畢業(yè)論文：分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究（終稿）

1、畢 業(yè) 設 計(論文)題目 分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究院 系自動化系專業(yè)班級自動化專業(yè)xxxx班學生姓名xxx指導教師于希寧二一年六月華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）分段串級汽溫控制系統(tǒng)性能分析與仿真研究中文摘要 隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的高參數(shù)大容量機組陸續(xù)投產。從發(fā)展趨勢看, 600mw 及以上等級的火電機組已成為大電網的主力機組。同時大容量機組的不斷增加和電網調度自動化程度的日益提高，對火電廠機組的控制品質提出了更高的要求。主蒸汽溫度是鍋爐運行中的主要參數(shù),它的高低直接影響鍋爐安全穩(wěn)定運行。鍋爐主汽溫控制有非線性和時變性。其大延時和大慣性的特點使其一直以來都成為火

2、電廠自動控制的難點。 本次畢業(yè)設計，針對分段串級汽溫控制系統(tǒng)的特點，組成及工作原理進行分析，提出一種適合大遲延對象的并能在實際中得到應用的控制策略后，進行仿真實驗，研究其動態(tài)特性與魯棒性。 關鍵字：過熱器，分段控制，串級控制，過熱汽溫，控制策略 steam temperature cascade control sub-system performance analysis and simulationabstractwith chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-paramete

3、r units have put into production. from the development trend, above 600 mw unit will become a main unit of the power grids in the future. with the increasing of the large-capacity unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the

4、 thermal power plant unit. supercritical generating units is the development of large-capacity generating units in china will also become the main force units. the main steam temperature is the main parameters in the boiler operation, which affect the safe and stable operation of boiler directly. th

5、e control of main steam temperature in the boiler is nonlinear and time variability. it is very difficult to control for the large delay and the inertia of its characteristics. in this paper, we focused on the characteristics, composition, and the principles analysis of main steam temperature contro

6、l system and and propose a control strategy that fits the largedelay control ststem and can be applied in practice.then ,we must conduct the simulation and dynamic performance analysis.keywords: superheater，segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategyii華北電力大學本科畢業(yè)設計（

7、論文）目 錄中文摘要iabstractii第一章 緒論31.1 電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況31.2 課題內容和背景31.2.1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程31.2.2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程41.2.3 過熱器的分段控制策略41.2.4 過熱汽溫控制的意義及控制難點41.2.5 串級控制策略51.3 本文的研究內容6第二章 主汽溫熱力系統(tǒng)及控制策略分析72.1 直流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別72.2 過熱器的工藝流程72.3 汽溫調節(jié)對象的動態(tài)特性82.4 過熱汽溫的分段控制策略92.5 主汽溫控制的任務分配102.6 串級控制系統(tǒng)的概述112.7 串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)13第三章 主汽溫控制

8、策略153.1 概述153.2 模糊控制論163.3神經網絡控制及其與模糊控制的結合173.4 smith預估器18第四章 分段串級控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn)194.1 過熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖194.2 過熱汽溫控制連鎖邏輯214.2.1 一級減溫噴水控制邏輯224.2.2 二級減溫水噴水控制邏輯23第五章 分段串級汽溫控制系統(tǒng)的仿真實驗245.1 調節(jié)器參數(shù)的工程整定法245.2 被控對象數(shù)學模型245.3 主汽溫控制系統(tǒng)simulink仿真及性能分析255.3.1 主汽溫控制系統(tǒng)simulink組態(tài)圖255.3.2 主汽溫控制系統(tǒng)在設定值擾動下的仿真255.3.3 主汽溫控制系統(tǒng)在減溫水擾動下

9、的仿真265.3.4主汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測試275.4 一級汽溫控制系統(tǒng)的simulink仿真及性能分析275.4.1一級汽溫控制系統(tǒng)simulink組態(tài)圖275.4.2 一級汽溫在設定值擾動下的響應曲線285.4.3 一級汽溫在減溫水擾動下的響應曲線285.4.4 一級汽溫控制系統(tǒng)魯棒性測試29第六章 總結30參考文獻31致 謝32華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）第一章 緒論1.1 電力行業(yè)發(fā)展現(xiàn)況電力行業(yè)是國民經濟發(fā)展的重要支柱，是人類社會生產和生活必不可少的重要產業(yè)。在我國各大電力系統(tǒng)中，主力機組的單機容量已有300mw過渡到600mw，并繼續(xù)到1000mw邁進。隨著單機容量的增大，初蒸

10、汽參數(shù)也向高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界壓力逐步過渡。超臨界機組是我國近期發(fā)展起來的大容量機組，并逐漸將成為國家電力行業(yè)的主力機組。就目前看來，我國發(fā)電還是主要以火力發(fā)電為主，由于我國的煤炭儲量還較為豐富，所以火力發(fā)電廠主要還是燃煤電廠，而考慮到煤炭、石油、天然氣等資源的有限性和不可再生性以及我國水利資源的可觀性，我國這幾年正在大力發(fā)展水電站。除此以外，核電事業(yè)的發(fā)展也取得了很好的成績，如新建的三門核電站、福清核電站等。這標志著我國的發(fā)電模式逐漸向環(huán)保、節(jié)能、高效、多元、安全、低耗、環(huán)保、調度靈活的電力系統(tǒng)目標發(fā)展。數(shù)據(jù)顯示，截至2009年底，全國發(fā)電設備容量87407萬千瓦，同比增長

11、10.23%。其中，水電19679萬千瓦，占總容量22.51%，同比增長14.01%；火電65205萬千瓦，占總容量74.60%，同比增長8.16%。水電占總容量比重上升0.74個百分點，而火電占比則減少1.45個百分點。從上可知，在未來很長的一段時間內，火電機組仍是發(fā)電的主力?；痣姀S日漸朝著大機組大容量的方向發(fā)展，這樣可以提高熱效率，每千瓦的建設投資和發(fā)電成本也會降低。目前，我國發(fā)電主要是向600wm、1000wm機組的目標邁進。由于超臨界和超超臨界機組可以調高煤炭利用率、降低環(huán)境污染、提高經濟性的優(yōu)勢，發(fā)展超臨界機組和超超臨界機組是必然趨勢。1.2 課題內容和背景 1.2.1 汽包爐主汽溫

12、控制系統(tǒng)的工藝流程汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)是由汽包，水冷壁，減溫器和過熱器串聯(lián)而成。其工藝流程可以從圖1-1中看出。主汽溫控制系統(tǒng)采用分段控制策略，具體內容可見1.2.4。汽包爐主汽溫調節(jié)可以分為a、b兩側，蒸汽經過a、b兩側過熱器后進入聯(lián)合混熱箱，最后通過蒸汽管道進入汽輪機。通過a、b兩側一級減溫器噴水注入過熱器來調節(jié)a、b兩側一級過熱器的出口蒸汽溫度，通過a、b兩側二級減溫器的噴水流量來控制主蒸汽溫度。 圖1-1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程圖 1.2.2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程 直流鍋爐沒有汽包，只有汽水分離器。直流鍋爐是依靠給水泵一次性的將通過省煤器預熱、水冷壁蒸發(fā)、過熱器各受

13、熱面而變成過熱蒸汽。其工藝流程可以從圖1-2中可以看出。直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)和汽包鍋爐一樣，采用分段控制、通過調節(jié)a、b兩側噴水流量調節(jié)蒸汽溫度。 圖1-2 直流鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的系統(tǒng)流程圖1.2.3 過熱器的分段控制策略 過熱器一般會分為低溫過熱器、屏式過熱器和高溫過熱器。過熱器采用兩級噴水減溫，一級噴水減溫器通常布置在屏式過熱器之前，且分布在過熱器的中間位置。二級噴水減溫器通常布置在高溫過熱器之前，同樣安裝在過熱器的中間位置。一級減溫器的作用是使屏式過熱器出口溫度維持在設定值，以保護屏式過熱器管壁不超溫，同時配合高溫過熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內，

14、并保持末級過熱器不超溫。過熱器每級噴水減溫系統(tǒng)均有兩只減溫器，每只減溫器均分a、b兩側。對于a、b兩側來說，由于其出口均有獨立的溫度測點，且溫度的設定值可以相互獨立，所以其控制系統(tǒng)可以設計為兩套獨立的汽溫控制策略。1.2.4 過熱汽溫控制的意義及控制難點 過熱汽溫控制對于機組的安全經濟的運行有著非常重要的意義，但同時也是最難控制的的系統(tǒng)之一，其控制難點主要體現(xiàn)在一下幾個方面：1）過熱汽溫的干擾因素很多，例如負荷，減溫水量等。2）在各種擾動量的干擾下汽溫對象具有非線性、時變等特性，使控制難度加大。3）汽溫對象具有大遲延、大慣性的特點，尤其是隨著機組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過熱受熱面的比例加大，使其

15、遲延和慣性進一步加大，增大了控制難度。但同時過熱汽溫控制對于機組安全經濟的運行有著相當重要的作用，主要有以下幾個方面：1） 過熱汽溫過高會使蒸汽管道金屬和鍋爐受熱面的蠕變加快，影響使用壽命。當超溫嚴重的時候，將會使材料強度急劇下降從而導致管道破裂。過熱汽溫過高還會導致汽輪機的汽缸、汽門、前幾級噴嘴和葉片的機械強度下降，導致使用壽命降低和設備損壞。2） 汽溫過低，將會影響機組的經濟性。當汽溫低的時候機組熱效率降低，煤耗增大。另外，汽溫降低會使汽輪機尾部的蒸汽濕度增大，影響汽輪機內部的熱效率，使汽輪機末幾級葉片的侵蝕加劇。此外，汽溫降低會使汽輪機所受的軸向推力增大，對汽輪機的安全運行很不利。3）

16、主汽溫變化過大，除使管材及有關部件產生疲勞外，還將引起汽輪機汽缸的轉子與汽缸的脹差變化，甚至產生劇烈振動，危及機組安全運行?？傊^熱汽溫是火電機組的主要參數(shù)。由于過熱器是在高溫、高壓環(huán)境下工作，過熱器出口汽溫是全廠工質溫度的最高點，也是金屬壁溫的最高處，工藝上允許的汽溫變化又很小，汽溫對象特性呈非線性，影響汽溫變化的干擾因素多等，這些都使得汽溫控制系統(tǒng)復雜化，因此正確選擇控制汽溫的手段及控制策略是非常重要的。1.2.5 串級控制策略 過熱汽溫控制對象具有大遲延大慣性的特質，簡單的單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制要求。目前大型機組多數(shù)采用串級控制系統(tǒng)，串級控制系統(tǒng)原理框圖如圖1.3所示。 圖1-3

17、串級控制系統(tǒng)原理框圖 從圖中可以看出，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結構上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路，在控制過程中起著“粗調”的作用，一個環(huán)在外面，成為主環(huán)或者主回路，用來完成“細調”的任務，最終能夠保證被調量滿足工藝要求。 串級控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，主要原因有以下三個原因：1）對二次干擾有很強的克服能力；2）改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3）對負荷或操作條件的變化有一定的自適應能力。由于串級控制系統(tǒng)的良好控制性能，所以在過熱汽溫控制中得到了廣泛的應用。在基本擾動下，主汽溫反映有著較大的遲延，而減溫器出口溫度有著明顯的導前作用，因此可以構

18、成以減溫器出口溫度為副參數(shù)，過熱器出口溫度為主參數(shù)的串級控制系統(tǒng)，具體如圖1-4所示。當擾動發(fā)生在副回路時（如減溫水溫度發(fā)生擾動），由于有副回路的存在，并且導前區(qū)的慣性小，副調節(jié)器能夠快速反應，消除擾動，從而使主汽溫不必發(fā)生較大變化。當擾動發(fā)生在副回路之外時，引起主汽溫偏離設定值，這時主調節(jié)器改變其輸出信號，通過副調節(jié)器調節(jié)減溫水流量，使主汽溫恢復設定值。 圖1-4 過熱汽溫串級控制系統(tǒng) 1.3 本文的研究內容1)了解主汽溫控制現(xiàn)狀，主汽溫控制系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)及其控制對象的特性,對各種控制策略都要有大概的了解，并選定自己要做的控制策略。2)對分段串級控制系統(tǒng)的工程應用做出分析。 3)了解各種整定

19、方法，建立汽溫控制對象的數(shù)學模型。 4）在文獻中找到符合自己需要的數(shù)學模型，分別設計一級與二級汽溫控制系統(tǒng)，并進行參數(shù)整定。5) 對一級與二級汽溫控制系統(tǒng)分別進行仿真實驗，熟悉參數(shù)調節(jié)的方法，研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動態(tài)性能并進行魯棒性測試。第二章 主汽溫熱力系統(tǒng)及控制策略分析2.1 直流爐與汽包爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別汽包爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器，汽包，下降管，水冷壁，過熱器和再熱器組成。在汽水系統(tǒng)中,鍋爐的給水由給水泵打出,先經過高壓加熱器,再經過省煤器吸收一部分煙氣中的余熱后進入汽包.汽包中的水在水冷壁中進行自然或強制循環(huán),不斷地吸收爐膛輻射熱量,由此產生的飽和蒸汽由汽包頂部流出,再經過多級過

20、熱器進一步加熱成過熱蒸汽。這個具有一定壓力和溫度的過熱蒸汽就是鍋爐的產品.高壓汽輪機接受從鍋爐供給的過熱蒸汽，其轉子被蒸汽推動，帶動發(fā)電機轉動而生成電能。從高壓汽輪機排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器中再次加熱，然后再進入中、低壓汽輪機做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機尾部排入冷凝器凝為凝結水。凝結水與補充水一起經凝結水泵先打到低壓加熱器，然后進入除氧器，除氧后進入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。 直流爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器、汽水分離器、分離器儲水罐和儲水罐控制閥、水冷壁、過熱器和再熱器組成。 直流爐與傳統(tǒng)汽包爐在結構上的主要區(qū)別主要在于直

21、流爐沒有汽包，只有汽水分離器，所以直流爐的蓄水能力不強，但是對于擾動和負荷的響應較快。直流鍋爐因為沒有汽包，給水一次性通過省煤器、水冷壁、過熱器。直流鍋爐不受工作壓力的限制，可以適用于300mw以上的亞臨界和超臨界機組。 直流鍋爐的加熱面和蒸發(fā)受熱面之間和蒸發(fā)受熱面和過熱受熱面之間無固定的分界點，在工質發(fā)生變化時，各受熱面的長度會發(fā)生變化。直流爐的主要過程是：首先從給水泵過來的鍋爐除鹽水，經過省煤器加熱后再經過水冷壁的受熱面加熱后變成汽水混合物，經汽水分離器后到過熱面。 在直流鍋爐中，蒸汽流量等于給水量和減溫水量的疊加，如果采用和汽包爐同樣的噴水降溫的手段，則當噴水增加時，給水就會減少，繼而擴

22、大了燃水比的失調程度。所以對于直流鍋爐，必須保持燃水比作為維護主汽溫的粗調手段，用噴水減溫作為細調手段。超臨界直流鍋爐的主汽溫控制相對于汽包鍋爐增加了許多困難，主要體現(xiàn)在：汽溫控制的要求增大；被控量過熱器溫度對于給水流量改變的相應遲延時間（t=200-400s）比汽包鍋爐的同樣遲延（t=30-200）長的多。因此，通常采用響應較快的微過熱汽溫作為判斷燃水比是否失調的的檢查信號。2.2 過熱器的工藝流程 從圖2-1可以看出，過熱器分為低溫過熱器、屏式過熱器、末級過熱器，有兩級減溫系統(tǒng)。一級噴水減溫器的作用是使屏式過熱器出口溫度維持在設定值，以保護屏式過熱器管壁不超溫，同時配合高溫過熱器溫度控制系

23、統(tǒng)的工作。二級噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內，并保持末級過熱器不超溫。每級過熱器的a、b兩側都有各自的溫度測點，且溫度設定值可以單獨設定，所以其控制策略可以設計為兩套獨立的控制策略。 圖2-1 過熱器噴水減溫控制工藝流程圖2.3 汽溫調節(jié)對象的動態(tài)特性 影響過熱器出口溫度的因素有很多，主要有以下三種擾動：（1）蒸汽流量擾動下過熱汽溫動態(tài)特性 汽機負荷變化會引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過熱蒸汽和煙氣之間的傳熱條件，導致汽溫變化。蒸汽流量擾動下過熱蒸汽溫度的響應曲線如圖2-2所示?？梢钥吹綔囟软憫哂凶云胶馓匦?，而且慣性小和遲延都比較小。這是因為蒸汽量變化時，沿過熱器管道長度方向的

24、各點溫度幾乎同時變化。 圖2-2 蒸汽流量擾動下的汽溫響應曲線 （2） 煙氣側傳熱量擾動下的汽溫動態(tài)特性 燃料量增減，燃料種類的變化，送風量、吸風量的改變都將引起煙氣流速與煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導致過熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個過熱器長度方向上同時發(fā)生的，因此汽溫變化的遲延很小。煙氣側擾動的汽溫響應曲線如圖2-3所示。 圖2-3 煙氣側傳熱量擾動下汽溫響應曲線 （3） 噴水量擾動下的動態(tài)特性 過熱器是具有分布參數(shù)的對象，可以把管內的蒸汽和金屬管壁看作是無窮個單容對象串聯(lián)組成的多容對象。當噴水量發(fā)生變化時，需要通過這些串聯(lián)單容對象，最終引起出口蒸汽溫度的變化。

25、因此，蒸汽溫度的響應有很大的遲延。減溫器離過熱器出口越遠，延遲越大。噴水擾動下的動態(tài)特性曲線如圖2-4所示。 圖2-4 噴水量擾動下的汽溫響應曲線2.4 過熱汽溫的分段控制策略 從汽溫動態(tài)特性的情況看，煙氣量、煙氣溫度和噴水量都可以用來控制過熱汽溫，但是考慮到在實際應用中的系統(tǒng)結構的難易度，目前大多數(shù)過熱汽溫控制系統(tǒng)都采用噴水量作為汽溫調節(jié)手段。由于噴水量擾動下的大遲延特性，目前的汽溫控制系統(tǒng)都采用分段控制策略，設有兩級噴水，這樣能夠有效的調高系統(tǒng)的控制品質。從控制策略上看，分段控制策略可以分為定值控制策略和溫差控制策略。在實際應用中，定值控制策略由于其操作簡單得到廣泛的應用。本文主要討論定值

26、控制策略。在定值圖2-5 主汽溫分段控制策略控制策略中，一級噴水與二級噴水減溫的控制邏輯相互獨立，互不干擾。定值控制策略的控制目標明確，系統(tǒng)結構分明，參數(shù)整定容易，投運簡單。當過熱器各段都是以對流換熱為主時 ，定值控制系統(tǒng)的控制品質基本上能夠達到要求的品質。由于定值汽溫調節(jié)系統(tǒng)中，各個子系統(tǒng)分別維持各自的設定值，所以當汽溫調節(jié)對象特性不同時，這種控制系統(tǒng)將不能滿足控制要求。例如在許多鍋爐的屏式過熱器處在輻射換熱區(qū)，汽溫調節(jié)對性呈現(xiàn)輻射特性，而高溫過熱器是布置在對流換熱區(qū)，呈現(xiàn)對流特性。當機組負荷升高時輻射式過熱器中單位質量蒸汽的輻射吸熱量減少，出口汽溫下降，而對流過熱器中單位質量蒸汽的吸熱量增

27、加，其出口汽溫增加。由于定值控制策略的各個子系統(tǒng)的控制邏輯相互獨立，所以其一級減溫器噴水量減少，調節(jié)閥關小，而二級減溫器噴水量增大，調節(jié)閥開大。此種控制策略兩級噴水器噴水量不協(xié)調。為了克服這種缺陷，可以將其改進，從二級控制系統(tǒng)的主調節(jié)器輸出引出前饋回路到一級減溫系統(tǒng)。2.5 主汽溫控制的任務分配主汽溫1的控制是通過控制一級減溫器的噴水量和二級減溫器的噴水量來實現(xiàn)的，主汽溫與設定值（與負荷成單值函數(shù)關系）的偏差經調節(jié)器運算產生基本噴水量需求信號，此信號經與前饋信號迭加形總噴水量需求信號。前饋信號包括代表鍋爐送風量的信號和主汽壓偏差信號（主汽壓與設定值之差），它們都提前反映負荷變化?？倗娝啃枨蠓?/p>

28、別乘以兩個不同的系數(shù)k1和k2（k1 k2）得到一級噴水需求信號a和二級噴水需求信號b。正常情況下，一級噴水量需求信號a經修正形成一級噴水調節(jié)器設定值a，從而控制一級噴水閥。二級噴水量需求信號經修正形成二級噴水調節(jié)器設定值b，從而控制二級噴水閥。因為k1 k2，所以當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，一級噴水量是大于二級噴水量的，即二級噴水的出力較小，這樣能夠使二級噴水留有余力的防止主汽溫超溫。當系統(tǒng)處于動態(tài)時，系統(tǒng)將一級噴水需求通過慣性環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)調整一級噴水量的設定值，逐步改變一級噴水量；系統(tǒng)將一級噴水需求與一級噴水量設定值的偏差加到二級噴水量需求上，使二級噴水閥完成一級噴水閥沒有完成的部分。這樣保證了主

29、汽溫1能夠快速的維持在設定值。實際上，二級噴水量值是由總噴水量進行比例微分形成，加強二級噴水的動態(tài)控制作用，改善控制效果。2.6 串級控制系統(tǒng)的概述串級控制在熱工自動控制系統(tǒng)中的應用非常廣泛，其調節(jié)品質好，特別適用于時間常數(shù)較大，階次較高和有較大延遲的調節(jié)對象。串級控制系統(tǒng)除了主被調量外，還有一個輔助被調量，輔助被調量對調節(jié)作用的響應要比較迅速。比較典型的有鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，當減溫水量改變后，過熱汽溫的變化較慢，減溫器出口汽溫的變化較快，這時就可以把減溫器出口汽溫作為過熱汽溫調節(jié)系統(tǒng)中的輔助被調量，形成一個調節(jié)回路，構成串級調節(jié)系統(tǒng)。串級調節(jié)系統(tǒng)的結構方框圖如下圖2-7所示。 串級控制系統(tǒng)和

30、單回路控制系統(tǒng)有有一個顯著的區(qū)別，即其在結構上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著粗調的作用；一個閉環(huán)在外面，別成為主環(huán)或者主回路，用來完成細調的任務，以保證被調量最終滿足工藝要求。如圖2.7所示，有調節(jié)單元i、執(zhí)行器、調節(jié)對象i和測量單元i構成的回路稱為副回路(或稱內回路)，調節(jié)單元i稱為副調節(jié)器，調節(jié)對象i的輸出信號稱為輔助被調量。有調節(jié)單元ii、副回路、調節(jié)對象ii和測量單元ii構成的回路稱為主回路(或稱外回路)，調節(jié)單元ii稱為主調節(jié)器，調節(jié)對象ii的輸出信號稱為主被調量，調節(jié)對象i和調節(jié)對象ii統(tǒng)稱是系統(tǒng)的調節(jié)對象。串級調節(jié)系統(tǒng)具有下列特點: (1)

31、串級控制系統(tǒng)有一個副回路，副回路具有快速作用，能夠有效的克服二次擾動的影響可以說串級控制系統(tǒng)主要是用來克服進入副回路的二次擾動的。從圖2.7可以看出，進入副回路的擾動u1在進入副環(huán)后，首先影響副參數(shù)y2，于是副調節(jié)器立即動作，力圖消除干擾對于副參數(shù)的影響。顯然，如果沒有副回路，擾動u1的影響就需要由主被調量的變化通過主調節(jié)器來克服。如果具有副回路，擾動u1的影響就可以很快的由輔助被調量的變化通過輔助調節(jié)器來加以克服。(2) 副回路起了改善調節(jié)對象動態(tài)特性的作用，因此可以加大主調節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。在串級控制系統(tǒng)中，副回路替代了單回路的一部分對象，其等效時間常數(shù)會縮短，而且隨著副調節(jié)

32、器比例增益的增大而減小。通常副回路被控對象都是單容或者雙容的對象，因此副回路控制器的比例增益可以調的很大，這樣，等效時間常數(shù)就可以很小，從而加快了副環(huán)的響應速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。(3) 由于副回路的存在，使串級控制系統(tǒng)有了一定的自適應能力。在生產過程中，往往會包含一些非線性因素的存在。因此，在一定負荷下，即在確定的工作點情況下，按照一定控制指標整定的控制器參數(shù)只適應于工作點附近的一個小范圍。如果符合變化過大，超出這個范圍，控制品質就會下降。在單回路控制系統(tǒng)中如不采取其他措施是很難解圖2-7 串級調節(jié)系統(tǒng)的結構方框圖 決的。但在串級控制系統(tǒng)中，負荷變化引起副回路內各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以減少

33、影響或不影響系統(tǒng)的控制品質。一方面，等效副對象的增益在副對象增益或者調節(jié)閥的特性隨負荷變化時受到的影響不大，因而在不改變調節(jié)器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動的克服非線性因素的影響，保持或接近原有的控制質量；另一方面，由于副回路是一個流量隨動系統(tǒng)，當操作條件或負荷變化時，主調節(jié)器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時而精確的控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質。從上述的兩個方面看，串級控制系統(tǒng)對于負荷變化有一定的自適應能力。 在設計串級調節(jié)系統(tǒng)時，必須遵循下列兩條原則:一個原則是副回路應使副回路的時間常數(shù)小，調節(jié)通道短，反應靈敏。通常串級系統(tǒng)是用來克服對象的容積遲延和純遲延。也就是說，選擇這樣的

34、參數(shù)使得副回路時間常數(shù)小，調節(jié)通道短，使得等效對象的時間常數(shù)減小，提高了工作頻率，加速了反應速度，縮短控制時間，從而改善了系統(tǒng)的控制品質；另一個原則就是要把主要擾動納入副回路中，這是因為副回路對于二次擾動有較強的克服能力。但是也不能走極端，試圖把所用的擾動都包含在副回路中，這樣將使主調節(jié)器失去作用，也就不能成為串級控制系統(tǒng)了。 對于主汽溫串級控制系統(tǒng)，生產過程的要求是被調量等于給定值，而對輔助被調量則沒有嚴格的要求。針對這種情況，副調節(jié)器應該選用p作用或者pd作用，使內回路盡快地消除擾動，以減少擾動對被調量的影響(實現(xiàn)粗調);而主調節(jié)器一般選用pi或者pid作用，使穩(wěn)態(tài)被調量等于給定值。2.7

35、 串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)的兩個閉環(huán)控制回路的組成是：由被調對象的導前區(qū)、汽溫變送器、副調節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調節(jié)閥組成內回路；由被調對象的惰性區(qū)、汽溫變送器、主調節(jié)器和內回路組成外回路。圖2-8為過熱汽溫串級控制系統(tǒng)結構圖。汽溫調節(jié)對象由減溫器和過熱器組成，減溫水流量為對象調節(jié)通道的輸入信號，過熱器出口汽溫為輸出信號。為了改善調節(jié)品質，系統(tǒng)中也采用減溫器出口汽溫作為輔助調節(jié)信號。對于串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)，無論擾動發(fā)生在副調節(jié)器回路還是發(fā)生在主調節(jié)回路，其調節(jié)品質都是優(yōu)于單回路調節(jié)系統(tǒng)的。(1)擾動發(fā)生在副回路內,例如當減溫水流量wj發(fā)生自發(fā)性波動(可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變)而引起減

36、溫水流量擾動變化時，對于單回路汽溫調節(jié)系統(tǒng)，由于沒有副調節(jié)回路去迅速消除wj的波動，所以必然要影響到主汽溫的穩(wěn)定;對于串級汽溫調節(jié)系統(tǒng)，由于有副回路的存在，而且導前區(qū)的慣性又很小，副調節(jié)器將能及時動作，快速消除掉減溫水流量的自發(fā)性波動，從而使過熱汽溫基本不變。 圖2-8過熱汽溫串級控制系統(tǒng) 2)擾動發(fā)生在副回路以外，引起過熱汽溫偏離給定值時，串級系統(tǒng)首先由主調節(jié)器改變其輸出信號，通過副調節(jié)回路去改變減溫水流量，使過熱汽溫恢復到給定值。這時，主調節(jié)器的調節(jié)對象的慣性遲延比采取單回路汽溫調節(jié)系統(tǒng)時的調節(jié)對象的要小。因此在這種情況下，串級調節(jié)系統(tǒng)的調解質量還是高于單回路系統(tǒng)的?？梢姡诖壠麥卣{節(jié)系

37、統(tǒng)中，副回路的任務是盡快消除減溫水流量的自發(fā)性擾動和其他進入副回路的各種擾動，對過熱汽溫的穩(wěn)定起粗調作用。汽溫系統(tǒng)的副調節(jié)器一般采用比例調節(jié)器，主調節(jié)器的任務是保持過熱汽溫等于給定值，可采用比例積分或者比例積分微分調節(jié)器。第三章 主汽溫控制策略3.1 概述 直流鍋爐主汽溫控制對象是大遲延大滯后的對象，具有大純滯后工藝過程的自動控制，是過程控制中最棘手的控制問題之一。長期以來，人們研究和提出了許多克服大遲延大滯后對象的控制方法，最簡單的就是利用pid調節(jié)器。pid調節(jié)器具有調節(jié)方便、適應力強的特點，在要求不太嚴格的情況下，足以滿足生產過程的要求。當對系統(tǒng)進行特別整定時還不能取得良好的效果時，還可

38、以在常規(guī)控制的基礎上進行少許的改動，例如，中間反饋方案，微分先行方案。微分先行和中間反饋控制方案能在無需多加任何特殊設備的條件下有效的改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。但總的來說，上述方案都存在這較大的超調量，并且響應速度都挺慢的，如果要求更高的控制精度，則需要其它的控制策略。 控制理論經過了幾十年的發(fā)展，研究出了許多新型的控制策略。但就主汽溫控制上的工程應用來說，使用最多的還是史密斯預估器。例如采用常規(guī)串級控制系統(tǒng)和smith串級控制系統(tǒng)構成的雙結構控制方式來克服系統(tǒng)的滯后。但是對于這么簡單的控制器，仍然有很多沒有解決的問題。預估補償方案在理論上能夠消除純滯后對閉環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)影響，但它最大的缺點就是對

39、數(shù)學模型的依賴。預估補償方案要求工程數(shù)學模型有一定的精確度，但隨著計算機技術的發(fā)展和辨識技術的推廣，使得預估控制方案在工程上得以實現(xiàn)。 傳統(tǒng)的經典控制方法和現(xiàn)代控制理論都要求有精確的數(shù)學模型，對被控對象進行時域或頻域的分析，然后設計出針對該控制對象的控制器。一旦對象的參數(shù)或者特性發(fā)生變化，原有的控制策略就不能夠取得較好的控制效果。因此，對于傳統(tǒng)經典控制方法和現(xiàn)代控制方法，找到精確的數(shù)學模型是至關重要的。 電廠控制的復雜控制目標和任務以及控制對象動態(tài)特性的不確定性、非線性等特性，使得傳統(tǒng)的基于對象精確數(shù)學模型的控制方法的應用受到限制。就在常規(guī)控制理論面臨復雜生產過程的挑戰(zhàn)的時候，人們在工程實踐中

40、發(fā)現(xiàn)這些復雜過程卻可由操作熟練的操作人眼通過在實踐中不斷學習、經驗積累而達到有效的控制，這使得人們漸漸認識到了在傳統(tǒng)控制中加入邏輯推理和啟發(fā)式知識的重要性。于此同時，人工智能由于計算機科學的發(fā)展而成為一門學科。這些發(fā)展和思想促使了智能控制理論的誕生。智能控制作為新興的邊緣交叉學科，目前對智能控制系統(tǒng)尚沒有統(tǒng)一的定義，然而對它的基本特征卻可以加以描述，ieee控制系統(tǒng)學會描述為：“智能控制系統(tǒng)必須有適應能力以應付變化的環(huán)境和條件，但如果要能適應較大的不可預測的變化，系統(tǒng)必須具有學習能力；系統(tǒng)必須具有在不確定環(huán)境中的自主能力，以最終實現(xiàn)自行設定并達到控制目標；為有效處理復雜性，系統(tǒng)應具有分級分層的

41、功能結構?！边@顯然對控制系統(tǒng)設計有了更高的要求，也為控制理論的發(fā)展指明了方向。在電廠控制研究領域，目前關于智能控制的實際應用雖然較少。但在各種國際會議和雜志中發(fā)表文獻的日益增多表贏了電廠控制系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢。常見的智能控制系統(tǒng)有那些采用模糊控制邏輯、專家系統(tǒng)或神經網絡及其他智能方法的控制系統(tǒng)，它通常表示具有下列特征的控制器：1） 除了采用數(shù)值計算方法，還使用邏輯、排序、推理或啟發(fā)式方法的控制器；2） 本質上是一種自治程度范圍比常規(guī)控制器更廣的非線性控制器； 3) 為實現(xiàn)更廣泛的功能，它依賴于模仿那些設想在人類或生物系統(tǒng)中起作用的行為模式所表現(xiàn)出來的形式以及決策方法步驟。3.2 模糊控制論 模

42、糊控制是以模糊集合論、模糊變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制，其基本結構如圖3-1所示。圖3-1 模糊控制系統(tǒng)框圖 從線性控制與非線性控制的角度分類，模糊控制是一種非線性控制，它的組成核心是模糊控制器。所以，從其控制器的智能性看，它屬于智能控制的范疇，而且它己成為目前實現(xiàn)智能控制的一種重要而且又有效的形式。尤其是模糊控制和神經網絡、遺傳算法等新學科的相融合，正在顯示出其巨大的應用潛力。 模糊控制器是模糊控制系統(tǒng)的核心。模糊控制器由以下四部分組成: l)模糊化 這部分的作用是將輸入的精確量轉換成模糊化量。其中輸入量包括外界的參考輸入、系統(tǒng)的輸出或狀態(tài)等。模糊化的具體過程如下:對這些輸入量進

43、行處理以變成模糊控制器要求的輸入量。例如常見的情況是計算e=x-y和ec=de/dt，其中x表示參考輸入，y表示系統(tǒng)輸出，e表示誤差，ec表示誤差的變化率。有時為了減小噪聲的影響，常常對ec進行一階滯后處理再使用。將上述己經處理過的輸入量進行量程變換使其變換到各自的論域范圍。 將已經變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應的模糊集合表示。 2)知識庫 知識庫中包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標。它通常由模糊控制規(guī)則庫組成，主要包括各語言變量的隸屬度函數(shù)、模糊因子、量化因子以及模糊空間的等級數(shù)。規(guī)則庫包括了用模糊語言變量表示的一系列的控制規(guī)則，它們反映了

44、控制專家的經驗和知識。 3)模糊推理 模糊推理是模糊控制理論的核心，它具有模擬人的基于模糊概念的推理能力。該推理過程是基于模糊邏輯中的蘊含關系及推理規(guī)則來進行的。 4)清晰化清晰化的作用是將模糊推理得到的控制量(模糊量)變換成實際用于控制的清晰量。它包含以下兩個部分:將模糊量經清晰化變換變成論域范圍的等級量;將論域范圍的等級量經比例變換為實際的控制量。模糊控制器，在理論上是由n維模糊關系r表示。r可以視為受約于0,1區(qū)間的n個變量的函數(shù)。r是幾個n維空間ri的組合，每個ri代表一條ifthen規(guī)則。控制器的輸入x被模糊化為x，模糊輸出y可應用推理合成規(guī)則進行計算。對于模糊輸出y進行模糊判決，可

45、得精確的數(shù)值輸出y。3.3神經網絡控制及其與模糊控制的結合人工神經元網絡研究的最初目的是為了模仿人或動物神經活動，并力圖建立這種運動的數(shù)學模型，同時探索和提出人腦存儲、處理和搜索信息等活動的實際工作機制。它所引出的經驗學習方法和通過一組基函數(shù)基礎上展開而實現(xiàn)任意非線性函數(shù)逼近的見解，給復雜控制系統(tǒng)的建模帶來了一種新的、非傳統(tǒng)的表達工具，降低了不確定性，增加了控制系統(tǒng)適應環(huán)境變化的泛化能力，極大地促進了神經網絡在過程控制中的廣泛應用：數(shù)據(jù)校正；過程運行的評價與優(yōu)化；生產質量的推理測量或軟測量；故障診斷；狀態(tài)估計；過程辨識；模式識別；由于大量神經元的廣泛鏈接，即使有少量單元或連接損壞，也不影響系統(tǒng)

46、的整體功能，使其表現(xiàn)出啊很強的魯棒性和容錯性；采用并行分布處理方法，使得快速進行大量的運算成為可能。神經元網絡的這些特點顯示了它在解決高度非線性和嚴重不確定性系統(tǒng)的控制方面的巨大潛力，它的引入已產生了與之相關的多種混合智能控制方法。模糊系統(tǒng)和神經網絡都屬于一種數(shù)值化和非傳統(tǒng)數(shù)學模型函數(shù)估計器的信息處理方法，它們以一種不精確的方式處理不精確的信息。模糊邏輯作為一種符號處理方法，為人類抽象的認知過程如思維和推理等深層智能提供了較為系統(tǒng)的數(shù)學基礎，能夠模擬人類的某些特定的語言屬性，可表示認知不確定性下的推理機制。然而模糊邏輯系統(tǒng)并不像神經網絡那樣的學習系統(tǒng)，它缺乏有效的學習方法，它所具有的“知識”可

47、通過該領域的專家提供，但是模糊邏輯控制規(guī)則是靠人的直覺經驗制定的，它本身并不具有學習能力，模糊控制規(guī)則越多，控制運算的實時性就越差，而且需要識別和建立規(guī)則的時間隨規(guī)則數(shù)的增加而指數(shù)形式增長。相比之下，神經網絡卻具有很強的學習能力，但它一般智能模擬人力低層的感知智能。雖然兩者處理模糊信息的方式和模擬的智能層次不同，但可以將它們結合起來，利用模糊控制的思維推理功能來消除神經網絡的神經元之間的連接結構的相對任意性和無所適從性。以神經網絡強有力的學習能力來對模糊控制的各有關緩解進行訓練，如利用神經網絡在線學習模糊集的隸屬函數(shù)，實現(xiàn)其推理過程以及模糊決策等。因此，目前將神經網絡與模糊邏輯相結合，發(fā)展模糊

48、神經網絡控制已成為神經網絡和模糊控制的主要發(fā)展方向。3.4 smith預估器smith預估器是應用廣泛的對付電廠主汽溫大滯后的控制方法。該方法的基本思路是:預先估計出系統(tǒng)在基本擾動下的動態(tài)特性,然后由預估器進行補償時滯,使被調量能夠超前的反應在控制器,使調節(jié)器提前動作,從而抵消掉時滯特性所造成的影響:減小超調量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加速調節(jié)過程,提高系統(tǒng)的快速性。smith預估器的原理如圖3-2所示。圖3-2 smith預估器原理圖圖中即為smith預估器。從理論上講,smith預估器可以完全消除主汽溫的時滯,從而成為一種對線性、時不變和單輸入單輸出時滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實際應用中，卻有

49、著其局限性,主要原因在于smith預估器需要確定被控對象的精確數(shù)學的模型，并且只能應用于定常系統(tǒng)，在實際應用中這個條件是很難實現(xiàn)的，所以影響了smith預估器在實際應用中的控制性能。第四章 分段串級控制系統(tǒng)的工程實現(xiàn)4.1 過熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖為了更好的理解過熱汽溫控制的實際應用情況，本章對某電廠過熱汽溫控制系統(tǒng)sama圖進行分析，圖4-1為某電廠一級汽溫控制sama圖。圖4-1 一級汽溫控制系統(tǒng)sama圖從圖4-1中可以看出，此系統(tǒng)為串級控制，主調節(jié)器在左側接受被調量信號與給定值的偏差信號并經過pi運算后送到副調節(jié)器的入口作為副信號的給定值，然后經副調節(jié)器區(qū)控制一級噴水控制閥a。給定值

50、的形式：給定值信號與一級壓力之間的關系由函數(shù)發(fā)生器f1(x)決定，但此給定值可以由運行人員在操作臺上手動校正，并通過高低限后做為最終給定值，而且校正值及最終給定值都可以在crt上顯示出來。除此之外，還可以對被調量，要求閥位和實際閥位進行顯示。手動工況：當手動邏輯成立時，此系統(tǒng)將自動切到手動運行方式，此時，運行人員可通過手操使噴水閥的開度變化，以適應屏式過熱器出口溫度的要求。手動時的跟蹤：當此系統(tǒng)處于手動控制時，為了防止下一次投自動時產生擾動，主，副調節(jié)器的輸出必須都處于跟蹤位置。副調節(jié)器的跟蹤是為了保證切換無擾。主調節(jié)器的跟蹤是為了防止副調節(jié)器在手動期間產生積分正向或負向飽和。鑒于此，副調節(jié)器

51、應跟蹤手動輸出信號。下面將串級控制系統(tǒng)流程做詳細介紹：信號部分，系統(tǒng)的被調量為屏式過熱器的蒸汽溫度1，該信號經處理后輸入到比較器。被調量的給定值是汽機速度級壓力的函數(shù)，由函數(shù)器f（x）產生，并可由運行人員在操作員站ois的軟手操控制器m/a上對其進行正負偏置，形成給定值10。提供偏置的目的是便于運行人員根據(jù)運行需求，對汽溫值進行適當修改。函數(shù)器的設置使機組在較低的負荷下就可投入汽溫自動。 串級控制部分，主調節(jié)器pid1的輸入偏差信號e1為給定值10與實測值1的偏差。一級減溫器出口溫度1j與主調節(jié)器輸出的差作為副調節(jié)器pid2的輸入偏差信號e2。當某種擾動引起二級減溫器入口蒸汽溫度1上升時，主調

52、節(jié)器輸入偏差減小，pid1的輸出下降，引起副調節(jié)器的輸入偏差增大，pid2的輸出增加，使減溫水增加，一級減溫器出口汽溫1j立即下降，經延時被調量1下降。1j下降使副調節(jié)器的輸入偏差e2減小。這樣，在主汽溫的遲 圖4-2 防超溫保護回路 延期間內，當主調節(jié)器輸出還在減小時，1j也在同時減小，抑制了副調節(jié)器輸出的進一步增加，從而防止了減溫水過調。 防超溫保護回路（圖4-2），防超溫保護回路由pid3、4給定器、0%給定器、限幅器、切換器等組成。正常情況下這一回路不起作用，它由切換器t控制，輸出為零。只有當某種原因導致二級減溫器入口蒸汽溫度比給定值高出4以上時，pid3才會有大于零的輸出，使一級減溫

53、水噴水調節(jié)閥過開，以防止屏式過熱器超溫。防超溫保護回路的控制作用受到限幅器的限制，以避免噴水調節(jié)閥的動作過大。當機組負荷較低，汽輪機跳閘，鍋爐mft或一級噴水電動隔離閥異常關閉時，過熱器一級減溫噴水調節(jié)閥將自動關閉。噴水調節(jié)閥前后安裝有電動隔離閥和氣動隔離閥。當對應的調節(jié)閥稍微開啟后，電動隔離閥將自動連鎖打開；鍋爐mft后自動連鎖關閉。但對應的調節(jié)閥稍微開啟，相應的電動隔離閥打開時，氣動隔離閥將自動連鎖打開；當對應的調節(jié)閥全關后自動連鎖關閉。這樣做的目的為了防止因減溫水調節(jié)閥漏流影響汽溫和汽輪機的安全。由于機組負荷改變時，可知對象的動態(tài)特性參數(shù)也會隨之改變，為使控制系統(tǒng)在較大的負荷變化范圍內都

54、具備較高的控制品質，本系統(tǒng)具有自適應性能力，主，副調節(jié)器的pid整定參數(shù)都能隨負荷變化自動修正。此外，為了得到的更好的控制效果，還可以在主調節(jié)器pid1兩端，還并聯(lián)了一個smith預估器，由于他對被調量的變化趨勢具有“預估”能力，比微控制功能更強。它用于具有大延遲特性的對象的控制，常常比pid控制能獲得更滿意的控制效果，故也常用于汽溫控制中。實際應用時，可由熱控人員通過軟件設置，在pid調節(jié)器和smith預估其中任選一個作為系統(tǒng)主調節(jié)器。最終臺n 在主回路中，二級過熱器出口汽溫的測量有兩個測點，分別位于a，b兩側高溫過熱器的出口聯(lián)箱上。a，b測點選擇的方法是：（1）可由運行人員在操作員站上選擇

55、a，b任一測點溫度或a,b兩測點溫度平均值，作為二級過熱器出口汽溫量值；（2）也可由計算機自動選擇，當a，b兩信號均正常，可自動選擇兩信號的平均值作為二級過熱器出口汽溫測量值，若兩信號之一壞質量，自動選擇另一個，且禁止切換到壞質量測點。主回路的被控對象是二級過熱器出口汽溫，調節(jié)的目的是使該汽溫等于運行人員手動給定的過熱器出口汽溫給定值，該值在機組正常運行時為540。在主回路中，主調節(jié)器pid1輸入的偏差信號是二級過熱器出口偏差。副回路的被對象是二級減溫器出口溫度，它由一個溫度測點測得，與二級減溫器出口汽溫給定值進行比較后，形成二級減溫器出口汽溫偏差，該偏差作為副調節(jié)器pid2的輸入。4.2 過熱汽溫控制連鎖邏輯 為了防止減溫器噴水調節(jié)閥門的漏流影響，在噴水調節(jié)閥前后設置了噴水截止閥。通常，需要減溫水時（調節(jié)閥控制指令大于約