超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計

1、南 京 工 程 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者： 張 曼 學(xué) 號： 240072908 系 部： 康 尼 學(xué) 院 專 業(yè)： 熱能與動力工程（火電廠集控運行） 題 目： 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計 指導(dǎo)者： 張 君 副教授 (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2011年 6月 南 京畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘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

2、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(fù)荷下的動態(tài)數(shù)學(xué)模型；再次，通過對該超臨界機組數(shù)學(xué)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(chǔ)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(yīng)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(fù)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(guān)鍵詞 ： 協(xié)調(diào)控制 解耦控制 PID控制 積分分離PI

3、D控制畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要Title The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical UnitAbstractThe 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。Ac

4、cording 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 coordinat

5、ion 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 contro

6、l 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 ; Fi

7、nally, 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 algorit

8、hm can significantly reduce the system overshoots, make the system more hasten and stable operationKeyword: The coordinated control system(CCS); Decoupling; PID controller; PID controller using integral separation目錄前言1第一章 緒論21.1單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究目的及意義21.2單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀2國內(nèi)外協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用現(xiàn)狀31.3 研究內(nèi)容與研究計劃4第二章 機爐協(xié)

9、調(diào)控制系統(tǒng)概述62.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述6協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本策略82.2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析102.2.1 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點102.2.2 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型15第三章 多變量耦合系統(tǒng)概述213.1概述213.2前饋補償解耦法273.3對角矩陣法283.4解耦控制效果比較34模型降階34前饋補償法開環(huán)解耦控制效果比較41對角矩陣法開環(huán)解耦控制效果的比較463.5小結(jié)51第四章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制策略534.1機跟爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)544.1.1 補償鍋爐側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)544.1.2 補償汽機側(cè)擾動的機跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)554.1.3 實現(xiàn)雙向補償?shù)臋C跟爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)5

10、64.2 爐跟機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)574.2.1 補償鍋爐側(cè)擾動的爐跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng)574.2.2 補償汽機側(cè)擾動的爐跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng)584.2.3 實現(xiàn)雙向補償?shù)臓t跟機協(xié)調(diào)系統(tǒng)58第五章 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的仿真研究與分析605.1解耦后單回路控制系統(tǒng)的整定605.2前饋法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較675.2.1 前饋法閉環(huán)解耦后的整定675.2.2 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725.3對角矩陣法閉環(huán)解耦與等效單回路控制效果的比較745.3.1 對角矩陣法解耦后的整定745.3.2 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795.4小結(jié)81第六章 改進積分算法的

11、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)仿真研究826.1采用積分分離PID控制器的仿真研究826.2 小結(jié)87第七章 結(jié)論89參考文獻90致謝92前言眾所周知，我國現(xiàn)階段正處在電力建設(shè)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5.86億千瓦左右，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(yù)計達到99.5億千瓦左右，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)。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

12、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(guān)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(yīng)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(chǔ)上發(fā)展起來的復(fù)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(shù)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

13、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(yán)重，機、爐響應(yīng)特性差異巨大，精確的數(shù)學(xué)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。第一章 緒論1.1單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究目的及意義近年來，隨著我國電力工業(yè)體制改革及電力建設(shè)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(fù)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、

14、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(fù)荷變動，良好的負(fù)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(dāng)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(yīng)電網(wǎng)AGC的要求。因此，設(shè)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。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

15、，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(shè)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。1.2單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀傳統(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(chǔ)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

16、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)。從目前工程領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計方法范疇。這類系統(tǒng)通常具有以下局限性:(l)間接能量平衡協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計往往是在機爐獨立控制回路的基礎(chǔ)上加入前饋控制。這種設(shè)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。(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。(3)系統(tǒng)的設(shè)計與整定一般基于特定的工作點線

17、性化處理，沒有考慮動態(tài)非線性及大范圍適應(yīng)性等。(4)基于簡化的建立在傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上的單元機組動態(tài)數(shù)學(xué)模型來設(shè)計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)無法考慮相關(guān)系統(tǒng)相對較弱的禍合關(guān)系的影響及機組的動態(tài)時變性等。1.2.1國內(nèi)外協(xié)調(diào)控制的應(yīng)用現(xiàn)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(chǔ)上設(shè)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(yīng)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&Braun公司的Symphony分散控制系統(tǒng)，其協(xié)調(diào)控制方案采用以機跟爐為基礎(chǔ)的IEB控制方案。秦皇島熱電廠引進美國MCS公司的MAX1000

18、分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用以能量直接平衡(DEB)為基礎(chǔ)的爐跟機控制策略。山西神頭一電廠6號機組系統(tǒng)改造成INFI-90分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制方式為機跟爐協(xié)調(diào)，采用IEB的控制策略。山東十里泉電廠6號和7號機組采用美國西屋公司的WDPF分散控制系統(tǒng)作為硬件平臺，協(xié)調(diào)控制方式采用直接能量平衡(DEB)的思想,以爐跟機為基礎(chǔ)。山西陽泉二電廠3號機組采用了SIEMENS公司的Teleperm-Xp分散控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采用SIEMENS的控制策略，該系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，并綜合采用了各種前饋控制方案功率調(diào)節(jié)和主汽壓力調(diào)節(jié)由機爐作為統(tǒng)一整體來共同完成。國電北侖電廠 1 000 MW 超超臨界機

19、組工藝過程，提出了超超臨界機組協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方案，采用了一系列改進措施來改善過程協(xié)調(diào)性與動態(tài)品質(zhì)，如加快鍋爐動態(tài)響應(yīng)的并行前饋控制，在鍋爐主控制器中通過變參數(shù)控制，對進入給水指令的鍋爐主指令進行分解，然后通過反饋信號來校正前饋等，獲得了滿意的效果。美國的L&N公司首先發(fā)明了DEB的控制方案，其協(xié)調(diào)控制方式基本以DEB為主而美國的FOXBORO公司的協(xié)調(diào)方案也是以DEB為主。對于日本的日立公司的HAICS-1000協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)，從能量的角度來看它以功率指令信號作為前饋，所以它也是能量間接平衡系統(tǒng)(IEB)。綜合以上協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)西歐和日本的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基本采用

20、間接能量平衡(IEB)為主，而美國的公司基本上采用了能量直接平衡(DEB)為主。1.3 研究內(nèi)容與研究計劃本論文主要研究的內(nèi)容是以下幾面：（1） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制方案綜述協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)按反饋回路分類，可分為以機跟爐為基礎(chǔ)和以爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。由于純粹的機跟爐和爐跟機系統(tǒng)都有較大的缺點，所以，在單元機組中一般都加入前饋補償信號作為機爐彼此協(xié)調(diào)動作的聯(lián)系。從前饋回路的設(shè)計不同，可分為按指令信號間接平衡(IEB)的系統(tǒng)和直接能量平衡(DEB)的系統(tǒng)。（2） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)被控對象的模型分析單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的被控對象是一種存在強烈耦合特征的、復(fù)雜的多變量系統(tǒng)。受控過程是一個多輸入、多輸出的

21、過程，并在輸入與輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。由于直流鍋爐單元機組就是三輸入三輸出的被控對象，在進行解耦及解耦器的設(shè)計過程中會比較復(fù)雜，因此有必要對傳遞函數(shù)進行簡化，傳遞函數(shù)的微分環(huán)節(jié)具有快速隨動性，因此解耦的過程中可將其忽略，從而化簡的解耦的過程。（3） 對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對象進行解耦研究由以上的分析可知，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是以鍋爐燃料量、汽輪機閥門開度、給水量為輸入，鍋爐主蒸汽壓力、機組實際發(fā)電功率、中間點焓值為輸出的多變量系統(tǒng)。各個主要被控參數(shù)之間是相互關(guān)聯(lián)、相互耦合、相互影響的?？刂葡到y(tǒng)之間存在耦合時，當(dāng)各控制參數(shù)設(shè)置不合適的時候會引起系統(tǒng)間的干涉振蕩，以至于系統(tǒng)無法正常運行。所以，分

22、析控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，減弱系統(tǒng)間的耦合，是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要內(nèi)容。（4） 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制器的選型與參數(shù)整定以機爐為被控對象的多變量系統(tǒng)經(jīng)解耦后，可作為單回路控制系統(tǒng)進行研究。本畢業(yè)設(shè)計對于單回路控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的控制器結(jié)構(gòu)選型和控制器參數(shù)的整定進行了仿真研究。（5） 用積分分離PID控制算法對協(xié)調(diào)系統(tǒng)的研究在標(biāo)準(zhǔn)的PID控制算法中，當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給定值時，由于短時間內(nèi)出現(xiàn)較大的偏差，加上系統(tǒng)本身的慣性和滯后，在積分項的作用下，往往引起系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)和長時間的波動。采用積分分離PID控制算法后，設(shè)置積分分離閥值,對于大于的部分不進行積分作用，這樣就顯著降低了被調(diào)量的超調(diào)量，縮短了

23、調(diào)節(jié)時間。由于本次課程設(shè)計所選用的數(shù)學(xué)模型的階次較低，在采用積分分離PID控制算法時，只能顯著的降低超調(diào)量，調(diào)節(jié)時間幾乎與標(biāo)準(zhǔn)PID控制算法的一致。第二章 機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)概述簡單地說，機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：(1)接受電網(wǎng)中心調(diào)度所的負(fù)荷自動調(diào)度指令、運行人員的負(fù)荷指令和電網(wǎng)頻率偏差信號，及時響應(yīng)負(fù)荷請求，使機組具有一定的電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻能力，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷變化的需要。(2)協(xié)調(diào)鍋爐和汽輪發(fā)電機的運行，在負(fù)荷變化率較大時，能維持兩者之間的能量平衡，保證主蒸汽壓力穩(wěn)定。(3)協(xié)調(diào)機組內(nèi)部各子系統(tǒng)（燃料、送風(fēng)、爐膛壓力、給水、蒸汽溫度等控制系統(tǒng)）的平衡。在負(fù)荷變化過

24、程中使機組的主要運行參數(shù)在允許的工作范圍內(nèi)，以確保機組有較高的效率和可靠的安全性。(4)協(xié)調(diào)外部負(fù)荷請求與主/輔設(shè)備實際承受能力的關(guān)系。在機組主/輔設(shè)備能力受到限制的異常情況下，可根據(jù)實際情況，限制或強迫改變機組負(fù)荷。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-1圖2-1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般由協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)及與協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)相關(guān)的鍋爐汽機控制子系統(tǒng)組成，如圖2-2。圖2-2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的組成協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分為機組指令處理回路，用以協(xié)調(diào)機組能力與電網(wǎng)需求的平衡，根據(jù)AGC指令或本機的運行人員指令（目標(biāo)指令），經(jīng)運算處理，給出在幅值大小和變化率均為機組可能接受的實際機組功率指

25、令ULD（Unit Load Demand）。第二部分為機爐主控系統(tǒng)或機爐主控制器，根據(jù)機組功率指令ULD、機組的運行工況、運行方式以及機、爐不同的動態(tài)特性，協(xié)調(diào)鍋爐與汽輪機間的能量平衡，提供機組級的輸出功率與機前壓力聯(lián)合控制，從而使機組的負(fù)荷適應(yīng)性與運行穩(wěn)定性兼優(yōu)。第三部分為協(xié)調(diào)子系統(tǒng)。協(xié)調(diào)主控系統(tǒng)輸出的鍋爐指令和汽輪機指令，分別控制鍋爐、汽輪機的各子系統(tǒng)燃料、送風(fēng)、引風(fēng)、給水、噴水以及汽輪機閥位。對主控系統(tǒng)來說，各子控制系統(tǒng)均相當(dāng)于伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。要實現(xiàn)機組協(xié)調(diào)控制，首先必須使鍋爐、汽輪機子系統(tǒng)運行正常，也就是說要提高基礎(chǔ)自動化水平。2.1.1協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基本策略從不同的觀察角度，協(xié)

26、調(diào)控制系統(tǒng)的劃分不盡相同。但最常用的有兩種：1、按系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，主要有以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)和汽機機爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；2、按能量平衡關(guān)系，主要有間接能量平衡系統(tǒng)（IEB）和直接能量平衡系統(tǒng)（DEB）。一、以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是在鍋爐跟隨控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的環(huán)節(jié)形成的，原理如圖2-3所示：圖2-3 以鍋爐跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)正常運行時汽輪機側(cè)閉環(huán)調(diào)功、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)壓+ULD前饋。圖中，F(xiàn)(t)一般為超前-滯后環(huán)節(jié)，它一方面使燃燒率指令隨給定功率變化而沒有遲延，另一方面對給定功率的微分超前調(diào)節(jié)作用，有利于改善鍋爐對功率的響應(yīng)特

27、性。環(huán)節(jié)F(x)為帶有死區(qū)的非線性環(huán)節(jié)有利于提高協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。若負(fù)荷變化速度過快或燃料擾動過大，造成機前壓力偏差超過F(x)的不靈敏區(qū)時，汽輪機側(cè)即由調(diào)功率轉(zhuǎn)入壓力拉回方式，確保壓力波動在規(guī)定的死區(qū)范圍之內(nèi)。死區(qū)的大小決定了蓄能的利用，兼顧負(fù)荷適應(yīng)性與運行穩(wěn)定性，斜率的選擇取決于壓力偏差動態(tài)校正的速度。二、以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)這種協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在汽機跟隨控制方式的基礎(chǔ)上，允許汽壓在一定范圍內(nèi)波動，原理方框圖如圖2-4所示。圖2-4 以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)汽輪機側(cè)同時閉環(huán)調(diào)壓調(diào)功+ULD前饋、鍋爐側(cè)閉環(huán)調(diào)功+ULD前饋。為了克服單純汽輪機跟隨控制方式時負(fù)荷響應(yīng)慢及功率波動

28、大的缺點，在汽輪機側(cè)同時加入了功率偏差信號，分析入下：（1）外擾時的蓄能應(yīng)用功率指令同時送機、爐兩側(cè)，合理利用鍋爐蓄能，提高了機組的負(fù)荷響應(yīng)。汽輪機側(cè)PI調(diào)節(jié)器輸入為，可理解為負(fù)荷變化（增加）時，動態(tài)改變（降低）了壓力定值，以放出蓄能。功差項就是加負(fù)荷時壓力定值的動態(tài)降低量。若負(fù)荷變化超過規(guī)定，對信號設(shè)置有F(x)予以限制，以免機前壓力偏差超過允許范圍。F(x)模塊的斜率K，就是一個外擾動態(tài)過程鍋爐蓄能利用程度參數(shù)。（2）內(nèi)擾時擾動單向補償設(shè)計交叉環(huán)節(jié)F(x)，使之滿足 則理論上基本消除了爐對機的影響，實際中一般取這樣，燃料擾動（增加）時，功率信號（增加）抑制了汽輪機控制回路由于機前壓力（增加

29、）要開大閥門的動作，減少了功率的波動，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。實際系統(tǒng)中，考慮到機組各種運行工況及輔機情況，一般設(shè)計有多種運行方式，并具有無擾切換功能。三、機爐協(xié)調(diào)控制方式機爐協(xié)調(diào)控制方式最早是在20世紀(jì)50年代提出的，但其是在60年代末，隨著電動液壓控制的發(fā)展而得到應(yīng)用。不管是爐跟隨還是機跟隨控制方式，都是采取機爐分工、先后動作的配合方式，而對于變動負(fù)荷的機組負(fù)荷控制，必須遵循負(fù)荷協(xié)調(diào)控制原則的協(xié)調(diào)控制方式。當(dāng)外界負(fù)荷發(fā)生變化時，負(fù)荷指令同時送到機、爐主控制器，對汽輪機和鍋爐發(fā)出負(fù)荷控制指令，改變汽輪機的進汽量和鍋爐的燃燒率，利用鍋爐的蓄能快速響應(yīng)負(fù)荷需求，同時通過改變?nèi)紵蕪亩淖冞M入鍋爐的能量

30、，保持機組輸入能量與輸出能量的平衡。同樣，當(dāng)主蒸汽壓力產(chǎn)生偏差時，機、爐主控制器同時接受指令信號對汽輪機和鍋爐進行操作，一方面改變鍋爐的燃燒率，補償蓄能的變化，另一方面適當(dāng)改變汽輪機的進汽門的開度，控制蒸汽流量，維持主汽壓力的穩(wěn)定。其原理圖如圖2-5所示。圖2-5 單元機組機爐協(xié)調(diào)控制方式2.2協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型分析2.2.1 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的特點由于不存在汽包的緩沖，超臨界直流鍋爐的熱水段、蒸發(fā)段和過熱段之間沒有固定界限，水汽轉(zhuǎn)換一次性完成，所以具有很多與亞臨界汽包鍋爐不一樣的對象特性，而這些特性與機組的運行方式及控制策略密切相關(guān)。在分析和研究超臨界機組的控制策略之前，我們首先需

31、要分析和研究超臨界機組的對象特性。一、超臨界機組的特點超臨界參數(shù)鍋爐與亞臨界汽包鍋爐在自動控制方面有所不同,其原因是直流鍋爐與汽包鍋爐之間的差別。超臨界參數(shù)鍋爐是指過熱器出口主蒸汽壓力超過22.129 MPa,理論上認(rèn)為,在水的狀態(tài)參數(shù)達到臨界點時,水的汽化會在一瞬間完成,即在臨界點時飽和水和飽和蒸汽之間不再有汽、水共存的二相區(qū)存在,也就是說二者的各項參數(shù)不再有區(qū)別。由于在臨界參數(shù)下汽水密度相等,在超臨界壓力下無法維持自然循環(huán),因此超臨界鍋爐必須是直流鍋爐。隨著鍋爐朝著大容量參數(shù)的方向發(fā)展,超臨界機組日益顯示其諸多優(yōu)點,不僅煤耗大大降低,排污量也相應(yīng)減少,經(jīng)濟效益十分明顯。超臨界機組與亞臨界汽

32、包鍋爐結(jié)構(gòu)和工藝過程有著顯著不同,其控制具有如下一些特點：（1）機組啟動系統(tǒng)首先要建立啟動壓力和啟動流量,保證給水能連續(xù)通過省煤器和水冷壁,尤其要保證水冷壁能足夠冷卻和水動力的穩(wěn)定性。同時,系統(tǒng)回收鍋爐啟動初期排出的熱水、汽水混合物、飽和蒸汽以及過熱度不足的過熱蒸汽,以實現(xiàn)工質(zhì)和熱量的回收。（2）超臨界直流爐沒有汽包環(huán)節(jié),給水經(jīng)加熱、蒸發(fā)和變成過熱蒸汽是一次性連續(xù)完成的,隨著運行工況不同,鍋爐將運行在亞臨界或超臨界壓力下,蒸發(fā)點會自發(fā)地在一個或多個加熱區(qū)段內(nèi)移動,汽水之間沒有一個明確的分界點。這要求控制系統(tǒng)更為嚴(yán)格保持各種比值的關(guān)系(如給水量/蒸汽量、燃料量/給水量及噴水量/給水量等)。（3）

33、由于沒有儲能作用的汽包環(huán)節(jié),鍋爐的蓄能顯著減小,負(fù)荷調(diào)節(jié)的靈敏性好,可實現(xiàn)快速啟停和調(diào)節(jié)負(fù)荷,但汽壓對負(fù)荷變動反映靈敏,變負(fù)荷性能差,汽壓維持比較困難。（4）直流爐由于汽水是一次完成的,因而不象汽包爐那樣。汽包在運行中除作為汽水分離器外,還作為燃水比失調(diào)的緩沖器。當(dāng)燃水比失去平衡時,利用汽包中的存水和空間容積暫時維持鍋爐的工質(zhì)平衡關(guān)系,以保持各段受熱面積不變。這使得直流爐汽機與鍋爐之間具有強烈的耦合特性,整個受控對象是一多輸入多輸出的多變量系統(tǒng)。（5）強烈的非線性是超臨界機組又一主要特征。超臨界機組采用超臨界參數(shù)的蒸汽，其機組的運行方式采用滑參數(shù)運行，機組在大范圍的變負(fù)荷運行中，運行壓力10-

34、25 MPa之間。超臨界機組實際運行在超臨界和亞臨界兩種工況下，在亞臨界運行工況給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在超臨界運行工況汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽，因此超臨界運行方式和亞臨界運行方式機組具有完全不同的控制特性，超臨界機組是一種特性復(fù)雜多變的被控對象，隨著機組負(fù)荷的變化，機組的動態(tài)特性參數(shù)亦隨之大幅度變化。如燃水比調(diào)節(jié)的溫度對象，在負(fù)荷變化50100范圍內(nèi)，增益變化達56倍，時間常數(shù)的變化也有3倍左右。由于超臨界直流爐的強非線性，常規(guī)的控制策略難以達到良好的控制效果。因此需要大量采用變參數(shù)PID，變結(jié)構(gòu)控制策略，以保證在各個負(fù)荷點上控制系統(tǒng)具有良好的效果。發(fā)展超臨界機組已

35、成為我國電力行業(yè)的主要方向之一。大容量超臨界機組具有運行經(jīng)濟性高、負(fù)荷適應(yīng)性強的特點,是我國未來大型火電機組的發(fā)展方向。二、超臨界機組的動態(tài)特性：超臨界直流鍋爐對象特性的變化體現(xiàn)在汽水系統(tǒng)中，而制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽輪機調(diào)門、汽輪機動態(tài)環(huán)節(jié)同汽包鍋爐是一致的。當(dāng)風(fēng)煙系統(tǒng)特性忽略后，仍然可以將超臨界直流爐劃分為制粉環(huán)節(jié)和鍋爐核心環(huán)節(jié)，只不過鍋爐核心環(huán)節(jié)是三入三出的。各種擾動下輸出的響應(yīng)曲線如圖2-6所示。1汽輪機調(diào)門開度階躍增加擾動在汽輪機調(diào)門開度階躍增加擾動下，各個輸出變量變化為：機前壓力降低導(dǎo)致鍋爐蓄熱釋放，機組負(fù)荷增加，由于燃料量和給水流量沒有變化，鍋爐釋放出蓄熱后，經(jīng)過一段時間后機組負(fù)荷

36、恢復(fù)到原來的水平；機前壓力隨著鍋爐蓄熱的釋放逐漸降低最后穩(wěn)定；中間點溫度在蒸汽流量增加后略微降低，由于燃料量和給水流量沒有變化，隨著蒸汽流量恢復(fù)回升到原來的水平。2燃料量階躍增加擾動在燃料量階躍增加擾動下，各個輸出變量變化為：鍋爐各個受熱面吸熱增加，導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機組負(fù)荷上升，由于給水流量沒有增加，在附加蒸發(fā)量蒸發(fā)完畢后，蒸汽流量開始降低，過熱汽溫上升，減溫水系統(tǒng)增加噴入減溫水流量以維持過熱汽溫，實際蒸汽量增加，機組負(fù)荷增加到與燃料量相對應(yīng)的水平；由于蒸汽量增加而汽輪機調(diào)門開度不變，機前壓力上升至一定水平；由于燃水比增加，蒸發(fā)段提前，中間點溫度上升至一定水平。3給水流量階躍增加擾動在給水

37、流量階躍增加擾動下，各個輸出變量變化為：給水流量增加導(dǎo)致附加蒸發(fā)量增加，機組負(fù)荷先上升，由于過熱段吸熱減少導(dǎo)致過熱蒸汽溫度下降，減溫水系統(tǒng)減少噴入減溫水流量以維持過熱汽溫，最終使負(fù)荷恢復(fù)到原來水平；同樣由于附加蒸發(fā)量增加，使機前壓力先增加，由于減溫水流量減少，最終恢復(fù)到原來水平；由于燃水比減小，蒸發(fā)段延后，中間點溫度下降至一定水平。(a)汽輪機調(diào)門開度擾動；(b)然料量擾動；(c)給水流量擾動圖2-6 超臨界直流鍋爐動態(tài)特性曲線三、超臨界機組協(xié)調(diào)控制特點1機、爐控制耦合汽輪機和鍋爐之間的非線性耦合是超臨界機組難點之一，常規(guī)的控制系統(tǒng)難以達到好的控制效果。由于直流鍋爐在汽水流程上的一次性循環(huán)特性

38、，沒有汽包等參數(shù)集中的儲能元件，在直流運行狀態(tài)汽水之間沒有一個明確的分界點，給水從省煤器進口就被連續(xù)加熱、蒸發(fā)與過熱，根據(jù)水、濕蒸汽與過熱蒸汽物理性能的差異，可以劃分為加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分，在流程中每一段的長度都受到燃料、給水、汽機調(diào)門開度的擾動而變化，從而導(dǎo)致了功率、壓力、溫度的變化。另外，由于沒有汽包的緩沖，超臨界鍋爐動態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比汽包式鍋爐大。主汽閥開度一方面控制汽輪機功率，一方面改變了鍋爐的被控特性，這和汽包鍋爐的情況不同。例如當(dāng)汽輪機負(fù)荷增加時，汽輪機功率調(diào)節(jié)器會增大汽機主蒸汽閥開度，增大汽輪機進汽量，由于鍋爐的響應(yīng)速度較慢，無法及時產(chǎn)生足夠蒸汽，從而使機前壓

39、力降低，阻礙了汽輪機進汽量進一步增大。為了獲得更多進汽量以滿足負(fù)荷需求，汽輪機功率調(diào)節(jié)器會進一步開大調(diào)節(jié)汽門，導(dǎo)致機前壓力進一步降低，最終形成惡性循環(huán)。對于汽包鍋爐，由于汽包的蓄熱較大，可利用汽包的蓄熱滿足汽輪機超調(diào)的需求，使主汽壓力不致產(chǎn)生過大波動。對采用直流鍋爐的超臨界機組而言，由于鍋爐的蓄熱相對較小，難以按足汽輪機的需求，從而使主汽壓力大幅度變化，降低了控制質(zhì)量。a.汽機擾動對鍋爐的耦合特性直流鍋爐汽水一次性循環(huán)特性，使超臨界鍋爐動態(tài)特性受末端阻力的影響遠(yuǎn)比鍋筒式鍋爐大。當(dāng)汽機主汽閥開度發(fā)生變化，影響了機組的功率,同時也直接影響了鍋爐出口末端阻力特性,改變了鍋爐的被控特性,由于沒有汽包的

40、緩沖，汽機側(cè)對直流鍋爐的影響遠(yuǎn)大于對汽包鍋爐的影響。其特性不但影響了鍋爐的出口壓力，而且由于壓力的變化引起了給水流量的變化，延長了鍋爐側(cè)汽水流程的加熱段，導(dǎo)致了溫度的變化。b.鍋爐燃料擾動對壓力、溫度、功率的影響燃料發(fā)生變化時，由于加熱段和蒸發(fā)段縮短，鍋爐儲水量減少，在燃燒率擾動后經(jīng)過一個較短的延遲蒸汽量會向增加的方向變化，當(dāng)燃燒率增加時，一開始由于加熱段蒸發(fā)段的縮短而使蒸發(fā)量增加，也使壓力、功率、溫度增加。c.給水?dāng)_動對壓力、溫度、功率的影響當(dāng)給水流量擾動時，由于加熱段、蒸發(fā)段延長而推出一部分蒸汽，因此開始壓力和功率是增加的，但由于過熱段縮短使汽溫下降，最后雖然蒸汽流量增加但壓力和功率還是下

41、降，汽溫經(jīng)過一段時間的延遲后單調(diào)下降，最后穩(wěn)定在一個較低的溫度上。d.被控參數(shù)之間的耦合關(guān)聯(lián)在直流鍋爐中，壓力控制是最重要的被控對象，因為壓力的變化不僅影響機組負(fù)荷的變化，還會影響給水流量的變化，從而導(dǎo)致對溫度的影響。從上面的分析可以看出，直流鍋爐的一次循環(huán)特性，使機組的主要控制參數(shù)功率、壓力、溫度均受到了汽機調(diào)門開度、燃料量、給水量的影響。從而也說明直流鍋爐是一個三輸入/三輸出相互耦合關(guān)聯(lián)極強的被控特性。2非線性特性強超臨界機組采用超臨界參數(shù)的蒸汽,其機組的運行方式采用滑參數(shù)運行，機組在大范圍的變負(fù)荷運行中，壓力運行在10MPa25MPa.之間。超臨界機組實際運行在超臨界和亞臨界兩種工況下。

42、在亞臨界運行工況下，給水具有加熱段、蒸發(fā)段與過熱段三大部分；而在超臨界運行工況下，由于汽水的密度相同，水在瞬間轉(zhuǎn)化為蒸汽。由于超臨界和亞臨界區(qū)工質(zhì)物性的巨大差異，以及不同燃燒率下鍋爐蒸發(fā)段（或相變點）位置的遷移等因素的影響，機組的動態(tài)特性參數(shù)也大幅度變化，使超臨界機組呈現(xiàn)很強的非線性特性和變參數(shù)特性。因此在超臨界運行方式和亞臨界運行方式機組具有完全不同的控制特性，是復(fù)雜多變的被控對象，遠(yuǎn)比常規(guī)的亞臨界機組難于控制。3燃水比難于控制超臨界機組控制的重點在于鍋爐的燃水比調(diào)節(jié)。由于燃水比變化時出口汽溫的響應(yīng)遲延很大，因此不能用出口汽溫來作為燃水比調(diào)節(jié)的反饋量。與汽包鍋爐機組調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，超臨界機組給

43、水調(diào)節(jié)系統(tǒng)類型繁多，但現(xiàn)有控制方案仍各有不足，不能滿足變壓運行與大范圍負(fù)荷變化的要求。2.2.2 超臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型超臨界單元機組可以看成一個三輸入三輸出的多變量調(diào)節(jié)對象, 如圖2-7所示?？紤]鍋爐主要調(diào)節(jié)量 (汽機調(diào)門開度 µT、給煤量 B、給水量W ) 對功率N、主汽壓 P、主汽溫 T、中間點焓值H 的影響。圖2-7 超臨界機組控制系統(tǒng)的輸入、輸出由于汽機閥門開度對中間點焓值影響很小可以近似忽略。給水量對汽輪機功率影響不大也可忽略不計。則其動態(tài)模型可以簡化如圖2-8所示。圖2-8 某廠1000MW燃煤機組在100%負(fù)荷上的動態(tài)數(shù)學(xué)模型一、 超臨界機組數(shù)學(xué)模型的建立模

44、型的選取與編碼在 100 %負(fù)荷下的汽輪機調(diào)節(jié)閥開度、給水量W、給煤量 B 作為辨識輸入數(shù)據(jù), 主汽壓力P、汽輪機實際輸出功率N、由汽水分離器出口壓力 (中間點壓力) 和汽水分離器出口溫度 (中間點溫度) 經(jīng)華北電力大學(xué)能源與動力工程系開發(fā)的水和水蒸汽 I APWS- 97標(biāo)準(zhǔn)計算程序計算得到的中間點焓值H 分別作為辨識輸出數(shù)據(jù)。 （7）根據(jù)熱工過程階躍響應(yīng)曲線和超臨界機組動態(tài)特性為： (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14)本文辨識所用到的數(shù)據(jù)均來自某 1 000MW 超臨界機組運行的實際現(xiàn)場熱工數(shù)據(jù)。為了滿足可辨識性, 辨識數(shù)據(jù)是從長期記錄的現(xiàn)場數(shù)據(jù)中選取汽機輸出功

45、率在 100 %工況附近小范圍變化的一段。數(shù)據(jù)的采樣周期為 3 s , 共 600組。本文使用的量綱為: 功率 N: MW; 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:M=3;X=wden(B,rigrsure,s,mln,M, sym4);采用上述自適應(yīng)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,

46、 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, 2.2897即100%負(fù)荷下的傳遞函數(shù)為： （15） （16） （17） （18） （19） （20） （21）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(yīng)分別如圖2-9、2-10所示。1

47、、汽機調(diào)門開度階躍變化+1%響應(yīng)曲線，如圖2-9所示：(a)功率響應(yīng)曲線(a) 壓力響應(yīng)曲線圖2-9 汽機調(diào)門開度階躍變化+1%響應(yīng)曲線2、給煤量B階躍變化+1t/h響應(yīng)曲線，如圖2-10所示(a) 功率響應(yīng)曲線(b) 壓力響應(yīng)曲線(c) 中間點焓值響應(yīng)曲線圖2-10 給煤量階躍變化+1t/h響應(yīng)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(xué)模型的階躍響應(yīng)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(xué)模型。 第三章 多變量耦合系統(tǒng)概述3.1概述超臨界機組協(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(shè)計。但由于受控對象數(shù)學(xué)模型

48、的精度不高、控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)計方法不便于工程技術(shù)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(shè)計理論進行單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與綜合，還處于初級階段。但隨著多變量控制技術(shù)的發(fā)展與完善及計算機控制系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，這一問題將逐步得到解決。當(dāng)回路間存在嚴(yán)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(shè)計一個計算網(wǎng)絡(luò)，用它去抵消過程中的關(guān)聯(lián)，以保證各個單回路控制系統(tǒng)能獨立工作。下面我們以某廠1000MW超臨界機組在100%負(fù)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

49、、中間點焓值H)的數(shù)學(xué)模型進行解耦控制。 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(yù)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(shè)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(guān)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： 其中，矩陣P的元素pij的靜態(tài)值稱為j到y(tǒng)i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之間通道的開環(huán)增益。

50、顯然它就是除j到y(tǒng)i通道以外，其他通道全部斷開時所得到的j到y(tǒng)i通道的靜態(tài)增益，可表為： 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y(tǒng)i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y(tǒng)i的開環(huán)增益。qij可以表為： 有了矩陣P和Q，取它們相應(yīng)元素的比值構(gòu)成新的矩陣。元素可以寫作： 上式即為j到y(tǒng)i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： 第二放大倍數(shù)分別為：由于 （1） （2） （3）將N分別用P、H、表示：由（3）式得： (4)將（4）帶入（2）式得：故 所以

51、 所以 同理可得：所以該系統(tǒng)的相對增益矩陣為: 令，則傳遞函數(shù)的靜態(tài)值為： 所以系統(tǒng)的靜態(tài)相對增益為：； ；即由上述相對增益可可發(fā)現(xiàn)：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(guān)聯(lián)； 由和組成的控制回路與其他回路之間沒有關(guān)聯(lián)；由和組成的控制回路與其他回路之間沒有關(guān)聯(lián)；而，則表明不能用來控制。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(fù)荷下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為如圖3-2形式：圖3-2 根據(jù)相對增益調(diào)整后的數(shù)學(xué)動態(tài)模型3.2前饋補償解耦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

52、耦控制系統(tǒng)。圖所示為應(yīng)用前饋補償器來解除系統(tǒng)間耦合的方法，假定從到通路中的補償器為，從到通路中的補償器為,從到通路中的補償器為,從到通路中的補償器為,利用補償原理得到圖3-3： 圖3-3 前饋補償法解耦控制系統(tǒng) 由上四式可分別解出補償器的數(shù)學(xué)模型： 3.3對角矩陣法研究某廠1000MW燃煤機組在100%負(fù)荷上三輸入-三輸出的控制系統(tǒng)如圖3-2所示，設(shè)均為解耦器。為計算出解耦器的數(shù)學(xué)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：被調(diào)量yi和調(diào)節(jié)量i之間的矩陣為: （1）調(diào)節(jié)量Mi(s)與調(diào)節(jié)器輸出Mci(s)之間的矩陣為： （2）將（2）式代入（

53、1）式得到系統(tǒng)傳遞矩陣為： （3）對角矩陣綜合法即要使系統(tǒng)傳遞矩陣成為如下形式： （4）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）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(xué)模型為： （6）按式（6）就可以組成如圖3-4所示的解耦控制系統(tǒng)。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；說明將不再受的影響；說明完全對角矩陣法解除不了對的影響，故不能達到完全解耦，不行形成單回路控制系統(tǒng)。由系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可發(fā)現(xiàn)，為微分環(huán)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)處于靜態(tài)時，其輸出為0，在此不考慮對其進行解耦，所以對該控制系統(tǒng)進行

54、部分對角矩陣法解耦，解耦器設(shè)計如圖3-5所示：圖3-5 部分對角矩陣法解耦控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：被調(diào)量yi和調(diào)節(jié)量i之間的矩陣為: （1）調(diào)節(jié)量Mi(s)與調(diào)節(jié)器輸出Mci(s)之間的矩陣為： （2）將（2）式代入（1）式得到系統(tǒng)傳遞矩陣為： （3）對角矩陣綜合法即要使系統(tǒng)傳遞矩陣成為如下形式： （4）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）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解耦器數(shù)學(xué)模型為： （6）按式（6）就可以組成如圖所示的解耦控制系統(tǒng)。即：將解耦器帶入上圖，發(fā)現(xiàn)：；說明將不再受的影響；說明將不再受的影響則實現(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(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。