（动力机械及工程专业论文）凝汽式汽轮机虚拟控制装置研究.pdf

摘要 汽轮机组是火电厂中最主要的设备之一。汽轮机组的控制系统对保障汽轮机 安全稳定运行至关重要，其性能的优劣直接影响汽轮机组和电网运行的经济性、 安全性和供电品质。 本文以2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、6 0 0 m w 凝汽式汽轮机组为研究对象，用机理分析法分 别建立了不同汽轮机控制系统中各环节( 包括电液转换器、油动机、进汽容积、 蒸汽功率、转子) 的数学模型，并利用虚拟仪器软件工具l a b v l e w 对它们的动态 特性进行了仿真研究。在深入研究上述三种汽轮机控制系统原理、特性和运行方 式的基础上，采用图形化建模方法，利用l a b v l e w 软件中的仿真与控制工具包对 汽轮机控制系统进行图形组态的建模，研究了汽轮机自启动控制系统和负荷控制 系统，给出了最佳整定参数值，得到了三种汽轮机控制系统转速和功率的控制曲 线。 并采用模糊自整定p i d 控制方法对负荷控制进行了改进，给出了新方案下控 制器参数的最佳整定值，对比分析了两种控制方案下控制系统的控制性能，仿真 结果和分析表明在系统稳定性，超调量和自整定p i d 参数等方面，模糊自整定 p i d 控制算法均优于传统p i d 控制算法。本文利用l a b v i e w 虚拟仪器的强大功能 设计出开放、灵活、可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联的汽轮机 控制系统虚拟装置，具有良好的界面和易操作性，可以取代传统汽轮机控制系统 模拟装置。 本文的研究对于提高汽轮机的控制质量、更好地开展汽轮机控制方面的研究 具有一定的理论和实际意义。 关键词：l a b v le w 虚拟仪器；汽轮机控制；数学建模；仿真研究；模糊自整定pid 控制 a b s t r a c t s t e a mt u r b i n ei so n eo ft h em a i ne q u i p m e n t si nt h et h e r m a lp o w e rp l a n t c o n t r o ls y s t e mo ft h es t e a mt u r b i n ei se s s e n t i a lt oe n s u r et h es a f e t ya n dt h es t a b l e o p e r a t i o no ft h es t e a mt u r b i n e ，w h e t h e rt h ep e r f o r m a n c eo fw h i c hi sg o o dw i l l d i r e c t l yi m p a c to nt h ee c o n o m y , s a f e t ya n dp o w e rq u a l i t yo ft h es t e a mt u r b i n ea n d e l e c t r i c a ln e t w o r ko p e r a t i o n t h e2 0 0 m w 、30 0 m wa n d6 0 0 m wc o n d e n s i n gs t e a mt u r b i n eu n i t sa r er e g a r d e d a s s t u d y i n go b i e c t si n t h i s t h e s i s t h em a t h e m a t i cm o d e l so ft h ee a c ht a c h e ( i n c l u d i n ge l e c t r o h y d r a u l i cc o n v e r t e r , s e r v o m o t o r ，i n l e ts t e a me u b a g e ，s t e a mp o w e r a n dr o t o r ) a r ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h em e t h o do fm e c h a n i s ma n a l y s i s ，a n dt h e i r d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ci ss i m u l a t e db yl a b v i e w o n t h eb a s i so ft h ed e e pr e s e a r c h o nt h ec o n t r o ls y s t e mt h e o r y , c h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n - m o d eo ft h et u r b i n e ，t h e p a p e rg i v e sar e s e a r c ho nt h em o d e l i n gf o rt h eg r a p h i c a lc o n f i g u r a t i o no ft h et u r b i n e c o n t r o ls y s t e m ，u s i n gg r a p h i c a lm o d e l i n gm e t h o d s s i m u l a t i o no fa u t o m a t i ct u r b i n e s t a r t u pc o n t r o ls y s t e ma n dl o a dc o n t r o ls y s t e mc o n c l u d e st h eb e s tt u n i n gp a r a m e t e r v a l u e sa n dt h ec o n t r o lc u r v e so fr o t a t i n gs p e e da n dp o w e ro nt h et h r e ek i n d so f t u r b i n ec o n t r o ls y s t e m s ，u s i n gs i m u l a t i o na n dc o n t r o lt o o l b o xo fv i r t u a li n s t r u m e n t s o f t w a r et o o ll a b v i ew t h ei m p r o v e m e n to nt h el o a dc o n t r o ls y s t e mi sa c h i e v e db yu s i n gt h ef u z z y s e l f - t u n i n gp i dc o n t r o li nt h i st h e s i s t h eb e s tt u n i n gp a r a m e t e rv a l u e so f t h ec o n t r o l s y s t e mw h i c hi su s e di nn e wc o n t r o ls t r a t e g ya r eg i v e ni nt h ep a p e r ，a n dt h ec o n t r o l c a p a b i l i t yo ft h et w oc o n t r o ls t r a t e g i e si sc o m p a r e da n da n a l y z e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h ea n a l y s i si n d i c a t et h a tf u z z ys e l f - t u r n i n gp i dc o n t r o la r i t h m e t i ci s s u p e r i o r t ot h ec o n v e n t i o n a lpi de o n t r o la r i t h m e t i ci ns t a b i l i t y , o v e r s h o o t ， s e l f - t u r n i n gp i dp a r a m e t e r sa n do t h e ri n s p e c t s t h ev i r t u a ld e v i c ew h i c h i so p e na n d f l e x i b l e ，w i t ht h es i m u l t a n e o u sd e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e r ，w i t hn e t w o r ka n do t h e r p e r i p h e r a l sr e l a t e do fc o n t r o ls y s t e mf o rs t e a mt u r b i n ei sd e s i g n e db yu s i n gt h e p o w e r f u lf u n c t i o no fl a b v i e 彤a n di t h a sag o o di n t e r f a c ea n de a s yo p e r a t i o n ， s u b s t i t u t i n gt h es i m u l a t i o nd e v i c eo fc o n t r o ls y s t e mo ft h et r a d i t i o n a ls t e a mt u r b i n e t h er e s e a r c hi n t h i sp a p e rh a ss o m et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r i m p r o v i n gt h ec o n t r o lq u a l i t yo fs t e a mt u r b i n ea n dt h ef u r t h e rr e s e a r c hi nt h ef i e l do f s t e a mt u r b i n ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：l a b v i e wv i r t u a li n s t r u m e n t ；s t e a mt u r b i n ec o n t r o l ；m a t h e m a t i c a l m o d e l ；s i m u l a t i o nr e s e a r c h ；f u z z ys e l f - t u r n i n gp i dc o n t r o l i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 名：冲彳 蹶一年岁月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 印彳 导师签名：f 荔形参加 吼1 年，月加 日期：乃夕年r 月f 7 日 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 随着分散控制系统( d c s ) 在电站中的广泛应用和机组自动化水平的不断提高， 要求投入许多控制系统，如汽轮机数字电液控制系统、全程汽包水位控制系统、 单元机组协调控制系统及自动发电控制( a g c ) 等。许多新型的控制算法，如智能 控制、自适应控制、模糊控制、预测控制等，也正被研究人员应用于生产实际。 如何较好地应用这些先进的控制算法以进一步改善热工控制系统品质，需要有一 个热工控制仿真支撑环境，使研究和调试工作都可在实验室完成，从而能预先确 定控制方案和参数，大大减少现场调试次数。同时，随着科学技术的发展，汽轮 机为了获得尽量高的热效率，降低制造、安装和运行成本，也越来越向大容量、 高参数方向发展。这使得机组设备更加复杂，变工况过程中的控制因素更多。目 前国内主力机组正在向6 0 0 m w ，甚至更大容量、更高参数的超临界或超超临界机组 方向发展，大机组的运行人员必须经过岗前培训才能上岗操作。因此，有必要建 立汽轮机控制系统的动态仿真模型，为工程技术人员提供一个研究平台，分析汽 轮机控制系统运行特性、验证系统改造方案可行性等等，同时还可以培训电厂运 行人员，一举多得。 电厂在生产运行过程中，首先应该确保生产的安全性心1 。如果把尚未验证的新 型控制方案和控制算法用于电厂汽轮机中，将要冒很大的风险，无法确保其安全 性，就很可能导致重大损失。因此，在汽轮机仿真平台上进行控制方案的研究， 就避免了危险性，保证了电厂整个机组的安全运行。 随着d c s 在电站的普及，今后热控的工作重点将转移到节能增效上来，这就 要求必须对目前电站热工控制系统进行优化。优化不是简单地对现有控制系统的 调节器参数进行调整，而主要是研究采用新型控制结构和新型控制算法的控制系 统。成功应用新型控制系统的关键之一就是在实际投运前对其进行详细的仿真试 验，分析、研究和改善这些控制系统，以便使调试人员掌握新型控制系统的运行 特征及控制器参数的工程整定规则。因此，利用仿真汽轮机控制系统的数学模型， 通过对不同的控制算法的仿真，选择适当的算法作为所研究控制系统的控制策略， 使系统具有更好的控制性能，优化了控制系统的设计，为汽轮机控制系统的控制 方法和控制策略研究提供了平台。同时利用控制系统仿真参数的监测，通过仿真 试验寻找系统最优控制参数，提高了系统的调节品质，为汽轮机控制系统参数的 优化整定提供了条件。而这些优化选择的控制参数对于实际机组的相应控制系统 也具有重要的参考价值。 1 2 国内外汽轮机控制系统现状 1 2 1 国内外汽轮机控制系统发展现状 国外，从2 0 世纪初汽轮机开始用于发电，就配备了机械液压式控制系统。但 随着汽轮机组容量增大、蒸汽参数提高、蒸汽再热技术的广泛采用和汽轮机组的 结构和设备日益复杂；以及电网谷峰差日益增大，致使机组的负荷经常需要较大 幅度地进行调整，对机组的安全性和经济性的要求不断提高，电网对自动化要求 的提高，传统机械液压式控制系统已难以适应电厂的控制要求。在这一形势下， 电气液压式汽轮机控制系统于2 0 世纪中期进入了火电厂。由于早期电气元器件的 可靠性还不能完全满足工业应用的要求，电液并存式控制系统曾在一段时间内使 用。2 0 世纪5 0 年代中期，随着电气元件性能和可靠性的不断提高，电厂采用了不 依靠机械液压式控制系统作后备的模拟式电液控制系统。这样，到2 0 世纪8 0 年 代，随着数字计算机技术的发展及其在过程自动化领域的广泛应用和日益成熟， 欧美各国汽轮机制造厂生产的汽轮机，特别是大容量汽轮机都已经配备了以数字 式计算机为基础的数字式电液控制系统。目前，国外d e h 系统的发展和运用已较 为成熟，例如美国的通用和西屋、日本的三菱和日立、瑞士的a b b 、法国的阿尔斯 通等国外著名动力设备制造公司都研制开发了各自的数字电液控制系统。国外所 有的汽轮机控制系统都是作为汽轮机本体的主要部件，由汽轮机厂设计和配套供 货，汽轮机的控制性能由汽轮机厂负责。部分汽轮机厂所属的企业集团中具有自 动化部门的，则大多由该部门协助开发汽轮机控制系统，生产数字电液控制系统 的电气部分。 国内，由于俄罗斯等国在汽轮机电气液压式控制系统的开发上处于落后状态， 早期从俄罗斯等国引进的都是配备了机械液压式控制系统的汽轮机。虽然我国汽 轮机控制系统的技术研发工作基本与欧美各国同步，但由于国内生产的电器元件 性能和可靠性一直较低，再加上电力系统内部传统观念的影响，阻碍了数字电液 控制系统在电力工业的广泛应用和发展。直到9 0 年代由于引进的3 0 0 m w 、6 0 0 m w 火电机组都配备了数字电液控制系统，并且国内引进了这些火电机组的技术，使 数字电液控制系统成为今后汽轮机控制的发展方向，才由原国务院重大技术装备 办公室主持，原机械部为主、原水电部配合，上海新华公司成功地开发出为引进 型汽轮机配套的数字电液控制系统d e h - i i i ，从这时开始，数字电液控制系统才在 国内大容量汽轮机上得到广泛应用。近年来随着汽轮机技术改造工作地进行，将 原来机械液压式控制系统逐步改造成电液控制系统。目前，我国汽轮机配套的电 液控制系统主要有电液并存式控制系统、纯电液控制系统、专用型数字式控制系 2 统和通用型数字式控制系统。电液并存式控制系统是一种机械液压式到电液控制 系统的过渡产品，主要用于老机组改造，新建电厂已很少采用。纯电液控制系统 ( a e h ) 在我国应用的有美国g e 公司的m a r k - v 型、法国a l s t h o m 公司生产的r e c 一7 0 型及意大利a n s a l d o 公司的e s a c o n 型等。专用型数字式控制系统在我国应用的有 美国西屋公司的d e h - i i 型、法国a l s t h o m 公司生产的m i c r o r e c 型，英国g e c 公 司的m i c r o - g o v e r n o r 型、新华控制工程公司的d e h - i i i 型等。通用型数字式控制系 统在我国应用的有日本三菱公司生产的m i d a s 一8 0 0 0 系统、瑞士a b b 公司生产的 p r o c o n t r o l - p 系统、日本东芝公司生产的t o s m a p 系统、美国西屋公司的w d p f 系 统、美国e t s i 公司生产的i n f i - 9 0 系统、日立公司的h i a c s 一3 0 0 0 系统、新华控 制工程公司的d e h - i i i a 系统等。四种控制系统中，以通用式控制系统发展前景最 大，许多专用型数字式控制系统生产厂家已改用通用型，如上海新华控制工程公 司生产的d e h - i i i 型已不再生产，而改进为通用型的d e h - i i i a 口1 。 1 2 2 国内外汽轮机控制系统研究现状 任何先进控制系统各种功能的发挥和完善、动作的协调和可靠、控制品质的 达标和提高，都必须基于人们对该系统的结构、控制机理、设计思想以及各部分 动态特性等的逐步认识、掌握和正确运用。因此，对汽轮机控制系统也必须不断 地深入研究，力求找到一种使研究工作付出的代价最小而获得的效果最大的方法。 近年来，随着现代控制理论及电子计算机技术的快速发展，利用计算机进行数字 仿真已经成为研究实际系统动态特性的重要手段。与其他手段相比，数字仿真技 术具有安全省时、灵活性大、适应性强、应用范围广，试验精度较高等优点，因 此，利用数字仿真技术对汽轮机控制系统进行仿真研究是一种很有前景的方法。 目前，国内外已经做了许多这方面的工作。国外，文献h 1 、文献哺3 分别介绍了 汽轮机控制系统的建模仿真和利用新模型对汽轮机控制系统的仿真研究。文献旧1 提出了预测控制在汽轮机控制系统中的运用，预测控制成为新的研究方向。国内， 在汽轮机控制系统辨识建模方面，文献盯3 针对传统系统辨识方法在进行调速器系统 辨识时遇到的困难，如：对试验信号要求比较苛刻、对系统中的非线性问题难以 有效处理、某些信号实际难以测量等等，采用了一种基于遗传算法的系统参数辨 识方法，有效的解决了上述问题，并获得了较高的仿真精度。在汽轮机转速控制 方面，文献陋1 利用系统阶跃响应序列建立一种非参数模型，并提出了带误差变化率 反馈校正的动态矩阵控制改进算法来控制汽轮机转速。在负荷控制及甩负荷特性 方面，文献阳1 对2 0 0 m w 机组d e h 系统甩负荷特性进行了仿真研究，阐述了主要参数对 系统的影响，提出了改善系统甩负荷特性的建议。而文献n 们分析了核电汽轮机甩 负荷的工作状态，建立了核电汽轮机的容积方程，并建立了核电汽轮机并网运行 的甩负荷工作原理模型和仿真模型，给出甩负荷后转速和功率的变化曲线，分析 3 了水膜蒸发对核电汽轮机甩负荷过渡过程的影响。文献n 妇分析了d e h 系统的基本结 构和功能，整定了负荷串级控制系统的调节器参数，优化了反馈回路投切与阀门 控制方式切换的控制算法。文献n 2 1 应用仿真支撑软件s t a r - 9 0 ，建立了全范围、全 过程的d e h 仿真系统，不仅能对现场运行人员和高校学生进行培训，而且可以对d e h 进行设计、性能和优化研究。文献n 朝分析了古交电厂3 0 0m w 机组的数字电液控制 系统的功能，介绍了仿真支撑软件b 1 i n k 的特点及建模思想，阐述了基于b 1 i n k 的 数字电液控制系统的仿真方法及步骤。文献n 钔、文献n5 1 、文献n 6 1 分别利用m a t l a b 高级语言中的s i m u l i n k 软件包进行d e h 系统仿真开发，对各工况下的系统进行动态 分析，以便提高d e h 系统的控制品质。文献n7 1 、文献n 8 1 分别将遗传算法和参数辨识 算法应用至t j d e h 系统调节器参数的优化整定，通过仿真对比分析，结果表明应用新 型算法整定的系统具有良好的动态相应特性。文献n 钔设计了一种汽轮机d e h 控制系 统仿真器，它可以模拟汽轮机组的调节特性，代替汽轮机完成与d e h 系统的信息通 讯，通过仿真可以对初步选择的各种总体方案进行比较，以确定合理的系统方案， 分析被控对象元部件和系统的动态特性，确定系统的控制规律，选择合理的控制 参数。 数字仿真技术推动了电力企业对汽轮机控制系统动态特性的研究，它在不影 响生产的情况下对现场控制系统进行仿真，避免了对系统参数调整的盲目性，使 汽轮机控制系统各个部分的动态特性完整地呈现出来，并对汽轮机控制系统优化 运行中参数的整定、修改起到预测和指导作用。由于电站汽轮机调速系统中常常 出现时滞、惯性、干扰、死区和饱和等非线性环节。以常规p i d 控制为基础的线 性控制较难满足这一复杂特性的要求，在控制效果及控制器调整方面尚不尽如人 意。所以智能控制或智能控制与古典控制的结合控制在汽轮机控制系统中的应用 越来越引起人们的关注，成为目前汽轮机控制领域的一大研究热点。 1 3 建模概述 1 3 1 建模方法 在电站汽轮机仿真研究的过程中，很重要的一部分就是汽轮机控制系统的仿 真研究。汽轮机控制系统仿真的基本任务是建立控制系统模型，编制相应的仿真 程序，进行模型的调试和控制参数的整定。其中数学模型的建立及其计算机程序 实现( 简称建模) 是仿真研究的基础和关键所在。因此，系统模型的建立是系统 仿真的核心问题。汽轮机控制系统建模并不是只用一种建模方法就可以建立好模 型的，而是根据系统的特点综合运用各种建模方法，从而得到更为完善的模型 2 0 o 传统建模方法有机理分析建模和系统辨识法建模。机理分析建模法是应用最 广泛的一种数学建模方法。这种建模方法广泛应用于汽轮机控制系统的模型建立。 4 通过对汽轮机控制系统进行简化后，在小偏差线性化、运动部件的质量不计、液 态摩擦力不计的假设下，建立汽轮机控制系统的数学模型，达到研究其系统动、 静态特性的目的。由于在机理建模时，必须对实际系统进行深入地分析、研究， 善于提取本质、主流方面的因素，而忽略了许多不确定影响因素，并且都是在一 定假设或简化条件下得出的。因此机理分析模型的精度一般都不是很高，对于大 型的复杂的控制系统采用机理建模就很难奏效。而系统辨识法是将控制系统看成 是一个黑箱子，不考虑测试数据中随机因素的影响，只是根据系统实际运行或实 验过程中所取得的输入输出数据来建立系统的动静态模型。此建模方法主要广泛 应用于汽轮机非线性控制系统的建模，或对大型复杂的汽轮机控制系统进行参数 辨识，用来验证近似得到的控制系统数学模型的参数乜卜2 2 1 。 传统仿真建模主要提供仿真运行的机制和通用的数据结构，建模的主要任务 是：把实际系统中对象之间的相互作用关系转化成数据结构内部对数据的操作， 即用微分方程和差分方程进行建模，这种方法可以有效的分析汽轮机控制系统， 但对分析人员的要求较高，要求建模人员必须熟悉系统各部件的关系式和物理量， 对系统必须具备专家级的知识水平，并且所建立的仿真模型由大量的比例、积分、 微分、惯性滞后等数学环节组成，结构复杂，缺乏直观性，难于理解，使用起来 相当不方便。这种建模方法不符合人们认识世界的自然思维，且模型的可扩充性 及可维护性差。 图形化建模方法是一种新型建模方法。它是将控制系统、热力系统和电气系 统分成各个独立的模块，进行单独建模，生成模块库，内嵌在系统中，提供给用 户图形界面。用户通过相应的设备图形模块，组建起自己需要的热力系统，图形 建模软件就会自动生成对应的数学模型，并允许用户对模块进行在线调试工作。 图形建模系统采用数据驱动的方式，组态完成后可以直接运行，根本不需要编译 器的参加。控制系统的图形化自动建模基于模块化建模基础之上。一个大系统可 以完全分解为多个基本模块的组合，进一步表示为组态图上图块的组合。就控制 系统仿真的自动建模而言，就是提供一个控制系统仿真模型的自动建模平台，使 建模人员集中精力于控制回路组态、控制参数优化、仿真系统调试等基本内容， 而省去编程的烦恼乜3 。2 4 1 。本文通过图形化建模的方法，经过一定的简化，利用面 向对象的图形化仿真软件l a b v i e w 建立汽轮机控制系统的仿真模型并进行仿真研 究。 1 3 2 建模环境 建模环境为模型软件的开发、调试、维护和实时运行提供的个环境，它必 须具有足够的通用性、开放性和易用性。目前国内外已经开发了许多仿真开发支 撑软件平台，比如在八十年代末，英国将面向对象的仿真、基于知识的仿真、系 5 统的仿真环境和计算机图形学集成在一起推出的面向对象的仿真环境w i t n e s s ，它 是目前欧美各国最流行的仿真系统之一，另外还有加拿大c a e 公司的r o s e 仿真平 台，瑞典d y n a s i m 公司的d y m o l a 仿真平台，国内的亚仿公司推出了a s c a 仿真平 台，华北电力大学推出了s t a r - 9 0 仿真平台，清华大学推出了t p c i d s 仿真平台， 另外，新华公司专门针对它的d e h 系统推出来了仿真平台x d p s 2 0 。 本文选用的l a b v i e w ( l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n t e n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ，实验室虚拟仪器集成环境) 是美国n i 公司推出的一种基于g 语言 ( g r a p h i c sl a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，带有大量的 内置功能，能够完成仿真、数据采集、仪器控制、测量分析和数据显示等任务， 是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境。l a b v i e w 与 v is u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 等编成语言不同，后者采用的是基于文本语言的程序 代码，而前者则是使用图形化程序设计语言g ，用框图代替了传统的程序代码。 l a b v i e w 所运用的设备图标与科学家、工程师习惯的大部分图标基本一致，这使得 编成过程和思维过程非常的相似。l a b v i e w 包含有专门用于设计数据采集程序和仪 器控制程序的函数库和开发工具包乜引。l a b v i e w 的程序设计实质上就是设计一个个 的“虚拟仪器 ，即“v i 。虚拟仪器就是通过软件平台构造与真实仪器物理面板 相类似的虚拟面板，用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，用户可以根据 需要定义仪器的功能，虚拟仪器性能的改进和功能的扩展也只需进行相关软件的 设计更新，而不需要增添新的仪器。因此，虚拟仪器技术能很好的解决开发周期 长，成本高、缺乏灵活性等问题，还具有维护方便、功能强大、用户可自行定义 等优点。本文突破了传统仪器仪表的开发思路，利用虚拟仪器设计出开放、灵活、 可与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联的虚拟汽轮机控制装置。 1 3 存在的问题 目前，单独针对2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮机控制系统，关于其系统特点与 功能的介绍比较多见，以及关于对2 0 0 m w 、3 0 0 m w 汽轮机控制系统的d c s 改造这些 方面的介绍都成了热点话题，但是对于其内部控制机理及仿真方面的综合研究比 较少。特别是对汽轮机控制系统进行仿真后，能应用和验证有关2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、 6 0 0 m w 汽轮机控制系统的动、静态特性，这类的仿真研究就更少了。因此针对上述 存在的问题进行一定的研究和探讨。 1 4 本文研究的内容 本论文研究的内容包括以下几点： ( 1 ) 建立汽轮机控制系统的数学模型。针对汽轮机组，首先分析电液转换器、 6 调速器、油动机、蒸汽容积、汽轮机转子等系统设备的动、静态特性，然后用机 理分析法推导出它们的数学模型，最后用模块化建模方法建立控制系统的整体仿 真模型，为研究并改善控制系统的性能打下基础。 ( 2 ) 使用l a b v i e w 软件对所建立的模型进行仿真研究。通过仿真研究控制系 统各组成设备的动态特性，研究汽轮机进汽所做有效机械功、高压缸容积和汽轮 机转子的特性等。 ( 3 ) 研究2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮机控制系统通用的虚拟装置。对汽轮机 升速控制和负荷控制进行仿真研究，实现最佳控制参数整定。 ( 4 ) 在建立仿真装置的基础上，实现p i d 控制和模糊自整定p i d 控制方案的 验证和对比。 7 第二章被控对象数学模型的建立 系统模型的建立是研究控制系统特性、改进控制系统性能的基本方法，是系 统仿真的核心问题。数学模型是对实际系统的一种抽象近似，它可以用于计算机 仿真中，对实际系统的特性进行模拟，由仿真可以得出系统在各种调节器参数及 各种扰动下的动态特性，从而为研究新型控制方案打下基础。 2 1 汽轮机控制系统被控对象的数学模型分析 2 1 1 数学模型建立的前提 数学模型是计算机仿真的基础。用于分析热动力系统动态特性的数学模型的 形式往往因研究者的目的和简化条件的不同有很大差别，简单的可以是一个通过 理论分析和试验研究所得到的传递函数，复杂的可以是详细的分布参数模型。就 工程实用的角度来说，应该在满足要求精度的前提下，尽量选用最简单的模型。 在推导汽轮机控制系统被控对象数学模型的过程中，做出如下的假设：小偏 差线性化，在整个调节过程中，各个部件都是在平衡位置附近的小范围内变化， 在这种情况下，可以将非线性方程在工作点处用泰勒级数展开后进行线性化处理； 运动部分质量不计，在现代汽轮机调节系统中，由于动力油压力的提高，使得运 动部件的尺寸减小、质量减轻，因而运动部分质量相对较小，可以忽略不计；液 态摩擦力不计，当部件的运动速度不是很高时，液态摩擦力相对于静摩擦力来说 要小得多，由于汽轮机调节系统各个环节的运动速度都不是很高，所以不考虑液 态摩擦力的影响，而将干摩擦阻力按照典型的非线性进行处理口6 。 在上述假设的前提下，汽轮机被控对象可以由转子运动方程、高压缸蒸汽容 积方程、再热器方程、高压油动机方程和电液转换器方程所描述，其描述方框图 如图2 1 所示。 图2 1 汽轮机被控对象方框图 图2 1 中，a 为高压主汽门( 高压调速汽门) 开度指令，朋为高压油动机行 程，p 。高压缸容积蒸汽压力( 调节级压力) ，p 肼为再热器出口蒸汽压力，为高 8 压缸功率，日，为中低压缸功率，为汽轮机功率，以为汽轮机负荷( 发电机 有功功率) ，n 为汽轮机转子转速。下面本文通过采用机理分析法对被控对象各 主要环节进行数学建模。 2 1 2 电液转换器 电液转换器将电的部分和液压执行机构联系起来，同时又把微弱的电信号放 大为液压信号，由具有强大动力的液压执行机构去控制调节阀，实现自动调节。 因此，电液转换器是数字电液调节系统中关键的部件之一。 电液转换器在工作时涉及到如下几个信号转换过程：控制器发出的差动电压 u 信号引起控制线圈中的电流，变化；线圈中电流，的变化引起力矩马达输出的电 磁力矩丁发生变化；电磁力矩r 与反馈力矩l 的合力矩的变化引起衔铁转角口发生 变化：衔铁转角秒的变化引起挡板位移x ，发生变化；最后挡板位移x ，变化引起滑 阀位移置，发生变化。如图2 2 所示。在此过程中还涉及到两个反馈，一个是反馈 杆变形引起的力反馈，它与滑阀位移有关；另一个是作用在挡板上的压力反馈， 即由阀芯的惯性力及挡板阀的负载压力引起的反馈，它与滑阀位移、液压缸位移 ( 油动机活塞位移) 有关。因为作用在挡板上的压力反馈的影响比反馈杆变形引 起的力反馈小得多，所以此反馈可忽略，于是反馈力矩z 就等于由反馈杆变形所 引起的力矩。 图2 2 电液转换器简化方框图 图2 2 中，k 。为放大器每边的增益；r ，为每个线圈的电阻；厶为每个线圈回 路中的放大器内阻；k 为力矩马达的中位电磁力矩系数；k 。，为力矩马达的综合 刚度；0)，为力矩马达的固有频率；f。，为由机械阻尼和电磁阻尼产生的阻尼比；，m 为喷嘴中心至弹簧管回转中心的距离；k 。为喷嘴挡板阀的流量增益；4 ，为滑阀阀。 芯端面面积；k ，为反馈杆刚度；b 为反馈杆小球中心到喷嘴中心的距离。 电液转换器的模型比较复杂，一般将其视为一个一阶惯性环节。在计算机仿 真所用到的数学模型中，往往对各物理变量进行无量纲化，得到以差动电压u 为 输入信号，滑阀位移z ，为输出信号的电液转换器传递函数可用下式表示： 9 忡) = 哿= 赤 ( 2 1 ) ，譬= 坼( p ，c o ) 一m 工( c o , t ) ( 2 5 ) 型d t + ( 盟a c o 一警) 。国= ( 警) o 卸一毗 汜6 ) la 国ol 印，j 。 一。 d fr 竺lf ，盟一o m _ 生r1 皂一堕+ 9 生。型一a m ：垒一掣 ( 2 7 ) ( 誓 。瓴班。( 警 。瓴瓴( 警) 。哦 一“。 力的变化值。因n 0 ，所以瓴岛。令屁2 等，砟2 鲁，并设 l o 乃= 亦廿繁吲沪薛 则得： 乙鲁+ 玩= 以一眦) ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 称为汽轮机组转子的运动方程式，式中称为转子的飞升时间常数， 称为机组自平衡系数陋9 。3 0 1 。 对式( 2 8 ) 进行拉氏变换，则得出以相对蒸汽压力z 口为输入信号，相对转速 为输出信号的传递函数为( = 0 时) ： w d ) ：益：土 ( 2 9 ) d ) = 丝= 二 ( 2 ) z p r o s 因此对于线性系统，有( 警) 。尸m r o = 9 5 3 5 等( 牛顿木米) ( 2 1 0 ) 式( 2 1 0 ) 中：坼。一一汽轮机的额定功率( 千瓦) 肘r 。一一汽轮机的额定转矩( 牛顿水米) 一一汽轮机的额定转速( 转分) 黼：乙= 嚣= 瓮渺) 对于汽轮机转子的时间常数乃= 6 1 5 秒。随着机组功率的增大，r o 有减小的 趋势。因为汽轮机功率增大时，转子的转动惯量，虽然也随着增大，但其增长的 速度低于功率的增长速度，所以随着功率的增大，时间常数r 是不断减小的。o 2 1 4 蒸汽容积 在讨论蒸汽容积的运动方程时，我们首先讨论一下一般的情况，然后结合喷 嘴室容积的具体情况加以修正。对一气体容积，设经阀门l 流入的气体流量为g 。， 经阀门2 流出的气体流量为吼，容积中气体的压力为尸，容积内气体密度为p 。根 据物质守恒定律，流入容积的气体流量与流出的气体流量之差应等于容积内气体 密度p 的变化与其体积的乘机，即 y 譬：q l q 2 ( 2 1 1 ) 流经阀门l 和2 的气体流量分别为其阀门开度最和s ：，以及阀门前后的压差的 函数。假定阀f - i1 前的压力p 。和阀门2 后的压力p ：均为常数不变，则可以认为流 经阀门l 和阀门2 的流量为其阀门开度& 和s ，以及容积中气体压力p 的函数， 日l = g i ( s l ，p ) 9 2 = 9 2 ( s 2 ，p ) ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 2 ) 按泰勒级数展开，略去一阶以上高阶项，代入式( 2 1 1 ) ，并假定 稳定工况时g 。= 9 2 。，则得 ( 鬻) o 峨+ ( 罄) 0 卸一( 卺) 。鸲一( 罄) 。卸= 矿百d p c2 ，3 ) 假定容积中气体状态变化符合多变过程规律，并设多变系数为k ，即满足 寺= 常数。则将d ( 等 = 刀r k 塑p o 、i ) 代入式c 2 1 3 ，并将等式两边除以= ( 玺) 。峨， 有 堕堡p o + 必a g a pop o 垒：堕一鲎a s ：逛) o 堕 。4 ， n q l o 出q i o风厶l og l o厶2 0 将式( 2 1 4 ) 简化得 t cd 口z f p = 乞i k 苁2 一k 砟 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 为一般形式的气体容积方程式，疋称为气体容积时间常熟。 对于调节阀与喷嘴组之间的蒸汽容积，由于喷嘴组的出口面积是不变的， a s ：= o 即厄：= 0 ，又由稳态时可知k 2 = l ，故可将式( 2 1 5 ) 简写为： 疋百d z p + 以= 乞i ( 2 1 6 ) 将式( 2 1 6 ) 进行拉氏变换可得以相对阀门开度厄。为输入信号，相对蒸汽压力 4 为输出信号的蒸汽容积传递函数： 忡，= 筹= 赤 汜 z s t u ) l c s + l 式( 2 1 7 ) 中乏一一蒸汽室容积时间常数。 将中间再热容积看成一个集中容积，即认为其中的压力是处处相等的，则它 和喷嘴室容积是非常相似的，只是控制它的进汽量的不是高压调节阀的开度，而 是喷嘴室中的压力a ，写出它的连续方程式，则得： 矿譬= ( a ) 一g 。2 ( 见) ( 2 1 8 ) 参考式( 2 1 6 ) 的推导过程，可得中间再热容积的运动方程式： 誓嘞 ( 2 1 9 ) 1 2 将式( 2 1 9 ) 经拉氏变换可得，以流进中间再热器的蒸汽流量相对变化量为 输入信号，以压力的相对量为输出信号的再热器传递函数： 。丽1 ( 2 2 。) 式( 2 2 0 ) 中，- - - - 再热器容积时间常数。 中间再热器将汽轮机分隔为高压缸和中、低压缸两部分。高压缸的功率特性 与无中间再热器的功率特性相似，即高压缸蒸汽流量变化与高压缸功率变化成正 比。对于中、低压缸来说，随着中间再热器内压力变化，将立即引起流进中、低 压缸的蒸汽流量变化，而中、低压缸功率无惯性、无延迟地随之变化。所以中间 再热器内压力或蒸汽流量与中、低压缸功率之间为比例环节特性。因此中间再热 式汽轮机功率特性可以视为比例与惯性环节的并联，可用下式表示： 职d 咆- i 。荔 1 d i 膏u 式( 2 2 1 ) 中。表示高压缸功率占机组总功率的比例，约为l 3 ；表示中低压 缸功率占机组的比例，约为2 3 ；表示中间再热器及其管道的容积时间常数， 约为8 1 0 s 口卜3 3 1 。 针对2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、6 0 0 m w 汽轮机控制系统，除了被控对象各环节中传递函 数的时间常数不同之外，最大区别在于汽轮机的蒸汽容积。因此，在计算汽轮机 蒸汽容积时，根据三种不同型号的汽轮机分别使用以下三种动态模型。 2 1 4 12 0 0 m w 汽轮机蒸汽容积模型 2 0 0 m w 的汽轮机蒸汽容积，计算高压缸和中间再热器蒸汽容积效应的数学模 型，如图2 2 ( a ) 所示。其传递函数为 一n r ：上位+ 旦) ( 2 2 2 ) z1 + s 、1 + j ( a ) 2 0 0 m w 汽轮机 1 3 k 号 ( b ) 3 0 0 m w 汽轮机 j 碍 一x ( c ) 6 0 0 m w 汽轮机 图2 2汽轮机被控对象工艺流程及蒸汽容积数学模型 式( 2 2 2 ) 中口为高压缸稳态输出功率占汽轮机总功率的百分比，一般为0 3 左右；为高压缸蒸汽容积时间常数，一般为o 1 0 4 s ；为中间再热式蒸 汽容积时间常数，一般为4 1 1s 。 2 1 4 23 0 0 m w 汽轮机蒸汽容积模型 3 0 0 m w 的汽轮机蒸汽容积，计算高压蒸汽、中间再热蒸汽及低压蒸汽容积的数 学模型，如图2 2 ( b ) 所示，其传递函数为 鲁= 忐 z - i 。而1c 五+ 南) j 2 3 ) 式( 2 2 3 ) 中彳、五、石分别为高、中、低压缸稳态输出功率占总输出功率 的百分比，石+ 五+ f 3 ：l ，通常石：五：石= o 3 ：o 4 ：0 3 ；为低压蒸汽容 积时间常数，一般为0 3 0 5 s 。 2 1 4 36 0 0 m w 汽轮机蒸汽容积模型 6 0 0 m w 的汽轮机蒸汽容积，计算高压蒸汽、中间再热蒸汽及两个低压蒸汽容积 的数学模型，如图2 2 ( c ) 所示，其传递函数为 1 4 鲁2 忐卜忐”上l + t c o , s + 忐) 汜2 4 ， 式( 2 2 4 ) 中石、五、五、分别为高、中、两个低压缸稳态输出功率占总 输出功率的百分比，z + 正+ 石+ 丘= 1 ，则z ：以：z ：= 0 3 ：0 4 ：0 1 5 ：0 1 5 ； 。和：分别是两个低压蒸汽容积的时间常数口引。 2 1 5 其它环节的数学模型 汽轮机控制系统中除了电液转换器、蒸汽室容积、中间再热式汽轮机功率特 性和