主汽温串级控制系统仿真研究毕业论文.doc

华北电力大学科技学院毕业设计（论文）主汽温串级控制系统仿真研究毕业论文1绪论1.1 论文的意义和选题背景在现代火力发电厂的热工过程控制系统中，锅炉过热器出口温度（主汽温）对整个电厂的效率和安全具有十分重要的作用，是锅炉的主要参数之一，对电厂的安全经济运行有重大影响。主汽温偏高，会使过热器和汽轮机高压缸承受过高的热应力而损坏，从而威胁机组的安全运行；主汽温偏低，则会降低机组的热效率，影响机组运行的经济性。同时，主汽温偏低会使蒸汽的含水量增加，从而缩短汽轮机叶片的使用寿命。因此，必须将主蒸汽温度严格控制在给定值附近。若温度过高，过热器和高压锅炉会被损坏，若温度过低，电厂的效率会被降低。过热器内部温度变化也要很好的抑制，否则，剧烈的温度变化会引起较大的机械压力，可能会引起锅炉破裂，从而会减少加热系统单元的生命并且增加维护费用。因此合理控制主汽温对保证电厂的安全经济运行有重大影响。在实际中，由于过热汽温系统具有大迟滞，大惯性，对象具有明显的滞后性，非线性，时变性等特点，并且具有温度波动允许范围小，模型失配，参数不确定等因素，控制主汽温并不是一件容易的工作。国内电厂在这方面还有很多工作要做，例如，我国刚开始刚引进的300MW，600MW的大型机组时，主蒸汽只有一级喷水减温器作为调温手段，由于我国热控自动化应用水平有限，导致主汽温经常失控，甚至超温。到目前为止，锅炉生产厂家往往都采用至少两级喷水减温，降低控制难度来调节主汽温。单回路调节系统(只有被调量一个反馈回路)虽然是一种最基本的、使用最广泛的调节系统，但由于现场实际对象多半属于大迟延大惯性，用单回路调节系统性能指标很差，若调节质量要求较严时就无能为力了，采用传统的单回路控制难以达到控制要求。因此，需要改进调节结构、增加辅助回路或添加其他环节，组成串级调节系统。过热气温串级调节系统是火电厂最典型的调节系统，所以一般采用串级系统对生产流程加以控制。据此，本文设计了主汽温串级控制系统，取得了较好的仿真结果。1.2主汽温控制应用研究现状【1】目前，主蒸汽温度控制基本上沿用PID串级控制策略。在主蒸汽温度串级PID控制系统中，有时会将负荷信号、燃料量信号、主蒸汽压力信号、给水流量信号以前馈形式引入到串级系统的副调节器中，以实现“超前”调节。但以调节参数固定不变的PID控制器来控制主蒸汽温度这种时变的复杂对象时，控制效果仍会很不理想。为此，以智能控制技术的思想被广泛的用于主蒸汽温度控制过程控制中，不少学者和技术人员开展了对主蒸汽温度控制的相关研究，主要有以下几个方面：(1) 预测控制技术在主汽温控制的应用预测控制的最大优点是对模型精度要求不高，且跟踪性能好，比较适用于复杂工业过程的控制，特别是比较适合于大滞后被控过程的自动控制。由于主蒸汽温度被控对象是一个大迟延系统，能实现“超前”控制是改善控制效果的一个有效手段。由于预测控制具有优良的性能，国内外不少学者对预测控制技术在火电机组热工过程控制中应用进行了一些研究，并针对主汽温系统多扰动、大迟延、大惯性、动态特性复杂等，给出了控制策略。仿真结果表明都能较好地克服对象的多扰动特性和大时滞特性，有较强的抗干扰能力和鲁棒性。（2) 模糊控制技术在蒸汽温度控制中的应用文2针对传统PID控制中的非线性和不确定性在实际电厂运行过程中对电厂运行效率的不利影响，提出一种基于神经网络模糊控制理论的非线性预测控制器(NFGPC)，该控制器中包含了一个局部的神经网络线性模块，用于200Mw的电站锅炉的过热蒸汽的控制。将模糊控制理论、神经网络等技术用于对电厂的主汽温控制、过热汽温的控制成为了很多学者经常采用的一种手段，实践也证明这种方法取得了不错的效果。文3设计了一种具有变论域思想的自适应预测模糊控制器，并应用于600 Mw主汽温控制系统中，获得了良好的控制品质；并且针对多变量控制系统，设计了一种基于遗传算法的受限模糊广义预测控制算法，此算法可以优化任何形式的目标函数同时能够使系统快速收敛。将其应用于300Mw的某燃油单元机组协调控制系统中，有效减小了系统的超调量，提高了系的快速性。文3针对主汽温具有影响因素多、时滞较大及模型时变的特点，提出了主汽温自整定模糊控制算法，该算法利用解析公式形式，对主汽温偏差及其变化率、导前汽温变化率进行了综合考虑，并可根据运行工况自动调整各模糊变量的加权因子，其控制效果优于常规的控制系统。文4提出一种聚焦式模糊变结构控制算法，能使系统在多种干扰下具有较强鲁棒性的同时，具有较快的响应速度，仿真结果表明：新算法具有很好的动态品质，可以有效地消除系统的稳态误差，其控制效果良好。Eliasi等IMJ将自适应模糊控制理论应用于核电站主蒸汽的控制中，在负荷变化时采用预测控制与模糊理论相结合，在实践中取得了不错的效果。(3) 神经网络技术在主汽温控制中的应用基于神经网络的自学习模糊PID控制器在控制品质方面明显优于常规PID控制系统，尤其在变工况时，控制效果更加明显。此类控制的特点是将神经网络所具有的自学习能力与PID控制器的鲁棒性相结合，实现了对非线性、大时滞系统模型的控制。神经网络采用多层前传网络结构，针对BP算法容易陷入局部最小的缺陷，提出了数值积分寻优和BP算法相结合的IBP神经网络训练算法。仿真结果表明了所设计控制系统优良的控制性能。(4) 遗传算法在电厂主汽温控制中的应用针对电厂过程控制中主蒸汽温度的大迟延性、非线性和时变性，文5在充分分析主蒸汽温度被控对象动态特性和现场实际情况的基础上，将现代控制理论中的状态观测器技术，用于实现主蒸汽温度的导前汽温的重构；采用神经网络技术，实现了准确性较高的主蒸汽温度前馈控制：采用模糊控制技术，在很难获得主蒸汽温度被控对象的数学模型的情况下，实现了对主蒸汽温度的有效控制；设计出适用于过程控制的基于遗传算法机理的模糊控制器动态优化方法，解决了一般遗传算法实时性差的难题，实现了对电厂主蒸汽温度模糊控制系统中的模糊控制器的实时在线动态优化。文6针对工程实际应用，提出了一种改进的变参数PID 控制策略，提出了鲁棒整定的思想，并采用免疫遗传算法进行设计参数的鲁棒优化调整，对变参数PID控制的参数优化设计是成功和有效的，使得具有多模型特性的汽温控制系统在不同的负荷下均获得很好的调节品质。1.3本论文研究内容基于上述分析，本文致力于解决火电厂过热汽温系统的大迟延、大惯性等不利因素对控制系统性能的影响，并对设计所得的主汽温控制系统做了相应的仿真分析。论文的主要工作包括:（1）过热蒸汽被控对象动态特性的特点。大迟延、大惯性的对象是难控对象，纯迟延的存在使系统稳定性和控制品质明显下降，在模型摄动的情况下，情况会更严重。（2）对串级控制算法作基础研究，了解其优点及弊端。 （3）针对被控对象的数学模型，设计常规串级主汽温控制系统，并通过计算仿真整定控制器参数。（4）通过仿真试验，研究主汽温串级控制系统的稳定性、鲁棒性、抗干扰能力等。2 蒸汽温度控制系统2.1火力发电厂的生产流程火电厂中，通常将燃料运至电厂，经输送加工后，送入锅炉进行燃烧，使燃料中的化学能转变为热能并传递给锅炉中的水，使水变成高温高压的蒸汽，通过管道将压力和温度都较高的过热蒸汽送人汽轮机， 推动汽轮机旋转作功，蒸汽参数则迅速降低，最后排入凝汽器。在这一过程中，蒸汽的热能转变为汽轮机转子旋转的机械能。发电机与汽轮机是用联轴器相连一同旋转的，汽轮机转子的机械能，通过发电机转变成电能。发电机产生的电能， 经升压变压器后送人输电线路提供给用户。火力发电厂的主要系统燃料与燃烧系统：用煤将炉水烧成蒸汽（化学能转化为热能）（1） 燃煤制备流程：煤从储煤场经输煤皮带送到锅炉房的煤斗中，再进入磨煤机制成煤粉。煤粉与来自空气预热器的热风混合后喷入锅炉炉膛燃烧。（2） 烟气流程：煤在炉内燃烧后产生的热烟气经过锅炉的各部受热面传递热量后，流进除尘器及烟囱排入大气。（3） 通风流程：用送风机供给煤粉燃烧时所需要的空气，用吸粉机吸出煤粉燃烧后的烟气并排入大气。（4） 排灰流程：炉底排出的灰渣以及除尘器下部排出的细灰用机械或水利派往储灰场。汽水系统:蒸汽推动汽轮机做功（热能转化为机械能）（1） 汽水流程：水在锅炉内变成过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中不断膨胀、高速流公，推动汽轮机高速旋转，最后排入凝汽器中冷凝成水，再经升压、除氧、加热后送回锅炉，形成闭合的汽水循环。（2） 补给水流程：汽水循环中水有损失，必须经常补充，补给水要经过化学处理，水质合格后送入汽水系统。（3） 冷却水流程：在汽轮机排气的凝结过程中，放出的大量的潜热需有冷却水带走。冷却水的吸取，冷却即其设施构成冷却水流程。电气系统：汽轮机带动发电机发电（机械能转化为电能），并通过输配电装置将电能送往用户。（1） 向外供电流程：发电机发出的电能由变压器升压后，经高压配电装置和输电线路送往用户。（2） 厂用电流程：发电厂内的自用电由厂用变压器降压后，经厂用配电装置相场内各种附机及照明等供电。控制系统：操作机械化、自动化。（1） 燃料的装卸、入仓、制粉、输送机械化、自动化。（2） 锅炉给水、气温和燃料的自动调节，炉膛灭火安全保护系统（3） 汽轮机自动控制系统包括调节、自启停、监视与保护和主蒸汽旁路控制等。（4） 发电机控制系统包括参数显示、励磁调节、运行操作和安全保护等（5） 厂用电控制系统包括厂用电备用电源自动切换、直流系统监视和和交流不停电电源系统等。2.2主蒸汽温度控制对象8主蒸汽温度控制在火力发电厂控制系统安全和经济运行中起到重要作用。主蒸汽温度(简称主汽温)自动控制的任务是维持过热器出口蒸汽温度在允许范围内，保护过热器，使管壁温度不超过允许的控制温度。过热汽温调节系统如图2-1所示，通过喷水减温改变过热器人口温度1以及改变出口温度2 ，过热器分为惰性区和导前区。主汽温是锅炉运行质量的重要指标之一，主汽温过高或过低都会显著地影响电厂的安全性和经济性。【8】图2-1过热汽温调节系统原理图主汽温过高，可能造成过热器、蒸汽管道和汽轮机的高压部分金属损坏，因而主汽温的上限一般不超过额定值5 K；主汽温过低，会降低全厂的热效率并影响汽轮机的安全运行，因而主汽温的下限一般不低于额定值10 K。主汽温控制系统本身具有一些特点 。首先，引起过热蒸汽温度变化的扰动因素很多，如蒸汽流量、火焰中心位置、燃烧工况、烟气温度和流速、炉膛受热面结焦、过热器积灰、减温水量等，都会使过热蒸汽温度发生变化。其中，起主要作用的是蒸汽流量和减温水量。过热汽温对象动态特性表现为大惯性、大迟延且有自平衡能力。其次，主汽温对象动态特性随运行工况(主蒸汽流量、压力、温度)的变化而变化。随着主蒸汽流量(负荷)的变化，主汽温对象特性变化明显，特别是惰性区的时间常数以及导前区的静态增益。目前，从安全运行角度考虑，广泛采用喷水减温。但此法使主汽温对象特性具有较大迟延和惯性。2.3汽温调节对象的动态特性【9】大型锅炉的过热器一般布置在炉膛上部和高温烟道中, 过热器往往分成多段, 中间设置喷水减温器, 减温水由锅炉给水系统供给, 如图2-2 所示。影响过热器出口汽温s 的因素很多，有蒸汽流量、燃烧工况、锅炉给水温度、过热器入口蒸汽焓值、流经过热器的烟气温度、流量、流速、以及锅炉受热面的结渣、积灰、结垢情况等。其中主要的影响因素是蒸汽流量、烟气传热量和减温水量，主要有以下三种扰动。图2-2过热器分段喷水减温示意图1锅炉汽包; 2 一级喷水减温器;3二级喷水减温器2.3.1蒸汽流量扰动汽机负荷变化会引起蒸汽量的变化。蒸汽量的变化将改变过热蒸汽和烟气之间的传热条件, 导致汽温变化。图2-3( a )是蒸汽流量扰动D 下过热蒸汽温度的响应曲线。可以看到, 温度响应具有自平衡特性, 而且惯性和迟延都比较小。这是因为蒸汽量变化时, 沿过热器管道长度方向的各点温度几乎同时变化。图2-3过热汽温s 的响应曲线( a ) 蒸汽量D 或烟气传热量Q 扰动; ( b) 减温水Ws 扰动2.3.2. 烟气侧传热量的扰动燃料量增减, 燃料种类的变化, 送风量、吸风量的改变都将引起烟气流速和烟气温度的变化, 从而改变了传热情况, 导致过热器出口温度的变化。由于烟气传热量的改变是沿着整个过热器长度方向上同时发生的, 因此汽温变化的迟延很小, 一般在10 20s 之间。烟气侧扰的汽温响应曲线如图2-3( a ) 所示。它与蒸汽量扰动下的情况类似。2.3.3 喷水量扰动应用喷水来控制蒸汽温度是目前广泛采用的一种方式。对于这种控制方式, 喷水量扰动就是基本扰动。从图2 可以看出, 过热器是具有分布参数的对象, 可以把管内的蒸汽和金属管壁看作是无多个单容对象串联组成的多容对象。当喷水量发生变化后, 需要通过这些串联单容对象, 最终引起出口蒸汽温度s 的变化。因此, s 的响应有很大的迟延。减温器离过热器出口越远, 迟延越大。喷水量扰动下的动态特性曲线如图2-3( b) 所示。2.4蒸汽温度控制问题蒸汽温度控制在火电厂安全经济运行方面有着相当重要的地位，也是防止锅炉超温的一种重要手段，但绝大多数火电厂的锅炉系统不时会出现锅炉主蒸汽超温或过热器局部超温的问题，这就涉及如何有效地控制锅炉减温水系统的问题了。在经典控制理论中，人们通常假定调节量响应迅速且远大于调节对象的变化量，但在生产实践中，大多数控制系统并非如此。锅炉主蒸汽温度信号是一个大时滞信号，火电厂锅炉蒸汽温度控制系统通常采用串级PID调节方式，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好，但是，在较大幅扰动情况下就不一定了。【10】就锅炉主蒸汽温度控制而言，特别是管路较长的情况下，单单依靠PID控制蒸汽温度难以胜任，通常我们会选择串级PID调节方式，引入一个离减温水出口较近的温度点做为导前温度。导前蒸汽温度的变化在一定程度上是主蒸汽温度变化的先兆，结合导前蒸汽温度的微分作用，就加强了系统对主蒸汽温度变化的预控作用。如图2-4所示，主蒸汽温度2和其给定值经过主调PI运算得出一个相应的导前温度给定值s，s与导前温度1经副调PID运算得出减温水调节阀开度指令并用该指令来控制减温水流量，最终控制主蒸汽温度。从图2-4可知，在工况相对稳定的情况下，每台锅炉都能将蒸汽温度控制得很好，但在锅炉转磨运行，负荷有较大幅度变化情况下，锅炉火焰中心较高时或调节量受限时就不一定了。只有经验丰富的运行人员才能根据经验切除自动调节功能，将主蒸汽温度控制得相当稳定。在一些较极端的情况下，主蒸汽温度2缓慢上升，导前温度给定值s 相应缓慢降低，这时导前温度1可能没有上升甚至还下降，经运算，减温水调节阀不会开大反而会暂时关小，最后发生锅炉主蒸汽温度超温问题。若出现调节量受限，后果可能更为严重，这是单纯的串级PID调节方式本身的局限性导致的。图2-4过热蒸汽温度控制流程另外，锅炉主蒸汽温度信号是一种大时滞信号，普通电动执行机构响应速度不快，不适宜频繁动作，因此，为了在正常工况下尽快稳定主蒸蒸汽温度，相关PID参数必须平缓，这样就降低了串级PID调节对较突然的大幅扰动的控制能力，主蒸汽温度就可能因此幅度变化较大，发生超温或过低现象。若要保证大幅扰动和小幅扰动下的主蒸汽温度变化幅度均在3 内，就必须根据该温度变化的特性，对控制功能进行相应的特殊处理，否则，即使阀门特性再好、执行机构响应速度再快也无济于事。从理论上来说，只要人工手动能控制好的系统，采用自动控制也应该没问题，只是控制成本的高低问题。若想寻求较好的控制性能和较低的控制成本，就必须对其控制对象的各种特性进行充分有效的分析。在调节阀应该正常动作而串级PID调节没有迅速输出正确指令时，制定强制改变输出量的控制方案。为此，我们采用分段函数辅助串级PID调节方式以便获得优良的鲁棒性。2.5主蒸汽温度控制的难点分析 主蒸汽温度的控制多年来一直是电厂过程控制中的一个难点，主要是因为以下几点原因： (1) 主蒸汽温度是一个迟延现象比较严重的对象，机组容量越大，迟延现象就越严重。当有些机组的主蒸汽温度的迟延太大时，反馈控制根本来不及控制。而PID控制就是属于反馈控制。 (2) 主蒸汽温度容易受到多种因素的影响，如烟气温度和压力的波动、负荷的变化、主蒸汽压力的变化、燃料量的变化、给水温度和流量的波动及减温水流量的抖动、吹灰器投入、磨煤机的切换等都会引起主蒸汽温度的变化。(3) 主蒸汽温度被控对象工艺流程复杂，不同的机组主蒸汽温度特性完全不同，很难得到对象与干扰之间准确的数学模型。即使通过现场试验的办法得到当时对象的数学模型，但随着时间的推移和机组工况的变化，对象的模型会发生变化。2.6影响主汽温的因素主蒸汽温度是锅炉运行中的主要参数之一。汽温过高会加快金属材料的蠕变产生额外的热应力，缩短设备的使用寿命。汽温过低会使汽轮机叶片的侵蚀作用加剧损坏设备，使发电厂的经济性降低。引起汽温变化的基本原因有两方面，即烟气侧传热的改变和蒸汽侧吸热工况的改变。烟气侧的影响因素有：1.燃料性质的变化。2.风量的变化。3.喷燃器运行方式的改变。4.给水温度的变化。5.受热面的清洁程度。蒸汽侧的影响因素有：1.锅炉负荷的变化。2.饱和蒸汽湿度的变化。3.减温水的变化。对汽温的调节可以从两方面来进行。蒸汽侧调节汽温:目前高压和超高压锅炉基本上都采用喷水减温器。另外一种减温器则为表面式，它是利用给水间接吸收蒸汽热量。喷水式减温器比表面式减温器调节温度要快，对处理蒸汽温度突然的变化比较有效。烟气侧调节汽温:是通过改变过热器烟气侧的传热条件，即改变过热器受热面的吸热量。根据具体设备有两种方法。即改变火焰中心位置和改变烟气量。 为了得到良好的气温调节特性，往往应用两种以上调节方法，并常以喷水减温与一种或两种烟气侧调温方法相配合。一般情况下，烟气侧调温只能作为粗调，而蒸汽侧调温才能进行细调。最终要根据生产实际情况来进行调节2.7汽温串级控制系统 随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格, 参数间相互关系更加复杂, 对控制系统的精度和功能提出许多新的要求, 特别是在电厂的主要热工过程自动调节系统中, 由于对生产过程的安全性和经济性要求较高, 如果仍然采用单回路调节系统, 往往不能满足生产的要求, 因此, 要采用复杂的调节系统, 即采用串级控制系统可有效地提高调节品质, 并且得到了广泛的应用。【9】2.7.1串级控制系统的分析串级控制是改善调节过程极为有效的方法，并且得到了广泛的应用。串级控制系统是在结构上增加了一个内回路。首先是内环具有快速作用, 它能够有效地克服二次扰动的影响。可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。图2-5串级控制系统的方框图现在对图2-5所示方框图进行分析, 可进一步揭示问题的本质。图中: Gc1 ( s) 、Gc2 ( s) 是主、副调节器传递函数; G p 1 ( s) 、G p 2 ( s) 是主、副对象传递函数; Gm1 ( s) 、Gm2 ( s) 是主、副变送器传递函数, G v ( s) 是调节阀传递函数。G d 2 ( s) 是二次干扰通道的传递函数。当二次干扰经过干扰通道环节G d 2 ( s) 后, 进入副环, 首先影响副参数y 2 , 于是副调节器立即动作, 力图消弱干扰对y2 的影响。显然, 干扰经过副环的抑止后再进入主环, 对y 1的影响将有较大的减弱。按图2-5所示串级系统, 可以写出二次干扰D2 至主参数y1 的传递函数是( 2-1)为了与一个简单回路控制系统相比较, 由图2.4可以很容易地得到回路控制下D2 至y 1 的传递函数为： (2-2)比较式( 2-1) 和( 2-2) 。先假定G c ( s) = Gc1 ( s) , 且注意到单回路系统中的Gm ( s) 就是串级系统中的Gm 1 ( s) , 可以看到, 串级中Y1 ( s) / D2 ( s) 的分母中多了一项, 即Gc 2 ( s)G v ( s) G p 2 ( s) Gm2 ( s) 。在主环工作频率下, 这项乘积的数值一般是比较大的, 而且随着副调节器比例增益的增大而加大; 另外式( 2-1) 的分母中第三项比式( 2-2) 分母中第二项多了一个Gc2 ( s) 。一般情况下, 副调节器的比例增益是大于1 的。因此可以说, 串级控制系统的结构使二次干扰D2 对主参数y1 这一通道的动态增益明显减小。当二次干扰出现时, 很快就被副调节器所克服。与单回路控制系统相比, 被调量受二次干扰的影响往往可以减小10100 倍,这要视主环与副环中容积分布情况而定。图2-6单回路控制系统方框图其次, 由于内环起了改善对象动态特性的作用, 因此可以加大主调节器的增益, 提高系统的工作频率。分析比较图2-5 和图2-6, 可以发现串级系统中的内环似乎代替了单回路中的一部分对象, 亦即可以把整个副回路看成是一个等效对象Gp 2 ( s) , 记作Gp 2 ( s) = ( 2-3)假设副回路中各环节传递函数为G p 2 (s) =; Gc2 (s) = Kc2 ;G v (s) = Kv ; Gm 2 (s) = Km 2将上述各式代入式( 3-3) , 可得Gp 2 ( s) = = (2-4)若令Kp2= ( 2-5)T p 2= (2-6)则式( 2-4) 改写为Gp2( s) = ( 2-7)式中, Kp2和T p 2分别为等效对象的增益和时间常数。比较Gp2 ( s) 和Gp2( s) ( 见式2-7) , 由于1 + K C2KvKp 2Km 2 1 这个不等式在任何情况下都是成立的, 因此有T p 2 T p 2 ( 2-8)这就表明, 由于副回路的存在, 起到改善动态特性的作用。等效对象的时间常数缩小了( 1+ KC2KvKp2Km2 ) 倍, 而且随着副调节器比例增益的增大而减小。通常情况下, 副对象是单容或双容对象, 因此副调节器的比例增益可以取得很大, 这样, 等效时间常数就可以减到很小的数值, 从而加快了副环的响应速度, 提高了系统的工作频率。串级控制系统有效地克服二次扰动，改善了对象的动态特性。串级控制的主要优点可概括如下：1副回路的内部干扰，通常在它影响主被调量之前就已经被副控制器所控制了。2副对象的相位滞后由于存在副回路而显著减小，因而改善了主回路的响应速度。3副对象增益变化的影响在副回路内部被克服。4副回路可按主回路的需要进行精确的控制。串级控制也存在如下一些不足：1只有当中间变量能够被检测出来时，才可能采用串级控制，但许多过程在结构上是不容易以这种方式加以分割的。2串级控制系统比单回路控制系统需要更多的仪表。3串级控制系统的投放和整定比单回路控制系统要复杂一些。2.7.2串级系统设计和实施中的问题如果把串级系统中整个闭环副回路作为一个等效对象来考虑, 可以看到主回路与一般单回路控制系统没有什么区别, 无须特殊讨论。但是副回路应该怎样设计, 副参数又如何选择, 主、副回路之间又有什么关系, 一个系统中有两个调节器会产生什么问题等等, 这些正是系统设计和实施中应予以考虑的问题。副回路的设：计串级系统的种种特点都是因为增加了副回路的缘故。可以说, 副回路的设计质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。从结构上看, 副回路也是一个单回路, 问题的实质在于如何从整个对象中选取一部分作为副对象, 然后组成一个副控制回路, 这也可以归纳为如何选择副参数。下面是有关副回路设计的几个原则。（1） 副参数的选择应使副回路的时间常数小, 调节通道短, 反应灵敏通常串级系统被用来克服对象的容积滞后和纯滞后。也就说, 总是这样来选择副参数, 使得副回路时间常数小, 调节通道短, 从而使等效对象的时间常数大大减小, 提高了系统的工作频率, 加速了反应速度, 缩短控制时间, 最终改善系统的控制品质。总之, 它们都设法找到一个反映灵敏的副参数, 使得在干扰影响主参数之前就得到克服, 副回路的这种超前控制作用, 必然使控制质量有很大提高。（2）副回路应包含被控对象所受到的主要干扰串级系统对二次干扰有较强的克服能力。为了发挥这一特殊作用, 在系统设计时, 副参数的选择应使得副环尽可能多地包括一些扰动。当然也不能走极端, 试图把所有扰动都包括进去, 这样将使主调节器失去作用, 也就不成其为串级控制了。因此, 在要求副回路调节通道短、反应快与尽可能多地纳入干扰这两者之间存在着矛盾, 应在设计中加以协调。副调节器实际上是保持流量计孔板压差稳定, 目的是保持加热量稳定, 这是一种常用的方案。但它也不是唯一可行的。我们知道, 当加热蒸汽供汽压力变化时, 仅仅保持孔板压差稳定并不能完全保证加热量稳定。加热量的大小可以更好地表现在蒸汽管壁的温度上, 而由于蒸汽凝结放热的热阻很小, 即管壁温度与管内蒸汽饱和温度之间的差别很小,，因此如果把调节阀后的蒸汽压力选作副参数来进行串级控制那么就可以把加热蒸汽侧的扰动完全包括在副环之内, 与控制蒸汽流量串级方案相比,，副环中包括了更大一些的时间常数, 因而也有助于改善主环的调节性能。 如果以再沸器的蒸发量作为副参数如图中作用线3 所示, 那么就可以进一步把再沸器釜液侧的扰动包括在副环内( 包括再沸器液位、塔釜液温度等) 。整个调节对象的最大惯性是在塔底部分, 所以这样也有助于改善主环的调节性能。但是这样一来副环的调节性能就要降低一些, 对于克服加热蒸汽方面的扰动就不能那样迅速了。在具体情况下, 副环的范围应当多大, 决定于整个对象的容积分布情况以及各种扰动影响的大小。副环的范围也不是愈大愈好, 太大了, 副环本身的调节性能就差, 同时还可能使主环的调节性能恶化。一般应使副环的频率比主环的频率高得多。当副环的时间常数加在一起超过了主环时, 采用串级调节没有什么效果。图2-7 5.16 精馏塔提馏段温度控制的不同串级方案2.7.3主蒸汽温度串级控制系统根据在基本扰动Ws 下主蒸汽温度s 有较大的容积迟延, 而减温器出口处蒸汽温度d 却有明显的导前作用, 完全可以构成以d 为副参数、s 为主参数的串级控制系统, 如图2-8所示。显然, 副回路是个快速回路, 可以很快消除作用于内回路中的扰动。副调节器应根据快速回路来进行整定, 其整定方法同一般串级回路。实际上, 汽温串级系统在控制效果上与带导前微分信号的控温系统没有什么区别, 只是由于后者仪表投资较少, 过去曾在电厂得到广泛应用。现在, 随着电力工业的迅速发展,串级控温系统又具有整定方便的优点, 汽温串级控制系统已在国内外得到越来越多的应图2-8汽温串级控制系统用。现在20万kW 以上的机组大多采用这种控制方案。2.7.4 串级过热气温调节系统的结构和原理11针对过热气温调节对象调节通道惯性迟延大、被调量出口气温反馈慢的特点, 从对象的调节通道中找出一个比被调量反应快的中间点信号( 喷水减温器出口气温) 作为调节器的补充反馈信号, 以改善对象调节通道的动态特性, 提高调节质量。构成的串级过热气温调节系统见图2-9。系统中有主副两个调节器, 主调节器接受被调量出口气温及其给定值信号, 主调的输出I 给与喷水减温器出口气温1 共同作为副调节器输入, 副调节器输出IT 控制执行机构位移, 从而控制减温水调节阀门的开度。假如有喷水量WB 的自发性上升造成内扰, 如果不及时加以调节,出口气温将会下降。但因为喷水内扰引起的1下降快于的下降, 温度测量变送器输出1降低, 副调节器输出IT 降低, 通过执行器使喷水阀开度下降, 则WB 降低, 使扰动引起的1波动很快消除, 从而使主气温基本不受影响。另外副调还受到主调输出的影响, 假如负荷或烟气扰动引起主气温提高, 测量变送器输出I增加, I对主调是反作用, 主调输出I 给降低, I 给对副调也是反作用, 使副调输出IT 增加, 通过执行器使喷水阀开度提高, 则WB 提高, 从而稳定主气温。图2-9 串级过热气温调节系统从图2-9 中可看到, 串级系统和单级系统有一个显著的区别, 即在结构上形成了两个闭环。一个闭环在里面, 被称为内回路或副回路, 包括副对象( 其输入为调节量WB, 输出为1) 、副参数1测量变送器、副调节器、执行器、喷水阀。内回路任务是尽快消除减温水量的自发性扰动和其他进入内回路的各种扰动( 喷水减温器入口蒸汽温度、流量变化) , 在调节过程中起着粗调的作用; 副调一般采用P 或PD 调节器。一个闭环在外面, 被称为外回路或主回路, 包括主对象( 即过热器, 其输入为1, 输出为) 、主参数测量变送器、主调节器、副回路, 外回路的任务是保持过热器出口气温等于给定值, 起细调作用, 主调一般采用PI 或PID 调节器。2.7.5串级控制系统和简单控制系统的区别 随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格, 参数间相互关系更加复杂, 对控制系统的精度和功能提出许多新的要求, 特别是在电厂的主要热工过程自动调节系统中, 由于对生产过程的安全性和经济性要求较高, 如果仍然采用单回路调节系统, 往往不能满足生产的要求, 因此, 要采用复杂的调节系统, 即采用串级控制系统可有效地提高调节品质, 并且得到了广泛的应用。串级控制系统是采用两级调节器, 一级为主调节器, 另一级为副调节器, 这两级调节器串在一起工作, 各尽其能。通用的串级控制系统框图如下:图2-10串级控制系统框图1串级控制系统在结构上形成了两个闭环, 一个闭环在里面, 被称为副环或者副回路在控制过程中起着“粗调”的作用; 一个环在外面, 被称为主环或主回路, 用来完成“细调”任务, 以最终保证被调量满足工艺要求。无论主环或副环都有各自的调节对象, 测量变送元件和调节器。2在主环内的调节对象, 被测参数和调节器被称为主调节对象, 主参数和主调节器。在副环内则相应地称为副调节对象, 副参数和副调节器。两个调节器它们的作用各不相同。主调节器具有自己独立的设定值, 它的输出作用副调节器的设定值, 而副调节器的输出信则是送到调节器去控制生产过程。3比较串级控制系统和简单的控制系统, 前者只比后者多了一个测量变送元件和一个调节器, 增加的仪表投资并不多, 但控制效果却是显著的提高。2.7.6串级控制系统可有效地提高调节品质从上面串级控制系统图中可看到, 一般把包括在副回内的扰动称为二级扰动,而把作用于副环之外的扰动称为一次扰动, 这两类扰动串级控制效果有本质的差别。首先是副环具有快速作用, 它能够有效地克服二次扰动的影响, 可以说串级系统主要是用来克服进入副回路的二次干扰的。当二次干扰经过干扰通道后, 进入副环, 首先影响副参数, 于是副调节器立即动作, 力图削弱干扰对副参数的影响, 显然, 干扰经过副环的抑止后再进入主环, 对主参数的影响将有较大的减弱。当二次干扰出现时, 很快就被副调节器所克服, 与单回路控制系统相比, 被调量受二次干扰的影响往往可以减少10- 100 倍。由于副环起了改善对象动态特性的作用, 因此, 可以加大主调节器的增益, 提高系统的工作频率。通过对串级控制系统和单回路控制系统方框图的分析, 发现串级控制系统中的副回路存在, 起到了改善动态特性的作用。通常情况下, 副对象是单容或双容对象, 因此, 副调节器的比例增益可以取得很大, 这样等效时间常数就可以减小到很小的数值, 从而加快了副环的响应速度, 提高了系统的工作频率。由于副环的存在, 使串级控制系统有一定的自适应能力。众所周知, 生产过程往往包含一些非线性因素,因此, 在一定的负荷下, 即在确定的工作点情况下,按一定控制质量指标整定的调节器参数只适应工作点附近的一个小范围, 如果负荷变化过大, 超出这个范围, 那么控制质量就会下降。在单回路控制系统中是难以解决的, 但在串级控制系统中情况就不同了,负荷变化引起副回路内各环节参数的变化, 可以较少影响或不影响系统的控制质量。因此, 如果副对象增益或调节阀的特性随负荷变化时, 在不改变调节器整定参数的情况下, 系统的副回路能自动的克服非线性因素的影响, 保持或接近原有的控制质量, 从另一方面看, 由于副回路通常是一个流量随动系统, 当系统操作条件或负荷改变时, 主调节器将改变其输出值, 副回路能快速跟踪及时而又精确地控制流量, 从而保证系统的控制品质。从上两方面看, 串级控制系统对负荷的变化有一定自适应能力。2.7.7调节器的选型和整定方法12 在串级控制系统中, 主调节器和副调节器的任务不同, 对它们的选型即调节动作规律的选择也有不同的考虑。副调节器的任务是更快动作以迅速抵消落在副环内的二次扰动, 而且副参数则并不要求无差, 所以一般选P 调节器, 也可以采用PD 调节器, 但这增加了系统的复杂性, 而效果并不很大。在一般情况下, 采用P 调节器就足够了, 如主、副环的频率相差很大, 也可以考虑采用P I 调节器。主调节器的任务是准确保持被调量符合生产要求。凡是需要采用串级调节的场合, 工艺上对控制品质的要求总是很高的, 不允许被调量存在偏差, 因此, 调节器都必须具有积分作用, 一般都采用P I 调节器。如果副环外面的容积数目较多, 同时有主要扰动落在副环外面的话, 就可以考虑采用P ID 调节器。例: 我厂主汽温度自动调节, 主调均采用P ID 调节器, 有效的克服了迟延, 起到了较理想的调节效果, 主汽温度最大波动在1之内。串级控制系统的整定要比简单回路控制系统复杂些, 因为两个调节器在一起, 在一个系统中工作, 互相之间或多或少有些影响, 在运行中, 主环和副环的波动频率不同, 副环频率较高, 主环频率较低, 在整定时, 应尽量加大副调节器的增益以提高副环的频率, 目的是使主副环的频率错开, 最好相差三倍以上, 以减少相互之间的影响。在运行中, 有时会把主环从自动切换到手动操作, 副调节器的整定要考虑到这个情况, 它自己应能很好地独立工作。在一般情况下, 既然主、副环的频率相差很多, 相互之间的影响不大, 这时就可以首先在主环开路的情况下, 按通常整定简单控制系统的方法整定副调节器, 然后, 在投入副调节器的情况下, 再按通常的方法把主调节器整定好。可见, 调节器的选型和整定方法是串级控制系统能够更好发挥控制作用是非常重要的。2.7.8采用串级控制系统可有效地提高调节品质的主要因素1.对二次干扰有很强的克服能力。2.改善了对象的动态特性, 提高了系统的工作频率。3.对负荷或操作条件的变化有一定自适应能力。4.理想的调节器选型和整定方法。2.8主蒸汽温度控制策略研究针对电厂锅炉这个复杂的控制对象，人们不断地探索更为有效和精确的控制手段：从长期研究和实践总结出的经典控制理论到随着微机的发展和应用而得到飞跃发展的现代控制理论，再到后来出现的无须精确数学模型的智能控制方法。现不对具体结果，仅对控制思想、控制方法作个简要的介绍和综述。2.8.1基于经典控制理论的主汽温度控制方法【13】常规PID控制，具有结构简单易于实现、鲁棒性强等优点，因此目前广泛应用于电厂主汽温度的调节。但常规PID控制器构成的调节系数存在其固有的缺点：参数是根据被控对象的数学模型来整定的，而汽温调节对象的时变性、不确定性和非线性，使其难以建立精确的数学模型，仅仅依靠PID控制，无论PID参数如何匹配，也很难使蒸汽温度适应各种扰动的变化。而且，一旦运行工况发生较大变化，过热汽温对象的动态特性和模型参数会受到较大影响。所以，采用常规PID控制方法很难获得令人满意的控制性能。基于以上常规PID控制的缺点，出现了一系列的改进方法，有相应的相位补偿，前馈补偿控制，分段控制等。但是，这些针对PID控制系统的一系列改进措施，仍然不能从根本上使控制系统达到满意的控制品质。根本原因是它们无法对系统的内部动态参数进行直接有效地控制。典型的PID控制方法有下列几种：1.普通PID串级控制PID 串级控制由主、副2个控制回路组成。副控制回路中的调节器根据导前汽温的变化改变减温水量，消除减温系统的内部扰动，对主汽温进行粗调。当主汽温偏离给定值时，主调节器输出校正信号，不断调节减温水量，直到主汽温恢复到给定值，对主汽温起细调作用。锅炉过热汽温串级控制系统结构如图2-11所示，图中：R1(s)和R2(s)分别为副控制器和主控制，G1(s) G2(s)分别为导前区和惰性区的传递函数，H1(s)和H2(s)分别为导前汽温和过热汽温的测量变送单元特性，d1和d2为系统扰动。图2-11主汽温串级控制回路框图相位补偿控制:相位补偿网络，是补偿被控对象的滞后，通过补偿网络的相角超前，有效降低补偿后等效被控对象的模型阶次。这种控制方法的主要思想，是用一个超前动态补偿网络，通过它的超前性能来补偿被控对象的惯性和滞后，从而使补偿后的等效对象具有滞后较小的特性。因此，可在保证控制系统稳定性不变的前提下，加快调节器的动作速度，从而有效抑制汽温的变化，文献14相位补偿技术的控制思想如图2-12所示。图2-12相位补偿控制回路框图分段控制:目前大机组的过热汽温一般采用分段控制，I级喷水减温器通常布置在屏式过热器之前，级喷水减温器通常布置在末级过热器之前，主汽温的控制通过I级喷水和级喷水来实现，这样便可以提高汽温调节对象的动态特性。就原理上说，在定值分段汽温控制系统中，末级喷水维持锅炉出口汽温，末级前的每级喷水分别维持过热器段相应的中间点温度，各个减温喷水器的控制逻辑相互独立，定值系统的控制目标明确，系统结构分明，系统参数整定容易，投运相对简单，且各级调节系统手动、自动切换自由。但是，由于定值分段汽温调节系统各子系统分别维持各段汽温于相应的设定值，因此，当各段汽温的调节对象特性不同时，这种调节系统将不适应锅炉工艺过程的要求。2.8.2基于现代控制理论的主汽温度控制方法自动控制理论在计算机飞速发展的同时也得到了飞跃的进步，二十世纪五六十年代出现了本质为“时域法”的现代控制理论，它相对于经典控制理论是一大进步，很快就有学者将其运用到主汽温度的控制中来。现代控制理论从理论上解决了系统的可控性、可观测性、稳定性及许多复杂系统的控制问题，它们在控制品质上可以达到较为理想的效果，然而在工程实现方面却都而临这样或那样的问题，目前工程应用仍然不是很多。1.状态变量控制随着控制理论的更加成熟化，出现了状态变量控制在工程上的应用。状态变量控制采用的是状态空间法来分析系统，控制系统的动态特性是用状态变量构成的一阶(或二阶)微分方程组来描述。这是一种有效的动态特性补偿技术，在不失控制系统稳定性的前提条件下，可加快喷水调节阀的动作速度，有效减少汽温的最大动态偏差。当锅炉负荷发生变化时，在过热器中蒸汽流程上的各点温度总是先于主汽温的变化，如果控制系统根据这些流程上的各点温度进行调节，一旦这些温度发生变化，控制系统马上动作、及时调节，就能取得好的控制效果。所以在常规的串级汽温控制方案的基础上，增加过热器流程上各点温度就组成状态变量控制系统。但是，在高温过热器上加装温度测点是不现实的，这就自然想到了用过热器的动态数学模型来估计这些温度值(即称状态变量)，然后根据这些估计出来的温度值来进行调节，这就构成了状态变量控制系统，其控制思想参见图2-13。图2-13状态变量控制回路框图可见，状态变量控制可以加快及提前喷水调节阀的动作，从而有效抑制汽温的最大动态偏差，对过热汽温这类有较大容积延迟的控制对象特别适用。因为沿过热器分布的状态变量有其特定的物理意义，它代表了过热器各中间点的温度，对这些温度加以控制，比单独的输出反馈控制大大提高了控制质量，并有可能实现最优控制。关键是状态观察器估计的称状态变量必须正确。过热汽温的时变特性限制其控制质量。2预测控制二十世纪七十年代后期出现的一种新型计算机控制算法 动态矩阵控制(DMC)预测控制。该算法对模型没有先验知识的要求，具有预测模型、滚动优化以及反馈校正三大特性，能实现对系统的优化控制，它能直接处理带有纯滞后的对象，对大惯性有较强的适应能力，从而有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。所以近年来，在工业过程控制领域中得到了广泛重视和应用。但是，DMC预测控制也存在某些不足：其抗干扰性不如传统的PID控制。这主要是因为动态矩阵控制一般采用较大的采样周期，在线计算量大、耗时多，因而不能快速及时克服扰动的影响，无法对随机突发性的干扰实施即时控制。所以扬长避短，有学者将DMC控制和PID控制有机结合起来，构成DMCPID串级控制，充分发挥DMC算法的超前预测性和强鲁棒性以及串级控制的抗干扰能力，力求在所有工况实现主汽温的良好控制。如图2-14所示【15】，在DMCPID过热汽温串级控制系统中，根据PID控制抗干扰能力强的特点，首先对导前汽温T。实行闭环PID 控制。PID控制中的参数可以根据常用的工程整定法，如：临界比例法，响应曲线法等结合经验公式来确定。考虑到PID控制主要是用于及时克服内部扰动，减少扰动对于主汽温T 的影响，一般采用纯比例调节器。将内环PID闭环控制系统以及惰性区作为广义被控对象实行DMC控制，用主蒸汽温度预测信号作为主反馈信号，预测主蒸汽温度的变化方向和大小，实现超前调节，有效地克服了减温水变化过程中的迟延和惯性，使系统在各种扰动作用下，能实现快速调节；并根据预测值和实际值的误差，在线不断反馈校正和滚动优化，保证系统有较好的动、静态品质和强鲁棒性。图2-14DMCPID串级控制回路框图3Smith预估控制Smith预测控制是由OJMSmith于1957年提出来的一种有效克服系统大滞后、大惯性的控制方法。优点：Smith预估控制在控制质量的改善上与常规控制手段相比，显得快速而有智能，控制的精度是反馈控制所不能企及的，它不通过反馈加以检验，这就意味着它不存在一个可以测量出来的误差。其采用的开环控制是针对工业模型的大迟延专门设计的控制方案。方案的设计有着明确的目的性，即尽可能地改善系统因大迟延而引起的控制质量问题，其效果是显著的。缺点：由于Smith是建立在精确的数学模型上的，当实际工况发生改变时，控制系统由于鲁棒性差而会引起振荡。这种对模型的误差敏感性，使得其难于在工业中广泛应用。后来有人提出在Smith补偿回路中增加一个反馈环节，则系统可以到达抗干扰的目的。它的基