【正文】 SW???????221212112121 GGR GGR內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 24 應(yīng)當(dāng)指出，上述解耦是補(bǔ)償器輸出 C C2 對(duì)定值擾動(dòng) x 與內(nèi)擾 u 的全解耦。21R = R21/R11= G21/G22 進(jìn)一步可得帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補(bǔ)償器 R1 R21 表達(dá)式為式： （ 46） ??????? )(0 0)()( 2211 SWSWSW1121122222 )( GGGGSW ??2221121111 )( G GGGSW ?????????????1122212122111212**RGGRRGGR內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 23 圖 45 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前的補(bǔ)償結(jié)構(gòu) ○ 3 串聯(lián)后補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 在受控對(duì)象的輸出側(cè)串聯(lián)一個(gè)解耦網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全解耦。21R 表達(dá)式為式： 39。21R =R21/R11 由方法 1 可得完全解耦的串聯(lián)前補(bǔ)償器 39。 推導(dǎo)補(bǔ)償環(huán)節(jié) R12 和 R21 的傳遞函數(shù)時(shí)， 以先通過(guò)簡(jiǎn)單的框圖交換，把系統(tǒng)化為圖 42 所示的結(jié)構(gòu)，有 39。這意味著當(dāng)出現(xiàn)對(duì)象輸入擾動(dòng)時(shí)，仍然會(huì)對(duì)其它回路產(chǎn)生影響，只能由各自調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)作用去消除。 系統(tǒng)的等效對(duì)象傳遞函數(shù)表示為： 圖 44 串聯(lián)前補(bǔ)償結(jié)構(gòu) 圖 實(shí)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(bǔ)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(jì)說(shuō)明書(shū) 22 222121111212GGRGGR???? （ 43） 實(shí)現(xiàn)解耦以后系統(tǒng)的等效對(duì)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(jì)出調(diào)節(jié)器 R11 和 R22。 串聯(lián)補(bǔ)償法可分為： ○ 1 串聯(lián)前補(bǔ)償結(jié)構(gòu)； ○ 2 帶調(diào)節(jié)器的串聯(lián)前補(bǔ)償結(jié)構(gòu)； ○ 3 串聯(lián)后補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。對(duì)于 C 的設(shè)計(jì)原則，要求使其經(jīng)解耦后系統(tǒng)的等效對(duì)象的傳遞矩陣 WB={Weij}為對(duì)角矩陣。 圖 43 串聯(lián)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖 W={Wij}為被控對(duì)象的傳遞矩陣。然而，若經(jīng)配對(duì)選擇仍存在嚴(yán)重的耦合，則需考慮解耦設(shè)計(jì)， 解耦設(shè)計(jì)的基本原理在于設(shè)置一個(gè)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)單變量控制。 若對(duì)象的傳遞矩陣 W 中每一行和每一列均至少有兩個(gè)元素不為 0，則稱(chēng)之為耦合對(duì)象或多變量相關(guān)對(duì)象，以下簡(jiǎn)稱(chēng)多變量對(duì)象。 若對(duì)象的傳遞矩陣 W 可表示為對(duì)角形矩陣，則稱(chēng)之為無(wú)耦合對(duì)象。 多變量被控對(duì)象的概念 對(duì)于一個(gè)具有 n 個(gè)被調(diào)量和 n 個(gè)調(diào)節(jié)變量的生產(chǎn)過(guò)程被控對(duì)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)。 對(duì)于多變量控制系統(tǒng)，通過(guò)變量的配對(duì)選擇，可以降低各回路之間的耦合。 解耦控制系統(tǒng) 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。如前所述，單元機(jī)組協(xié)調(diào)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)成功能完備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠的控制系統(tǒng)。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。因而，利用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)控制機(jī)組輸出功率的方法只是一種有限的、暫態(tài)的策略。其實(shí)質(zhì)是利用了機(jī)組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。 （ 2）由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機(jī)組的慣性大得多，使 得輸出被控量 △ PT 和△ N 對(duì)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。 （ 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(gè)慢速的慣性過(guò)程。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要針對(duì)一個(gè)雙輸入、雙輸出的受控對(duì)象。通過(guò)以上分析，可以看出負(fù)荷控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn)是 ：當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度動(dòng)作時(shí)，被控量 N 和 PT的響應(yīng)都很快，即熱慣性小；當(dāng)鍋爐燃燒率改變時(shí)， N 和 PT的響應(yīng)都很慢，即熱 慣性大，一快一慢就是機(jī)爐對(duì)象動(dòng)態(tài)特性方面存在的較大差異。最終，輸出功率 N 也隨蒸汽流量恢復(fù)到擾動(dòng)前的數(shù)值。最終，蒸汽流量仍恢復(fù)到與燃燒率相適應(yīng)的擾動(dòng)前的數(shù)值，主蒸汽壓力 PT 也逐漸趨于一個(gè)較低的新穩(wěn)態(tài)值。由于燃燒率保持不變，所以蒸發(fā)量也不變。 （ 2）調(diào)門(mén)開(kāi)度 UT擾動(dòng)下主蒸汽壓力 PT和輸出功率 N 的動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(jì)說(shuō)明書(shū) 19 如圖 42右所示。由于蒸汽流量的增加使汽輪機(jī)輸出功率增加，輸出電功率 N 也增加。由于汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度保持不變，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量增加，從而自發(fā)的限制了汽壓的升高。 圖 42 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性曲線 （ 1）燃燒率 B 擾動(dòng)下，主蒸汽壓力 PT和輸出功率 N 的動(dòng)態(tài)特性如下：當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度不變，而 B 發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)，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。這種合理簡(jiǎn)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(guò)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(duì)獨(dú)立。 圖中，機(jī)組的輸出功率 N 和機(jī)前壓力 PT為被控量；主汽門(mén)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度 u 和燃料量 B為控制量。 圖 41 單元機(jī)組負(fù)荷控制對(duì)象數(shù)學(xué)模型 汽包鍋爐單元 機(jī)組可簡(jiǎn)化為一個(gè)具有雙輸入雙輸出的被控對(duì)象。在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。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(guò)程中應(yīng)用比較廣泛。 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(wèn)題的技術(shù)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從機(jī)爐整體能量平衡的目標(biāo)出發(fā)，通過(guò)選取合理的控制信號(hào)，采用前饋， 反饋，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)瓤刂撇呗?，?shí)現(xiàn)機(jī)組協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 17 第四章 單元機(jī)組 機(jī)爐 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量控制系統(tǒng)。 綜上所述，組成單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本方案有兩個(gè)，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(lèi)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(hào)作為鍋爐控制中的前饋信號(hào)，以便在變工況下，協(xié)調(diào)機(jī)、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)。 （ 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(jī)組的蓄熱能力，提高負(fù)荷響應(yīng)速度。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(shí)現(xiàn)機(jī)、爐的協(xié)調(diào)控制。 D P ∑ P0 D ∑ △ PI N0 NE 鍋爐 汽機(jī) + 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(jì)說(shuō)明書(shū) 16 通過(guò)以上分析可以看出，采用爐跟機(jī)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。 從汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥擾動(dòng)來(lái)看，由于采用了 P1 作為汽機(jī)主控制器的反饋信號(hào)，則消除汽機(jī)調(diào)節(jié)閥自發(fā)擾動(dòng)的能力是較強(qiáng)的。與此同時(shí)，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(hào)共同作用。 從鍋爐內(nèi)擾來(lái)看 ，當(dāng)燃燒率自發(fā)增加時(shí)，機(jī)前壓力 PT和汽機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)壓力 P1均增大，由于 P1與 NE相比對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)更快一些。 能量平衡信號(hào)與功率給定值信號(hào)性質(zhì)不同，后者僅表示電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的負(fù)荷要求，前者反映了汽機(jī)對(duì)鍋爐的能量要求。由于要求動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)哪芰坎粌H與負(fù)荷變化量成正比，而且還與負(fù)荷大小成正比，所以微分項(xiàng)要乘以 P1/PT 值。 鍋爐燃燒率指令的形成如下式： )()1( 011 TITTB PPsKPPsPPN ???? (37) 可見(jiàn)，鍋爐燃燒率指令的前饋信號(hào)不是式 (35)那樣的 負(fù)荷指令 N0，而是 P1／ PT 的能量平衡信號(hào)。上式中負(fù)荷指令的微分項(xiàng)可使汽內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 15 機(jī)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生動(dòng)態(tài)過(guò)開(kāi)，能提高汽機(jī)的負(fù)荷適應(yīng)性。 該機(jī)側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)反饋回路，即由 P1作為反饋信號(hào)的內(nèi)回路和以 NE作為反饋信號(hào)的外回路。 在該系統(tǒng)中，功率偏差 (N0? NE)送入汽機(jī)控制回路，機(jī)前壓力 PT與給定值的偏差作為鍋爐的燃燒率指令，該系統(tǒng)屬于以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制。這種系統(tǒng)的一個(gè)主要特點(diǎn)是采用能量平衡信號(hào) P1／ PT取代功率給定信號(hào) NO，作為鍋爐控制回路的前饋信號(hào)，其中 P1為汽機(jī)第一級(jí)后的汽壓， PT為機(jī)前壓力，兩者的比值 P1／ PT與汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度成正比，無(wú)論什么原因引起的調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化， P1／ PT都對(duì)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度的微小變化作出靈敏的反應(yīng)。當(dāng)汽機(jī)調(diào)節(jié)閥產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，機(jī)前壓力與實(shí)發(fā)功率變化方向相反 ，控制回路能較快地消除擾動(dòng)。因此在汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開(kāi)大克服燃料內(nèi)擾的同時(shí)，又產(chǎn)生對(duì)汽機(jī)的擾動(dòng)。 從圖 34(ｂ )可以看出，負(fù)荷要求指令 N0(功率給定值 )作為 前饋信號(hào)分別送到機(jī)、爐控制回路 ,使機(jī)爐同時(shí)改變負(fù)荷 ,以保證快速響應(yīng)外界負(fù)荷要求。在一定范圍內(nèi)， K值反映了在一定功率偏差下可利用的蓄熱量的大小。這時(shí)PI控制器立即增大調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度，增大實(shí)發(fā)功率。這樣能充分利用鍋爐的蓄熱能力提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)特性。 汽機(jī)側(cè)以汽壓偏差作為反饋信號(hào)，形成對(duì)汽機(jī)側(cè)的 PI 反饋控制。鍋爐燃燒率根據(jù)汽壓偏差而修正，例如，當(dāng) PT?P0時(shí)應(yīng)使燃燒率適當(dāng)增加以補(bǔ)足由于汽壓偏低而使鍋爐蓄能的減少。 鍋爐側(cè)以功率偏差作為反饋信號(hào)，形成對(duì)鍋爐側(cè)的積分 (Ⅰ )反饋控制 (積分增益同 P0 成正比。鍋爐側(cè)是以 N0(1＋ d/dt)作為前饋信號(hào)，形成對(duì)鍋 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 13 爐側(cè)的前饋控制作用。第二個(gè)方法是引入 (P0－ PT)的反饋信號(hào)，其目的是根據(jù)汽壓偏差變化的情況確定調(diào)速汽門(mén)的開(kāi)度，限制調(diào)速汽門(mén)動(dòng)態(tài)開(kāi)得過(guò)大。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中采用兩個(gè)方法防 止調(diào)速汽門(mén)動(dòng)態(tài)開(kāi)得過(guò)大。 穩(wěn)態(tài)時(shí)，主汽壓力 PT等于給定值 P0 ，鍋爐的燃燒率指令等于負(fù)荷指令 N0即 NB＝ N0 可見(jiàn)鍋爐控制中把負(fù)荷指令信號(hào) N0(1＋ d/dt)作為前饋信號(hào)，其中微分作用在動(dòng)態(tài)過(guò)程中加強(qiáng)燃燒率指令，以補(bǔ)償機(jī)爐之間對(duì)負(fù)荷響 應(yīng)速度的差異，式 (31)中汽壓偏差信號(hào)和汽壓偏差信號(hào)的積分有二個(gè)作用，其一，反映了使汽壓恢復(fù)到給定值對(duì)鍋爐蓄熱量變化所需要的燃料量，其二，保證穩(wěn)態(tài)時(shí)汽壓等于汽壓的給定值。鍋爐側(cè)前饋信號(hào)的引入目的是促 使燃燒量隨負(fù)荷變化及早動(dòng)作補(bǔ)償鍋爐的惰性。鍋爐側(cè)是以 (1＋ d/dt) N0作為前饋信號(hào)，以 (P0－ PT)作為反饋信號(hào)。 按前饋回路分類(lèi) 按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制 (DIB) 按指令間接平衡的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的示意圖如圖 34(a)所示。 圖 33 綜合型協(xié)調(diào)控制方式 幾種不同的運(yùn)行方式間可以靈活的進(jìn)行切換，鍋爐出力受限制時(shí)，切至汽機(jī)跟隨方式；當(dāng)汽機(jī)出力受限制時(shí)，切至鍋爐跟隨方式。對(duì)于單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制質(zhì)量的評(píng)價(jià)，主要根據(jù)以下兩方面進(jìn)行：其一是能否盡快地響應(yīng)電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的負(fù)荷要求；其二是在內(nèi)、外擾作用下，機(jī)爐控制回路