（电力电子与电力传动专业论文）火电机组多级复杂热工pid回路控制器优化设计.pdf

煅麴 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名：至煎坠 日 期：2 盟u fz 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：茎垦 导师签名： 摘要 摘要 p i d 控制器算法简单、鲁棒性强、易于工程实现，一组好的p i d 参数不仅能明显 提高控制性能及设备的运行效率、降低故障及事故的发生率，同时还有利于提高能源 的利用率，因此在现代电厂控制系统中得到了广泛的应用。由于在发电机组各回路中， 很多回路采用串级回路，非线性环节大量存在，且各层回路之间相互耦合，影响了系 统的动态性能。论文围绕上述问题展开，主要工作包括：上海宝钢电厂3 5 万千瓦发电 机组仿真平台的搭建、串级回路p i d 控制器参数优化整定算法研究、闭环系统的稳态、 动态性能分析以及鲁棒性分析、阀门的非线性因素对系统性能的影响以及对机组回路 控制器进行优化设计。 首先，根据宝钢电厂3 5 万千瓦锅炉汽轮机控制回路结构图，对机组各回路进行分 析研究，利用m a t l a b s i m u l i l l l ( 搭建机组控制仿真平台。文中给出了机组主要回路 的s i i i l u l i n k 仿真图。 其次，针对机组回路，研究了单回路和串级回路常用的参数整定方法，建立优化 指标评估体系，在此基础上提出了一种串级回路p i d 控制器参数优化整定方法。仿真 结果表明，与常规p i d 参数整定法相比，本文所提出的优化设计方法方便有效，明显 改善了控制系统的动态性能，且控制器具有良好的抗干扰能力。 最后根据所建仿真平台以及评估指标体系，分析阀门的非线性因素对系统性能的 影响，同时考虑各回路之间的相互干扰，采用本文所提的优化设计方法对各回路控制 器进行优化设计。仿真结果表明，此仿真平台能满足系统仿真要求，且本文提出的优 化设计方法方便有效，提高了机组性能，为优化整定结果在实际系统中的应用提供了 可靠的保证。 关键词：火电机组，控制器，优化设计，串级系统，非线性，仿真平台 c o n d i t i o na c c u r a t e l yi i lo r d e rt 0r e a l i z et h ee f f e c t i v el 姗d l i n go ff i e l dd a t au s i i l gs i m m i l l k t o o l b o xi i lm a t l 姬n l es 讪i l i 够o fc a s c a d e1 0 0 pi sa 1 1 a l y z e da i l d 舭o p t i i l l i z a t i o nm e t l l o d f o r 删n gp i dc o n 仃o l l e r so fc a s ( 脚es y s t 锄si s r e s e a r c h e d t h es y s t 锄r e s p o n s e p e r f o 咖a n c e 加j o i l l i n gm e1 1 0 i l l 证e a rf l a c t o r so f t h ev a l v ei sa n m y z e d f i r s t l ys i m u l i i l l 【t o o l b o xi i l 脚l a bi su s e dt 0c 0 1 1 s t m c t 舭s i m u l a t i o np l a t f o mo f 3 5 0 m wt 1 1 e m mp o w e ru i l i t so fb a o s t e e lp o 、e rp l 锄t t h es i m u l a t i o nf i g u 鹏so fm a i l l c 沁u i t sh a v e b e e ng i v e ni nt l l ep 印e r t h e nt h e 丘- e q u e n t l y - u s e dm e n l o d sf o rs 血g l e1 0 0 pc o n 缸0 ls y s t i e m sa 1 1 dc a s c a d es y s t e m s a r er e s e a r c h e d 砒l dt l l ee v a l u a t i o ns y s t e mo fo p t i i l l i z e di n d e xi se s t a ：b l i s h e d o p t i m i z a t i o n m e m o d sf o rt u i l i n gp i dc o n 臼o l l e r so fc a s c a d es y s t e m sa 1 1 ds i n 酉el o o pc o n t r o ls y s t e m sa r e p r e s e n t e d s i i l l u l a t i o n r c s u l 【ss h o wm a t 廿l em e t l l o di s e f l e c t i v e ，c o n v e l l i e n ta 1 1 dt 1 1 e c o 叻o l l e rh 觚g o o da 1 1 t i i n t e 疵r e n c ea b i l i 够 h lt t l ee n d ，b 雒e do nt t l es i m u l a t i o np l a t f o 册a 1 1 de v a l 删i o ns y s t e mo f o p t i m i z e di n d e x ， t l l ei m p a c to fn o i l l i l l e a rf 砬t o r so fm ev a j v eo n 吐l es y s t e mr e s p o i l s ep e 订o m a i l c ei sa i l a l y z e d c o n 仃o l l e r so fe a u c h1 0 0 pl l 乏eb e e nt u i l e du s i i l gt 1 1 em e m o dp r e s e n t e di i lt l l ep a p e rw h e n t a h n gt l l em u t u mi n t e r f e r e i l c eo fe a c hl o o pi i l t 0a c c o u r l t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wn l a t m ec o i l s 仃u c t c ds i m u l a t i o np l a t f o ms a t i s f i e st l l er e q u i r e m e n t so fs y s t e ms i m u l a t i o na 1 1 dt l l e o p t i i i l i z a t i o n m e t l l o d p r e s e n t e d i n l e p a p e r i s c o n v e l l i e 咄i i i l p r 0 v e sm ed y n 锄i c p e r f o m a n c eo f l e n n a jp o w e ru 1 1 i t s a i l dp r o v i d e sar e l i a b l e 罂a n t e ef 0 rt l l ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o no ft 1 1 e0 p t 嘶z e dr e s l l l t s k e yw o r d s ：m e 咖a lp 0 、e ru i l i t s ，c o n 臼l l e r ，o p t i m a ld e s i g i l c a s c a d es y s t c 釉，n o i d i l l e 虬 s i i i l u l a t i o np l a t f o n n 目录 目录 摘要i a b s n j a c t i i 目录i 第一章绪论1 1 1 火电机组热工过程概述1 1 2 热工控制过程策略1 1 3 课题研究背景”2 1 4 关键技术及研究现状”3 1 5 本文研究内容4 第二章w e s t i n 曲o u s ep i d 控制算法【1 0 j 6 2 1 概述6 2 2 偏差死区和死区增益”7 2 3 单死区”7 2 4 双死区8 2 5 抗积分饱和”9 2 6 本章小结1 l 第三章仿真平台的设计与开发1 2 3 1 概j 苤1 2 3 2m a t l a b s i n l u l i i l k 仿真工具1 3 3 3 宝钢电厂拌1 机组汽轮机控制仿真1 3 3 3 1 并网后汽轮机高低压缸进汽模型1 3 3 3 2 加热器水位控制1 4 3 3 3 除氧器水位控制回路19 3 3 4 汽轮机整体模型2 0 3 4 宝钢电厂锅炉及机组控制仿真2 0 3 4 1 锅炉磨煤机及给煤机一次风模型2 0 3 4 2 给煤主控2 2 3 4 3 高炉煤气b f g 控制一2 3 3 4 4 锅炉主控回路2 4 3 4 5 送风控制回路”2 5 3 4 6 炉膛负压控制2 6 3 4 7 给水控制回路2 7 东南大学硕士学位论文 3 4 8 汽包水位控制回路2 9 3 4 9 过热器温度控制3 0 3 4 1 0 再热器温度控制”3 2 3 4 1 1 汽机主控回路”3 3 3 5 本章小结3 4 第四章热工自动控制系统参数整定3 5 4 1 概述3 5 4 2 热工控制系统性能指标3 5 4 3 单回路p i d 控制器设计一3 7 4 3 1 常用单回路p d 参数整定法3 7 4 3 2 本文提出的优化设计方法3 9 4 3 3 仿真实例4 l 4 4 串级回路p i d 控制器参数整定4 4 4 4 1 串级控制系统【冽4 4 4 4 2 串级控制系统工程整定法4 5 4 4 3 本文提出的优化设计方法4 6 4 4 4 仿真实例4 7 4 5 本章小结5 1 第五章宝钢电厂锅炉及汽轮机组参数优化设计5 2 5 1 概述5 2 5 2 执行机构的非线性分析5 2 5 2 1 滞环对机组性能的影响5 2 5 2 2 爬行对机组性能的影响5 4 5 - 3 锅炉及机组回路控制器优化设计5 5 5 3 1 高炉煤气b f g 回路控制器优化设计”5 5 5 3 2 磨煤机及给煤机一次风回路控制器优化设计5 6 5 3 3 给煤主控回路控制器优化设计5 8 5 3 4 送风控制回路控制器优化设计5 8 5 3 5 炉膛负压回路控制器优化设计5 9 5 3 6 给水控制回路控制器优化设计6 0 5 3 7 汽包水位控制回路控制器优化设计6 l 5 3 8 过热器温度控制回路控制器优化设计6 2 5 3 9 再热器温度控制回路控制器优化设计6 3 5 3 1 0 汽机主控回路控制器优化设计“6 3 5 3 1 1 锅炉主控回路控制器优化设计“ 目录 5 4 汽轮机各回路控制器优化设计6 5 5 4 1 高压加热器回路控制器优化设计6 5 5 4 2 除氧器水位控制回路控制器优化设计6 6 5 4 3 低压加热器回路控制器优化设计6 7 5 5 锅炉汽轮机组整体运行输出响应6 8 5 6 本章小结7 3 第六章结论与展望7 4 6 1 全文总结7 4 6 2 对进一步工作的展望7 5 致谢7 6 参考文献”7 7 硕士期间发表的论文8 0 i 第一章绪论 1 1 火电机组热工过程概述 第一章绪论 火力发电厂在我国电力工业生产中承担着主要任务，机组的安全、稳定和高效运 行是电力生产中需要研究解决的重要课题。现代的火力发电机组正朝着大容量、高参 数方向发展，汽机、锅炉等主体的自动控制系统进一步复杂化，要求其具有更高的可 靠性和自动化水平，这样就使得热工自动控制在火电机组中的地位显得越来越重要， 成为大机组安全、稳定和经济运行的可靠保证【l j 。 热工过程普遍存在着惯性和滞后，这是火电厂大部分被控对象的主要特点之一。 慢时变特性是火电厂热工过程的又一突出特点。其原因是多方面的：有设备本身的影 响，如机组定期的大、小修维护造成的过程参数的改变，控制系统执行机构的磨损造 成的过程特性变化等；有运行工况的改变导致的过程特性大幅度变化，如机组负荷的 增减、重要设备的起停切换等。而常规p i d 控制系统的设计是建立在被控对象特性不 变或近似不变的基础上，当对象特性发生较大改变时，常规p i d 控制器需要重新整定 1 2 j 。因此，常规p i d 控制器的整定工作是经常性的。 1 2 热工控制过程策略 在火电机组的热工过程中，主要的热工自动控制系统有：燃烧控制、锅炉汽包水 位控制、主蒸汽温度和再热蒸汽温度控制、汽机控制及协调控制，它们完成水、温度、 压力、流量、转速等参数的控制任纠l 】【3 l 。一般大型火电机组( 燃煤锅炉) 热工自动 控制有很多主要控制回路。 火电机组热工过程在控制方式上主要采用以比例一积分一微分( p i d ) 为基础的 常规控制策略，这是其突出的特点，也是工业控制领域的普遍现象。即使在日本，p i d 控制的使用率也达8 4 5 【4 j 。目前，我国热工过程各控制回路中p d 控制至少占9 5 ， 即使在目前较为先进的分散控制系统( d c s ) 中也是无一例外地采用常规p i d 作为基 本控制策略，其控制效果与模拟控制器构成的控制系统并无本质差别。常规p i d 控制 是使用最多的控制手段。 常规p i d 控制有其优势，方面在于算法简单可靠，易于实现，而且早己被现场 工程技术人员普遍熟悉掌握；另一方面在于其鲁棒性较强，对控制系统的先验性知识 要求较低，对过程模型的依赖程度不像一些现代控制方法那样高。因此，常规p i d 控 制至今仍被工业过程控制界所广泛采用【4 1 。 东南大学硕士学位论文 1 3 课题研究背景 p d 控制器算法简单，易于工程实现，一组好的p i d 参数能明显提高控制性能及 设备的运行效率，降低故障及事故的发生率，同时有利于提高能源的利用率，因此在 现代电厂控制系统中得到了广泛地应用。根据现代控制理论，对一个发电机组锅炉汽 轮机的控制，总是通过物理解耦或控制系统解耦将系统分解为个一个较小的回路用 p i d 或类p i d 控制器来实现自动控制。一些回路是单冲量的简单回路，但对延迟长、 惯性大、非线性明显的回路用单一过程量不够，所以要有多于一个过程量的控制回路 或多于一层的控制回路，例如，过热器、再热器往往都采用串级回路1 5 j 。更有多于二 层的情况。 对于电厂而言，复杂一点的情况是：一台机组的一二个主控p i d ，其设定值往往 是经常要更改的发电负荷，该主控p i d 回路发出的控制指令，分解成若干子回路的设 定值，分别控制各个子回路，而子回路各项动作结果再对总回路的目标发生影响。这 样的实例发生在许多电厂中，但在理论上的讨论较少。现有的p i d 控制系统设计方法 大多只考虑低阶对象模型、单回路控制系统或一个p i d 控制器的设计和整定，而高阶 对象模型、多回路或多个控制器的控制系统的整定往往十分复杂和繁琐，很难被工程 技术人员掌握和使用。 到目前为止，还没有作为现场工程技术人员实际使用的集现代控制系统设计方法 与计算机技术为一体的控制系统实用整定装置，p i d 控制系统的现场实际整定仍主要 采用工程设计法( z - n 整定澍6 】、经验法【l 】及试凑法等) 。这不仅要花费大量的投试和 整定时间，并且很难获得最佳的控制效果。电厂的实践表明，主回路与子回路之间存 在干扰，不能简单地利用阶跃响应模型与z n 、c h r 、c c 、玎c 【7 母】等p i d 整定法。 本课题以大型火力发电机组的成套控制为实例，研究多级复杂热工p i d 回路的特 性及其p i d 参数选择。在发电机组各回路中，很多回路采用串级回路，且非线性环节 大量存在，因此系统控制难度加大。目前，在对该机组的维护中，缺乏一种实用而安 全的p i d 控制参数整定方法，本课题正是在这种背景下提出的。本课题研究多级回路 控制对稳定性、快速性的影响，研究实际过程中每个环节可能加入的非线性环节( 如 滞环、爬行) 对多层回路的影响，研究多层p i d 优化与单回路p i d 优化整定结果的差 异，研究单回路与多回路的性能指标，从而给出多层多级p i d 控制系统的整定方法与 评估方法，从而能够为大型火力发电厂参数优化及p i d 过程诊断做出分析，提高机组 的稳定性和运行效率，以期对机组系统的控制具有指导意义。其一个实例取上海宝钢 电厂的3 5 万千瓦发电机组主要p i d 控制回路。 需要指出的是，本课题中仿真平台的p i d 控制器模型直接使用上海宝钢电厂现场 d c s 所使用的p i d 模型，即w - e s t i l l 曲o u s eo v a t i o n l l o 】的算法，包括其对偏差与过程量的 理解及抗饱和算法。也就是说，出于实用的目的，本课题不尝试研究各类p i d 控制器 2 第一章绪论 变种。 1 4 关键技术及研究现状 1 控制器参数的整定 自从有了p i d 控制，回路整定就一直是人们研究的课题之一。设计一个p i d 控制 器，应该综合考虑控制系统的负载干扰衰减、测量噪声效果、过程变化的鲁棒性、设 定值变化的响应等【1 1 】。自1 9 4 2 年z i e 9 1 e r - n i c h o l s 提出p i d 参数整定的经典z - n 整定 法以来，许多学者不断探讨新的p i d 控制器参数整定方法，例如c h r 法、c c 法、蹦c 法和最优p i d 控制器设计1 1 2 d 3 】等。 广义频率法【1 4 1 、根轨迹法【1 5 】等理论整定法就是根据被控对象的数学模型，采用频 域或时域的控制理论计算出p i d 控制器参数。尽管p i d 控制器参数整定的理论及相应 技术较为成熟，但由于涉及到专门的控制理论知识，而且计算过程较复杂，因此理论 整定法在工程实践中很少采用。 工程上用得较多的整定方法有经验法、试凑法、z i e g l e r - n i c h o l s 法、响应曲线整 定法【l4 1 、c h r 、c c 、i m c 等整定方法。但是，传统的整定方法一般属于“按需要 进行整定 ，通常需要注意何时进行回路整定，过程扰动也需要人为干预，回路整定比 较费力。时间和人力不足、过程特性及操作条件的频繁变化、操作人员对回路整定方 法不熟悉等因素，都可能造成整定失误。而有些较敏感的过程，则不能接受以整定为 目的的过程扰动，要花费大量的投试和整定时间，并且很难获得最佳的控制效果【2 j 。 对于高阶模型、多回路、多控制器的p i d 控制系统，由经验法、试凑法等传统的设计 方法很难获得满意的控制效剽1 6 j 。 在线自校正p i d 参数需要在控制回路中人为加入给定值扰动或负荷扰动，然后根 据扰动曲线计算闭环控制系统的性能，并以此为依据调整p i d 参数。在实际应用中， 为了保证机组的安全运行，这一阶跃扰动的幅值一般不能太大，因此往往造成所得到 的扰动曲线受干扰信号的影响，而不能反映闭环控制系统真实的性能，导致参数自校 正失败。因此，p i d 控制器参数自整定技术在电站单元机组自动控制系统中并没有得 到广泛应用【1 6 】。 随着控制理论的发展，更是出现了许多先进的控制策略，模糊理论、神经元网络、 专家知识等技术也应用在控制器参数整定中。文献 1 7 】论述了这些方法，但其中的许 多方法还处于仿真实验阶段，在火电机组热工控制中并没有得到应用。 单元机组热工自动控制系统中除采用单回路控制外，还广泛采用串级控制、前馈 一反馈控制和多变量控制等控制策略，这些控制系统存在多个p i d 控制器。在对每个 p i d 控制器参数整定时，不能简单地用单回路的参数整定方法处理。要获得最佳的控 制系统性能，必须将这些控制系统作为一个整体，同时对每一个p i d 控制器参数进行 东南大学硕士学位论文 寻优，才能得到最佳的控制器参数。显然，传统的整定方法无法实现这一要求。一个 解决的方法是采用优化算法对p i d 参数进行寻优。寻优的目标函数常用的有两类【1 8 j ： 一类是直接指定系统调节品质，另一类是误差目标函数。m i n m a x 【1 9 】是采用最多的方 法，其原理是寻求一组p m 参数，使对象受到最大的不确定性影响的积分误差指标最 小。数学上也提出很多成熟的优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、单纯形法以及 随机搜索法1 2 1 】等，但优化方法存在局部极小值问题，其优化结果与参数初始值的选 取有关。由于火电机组热工对象的复杂性及阀门非线性的影响，到目前为止，还没有 在电站单元机组自动控制中广泛地应用控制系统的参数优化整定【1 6 j 田j 。 2 串级控制系统研究及整定方法 串级控制系统具有良好的抗干扰能力，适用于时间常数及纯滞后较大的对象，在 复杂的控制工业中得到了广泛的应用。在串级系统参数整定中，要整定多个回路的调 节器，因此串级系统参数整定比单回路参数整定要复杂得多【2 3 1 。尽管目前开发出许多 整定方法和公式，但整定工作仍费时费力，并且由于各种因素的影响，整定效果仍然 不够理想。对于串级控制器的设计和整定，传统的设计方案是采用“二步整定法：先 设计内环，再设计外环。如果各回路都采用p i d 控制器的话，就有6 个参数要整定， 需反复试凑，难度较大【2 3 j 。对于串级系统的整定可将串级结构看成是传统反馈控制结 构的扩展，将传统的反馈控制结构的方法应用于串级结构的整定，比如说衰减频率特 性法【2 4 1 、最优积分误差法【2 5 1 、基于内模的控制器设计法【2 6 之7 1 、改善大滞后串级系统的 预估器【2 8 】等。 根据以往的研究，串级系统参数整定存在以下问题i z7 j ： 1 相互作用。串级结构中，内外环相互作用，相互影响。这一相互作用使得串级 控制器的整定相对于单回路反馈控制器的整定要复杂得多。由内到外的顺序整定考虑 了内环对外环的影响，却忽略了外环控制器对内环的作用。但是对于串级系统来说， 内环的作用非常重要，因此该问题值得研究讨论。 2 内环控制器的模态。内环控制器可以是p 、p i 、p d 或者p i d 控制器，如何选 择适合的控制器以获得最优系统性能。 3 鲁棒性。既然串级系统存在回路的相互作用，那么系统鲁棒性就是必须考虑的 重要问题。 1 5 本文研究内容 本文以上海宝钢电厂3 5 万千瓦发电机组为研究对象，搭建燃料主控回路仿真平 台，对其中串级回路的稳定性进行分析，对串级回路p i d 参数进行优化整定研究以及 分析加入阀门非线性因素后系统响应性能变化情况，即寻找相应的解决方法。 课题研究中面临的问题及工作重点为： 4 第一章绪论 1 要找出多层回路的干扰现象，并说明原因，给出定性与定量的结果。 2 实际工况下，设备运行环境复杂，在分析过程中需抽取主要问题的本质，避开 次要因素的干扰。 3 构建高效灵活的机组仿真平台，较准确的模拟现场的实际运行环境，实现对现 场数据的有效处理，从而实现简便而有效的后续分析工作是本课题的难点。 4 串级回路各回路之间相互影响，比单回路要复杂得多。而电厂运行情况复杂， 如何给出一种安全实用的串级回路p i d 参数优化整定方法，从而得到满足期望性能指 标的p i d 参数是本课题最大的难点，同时也是本课题研究的目的所在。 全文共分为六章，内容安排如下： 第一章叙述了火电机组热工过程的特点、控制策略及存在的问题，说明了本论文 的研究背景，提出了需解决的关键问题，明确了研究的任务。 第二章讲述了西屋控制器w e s t i l l 曲o u s ep d 算法，介绍了过程变量和设定值的标 准化以及控制器的偏差死区和死区增益。 第三章根据宝钢电厂3 5 千瓦锅炉汽轮机控制回路结构图，对机组各回路进行分析 研究，在m a t l a b s i i n u l i l l l c 环境下搭建机组仿真平台，模拟现场的实际运行环境， 从而实现对现场数据的有效处理。 第四章针对机组回路，研究了单回路和串级回路常用的参数整定方法，建立优化 指标评估体系，在此基础上提出了单回路和串级回路p i d 控制器参数优化整定方法， 并分析比较了此优化设计方法和常用的p i d 参数整定方法的差异。 第五章根据所建机组仿真平台，同时考虑阀门的非线性因素，分析阀门的非线性 对机组产生的性能影响，采用本文提出的优化设计方法对宝钢电厂发电机组各回路 p i d 参数进行优化整定研究。 第六章为本文结论与展望。 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章w e s t i n 曲o u s ep i d 控制算法1 0 1 o v a t i o n 算法通过o v a t i o n 控制器提供，用于实现控制器的多种功能，p d 算法提 供比例积分微分控制器功能。该算法并行实施了p i d 算法，利用完整的跟踪信号进行 无扰切换。通过用户定义的限值来限制输出值，并在内部处理抗积分饱和。p i d 控制 器功能符号如图2 1 所示。 o u t 图2 1 控制器功能符号 d e v a p i d 控制器传递函数为： ( s ) = 印+ 击+ 备 q - ， 妫表示比例增益( p g a i n ) ，而表示积分时间( i n t g ) ，肠表示微分增益( d g 川 n ) ， 劢表示微分时间常数( d r a l 陋) 。 图2 1 中，p v 表示过程变量，s t p t 表示设置点。对于西屋控制器，需要对过程 变量输入和设置点进行标准化。 对于过程变量输入，必须使用g 凶将其标准化为o 至1 0 0 的百分比值。 p y 百分比= ( p v 木g ) + ( 2 2 ) g 。，：一塑一 ( 2 3 ) 2 瓦而 心j ， 6 2 2 p i d 将其 值范 围。 在新 当算 值( 2 3 表示 字段 则提 偏差 东南大学硕士学位论文 方程的实际偏差信号为2 宰o 5 = 1 。通常，对于d b n d 和e m 的这些示例值， 在应用于p i d 方程之前，会将介于5 和+ 5 之间的任意标准化偏差信号减少 5 0 。当算法在死区范围内操作时，禁用微分作用。 2 4 双死区 双死区组态利用两个死区限值，分别是内部死区限值( d 研旧) 和外部死区限值 ( o d b n d ) 。只要偏差信号的绝对值小于或等于内部死区，就应用死区增益。只有偏 差信号的绝对值大于外部死区时，才不应用死区增益。 将外部死区( o d b n d ) 字段初始化为大于内部死区限值( d b n d ) 的值，可配置 双死区模式。双死区模式可在存在噪声过程变量的时候使用。在过程变量信号中存在 噪声时，会引起偏差信号量值的波动。当使用单死区时，在连续的执行回路上，控制 器偏差信号会在死区范围( d b n d ) 内外波动。严重时会导致p i d 算法的性能降低。 图2 2 说明了这种情况的示例。 在该图中，在时间，l ，信号已进入内部死区范围，在时间屯，噪声导致信号退出 内部死区范围，在时间f ，信号再次进入内部死区范围，在时间扒f 5 和f 6 中，信号 离开内部死区范围时，可发现同样的问题。每次转换入和转换出死区时，算法都会执 行跟踪和保持操作。这可以避免由于比例项突变而导致输出突增。在单一死区模式中， 转换入和转换出死区范围会导致p i d 算法的性能降低。 信 图2 2 单死区 3 区 第二章w e s t i n 曲o u s ep l d 控制算法 为避免这一情况，可由用户定义第二个外部死区范围( o d b n d ) 。该范围必须比 内部死区范围( d b n d ) 大，如图2 3 所示。具体而言，应将外部死区( o d b n d ) 定 义为等于或大于信号的噪声与内部死区范围( d b n d ) 之和。例如，d b n d 字段等 于5 ，则死区范围介于5 和+ 5 之间。一旦控制器偏差信号达到该死区范围的+ 5 或- 5 ，在下一次扫描时，峰值为+ 3 或3 的信号噪声可能导致控制器偏差信号超 出内部死区范围，最高可达到+ 8 或8 。因此，应将外部死区( o d b n d ) 设置为 大于+ 8 以补偿噪声。在下图中，将o d b n d 设置为十- 1 0 。如果外部死区( o d b n d ) 范围小于定义的内部死区( d b n d ) 范围，则将外部死区范围设置为等于内部死区值。 2 5 抗积分饱和 图2 3 双死区 区 积分饱和的概念适用于正常控制模式和跟踪控制模式。允许控制算法中的积分作 用朝着可能使控制变量超出范围极限的方向发展是不可取的。当积分器越过极限位置 后，在返回时到达控制区域会占用一定的时间。此时可能发生控制结果滞后和过程混 乱。如p i d 控制将比例分量和积分分量求和。在某些情况下，控制器输出值可能已达 到其极限值( 如l o o ) ，而其中一个分量仍在增大。虽然不可能使输出超过1 0 0 ， 但是分量值也需要时间才能返回正确的范围。在此期间如果需要降低输出，不真实的 高分量值会引起延迟。见图2 - 4 。 9 东南大学硕士学位论文 1 j j lf f l 1 f l f f 2 一f 一 - | l - - - - - - _ 。_ 上一一一一一一一，1 i l 1 f 05 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 t ( s ) 图2 4 积分饱和现象 图2 - 4 中，曲线1 表示控制器的输入，周期为1 0 0 ，幅值为1 5 ，曲线2 表示积分 器的输出。由图可知，当控制器输入降低时，积分器的输出并没有立即减小，分量值 需要时间才能返回正确的范围。 为保持控制器的输出在正确范围内，可以计算积分器的输出，使输出到下行算法 的指令限制在规定范围内，直到使控制变量进入控制范围时间内。该方法称为抗积分 饱和限制。图2 5 表示采取抗积分饱和限制后积分器的输出。 - 1 f f ? j l t 2 一 ! j l 一一一一一j 一一一一一 i l 1 1 i l _ - _ 。_ - - - 。 z f l 一f1 一一一一 l 一 l _ _ 1 0 5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 图2 5 抗积分饱和 l o 5 1 5 0 5 1 5 t n n 5 1 5 0 5 1 5 ， 0 旬 4 第二章w e s t i n 曲o u s cp i d 控制算法 在图2 - 5 中，曲线1 表示所加的控制器输入，周期为1 0 0 s ，幅值为1 5 ；曲线2 表示采取抗积分饱和限制后控制器积分器的输出。由图可知，当控制器输入减小时， 积分器的输出立即减小，没有产生延迟。 2 6 本章小结 本章简单介绍了西屋控制器w r e s t i n g h o u s ep i d 算法，介绍了过程变量和设定值的 标准化以及控制器的偏差死区和死区增益。 东南大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章仿真平台的设计与开发 现代化的火力发电厂，为了保证高效、安全、经济的连续生产，它们的工艺流程 和设备连接关系十分复杂。除了主设备锅炉、汽轮机和发电机外，还有大量的辅助设 备，要对这些复杂的系统进行深入的分析和研究，才能对它们进行正确的建模和仿真。 给 高压缸调节阀 图3 1 单元机组被控对象示意图( 汽包锅炉) 火电厂中的热力设备以锅炉和汽轮机为主体，典型的单元机组生产流程如图3 1 所示。燃料由热流量调节机构经喷燃气送入炉膛，助燃的空气由送风机压入空气预热 器，预热后经调风门按一定比例送入炉膛与燃料混合燃烧。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蒸汽。由于汽水混合物的密度低于下降管中水的 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汽空间。燃烧产生的高温烟气则沿烟道一次流过过热器、 再热器、省煤器和空气预热器等受热面并被降温，最后由引风机引出，经烟囱排入大 气。 从汽包顶部出来的饱和水蒸汽流经过热器，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。为了提高机组效率，把从汽轮机高压缸排出的水蒸汽再送回锅 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由凝结水泵打入 高压加热器，再经过省煤器回收一部分烟气中的余热后进入汽包。如此完成了一次汽 1 2 第三章仿真平台的设计与开发 水循环。高压和低压加热器的作用是利用汽轮机的中间抽汽来加热给水和冷凝水，以 提高单元机组的热效率。 3 2m a t l a b s i m u i i n k 仿真工具 m a t l a b 是m a t h w b r k 公司于1 9 8 4 年推出的用于基于矩阵运算的强大数值计算 软件，自推出之后，该公司不断接受和吸取各学科领域权威人士为之编写的函数和程 序，并将他们转换为m a t l a b 工具箱，使m a t l a b 界面越来越友好，功能越来越强 大【2 9 1 。 尤其值得一提的是在设计一个系统时，很重要的一个步骤就是检验这个系统在实 际工作中是否能达到预期的目标，在很多情况下，实际进行这样的检验是不可行的， 需要花费大量的时间和资金，因此如果可以应用计算机来进行仿真，利用计算机强大 的计算功能模拟出实际系统的运行情况就可以节约大量的时间和资金，m a t l a b 就为 我们提供了这样一个仿真环境图形化的系统建模和仿真工具。 s i m u l i n k 是一个进行动态系统建模、仿真和综合分析的集成软件包。m a t l a b 提供的系统模型图形输入与仿真工具有两个显著的功能：s i m u ( 仿真) 和l i n k ( 连 接) ，即可以利用鼠标在模型窗口上“画出所需的控制系统模型，然后利用 s i m u l i n k 提供的功能来对系统进行仿真，使得复杂系统的输入变得简单和直观。从 分析和研究的角度讲，这种s i m u l i n k 模型不仅能让用户知道具体环节的动态细节， 而且能让用户清晰地了解各器件、各子系统、各系统之间的信息交换，掌握各部分间 的交互影响。 从宏观角度看，s i m u l 玳k 模型通常包含三种“组件 ：信源( s o u r c e ) 、系统 ( s y s t e m ) 以及信宿( s i i l l 【) 。系统是指被研究系统的s i m u l i n k 方框图；信源就是 常数或阶梯波等信号源；信宿可以是示波器，图形记录仪等。信源、系统、信宿既可 以从s i m u l i n k 模块库中直接获取，也可以根据需要生成自定义模块【3 0 1 。 在s i m u l i n k 中，可以很方便地改变需要调试的参数，利用示波器或图形记录仪 等实时观察系统行为的变化，以便及时解决出现的问题。 3 3 宝钢电厂撑l 机组汽轮机控制仿真 3 3 1 并网后汽轮机高低压缸进汽模型 蒸汽轮机是以蒸汽为工质的旋转式原动机，为保证汽轮机安全经济的运行和适应 外界负荷的变化，配有控制保护装置及有关的辅助设备，总称为汽轮机设各。它与锅 炉共同组成蒸汽动力装置。 一般来讲，大型汽轮机设计为同轴、多缸结构，即锅炉送来的高压高温蒸汽在高 东南大学硕士学位论文 压缸的多级喷嘴和动叶叶栅做功，压力降低后，蒸汽再返回锅炉的再热器加热到与过 热蒸汽相同的温度，再热蒸汽返回到汽轮机的中压缸，中压缸汽轮机也是多级结构p 。 汽轮机每隔几级就有一定数量的蒸汽抽出，送到回热加热系统去加热给水。汽轮 机本体的热力系统作为一个仿真对象，包括高、中、低压缸和进汽调节门。在本文中， 所有数学模型描述的都是5 0 1 0 5 的正常汽轮发电机工况模型，不适用于事故工况 与启动工况。 在对宝钢电厂撑1 机组控制仿真时，汽轮机进汽阀的时间常数与滞环可以忽略不 计，汽轮机内部可以认为处于超音速状态，所以高压缸进汽量为： 或= 羔 ( 3 1 ) 其中，风的单位是吨每小时，凡是主蒸汽门前蒸汽压力，单位是m p a ，对宝钢 机组，凡为常值( 控制系统设定值) ，l 为阀门开度百分比，全开为l o o 或者1 。阀 门特性假定是线性，s 为拉普拉斯算子，差分后传递函数为： 堡：盟 址 五s + 1 中低压缸模型为： 丝： ( 3 2 ) ( 3 3 ) 三 ( 2 ：j + 1 ) ( ? ；s + 1 ) 跳表示中低压缸进汽量，单位是吨每小时。本章中出现的符号、参数及函数关 系均由宝钢电厂提供。 3 3 2 加热器水位控制 在大型火电厂热力系统中，给水加热器是重要的辅助设备之一，它对机组的经济 性和安全性起着重要的作用。例如，大容量机组的高压加热器不能投入运行，会使机 组煤耗增大，机组出力降低。若高压加热器发生事故，还会引起锅炉水冷壁超温或汽 轮机进水，严重威胁着