（控制理论与控制工程专业论文）基于自抗扰技术的协调控制系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 单元机组协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统，具有非线性、时变、 大 迟延，强祸合等特点。其中，主汽压力稳定性和负荷适应性是一对最基本、 最主要 的矛盾。常规的机炉协调控制系统控制策略不能满足电网对单元机组协调控制系统 的设计要求和控制 品质要求。 本文在分析了协调控制对象动态特性的基础上对协调控制系统进行了解祸设 计。根据机炉控制回路的动态特性设计了以炉跟机为主的模糊 自 抗扰协调控制系 统，同时，设计了以机跟炉为主的自抗扰协调控制系统。仿真结果表明，基于 自抗 扰技术策略建立的协调控制系统，能较好的克服对象的多扰动特性和大时滞特性， 有较强的抗干扰能力和鲁棒性 。 关键词 :协调控制系统，解藕 ， 自抗扰控制器 abs tract t h e o bj e c t o f uni t ， s c o o r d i n at e d c o ntro l s y s te m( c c s ) i s an i m p o rt a n t t opi c o n th e p o w erpl a n t a u t o m at i c o o n t r o l . iti s a h i g h l y com p l i c at edmu l t i 一 v ari汕l e c o n t r o l s y s t e m ， ith a s s o me c h ar a c t e r s s u c ha s n o n l i n e a r，p aram e t e r s t i me v a ryi n g ， l a r g e d e l ay and s eve r e c o upl i n g . r e l at i v e l y，t h e m a i np ar ado x i s b e two e nth e st abi l i ty o f th e pr e s s ure b e fo r e tu rbi n eandthes u i t abi l i t yo fthel o ad t h ec o ntr o l s t r at e gy o f t r a d it i o nal c o o r d i n at e d c o ntro l s y s t e mi s fa r fr o 爪s at i s fy i n g w it h t h e re q u e s t o f t hee l e c t ri c netwo rk， w 七 d e s i g nam e t h o do nd e c o upl i ng w h e nt h e勿n ami cc h ar a ct e r i s t i co f t h eu n i t p o w e r s e t h a v eb e e nana l y z e d . a c c o r d i n gt ot he dyn am i cc h ara c t e ri s t i c s o f t h etuthi n e and b o i l e r ， s c o ntro l l o o p ， c c s 班 a i ul y b a s e d o n th e b o i l e r- fo l l o w 一 tu rbi n e b as e d o n 加z zy a u t o 一 d i st u r b anc e 一 r ej e c t i o n t e c h n l q u e i s i nt ro d u c e d . o th e 撇 s e ， w e i n t r o d u c e a m e t hod o f a u t o 一 d i s turbanc e 一 reje c ti o n t e c h n 1 q u e b a s e do n the tu rbi n e 一 fol l o w一 b o i l e r t h e s 而u l atio n ma n i fe s t st h at t h e c o o r d i n a t e d c o ntr o ls y st e m ( c c s )h as ove r c o m emu l t i v ari abl e d i s t urb anc e and t i m e l a gv e ry w e l l a n dg o o dc o n tr o l qual i t yandg o o d r o b u st n e s s and g o o d a n t i d i s t u r b anc e s a b i l i ty. s hi丫 切 m e i ( t b e o ryand e n gl n e e n ll g o f c o n t r o l ) d ir e c t ed勿vi eep r o f he 丁 b n 脚 ang ke ywords: c o n t r o l l er( a d r c ) c o 刀 t r o l d e c o 即l i n g ，a ut o 一 d i s tt 止 b a n c e 一 rej即t l o n .创匕.口口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的 硕士学位论文 基于自 抗扰技术的 协调控制系统 研究 ，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作 和取得的 研究成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期 : 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保管、并向有关部门 送交学位论文的原件与复印件; 学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文; 学校可允许学位论文被查阅或借阅;学校 可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学位论文: 同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学 位论文在解密 后遵守此 规定 ) 作 者 签 名 : .声套宾 日期 : 公退 甲 莽 导 师 签 名 : 皿 阵 日期 : 立 卜 二 呀 牛 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 选题背景及研究意义 随着电网 容量的增大和对供电质量要求的提高，现代电网中的单元机组，都无 一例外地采用了协调控制系统(cc s)。 单元机组协调控制系统的任务，即当电网负荷变化时，单元机组能迅速满足负 荷变化的要求，并且保持主汽压在允许的范围内。然而火力发电单元机组协调控制 系统是一个复杂的多变量控制系统。系统的复杂性主要体现在以 下几个方面: ( 1) 多变量的强烈祸合。协调控制系统的压力控制回路和负荷控制回路相互 关联，存在着强烈的祸合特性结构，即汽轮机侧具有快速响应特性，而锅炉侧则具 有相对较慢的响应特性。 ( 2) 机组动态特性是时变、非线性的。因此根据某一工作点下的线性化模型 来设计的协调控制系统， 未必能保证系统在其它工作点下的适应性，而忽略其高频 非线性，这种高频非线性常常会被控制器激发而使调节过程振荡。 ( 3 )系统存在不确定干扰，例如燃煤的煤质变化、给煤量的扰动等，使机炉 协调控制系统存在着较大的不确定因素。 ( 4) 锅炉侧存在很大的纯迟延。 面对被控对象的非线性、 大滞后性和回路交叉祸合等问题， 采用常规 pid控制 策略设计的协调控制系统(cc s)只有在平稳工况下才能投入自动，当 机组动态特性 发生较大变化时，难以维持正常运行。因此， 人们提出多种设计方法进行尝试，并 充分利用d c s 提供的高级功能开发应用的优越环境， 将先进的实用新型控制策略及 算法融合到d c s 系统中去， 解决火电机组过程控制中急需解决的控制难点。 这些新 型控制策略主要有模糊控制、鲁棒控制、 s m it h 预估器、模糊神经网络、 预测控制、 反馈线性化控制、 自适应控制等 。 然而，许多年过去了，基于误差的常规 pi d控制器仍然有顽强的生命力，至今 在过程控制中仍然起主要作用，这是因为控制 目标和对象实际行为之间的误差信号 容易获得，基于误差的反馈策略也容易实现。 韩京清研究员通过对经典 pid控制器进行了深入研究， 总结出 pid 控制器的局 限， 提出了非线性pid控制器的结构 ， ， ， 。这是对 pi d控制器的第一次重大改进。 适当选择非线性组合和跟踪微分器中的参数 ， 这种非线性 pid控制器有 良好 的对对 象不确定性的适应性和自身参数的鲁棒性。 华北电力大学硕士学 位论文 数值仿真验证了这种非线性pid的有效性。 非线性pi d控制器在机械手控制【目 、 电力系统励磁控制圈 el 、电加热炉集散控制系统 7 ， 等方面获得成功应用.此外，还 提出了一种观测器形式的 跟踪微分器阁 并将其有效地用于不确定系统的状态估计器 和非线性系统时变参数的估计上。跟踪微分器用于机动目 标运动参数的估计上也很 成 功 to j 。 为了 进一步改善pi d控制器在强干扰及不确定系统中的控制效果， 韩京清在非 线性pid控制器的基础上， 又提出了自 抗扰控制概念。所谓自 抗扰，就是将未建模 动态和外扰都归结为对象的未知扰动，用输入输出数据估计并给予补偿，从而实现 动态系统的动态反馈线性化，再使用非线性配置构成非线性反馈控制律来提高闭环 系统的控制性能，所以自抗扰控制器对对象的适应能力肯定要大于非线性 pid，而 控制性能也将优于非线性 pid 。事实上，该控制器在实际应用中取得了 良好的效果， 将其用于时变系统、多变量系统和最小相位系统控制均取得了良 好的控制效果 10 ， 对于大时滞系统，使用 a d r c也是非常成功的 “ ， 。对 a d r c控制算法进行修改， 实现自 动/ 手动切换和参数的在线修改，已 将其在集散控制系统 e d p f 一 2 0 00 上实现 并在现场进行了可行性实验。结果表明它完全能够满足现场实时运行的要求 lzj 。 鉴于自 抗扰技术的独特优点，本文尝试将自 抗扰技术用于协调控制系统，以 解 决协调控制中用常规 pid不能解决的非线性、不确定时滞、强祸合等控制 问题 ，并 提高负荷响应速度， 增强主汽压力稳定性。 2 单元机组协调控制系统的发展和现状 2 . 1传统单元机组协调控制算法的研究与应用 常规机炉协调控制的机跟炉和炉跟机方式或者在这两种方式基础之上加入汽 压死区限制、功率上下限幅以及负荷前馈等修补而成的折中协调方案在很大程度上 是基于物理概念进行设计的，缺乏确切的量化概念，具有较多的辅助环节、非理论 技巧成分，以及一定的主观随意性，并且过于依赖调试经验 13。 参数整定调试是一 个非常耗时的过程 。 d e b协调控制系统 l. 5 由 于未充分考虑锅炉侧的 纯迟延补偿，因此系统的运行 更多是靠反复调整来达到最终的能量半衡。从工程应用情况看 ，d e b在某些机组尤 其是直吹式机组上仍然存在较大的问题 。 1 . 2 . 2采用先进控制算法的单元机组协调控制 随着现代控制理论的发展，先进控制算法在单元机组协调控制中的研究和应用 也有 了一定的进展。这些算法主要有模糊控制、鲁棒控制、s m i th 预估器、模糊神 经 网络、预测控制和预见控制、反馈线性化控制等。 华北电力大学硕士学位论文 虽然模糊控制 le已 被证明可较好地解决数学模型未知条件下的复杂系统控制 问题，但要实现具有充分解祸性能的多变量模糊控制规则库是 困难 的。 鲁棒控制方法虽越来越多地应用于协调控制系统，但严格地说，它是一种基于 模型的设计方法。而 c c s是一个典型的非线性系统，因此在设计鲁棒控制器时， 需要首先根据工作点得到线性化的状态空间模型。虽然鲁棒控制设计方法尝试在算 法中考虑模型误差条件下的系统鲁棒性能，但需保证在一定范围内的精确性。 s m it h预估器( 包括其各种改进型) 理论上可以解决大滞后问题， 但由于它对模 型精度要求高，对模型误差较敏感，工程 中并不实用。 其它方法如采用了最优控制、 预测控制 、 智能控制、 模糊控制等设计的控制器 ， 也由于过分的繁琐、复杂限制了应用。 1 . 23自抗扰控制器( a d r c ) 自 抗扰 控制 器( a d rc) 的 基 本思 想和 方法117. 民 刃 与 传统 控制器 相比 有很 大突破， 它继承pi d 简单、 实用、 有效的优点， 又融合了 现代控制理论、 非线性控制理论的 思想精华。对于非线性、不确定时滞、强祸合等用常规pid 不能解决的控制问 题， 自 抗扰 控制 器(a d rc) 都能 有 优良 的 控制 效果20. 卜 幻 . 本文尝试将自 抗扰控制器( a d r c)应用于单元机组协调控制系统。 3 本课题研究现状 控制的根本目 的就是尽快消除控制目 标和对象实际输出 之间的误差。p id 控制 器基于误差的反馈策略，至今在过程控制中仍然起主要作用，这是因为控制目 标和 对象实际行为之间的 误差信号容易获得，基于误差的反馈策略也容易实现。相反由 于对象的精确数学模型难以得到，使得现代控制理论在现场难于得到有效应用，这 种 “ 先进的控制理论”和 “ 落后的控制工程”成了延续几十年而未能得到解决的 矛 盾 lz，1 . 但是 pi d控制器存在以下的许多缺点:第一微分信号的实现需要改进。现场微 分信号的实现通常采用差分或超前网络，这种方式对噪声放大作用很大，使微分信 号失真而不能使用。 第二误差信号的比例、 微分和积分形成 pi d控制量是采用它们 的线性组合不一定最合适，这种线性组合不易解决快速性和超调的矛盾。第三积分 反馈的作用主要是消除稳态误差，但它的引入也带来很多副作用，增加了系统的不 稳定性以及积分饱和现象的出现“ 引 。 自 抗扰控制器的产生就是在改进 pi d的基础上进行的。 首先，韩京清研究员利 用时间最优控制的b an g 一 b a n g 控制器设计非线性跟踪微分器，并针对 pi d控制器的 上述局 限， 提出了非线性 pid控制器的结构， 这是对 pid控制器的第一次重大改进。 华北电力大学硕士学位论文 方法是: ( 1) 将给定信号首先进行预处理，称为安排过渡过程， 这可以利用非线性跟 踪微分器来实现。 ( 2) 对测量的反馈信号使用一个跟踪微分器进行预处理，既可得到滤波的输 出，又可得到输出的微分信号用于构造误差的微分 以形成控制量. ( 3) 对误差信号的比 例、微分和积分探讨合适的非线性组合来提高其信号处 理的效率，恰当地使用非线性能带来极大的好处，有了计算机之后，非线性特性的 实 现也 变得 容易t10。 适 当选择非线性组合和跟踪微分器 中的参数，这种非线性pid控制器有极好的 对对象不确定性的适应性和 自身参数的鲁棒性。 九十年代中期，对非线性状态观测器进一步改造而获得了对一类不确定对象的 扩张状态观测器。正是这个非线性功能单元的出现，为进一步改进非线性pi d 控制 器提供了可能。扩 张状态观测器不仅能得到不确定对象的状态，还能获得对象模型 中的内扰和外扰的实时作用量，如果将这个实时作用量补偿到控制器中去，其功能 就相当于反馈线性化方法，可以将非线性系统转化为积分器串联型结构系统。此时 非线性pid 中的积分作用可以取消，再进一步将控制器用于高阶对象的控制时，一 种新的控制律一一非线性状态误差反馈控制律困l s ef) 产生了。非线性控制律需要 知道对象模型的阶次，因为不同阶次的对象需要不同的n l s e f ， 这就是自 抗扰控制 器反馈线性化，再使用非线性配置构成非线性反馈控制律来提高其闭环系统的控制 性能，所以自 抗扰控制器对对象的适应能力要大于非线性pi d ，而控制性能也将优 于非线性pid ，这是对pi d 控制器的第二次重大改进 ， 1， 幻 。 “自抗扰控制器 ”的算法简单，容易实现，而且其参数适应范围广 ，是一种理 想的实用数字控制器。“ 自 抗扰控制器”的结构己经成型， 对不同 类型对象( 很大范 围对象可属同 一类) ，只需调整相应参数就可实用。 “自抗扰控制器 ”的特点可大致归纳为: ( 1) 独立于对象数学模型的固定结构:同一个 a d rc 控制 “ 时间尺度”相当 的一类对象; ( 2 )能实现快速、无超调、无静差控制: ( 3) 算法简单，是能实现高速、高精度控制的理想数字控制器; ( 4 )无需量测外扰而能消除其影响; ( 5) 统一处理确定系统和不确定系统的控制问题;不用区分线性、非线性、 时变、时不变对象 ; ( 6 )对象模型已知更好，未知也无妨; 4 华北电力大学硕士学位论文 ( ” 易实现大时滞对象控制; ( 8 ) 解祸控制特别简单，只需考虑 “ 静态祸合”，不用考虑 “ 动态藕合”; 自 抗扰控制技术是为适应数字控制技术的时代潮流而发展起来的。它吸收了现 代控制理论的信号处理思想，发扬丰富了pi d控制思想的精髓一误差反馈控制律。 凡是能用pid的场合，只要能够数字化， 就可以采用自 抗扰控制器取代pid ，而提 高系统的控制品质，特别在高速高精度控制领域，更能发挥自 抗扰技术的优越性。 自抗扰控制技术 ( a d r c )优异的控制性能使其一提出就迅速受到 国内非线性控制 界的普遍关注，其优异的控制性能在很多 方面得到了验证。目前， a d r c己经在电 力系统， 励磁控制，可控硅串联补偿装置，异步电机调速控制，智能化结构抗震减 震技术， 混沌系统，飞行器姿态控制，有源降噪等不同对象的实际控制系统试验或 数值仿真实验中得到应用。 自抗扰控制技术 ( a d r c)应用于单元机组协调控制系统，还处于探索阶段。 1 . 4 论文主要工作及内容 本文针对自 抗扰技术在协调控制系统中的应用问 题，主要阐述如下几个方面的 内容: ( 1) 协调控制对象的特性分析及解祸设计。介绍了单元机组的运行方式和基 本的协调控制系统，基于单元机组协调控制系统是一个具有强祸合的多输入多输出 系统，从多变量控制系统设计理论出 发，对协调控制系统进行分析，分别构成以 机 跟炉和炉跟机为基础的系统结构形式.在炉跟机控制方式下，考虑到扰动主要来自 炉侧， 因此本文设计了汽机侧到锅炉侧的单向解祸， 以实现动态时汽轮机调节阀门和 锅炉燃烧量共同跟随外界负荷的变化而改变， 而锅炉单独调节机前压力，保持机前 压力维持在稳定范围内。 ( 2) 分析 自抗扰控制算法的基本原理。自抗扰控制算法由 pid思想发展而来， 同时又突破了pid技术的局限性。 中科院系统所韩京清研究员针对最常用的pi d控 制器，深入研究其特性，指出其局限性，接着采用一些非线性特性对其进行改 造， 构造出非线性pid控制器。 然后根据反馈线性化原理， 设计出能动态估计模型内扰 和外扰的 扩张状态观测器，从而构造了自 抗扰控制算法。 ( 3) 对 自抗扰控制器的参数整定进行了研究.给出了跟踪微分器 ( t d) 、非线 性状态观测器 ( e s o ) 、非线性控制律 ( n l s e f )的参数整定方法并讨论了参数 bo 的整定及其物理意义。同时研究了自 抗扰控制器的跨阶控制。 ( 4) 研究自 抗扰技术在协调控制系统中的应用。主要包括三个方面的内容: 以炉跟机为基础的进行单向 解祸后的协调控制系统研究。分别设计机侧高阶自抗 华北电力大学硕士学位论文 扰控制器和炉侧高阶自 抗扰控制器，同时在炉侧加入强度控制， 用模糊控制整定强 度控制系数，并在此基础上，按照能量平衡的原则，构造前馈信号，以提高机组的 负荷响应能力。通过仿真实例，证明这种控制方法具有很好的鲁棒性和抗干扰性. 研究跨阶控制在协调控制系统中的应用。用二阶自 抗扰控制器对以炉跟机为基础 的协调控制对象进行控制，通过仿真实例，证明跨阶控制在协调控制系统中的有效 性，同时证明高阶 自 抗扰控制器优于低阶自 抗扰控制器。 机跟炉协调控制系统研 究。 在机根炉控制方式下， 通过燃料量调节机组功率、 主汽门开度控制主蒸汽压力， 不进行解藕，分别设计机侧自抗扰控制器和炉侧 自抗扰控制器，通过仿真实例 ，验 证了这种方法的有效性。同时，与炉跟机控制系统进行比较，证明炉跟机控制优于 机跟炉控制。 华北电力大学硕士学位论文 第二章单元机组对象特性分析及其解藕 2 . 1单元机组对象特性概述 在单元机组运行过程中，锅炉和汽轮发电机组共同适应外部负荷需要，同时共 同保证内部参数 ( 主要是主蒸汽压力)的稳定。单元机组的输 出功率与负荷要求是 否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系;主蒸汽压力则反映了机组 内部锅炉与汽轮发电机之间能量供求的平衡关系。只有锅炉燃烧产生的热能与进入 汽轮机的蒸汽带走的热能相互平衡，主汽压力才能平衡。因此，锅炉和汽轮发电机 是一个不可分割的整体，是一个联合的被控对象 口 但是，锅炉和汽轮发电机在响应外界负荷时的动态特性存在很大差异。在单元 机组内部，锅炉和汽轮机是相互独立的对象 ，它们有各 自的调节机构。从控制负荷 的角度看，它们 的动态特性很不一样。锅炉的动态特性从燃烧率的改变到锅炉 出口 压力的改变，惯性很大;而汽轮发电 机组的动态特性从蒸汽流量的改变到 输出功率的改变 ，惯性相对很小。即汽轮发 电机负荷响应快而锅炉负荷响应慢。所 以 单元机组内 外两个能量供求平衡关系互相制约，即外部负荷响应性能与内部运行 参数稳定性之间存在固有矛盾。反映 在控制特性上， 就是单元机组控制对象的两个 被调量机组输出功率和主蒸汽压力的 控制之间存在矛盾。具体来说， 就是对外 保证单元机组尽可能有较快的功率响应和一定的调频能力;对 内保证主蒸汽压力偏 差在允许范围内。主蒸汽压力的相对稳定是机组稳定运行的标志。机组只有稳定运 行，才能有效控制负荷 。所 以，要保证主蒸汽压力偏差在允许范围内的前提下，使 机组的输出功率尽快适应电网负荷变化的需要。所谓 “ 协调 ” ，就是要协调机组 内、 外能量平衡，以及压力控制和功率控制的矛盾，以期得到满意的控制过程 。 单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来 的新型控 制系统， 它把锅炉和汽轮发电机组作为一个整体进行控制， 采用递阶控制系统结构， 把 自动调节、逻辑控制、联锁保护等功能有机地结合在一起 ，构成一种具有多种控 制功能，满足不 同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统。 单元机组协调控制系统由机炉主控制系统、常规子控制系统和负荷被控对象三 大部分组成。 其中，负荷控制系统由负荷管理控制中心 ( 负荷指令处理部分) 和机炉主控制 器组成。它是协调控制系统的指挥机构， 其所接受的是外部负荷指令、根据机组和 控制系统本身需要所设的内部负荷指令。负荷管理控制中心的主要作用是对外部要 求的负荷指令或 目标负荷指令进行选择 ，并根据机组主辅机运行的情况加 以处理， 使之转变为机、炉设备负荷能力， 安全运行所能接受的实际负荷指令。 7 华北电力大学硕士学位论文 通常所说的协调控制系统一般指机炉主控制系统，是整个系统的核心部分。机 炉主控制系统又可分为锅炉主控制器和汽轮机主控制器，它产生使机炉控制器动作 的 锅炉指令和汽机指令。子系统包括锅炉燃料控制系统、风量控制系统、汽轮机功 率/ 频率调节系统等，它执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。 对单元机组协调控制系统的基本要求有以下几个方面: ( 1) 机组并网运行时，能较快地适应外界负荷要求，具有较高的负荷适应能 力。同时，机组本 身的运行参数必须保持在允许的范围内。系统应具有足够的稳定 裕量和克服内部扰 动的能力。在调节过程中，各调节机构的动作不应过分频繁，不 致出现过分超调。 ( 2) 保证机组运行安全。当主机或主要辅助设备故障时，应自 动采取相应的 措施，把故障限制在最小的范围之内。负荷变更时，变更幅度和速度必须限 制在安 全允许的范围内。 ( 3) 对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定压和滑压不 同运行方式的需要 。 ( 4) 系统要便于运行人员的 千预，如进行运行方式的切换，手动操作等。 以 上要求主要由单元机组主控系统的功能来实现。 2 . 2单元机组的运行方式 单元机组协调控制可以按照若干不同的运行方式运行。不同运行方式下，受控 过程的动态特性往往差别很大。因而，在进行控制系统分析设计时，都应当考虑机 组的运行方式。 2 . 2 . 1定压运行方式 定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定工况下，均保持主蒸汽压力和 温度为额定值。定压运行机组的运行方式有机跟炉、炉跟机和机炉协调三种。 ( 1) 机跟炉方式。由 锅炉的燃料供应保证要求的负荷，由 汽轮机进汽阀调节 主汽压力.该控制方式的优点是可以 较快地消除各种扰动因素引起的汽压偏差，使 机前压力保持稳定，其缺点在于对机组负荷变化需求的响应速度慢，因而只适用于 承担基本负荷的单元机组。 ( 2) 炉跟机方式。用调节汽轮机调节阀开度来改变单元机组的发电 功率，由 锅炉调节来维持主汽压力。这种控制方式的优点是充分利用了 锅炉蓄热量， 使机组 能较快地跟踪外界负荷的变化;其缺点是主汽压力会有较大的波动，影响锅炉的安 全稳定运行。它适用于参加电网调频的机组。 华北电 力大 学硕士学位论文 ( 3) 机炉协调方式。上述两种方式实际上把锅炉和汽轮发电机组作为两个独 立的部分进行控制 。当外界负荷需求变化时，同时改变机炉的负荷 。既考虑到机组 响应外界负荷的快速性，又不致造成机前压力的过分波动，使机炉之间出 现的能量 不平衡程度尽可能小，时间尽可能短， 这样的运行方式称之为机炉协调运行方式。 2 . 2 . 2滑压运行方式 单元机组在滑压运行方式下，保持主汽门 和调节汽门基本全开。外界负荷需求 变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水 以及相应的输入量，改变锅炉的蒸发量 ， 进而改变汽轮机的进汽压力 ，在维持汽温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽的 能量改变，使汽轮发电机组的输出功率的适应外界负荷的需求。 由于锅炉设备内部具有很大的蓄热能力和热惯性，使得机组在滑压运行方式 下，难以快速地响应外界负荷的需求。另外，如果使汽轮机调节汽门总是处于全开 位置，当电网频率波动时，机组不能通过调节进汽量，参与电网的一次调频。为弥 补滑压运行存在的缺点， 经常采取使汽轮机调节汽门不全开， 留出一定的调节余地。 当外界负荷需求变化时，通过调整汽轮机调节汽门的开度 ，改变进汽量，利用锅炉 内部的蓄热能量，较快的适应外界负荷的需求。同时，调整进入锅炉的输入量 ，使 燃烧率改变，与外界负荷需求达到新的平衡 .调节汽 门的调节余地也为机组参与电 网一次调频创造 了条件。 当然，汽轮机调节汽门使负荷变更的范围是十分有 限的，这主要是受到锅炉蓄 热容量的限制。适应外界负荷变化的根本还是要靠锅炉负荷的变化，使整个机组的 能量输入与输出相平衡 . 滑压运行方式主要有以下特点: ( 1 ) 汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节流损失降低。低负荷时降低 越明显。 ( 2) 在部分负荷下，主燕汽和再热蒸汽的压力降低，容易保持蒸汽温度不变， 可获得较高的循环效率。 ( 3) 部分负荷下给水泵的功耗比定压运行 时减小。 ( 4 )调峰停机后再启动快，降低了启动损耗，提高了机组负荷的适应性。 ( 5) 负荷越低，滑压运行的经济性越显著。 2 . 2 . 3联合运行方式 根据机组的不同负荷水平，在低负荷下采用滑压运行方式，在高负荷下采用定 压运行方式，就构成联合运行方式。在低负荷时滑压运行有利，在高负荷时定压运 行方式具有其优越性，可有效地利用锅炉蓄热，提高对外界负荷需求地响应速度。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 . 4调频运行方式 电网 规模的扩大和对供电质量的 更高要求， 对大机组参加电网调频的要求越来 越迫切. 单元机组参加电网调频的方式分为一次调频和二次调频。一次调频是指汽 轮机电液调速系统根据电网频率的变化，自动地改变一部分负荷，以减少 电网频率 的波动。随着电网规模的扩大，用户情况复杂多变，仅靠机组有限的一次调频能力 往往不够。 这样 电网中需要有一定数量的机组依据电网频率偏差 ， 调整 自身的负荷， 维持电网频率在额定的范围之内。这些机组称为二次调频机组。 2 . 3单元机组对象数学模型 单元机组被控对象是本质非线性的，具有分布参数和时变特性 。机组动态特性 除了受其内在的物理结构属性影响以外，与机组的运行方式、运行工况、外部环境 等因素有关。因此，目前还难 以得到对单元机组动态特性的精确描述，只有通过合 理简化与近似处理，结合机理分析与试验建模这两种方法，才能够建立起满足一定 精度要求、反映机组主要动态特征的数学模型。 单元机组动态特性数学模型包含的内 容很多， 本节讨论的是 协调控制系统分析与 设 计所涉及的部分。为减小外部扰动的影响，简化单元机组的模型结构，在进行模型分析 前先给出如下的前提假设: ( 1) 送风量与燃料量相适应， 保持燃烧稳定; ( 2) 引风量与送风量相适应，维持炉膛压力稳定; ( 3 )给水流量与蒸汽流量相平衡， 保持汽包水位恒定; ( 4) 主蒸汽温度控制相对独立。 汽包锅炉单元机组可简化为一个双输入双输出的被控对象.如图 2 1 所示。 图2 一 1 协调控制对象模型 其中，机组的输出功率 n和主蒸汽压力尸 t 为被控量:汽机调节阀开度产和燃 料 量b 为 控制 量，喻(5)、气( 5)端 (5)、 气 ( 5) 分 别为 相应 通道的 传递函 数。 受 华北电力大学硕士学位论文 控对象的近似数学模型为: y (s ) =g ( 5 ) x u ( 5 ) 式中， y ( 5) 、 u ( 5) 分别为被控量和控制量矢量， 于图2 一 1 所示的单元机组受控对象，有: ( 2 一 1 ) g (s ) 是系统的传递函数矩阵。 对 y (卜 粼 u (!卜 1笠 旨 g 。 卜 之 舅 之 忿 ( 2 一 2 ) 直流锅炉单元机组实际上为三输入三输 出的被控对象，但 只要保持燃水比恒 定，就可由燃料量代表给水量，从而简化为同汽包锅炉单元机组相似的双输入双输 出模型。 建 立协 调控 制系统 数学 模型的 过 程 在于 求取g 、 ( 5) 、 g 。 ( 5)、 气 (5)、 gps(s ) 中 各元 素的 传 递函 数表 达式， 由 参 考文 献网拟 合的 多种 单元 机组的 数学 模型中 ， 选取 国产3 00m w单元机组的数学模型如下: 在 100 % 负荷点上的动态特性数学模型传递函数为: gnb (s ) = 2 . 0 6 9 ( 3 1 1 5 +1 ) ( 1 4 9 5 + 1 ) 2 ( 2 2 . 4 5 + 1 ) 4 . 6 6 5 5 ( 9 9 5 + 1 ) ( 五 朔了 / t l h ) g、 ( 5 ) = ( 5 5 2 5 2 + 5 0 5 + 1 ) ( 4 1 5 + 1 ) ( 五 了 环 厂 / %) ( 2 一 3 ) ， ( 5 ) 补 二要 二 乌 典 缤 坚丢 共( 0 一 一l l 乙 石 5+1 ) 一 t l l . 1 左+1 ) 1 五 护a l t / h ) g。 ( 5 ) = 一 0 1 3 9 ( 0 0 4 + 0乡6 7 0 5+1 ) ( 0 . 1 为 子a / %) 在 70%负荷点上的动态特性数学模型的传递函数为: g。 (s ) = 2 . 1 1 6 ( 4 5 7 5 +1 ) ( 2 2 1 5 + 1 ) ， ( 2 1 . 8 5 + 1 ) ( 五 娜尸 / t / h ) g 、 (s) 一 耐 袋 票 器而(姗 %) gpb(s) = 0 . 1 6 2 ( 2 7 5 5 + 1 ) ( 0 . 1 加 护 a / t / h ) ( 2 一 4 ) ( 1 6 5 5 + 1 ) 2 ( 1 1 . 5 5 + 1 ) _ ( 5 ) = 一 0 0 5 1 (0 .0 1 + 一 旦 旦 生、( 0 .1 腼 / 喻 、 印 、，、9 7 5+1、 使用的量纲为: 凡，为 阴 。 ; 万，五 招尹 ;胡 ，t/h ;如 ，%( 汽轮机阀门 开度) 。 式 ( 2 一 3 ) ，( 2 一 4) 是本文研究的对象，即获取试验数据的基本模型。 上述机组的数学模型在单位阶跃扰动时的动态响应曲线如图 2 一 2 所示: 华北电力大学硕士学位论文 口，厂 一 t ime( 的 (a) 如阶 跃 扰动 ti m .(.) ( b ) 刁 b阶跃扰动 二拐 器恕臀 拼女之二 - - . - - - - -一 彝 5 554321 000000 2翼 石贴 丐 茄下 左万一一花苗一一百知 t i m e臼) (c) 如 阶跃扰动下的功率响应(d) 刁 b阶跃扰动下的功率响应 ajlodz 刁心 d4旧 鲁纂州 幼 4oo 3oo时 2odtim 一 三 :! 匡卫 墨丝到 ;，、，、一，.、_，_ 二招 震 票 黝 ) 1 0 口 %负荷 点 70%负荷 点 t j me( 5 (e ) 如 阶 跃扰 动下 的 主蒸 汽压 力响 应( f) b 阶 跃扰 动下的 主 蒸汽压 力响 应 图2 一 2 30o mw单元机组数学模型在阶跃扰动时的动态响应曲 线 在图2 一 2 中， 阶跃 扰动的扰动时间 均设为5 05时开始。图 (c)、( e) 为汽机侧 卜 扰动 时， 功 率n和 主 蒸 汽 压 力凡的 动 态 响 应曲 线; 图 ( b) 、 (d ) 为 锅炉 侧 b 扰 动时， 功 率刀 和 主 蒸 汽压 力凡的 动 态 响 应曲 线。 实 线 是 1 00% 负 荷 点 对象 模型 的响 应曲 线， 虚 线是 70% 负荷点 对象模型的响 应曲 线。由 此可见， 单元机组在机组负荷发生变化时， 其数学 华北电力大学硕士学位论文 模型的 动态特性也随 之发生变化， 这对控制系 统的设计提出了较高的要求。 单元机组协调控制系统的对象特性如下: ( 1) 复杂性。单元机组被控对象是多 变量的，各变量之间存在关联祸 合关系;被 控对象是时 变的，随着机组运行时间的 推移，其动、静态特性会发生显 著变化;同时， 在机组运行过程中存在大量的不确定干扰:如磨煤机启/ 停、煤质变化、吹灰过程等。 因此， 协调控制系统需要解决解祸、 鲁棒性、 抗干扰等许多实际问题， 这就不可避免 地 增加了协调控制系统的复杂性。 (2) 不对称性。 不对称性是协调控制系统区别于其它多变量系统的重要特征。 这 种不对称性不仅体现在响应速度的差异上， 还体现在结构复杂性的差异上。对于协调控 制系统而言，几乎所有的迟延、不确定性以及外界干扰都存在于锅炉一侧， 使得锅炉控 制器无论是用来控制压力还是用来控制功率都显得十分吃力。 (3)全程性。全程性不仅是一种特征，更是一种要求。电力生产是每时每刻、全 天候的， 协调控制系统也应该工作在机组运行的整个过程中。 但是从目 前的 情况看， 协 调控制系统还不具备全程 运行的能力， 设备的 低负荷运行、 辅机的自 启停等一些实际问 题尚未得到很好的解决。 (4) 结构性。协调控制系统面对的是一个复杂的物理过程而非一 个数学表达式， 因此，通过对被控对象的机理分析，巧妙地利用内部各状态间的相互关系，综合反馈、 前馈等多种方式构造控制律是协调控制系统的又一个重要特征。 ( 5) 平衡能力。协调控制系统的平衡能力不仅体现在正常工况下的 “ 按能量需求 控制” ， 还体现在异常工况下的“ 按可能出 力控制” 。 依据设备状况， 协调“ 需要” 与“ 可 能”之间的关系是协调控制系统实用化的一个重要标志。 2 . 4 单元机组对象特性分析及其解祸 单元机组协调控制系统是一个多变量控制系统 ，各变量之 间存在关联藕合关 系，应当 细致地分析各变量的祸合程度， 其藕合程度与变量配对关系的选择大有关 系. 各操纵变量与被控变量间的正确配对， 可以使设计出的控制系统间的关联最小， 并由 此决 定是 否要 做解辊 设计， 否 则会 导 致控制 质量降 低， 甚至使 控制 枣统 无法 正 常运行造成设计与实施的失败 。而通常情况下，单元机组协调控制系统采用简化的 解祸设计原则，分为两个步骤: ( 1) 确定系统输入与输出变量的配对关系，构成 以机跟炉或炉跟机 为基础的 系统结构形式。 ( 2 ) 按照机炉对象动态特性，构成不同的简化解祸补偿结构，以消除或削弱 在控制变量或给定值扰动时，回路之间的交叉干扰 。在此基础上 ，按照能量平衡的 华北电力大学硕士学位论文 原则，构成各种前馈信号，以提高机组的负荷响应能力。 本节从多变量控制系统设计理论出发，对协调控制系统进行分析，确定变量配 对关系 ，根据机组工作频率附近 的动态相对增益来分析控制系统变量间的祸合情 况，由此决定变量的配对。 在机跟炉结构形式下， 机组工作频率附近， n 一 b通道与p t 一 产 通道间的祸合不强 130。因此，在这种变量匹配方式下，不必采取特别的解祸措施，可直接利用 a d r c 的特点， 将两通道间的祸合作用作为外扰， 由e s o进行观测和补偿， 从而达到解祸 的目的。 在炉跟机结构形式下，机组工作频率附近， n 一 产 通道与 pt一 b通道间的祸合作 用较为严重。在这种变量匹配方式下，必须采取专门的解祸措施。本文采用基于串 联后补偿结构的单 向解祸。 基于串 联后补偿结构的 解祸网络结构如图2 一 3 所示。以补偿器的输出cl、 cz 作 为系统的输出， 采用单向 解祸，令rll 月，凡2 月，凡1 = 0 。 图2 一 3串联后补偿结构 可得到等效对象的传递函数矩阵为 二 5)= 民 介 慨: 之 哥既别 ( 2 一 5 ) 得补偿器的传递函数:g 胭+ g 咫， 凡: = 0 即对于系统调节器，得到基于串联后补偿结构的单向解祸等效对象传递函数为 拟-只 g-g - 一一 2 j.1 r 华北电力大学硕士学位论文 (2一 6) 、卫!.lse、sesej 行一。 g一 - 御即pb ggg 一-一1一 1121刀 平平牙 30o m w单元机组采用基于串联后补偿结构的单向 解藕， 结构框图如图2 礴所示。 一 其等效的 系统框图如图2 一 5 所示。按照上述给出的解藕条件有: 凡 ， 二 一 马返 气 (2一 7 ) 由图2 一 2 单元机组的数学模型 在单位阶 跃扰动时的动态响应曲线可知， 当 锅炉燃料 量b扰动时， 功率和汽压的响应曲 线方向 相同， 形状近似， 可以近似地认为两者的零 极 点可以 相消，g 。 和g pb 之比 为常 数，即风 : 为g 朋 和g ，的 静态增益 之比 .即 : 凡 2 二 乞 协调 控制器 在 1 00% 负 荷下 进行 设计， 按 照式 ( 2 4 ) 可得g 。 和g pb的 静 态 增 益分 别为9 。= 2 0 6 9 ，9 ，= 0 . 1 2 4 ， 从 而 得凡 2 = 一 1 6 .6 5 5 5 。 图 2 一 4 串联后补偿单向解祸结构框图 凡+ 凡 尽 耐 滩 劫 蔽 平 坦尽 “ 图 2 一 5 系统的等效框图 比 较图2 一3 和图2 一 5 可知，原来的多变量控制系统解祸为两个控制回路单独 进行控制。尺 2 为补偿器环节，wti 、w竹为解祸后两个回路的控制器. 华北电力大学硕士学位论文 对于以炉跟机为基础的系统来说，汽机调节器本身就具有很强的消除汽机侧扰 动的能力。从 图中可以看到，机前压力偏差信号引入汽机调节器可以补偿来 自锅炉 侧扰动对汽机调节器的影响，使锅炉输入能量能够快速与外界负荷要求相适应 。锅 炉侧扰动 由锅炉控制器消除，不会对输出功率产生严重影响。 华北电力大学硕士学位论文 第三章自抗扰控制器的基本原理 长期以来在过程控制中应用的控制器，绝大多数是二十世纪40年代成型的经典 pi d 调节器及其变种。这种控制器是在数字控制技术出现之前，在线性思维框架中 形成的。尽管在很多场合能基本满足控制要求，但常常难于保证控制精度，参数适 应范围窄，尤其难于对付具有未知的强非线性、强扰动、大时滞、强藕合等工程对 象。 理想的控制策略应该是提供适当的 “ 控制力”同时有效地抑制影响误差的各种 “ 扰动” 作用。 因此， 从这个意义上讲， 控制的目 的就是有效地控制和抑制各种 “ 扰 动”的影响来 “ 消除误差” 。依据 “ 目 标”与 “ 实际行为”之间的误差信息来决定 消除这个误差的策略叫做 “ 误差反馈控制律”( 或 “ 误差反馈策略”) 。 新一代控制技术应该具有以下特点: ( 1) 不依赖于对象的 数学模型; ( 2 ) 性能比当前的pid优越 ; ( 3 )简单有效，易于实现。 以此为 目的，中国科学院系统与数学研究院系统科学所韩京清研究员，依据控 制论 “ 基本原理”， 开发利用具有特殊效应的非线性环节，汇经典与现代控制理论