（电力电子与电力传动专业论文）大型火电机组2x2+mimo典型回路的整定与优化方案研究.pdf

删f i f i l f f f f f f f f f f i 卅 删8 y 17 614 16 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 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 超重查 导师签名 研究生签名 1 奎壑 尘 导师签名 摘要 摘要 作为大型火电机组的2 x 2m i m o 典型回路 协调控制系统和一次风控制系统的控制 器设计工作具有较大的难度 同时 它们在单元机组的控制中有着非常重要的作用 本 文对上海宝钢电厂协调控制系统的锅炉跟随控制方式和一次风控制系统的多变量p i d 控 制器进行了相关的设计 论文首先对单元机组典型的2 x 2m i m o 控制系统的被控对象数学模型及其控制方 式作了简单的介绍 其次 对基于对角优势特性的多变量p i d 控制器设计方法进行相关论述 在此论述 中 针对对角优势的实现问题 本文给出了两种常数补偿器的优化算法 在详细分析基 于d n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法的基础上 提出了基于i n a 设计方法的 多变量p i d 控制器设计方法 并给出了详细的数学推导过程 借助仿真实验 对上述多 变量p i d 控制器设计方法进行了一系列的对比验证 同时 给出了相关的分析和结论 然后 对基于特征轨迹临界点的多变量p i d 控制器设计方法进行相关论述 在详细 分析该设计方法的基础上 给出了使用该设计方法的些许建议 并进行了对比仿真实验 同时 给出了相关的分析和结论 最后 在上述多变量p i d 控制器设计方法的简要可行性论证的基础上 对上海宝钢 电厂的协调控制系统和一次风控制系统的p i d 控制器进行了相关的设计 对设计结果进 行了一系列的仿真实验 并给出了相关的分析 关键词 常数补偿器 对角优势 极限点 特征轨迹 协调控制 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t 舡咖i c a l2 x 2m i m ol o o po fl 鹕em e 肌a 1p o w 钉g e n e r a t o rn 咖o r k s i ti sd i f f i c u ht 0 d e s i g nc o n 仃o l l e r so f t u r b i n e b o i l e rc o o r d i n a t i e dc o n t r o ls y s t e ma n dp r i m a d ra i rc o n t r o ls y s t e m a tt l l es 锄et i m e i tp l a y sa ni m p o r t a n tp a r ti 1 1m ec o n 昀lo fl a 玛et 1 1 e 珊a jp o w e rg e n e r a t o r n e 觚o r k s 1 1 1 em u l t i v a r i a b l ep i dc o n 仃o l l e ro fc 0 0 r d i n a t e dc o i l t r o ls y s t e ma n d 州m a d ra i r c o n t r o ls y s t e mo fb a o s t e e lp o w e r p l a n ti sd e s i g n e di nt h j sp a p e r f i r s t l y m em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc o n t r o l l e do b j e c t so ft r p i c a l2 2m i m oc o n 仃o l s y s t e ma n dm e i rc o n t r o lm o d ei si n t r o d u c e db f i e n y s e c o n d l y 血ed i s c u s s i o no fm ed e s i 弘m e t h o do ft l l em u l t i v 撕a b l ep i dc o n t 0 l l e rb a s e d o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i a g o n a jd o m i n a n c ei sl a u n c h e di nt h i sp 印e r f o rt h ea c l l i e v e m e n to f d i a g o n a ld o m i i 姗c e t o wi i l l p r 0 v e da l g o r i m m so fc o n s t a i l tc o m p e i l s a t o ri sp r o p o s e dh e r e t h e d e s i g nm e t h o db a l s e do nt l l ei n ad e s i g nm e m o d i sp r o p o s e db a s e do nt l l ed e t a i l e da 1 1 a l y s i so f t h ed e s i g nm e t h o db a s e do nt h ed n ad e s i g nm e t l l o d 锄dt h em a m e m a t i c sc e r t i f i c a t i o nw 嬲 d e d u c e di 1 1d e t a i l as 耐e so fc o n n 粥t i v es i i i l u l a t i o ne x p e r i m e n t sa 1 1 dt 1 1 er e l e v a n ta 1 1 2 l l y s i sa i l d c o n c l u s i o na r ep r e s e n t e di i lm ee n d 1 1 l i r d l y n l ed i s c u s s i o no fm ed e s i g nm e m o d o ft 1 1 em u l t i v a r i a b l ep i dc o n 旬r o l l e rb a s e do n t l l ec r i t i c a jp o i n to ft h ec h a r a c t e r i s t i cl o c u si sl a u n c h e di nt h i sp 印e r s o m ea d v i c eo nu s i n g l e m e m o d i s 百v e nb a s e do nt h ed e t a i l e d 锄a l y s i s as e r i e so fc o n 衄a s t i v es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s a i l dt l l er e l e v a n ta i l 2 l l y s i sa n dc o n c l u s i o na r ep r e s e n t e di nm ee n d i nt l l ee n d t l l en m l t i v a r i a b l ep i dc o n t r o l l e ro fc o o r d i m 瞳ec o n t r 0 1s y s t e ma i l dp r i m a d ra j r c o n 仃o ls y s t e mo fb a o s t e e lp o w e rp l a mi sd e s i g n e db a s e d0 nm e ff e a l s i b i l i t rs t l j d yo ft h e d e s i 驴m e m o do fn l em u l t i v a r i a b l ep i dc o n 仃o l l e r sd e s c 曲e da b o v e t h ed e s i 印r e s u l ti s p r e s e m e d 洫t 1 1 ee n do f sp a p e r a i l das e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa i l dm er e l e v a n t a n a l y s i sa r ep r e s e m e d k e yw o r d s c o n s t a n tc o n 职i l s a t o r d i a g o n a ld o n l i i l a i l c e u l t i m a t ep o i 她c h a r a c t e r i s t i ci o c u s c o o r d i n a t e dc o n t l o l u 目录 目录 摘要 i a b s t r a c t i i e 录 i i i 第 章绪幸色 1 1 1 课题研究背景和意义 1 1 2 多变量控制系统概述 1 1 2 1 多变量控制系统的特点 5 l 1 2 2 多变量控制系统的频域设计方法 2 1 2 2 1 奈奎斯特阵列设计方法 2 1 2 2 2 特征轨迹设计方法 3 1 2 3 多变量p i d 控制器设计方法概述 3 1 2 4 火电机组典型的2 x 2m i m o 控制回路的控制器设计方法概述 4 1 3 本文的主要工作 5 第二章火电机组典型的2 x 2m i m o 控制系统 一 6 2 1 概述 6 2 2 单元机组的一次风的温度与流量控制系统 6 2 2 1 一次风的温度与流量控制系统的对象模型 6 2 2 2 一次风的温度与流量控制系统的控制方案 8 2 3 单元机组的协调控制系统 9 2 3 1 协调控制系统的对象模型 9 2 3 2 协调控制系统的控制方式 1 2 2 4 j 结 14 第三章基于对角优势特性的多变量p 控制器设计方法及应用 1 5 3 1 概j 2 罡 1 5 3 2 常数预补偿器设计 15 3 2 1 计算原理 1 6 3 2 2 算法实现与计算实例 2 0 3 2 3 算法比较 2 3 3 3 基于对角优势特性的多变量p i d 控制器设计方法 2 4 3 3 1 概述 2 4 3 3 2 基于d n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计 2 4 3 3 2 1 相应极限点的定义 2 4 3 3 2 2 极限增益与极限频率的计算 2 5 3 3 2 3 设计步骤及方法分析 2 7 3 3 3 基于i n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计 2 7 3 3 3 1 相应极限点的定义及极限增益与极限频率的计算 2 7 3 3 3 2 设计原理 2 9 3 3 3 3 相关的推导过程 3 0 3 3 3 4 设计步骤及方法分析 3 4 3 4 实例验证仿真 3 6 3 4 1 常数补偿器设计 3 6 3 4 2 基于i n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法的控制性能规律 4 0 3 4 3 验证仿真 4 4 3 5 小结 4 7 第四章基于特征轨迹临界点的多变量p m 控制器设计方法及应用 4 8 4 1 概述 4 8 i n 东南大学硕士学位论文 4 2 临界稳定点的求取 4 8 4 3 基于特征轨迹临界点的多变量p i d 控制器设计方法 5 l 4 3 1 设计原理 5 l 4 3 2 推导过程 5 2 4 3 3 设计步骤 5 5 4 4 实例验证仿真 5 5 4 5d 结 5 8 第五章火电机组典型的2 x 2m i m o 控制系统的优化整定 5 9 5 1 单元机组的一次风的温度与流量控制系统的优化整定 5 9 5 1 1 概述 5 9 5 1 2 数学模型的辨识 5 9 5 1 3 仿真平台的建立 6 2 5 1 4 一次风的温度与流量控制系统的仿真实验及其结果分析 6 3 5 2 火电机组协调控制系统的优化整定 6 8 5 2 1 概j 苤 一6 8 5 2 2 仿真平台的建立 6 8 5 2 3 协调控制系统的设计 7 0 5 2 4 协调控制系统的仿真实验及其结果分析 7 1 5 3 j 结 7 5 第六章结论与展望 7 7 6 1 结论 7 7 6 2 展望 7 8 致谢 参考文献 附录 硕士期间发表的论文 8 0 8 1 8 4 8 8 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 随着能源危机和环境问题的进一步恶化 如何提高火电控制系统的控制质量 从而 提高火电厂发电效率的问题得到了人们越来越多的关注 火电厂典型的2 x 2m m o 控制 回路包括一次风的温度与流量控制系统和协调控制系统 特别是后者 是发电机组的顶 级核心回路 同时作为锅炉一汽轮机系统的控制中枢 协调控制系统已经成为现代电站 自动化系统中最为核心的组成单元 因此 在对发电机组的控制方面 协调控制系统的 重要性可见一斑 如何提高协调控制系统的控制质量也就成了提高火电厂发电效率的关 键所在 p i d 控制作为经典的控制策略之一 产生并发展于1 9 1 5 年一1 9 4 0 年期间 1 1 其算法 简单 易于工程实现 并具有良好的鲁棒性和简易的操作性 在电力 化工 石油 冶 金和机械等工业过程中得到了广泛地应用 对于单变量控制对象而言 其p i d 控制器的 参数整定方法已趋于完善 然而 对于多变量控制对象而言 回路之间的耦合作用使得 多变量p i d 控制器设计较为困难 基于极限点概念的多变量p i d 整定方法是此领域的一 个研究热点 2 3 4 基于上述原因 本文以火电厂典型的2 x 2m i m o 控制回路 一次风的温度与流量控 制系统和锅炉跟随协调控制系统 作为研究对象 同时 为考虑实用性 对控制回路本 身不作任何变动 对单元机组的协调控制系统和一次风的温度与流量控制系统进行优化 整定 通过对本课题的研究 可以对火力发电机组的高级回路的诊断与优化提供指导 从而提高机组的稳定性与运行效率满足电厂a g c 调度的需求 1 2 多变量控制系统概述 1 2 1 多变量控制系统的特点 5 1 多变量控制系统的一个特点就是不能由外部描述完全确定系统内部的运动和结构性 质 在系统内部 有些变量可能不受外部输入的影响 但在一定的初始条件下 这些量 的运动变化是存在的 在系统的内部 可能有些变量没有反映到输出量中 更可能有些 东南大学硕士学位论文 变量既不受输入量影响也不被反映到输出量中 因此 寻找一种恰当的 反映系统运动 和平衡时各变量之间关系的数学描述方法 从而揭示出系统的内部结构性质 是关系到 线性系统理论发展和完善的至关重要的事情 现在常用的描述方法有状态方程 微分算 子多项式矩阵 传递函数矩阵和矩阵分式四种 它们各有自己的优点和缺点 是互相补 充的 多变量控制系统的另一个特点就是其内部互联性 内部互联性是多变量控制系统所 特有的问题 是多变量控制系统最重要的特征 它反映了多变量系统的本质 一个多输 入多输出控制系统 按是否存在内部互联而把它区分为多变量控制系统和单变量控制系 统 由于系统各回路间存在关联 不仅稳定性 稳态特性和瞬态特性比单变量系统复杂 得多 而且还出现了系统故障情况下的稳定性 即多变量控制系统的整体性问题 由此 可见 内部互联性是多变量系统最重要的特点 1 2 2 多变量控制系统的频域设计方法 如前所述 内部互联性是多变量控制系统最重要的特征 也是设计多变量控制系统 的困难所在 因此 能否处理好系统的关联是多变量控制系统设计成败的关键 这也是 各种多变量控制系统的频域设计方法所必须考虑的问题 至今 已存在多种多变量控制 系统的频域设计方法 比如奈奎斯特阵列设计方法 并矢展开设计方法 特征轨迹设计 方法 序列回差设计方法等 下面简单介绍一下奈奎斯特阵列设计方法和特征轨迹设计 方法 1 2 2 1 奈奎斯特阵列设计方法 罗森布洛克 h h r d s e n b r o c k 在1 9 6 9 年提出的奈奎斯特阵列设计法1 6 正n y q u i s t 阵列 d n a 设计方法和逆n y q u i s t 阵列 i n a 设计方法 是多变量系统的频域理论 中提出最早 应用广泛的一种方法 它是基于近似对角矩阵的设想 利用对角优势的概 念发展起来的一种分析和设计方法 7 1 其基本思想是 通过预补偿器来减弱各回路间的 相互关联 使得系统的开环传递函数矩阵或前向传递函数矩阵成为对角优势阵 从而将 系统的设计简化为一组单变量系统的补偿设计问题 这种设计方法不要求精确的控制对 象数学模型 而且保留和继承了古典图形法的直观 物理概念清晰 容易判别设计方向 的优点 同时 整个设计过程便于实现计算机辅助设计 并可以充分发挥主观能动性 2 第一章绪论 设计出的既满足控制品质要求 又易于工程实现的控制器 奈奎斯特阵列设计法所具有的这些优点使得它在多变量控制系统设计领域占有举足 轻重的地位 自诞生以来 一直是多变量控制系统领域学者们研究的热点 文献 8 和 9 是对逆n y q u i s t 阵列设计方法的扩展 其中文献 8 提出了一种鲁棒逆n y q u i s t 设计方法 逆n y q u i s t 阵列设计方法在多变量控制系统设计中得到了广泛地应用 1o l l 1 2 另外 以 正n y q u i s t 阵列设计方法为基础的多变量p i d 控制器设计方法 2 3 1 3 1 也在多变量控制系统 领域得到了广泛的应用 这里需要指出奈奎斯特阵列设计方法是遵循对角优势系统的奈奎斯特稳定性判据而 进行设计的 对角优势系统的奈奎斯特稳定性判据见附录a 奈奎斯特阵列设计方法的 详细设计步骤及其相关的概念 定理 比如对角优势阵 g e r s h g o 赢带 o s 仃0 w s k 带等 可参见文献 6 7 1 4 1 2 2 2 特征轨迹设计方法 多变量控制系统的特征轨迹设计方法是英国学者麦克法兰 a g j m a c f a l l a i l e 于 1 9 7 0 年首次提出的 这种方法的基本理论依据是有理函数矩阵的特征值分解 其基本思 想来源于m a c f a r l a n e 早期提出的 交互控制器 设计方法 但它克服了后者在设计过程 中过分依赖于设计者的经验和技巧 试凑盲目 并且适用范围具有较大的局限性的缺陷 1 5 1 至今它已成为多变量控制系统频域设计方法中的一个重要内容 并在许多实际工程 系统中得到了相当成功的应用 1 6 因而得到了许多学者的关注 17 1 1 8 1 9 特征轨迹设计方法是在经过严格的数学论证 确定了特征轨迹与系统稳定性之间关 系的基础上提出了设计控制器的传递函数矩阵的一种方法 1 5 1 众所周知 在单变量频率 域控制理论中 系统的稳定性与传递函数的某种轨迹 奈奎斯特轨迹 之间有确定的关 系 因此 可以把特征轨迹理论看作是单变量系统频域理论在多变量情形下的自然推广 这里需要指出 特征轨迹设计方法的设计过程是在特征轨迹的奈奎斯特稳定判据的指导 下进行的 特征轨迹的奈奎斯特稳定判据见附录b 对于特征轨迹设计方法的详细设计 步骤及其相关的概念可参见文献 6 7 1 4 1 2 3 多变量p i d 控制器设计方法概述 如前所述 多变量控制系统的内部互联性是多变量控制系统的最重要的特征 它反 东南大学硕士学位论文 映了多变量控制系统的本质 同时 它使得多变量p d 控制器的设计比单变量p i d 控制 器的设计复杂得多 作为多变量控制系统设计的一个重要方面 多变量p i d 控制器的设计一直是多变量 控制系统设计领域的研究热点 目前 已有大量的相关文献 就自己检索到的相关文献 而言 多变量的p i d 控制器的设计方法大致可以分为两类 第一类是基于解耦控制的设 计方法 第二类是不需要解耦的直接设计方法 文献 2 3 2 0 2 l 中所提出的设 计方法都属于第一类方法 其中文献 2 提出了一种基于d n a 设计方法中g e r s h g o 血带 的设计方法 文献 3 对这种设计方法进行了一定的改进 由于这种设计方法是使用经验 公式求解p d 控制参数的 因此 这种设计方法具有一定的狭隘性 1 9 8 6 年w i l l i 锄l l u y b e n 基于单变量控制系统的传统p d 控制器的整定思想 提出了b l t b i g g e s tl o g m o d u l u st u m n g 法 这是第二类方法的典型代表 此方法为后续的多变量p i d 控制器 设计方法的研究提供了一个起点 文献 4 所提出的设定方法也属于第二类方法 它将单 变量控制系统的极限点整定思路运用到多变量控制系统的p i d 控制器的设计中 从而提 出了一种有效的多变量p i d 控制器设计方法 这种设计方法涉及到一个预期临界点 d c p 的概念 对于如何选择预期临界点的问题 在许多文献中有相关的论述 冽 2 3 1 1 2 4 火电机组典型的2 x 2m i m o 控制回路的控制器设计方法概述 作为大型火电机组2 x 2m i m o 典型回路 协调控制系统和一次风的温度和流量控制 系统的控制对象具有惯性大 耦合强等特点 尤其是协调控制系统作为现代电站自动化 系统中最为核心的组成单元 在发电机组的控制中有着至关重要的作用 因此 协调控 制系统的设计问题 尤其是协调控制系统控制器的设计问题 得到了广大学者的关注 针对协调控制系统 文献 2 4 利用主导增益法设计了一种鲁棒控制器 并提出了一种变 参数的控制方案 文献 2 5 设计了一种高鲁棒性的p i 控制器 文献 2 6 提出了一种基于 n y q u s i t 稳定性判据和对角优势分析的设计方法 文献 2 7 提出了一种基于正交试验法的 工程整定方法 文献 2 8 提出了一种协调控制系统参数的鲁棒整定方法 基于各种高效 寻优算法的整定方法1 2 9 3 0 3 l 3 2 3 3 口4 在电厂控制系统的控制参数整定中也获得了广泛地 应用 另外 在目前检索文献中 也存在着各种针对协调控制系统的自整定方法 3 5 1 3 6 3 7 1 对于一次风控制系统的研究 前人已做了一些工作 文献 3 8 通过对变频协调控制 技术在电厂锅炉一次风高压变频系统改造中的应用研究 为高压变频调速技术在一次风 系统中的成功应用提供了一种新的思路和方法 针对一次风控制系统 文献 3 9 提出了 4 第一章绪论 一种工程实用的整定方法 但以多变量控制系统作为一次风控制策略的研究工作并不多 1 3 本文的主要工作 上述各个文献中所提出的多变量p i d 控制器设计方法都具有一定的适用范围 本文 的工作是基于设计单元机组典型的2 x 2m i m o 控制回路的p i d 控制器的目的而展开的 试着构建一套全面的多变量p i d 控制器设计方法 期望从中获得阶段性的研究成果 归 纳起来 本文的工作主要体现在如下几个方面 1 对于对角优势的实现问题 本文在详细分析文献 4 0 所给算法基础上 给出了两 种常数补偿器的优化算法 2 在对基于d n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法进行详细分析的基础上 提出了基于i n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法 并给出了详细的数学推导过程 3 为了研究基于n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法中的计算参数与控制 性能之间的规律 本文以两个典型对象模型作为研究对象 进行了一系列仿真实验研究 并给出了相关的结论 4 以两个典型对象模型作为研究对象 结合仿真实验 对基于e i n a 设计方法和基 于i n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法进行了比较 在分析两种设计方法的优缺 点的基础上以及仿真结果的验证下 本文给出了合理的结论 5 以两个典型对象模型作为研究对象 对基于对角优势特性和基于特征轨迹临界 点的多变量p i d 控制器设计方法进行了对比仿真实验 同样 在分析两类设计方法优缺 点的基础上以及仿真结果的验证下 本文给出了合理的结论 6 在上述三种多变量p i d 控制器设计方法的简要可行性论证的基础上 对上海宝 钢电厂的单元机组协调控制系统 锅炉跟随控制方式 和宝钢电厂一次风的温度与流量 控制系统进行设计 本文给出了多变量p i d 控制器的设计结果 对设计结果进行了一系 列的仿真实验 并给出了相关的分析 另外 在对一次风的温度与流量控制系统的设计 过程中 探讨了针对不同工况下的控制系统 采用不同控制参数进行控制的控制方案的 合理性 东南大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章火电机组典型的2 x 2m i m o 控制系统 火电厂典型的2 2m i m o 控制回路包括一次风的温度与流量控制系统和协调控制系 统 一次风的控制回路是属于制粉系统中的一个控制回路 它被用于保证煤粉进入锅炉 时具有一定的温度 从而提高能量利用率 同时 为锅炉的燃料输送系统提供动力来源 单元机组协调控制系统是单元机组最高层的控制回路 所谓 协调 就是协调机组内 外能量平衡 以及压力控制与功率控制的矛盾 以期得到满意的控制过程 也就是说 单元机组协调控制系统解决了锅炉 汽轮机之间有关调节变量的协调控制问题 本章首先简要介绍了上海宝钢电厂1 号机组的一次风的温度与流量控制系统的对象 模型 同时 介绍了该控制系统的两种控制方案 然后 在简要介绍上海宝钢电厂1 号 机组协调控制系统的对象模型的基础上 重点介绍了协调控制系统的锅炉跟随控制方式 的原理 2 2 单元机组的一次风的温度与流量控制系统 2 2 1 一次风的温度与流量控制系统的对象模型 如前所述 一次风的控制回路是属于制粉系统中的一个控制回路 它有二种控制方 案 一种硬解偶方案 一种是软解耦方案 在软解耦控制方案下 一次风的温度与流量 控制系统是2 x 2 的控制回路 本文是在该系统的软解耦控制方案下 对该系统进行设计 的 软解耦控制方案的相关内容见2 2 2 节 这里需要指出 该模型源于宝钢电厂1 号机 组的一次风的温度与流量控制系统的简化模型 此控制系统的对象模型具体描述如下 1 冷热风档板具有非线性特性 可以使用滞环和爬坡特性的组合描述这种非线性 特性 档板动作到流量的变化可认为是时间常数较小的一阶惯性环节 2 被控对象 风温度和风流量 对应的数学模型及其它们之间的耦合作用 具体 描述如下 1 磨煤机入口的一次风温度为 五2 她 6 锅炉入炉总燃料量的百 开度到冷热风流量的转 则可以有简单近似公式 其中m 为入炉煤外水分 一般为2 8 2 j b 岛 6 2 为特定常数 磨出口一次风温度在达到终值之前 需要一个温升与温降的动态过程 这个动态过 程可以使用动态惯性环节来近似 如下式所示 堡 乙 1 c o 畋 s 2 其中畋 为该磨的负荷百分比 为特定常数 3 反馈的流量信号实际是差压信号 需要使用转换公式将差压信号转换为流量 这 个转换公式受到多方影响 主要的是一次风温度 此转换公式为 f 坐盟 瓦 亿 在仿真模型中略去了差压信号 所以可以简化为 f 亟 瓦 互g 其中瓦为绝对零度的热力学温度值 成为特定常数 在此需要指出 这里的单位是t l l 如果转换为秒 该常数当然要变化 对于一次风流量控制回路而言 在将差压信号转换为流量后 还需要一个动态环节 这个动态环节可以使用惯性环节来近似 7 东南大学硕士学位论文 此外 根据煤的挥发份 磨出口温度设定值一般为6 5 到8 5 高了煤粉易爆炸 低了燃烧不良 由运行人员根据煤的成份分析来定 这里 可先设定为7 5 而一次风 流量的设定值需要根据磨煤机煤量指令来确定的 即按照1 k g 煤对应1 8 k g 空气量的关 系来确定 2 2 2 一次风的温度与流量控制系统的控制方案 如前所述 一次风的控制回路是属于制粉系统中的一个控制回路 它有二种控制方 案 一种硬解偶方案 一种是软解耦方案 硬解耦方案就是控制回路通过同时控制冷热 风档板来控制磨出口风温 通过一次风入口档板来控制一次风流量 如果省去了一次风机入口的流量调节档板 通过冷热风档板同时调节一次风的温度 和流量 就是软解偶方案 在软解耦控制方案下 一次风的温度与流量控制系统是2 x 2 的控制回路 其系统原理图如图2 1 所示 其控制逻辑具体描述如下 图2 1 一次风控制系统的软解耦方案的原理图 1 当磨出口的一次风温度高于其设定值时 控制系统会关小热风挡板开度 同时 开大冷风挡板开度 此时 尽量保持一次风流量不变 但如果一次风流量变小 那么控 制系统会同时开大冷热风挡板开度 否则同时关小冷热风开度 当磨出口的一次风温度 低于其设定值时 控制系统会开大热风挡板开度 同时 关小冷风挡板开度 此时 尽 量保持一次风流量不变 但如果一次风流量变小 那么控制系统会同时开大冷热风挡板 开度 否则同时关小冷热风开度 8 第二章火电机组典型的2 2m i m o 控制系统 2 当一次风流量高于其设定值时 控制系统会同时关小冷热风挡板开度 此时 尽量保持磨出口的一次风温度不变 但如果磨出口的一次风温度降低 那么控制系统会 开大热风挡板开度 同时 关小冷风挡板开度 否则 关小热风挡板开度 同时 开大 冷风挡板开度 当一次风流量低于其设定值时 控制系统会同时开大冷热风挡板开度 此时 尽量保持磨出口的一次风温度不变 但如果磨出口的一次风温度降低 那么控制 系统会开大热风挡板开度 同时 关小冷风挡板开度 否则 关小热风挡板开度 同时 开大冷风挡板开度 2 3 单元机组的协调控制系统 2 3 1 协调控制系统的对象模型 单元机组协调控制系统经解偶与简化后 可以认为是一个双输入双输出 t i t o 的 控制系统 众所周知 火电机组协调控制系统是将单元机组的锅炉和汽轮机作为一个整 体进行控制的系统 下面简单阐述一下锅炉和汽轮机的控制特性 4 l j 从自动控制的角度看 组成单元机组的锅炉和汽轮机控制对象具有如下两个重要的 特点 第一 单元机组是一个典型的双输入 双输出 相互耦合的复杂被控对象 其原 理方框图如图2 2 所示 其中汽轮机调节阀开度 燃烧率为输入量 机组功率 主蒸汽 压力为输出量 输入量与输出量之间存在一种完全耦合的关系 它们之间的关系可用如 下的传递函数矩阵表示 网佼葛黝黜 吒 s 儿 j j 第二 负荷变化过程中 锅炉具有延迟和较大的惯性 而汽轮发电机的惯性较小 即从燃烧率改变到汽压变化有较大的滞后和时间常数 而汽压变化到机组功率的变化速 度较快 为了提高单元机组的负荷响应速度 在负荷变化的初始时间内 都充分利用锅 炉的蓄热能力及时释放或存储热量 达到临时多产或少产蒸汽量 以及时满足外界负荷 的需求 相对而言随着单元机组容量的增大 锅炉的蓄热量变小 单元机组的负荷适应 速度与保持主汽压力不变的矛盾越来越突出 9 东南大学硕士学位论文 图2 2 单元机组被控对象原理图 本文以上海宝钢电厂的1 号机组 3 5 0 m w 协调控制系统为研究对象 其对应的数 学模型简单描述如下 此外 一般而言 协调控制系统包含单元主控制器和机 炉各个 子系统 对于单元主控制器而言 机 炉各个子系统可看作是伺服系统 3 2 1 机 炉各个 子系统由同组的另一位同学进行设计 因此 在此 不对机 炉各个子系统所对应的数 学模型进行阐述 而只对机组的锅炉主控系统 汽机主控系统的相关数学模型进行简要 介绍 1 锅炉主控系统 锅炉主控系统实际是协调控制系统的一部份 是高层指令 其仿真模型原理图如图 2 3 所示 图2 3 锅炉主控系统的仿真模型 l o 第二章火电机组典型的2 x 2m i m o 控制系统 1 锅炉主控系统的目标之一是控制主蒸汽压力 另一任务是控制负荷 上图中的 p i d 控制器起到修正锅炉主控指令的作用 其输出应作相应的调整 该锅炉是定压运行 的锅炉 2 t 模块是切换模块 如果切向左侧 则回路接受协调控制指令 如果切向右侧 则由主蒸汽流量替代负荷指令 3 第一个加法器出来即为锅炉主控燃料指令 由于要确保燃料烧时有足够的空气 因此 引入风优先回路 一般锅炉的风量不低于燃料理论燃烧量的1 2 0 显然风量与 燃料量不能直接比较 需要将风量折成对应的许可燃料量 加法器的系数也要根据煤与 空气各自的量程来确定 4 实际上 燃料有煤 轻油 重油 c o g b f g 等 为了简化系统 本模型只涉 及二种 即煤与b f g b f g 控制回路为独立回路 不接受控制回路上级指令 而是由运 行人员根据能源部指令进行设定值调节 煤是主调量 所以 给煤指令是c f m b m b f g 当然 这个加法器存在单位转换的问题 5 在此 不对给煤回路与b f g 回路进行介绍 以 与石 是对燃料喷入炉膛后的动 态响应传递函数 两者分别可用二阶惯性环节和一阶惯性环节进行仿真 6 丘由三种关系而构成 即锅炉热流率之差与汽包压力的关系 汽轮机主汽门前主 蒸汽压力与汽包压力的关系和主蒸汽流量 与汽包压力和汽轮机主汽门前主蒸汽压力之 间的关系 2 汽机主控系统 汽轮机主控系统的简化控制回路与对象仿真图如图2 4 所示 具体说明如下 图2 4 汽轮机主控系统的简化控制回路与对象仿真图 1 本回路是一个带有保护性质的随动控制系统 负荷设定值即是上级的t m 汽机 东南大学硕士学位论文 主控 指令 其反馈是汽轮机调节级 高压缸第一级 压力 在正常负荷阶段 可以证 明 该数值与发电机出力成线性正比 但是反映更快 所以用来作对象功率反馈 2 厂1 实际是一个比例控制器 是一个以负荷率作为判断条件的分段函数 3 五是各数限值函数 该控制系统的执行器是精密的液压系统 五的死区 石 较小 4 五是与蒸汽膨胀与汽温相关系数 5 正是调节级反馈环节 可使用一个时间常数较小的一阶惯性环节来表示 6 这不是真实精确的功率反馈 并且有提前量 真实的功率反馈是通过 2 3 2 协调控制系统的控制方式 简单地说 根据锅炉和汽轮机的特点 传统的单元机组协调控制一般有三种控制方 式 锅炉跟随控制方式 汽轮机跟随控制方式和机炉协调控制方式 这三种控制方式各 有各的优缺点 汽轮机跟随控制方式的特点是负荷响应慢 但压力波动小 有利于机组 的稳定运行 较适用于带基本负荷的机组 当单元机组的汽轮机运行正常 而锅炉出力 受到限制时 也可采用这种控制方式 机炉协调控制方式充分考虑了机炉负荷响应速度 的差异和机组内部关联的特点 较好地解决了被控参数间的矛盾 因而主汽压波动不太 大 负荷响应较快 控制效果较为满意 在此 只简单叙述一下传统的锅炉跟随控制方 式的控制原理 4 图2 s 锅炉跟随控制方式的原理图 1 2 第二章火电机组典型的2 x 2m i m 0 控制系统 图2 6 锅炉跟随控制方式的系统原理框图 t 当机组负荷要求 0 改变时 汽机主控制器瓯使汽轮机调节阀动作 以改变汽轮机 的进汽量 使发电机的功率札及时与负荷要求相适应 当汽轮机调节阀开度变化时 引 起主蒸汽压力p 改变 这时锅炉主控制器q 改变进入锅炉的燃烧率 给水量 使主蒸 汽压力p 回复到给定值 其原理图及其控制系统方框副4 1 如图2 5 图2 6 所示 在该控制方式中 机 炉有明确的任务分工 汽轮机调整机组负荷 锅炉调整主汽 压力 这种汽轮机调整负荷 锅炉调整主汽压力的负荷控制方式称为锅炉跟随控制方式 在锅炉跟随控制方式下 汽轮机承担负荷控制的任务 通过改变汽轮机调节阀的开度来 改变机组功率 由于汽轮机惯性较小 因而负荷响应速度快 机组负荷的变化必然引起 主汽压的变化 锅炉主控制器根据主汽压的变化改变燃烧率 给水量等 由于锅炉惯性 较大 锅炉能量的供给滞后于汽轮机的能量需求 因而造成较大的主汽压变化 大型单 元机组锅炉的蓄热能力相对较小 对于较小的负荷变化 在汽压允许的变化范围内 充 分利用锅炉的蓄热以迅速适应负荷是可能的 对电网的频率控制也是有利的 但是在负 荷要求变化较大时 汽压变化太大 会影响机组的正常运行 甚至影响锅炉的安全运行 当单元机组中的锅炉运行正常 而汽轮机出力受到限制时 可采用这种控制方式 东南大学硕士学位论文 2 4 小结 单元机组的协调控制系统和一次风的温度与流量控制系统的被控对象具有惯性大 耦合强等特点 同时 它们在发电机组的控制中有着非常重要的作用 尤其是协调控制 系统 作为发电机组的顶级核心回路 同时作为锅炉一汽轮机系统的控制中枢 协调控 制系统已经成为现代电站自动化系统中最为核心的组成单元 本章首先从一次风的温度 与流量控制系统的数学模型入手 详细介绍了其相关的仿真模型 同时 介绍了一次风 的温度与流量控制系统的两种控制方案 并简单分析了软解耦方案的控制逻辑 其次 在简要介绍宝钢电厂协调控制系统的对象模型的基础上 重点介绍了协调控制系统的锅 炉跟随控制方式的原理 1 4 第三章基于对角优势特性的多变量p i d 控制器设计方法及应用 第三章基于对角优势特性的多变量p i d 控制器设计方法及应用 在进行火电厂典型的2 x 2m i m o 控制回路的多变量p i d 控制器的设计之前 首先对 多变量p i d 控制器的设计方法进行相关地讨论 在本章和第四章中 分别对两类多变量 p i d 控制器的设计方法进行相关地讨论 另外 由于本文的工作是基于设计单元机组典 型的2 2m i m o 控制回路的p i d 控制器的目的而展开的 因此 在下面的多变量p i d 控 制器设计方法的论述中 重点以双输入双输出 t i t o 多变量控制系统作为考虑对象 3 1 概述 如前所述 内部互联性是多变量系统的最重要的特征 它是多变量系统与单变量系 统的本质区别所在 由于单变量系统的设计方法日趋完善 因此 一种多变量控制系统 的设计思路油然而生 减弱甚至消除多变量控制系统的内部互联性 从而将多变量控制 系统的设计转化为单变量控制系统的设计 基于对角优势特性的多变量控制系统的设计 方法正是基于这种思路而提出的 实现对象传递函数矩阵对角优势是使用基于对角优势特性的多变量p i d 控制设计方 法的前提条件 因此 预补偿器的设计是使用该设计方法进行p i d 控制器设计的第一步 也是至关重要的一步 从多变量控制系统的解耦理论 4 2 上来说 任何多变量控制系统的 内部互联性都可以完全消除 然而 一般来说 完全消除多变量控制系统的内部互联性 所需要的解耦补偿环节是极其复杂的 甚至是不可实现的 如果旨在减弱多变量控制系 统的内部互联性 那么较简单的物理可实现补偿环节是存在的 预补偿环节最好是常数 预补偿器 因此 本章从如何利用常数补偿阵实现对角优势入手 在详细分析基于d n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法的基础上 提出基于i n a 设计方法的多变量p i d 控制器设计方法 并给出了详细的数学推导过程 最后 借助仿真实验 对上述两种设 计方法进行比较 并给出相关的分析 3 2 常数预补偿器设计 本节在详细分析文献 4 0 所给定理1 和定理2 的基础上 对这两个定理做了工程应 用方面的实用化扩展 并给出了两种优化算法 实例计算结果表明 本节给出的常数补 东南大学硕士学位论文 偿矩阵优化算法是更为有效的工程实用化算法 3 2 1 计算原理 设对象传递函数矩阵为 g j 9 1 1 0 9 2 l o l o 2 0 9 2 2 0 2 0 茗l 9 2 肺p ji g u j j 常数补偿矩阵为k 屯 k 屯 则补偿后的对象传递函数矩阵为 第三章基于对角优势特性的多变量p i d 控制器设计方法及应用 k 衫 o l 2 朋 文献 4 0 在论证定理1 时 直接从列对角优势的定义入手 其计算推导过程简述如 下 详细推导过程参见文献 4 0 q t i g 力 l 一羞i g 匆 l 2 羞 一 l ll 一 7 y 托 ru 1o 胁 il 二 二卫 p 陟i 3 1 其中嘭 t 旦三旦掣一 最形r 七 i 2 七盯 形 口弓一厶肘 彬r 后盯 z 后 此后 文 献 4 0 将定理1 结论的论证转燹为论证嘭 s 的符号是否为正的i 司题 设衫n a 七 其中a 为艺的特征值 则q 墨 a 七盯 e 训尼 1 1 2 到此 定理 1 得证 从上述论证过程中不难发现 要论证嘭 的符号是否可以为正 只需论证z 是否 有正的特征值 所以 定理1 的结论还可以描述为 在z 的坍个特征值丑 f l 2 所 中 至少有一个的特征值勺 o 因此 从定理1 中得到一个推理 如下所示 推理设实对称矩阵z 彬 口e 一厶 彬r 其中 与 a 2 为常数 j 1 2 所 竹一l 则开环系统可由常数补偿器阵k 在墨点处实现对角优势的充分必要条件是在艺的研个 特征值丑 f 1 2 m 中 至少有一个的特征值凡 o 从准确性的角度看 推论与定理1 是等价 但推论所给出的结论更直接 更实用 本节算法就是受此推理的启发而设计出来的 此外 文献 4 0 中给出了定理2 表述如下 定理2 设系统在 上均有k 彰 o 成立 其中 分形高 卜 川 2 m 定义 y k 刁 噘p k 才 一衫 f o 1 2 力j 1 2 所 若有粤登y y o 成立 则系统可通过对应于klz l 的特征向量七7 的k 阵在 u s s 月 l 一 毛 上实现对角优势 1 7 东南大学硕士学位论文 文献 4 0 所给算法就是基于该定理所给出的 它直接把计算结果锁定到满足定理2 结论的特征向量上 缺乏寻优的环节 因此 导致计算结果较差 另外 文献 4 0 在其 所给定理l 的基础上对定理2 的进行了论证 但不够详细 而且有点错误 在此 在本 节所给出推理的基础上重新给出了定理2 的详细证明 在证明之前 先简单介绍一下证明的思路 在某个频段内的所有点处都能使用常数 矩阵实现对角优势的前提下 如果根据某个点处所求取的屯 来实现整个频段内的对角优 势 那么这个点必定要满足一定的条件 这个定理正是解决了这个问题 在理解了定理 2 所解决的问题后 从何入手证明定理2 的问题也就不难解决了 如果某点对应的以 不仅能实现传递函数矩阵在该点处 而且在此考虑频段内的其他各点处都具有对角优势 的性质 那么该点就是定理2 所要找的点 即对于厅 l 2 且办 f 七盯 z 2 吐 o 这就是该定理的证明思路 详细证明过程如