、的輸出為零。汽壓由汽機(jī)調(diào)節(jié)器保持，功率由鍋爐調(diào)節(jié)器保持，經(jīng)微分器作為對(duì)汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償信號(hào)。因而，該系統(tǒng)稱之為補(bǔ)償汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的機(jī)跟爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償?shù)臋C(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)該系統(tǒng)的原理框圖如圖43所示，記為I3系統(tǒng)。圖43 雙向補(bǔ)償?shù)臋C(jī)跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)（I3）I3系統(tǒng)與I2系統(tǒng)具有許多類似之處。—是這兩個(gè)系統(tǒng)都屬于以機(jī)跟爐為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；二是采用了相同的對(duì)汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?；三是都采用了功率定值信?hào)作為前饋，以增強(qiáng)鍋爐指令，克服機(jī)跟爐系統(tǒng)對(duì)功率定值變化響應(yīng)但的不足。為了實(shí)現(xiàn)雙向補(bǔ)償，I3系統(tǒng)中把功率偏差信號(hào)引入汽機(jī)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償，同時(shí)，也把功率定值作為汽機(jī)調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)。本系統(tǒng)記為I4系統(tǒng)，如圖44所示。圖44 補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)的爐跟機(jī)協(xié)調(diào)系統(tǒng)（I4）在I4系統(tǒng)中，機(jī)前壓力偏差信號(hào)引入至汽機(jī)調(diào)節(jié)器，一方面用來補(bǔ)償鍋爐側(cè)擾動(dòng)可能引起的汽機(jī)調(diào)節(jié)器動(dòng)作，使的變化與N的變化相抵消。另一方面當(dāng)功率定值變化時(shí)，汽機(jī)調(diào)節(jié)器很快動(dòng)作調(diào)節(jié)汽門，滿足負(fù)荷指令的需求，但是由于鍋爐對(duì)象存在著大的慣性，能量難以及時(shí)補(bǔ)充，會(huì)造成壓力大的變化，甚至超過允許的偏差范圍，把引入汽機(jī)調(diào)節(jié)器，將起到穩(wěn)定機(jī)前壓力的作用。例如，功率指令增大，汽機(jī)調(diào)節(jié)門開大，機(jī)前壓力下降，汽機(jī)調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)為：下降相當(dāng)于削弱了功率指令的增加，起到限制汽機(jī)調(diào)節(jié)汽門過開的作用，對(duì)穩(wěn)定機(jī)前壓力有利。隨著鍋爐燃燒率的上升，使恢復(fù)時(shí)，調(diào)節(jié)汽門會(huì)逐步開大，最終使實(shí)發(fā)功率達(dá)到功率指令的要求?？梢?，引入汽機(jī)調(diào)節(jié)回路，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)鍋爐側(cè)擾動(dòng)的補(bǔ)償作用外，對(duì)于在功率指令大幅度變化的情況下，可起到穩(wěn)定機(jī)前壓力，保證機(jī)組安全的作用。但是