超临界机组协调控制系统的分析与设计毕业设计论文.doc

南 京 工 程 学 院 毕业设计说明书 论文 专 业 热热能能与与动动力力工工程程 火火电电厂厂集集控控运运行行 题 目 超超临临界界机机组组协协调调控控制制系系统统的的分分析析与与设设计计 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教师 的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别加以 标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究 成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而 使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体 均 已在文中作了明确的说明并表示了谢意 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并提供目录检索与 阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 聞創 沟燴鐺險爱氇谴净 作者签名 日 期 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 作者签名 日期 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并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 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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 酽锕极額閉镇桧猪訣锥 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 中中文文摘摘要要 火电厂超临界机组协调控制系统是一个多变量被控对象 具有非线性 强 参数时变 大 迟延等特性 针对这些特性 需要对机组进行解耦控制 然后对控制算法进行改进 使系统更加稳定的运行 本文首先 介绍了协调控制系统的控制方案 其次 对协调控制系统的影 响因素进行了总结 分析了超临界机组的动态特性以及超临界机组在100 负荷下的动态数学模型 再次 通过对该超临界机组数学模型相对增益的计 算 结果表明 该系统是以汽机跟随为基础的协调控制系统 然后 分别 采用前馈解耦和对角阵解耦两种方法对超临界机组协调控制系统进行了仿 真研究 比较解耦后与解耦前以及等效单回路的阶跃响应曲线 最后 对 机组的控制效果进行改进 利用积分分离 PID 控制算法对超临界 机组 100 负荷模型进行了仿真研究 并与常规PID 控制算法进行了比较 结果表明 积分分离 PID 控制算法比常规 PID 控制算法 能够显著降低系统的超调量 使 系统更趋与稳定运行 关键词 协调控制 解耦控制 PID 控制 积分分离 PID 控制 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 外外文文摘摘要要 T Ti it tl le e The Analysis And Design of the Coordinated Control System of the Supercritical Unit A Ab bs st tr ra ac ct t The coordinated control system of boiler turbine is a complicated multi variable control object and it has some characters such as nonlinear time varying parameters and large delay According to these characteristics need to decouple control unit then to control algorithm was improved make the system more stable operation Firstly this article introduces the control schemes of coordinated control system are presented Secondly summarizes the influence of factors of coordination control system analyzes the dynamic characteristic of supercritical unit in 100 load and supercritical unit under the dynamic mathematical model Again through the calculation of relative gain mathematical model the result shows that this system is based on turbine follow coordinated control system Then we adopt feedforward decoupling and diagonal matrix decoupling two methods coordinated control system of supercritical unit simulated research compare decoupling control and not decoupling control effect and completely decoupling single loop control effect after the difference Finally on the unit control effect using improved integral separation PID control algorithm for supercritical unit 100 load model and simulation with the conventional PID control algorithm is compared results show that integral PID control algorithm is better than conventional PID control algorithm can significantly reduce the system overshoots make the system more hasten and stable operation K Ke ey yw wo or rd d The coordinated control system CCS Decoupling PID controller PID controller using integral separation 南京工程学院毕业设计说明书 论文 目录 前言 1彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 第一章 绪论 2謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 1 1 单元机组协调控制系统的研究目的及意义 2厦礴恳蹒骈時盡继價骚 1 2 单元机组协调控制系统的研究现状 2茕桢广鳓鯡选块网羈泪 1 2 1 国内外协调控制的应用现状 3鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 1 3 研究内容与研究计划 4籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 第二章 机炉协调 控制系统概述 6預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 2 1 协调控制系统概述 12 6渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 2 1 1 协调控制系统的基本策略 8铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 2 2 协调控制系统的数学模型分析 10擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 2 2 1 超临界机组协调控制系统的特点 10贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 2 2 2 超临界机组协调控制系统的数学模型 15坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 第三章 多变量耦合系统概述 21蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 3 1 概述 21買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 3 2 前馈补偿解耦法 27綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 3 3 对角矩阵法 28驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 3 4 解耦控制效果比较 34猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 3 4 1 模型降阶 5 34锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔 3 4 2 前馈补偿法开环解耦控制效果比较 41構氽頑黉碩饨荠龈话骛 3 4 3 对角矩阵法开环解耦控制效果的比较 46輒峄陽檉簖疖網儂號泶 3 5 小结 51尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 第四章 协调控制系统的控制策略 53识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 4 1 机跟炉协调控制系统 54凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 4 1 1 补偿锅炉侧扰动的机跟炉协调系统 54恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 4 1 2 补偿汽机侧扰动的机跟炉协调系统 55鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 4 1 3 实现双向补偿的机跟炉协调系统 56硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 4 2 炉跟机协调控制系统 57阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 南京工程学院毕业设计说明书 论文 4 2 1 补偿锅炉侧扰动的炉跟机协调系统 57氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 4 2 2 补偿汽机侧扰动的炉跟机协调系统 58釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 4 2 3 实现双向补偿的炉跟机协调系统 58怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 第五章 协调控制系统的仿真研究与分析 60谚辞調担鈧谄动禪泻類 5 1 解耦后单回路控制系统的整定 60嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 5 2 前馈法闭环解耦与等效单回路控制效果的比较 67熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 5 2 1 前馈法闭环解耦后的整定 67鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞 5 2 2 前馈补偿法闭环解耦控制系统与等效单回路控制系统的仿真比较72 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 5 3 对角矩阵法闭环解耦与等效单回路控制效果的比较 74颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 5 3 1 对角矩阵法解耦后的整定 74濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 5 3 2 对角矩阵法解耦控制系统与等效单回路控制系统的仿真比较79銚銻縵哜 鳗鸿锓謎諏涼 5 4 小结 81挤貼綬电麥结鈺贖哓类 第六章 改进积分算法的协调控制系统仿真研究 82赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 6 1 采用积分分离 PID 控制器的仿真研究 82塤礙籟馐决穩賽釙冊庫 6 2 小结 87裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 第七章 结论 89仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁 参考文献 90绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 致谢 92骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 前前言言 众所周知 我国现阶段正处在电力建设的高峰期 根据国家的 十一五 电力规划 2010 年发电装机将要达到 5 8 6 亿千瓦左右 其中火电在 4 亿 千瓦以上 十一五 电力安排投产在 1 65 亿千瓦左右 而其中火电为8500 万千瓦 到 2020 年全国规划装机容量预计达到9 9 5 亿千瓦左右 其中 63 为火电装机容量 而现阶段300MW 600MW 等大容量 高参数 单元制机 组已经成为火力发电的主力机组 1000MW 也已陆续投入生产 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩 凉 目前 超临界机组是我国新建或扩建火力发电厂的主流机组 随着越来越来 多的大容量 高参数机组的投运 现代化电力生产对机组运行安全性 经济性 要求的提高 使其自动化水平也得到了很大的提高 自动化已经在生产过程中 起到了至关重要的作用 超临界机组是以汽水一次循环为特征的直流锅炉 是 强耦合 非线性 多参数的被控对象 必须同时考虑锅炉惯性较大 汽机反应 较快的特点 将机炉看作联系紧密的一体化对象 采用协调控制 CCS 策略 单元机组协调控制系统是在常规的机炉局部控制系统的基础上发展起来的复杂 控制系统 具有多种控制功能 能够满足不同运行方式和不同工况下的控制要 求 随着技术的发展 对单元机组控制提出更高的要求 研究单元机组协调控 制系统 将有助于提高火电厂的自动化程度和安全经济运行水平 因此具有很 重要的现实意义 又由于协调控制系统的被控对象是一个多变量被控对象 具 有非线性 参数时变 大迟延等特性 而且机 炉耦合严重 机 炉响应特性 差异巨大 精确的数学模型难于得到 常规机炉协调控制系统的控制策略远远 不能满足电网对单元机组协调控制系统的要求 因此 需要对单元机组协调控 制系统的被控对象特性及控制策略进行深入研究 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 第第一一章章 绪绪论论 1 1 1 1 单单元元机机组组协协调调控控制制系系统统的的研研究究目目的的及及意意义义栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 近年来 随着我国电力工业体制改革及电力建设步伐的加快 长期制约国民 经济发展和人民生活水平提高的电力紧缺问题基本得到缓解 但是 由于用电 结构发生明显变化 电网负荷峰谷差呈不断增大趋势 电力系统面临着电网峰 谷差偏大 调峰能力不足的矛盾 电网AGC 控制对单元机组提出了深度调峰 的要求 对单元机组来说 也就是对其协调控制系统的控制品质提出了更高的 要求 主要包括 大范围的负荷变动 良好的负荷动静态跟踪性能 稳定性能等 目前 我国中小机组还占相当大的比例 且自动化水平较低 造成 CCS 的投入率很 低 即使是大容量的新机组 其 CCS 的投入水平也往往不能适应电网 AGC 的要求 因此 设计合理适用的协调控制系统方案 改造不同容量的新老机组是迫切需要解 决的实际问题 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 单元机组协调控制系统把锅炉和汽轮机发电机组作为一个整体进行控制 采 用了递阶控制系统结构 把自动调节 逻辑控制 联锁保护等功能有机的结合 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的设计充分利用了机炉对象特性方 面的特点 采用了前馈 补偿 多变量解耦等控制策略 使控制系统具有合理 可靠 易于维护调整等优点 峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺 1 1 2 2 单单元元机机组组协协调调控控制制系系统统的的 研研究究现现状状詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜 传统意义上的协调控制有两种划分方式 一种是根据系统发展的基础按照机 跟炉或炉跟机的方式来划分 另一种是从能量平衡的观点出发 将协调控制系 统分为直接能量平衡 DEB 和间接能量平衡系统 IEB 两大类 协调控制的本质 就是维持机组在运行过程中机炉之间供需能量的平衡 通常把机前压力P 作 为锅炉输出能量与汽机需求能量之间平衡的特征参数 通过控制间接参数来维 持整个机组能量平衡的系统 称为间接能量平衡系统 通过构造出能量平衡信 号 并以此直接控制能量输入的系统 称为直接能量平衡系统 从目前工 01 程领域的应用来看 无论是直接能量平衡协调控制系统还是间接能量平衡协调 控制系统都属于近似解祸设计方法范畴 这类系统通常具有以下局限性 则鯤愜 韋瘓賈晖园栋泷 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 l 间接能量平衡协调控制系统的设计往往是在机炉独立控制回路的基础上 加入前馈控制 这种设计是基于静态的近似解祸 因此无法考虑系统的不确定 性扰动 非线性等因素 系统的鲁棒性能较差 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 2 锅炉系统的大时延 大惯性等问题没有充分的考虑 因此很难在快速的 汽轮机控制回路和相对较慢的锅炉控制回路之间达到快速的能量平衡 鳃躋峽 祷紉诵帮废掃減 3 系统的设计与整定一般基于特定的工作点线性化处理 没有考虑动态非 线性及大范围适应性等 4 基于简化的建立在传递函数基础上的单元机组动态数学模型来设计的协 调控制系统无法考虑相关系统相对较弱的祸合关系的影响及机组的动态时变性 等 稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 02 1 1 2 2 1 1 国国内内外外协协调调控控制制的的应应用用现现状状 目前 国内的协调控制系统基本上都是在引进系统的基础上设计和改进的 国内厂家以和利时公司的 HS 2000 系列比较成功 但市场占有率还很低 国 内众多电厂已成功地应用了国外的控制系统 广东沙角发电厂 A 厂 3 号机组 采用德国 Hartmann 主汽压力 P MPa 中间点焓 值 H kJ kg 给煤量 B t h 给水量 W t h 对各组数据进行去噪处理后通过 编程对被控对象进行多变量系统的整体辨识 数据的去噪采用软阈值处理方法 例如给煤量数据去噪 MATLAB 实现语句为 譽諶掺铒锭试监鄺儕泻 M 3 X wden B rigrsure s m ln M sym4 采用上述自适应遗传系统辨识方法进行辨识 辨识结果为 BestS 157 6942 3 1904 42 2122 0 3027 10 5315 1 9382 4 9925 8 8999 45 8783 94 4774 22 7701 128 0847 105 3025 87 7958 8 2869 101 5385 75 0311 41 2927 105 7540 145 7527 30 4466 75 3121 10 8201 16 5258 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 2 2897俦聹执償閏号燴鈿膽賾 即 100 负荷下的传递函数为 15 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 16 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 17 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 18 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 19 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 20 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 21 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 分别对汽机调门开度阶跃变化 1 给煤量阶跃变化 1t h 则在 100 工况 下功率 主汽压力 中间点焓值输出响应分别如图2 9 2 10 所示 缜電怅淺靓 蠐浅錒鵬凜 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 19 页 1 汽机调门开度阶跃变化 1 响应曲线 如图 2 9 所示 T a 功率响应曲线 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 20 页 a 压力响应曲线 图 2 9 汽机调门开度阶跃变化 1 响应曲线 2 给煤量 B 阶跃变化 1t h 响应曲线 如图 2 10 所示 a 功率响应曲线 b 压力响应曲线 c 中间点焓值响应曲线 图 2 10 给煤量阶跃变化 1t h 响应曲线 通过图 2 10 与图 2 6 的比较发现 此处选择的数学模型的阶跃响应曲线与 超临界机组的动态特性基本有一致 是符合超临界协调控制系统的数学模型 骥 擯帜褸饜兗椏長绛粤 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 21 页 第第三三章章 多多变变量量耦耦合合系系统统概概述述 3 3 1 1 概概述述 超临界机组协调控制系统是一个多变量控制系统 从理论上说 完全可以按 多变量控制理论进行控制系统的设计 但由于受控对象数学模型的精度不高 控制器结构复杂 设计方法不便于工程技术人员掌握等条件限制 目前直接按 照多变量控制系统分析设计理论进行单元机组协调控制系统的设计与综合 还 处于初级阶段 但随着多变量控制技术的发展与完善及计算机控制系统的广泛 应用 这一问题将逐步得到解决 癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵 当回路间存在严重耦合时 即使采用最好的回路匹配也得不到满意得控制效 果 一种简单 有效解决方法是对系统进行解耦 解耦的本质在于设计一个计 算网络 用它去抵消过程中的关联 以保证各个单回路控制系统能独立工作 鑣 鸽夺圆鯢齙慫餞離龐 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 22 页 下面我们以某厂 1000MW 超临界机组在 100 负荷下协调控制系统的三输 入 汽轮机调门开度 T 给煤量 B 给水量 W 三输出 功率 N 主汽压 P 主汽温 T 中间点焓值 H 的数学模型进行解耦控制 榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴 W B GG GGG GG H P N T 3332 232221 1211 0 0 1211 BGG T N 232221 BGWGGP T 3332 WG BGH 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 一 三输入三输出的相对增益 相对增益 是一个尺度 用来衡量一个预先选定的调节量 j对一个特定 的被调量 yi的影响 对于一个三输入三输出的多变量系统 假设y 是包含系统所有被调量 yi y1 N y2 P y3 H 的列向量 是包含所有调节量 j 1 T 2 B 3 W 的列向量 为了衡量系统的关联性质首先在所有其他回路均为开环 即所有其 他调节量都保持不变的情况下 得到开环增益矩阵P 这里记作 逊输吴贝义鲽國 鳩犹騸 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 23 页 P y 其中 矩阵 P 的元素 pij的静态值称为 j到 yi通道的第一放大倍数 它是指调 节量 j改变了一个时 其他调节量 r 均不变的情况下 j与 yi r j 之间通道的开环增益 显然它就是除 j到 yi通道以外 其他通道全部断开时 所得到的 j到 yi通道的静态增益 可表为 幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉 r j i ij y p 然后 在所有其他回路均闭合 即保持其他被调量都不变的情况下 找出各通 道的开环增益 记作矩阵 Q 它的元素 qij的静态值称为 j到 yi通道的第二放 大倍数 它是指利用闭合回路固定其他被调量时 j到 yi的开环增益 qij可以 表为 誦终决懷区馱倆侧澩赜 r y j i y ij q 有了矩阵 P 和 Q 取它们相应元素的比值构成新的矩阵 元素可以写作 ij r r y j i j i ij ij ij y y q p 上式即为 j到 yi这个通道的相对增益 矩阵 则称为相对增益矩阵 所以该控制系统的第一放大倍数分别为 11BW T1 1 11 N p 32 G y 12W 2 1 12 T31 N pG B y 0 N p B 3 1 13 T21 W y 21BW 1 2 21 P p 32 G y T 22W 2 2 22 T31 P pG B y 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 24 页 23B 3 2 23 T21 N pG W y 0 H p BW 1 3 31 31 T y 32W 2 3 32 T31 H pG B y 33B 3 3 33 T21 H pG W y 第二放大倍数分别为 PH T1 1 11 N q 32 yy y 由于 1 1211 BGG T N 2 232221 BGWGGP T 3 3332 WG BGH 将 N 分别用 P H 表示 T 由 3 式得 4 33 32 G BG H W 将 4 带入 2 式得 B BG 33 3223 22 33 23 21 23 33 32 2221 G GG G G HG G G G BGH GP T T 故 32233322 233321T33 33 3223 22 33 23 21T GG GG HG GG PG G GG G G HG G P B 所以 12 32233322 23332133 11TG NG GGGG HGGGPG T 所以 32233322 332112 11PH T1 1 11 G N q 32 GGGG GGGy yy 同理可得 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 25 页 3321 322311332211 12PH 2 1 12 GN q 32 GG GGGGG G B y yy 3312 322311332211 21NH T1 2 21 GG GGGP q 31 GGG G y yy 3311 322311332112 22NH 2 2 22 GG GGGGGG G P q 31 B y yy 3211 332112332211 23NH 3 2 23 P q 31 GG GGGGGG G W y yy 2311 332112332211 32NP 2 3 32 H q 21 GG GGGGGG G B y yy 21122211 322311 33NP 3 3 33 GH q 21 GGGG GG G W y yy 所以该系统的相对增益矩阵 为 332112322311332211 322311332211 1 1 1 1 11 11 11 32 32 GGGGGGGGG GGGGGG y y q p yy 322311332211332112 332112 2 1 2 1 12 12 12 GGGGGG GGG GGG 32 31 yy y y q p 0 32 21 3 1 3 1 13 13 13 yy y y q p 322311332211332112 332112 1 2 1 2 21 21 21 31 32 GGGGGGGGG GGG y y q p yy 322311332112332211 332211 2 2 2 2 22 22 22 31 31 GGGGGGGGG GGG y y q p yy 332112332211322311 322311 3 2 3 2 23 23 23 GGG GGG GGG 31 21 GGG y y q p yy 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 26 页 0 21 32 1 3 1 3 11 31 31 yy y y q p 332112332211322311 322311 2 3 2 3 32 32 32 GGG GGG GGG 21 31 GGG y y q p yy 322311332112332211 332112332211 3 3 3 3 33 33 33 GGG GGG GGG GGG GGG 21 21 yy y y q p 令 则传递函数的静态值为 0s 0 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 1904 3 10847 128 17701 22 14774 94 1904 3 12 sss sG 2122 42 17958 87 13025 105 2122 42 21 s sG 3027 0 15385 101 12968 8 3027 0 s 22 ss G 0 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 9382 1 13121 75 14466 30 17527 145 9382 1 32 sss G 9925 4 12987 2 15258 16 18201 10 9925 4 33 sss G 所以系统的静态相对增益为 0 11 1 12 0 13 1 21 0 22 0 23 0 31 0 32 1 33 即 100 001 010 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 27 页 由上述相对增益可可发现 111 332112 表明静态时 由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联 1 y 2 由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联 2 y 1 由和组成的控制回路与其他回路之间没有关联 3 y 3 而 则表明不能用来控制 0 323123221311 ij j i y 根据静态相对增益 得到静态时系统的单回路控制系统如图3 1 图 3 1 根据静态相对增益得到单回路控制系统 根据相对增益矩阵 可将该机组100 负荷下的数学模型转化为如图3 2 形式 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 28 页 图 3 2 根据相对增益调整后的数学动态模型 3 3 2 2 前前馈馈补补偿偿解解耦耦法法 前馈补偿法是自动控制中最早出现的一种克服干扰的方法 同样适用于解耦 控制系统 图所示为应用前馈补偿器来解除系统间耦合的方法 假定从到 T 通路中的补偿器为 从到通路中的补偿器为 从到通路 1c 11 DW 2c 23 DB 2c 中的补偿器为 从到通路中的补偿器为 利用补偿原理得到图 3 22 DB 3c 32 D 3 医涤侣綃噲睞齒办銩凛 图 3 3 前馈补偿法解耦控制系统 0GD 0G 0GD 0GD 333232 121111 212323 212222 G GD G G 由上四式可分别解出补偿器的数学模型 1 s8783 45 1999s3 1904 8 8 1 128 0847s 17701 22 14774 94 6942 157 12 11 11 sss G G D 15385 101 12968 8 2122 42 17958 87 13025 105 3027 0 21 22 22 ss ss G G D 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 29 页 17504 105 12927 41 10311 75 2122 42 17958 87 13025 105 5315 10 21 23 23 sss sss G G D 1 s1 75 3121s1 30 4466 7527s4 9925 145 1 1 2 2987ss1 16 52588201s1 9382 10 G G D 33 32 32 3 3 3 3 对对角角矩矩阵阵法法 研究某厂 1000MW 燃煤机组在 100 负荷上三输入 三输出的控制系统如 图 3 2 所示 设均为解耦器 为计算 33322322211211 sDsDsDsDsDsDsD 出解耦器的数学模型 先写出该系统的传递矩阵G s 由静态相对增益 原 控制图形进行了调整 调整后的传递矩阵为 舻当为遙头韪鳍哕晕糞 0 sG 0 3332 232122 1112 sG sGsGsG sGsG sG 被调量 yi和调节量 i之间的矩阵为 1 0 0 s s Y s 3 2 1 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sGsG sGsGsG sGsG Y Y 调节量 Mi s 与调节器输出 Mci s 之间的矩阵为 2 0 0 s M s M s M 3 2 1 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsDsD sDsD c c c 将 2 式代入 1 式得到系统传递矩阵为 3 0 0 0 0 s s Y s 3 2 1 3332 232122 1112 3332 232122 1112 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsDsD sDsD sGsG sGsGsG sGsG Y Y c c c 对角矩阵综合法即要使系统传递矩阵成为如下形式 4 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 33 21 12 3 2 1 sM sM sM sG sG sG Y Y c c c 将 3 式和 4 式相比较可知 欲使传递矩阵成为对角矩阵 则要使 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 30 页 5 s G00 0 s G0 00 s G 0 0 0 0 33 21 12 3332 232122 1112 3332 232122 1112 sDsD sDsDsD sDsD sGsG sGsGsG sGsG 如果传递矩阵 G s 的逆存在 则将式 5 式两边左乘 G s 矩阵之逆矩阵得到 解耦器数学模型为 00 0 0 00 s 1 s G00 0 s G0 00 s G 0 s 0 0 s 0 33 21 12 2211211232113221 2312331233223223 231133113321 332211322311332112 33 21 12 1 3332 232122 1112 3332 232122 1112 sG sG sG sGsGsGsGsGGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG sGG sGsGsG sGsG sDD sDsDsD sDsD s 1 332211332112322111322112 332312332112332212322312 332311332111332112 332211322311332112 sGsGsGsGsGsGsGsGGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsGsGsGsG 6 按式 6 就可以组成如图 3 4 所示的解耦控制系统 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 31 页 图 3 4 对角矩阵法解耦控制系统 将解耦器带入上图 发现 说明将不再受的影响0 GD 211211211 C MGD 1 y 2c 说明将不再受的影响0 GD 133323212 C MGD 3 y 1c 说明完全对角矩阵法解除不了0 323332123122122122 CC MGDGDMGDGD 对的影响 故不能达到完全解耦 不行形成单回路控制系统 31cc 2 y 由系统的传递函数可发现 1 s1 54 87838999 8 157 6942s s G11 s 17540 105 12927 41 10311 75 5315 10 23 sss s sG 为微分环节 当系统处于静态时 其输出为0 在此不考虑对其进行 2311 GG 解耦 所以对该控制系统进行部分对角矩阵法解耦 解耦器设计如图3 5 所 示 鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 32 页 图 3 5 部分对角矩阵法解耦控制系统 传递函数为 0 sG 0 00 3332 2122 12 sG sGsG sG sG 被调量 yi和调节量 i之间的矩阵为 1 0 0 00 s s Y s 3 2 1 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sGsG sGsG sG Y Y 调节量 Mi s 与调节器输出 Mci s 之间的矩阵为 2 0 0 00 s M s M s M 3 2 1 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsD sD c c c 将 2 式代入 1 式得到系统传递矩阵为 3 0 0 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 3332 2122 12 3332 2122 12 3 2 1 sM sM sM sDsD sDsD sD sGsG sGsG sG Y Y c c c 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 33 页 对角矩阵综合法即要使系统传递矩阵成为如下形式 4 00 0 0 00 s s Y s 3 2 1 33 21 12 3 2 1 sM sM sM sG sG sG Y Y c c c 将 3 式和 4 式相比较可知 欲使传递矩阵成为对角矩阵 则要使 5 s G00 0 s G0 00 s G 0 0 00 0 0 00 33 21 12 3332 2122 12 3332 2122 12 sDsD sDsD sD sGsG sGsG sG 如果传递矩阵的逆存在 则将式 5 式两边左乘矩阵之逆矩阵得到G s G s 解耦器数学模型为 00 0 0 00 0 0 00 1 s G00 0 s G0 00 s G 0 s 0 00 0 s 0 00 33 21 12 21123221 33123322 3321 332112 33 21 12 1 3332 2122 12 3332 2122 12 sG sG sG sGsGsGsG sGsGsGsG sGsG sGsGsG sGG sGsG sG sDD sDsD sD 10 01 001 0 0 00 1 33 32 21 22 332112322112 332112332212 332112 332112 G G G G sGsGsGsGsGsG sGsGsGsGsGsG sGsGsG sGsGsG 6 按式 6 就可以组成如图所示的解耦控制系统 即 33 32 32 21 22 22 332112 G G D G G D 1D1D1D 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 34 页 将解耦器带入上图 发现 说明将不再受的影响0 GD 1212221212 C MGD 2 y 1c 说明将不再受的影响0 GD 133323212 C MGD 3 y 1c 则实现了控制系统的完全解耦 得到单回路控制系统 如图3 6 所示 图 3 6 利用部分对角矩阵法得到的三个彼此独立的系统 由单回路控制系统可发现 该燃煤电厂1000MW 机组的协调控制系统为以汽 轮机跟随锅炉为基础的协调控制系统 筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废 3 3 4 4 解解耦耦控控制制效效果果比比较较 3 3 4 4 1 1 模模型型降降阶阶 5 在系统的研究中 模型降阶技术有很重要的作用 其目的是使高阶系统用一 个低阶的模型近似 这样高阶系统可按低阶系统处理 为分析设计高阶系统带 来方便 韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊 模型降阶技术是系统分析 设计和仿真中不可缺少的一环 其基本思想是使原 始系统的系数矩阵的阶次降低 并保留原系统的主导特征值和一些重要的状态 涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟 在 MATLAB 控制系统工具箱中提供了基于平衡实现降阶函数BALREAL 和 MODRED 函数 BALREAL 计算可控及可观测的 Gram 矩阵 并对原系统 进行等价变换 将原系统分成两部分 其中一部分包含原系统矩阵较大奇异值 而另一部分包含较小奇异值 平衡实现系统完全与原系统等价 如下式所示 钿 蘇饌華檻杩鐵样说泻 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 35 页 3 5 2 1 b 2b 1b b 2 b 1 2 1 b 22b 21 b 1211 b 2 1 C C C B B A A A A x x u x x tx tx 如果截取对应于小奇异值的子系统 则降阶模型为 uzyuzzDC BA 1b 1b 11b 111 3 6 在 MATLAB 中 函数 BALREAL 的调用格式为 sysb balreal sys 3 7 戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗 sysh g balreal sys 3 8 購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳 其中 sys 为原系统 sysb 为平衡实现系统 式 3 8 与原系统等价 g 为平衡对角线 gram 矩阵 在 MATLAB 中 函数 MODRED 用于系统降阶实现 其调用格式为 sysmde modred sysb elim mde sysdel modred sysh elim del 其中 sys 常为函数 halreal 变换的模型 elim 为待消去的状态 rsys 为降 阶后的系统 mde 降阶中保持增益匹配 del 降阶中不保持匹配 嗫奐闃 頜瑷踯谫瓒兽粪 将系统状态空间模型转化成传递函数模型 函数用系统状态空间模型来求取其传递函数模型 调用格式为 SS2TF num den ss2tf a b c d 其中 a b c d 为系统状态方程系数矩阵 返回结果den 和 num 分别为传递函 数分母和分子多项式系数向量 虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸 一 前馈补偿法解耦器的模型降阶一 前馈补偿法解耦器的模型降阶 由馈补偿法得到前馈补偿解耦器分别为 1 s8783 45 1999s3 1904 8 8 1 128 0847s 17701 22 14774 94 6942 157 12 11 11 sss G G D 15385 101 12968 8 2122 42 17958 87 13025 105 3027 0 21 22 22 ss ss G G D 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 36 页 17504 105 12927 41 10311 75 2122 42 17958 87 13025 105 5315 10 21 23 23 sss sss G G D 1 s1 75 3121s1 30 4466 7527s4 9925 145 1 1 2 2987ss1 16 52588201s1 9382 10 G G D 33 32 32 由于解耦器的阶次较高 故采用模型降阶的方法对解耦器进行降阶处理 用 MATLAB 对解耦器的传递函数进行编程 如下 num11 157 6942 0 den11 conv 8 8999 1 45 8783 1 sys11 tf num11 den11 num12 0 3 1904 den12 conv 94 4774 1 conv 22 7701 1 128 0847 1 與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢 sys12 tf num12 den12 num21 0 42 2122 den21 conv 105 3025 1 87 7958 1 sys21 tf num21 den21 num22 0 0 3027 den22 conv 8 2968 1 101 5385 1 sys22 tf num22 den22 num23 10 5315 0 den23 conv 75 0311 1 conv 41 2927 1 105 7540 1 結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴 sys23 tf num23 den23 num32 0 1 9382 den32 conv 145 7527 1 conv 30 4466 1 75 3121 1 餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃 sys32 tf num32 den32 num33 0 4 9925 den33 conv 10 8201 1 conv 16 5258 1 2 2987 1 爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑 sys33 tf num33 den33 sys1 sys11 sys12 sys2 sys22 sys21 南京工程学院毕业设计说明书 论文 第 37 页 sys3 sys23 sys21 sys4 sys32 sys33 注 4 3 2 1sys 32232211 sysDsysDsysDD 1 对解耦器进行模型降阶 11 D sys1 sys11 sys12 Transfer function 4 345e007 s 4 2 707e006 s 3 3 869e004 s 2 157 7 s锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝 1303 s 2 174 8 s 3 19 由 sys1 运行结果发现 分子阶次比分母高 故不能采用模型降阶的方式 在这 里 取其静态值 令 得到 0s 01 11 sysD 2 对解耦器进行模型降阶 22 D 用 MATLAB 编写程序如下 D22 解耦器的模型降阶 sysb22 balreal