热工自动化概述-华北电力大学.ppt

第一章热工自动化概述 1 1热工自动化概况 1 2常见的热工自动化系统 1 3热工控制系统的组成 1 4常规PID调节器 1 5热工控制系统的运行评价 1 6SAMA图 1 1热工自动化概况 一 自动化领域发生了革命性的变化芯片技术 促进了自动化技术由 模拟 向 数字 时代的飞跃 网络信息技术 分布式工业自动控制系统 DCS DistributedControlSystem 为实现先进的工业自动化系统提供了强有力的硬件 软件平台 自动控制理论 自动化技术由基于微分方程 传递函数的古典理论阶段进入基于状态空间法和最优化方法的现代理论阶段 进而 逐步发展到基于专家系统 模糊控制和人工神经网络的智能时代 信息处理技术 数据高速传输 数据压缩存储 数据融合 数据挖掘等技术的发展 为实现基于信息集成的生产过程的控制与管理现代化奠定了基础 二 电力的发展趋势1 国民经济的飞速增长 增加了对能源的需求量 电力工业逐渐发展为大电网 大机组 高参数 高度自动化 2 由于高参数 大容量机组发展迅速 装机数量日益增多 因此对机组自动化的要求也日益提高 以 4C 计算机 控制 通信 CRT 技术为基础的现代火电机组热工自动化技术也相应得到了迅速发展 其中 具有代表性的是80年代微机分散控制系统 DCS 的问世和日益完善 并广泛应用于大机组的自动控制 3 厂网分开 竞价上网 的电力改革基本完成 形成了 五大发电集团 中国电力投资集团公司 中国华能集团公司 中国大唐集团公司 中国国电集团公司 中国华电集团公司 两大电网 国家电网公司 中国南方电网有限责任公司 4 七五 八五 期间 我国电力工业所建主力机组大多还是300MW机组 但也开始建设600MW级机组 5 九五 期间 我国电力建设的机组主力将逐步转为以600MW机组为主 四 大型火电机组的特点1 监视点多 600MW机组I O点多达3000 5000个 随着发电机 变压器组和厂用电源等电气部分监视纳人DCS之后 I O点已超过7000个 2 参数变化速度快和控制对象数量大 600W机组超过1300个 3 各个控制对象特性时变 时滞 相互间关联耦合 环境强干扰 4 由高度计算机化的单元机组集控取代传统的机 炉 电分别人工监控 自动化系统的功能也已从单台辅机和局部热力系统发展到整个单元机组的检测与控制 5 随着整个单元机组自动化的不断完善以及电网发展的需要 火电厂热工自动化的功能必然会和调度自动化系统 automaticdispatchsystem ADS 相协调而实现电网的自动发电控制 AGC 6 厂级实时监控信息系统 SupervisoryInformationSysteminPlantLevel 简称SIS 是集过程实时监测 优化控制及生产过程管理为一体的厂级自动化信息系统 实现机组的安全经济运行的有效手段 五 热工自动化的意义1 在机组正常运行过程中 自动化系统能根据机组运行要求 自动将运行参数维持在要求值 以期取得较高的效率 如热效率 和较低的消耗 如煤耗 厂用电率等 2 在机组运行工况出现异常 如参数越限 辅机跳闸时 自动化设备除及时报警外 还能迅速 及时地按预定的规律进行处理 这样 既能保证机组设备的安全 又能保证机组尽快恢复正常运行 减少机组的停运次数 例如 RUNBACK 自动快速减负荷 RUNUP 强增负荷 RUNDOWN 强减负荷 FASTCUTBACK FCB 负荷快速切回或称快速甩负荷 等功能 3 当机组从运行异常发展到可能危及设备安全或人身安全时 自动化设备能适时采取果断措施进行处理 以保证设备及人身的安全 如锅炉主燃料跳闸 masterfueltrip MFT 汽轮机监测系统 TSI 和汽轮机紧急跳闸系统 ETS 等 4 在机组启停过程中 自动化设备又能根据机组启动时的热状态进行相应的控制 以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的运行寿命 即延长机组的服役期 如汽轮机的计算机应力估算和寿命管理系统 汽轮机自启停系统 turbineautomaticsystem TAS 5 随着电网的发展 对自动发电控制 automaticgenerationcontrol AGC 的要求日趋严格 AGC是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能 是电网现代化管理的需要 也是电网商业化运营的需要 而要实现AGC 单元机组必须有较高的自动化水平 单元机组协调控制系统必须能投入稳定运行 自动化技术对于提高机组的安全经济运行水平是行之有效的 大型火电机组离开了高度的自动化 就不可能做到安全经济运行 1 2常见的热工自动化系统 1 自动发电控制系统 automaticgenerationcontrolSystem AGC 由于调速器为有差调节 因此对于变化幅度较大 周期较长的变动负荷分量 需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现 即通过平移调速系统的调节静态特性 从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的 称为二次调整 当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时 则称为自动发电控制 AGC 2 厂级实时监控信息系统 SupervisoryInformationSysteminPlantLevel 简称SIS SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节 是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层 是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心 是承上启下实现信息网络的控制枢纽 实现全厂生产过程监控实时处理全厂经济信息和成本核算竞价上网处理系统实现机组之间的经济负荷分配机组运行经济评估及运行操作指导 3 单元机组协调控制系统 coordinationcontrolsystem CCS 协调控制是基于机 炉的动态特性 应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略 在机 炉控制系统基础上组织的高一级机 炉主控系统 它是单元机组自动控制的核心内容 4 锅炉炉膛安全监控系统 furnacesafeguardsupervisorysystem FSSS 或称燃烧器管理系统 burnermanagementsystem BMS 炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视 炉膛压力监视 炉膛吹扫 自动点火 燃烧器自动切换 紧急情况下的主燃料跳闸等 5 顺序控制系统 sequencecontrolsystem SCS 按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序 有计划 有步骤 自动地对生产过程进行一系列操作的系统 称之为顺序控制系统 顺序控制也称程序控制 在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制 以及辅助系统的程序控制 如汽轮机的自动启停程序控制 磨煤机自动启停程序控制 定期排污和定期吹灰的程序控制等 6 数据采集系统 dataacquisitionsystem DAS 又称为计算机监控系统 其基本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测 经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员 该系统可进行自动报警 制表打印 性能指标计算 事件顺序记录 历史数据存储以及操作指导等 7 汽轮机数字电液控制系统 digitalelectrichydraulicsystem DEH 汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分 除完成汽轮机转速 功率及机前压力的控制外 还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护 8 给水泵汽轮机电液控制系统 machineelectrichydraulicsystem MEH 9 旁路控制系统 bypasscontrolsystem BPS 大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统 其目的是在机组启 停过程中协调机 炉的动作 回收工质 保护再热器等 完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提 10 汽轮机自启动系统 TAS 11 汽轮机监视仪表 TSI 和汽轮机紧急跳闸系统 ETS 汽轮发电机属高速运转的大型机械设备 对其运行参数的要求十分严格 大轴的振动 位移 热膨胀等参数直接影响到汽机的安全运行 必须精确测量并加以监视 以微处理器为核心的汽轮机监控系统 可有效地解决参数检测与处理方面的困难 12 辅助系统的计算机程控系统 1 3热工控制系统的组成 图汽包水位自动控制系统示意图 用自动化装置代替上述人工操作来完成控制任务 就形成了自动控制系统 一 自动控制系统的组成 图汽包水位自动控制原理框图 1 变送器用来测量被调量 并把被调量转换为与之成比例的某种便于传递和综合的信号 2 执行器根据调节器送来的控制指令去推动调节机构 改变调节量 3 调节器接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号 输出一定规律的控制指令给执行器 4 控制对象被控制的热工生产过程或设备 5 有关变量给定值 被调量的给定值或与该给定值对应的电信号 被调量 表征热工过程是否符合规定工况的物理量 扰动 生产过程中引起被调量偏离给定值的各种因素 调节量 由控制作用来改变并去控制被调量变化的物理量 调节机构 接受控制作用去改变调节量变化的具体设备 二 自动控制系统的分类1 按控制方式分类闭环控制系统 也称反馈控制系统 被控量信号反馈到控制设备的输入端 成为控制设备生产控制作用的依据 有闭合回路 只要被控量与给定量之间有偏差 控制设备就要对控制对象施加作用 直到被控量符合要求为止 特点 基于偏差 消除偏差 可克服各种扰动对被控量的影响 有较高精度 但控制不及时 开环控制系统 也称前馈控制系统 控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统 其被控量没有反馈到控制设备的输入端 特点 按扰动进行控制 结构简单 精度差 只能克服单一扰动 复合控制系统 它是开环控制和闭环控制组合的一种控制系统 2 按闭合回路的数目分类单回路控制系统 只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端 形成一个闭合回路 多回路控制系统 具有一个以上的闭合回路 控制器 调节器 除接受被控量反馈信号外 还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端 3 按给定值分类定值控制系统 给定值保持不变 从而被控量也相应保持不变 主要矛盾是克服扰动对被控量的影响 最终使被控量与给定值相等 主要的热工控制系统 如 给水控制系统 再热汽温控制系统等 随动控制系统 给定值按预先不能确定的一些随机因素而变化 因而被调量也跟随给定值而随机变化 如 单元机组负荷控制系统 军事上的火炮跟踪系统 导弹预测拦截系统 程序控制系统 给定值按已知的时间函数变化 控制的任务是使被控量尽快与给定值相等 例如 汽轮机自动启停系统TAS 汽轮机启动过程中 要求汽轮机的转速按一定程序升降等 炉膛吹灰系统等 三 热工对象的动态特性 1 有自平衡能力 2 无自平衡能力 热工对象具有以下特点 1 被调量的变化大多是不振荡的 2 被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性 3 在响应曲线的最后阶段 被调量可能达到一个新的平衡状态 对象有自平衡能力 也可能不断变化而无法进入平衡状态 对象无自平衡能力 4 描述对象动态特性的特征参数有 放大系数 时间常数 迟延时间 1 4常规PID调节器 一 常规PID控制规律接受被调量信号和给定值比较后的偏差信号 按比例 积分 微分控制规律输出控制指令给执行器 1 比例调节规律指调节器输出的控制作用u t 与其偏差输入信号e t 之间成比例关系 即 比例增益 工程中 常用比例带 来描述其控制作用的强弱 即 物理意义 在调节机构的位移改变时 被调量应有的改变量 比例调节器的阶跃响应曲线如下 对控制过程的影响 结论 比例带大 则调节阀动作幅度小 被调量变化平稳 超调量小 但残差较大 静态偏差随比例带的加大而加大 减小比例带导致系统激烈振荡甚至不稳定 比例带设置必须有一定的稳定裕度 比例调节规律的特点 1 动作快 调节及时 迅速 2 对干扰有很强的抑制作用 2 调节过程结束 被调量偏差仍存在 存在静态偏差 称为有差调节 2 积分调节规律积分调节规律是调节器输出控制作用u t 与其偏差输入信号e t 随时间的积累值成正比 即 积分时间 积分作用曲线 特点 只要偏差存在 积分控制作用一直增加 消除稳态偏差 实现无差调节 其控制作用体现在调节过程的后期 Ti对控制过程的影响 积分调节器的积分时间对控制过程的影响 非周期过程 衰减振荡过程 等幅振荡过程 结论 积分时间越小 积分速度越快 调节阀动作愈快 容易引起和加剧振荡 积分调节作用是随时间而逐渐增强的 与比例调节作用相比过于迟缓 恶化了动态品质 使过渡过程的振荡加剧 甚至造成系统的不稳定 3 微分调节规律微分调节规律是调节器输出的控制作用与其偏差输入信号的变化速度成正比 对于定值控制系统 偏差信号的变化速度就是被调量的变化速度 即 微分时间 加入微分调节作用实现超前调节 有利于克服动态偏差 将大大改善调节过程 微分调节作用的大小仅与偏差信号的变化速度有关 而与偏差值大小无关 实际的微分调节规律具有惯性 传递函数为下式 微分增益 实际微分调节的阶跃响应 结论 微分作用的引入使系统控制过程的稳定性和准确性都得以提高 可适当减小静态偏差 但它不能像积分作用那样消除稳态偏差 调节过程开始时 被调量偏差小 但其变化速度却较大 可使执行机构产生较大的位移 但当调节过程结束 执行机构位置最后总是回复到原来的数值 综上所述 比例调节作用是最基本的调节作用 使 长劲 比例作用贯彻于整个调节过程之中 积分和微分作用为辅助调节作用 积分作用则体现在调节过节过程的后期 用以消除静态偏差 使 后劲 微分作用则体现在调节过程的初期 使 前劲 4 PID 比例 积分 微分 控制特点 1 缺点不适用于有大时间滞后的控制对象 参数变化较大甚至结构也变化的控制对象 以及系统复杂 环境复杂 控制性能要求高的场合 2 优点 PID算法蕴涵了动态控制过程中过去 现在和将来的主要信息 而且其配置几乎最优 比例 P 代表了当前的信息 起纠正偏差的作用 使过程反应迅速 微分 D 在信号变化时有超前控制作用 代表了将来的信息 在过程开始时强迫过程进行 过程结束时减小超调 克服振荡 提高系统的稳定性 加快系统的过渡过程 积分 I 代表了过去积累的信息 它能消除静差 改善系统静态特性 此三作用配合得当 可使动态过程快速 平稳 准确 收到良好的效果 PID控制适应性好 有较强鲁棒性 PID算法简单明了 形成了完整的设计和参数调整方法 很容易为工程技术人员所掌握 许多工业控制回路比较简单 控制的快速性和精度要求不是很高 特别是对于那些l 2阶的系统 PID控制已能得到满意的结果 PID控制根据不同的要求 针对自身的缺陷进行了不少改进 形成了一系列改进的PID算法 例如 为克服微分带来的高频干扰的滤波PID控制 为克服大偏差时出现饱和超调的PID积分分离控制 为补偿控制对象非线性因素的可变增益PID控制等等 这些改进算法 在一些应用场合得到了很好的效果 比例带 积分时间 微分时间 性能指标 整定参数 衰减率 超调量 静态偏差 振荡频率 设定值扰动下整定参数对调节过程的影响 5 PID参数对调节过程的影响分析 二 数字PID控制算法的改进1 积分项的改进在实际使用中 这种基本的PID控制算法往往还存在着一些缺陷 其中对控制系统影响比较大的一个问题就是积分器的饱和问题 1 积分器的饱和现象积分运算是通过对系统偏差的不断累加而实现的 积分器的积分值代表着系统偏差的面积 由于计算机输出接口 D A转换器 的字长是有限的 当系统在刚启动的一段时间内 系统的偏差较大 积分器经过若干个采样周期的积分运算以后 其积分结果就会超过计算机输出接口所能表示的最大值 从而使调节器从线性工作区进入饱和区 进入饱和区以后 调节器便失去了调节能力 系统在调节器饱和输出值的作用下 以最大的加速度运动 一直到系统出现较大幅度的 并且持续时间较长的超调以后 在较大的负偏差的作用下 才能将积分器从饱和区拉到线性区 这就是积分饱和问题 被控对象的惯性越大 这种积分饱和现象就越严重 克服积分饱和现象的方法主要有积分分离与变速积分两种控制方法 2 积分分离PID控制算法为使数字调节器尽可能工作在线性区 可以采用积分分离的方法 即在系统的给定值附近画出一条带域 其宽度为2 0 为积分器投入或切除的切换点 如下图所示 图 积分分离PID切换原理图 在系统启动的初期 系统的偏差较大时 暂时切除积分作用 将积分系数置0 当系统的输出接近给定值 进入到带域之内 时 再将积分器投入 即 为积分器分离值 为积分分离PID调节器的一个设计参数 算法程序将系统的偏差e k 的绝对值与 进行比较 然后 作出使用PID调节器还是使用PD调节器的决策 3 变速积分PID控制算法在一般PID控制算法中 由于积分系数是一个常数 所以 在整个控制过程中 积分增量不变 而系统对积分项的要求是 系统偏差大时积分作用减弱以至全无 而在小偏差时则应加强 否则 积分系数取大了会产生超调 甚至积分饱和 取小了又迟迟不能消除静差 因此 根据系统的偏差大小改变积分的速度 这对于提高调节品质是有益的 变速积分PID的基本思想是设法改变积分项的累加速度 使其与偏差的大小相对应 偏差越大 积分越慢 反之则越快 2 微分项的改进在数字PID算式中 其位置式的微分项特别是增量式的微分项中的二阶差分项 对数据误差和干扰特别敏感 因此在数字PID中 干扰主要是通过微分项起作用的 但是由于微分作用在PID调节中往往是必要的 它可以近似补偿对象的一个极点 扩大稳定域 改善动态性能 因此不能简单地将微分项弃去 应设法减小数据误差和干扰在微分项中的影响 下面介绍两种方法 四点中值差分法和不完全微分PID控制算法 1 四点中值差分法本这种方法中 一方面将取得略小于理想情况 另一方面 在组成差分时 不直接应用前后两次偏差 而是用平均差作基准 再用加权求和构成近似微分项 如下图所示 图 插值法示意图 在图上取相邻几个采样周期的四个点e k 至e k 3 设 特点 在算式中增加的计算量是最少的 但要求存储器存储e变量的几个过去的数值 2 不完全微分PID控制算法微分的引入改善了系统的动态性能 但也容易引入高频干扰 如果在控制算法中加入低通滤波 则性能可得到显著地改善 不完全微分PID的结构如下图所示 不仅可以抑制干扰 还可克服完全微分的大幅度冲击的缺点 与实际PID控制效果相同 3 带死区 间隙 的PID控制算法在计算机控制系统中 某些系统为了避免控制动作过于频繁 以消除由于频繁动作所引起的振荡 有时采用所谓带有死区的PID控制系统 如下图所示 图 带死区的PID控制系统 1 5热工控制系统的运行评价 一 静态和动态的概念静态 被控参数不随时间而变化的平衡状态叫静态或稳态 动态 被控参数随时间而变化的不平衡状态叫动态 二 控制系统在受到干扰作用时的过渡过程 图 典型过渡过程曲线 三 控制系统的评价稳定性 准确性 快速性1 稳定性指控制系统在受到干扰作用后 系统的平衡被破坏 在控制设备的控制作用下 控制系统能恢复到一个新的平衡状态 称为稳定性 稳定的控制系统的被控参数和控制参数的过渡过程曲线最后趋于平衡 不稳定的控制系统过渡过程曲线则是渐扩的 无法恢复平衡 稳定程度可以用衰减率这个指标来衡量 衰减率和系统稳定性之间的关系 过渡过程为非周期过程过渡过程为等幅振荡过程过渡过程为衰减振荡过程过渡过程为渐扩振荡过程 2 准确性指被控参数的实际值与给定值之间的动态偏差和静态偏差 最大动态偏差是指整个过渡过程中被控参数偏离给定值的最大差值 静态偏差是过