（检测技术与自动化装置专业论文）cfbb机组先进控制方法应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 循环流化床锅炉( c f b b ) 技术因为具有燃料适应性广、高效、污染 物排放少，锅炉负荷适应性好、燃料制备系统相对简单等特点，在全 世界受到广泛重视，成为燃煤技术的主力军中小型循环流化床技术 在我国已趋于成熟。c f b b 现在的研究主要是大型化问题国内外的专 家普遍认为，c f b b 未来将朝着大型化方向发展，因为c f b b 由于自身的 特点而易于大型化目前各c f b b * 0 造厂家和研究机构都十分重视c f b b 的大型化，c f b b 机组的大型化也正在加速进行并取得一定进展 随着c f b b 机组的大型化，也带来了其控制方面的特点和难点。其 运行的安全与经济性也更为重要。大型化使得汽水循环加速，易出现 不稳定现象汽包水位、蒸汽温度和主蒸汽压力等是c f b b 安全运行的 重要指标。也是c f b b 控制方面的难点，对c f b b 机组的汽水系统、负荷 控制系统进行良好的控制就显得尤为重要同时c f b b 有非线性，时变 大滞后，多变量紧密耦合的特点，实际运行中其参数、运行条件，扰动 等发生变化，使得系统动态特性会发生较大幅度地变化在这些复杂 工况下，操作人员就需要根据自己的经验对控制器的参数进行调整， 具有一定的不可靠性由于c f b b 机组的滞后性、惯性和耦合性的存在， 就使得采用常规固定参数p i 或p i d 控制器进行控制的被控系统很难达 到最佳的控制效果。有时还会因为控制不当发生运行事故，因此无法 保证机组长期正常运行研究结果和运行实践表明大型c f b b 机组的先 进控制是解决机组自动控制难题的有效途径以c f b b 为背景研究适用 于复杂工业过程的先进控制方法，可以实现c f b b 实时监控的复杂控制 要求，实现这种采用清洁煤燃烧技术的新型锅炉机组的运行自动化， 对于保证熟电厂安全经济运行具有十分重要的意义 本文根据大型c f b b 机组控制系统的特点及其难点，以c f b b 机组复 杂工业过程建模与控制为背景，针对c f b b 机组目前的控制方法的缺陷 与不足研究提出了基于闭环阶跃信号激励以及f f t 算法改进的最小 二乘法的适合工程应用的s i s o 和m i m o 对象模型在线辨识方法和相应的 p i d 控制器参数自整定方法，结合c f b b 机组汽包水位、过热汽温以及负 荷控制系统：将提出的方法进行了符合实际地仿真验证仿真结果表 山东大学硕士学位论文 明所提出的方法具有优于常规设计的应用效果 针对c f b b 机组汽包水位常规积分过程反馈控制，采用固定参数p i 或p i d 控制器控制在结构上存在局限性，难以适应复杂工况运行的缺 陷，提出了基于自整定和模糊自校正技术的高性能反馈控制系统设计 与实现方法：( 1 ) 采用自整定技术实现汽包水位反馈控制设计所需要 的对象模型的辨识和主控制器参数的初始自整定；( 2 ) 给出显著提高 汽包水位积分过程控制性能的反馈控制策略及其自动设计方法；( 3 ) 通过模糊推理在线评价整个控制系统的性能，完成系统主控制器参数 的模糊自校正，从而达到克服过程的动态特性变化和提高系统鲁棒性 能的目的。仿真研究结果表明本文提出的改进的汽包水位控制系统与 常规反馈系统相比可显著改善控制性能和适应能力。 以c f b b 机组汽包水位系统的控制为应用背景，针对带有积分环节 的非自衡对象的特点，提出了改进的d m c 预测控制算法，该算法的特 点是仅仅改动了常规d m c 算法的时间基点变动时的移位阵，易于实现； 将这种改进的d m c 算法编制成c + + - f 程化软件包，嵌入到机组d c s 控制 系统中，实现了某热电厂1 3 0 吨时c f b b 机组汽包水位对象的动态优 化控制，并取得了满意的实际工业应用效果，保证了c f b b 机组的安全 高效稳定运行。 最后，本文对今后的工作中需要进一步探索和研究的问题进行了 展望 ， 关键词：循环流化床锅炉， 自校正，动态矩阵控制 p i p i d 控制器，模型辨识，自整定， 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ( a b b r c f b bo rc f bb o i l e r ) i sb e c o m i n gt h em a i nc o a lc o m b u s t i o nt e c h n i q u ea 1 1o v e rt h ew o r l d f o ri t sa d v a n t a g e so fh i g hc o m b u s t i o ne f f i c i e c y ，e f f i c i e n t s u l f u r r e m o v a l ，l o wn o ：e m i s s i o n ， f u e l f l e x i b i l i t y ，g o o d l o a d f o l l o w i n gc a p a b i i i t ya n ds i m p l ef u e lm a k i n gs y s t e m t h e s m a l ia n dm e d i u m s i z e dc f b bh a db e e nd e v e l o p e dw e l l 。b e c a u s eo f t h ef a s td e v e l o p m e n to fm o r et h a nt e ny e a r s n o wt h ec f b br e s e a r c h i sm a i n l yo nt h el a r g es c a l ep r o b l e m e v e r yc f b bm a n u f a c t u r e r s a n dr e s e a r c hs e t u p sp a ym u c he m p h a s e so nt h ed e v e l o p m e n to fl a r g e s i z ec f b b 4 w i t ht h el a r g es i z ec f b bd e v e l o p m e n t t h e r ea r ec o n t r o l l i n g c h a r a c t e r is t i c sa n dd i f f i c u l t i e s ，e s p e c i a l l yt h es a f e t ya n d e c o n o m y o ft h es e t t h e l a r g es c a l ec f b b m a k et h ew a t e r c i r c u l a t i n gt ob ea c c e l e r a t e d ，a n de a s i l yt ob eu n s t a b l e t h e d r u mw a t e r1 e v e l ，t h es t e a mt e m p e r a t u r ea n dt h em a i ns t e a m p r e s s u r e i st h es i g no fc f b bs a f e r u n n i n g ，a n dt h e y a r e d i f f i c u l t i e so nc f b bc o n t r 0 1 i ti si m p o r t a n tt oh a v eg o o d c o n t r o lo nt h ew a t e rs y s t e ma n dl o a ds y s t e m b e c a u s el a r g es c a l e c f b bs e t sa r ec o m p l e xt h e r m a lp r o c e s s e sw h i c ha r eg e n e r a l1 y s t r o n g l yc o u p l e d ，n o n l i n e a ra n dt i m ev a r y i n gs y s t e m sw i t hl a r g e s e t t l i n gt i m e sa n da1 0 to fu n c e r t a i n t i e s ，i ti su n d e p e n d a b l e f o rt h eo p e r a t o rt ot u n et h ep a r a m e t e ro ft h ec o n t r o l l e rm a n u a l l y i ti sh a r d l yt oa t t a i nt h eb e s tc o n t r o lr e s u l tw i t ht h e t r a d i t i o n a lf i x e dp a r a m e t e ro fc o n t r o l l e r w em u s tc h a n g et h e m o d e lp a r a m e t e ri nt i m et og e to n l i n es y s t e mm o d e li d e n t i f i c a t i o n ， w h e nt h e r ea r el a r g ev a r i e t i e so ns y s t e md y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ： t h e nt u n et h ep a r a m e t e r so fp io rp i dc o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h e p r o c e s sw e l l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp r a c t i c a lo p e r a t i o no f t h el a r g es c a l ec f b bs e tp r o v et h a ta d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e s v 山东大学硕士学位论文 c a ns u c c e s s f u l l ys o l v et h es e t s a u t o m a t i cc o n t r o lp r o b l e m s h u t o m a t i co p e r a t i o nc a ng i v eg r e a t e re c o n o m i cb e n e f i tt ot h e r m a l p o w e re n t e r p r i s e s ，c u td o w ne n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ep r o c e s so f t h e r m a lp o w e rp r o d u c t i o na n dr e d u c ei n c i d e n c eo fe q u i p m e n ta n d i n s t a l l a t i o n sf a i l u r e a f t e rt h es t u d yo fc h a r a c t e r i s t i c sa n d d i f f i c u l t i e sa n d s h o r t a g ei nl a r g es i z ec f b bc o n t r o ls y s t e m ，aa p p r o a c ho fs i s o a n dm i m os y s t e m m o d e li d e n t i f i c a t i o ns u i t e da p p l y i n go n e n g i n e e r i n gi sp r o p o s e db a s e d o ns t e pr e s p o n s et e s t sa n df a s t f o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h ma n dr e f i n e dn o n l i n e a rl e a s t s q u a r e s t h ea p p r o a c hh a sb e e nu s e di nr a t l a bs o f t w a r eo nd r u mw a t e rl e v e l s y s t e ma n ds t e a mt e m p e r a t u r es y s t e ma n dl o a dc o n t r o ls y s t e m a n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r eb e t t e rt h a nt h er e s u l t so ft r a d i t i o n a l d e s i g n b e c a u s eo ft h es t r u c t u r e1 i m i to fp io rp i dc o n t r o l l e rw i t h f i x e dd a r a m e t e r si nt h et r a d i t i o n a lf e e d b a c kc o n t r o lo ft h ec f b b s e td r u mw a t e rl e v e lp r o c e s s ，i t sc o n t r o lp e r f o r m a n c ew i l lb e p o o rb a s e do nt h ep r o c e s sm o d e lo b t a i n e db e f o r e h a n dw h e ni t i s u s e dt oc o n t r o ls u c hp r o c e s s ah i g hp e r f o r m a n c ef e e d b a c kc o n t r o l s y s t e md e s i g nm e t h o di sp r o p o s e df o rd r u m w a t e rl e v e li n t e g r a t i n g p r o c e s s ，b yi n t e g r a t i n gf u z z ys e l f t u n i n gw i t hr e l a yf e e d b a c k a u t o t u n i n gt e c h n i q u e t h i sw i l le n s u r et h ep r o c e s st or u nw e l l i nc o m p l e xo p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h i sn o v e ls c h e m eise f f e c t i v e i no t h e rp r o c e s sc o n t r o ls y s t e m sw i t hi n t e g r a t i n gp r o c e s s i nt h e r m a lp o w e rp l a n t st h ec f b bs e td r u mw a t e rl e v e lp r o c e s s i sat y p i c a ln o n s e l f r e g u l a t i n g ( i n t e g r a t i n g ) p r o c e s sw i t hl o t s o fd i s t u r b a n c e sa n do t h e ru n c e r t a i n t i e s a r e f i n e dd m c p r e d i c t i v e c o n t r o l a p p r o a c hi s p r o p o s e d f o rt h i s n o n - s e l f - r e g u l a t i n g p r o c e s s t h ea l g o r i t h m m o d i f i e st h e s h i f t i n gm a t r i xo fo r i g i n a ld m c ae n g i n e e r i n gs o f t w a r ep a c k a g e i sp r o g r a m m e db a s e do nt h er e f i n e dd m ca p p r o a c h t h es o f t w a r eis v i e m b e d d e di nd c sc o n t r o ls y s t e m t h i sh e l pt or e a l i z et h ed y n a m i c o p t i m i z a t i o n 。o n t r o li n1 3 0 t hc f b bs e tw a t e rd r u ml e v e lp r o c e s s o fat h e r m a l p o w e rp l a n t ，a n d g o o d e n g i n e e r i n gr e s u i t sa r e o b t a i n e d i ti si m p o r t a n tf o rl a r g es i z ec f b bs e tt or u n s 8 f e l y 。 s t a b l ya n de c o n o m i c a l l y 5 0 m ep r o b l e m sn e e d e dt o e x p l o ra n dr e s e a r c hf u r t h e ri nt h e f u t u r ea r ep r o p o s e di nt h ee n d i 【。y w 。r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o i l e r ，p i p i dc 。n t r 。1 1 e r 忉。d 。l i d e “t i f i c a t i o n ，a u t 。t u n i n g ，s e i f t u n i n g ，d y n a m i cm a t r i x c o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：塞遄稿日期：垫堕：! 丑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东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、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：宴衄导师签名：巡日 期：銎堕竺 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1课题的背景及研究意义 能源和环境作为人类生存和发展所要考虑的两大主要因素，日益 受到全社会的关注工业化的发展，能源大量的消耗，使得人类生态 环境日益恶化二氧化硫和氮氧化物是主要的环境污染物，主要原因 是矿物燃料的大量燃烧，而矿物燃料中主要是煤炭我国是世界上少 数几个以煤为主要能源的国家之一，占能源消耗的7 0 。探明的储量已 超过1 万亿吨，占我国石化燃料总储量的9 5 以上，居世界第三位目 前国内年煤炭消费量在1 2 8 亿吨左右【1 】，以煤炭为主的能源结构在以 后相当长的时间内不会有根本的改变由于我国是产煤和用煤大国， 而煤炭中有8 4 0 5 直接用于燃烧。但是燃烧效率还不够高，燃烧产生的大 气污染也没有得到有效的控制，我国煤炭中含硫量大于1 的高硫煤占 2 5 以上，平均含硫量约为1 1 ，燃烧高硫煤导致大量的s o ：排放，s 0 ： 是形成酸雨的重要组成部分2 0 0 2 年全国废气中s 0 z 排放量达1 9 2 7 万吨， 其中工业s o ：排放量为1 5 6 2 万吨，占s o ：排放总量的8 1 1 2 致使我国 酸雨污染日趋严重。为了节约能源和环境保护，发展高效低污染燃煤 技术，开发新的燃烧设备是当务之急不少国家的能源和电力行业进 行了大量的试验研究和开发工作出现了许多清洁、高效地利用煤炭 的技术和洁净燃煤发电系统 3 但到目前为止，只有循环流化床锅炉 ( 简称c f b b ) 、整体煤气化联合循环发电系统和压力流化床联合循环 发电系统已经( 或趋于) 成熟并实现商业化 4 。在我国除c f b b # t 的其 他两种技术尚处于试验研究或引进开发阶段、且技术复杂初投资较高 而难以携广 一 c f b b 技术是2 0 世纪7 0 年代以来发展起来的，具有燃料适应性广、 截面热强度高、污染物排放少、锅炉负荷适应性好、燃料制各系统相 对简单等特点经过十多年的快速发展，中。小型循环流化床技术在我 国已趋于成熟。在此基础上由于流化床技术已得到实质性突破，c f b b 机组现在的研究主要是大型化问题国内外的专家普遍认为，c f b b 未 来将朝着大型化方向发展，因为c f b b 由于自身的特点而易于大型化 山东大学硕士学位论文 5 目前各c f b b 制造厂家和研究机构都十分重视c f b b 的大型化【6 】， c f b b 的大型化也正在加速进行并取得一定进展 7 。大型c f b b 具有如下 优点：节约投资、节约能源、燃料适应性广、污染排放处理成本低、 更适合与超临界循环结合 8 。 随着c f b b 的大型化，也带来了其控制方面的特点和难点，其运行 的安全与经济性也更为重要大型化使得汽水循环加速，易出现不稳 定现象汽包水位、蒸汽温度和主蒸汽压力等是c f b b 安全运行的重要 指标，也是c f b b 控制方面的难点，对c f b b 机组的汽水系统，负荷控制 系统进行良好的控制就显得尤为重要。为了节省人力、提高劳动生产 率、改善劳动条件、提高机组运行的安全性、降低能源的消耗( 或提 高能源利用率) 、减少对环境的污染等等。需要对c f b b 机组过程采用 自动控制系统。在自动控制系统中其控制回路的控制器通常采用常规 固定的参数p i 或p i d 控制器这样在正常稳定的工况下，机组的自动控 制系统一般可以投入自动运行。但c f b b 机组有非线性，时变大滞后，多 变量紧密耦合的特点，实际运行中其参数、运行条件、扰动等发生变 化使得系统动态特性较大幅度变化的情况下。操作人员就需要根据自 己的经验对控制器的参数进行调整，具有一定的不可靠性。采用常规 固定参数p i 或p i d 控制器进行控制的被控系统很难达到最佳的控制效 果有时还会因为控制不当发生运行事故，所以无法保证机组长期正 常运行研究结果和运行实践表明大型c f b b 机组的先进控制是解决机 组自动控制难题的有效途径以c f b b 为背景研究适用于复杂工业过程 的先进控制方法，可以实现c f b b 实时监控的复杂控制要求，实现这种 采用清洁煤燃烧技术的新型锅炉机组的运行自动化，对于保证热电厂 安全经济运行具有十分重要的意义 本文根据大型c f b b 控制系统的特点及其难点，在对现有控制系统 进行研究的基础上，提出了c f b b 机组的先进控制方法口i d 参数在线自 整定、模糊自校正p i 控制器、预测控制等) ，将这些方法应用于c f b b 机组控制系统的设计，通过计算机仿真与传统的控制系统设计方法进 行比较，表明本文提出的先进控制方法比传统控制方法有诸多的优点。 对c f b b 机组有关控制对象通过阶跃激励以及f f t 算法、改进的最小二 乘法进行模型在线辨识，并对p i d 控制器进行参数在线自整定对含有 2 山东大学硕士学位论文 积分过程的汽包水位过程进行控制系统结构的改进，提出了基于自整 定和模糊自校正技术的高性能反馈控制系统设计与实现方法。针对带 有积分环节的非自衡对象，提出了改进的d m c 算法，由于算法仅改动了 在时间基点移动时的移位阵，使得算法的模型获得、优化、校正都与、 传统的算法完全一致。使得c f b b 机组运行得到更良好的自动控制，控 制系统抗干扰性更强、运行更自动安全稳定 1 2c f b b 机组生产设备和工艺流程简介及发展现状 c f b b 大型化后所带来了的一系列控制难点，在进行控制系统设计 时，经常需要将c f b b 和汽轮机看作一个整体考虑，来进行负荷自动控 制系统的设计，保证主蒸汽压力的稳定 麓 圈1 1c f b b 机组生产设备和工艺流程示意图 典型的c f b b 机组生产设备和工艺流程如图1 1 所示：煤炭和脱硫剂 石灰石由给料机构从炉膛侧面给入，一次风经一次风机压入空气预热 器，预热后由炉膛底部按一定比例送入炉膛与燃料混合燃烧，二次风 由炉膛侧面送入燃烧产生的热量传给布置在炉膛四周的水冷壁中的 工质水，工质水吸收一定热量后变为饱和态，再进一步吸收更多的热 量后，部分饱和水变为饱和水蒸汽由于汽水混合物的密度低于下降 管中的水的密度，可以维持自然循环，水冷壁中的汽水混合物上升到 汽包中并完成汽水分离，水蒸汽上升到汽包上半部的水蒸气空间。燃 烧产生的高温姻气则沿烟道依次流过过热器，再热器，省煤器和空气 山东大学硕士学位论文 预热器等受热面并被降温，最后由引风机吸出，经烟囱排入大气。 从汽包顶部出来的饱和水蒸气流经过热器，被进一步加热成过热蒸 汽，然后送到汽轮机高压缸推动转子做功，带动发电机的转子转动而 产生电能。做功后的水蒸汽温度、压力都有所降低为了提高机组热 效率，把从汽轮机高压缸排出的水蒸气再送回锅炉，在再热器中再次 加热成再热蒸汽，然后送到汽轮机中、低压缸做功，最后成为乏汽从 低压缸尾部排出，经冷凝器冷凝成凝结水凝结水与补充水一起经过 省煤器回收一部分烟气中的余热后进入汽包这样就完成了一次汽水 循环 自1 9 2 1 年德国人f r i z ew i n k l e r 建立了第1 个流化床试验台至今， 流化床技术已得到实质性突破，c f b b 已在世界范围内得到广泛的应用， 大容量的循环流化床电站锅炉已被发电行业所接受。我国是c f b b 总蒸 发量为世界上最大、总台数为世界上最多的国家但单台蒸发量最大 的仅为4 5 0 t h ，世界上最大容量的7 0 0 t hc f b b 己在1 9 9 6 年在法国普罗旺 斯投运。多台2 0 0 2 5 0 m w 大容量c f b b 也已投产。我国集中于中型c f b b 的研制与开发，从1 9 8 9 年1 1 月首台3 5 t hc f b b 在山东明水投入运行以来， 到现在在四川内江投入使用的4 1 0 t h 的高压电站锅炉，河北热电技改工 程安装4 * 4 1 0t hc f b b 和2 * 2 0 0m w 汽轮机，c f b b 由东方锅炉( 集团) 股 份有限公司生产，汽轮机和发电机由德国a l s t o m 公司生产，汽轮机为 c c 2 0 0 1 5 0 8 8 3 0 9 8 0 1 6 型联合供热式汽轮机机组采用两炉一 机母管制运行方式 6 9 0 保定华源熟电有限公司2 1 0 0 m w 级双轴 供热机组选配了东方锅炉( 集团) 股份有限公司引进美国福斯特惠勒大 型循环流化床技术设计的国产化d g 4 5 0 9 8 1 - 1 型c f b b ，主要配套辅机 设备以立足国内生产为主进行合理优化配置整个电厂2 4 5 0 t h c f b b 、2 * 1 0 0 m w 双抽汽轮发电机组采用新华公司x d p s 2 4 0 0 分散控制系 统该供热机组于2 0 0 2 年1 0 42 5 日顺利通过7 2h 试运，1 1 月顺利移交电 厂使用，整套机组设备的保护投入率达到1 0 0 ，自动投入率达到9 0 以 上，锅炉设备运行稳定可靠，锅炉运行参数达到设计要求。d g 4 5 0 9 8 l 一1 型c f b b 机组的顺利投产，标志着我国电站用c f b b 的发展已经步入大型化 使用阶段【1 0 】 1 1 4 山东大学硕士学位论文 1 3c f b b 机组控制系统的发展 近年来，国内c f b b 发展很快，但是由于c f b b 机组是一个多输入多 输出的变参数系统，过程具有强非线性、大滞后和强藕合，同时c f b b 在理论和实践方面仍有许多不完善之处，因而它的自动控制问题一直 没有得到很好的解决，目前国内现有的c f b b 基本上处于操作人员手动 控制状态，即使设计了自动控制系统，也是以经典的固定参数p i d 控制 居多【6 【1 2 - 1 8 有时会出现因控制系统设计不当而导致的事故。c f b b 机组自动控制系统主要由汽包水位控制、蒸汽温度控制、燃烧控制系 统、负荷控制系统等组成c f b b 控制系统的现状及存在的一些问题为： ( 1 ) 汽包水位虽然有丰富的经验，但c f b b 机组大型化使得汽包水位的安 全稳定控制更为重要，控制起来更不容易 ( 2 ) 蒸汽温度控制系统和燃烧控制系统以及负荷控制系统的控制问题 还没得到很好的解决。 ( 3 ) 没有采取有效的克服过程大滞后的方法，使控制过程中不是给煤加 到1 0 0 就是给煤减到0 ，导致系统不稳定。 ( 4 ) 控制系统的设计水平不够，自动投入率低一是锅炉的可控性差：t ， 二是对控制机理理解不够，设计原理与实际效果不一致。 ( 5 ) 大多数仍采用常规控制仪表，软件功能弱，控制回路设计能力差： 硬件( 主要是调节器) 本体不成熟，可靠性低 ( 6 ) 己采用计算机控制的系统中，因为对循环流化床的运行机理和特性 了解不够，造成自控软件的设计水平低，只用到其中的基本控制功能， 多数的高级控制功能没有用到，因此在功能上只相当于常规控制仪表。 ( 7 ) 只简单考虑稳定工况下的自动控制，忽视了c f b b 由于工艺或管理以 及大型化等原因而经常会出现的诸如堵煤等意外事件的自动处理，对 于国内c f b b ，频繁出现的意外事件常常导致自控系统无法长期有效的 投运 1 9 - 2 l 】? 为了更好的解决c f b b 机组自动控制难题，国内外专家已经提出将 先进控制技术 5 5 6 4 应用于c f b b 机组控制系统。如模糊逻辑控制，自 适应控制，动态矩阵控制( d m c ) ，广义预测控制，智能解耦控制，仿 人智能控制和专家控制等先进控制方法这些研究为c f b b 机组的自动 5 山东大学硕士学位论文 控制提供了宝贵经验。研究结果和运行实践表明大型c f b b 机组的先进 控制是解决机组自动控制难题的有效途径。以c f b b 为背景研究适用于 复杂工业过程的先进控制方法，可以实现c f b b 实时监控的复杂控制要 求，实现c f b b 机组的运行自动化，对于保证热电厂安全经济运行具有 十分重要的意义。 1 4 本文的主要研究工作 本文根据大型c f b b 机组控制系统的特点及其难点，以c f b b 机组复 杂工业过程建模与控制为背景，针对c f b b 机组目前的控制方法的缺陷 与不足。研究提出了基于闭环阶跃信号激励以及f f t 算法、改进的最小 二乘法的适合工程应用的s i s o 和m i m o 对象模型在线辨识方法和相应的 p i d 控制器参数自整定方法，结合c f b b 机组汽包水位、过热汽温以及负 荷控制系统，将提出的方法进行了符合实际地仿真验证仿真结果表 明所提出的方法具有优于常规设计的应用效果。 针对c f b b 机组汽包水位常规积分过程反馈控制，采用固定参数p i 或p i d 控制器控制在结构上存在局限性，难以适应复杂工况运行的缺 陷，提出了基予自整定和模糊自校正技术的高性能反馈控制系统设计 与实现方法：( 1 ) 采用自整定技术实现汽包水位反馈控制设计所需要 的对象模型的辨识和主控制器参数的初始自整定：( 2 ) 给出显著提高 汽包水位积分过程控制性能的反馈控制策略及其自动设计方法；( 3 ) 一 通过模糊推理在线评价整个控制系统的性能，完成系统主控制器参数 的模糊自校正，从而达到克服过程的动态特性变化和提高系统鲁棒性 能的目的。仿真研究结果表明本文提出的改进的汽包水位控制系统与 常规反馈系统相比可显著改善控制性能和适应能力。 以c f b b 机组汽包水位系统的控制为应用背景，针对带有积分环节 的非自衡对象的特点，提出了改进的d m c 预测控制算法，该算法的特 点是仅仅改动了常规d m c 算法的时间基点变动时的移位阵，易于实现； 将这种改进的d m c 算法编制成c + + 工程化软件包，嵌入到机组d c s 控制 系统中。实现了某热电厂1 3 0 吨时c f b b 机组汽包水位对象的动态优 化控制，并取得了满意的实际工业应用效果，保证了c f b b 机组的安全 高效稳定运行。 6 山东大学硕士学位论文 第二章控制对象模型辨识和p i d 控制器参数自整定以及 仿真方法 2 1引言 自动控制系统按控制策略主要可以分为单回路控制、前馈反馈控 制、串级控制、多变量控制等常用的控制方式 2 2 】单回路控制系统是 最基本、最常用的控制系统，其他的控制系统都是以它为基础进行变 化和发展的在c f b b 机组给水控制系统，蒸汽温度控制系统中，汽 包水位反馈控制常采用以给水流量为副变量，以汽包水位为主变量的 串级控制方案，由于给水流量副回路容易整定，整定好后可近似等效 为一比例环节，所以汽包水位广义被控对象g ，( s ) 是由给水流量副回路 等效对象和系统主对象串联构成的整个回路等效为一个单回路控制 系统对于过热蒸汽温度控制系统，情况基本类似，由导前区构成副 回路，快速消除扰动，可近似等效为一个比例环节，整个系统可以等 效为一个单回路控制系统。由此，串级控制系统中内、外回路的控制 器的参数可以分别独立进行整定并且内、外回路的整定可以按照单 回路控制系统的整定方法进行整定由实际生产过程并经假设可知， c f b b 机组负荷控制可以看作是一个具有两个控制输入和两个控制输 出( t i t o ) 相互耦合的对象，其方框图如图2 1 所示由于耦合性的 存在，不能简单地将t i t o 系统化为单回路系统进行控制器的设计和参 数的整定。必须考虑对象的动态特性的变化和相互之间的耦合性，合 理选择控制系统结构，设计和整定的负荷控制系统才能快速的跟踪外 界负荷的变化，并保持主汽压的稳定要想使控制对象得到很好的控 制就需要有对象较为精确的模型与合适的控制器参数整定方法 模型辨识可以划分为时域模型辨识和频域模型辨识，已经有很多 文章对其辨识方法进行介绍频域内，工业过程中被控对象的模型主 要有虾硼躺 g = 南叫， g = 错v “， g ”芋v - g 咖硒k 司， jj i s 十lj g d = 型s ( s t 等1 9 9 9 年 + 1 ) 。 山东大学硕士学位论文 b io i a n g 在其文章【2 3 介绍了一种基于阶跃响应的一阶加纯滞后模型 的鲁棒辨识方法。2 0 0 0 年w a n gq i n g g u o 在时域内应用阶跃测试对s i s o 过程进行辨识，进而将其推广到t i t o 过程 2 4 经过对此种辨识方法 进行研究，并对其进行推广，合理的应用快速傅里叶变换( f f t ) 2 5 和非线性最小二乘方法，在频域内运用阶跃响应测试可以辨识对象中 含以上五种结构任意一种结构的传递函数模型从而扩大了其辨识应 用范围。 图2 1t i t o 系统方框图 本章将介绍单回路控制系统被控对象的模型参数辨识和双输入双 输出控制系统被控对象模型参数的辨识以及单输入单输出( s i s o ) 系 统p i 或p i d 控制器的设计和整定并给出用m a t l a b 软件s i m u l i n k 交互式 仿真集成环境进行仿真的方法 2 2s l s o 对象模型辨识 如图2 2 所示，控制器c 和控制对象p 组成的整个系统是一个s i s o 稳 定系统。在时域内，系统稳定运行时，在参考输入端r ( t ) 叠加一阶跃 信号作用于系统，则对于对象p 两端的输入输出将会从一稳态到达另一 稳态对我们辨识有用的是两稳态之闻的变化为了方便起见，我们 令r ( t ) 初始值为零，则参考输入端只有阶跃信号作用子系统。对象p 两 端的输入输出由零到达稳态如图2 3 所示此时u 。( t ) 和y 。( t ) 可以表示 为稳态分量与暂态分量之和，即： u 。( t ) - - u 。( 一) + u ( t ) ( 2 1 ) y 。( t ) = y 。( 一) + y ( t ) 。 ( 2 2 ) 山东大学硕士学位论文 r ( t ) 八。 r 7 7 协 图2 2s i s o 系统 ；磁i 图2 3系统阶跃响应图 圈2 4 二阶惯性加纯滞后环节奈奎斯特图 根据函数的傅立叶交换理论，可得对象输入输出的g g , - r 叶变换为： u 。( j w ) = q ( f 弦珊面= 等+ “( f 弦巾田 ( 2 3 ) y o w ) = 儿( f 弦珊击= 墨竽+ y o ) p 咖出1 2 4 ) 因为t o ，则b 。 o 。l l pb o = 万，此时当对象为最小相位过程时 bl 0 ，否则b t o ；亦或当输出阶跃响应开始时向稳态值的反方向变化时 b o 。如果g ( 0 ) o ，则情况正好相反 求得a ：、a ，、b 。、b 。后，用相位方程来估计延迟参数l ， o l = q 其中， 0 卅 中：l p 叫 【oj 哪曲o 枷t a n - i ( 鼍半( 带， 一a r s s ( ，个硼+ 啪。( 鱼二等玛一劬“( f ：最；毫矿 一螂【g o ”k 】1 + t a n “( 笔，一t a n “( j i - - 尘a 2 k w 一1 ) l = ( 0 7 0 ) 。0 7 q 对于其他类型的估计模型亦可以用线性最小二乘法求出传递函数 的系数，从而估计出被估对象的传递函数。 山东大学硕士学位论文 2 3t i t o 对象模型辨识 对于t i t o 系统用以上方法同样可以估计出模型的传递函数，t i t o 控制系统如图2 5 所示，其中c ( s ) 和g ( s ) 分别是控制器矩阵和过程传递 函数矩阵其中过程g ( s ) 输入输出关系为： 一一一 图2 5t i t o 系统 y i y 2 眇料轧婴g , 2 外心：1 ( 2 1 5 ) b ：( j ) j 【g ：。o ) 9 2 2 ( s ) j 【u 2 0 ) j 、。 写成频率响应形式即为 m u d l ：卜( 朋g , z ( 州1 。卜州1 ( 2 1 6 ) l y ：u w ) jl g z - ( _ ，叻g n u w ) j 【z 州 在参考输入r 。处叠加一阶跃信号，而r ：保持不变( 为了计算方便， 令r 为一阶跃信号，r ：为零) ，则过程的输入u 和u ：以及输出y 和y ：将会 分别在有限的时间内从一稳定状态达到另一稳定状态，全部达到稳定 状态的时刻为t ，输入输出写成矩阵形式分别为： u 1 ( ，叻= 掣d w + 陬f ) p 咖 訾+ 凡州 和 y - ( m ： 地j w + r y 胁州 訾+ 胁咖咖 则y 1 ( j w ) = g ( j w ) 枣u ( j w j 同样，在参考输入r2 处叠加一阶跃信号，而r 保持不变( 为了计算 方便，令r 。为一阶跃信号，r l 为零) ，过程输入输出全部从一稳态达到 新的稳态的时间是t ：。输入输出写成矩阵形式分别为： u 2 u w ) = 和 y 2 ( 一) =掣+ r y 抄加 警+ l y z 慵帅 )，由此可得到： 加 州 一 蛳 q o o 彤 啪 咄 r f p + + (掣墨少涧霉遂少舻 山东大学硕士学位论文 y 1 ( j w ) y 2 ( j w ) = g ( j w ) u ( j w ) u 2 j w ) 则g ( j w ) = y ( j w ) y 2 ( j w ) 母 u ( j w ) u 2 ( j w ) 1 g = 摩：鬈= 霉：篇习隧lj w ：- 2 ：塞：嚣= = - 1 7 ) 化简( 2 1 7 ) 式可得： g 龆：篇嚣器篇嚣髅搿搿鬻：筹荔i 当w = o 时可得对象的稳态增益矩阵 g c = 陵葛委曷 + 瞄曷案汀1 。2 。， 至此，可得到t i t o r f f 象传递函数矩阵n 4 频率点的频率响应。 g c c m 也嬲溯 o ，a 州岫，棚圳， 对g 。( j w ) ，g 。2 ( j w ) ，9 2 l ( j w ) ，g ( j w ) ( 胃= 0 ，d ，2 * d w ，( n - 1 ) * d