超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與設計畢業(yè)設計論文.doc

南 京 工 程 學 院 畢業(yè)設計說明書 論文 專 業(yè) 熱熱能能與與動動力力工工程程 火火電電廠廠集集控控運運行行 題 目 超超臨臨界界機機組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的分分析析與與設設計計 畢業(yè)設計 論文 原創(chuàng)性聲明和使用授權說明畢業(yè)設計 論文 原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾 所呈交的畢業(yè)設計 論文 是我個人在指導教師 的指導下進行的研究工作及取得的成果 盡我所知 除文中特別加以 標注和致謝的地方外 不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究 成果 也不包含我為獲得 及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而 使用過的材料 對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體 均 已在文中作了明確的說明并表示了謝意 矚慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴 作 者 簽 名 日 期 指導教師簽名 日 期 使用授權說明使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集 保存 使用畢業(yè)設計 論文 的規(guī)定 即 按照學校要求提交畢業(yè)設計 論文 的印刷本和電子版本 學校有權保存畢業(yè)設計 論文 的印刷本和電子版 并提供目錄檢索與 閱覽服務 學?？梢圆捎糜坝?縮印 數(shù)字化或其它復制手段保存論文 在不以贏利為目的前提下 學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容 聞創(chuàng) 溝燴鐺險愛氌譴凈 作者簽名 日 期 學位學位論論文原文原創(chuàng)創(chuàng)性聲明性聲明 本人鄭重聲明 所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研 究所取得的研究成果 除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外 本論文 不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品 對本文的研 究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人完 全意識到本聲明的法律后果由本人承擔 殘騖樓諍錈瀨濟溆塹籟 作者簽名 日期 年 月 日 學位學位論論文版文版權權使用授使用授權書權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留 使用學位論文的規(guī)定 同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權 大學可以將本學位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐 涉密論文按學校規(guī)定處理 作者簽名 日期 年 月 日 導師簽名 日期 年 月 日 畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書 論論文文 中中文文摘摘要要 火電廠超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量被控對象 具有非線性 強 參數(shù)時變 大 遲延等特性 針對這些特性 需要對機組進行解耦控制 然后對控制算法進行改進 使系統(tǒng)更加穩(wěn)定的運行 本文首先 介紹了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案 其次 對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影 響因素進行了總結(jié) 分析了超臨界機組的動態(tài)特性以及超臨界機組在100 負荷下的動態(tài)數(shù)學模型 再次 通過對該超臨界機組數(shù)學模型相對增益的計 算 結(jié)果表明 該系統(tǒng)是以汽機跟隨為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 然后 分別 采用前饋解耦和對角陣解耦兩種方法對超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行了仿 真研究 比較解耦后與解耦前以及等效單回路的階躍響應曲線 最后 對 機組的控制效果進行改進 利用積分分離 PID 控制算法對超臨界 機組 100 負荷模型進行了仿真研究 并與常規(guī)PID 控制算法進行了比較 結(jié)果表明 積分分離 PID 控制算法比常規(guī) PID 控制算法 能夠顯著降低系統(tǒng)的超調(diào)量 使 系統(tǒng)更趨與穩(wěn)定運行 關鍵詞 協(xié)調(diào)控制 解耦控制 PID 控制 積分分離 PID 控制 畢畢業(yè)業(yè)設設計計說說明明書書 論論文文 外外文文摘摘要要 T Ti it tl le e The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical Unit A Ab bs st tr ra ac ct t The coordinated control system of boiler turbine is a complicated multi variable control object and it has some characters such as nonlinear time varying parameters and large delay According to these characteristics need to decouple control unit then to control algorithm was improved make the system more stable operation Firstly this article introduces the control schemes of coordinated control system are presented Secondly summarizes the influence of factors of coordination control system analyzes the dynamic characteristic of supercritical unit in 100 load and supercritical unit under the dynamic mathematical model Again through the calculation of relative gain mathematical model the result shows that this system is based on turbine follow coordinated control system Then we adopt feedforward decoupling and diagonal matrix decoupling two methods coordinated control system of supercritical unit simulated research compare decoupling control and not decoupling control effect and completely decoupling single loop control effect after the difference Finally on the unit control effect using improved integral separation PID control algorithm for supercritical unit 100 load model and simulation with the conventional PID control algorithm is compared results show that integral PID control algorithm is better than conventional PID control algorithm can significantly reduce the system overshoots make the system more hasten and stable operation K Ke ey yw wo or rd d The coordinated control system CCS Decoupling PID controller PID controller using integral separation 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 目錄 前言 1彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡 第一章 緒論 2謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔 1 1 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究目的及意義 2廈礴懇蹣駢時盡繼價騷 1 2 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 2煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚 1 2 1 國內(nèi)外協(xié)調(diào)控制的應用現(xiàn)狀 3鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴 1 3 研究內(nèi)容與研究計劃 4籟叢媽羥為贍僨蟶練淨 第二章 機爐協(xié)調(diào) 控制系統(tǒng)概述 6預頌圣鉉儐歲齦訝驊糴 2 1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述 12 6滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦 2 1 1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本策略 8鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡 2 2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型分析 10擁締鳳襪備訊顎輪爛薔 2 2 1 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點 10贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷 2 2 2 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 15壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚 第三章 多變量耦合系統(tǒng)概述 21蠟變黲癟報倀鉉錨鈰贅 3 1 概述 21買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄 3 2 前饋補償解耦法 27綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴 3 3 對角矩陣法 28驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦 3 4 解耦控制效果比較 34貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡 3 4 1 模型降階 5 34鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔 3 4 2 前饋補償法開環(huán)解耦控制效果比較 41構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖 3 4 3 對角矩陣法開環(huán)解耦控制效果的比較 46輒嶧陽檉籪癤網(wǎng)儂號澩 3 5 小結(jié) 51堯側(cè)閆繭絳闕絢勵蜆贅 第四章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略 53識饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒 4 1 機跟爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 54凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴 4 1 1 補償鍋爐側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 54恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦 4 1 2 補償汽機側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 55鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫 4 1 3 實現(xiàn)雙向補償?shù)臋C跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng) 56碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞 4 2 爐跟機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 57閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 4 2 1 補償鍋爐側(cè)擾動的爐跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng) 57氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩 4 2 2 補償汽機側(cè)擾動的爐跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng) 58釷鵒資贏車贖孫滅獅贅 4 2 3 實現(xiàn)雙向補償?shù)臓t跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng) 58慫闡譜鯪逕導嘯畫長涼 第五章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究與分析 60諺辭調(diào)擔鈧諂動禪瀉類 5 1 解耦后單回路控制系統(tǒng)的整定 60嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈 5 2 前饋法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較 67熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機庫 5 2 1 前饋法閉環(huán)解耦后的整定 67鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞 5 2 2 前饋補償法閉環(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 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖 5 3 對角矩陣法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較 74穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧 5 3 1 對角矩陣法解耦后的整定 74濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 5 3 2 對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銚銻縵嚌 鰻鴻鋟謎諏涼 5 4 小結(jié) 81擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類 第六章 改進積分算法的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究 82賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈 6 1 采用積分分離 PID 控制器的仿真研究 82塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊庫 6 2 小結(jié) 87裊樣祕廬廂顫諺鍘羋藺 第七章 結(jié)論 89倉嫗盤紲囑瓏詁鍬齊驁 參考文獻 90綻萬璉轆娛閬蟶鬮綰瀧 致謝 92驍顧燁鶚巰瀆蕪領鱺賻 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 1 頁 前前言言 眾所周知 我國現(xiàn)階段正處在電力建設的高峰期 根據(jù)國家的 十一五 電力規(guī)劃 2010 年發(fā)電裝機將要達到 5 8 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 1 65 億千瓦左右 而其中火電為8500 萬千瓦 到 2020 年全國規(guī)劃裝機容量預計達到9 9 5 億千瓦左右 其中 63 為火電裝機容量 而現(xiàn)階段300MW 600MW 等大容量 高參數(shù) 單元制機 組已經(jīng)成為火力發(fā)電的主力機組 1000MW 也已陸續(xù)投入生產(chǎn) 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩 涼 目前 超臨界機組是我國新建或擴建火力發(fā)電廠的主流機組 隨著越來越來 多的大容量 高參數(shù)機組的投運 現(xiàn)代化電力生產(chǎn)對機組運行安全性 經(jīng)濟性 要求的提高 使其自動化水平也得到了很大的提高 自動化已經(jīng)在生產(chǎn)過程中 起到了至關重要的作用 超臨界機組是以汽水一次循環(huán)為特征的直流鍋爐 是 強耦合 非線性 多參數(shù)的被控對象 必須同時考慮鍋爐慣性較大 汽機反應 較快的特點 將機爐看作聯(lián)系緊密的一體化對象 采用協(xié)調(diào)控制 CCS 策略 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在常規(guī)的機爐局部控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的復雜 控制系統(tǒng) 具有多種控制功能 能夠滿足不同運行方式和不同工況下的控制要 求 隨著技術的發(fā)展 對單元機組控制提出更高的要求 研究單元機組協(xié)調(diào)控 制系統(tǒng) 將有助于提高火電廠的自動化程度和安全經(jīng)濟運行水平 因此具有很 重要的現(xiàn)實意義 又由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對象是一個多變量被控對象 具 有非線性 參數(shù)時變 大遲延等特性 而且機 爐耦合嚴重 機 爐響應特性 差異巨大 精確的數(shù)學模型難于得到 常規(guī)機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略遠遠 不能滿足電網(wǎng)對單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的要求 因此 需要對單元機組協(xié)調(diào)控 制系統(tǒng)的被控對象特性及控制策略進行深入研究 鎦詩涇艷損樓紲鯗餳類 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 2 頁 第第一一章章 緒緒論論 1 1 1 1 單單元元機機組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的研研究究目目的的及及意意義義櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟 近年來 隨著我國電力工業(yè)體制改革及電力建設步伐的加快 長期制約國民 經(jīng)濟發(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 控制對單元機組提出了深度調(diào)峰 的要求 對單元機組來說 也就是對其協(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 大范圍的負荷變動 良好的負荷動靜態(tài)跟蹤性能 穩(wěn)定性能等 目前 我國中小機組還占相當大的比例 且自動化水平較低 造成 CCS 的投入率很 低 即使是大容量的新機組 其 CCS 的投入水平也往往不能適應電網(wǎng) AGC 的要求 因此 設計合理適用的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)方案 改造不同容量的新老機組是迫切需要解 決的實際問題 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)把鍋爐和汽輪機發(fā)電機組作為一個整體進行控制 采 用了遞階控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 把自動調(diào)節(jié) 邏輯控制 聯(lián)鎖保護等功能有機的結(jié)合 在一起 構(gòu)成一種具有多種控制功能 滿足不同運行方式和不同工況下控制要 求的綜合控制系統(tǒng) 單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計充分利用了機爐對象特性方 面的特點 采用了前饋 補償 多變量解耦等控制策略 使控制系統(tǒng)具有合理 可靠 易于維護調(diào)整等優(yōu)點 峴揚斕滾澗輻灄興渙藺 1 1 2 2 單單元元機機組組協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)的的 研研究究現(xiàn)現(xiàn)狀狀詩叁撻訥燼憂毀厲鋨驁 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)展的基礎按照機 跟爐或爐跟機的方式來劃分 另一種是從能量平衡的觀點出發(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) 就是維持機組在運行過程中機爐之間供需能量的平衡 通常把機前壓力P 作 為鍋爐輸出能量與汽機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 持整個機組能量平衡的系統(tǒng) 稱為間接能量平衡系統(tǒng) 通過構(gòu)造出能量平衡信 號 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) 從目前工 01 程領域的應用來看 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)都屬于近似解禍設計方法范疇 這類系統(tǒng)通常具有以下局限性 則鯤愜 韋瘓賈暉園棟瀧 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 3 頁 l 間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計往往是在機爐獨立控制回路的基礎上 加入前饋控制 這種設計是基于靜態(tài)的近似解禍 因此無法考慮系統(tǒng)的不確定 性擾動 非線性等因素 系統(tǒng)的魯棒性能較差 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻 2 鍋爐系統(tǒng)的大時延 大慣性等問題沒有充分的考慮 因此很難在快速的 汽輪機控制回路和相對較慢的鍋爐控制回路之間達到快速的能量平衡 鰓躋峽 禱紉誦幫廢掃減 3 系統(tǒng)的設計與整定一般基于特定的工作點線性化處理 沒有考慮動態(tài)非 線性及大范圍適應性等 4 基于簡化的建立在傳遞函數(shù)基礎上的單元機組動態(tài)數(shù)學模型來設計的協(xié) 調(diào)控制系統(tǒng)無法考慮相關系統(tǒng)相對較弱的禍合關系的影響及機組的動態(tài)時變性 等 稟虛嬪賑維嚌妝擴踴糶 02 1 1 2 2 1 1 國國內(nèi)內(nèi)外外協(xié)協(xié)調(diào)調(diào)控控制制的的應應用用現(xiàn)現(xiàn)狀狀 目前 國內(nèi)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本上都是在引進系統(tǒng)的基礎上設計和改進的 國內(nèi)廠家以和利時公司的 HS 2000 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用了國外的控制系統(tǒng) 廣東沙角發(fā)電廠 A 廠 3 號機組 采用德國 Hartmann 主汽壓力 P MPa 中間點焓 值 H kJ kg 給煤量 B t h 給水量 W t h 對各組數(shù)據(jù)進行去噪處理后通過 編程對被控對象進行多變量系統(tǒng)的整體辨識 數(shù)據(jù)的去噪采用軟閾值處理方法 例如給煤量數(shù)據(jù)去噪 MATLAB 實現(xiàn)語句為 譽諶摻鉺錠試監(jiān)鄺儕瀉 M 3 X wden B rigrsure s m ln M sym4 采用上述自適應遺傳系統(tǒng)辨識方法進行辨識 辨識結(jié)果為 BestS 157 6942 3 1904 42 2122 0 3027 10 5315 1 9382 4 9925 8 8999 45 8783 94 4774 22 7701 128 0847 105 3025 87 7958 8 2869 101 5385 75 0311 41 2927 105 7540 145 7527 30 4466 75 3121 10 8201 16 5258 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 18 頁 2 2897儔聹執(zhí)償閏號燴鈿膽賾 即 100 負荷下的傳遞函數(shù)為 15 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 16 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 17 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 18 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 19 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 20 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 21 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 分別對汽機調(diào)門開度階躍變化 1 給煤量階躍變化 1t h 則在 100 工況 下功率 主汽壓力 中間點焓值輸出響應分別如圖2 9 2 10 所示 縝電悵淺靚 蠐淺錒鵬凜 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 19 頁 1 汽機調(diào)門開度階躍變化 1 響應曲線 如圖 2 9 所示 T a 功率響應曲線 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 20 頁 a 壓力響應曲線 圖 2 9 汽機調(diào)門開度階躍變化 1 響應曲線 2 給煤量 B 階躍變化 1t h 響應曲線 如圖 2 10 所示 a 功率響應曲線 b 壓力響應曲線 c 中間點焓值響應曲線 圖 2 10 給煤量階躍變化 1t h 響應曲線 通過圖 2 10 與圖 2 6 的比較發(fā)現(xiàn) 此處選擇的數(shù)學模型的階躍響應曲線與 超臨界機組的動態(tài)特性基本有一致 是符合超臨界協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學模型 驥 擯幟褸饜兗椏長絳粵 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 21 頁 第第三三章章 多多變變量量耦耦合合系系統(tǒng)統(tǒng)概概述述 3 3 1 1 概概述述 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個多變量控制系統(tǒng) 從理論上說 完全可以按 多變量控制理論進行控制系統(tǒng)的設計 但由于受控對象數(shù)學模型的精度不高 控制器結(jié)構(gòu)復雜 設計方法不便于工程技術人員掌握等條件限制 目前直接按 照多變量控制系統(tǒng)分析設計理論進行單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計與綜合 還 處于初級階段 但隨著多變量控制技術的發(fā)展與完善及計算機控制系統(tǒng)的廣泛 應用 這一問題將逐步得到解決 癱噴導閽騁艷搗靨驄鍵 當回路間存在嚴重耦合時 即使采用最好的回路匹配也得不到滿意得控制效 果 一種簡單 有效解決方法是對系統(tǒng)進行解耦 解耦的本質(zhì)在于設計一個計 算網(wǎng)絡 用它去抵消過程中的關聯(lián) 以保證各個單回路控制系統(tǒng)能獨立工作 鑣 鴿奪圓鯢齙慫餞離龐 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 22 頁 下面我們以某廠 1000MW 超臨界機組在 100 負荷下協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的三輸 入 汽輪機調(diào)門開度 T 給煤量 B 給水量 W 三輸出 功率 N 主汽壓 P 主汽溫 T 中間點焓值 H 的數(shù)學模型進行解耦控制 欖閾團皺鵬緦壽驏頦蘊 W B GG GGG GG H P N T 3332 232221 1211 0 0 1211 BGG T N 232221 BGWGGP T 3332 WG BGH 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 一 三輸入三輸出的相對增益 相對增益 是一個尺度 用來衡量一個預先選定的調(diào)節(jié)量 j對一個特定 的被調(diào)量 yi的影響 對于一個三輸入三輸出的多變量系統(tǒng) 假設y 是包含系統(tǒng)所有被調(diào)量 yi y1 N y2 P y3 H 的列向量 是包含所有調(diào)節(jié)量 j 1 T 2 B 3 W 的列向量 為了衡量系統(tǒng)的關聯(lián)性質(zhì)首先在所有其他回路均為開環(huán) 即所有其 他調(diào)節(jié)量都保持不變的情況下 得到開環(huán)增益矩陣P 這里記作 遜輸吳貝義鰈國 鳩猶騸 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 23 頁 P y 其中 矩陣 P 的元素 pij的靜態(tài)值稱為 j到 yi通道的第一放大倍數(shù) 它是指調(diào) 節(jié)量 j改變了一個時 其他調(diào)節(jié)量 r 均不變的情況下 j與 yi r j 之間通道的開環(huán)增益 顯然它就是除 j到 yi通道以外 其他通道全部斷開時 所得到的 j到 yi通道的靜態(tài)增益 可表為 幘覘匱駭儺紅鹵齡鐮瀉 r j i ij y p 然后 在所有其他回路均閉合 即保持其他被調(diào)量都不變的情況下 找出各通 道的開環(huán)增益 記作矩陣 Q 它的元素 qij的靜態(tài)值稱為 j到 yi通道的第二放 大倍數(shù) 它是指利用閉合回路固定其他被調(diào)量時 j到 yi的開環(huán)增益 qij可以 表為 誦終決懷區(qū)馱倆側(cè)澩賾 r y j i y ij q 有了矩陣 P 和 Q 取它們相應元素的比值構(gòu)成新的矩陣 元素可以寫作 ij r r y j i j i ij ij ij y y q p 上式即為 j到 yi這個通道的相對增益 矩陣 則稱為相對增益矩陣 所以該控制系統(tǒng)的第一放大倍數(shù)分別為 11BW T1 1 11 N p 32 G y 12W 2 1 12 T31 N pG B y 0 N p B 3 1 13 T21 W y 21BW 1 2 21 P p 32 G y T 22W 2 2 22 T31 P pG B y 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 24 頁 23B 3 2 23 T21 N pG W y 0 H p BW 1 3 31 31 T y 32W 2 3 32 T31 H pG B y 33B 3 3 33 T21 H pG W y 第二放大倍數(shù)分別為 PH T1 1 11 N q 32 yy y 由于 1 1211 BGG T N 2 232221 BGWGGP T 3 3332 WG BGH 將 N 分別用 P H 表示 T 由 3 式得 4 33 32 G BG H W 將 4 帶入 2 式得 B BG 33 3223 22 33 23 21 23 33 32 2221 G GG G G HG G G G BGH GP T T 故 32233322 233321T33 33 3223 22 33 23 21T GG GG HG GG PG G GG G G HG G P B 所以 12 32233322 23332133 11TG NG GGGG HGGGPG T 所以 32233322 332112 11PH T1 1 11 G N q 32 GGGG GGGy yy 同理可得 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 25 頁 3321 322311332211 12PH 2 1 12 GN q 32 GG GGGGG G B y yy 3312 322311332211 21NH T1 2 21 GG GGGP q 31 GGG G y yy 3311 322311332112 22NH 2 2 22 GG GGGGGG G P q 31 B y yy 3211 332112332211 23NH 3 2 23 P q 31 GG GGGGGG G W y yy 2311 332112332211 32NP 2 3 32 H q 21 GG GGGGGG G B y yy 21122211 322311 33NP 3 3 33 GH q 21 GGGG GG G W y yy 所以該系統(tǒng)的相對增益矩陣 為 332112322311332211 322311332211 1 1 1 1 11 11 11 32 32 GGGGGGGGG GGGGGG y y q p yy 322311332211332112 332112 2 1 2 1 12 12 12 GGGGGG GGG GGG 32 31 yy y y q p 0 32 21 3 1 3 1 13 13 13 yy y y q p 322311332211332112 332112 1 2 1 2 21 21 21 31 32 GGGGGGGGG GGG y y q p yy 322311332112332211 332211 2 2 2 2 22 22 22 31 31 GGGGGGGGG GGG y y q p yy 332112332211322311 322311 3 2 3 2 23 23 23 GGG GGG GGG 31 21 GGG y y q p yy 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 26 頁 0 21 32 1 3 1 3 11 31 31 yy y y q p 332112332211322311 322311 2 3 2 3 32 32 32 GGG GGG GGG 21 31 GGG y y q p yy 322311332112332211 332112332211 3 3 3 3 33 33 33 GGG GGG GGG GGG GGG 21 21 yy y y q p 令 則傳遞函數(shù)的靜態(tài)值為 0s 0 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 1904 3 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 2122 42 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 3027 0 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 0 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 9382 1 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 9925 4 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 所以系統(tǒng)的靜態(tài)相對增益為 0 11 1 12 0 13 1 21 0 22 0 23 0 31 0 32 1 33 即 100 001 010 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 27 頁 由上述相對增益可可發(fā)現(xiàn) 111 332112 表明靜態(tài)時 由和組成的控制回路與其他回路之間沒有關聯(lián) 1 y 2 由和組成的控制回路與其他回路之間沒有關聯(lián) 2 y 1 由和組成的控制回路與其他回路之間沒有關聯(lián) 3 y 3 而 則表明不能用來控制 0 323123221311 ij j i y 根據(jù)靜態(tài)相對增益 得到靜態(tài)時系統(tǒng)的單回路控制系統(tǒng)如圖3 1 圖 3 1 根據(jù)靜態(tài)相對增益得到單回路控制系統(tǒng) 根據(jù)相對增益矩陣 可將該機組100 負荷下的數(shù)學模型轉(zhuǎn)化為如圖3 2 形式 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 28 頁 圖 3 2 根據(jù)相對增益調(diào)整后的數(shù)學動態(tài)模型 3 3 2 2 前前饋饋補補償償解解耦耦法法 前饋補償法是自動控制中最早出現(xiàn)的一種克服干擾的方法 同樣適用于解耦 控制系統(tǒng) 圖所示為應用前饋補償器來解除系統(tǒng)間耦合的方法 假定從到 T 通路中的補償器為 從到通路中的補償器為 從到通路 1c 11 DW 2c 23 DB 2c 中的補償器為 從到通路中的補償器為 利用補償原理得到圖 3 22 DB 3c 32 D 3 醫(yī)滌侶綃噲睞齒辦銩凜 圖 3 3 前饋補償法解耦控制系統(tǒng) 0GD 0G 0GD 0GD 333232 121111 212323 212222 G GD G G 由上四式可分別解出補償器的數(shù)學模型 1 s8783 45 1999s3 1904 8 8 1 128 0847s 17701 22 14774 94 6942 157 12 11 11 sss G G D 15385 101 12968 8 2122 42 17958 87 13025 105 3027 0 21 22 22 ss ss G G D 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 29 頁 17504 105 12927 41 10311 75 2122 42 17958 87 13025 105 5315 10 21 23 23 sss sss G G D 1 s1 75 3121s1 30 4466 7527s4 9925 145 1 1 2 2987ss1 16 52588201s1 9382 10 G G D 33 32 32 3 3 3 3 對對角角矩矩陣陣法法 研究某廠 1000MW 燃煤機組在 100 負荷上三輸入 三輸出的控制系統(tǒng)如 圖 3 2 所示 設均為解耦器 為計算 33322322211211 sDsDsDsDsDsDsD 出解耦器的數(shù)學模型 先寫出該系統(tǒng)的傳遞矩陣G s 由靜態(tài)相對增益 原 控制圖形進行了調(diào)整 調(diào)整后的傳遞矩陣為 艫當為遙頭韙鰭噦暈糞 0 sG 0 3332 232122 1112 sG sGsGsG sGsG sG 被調(diào)量 yi和調(diào)節(jié)量 i之間的矩陣為 1 0 0 s s Y s 3 2 1 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sGsG sGsGsG sGsG Y Y 調(diào)節(jié)量 Mi s 與調(diào)節(jié)器輸出 Mci s 之間的矩陣為 2 0 0 s M s M s M 3 2 1 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsDsD sDsD c c c 將 2 式代入 1 式得到系統(tǒng)傳遞矩陣為 3 0 0 0 0 s s Y s 3 2 1 3332 232122 1112 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsDsD sDsD sGsG sGsGsG sGsG Y Y c c c 對角矩陣綜合法即要使系統(tǒng)傳遞矩陣成為如下形式 4 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 33 21 12 3 2 1 sM sM sM sG sG sG Y Y c c c 將 3 式和 4 式相比較可知 欲使傳遞矩陣成為對角矩陣 則要使 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 30 頁 5 s G00 0 s G0 00 s G 0 0 0 0 33 21 12 3332 232122 1112 3332 232122 1112 sDsD sDsDsD sDsD sGsG sGsGsG sGsG 如果傳遞矩陣 G s 的逆存在 則將式 5 式兩邊左乘 G s 矩陣之逆矩陣得到 解耦器數(shù)學模型為 00 0 0 00 s 1 s G00 0 s G0 00 s G 0 s 0 0 s 0 33 21 12 2211211232113221 2312331233223223 231133113321 332211322311332112 33 21 12 1 3332 232122 1112 3332 232122 1112 sG sG sG sGsGsGsGsGGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG sGG sGsGsG sGsG sDD sDsDsD sDsD s 1 332211332112322111322112 332312332112332212322312 332311332111332112 332211322311332112 sGsGsGsGsGsGsGsGGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG 6 按式 6 就可以組成如圖 3 4 所示的解耦控制系統(tǒng) 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 31 頁 圖 3 4 對角矩陣法解耦控制系統(tǒng) 將解耦器帶入上圖 發(fā)現(xiàn) 說明將不再受的影響0 GD 211211211 C MGD 1 y 2c 說明將不再受的影響0 GD 133323212 C MGD 3 y 1c 說明完全對角矩陣法解除不了0 323332123122122122 CC MGDGDMGDGD 對的影響 故不能達到完全解耦 不行形成單回路控制系統(tǒng) 31cc 2 y 由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可發(fā)現(xiàn) 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 為微分環(huán)節(jié) 當系統(tǒng)處于靜態(tài)時 其輸出為0 在此不考慮對其進行 2311 GG 解耦 所以對該控制系統(tǒng)進行部分對角矩陣法解耦 解耦器設計如圖3 5 所 示 鴣湊鸛齏嶇燭罵獎選鋸 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 32 頁 圖 3 5 部分對角矩陣法解耦控制系統(tǒng) 傳遞函數(shù)為 0 sG 0 00 3332 2122 12 sG sGsG sG sG 被調(diào)量 yi和調(diào)節(jié)量 i之間的矩陣為 1 0 0 00 s s Y s 3 2 1 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sGsG sGsG sG Y Y 調(diào)節(jié)量 Mi s 與調(diào)節(jié)器輸出 Mci s 之間的矩陣為 2 0 0 00 s M s M s M 3 2 1 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsD sD c c c 將 2 式代入 1 式得到系統(tǒng)傳遞矩陣為 3 0 0 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 3332 2122 12 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsD sD sGsG sGsG sG Y Y c c c 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 33 頁 對角矩陣綜合法即要使系統(tǒng)傳遞矩陣成為如下形式 4 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 33 21 12 3 2 1 sM sM sM sG sG sG Y Y c c c 將 3 式和 4 式相比較可知 欲使傳遞矩陣成為對角矩陣 則要使 5 s G00 0 s G0 00 s G 0 0 00 0 0 00 33 21 12 3332 2122 12 3332 2122 12 sDsD sDsD sD sGsG sGsG sG 如果傳遞矩陣的逆存在 則將式 5 式兩邊左乘矩陣之逆矩陣得到G s G s 解耦器數(shù)學模型為 00 0 0 00 0 0 00 1 s G00 0 s G0 00 s G 0 s 0 00 0 s 0 00 33 21 12 21123221 33123322 3321 332112 33 21 12 1 3332 2122 12 3332 2122 12 sG sG sG sGsGsGsG sGsGsGsG sGsG sGsGsG sGG sGsG sG sDD sDsD sD 10 01 001 0 0 00 1 33 32 21 22 332112322112 332112332212 332112 332112 G G G G sGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsG sGsGsG sGsGsG 6 按式 6 就可以組成如圖所示的解耦控制系統(tǒng) 即 33 32 32 21 22 22 332112 G G D G G D 1D1D1D 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 34 頁 將解耦器帶入上圖 發(fā)現(xiàn) 說明將不再受的影響0 GD 1212221212 C MGD 2 y 1c 說明將不再受的影響0 GD 133323212 C MGD 3 y 1c 則實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的完全解耦 得到單回路控制系統(tǒng) 如圖3 6 所示 圖 3 6 利用部分對角矩陣法得到的三個彼此獨立的系統(tǒng) 由單回路控制系統(tǒng)可發(fā)現(xiàn) 該燃煤電廠1000MW 機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為以汽 輪機跟隨鍋爐為基礎的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng) 筧驪鴨櫨懷鏇頤嶸悅廢 3 3 4 4 解解耦耦控控制制效效果果比比較較 3 3 4 4 1 1 模模型型降降階階 5 在系統(tǒng)的研究中 模型降階技術有很重要的作用 其目的是使高階系統(tǒng)用一 個低階的模型近似 這樣高階系統(tǒng)可按低階系統(tǒng)處理 為分析設計高階系統(tǒng)帶 來方便 韋鋯鯖榮擬滄閡懸贖蘊 模型降階技術是系統(tǒng)分析 設計和仿真中不可缺少的一環(huán) 其基本思想是使原 始系統(tǒng)的系數(shù)矩陣的階次降低 并保留原系統(tǒng)的主導特征值和一些重要的狀態(tài) 濤貶騸錟晉鎩錈撳憲騸 在 MATLAB 控制系統(tǒng)工具箱中提供了基于平衡實現(xiàn)降階函數(shù)BALREAL 和 MODRED 函數(shù) BALREAL 計算可控及可觀測的 Gram 矩陣 并對原系統(tǒng) 進行等價變換 將原系統(tǒng)分成兩部分 其中一部分包含原系統(tǒng)矩陣較大奇異值 而另一部分包含較小奇異值 平衡實現(xiàn)系統(tǒng)完全與原系統(tǒng)等價 如下式所示 鈿 蘇饌?cè)A檻榪鐵樣說瀉 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 35 頁 3 5 2 1 b 2b 1b b 2 b 1 2 1 b 22b 21 b 1211 b 2 1 C C C B B A A A A x x u x x tx tx 如果截取對應于小奇異值的子系統(tǒng) 則降階模型為 uzyuzzDC BA 1b 1b 11b 111 3 6 在 MATLAB 中 函數(shù) BALREAL 的調(diào)用格式為 sysb balreal sys 3 7 戧礱風熗澆鄖適濘嚀贗 sysh g balreal sys 3 8 購櫛頁詩燦戶踐瀾襯鳳 其中 sys 為原系統(tǒng) sysb 為平衡實現(xiàn)系統(tǒng) 式 3 8 與原系統(tǒng)等價 g 為平衡對角線 gram 矩陣 在 MATLAB 中 函數(shù) MODRED 用于系統(tǒng)降階實現(xiàn) 其調(diào)用格式為 sysmde modred sysb elim mde sysdel modred sysh elim del 其中 sys 常為函數(shù) halreal 變換的模型 elim 為待消去的狀態(tài) rsys 為降 階后的系統(tǒng) mde 降階中保持增益匹配 del 降階中不保持匹配 囁奐闃 頜璦躑谫瓚獸糞 將系統(tǒng)狀態(tài)空間模型轉(zhuǎn)化成傳遞函數(shù)模型 函數(shù)用系統(tǒng)狀態(tài)空間模型來求取其傳遞函數(shù)模型 調(diào)用格式為 SS2TF num den ss2tf a b c d 其中 a b c d 為系統(tǒng)狀態(tài)方程系數(shù)矩陣 返回結(jié)果den 和 num 分別為傳遞函 數(shù)分母和分子多項式系數(shù)向量 虛齬鐮寵確嶁誄禱艫鋸 一 前饋補償法解耦器的模型降階一 前饋補償法解耦器的模型降階 由饋補償法得到前饋補償解耦器分別為 1 s8783 45 1999s3 1904 8 8 1 128 0847s 17701 22 14774 94 6942 157 12 11 11 sss G G D 15385 101 12968 8 2122 42 17958 87 13025 105 3027 0 21 22 22 ss ss G G D 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 36 頁 17504 105 12927 41 10311 75 2122 42 17958 87 13025 105 5315 10 21 23 23 sss sss G G D 1 s1 75 3121s1 30 4466 7527s4 9925 145 1 1 2 2987ss1 16 52588201s1 9382 10 G G D 33 32 32 由于解耦器的階次較高 故采用模型降階的方法對解耦器進行降階處理 用 MATLAB 對解耦器的傳遞函數(shù)進行編程 如下 num11 157 6942 0 den11 conv 8 8999 1 45 8783 1 sys11 tf num11 den11 num12 0 3 1904 den12 conv 94 4774 1 conv 22 7701 1 128 0847 1 與頂鍔筍類謾蠑紀黽廢 sys12 tf num12 den12 num21 0 42 2122 den21 conv 105 3025 1 87 7958 1 sys21 tf num21 den21 num22 0 0 3027 den22 conv 8 2968 1 101 5385 1 sys22 tf num22 den22 num23 10 5315 0 den23 conv 75 0311 1 conv 41 2927 1 105 7540 1 結(jié)釋鏈蹌絞塒繭綻綹蘊 sys23 tf num23 den23 num32 0 1 9382 den32 conv 145 7527 1 conv 30 4466 1 75 3121 1 餑詘鉈鯔縹評繒肅鮮驃 sys32 tf num32 den32 num33 0 4 9925 den33 conv 10 8201 1 conv 16 5258 1 2 2987 1 爺纜鉅摯騰廁綁藎箋潑 sys33 tf num33 den33 sys1 sys11 sys12 sys2 sys22 sys21 南京工程學院畢業(yè)設計說明書 論文 第 37 頁 sys3 sys23 sys21 sys4 sys32 sys33 注 4 3 2 1sys 32232211 sysDsysDsysDD 1 對解耦器進行模型降階 11 D sys1 sys11 sys12 Transfer function 4 345e007 s 4 2 707e006 s 3 3 869e004 s 2 157 7 s錁熾邐繒薩蝦竇補飆贗 1303 s 2 174 8 s 3 19 由 sys1 運行結(jié)果發(fā)現(xiàn) 分子階次比分母高 故不能采用模型降階的方式 在這 里 取其靜態(tài)值 令 得到 0s 01 11 sysD 2 對解耦器進行模型降階 22 D 用 MATLAB 編寫程序如下 D22 解耦器的模型降階 sysb22 balreal