热工自动控制系统1

1、热工自动控制理论与技术牛玉广北方联合电力公司华北电力大学2006年7月目录第一章 热工自动控制基础1.1 自动控制的基本概念1.1.1过程控制、程序控制与运动控制l 过程控制：对流程工业生产过程的控制，广泛应用于电力、冶金、石化、轻工等行业。l 程序控制（顺序控制或开关控制）：根据预先规定的顺序和条件，使生产工艺过程中的设备自动地依次进行操作。非流程工业控制（制造业等）。l 运动控制：机器人控制等。1.1.2 过程控制系统的组成在无人直接参与下可使生产过程或其它过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。图1-1典型的输出反馈控制系统典型的控制系统结构如图1-1所示。它是由控制对象、测量环节、调节

2、器和执行器构成输出反馈控制系统。当图中控制器由模拟仪表实现时，称为模拟（连续）控制系统；当控制器由计算机实现时，则称为计算机控制系统。由于计算机内部使用数字量进行数据的存储、运算与处理，而生产过程输入输出多为连续模拟信号，因此，计算机控制系统中首先要解决计算机与生产过程间的信号转换问题。实现这一功能的器件是多路开关、采样保持器、模数转换器、数模转换器和保持器，控制器则由计算机实现。典型的输出反馈计算机控制系统结构如图1-2所示。图1-2输出反馈计算机控制系统目前普遍采用DCS实现过程控制，其本质也是一个计算机控制系统。输出反馈控制是状态反馈控制的特例。计算机的使用使实现状态反馈控制成为可能，从

3、而为现代控制理论应用于生产过程控制创造了条件。状态反馈计算机控制系统的典型结构如图1-3所示。图1-3状态反馈计算机控制系统控制系统的主要组成部分说明如下：一、控制对象控制对象是指所要控制的装置或设备，如风机、水泵、阀门及锅炉、汽轮机、发电机等。在控制系统分析与设计中，控制对象以数学模型形式来描述，其一般形式为微分方程。当然，对于复杂控制对象，其完整准确的数学模型是难以获得的，工程上往往使用经过简化的、能满足控制要求的近似模型。当考虑被控对象参数在工作点附近波动时，可以假设被控对象具有线性输入输出关系，而以传递函数来表征。这也是目前使用最广泛的对象特性描述方法。控制对象用传递函数来表征时，其特

4、性可以用放大系数K、惯性时间常数Tm、积分时间常数Ti和纯滞后时间 t 来描述。控制对象的传递函数可以归纳为以下几类：（1） 放大环节G(s)=K，此类对象如线性阀门、杠杆系统等。（2） 惯性环节当T1=T2=Tn时，有此类对象一般伴有物质、能量的传递过程，如沿管道的加热过程等。（3） 积分环节此类对象如水箱水位系统等。（4） 纯滞后环节此类对象反映物质流动或化学反映造成的纯滞后。实际对象可能是放大环节、惯性环节、积分环节与纯滞后环节的串联。如喷水减温系统过热器出口温度对减温水调节阀开度的传递函数为惯性环节与纯滞后环节的串联：汽包水位对给水量的传递函数为积分环节与纯滞后环节的串联：控制对象也可

5、以按照输入、输出量的个数分类，当仅有一个输入U(s)和一个输出Y(s)时，称为单输入单输出对象，这是最简单的情况。当对象具有多个输入和单个输出时，称为多输入单输出对象。当对象具有多个输入和多个输出时，称为多输入多输出对象，这是最普遍的情况。锅炉汽轮机系统，在一定条件下可以简化为二输入二输出系统，如图1-4所示。其中mB为进入锅炉的热量，mT为汽轮机调门开度，N为实发功率，P为机前压力。该图说明锅炉汽轮机系统为耦合系统，mB既通过G11(s)影响P，又通过G12(s)影响N；mT既通过G22(s)影响N，又通过G21(s)影响P 。设计上述对象的控制系统时，要用到多变量解耦理论与方法。图1-4机

6、炉控制对象掌握控制对象特性对调节器参数整定十分有用。二、执行器执行器是控制系统中的重要部件，它根据控制器输出的控制信号，通过调节机构改变被调介质的流量或能量，使生产过程符合预定的要求。按照采用的动力方式，执行器可以分为电动执行器、气动执行器和液动执行器三大类。图1-5调节阀的输入输出特性执行器通常由执行机构和调节阀两部分组成，调节阀的特性有线性特性、等百分比特性和快开特性等三种，如图1-5所示。执行器性能的好坏对控制系统控制效果将产生重要影响。因此，使用前要对其进行调校，以减少死区、增加可调范围、缩小回差。控制系统设计时还要加入阀门特性非线性补偿环节。三、测量变送器测量变送器由传感器和测量线路

7、组成，它将过程参数转换为某种形式的信号，以便于传输、显示或计算。生产过程中常用的测量变送器有测量温度的热电偶、热电阻，测量压力的压力变送器，测量流量的差压变送器及液位传感器、力传感器、应变传感器、振动传感器、火焰探测器等。在计算机控制系统中，首先要将过程参数通过测量变送器转换为电信号，再经过隔离、调理及模数转换后变成数字量进入计算机。四、控制器数字控制器的核心为数字计算机，数字控制器的控制规律是由计算机程序来实现的。由于计算机程序编写的灵活性，使得数字控制器比传统模拟控制器能实现更强大的功能。1.1.3 几个术语被调量（被控量）：被测量或被控制的变量，为系统输出。通过检测可以得到的描述系统行为

8、的变量，需要调节的参数，使某参数符合给定要求。调节量（控制量）：通过控制器或操作可改变的变量，为系统输入。可以引起被调量变化，与被调量有因果关系。SISO系统：单输入单输出系统（Single Input Single Output）；MIMO系统：多输入多输出系统（Multi-Input Multi-Output）。给定值（设定值）：规定被调量按一定目标变化。定值控制：给定值保持不变。随动控制：给定值根据某一变量变化。扰动量（干扰）：引起被调量偏离给定值的各种因素。内部扰动：控制侧产生的扰动；外部扰动：非控制侧产生的扰动。模拟量：连续变化的变量，温度、压力、流量、液位等。开关量：非连续变化的变

9、量，接点的断开与闭合、继电器的激励与非激励、信号的高低、电机的起停等。开环监视与闭环控制：开环监视-过程参数只进行简单的显示、记录、处理等，不直接用于控制；闭环控制既反馈控制-通过控制信号通道与反馈信号通道构成一个闭环回路。根据反馈信号与期望的偏差来修正控制信号，以达到干预被控对象的目的。前馈控制与反馈控制：前馈控制是以不变性原理为基础的一种控制方法，实质上是一种按照扰动进行补偿的开环系统，扰动信号分别通过对象的扰动通道与前馈通道来影响被调量，并使被调量保持不变；反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为

10、之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通道，也存在从输出到输入的信号反馈通路，两者构成一个闭合的回路。反馈控制是自动控制的主要形式。常规控制与高级控制：用PID等简单控制算法实现的控制叫常规控制；用高级控制算法实现的控制叫高级控制，如预估控制、状态观测器、智能控制等。1.2 控制系统性能指标静态（或稳态）：参数在一定意义下保持不变，平衡状态，是相对的。动态：系统处于两个平衡之间的过渡状态，参数是变化的。系统受内扰与外扰的作用，会不断发生变化，如给定值变化、外界条件变化等。会偏离稳定状态。控制系统在受到干扰作用时的过渡过程可能有如图四种情况：不

11、振荡、衰减振荡、等幅振荡、渐扩振荡。衡量一个控制系统的指标一般可归纳为三个方面：稳定性、准确性和快速性。控制系统的性能指标是衡量和比较控制系统优劣的准则。这些准则体现了工业生产过程对控制的稳定性、准确性和快速性的要求。以图1-7所示控制系统在给定扰动下的被调量阶跃响应曲线为例，说明几种性能指标的含义及计算方法。一、率减比和率减率率减比和率减率都是衡量一个过渡过程的率减程度的指标。其中率减比等于两个相邻的同相波峰值之比，即率减比 率减率是指经过一个周期后，波动幅度率减的百分数，即率减率 率减比和率减率之间有简单的的对应关系，例如率减比为4:1就相当于率减率0.75或75%。为了保证控制系统有一定

12、的稳定裕度，在过程控制中一般要求率减比为4:1到10:1，相当于率减率为75%到90%，这样，大约经过两个周期以后系统将趋于稳定了。图1-7 控制系统阶跃扰动及响应二、最大动态偏差和超调量最大动态偏差是指给定值阶跃扰动时，过渡过程开始后第一个波峰超过其新稳态值的幅度，即图中的y1。最大动态偏差占被调量稳态变化幅度的百分数称为超调量。最大动态偏差和超调量是控制系统动态准确性的一种衡量指标。超调量三、残余偏差残余偏差是指过渡过程结束后，被调量新的稳态值y与新给定值r之间的差值，它是控制系统稳态准确性的衡量指标。Ess=r- y四、调节时间调节时间ts是从过渡过程开始到结束所需的时间。理论上它需要无

13、限长的时间，但一般认为当被调量已进入其稳态值的5%（或2%）范围内，就算过渡过程已经结束。调节时间是衡量控制系统快速性的指标。五、积分型指标积分型指标是衡量控制系统性能的综合性指标，它与误差的幅值及过渡过程时间有关，因此希望它愈小愈好。常见的积分型指标有以下几种：误差积分（IE）绝对误差积分（IAE）平方误差积分（ISE）时间与绝对误差乘积积分（ITAE）一个具体的控制系统，到底使用以上所述的哪个指标作为整定控制器参数的依据，与系统本身特点及控制要求有关。一般来说，单项指标（率减比和率减率、最大动态偏差和超调量、残余偏差及调节时间）计算简单，容易理解，工程上使用最为广泛。而积分型指标又具有精确

14、、唯一的优点。例如多种PID参数的组合均可以使闭环系统达到4:1的率减比，而只有一种组合可以实现某一积分准则的最小。因此，控制器参数寻优时往往使用积分型准则。另外，使用不同积分准则整定出的控制系统，其过程响应曲线形状也是不尽相同的。例如ISE指标中加大了对偏差的惩罚力度，所以以ISE准则最小整定出来的系统最大动态偏差较小，但调节时间较长；ITAE中考虑了调节时间的影响，因此以ITAE准则最小整定出来的系统调节时间最短，但最大动态偏差最大；IAE介于ISE与ITAE之间，其系统响应在很多情况下都接近4:1的率减比。根据火力发电厂分散控制系统运行检修导则1，火电厂主要热工控制系统性能指标应满足以下

15、要求：（1） 内扰试验（包括定值扰动）。内扰试验在70%负荷以上进行，扰动量宜为被调介质满量程的10%。调节过程衰减率应在0.70.9，被调节量的峰值不应达到保护动作值（对于主蒸汽压力和负荷控制系统衰减率应在0.90.95）。（2） 外扰试验（负荷扰动）。负荷扰动试验在机组负荷70%以上进行，负荷变化分慢、中、快三种工况，各工况下机组主要参数变化范围应按DL/T 657执行。机组主要参数变化范围见表1。表1 机组主要参数变化范围负荷状态给定负荷变化速率稳态（1%min慢速变化（3%min）快速变化（5%min）主汽压力（MPa）0.30.50.8汽包水位（mm）254060新蒸汽温度（）481

16、0再热汽温度（）51012炉膛压力（Pa）1002002501.3 热工控制对象建模方法1.3.1 系统建模数学模型：行为规律的数学描述。静态模型与动态模型。建立数学模型的过程称为建模。一、建模目的（1） 改进系统或设备。（2） 制订启停及操作方案。（3） 仿真培训。（4） 控制方案设计。（5） 控制系统参数整定。二、数学模型的表达式微分方程模型：线性、非线性连续系统模型、离散系统模型输入输出模型、状态空间模型时域模型、频域模型。模型的简化。复杂系统模型建立困难，分段、线性化、主要因素等进行简化。传递函数的定义。三、建立数学模型的基本方法（1） 机理法建模。物质平衡方程、能量平衡方程、动量平衡

17、方程、相平衡方程、流动、传热化学等方程。（2） 测试法建模。根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到模型。主要用于建立输入输出模型。经典法与现代法。1.3.2 热工过程动态特性的特点（1） 热工过程常见动态特性有自平衡单容对象、有自平衡多容对象、无自平衡单容对象、无自平衡多容对象。（2） 纯迟延传输迟延：物体移动需要时间。容积迟延：多个容积迟延，分布参数时有无穷多个容积迟延（过热器等）。纯迟延使控制更加困难。t/T0.5时，控制较为困难。也常用用et来衡量。图1-8 动态特性曲线由（自平衡过程）或（非自平衡过程）从响应开始到再经过t 时间后，被调量的变化量近似为et 值越大，则

18、过程越接近一个纯迟延过程，控制起来越困难。这一参数被用于控制器参数整定。有时用 t/T作为表征对象纯迟延的指标。（3） 对象动态特性是不振荡的。（4） 被控对象往往具有非线性。简化。最简单的简化为一阶惯性加纯迟延：1.3.3 试验建模方法一、 由阶跃响应求取对象的传递函数二、 由脉冲响应求取对象传递函数三、 求取对象传递函数的面积法四、最小二乘辨识法五、闭环辨识。1.4 控制器设计与参数整定1.4.1 控制器设计闭环系统极点在右半平面内。极点配置。1.4.2 PID控制器PID控制器参数对控制性能的影响下面以标准PID算法为例，说明控制器参数，即比例系数Kp、积分时间Ti和微分时间Td对系统性

19、能的影响。一、比例作用Kp对控制性能的影响（1） 对动态特性的影响比例系数Kp越大，比例作用越强。在纯比例控制中，比例作用Kp加大，使系统动作灵敏，速度加快。Kp偏大，振荡次数加多，调节时间加长。当Kp太大时，系统将不稳定。若Kp太小，又会使系统动作缓慢。图1-9比较了不同Kp对动态特性的影响。（2） 对稳态特性的影响加大比例作用Kp，在系统稳定的情况下，可以减少稳态误差ess，提高控制精度，但不能完全消除静态误差。图1-9 Kp对控制性能的影响二、积分作用Ti对控制性能的影响积分作用通常与比例作用或微分作用相结合，构成PI或PID控制。积分作用对系统性能的影响如图1-10所示。（1） 对动态

20、特性的影响积分时间Ti越小，积分作用越强。积分作用通常使系统的稳定性下降，Ti偏小时振荡次数较多，Ti太小，系统将不稳定。Ti太大时，对系统的稳定性影响较小。（2） 对稳态特性的影响积分作用能消除系统的稳态误差，提高控制系统的控制精度。调整积分作用Ti时，要综合考虑其对动态特性与稳态特性的影响。图1-10 Ti对控制性能的影响三、微分作用Td对控制性能的影响微分作用通常与比例作用或积分作用相结合，构成PD或PID控制。微分作用对系统性能的影响如图1-11所示。微分时间Td越大，微分作用越强。微分作用可以改善控制系统的动态特性，如减少超调量sp，缩短调节时间ts，允许加大比例作用，使稳态误差减小

21、，提高控制精度。无论Td偏大还是偏小，都会引起超调量的增大、调节时间的加长。四、控制规律的选择实际应用中，往往是PID控制器中的各种作用相互补充，以达到最佳的控制效果。一般来说，对于相同的控制对象，不同的控制规律，有不同的控制效果，图1-12曲线是不同控制规律时的过渡过程曲线。针对一个具体的控制对象，选择控制规律的一般原则为：（1） 当控制对象为一阶惯性环节，且负荷变化不大，工艺要求不高时，可采用比例（P）控制。如水箱水位的调节、串级调节系统的副回路等。（2） 当控制对象为一阶惯性加纯迟延环节，且负荷变化不大，控制精度要求不高时，可采用比例积分（PI）控制。如压力、流量、液位的调节。（3） 对

22、于纯滞后时间t较大，负荷变化较大，控制性能要求较高的场合，可采用比例积分微分（PID）控制。如过热蒸汽温度控制、PH值控制等。图1-11 Td对控制性能的影响图 1-12 不同控制规律的过渡过程曲线1.4.3 参数整定PID控制器参数整定，是在控制器结构确定之后（P、PI、PD、PID）如何调整控制器参数（Kp、Ti、Td等）以达到给定的控制指标。控制器参数的工程整定方法一、临界比例度法临界比例度法也叫稳定边界法，是一种闭环整定方法，于1942年由Ziegler及Nichols提出。该方法首先将控制器设置为纯比例模式（Ti=，Td=0），比例带d置较大值（d=1/Kp），系统投入自动并使其稳定

23、运行。然后逐渐减小比例带，直到被控量y出现等幅振荡（见图1-13(a)）。根据此时的比例带du（称为临界比例带）及振荡周期Tu（称为临界振荡周期）按照表1-2给出的经验公式重新整定控制器参数。（a）临界振荡 （b）率减振荡图 1-13 临界振荡与率减振荡表1-2 临界比例度法整定PID参数控制规律dTiTdP2du-PI2.2du0.85Tu-PID1.6du0.50Tu0.13Tu上表是按照4:1的率减比进行整定的。临界比例度法的优点是能得到精确的临界参数（临界比例带与临界振荡周期），且受测量噪声的影响较小。但当被控系统不希望出现振荡现象时，该方法就不能使用。另外，由于该方法需要不断地调整参

24、数以使系统达到临界振荡状态，因此对于反应较慢的系统，整定过程需要花费较长的时间。二、率减曲线法率减曲线法也是一种闭环整定方法，试验过程与临界比例度法相似，所不同的是要通过调整比例带d直到过程输出y出现图1-13(b)所示的4:1率减振荡。然后根据此时的比例带dv及振荡周期Tv按照表1-3给出的经验公式重新整定控制器参数。表1-3 率减曲线法整定PID参数控制规律dTiTdPdv-PI1.2dv0.5Tv-PID0.8dv0.3 Tv0.1 Tv三、动态特性曲线法动态特性曲线法是一种开环整定方法，即利用被控对象的开环特性来整定PID参数。我们知道，对处于稳态的系统加输入阶跃扰动时，系统的输出响应

25、为如图1-14所示的S形曲线。对于该阶跃扰动曲线，在拐点3处作曲线的切线，切线与扰动前输出稳态值的交点为2。不难求出对象的迟延时间L及切线斜率Rr，根据这两个参数的Z-N整定方法如表1-4所示。表1-4 Z-N法整定PID参数控制规律KTiTdP1/（RrL）-PI0.9/（RrL）3.3L-PID1.2/（RrL）2L0.5L图 1-14 特性曲线大多数开环整定方法都要对响应曲线进行简化，而最常用的简化方法是将其近似为纯迟延与一阶惯性环节相串联，即：其中G0为对象传递函数，为静态增益，T0为惯性时间常数，L为纯迟延。以L、T0及K0为对象特性参数的Z-N整定方法及改进后的柯恩-库恩（Cohe

26、n-Coon）整定方法如表1-5所示。表1-5 Z-N及Cohen-Coon整定方法控制规律Z-N方法Cohen-Coon方法PK0Kp=(L/T0)-1.0K0Kp=(L/T0)-1.0+0.333PIK0Kp=0.9(L/T0)-1.0Ti/T0=3.33(L/T0)K0Kp=0.9(L/T0)-1.0+0.082PIDK0Kp=1.2(L/T0)-1.0Ti/T0=2.0(L/T0)Td/T0=0.5(L/T0)K0Kp=1.35(L/T0)-1.0+0.27四、基于偏差积分指标最小的整定方法基于积分准则的控制器参数整定可用以下方程描述：其中Y=K0Kp（比例作用）或Y=T0/Ti（积分

27、作用）或Y=Td/T0（微分作用），L、T0含义同前。A,B=系数对于不同的应用场合，即使使用同一准则，其整定结果也是有区别的。表1-6与表1-7分别给出负荷扰动与定值扰动时的系数调整规则。一般来说，基于负荷扰动的整定方法得出的稳定裕量较小，当将其应用到定值扰动时，输出响应会出现明显的振荡。表1-6 基于积分准则及负荷扰动的整定规则准则控制规律模式ABIAEP比例0.902-0.985ISEP比例1.411-0.917ITAEP比例0.49-1.084IAEPI比例积分0.9840.608-0.986-0.707ISEPI比例积分1.3050.492-0.959-0.739ITAEPI比例积分

28、0.8590.647-0.977-0.68IAEPID比例积分微分1.4350.8780.482-0.921-0.7491.137ISEPID比例积分微分1.4951.1010.560-0.945-0.7711.006ITAEPID比例积分微分1.3570.8420.381-0.947-0.7380.995表1-7 基于积分准则及定值扰动的整定规则准则控制规律模式ABIAEPI比例积分0.7571.02-0.861-0.323ITAEPI比例积分0.5861.03-0.916-0.165IAEPID比例积分微分1.0860.7400.348-0.869-0.130.914ITAEPID比例积分

29、微分0.9650.7960.308-0.855-0.1470.929动态特性法与基于偏差积分指标最小的整定方法都依赖于对象的数学模型，特别是用上述方法求取模型时，在选择切线点或作切线时会引入一定的误差，影响整定效果。工程上试验曲线一般都不规则，求取模型难度更大。因此常用面积法或最小二乘法来求取对象特性参数，关于这方面的内容请参阅有关资料。六、参数整定示例考虑一单输入单输出系统，其阶跃响应曲线如图1-14所示，求得模型参数为：L=1.19分，T0=1.39分，K0=25%/单位，L/T0=0.857当使用PI控制器时，利用不同方法整定出的控制器参数分别为Z-N方法：Kp=4.2，Ti=3.96C

30、ohen-Coon方法：Kp=4.53，Ti=1.47IAE负荷扰动方法：IAE定值扰动方法：各种方法对应的定值扰动曲线如图1-15所示。图1-15 参数整定比较 1.4.4 PID控制器参数自整定所谓自整定（Auto-Tuning），是指在系统闭环运行过程中自动整定控制器的参数。具有自整定功能的控制器，一方面大大方便了工程应用，降低了对工程技术人员经验和技术水平的要求；更为主要的是，当被控过程特性发生变化时，控制器能够自动修改控制参数，维持系统具有较好的调节品质，从而使控制系统具备自适应的能力。自整定系统的结构原理如图1-16所示，它主要由以下几部分组成：图 1-16 自整定系统结构原理系统

31、辨识模块：用来估计模型参数，模型一般具有一阶惯性加纯迟延的形式，因此需要辨识的参数有纯迟延时间、惯性时间及稳态增益。控制器参数计算模块：根据目标函数及模型计算控制器参数；控制器实现模块：对控制器参数进行周期性的修改。目前使用的自整定方法主要有基于模型的方法与基于模式识别的方法。第二章 自动发电控制与单元机组协调控制2.1 发电厂控制系统结构与自动发电控制（AGC）发电厂生产系统是一个庞大而复杂的大系统。处理大系统控制问题的基本方法就是分解协调的方法。所谓分解就是把大系统化为若干子系统，以便进行分块的处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的关系，

32、求得各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解。大系统中包含的各子系统之间，相互关联的结构有多种多样的形式。其中最为普遍的形式是一种递阶的结构。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的职能。发电厂控制系统是一个典型的分级递阶控制系统，包含回路级控制系统、机组级控制系统、厂级控制系统等，如果把电网的负荷分配也考虑进去的话，还包括电网调度系统。2.1.1 AGC的构成AGCAutomatic Generation Control自动发电控制自动发电控制（AGC）是电网调度自动化系统中的一项重要的基础功能。AGC是指发电机组协调控制系统（CCS）根据调度中心的AGC软

33、件计算结果输出的设点命令，自动调节机组的出力使电网的频率和联络线净交换功率维持在计划值。以保证电力系统安全、稳定、优质、经济运行。它以满足电力供需实时平衡为目的，实现以下目标：n 控制电网频率在允许误差范围之内；n 控制区域净交换功能，使与计划值的偏差在允许的范围内；n 对参与远方调节的发电厂，以发电成本或上网电价为依据进行出力分配，使电网获得最大经济效益。AGC设点控制首先下发给SCADA（包括数据采集与监视控制的全部功能），再由SCADA下发至前置机。AGC还考虑了与EMS应用软件如机组计划，联络线交易计划，超短期负荷预报等的接口。假设两个电网各有一台机组，如图所示。当区域1发生负载变化D

34、PL1时，稳定后，有下图给出负载阶跃变化时频率的变化曲线，可见总会导致频率偏差。2.1.2 AGC控制由于负载不断的变化，电网上各发电机组也处于不断的调整之中。这种从一种平衡到另一种平衡的过程是不断进行的。电网中有多个发电机组，必须有一种负荷分配方法。为此，为发电机组设置了一系列的控制装置。调速器（Governor）用来维持转速。辅助控制装置用来实现负荷分配。AGC的控制规律有多种方案可供选用，就目前情况常用的控制方式为：式中DF电网频率偏差；N0电网区域供电功率，或某联络线约定的交换功率；Ne发电功率。即按照一定权重，既控制系统间的交换功率，又参与系统调频。2.1.3 AGC控制策略与考核标

35、准我们所设计的总控制策略从ACE开始，它是总发电量与总需求量的偏差。ACE计算如下图所示。AGC性能的好坏由以下方面密切相关：（1）ACE信号不能过大。因为负载变化的不可预测性，因此是统计意义上的。（2）ACE不允许“漂移”，既ACE在一段时间内的积分应该很小。（3）AGC产生的控制指令应该最小。很多情况下，ACE的偏差有简单的负载变化引起，而不需要任何动作。试图跟踪这些变化将加快调速部件的磨损。另外还要考虑到其他因素：n 辅助作用。有时，热耗率曲线在大的ACE时会出现问题。若某机组的参与系数比其他机组大的多，它将占用多数控制器的动作量，其他机组可能相对处于固定状态。影响变负荷速度。措施：多个

36、机组参与校正ACE，当ACE校正后，AGC再恢复到经济分配方式。n ACE的滤波。n 遥测信号故障。一般AGC指令保位状态。n 机组控制检测。当检测到机组不随AGC指令而变化时，应在其他机组间重新分配指令。n 速率控制。按一定变化率升降负荷。n 速率限制。应力变化。n 机组控制方式。要了解机组的控制方式，如基本负荷方式，调整方式等。AGC控制策略是与考核标准相关的。国内对大区电网互联实现AGC控制的研究还不很成熟。华北、东北联网初期，华北电网AGC控制与考核仍按北美可靠性委员会（NERC）A1、A2标准进行。A1、A2标准要求正常运行时控制区ACE在十分钟内至少过零一次及十分钟ACE平均值必须

37、在规定范围Ld内（国调中心要求十五分钟）。采用A1、A2标准进行控制，以调整机组出力使ACE在规定时间过零为控制目标，物理概念比较清楚，但要以机组频繁进行调节、增加损耗为代价，而且不利于电网故障后对事故支援的评价。NERC在1996年推出适应于互联电网AGC控制的CPS标准,CPS标准是基于统计学方法导出的。2.2 单元机组协调控制系统单元机组协调控制系统（CCSCoordinated Control System），概括地说，就是把锅炉及汽机作为一个整体进行综合控制时所用的系统。2.2.1 协调控制系统的功能和主要内容简单地说，机炉协调控制系统主要完成以下功能：（1）接收中调来的负荷指令信号

38、，实现自动发电控制（AGC）；（2）在满足电网负荷变化要求的同时，能够保证单元机组本身运行的稳定；（3）能够根据机组状况采取相应运行方式，并具有处理意外事件的能力（可测的与非可测的）； （4）方便、简洁的运行人员接口。机炉协调控制系统一般由协调主控系统及与协调主控系统相关的锅炉汽机控制子系统组成，如图所示。协调主控系统主要由三部分组成：第一部分为机组指令处理回路，用以协调机组能力与电网需求的平衡，根据AGC指令或本机的运行人员指令（目标指令），经运算处理，给出在幅值大小和变化率均为机组可能接受的实际机组功率指令ULD（Unit Load Demand）。第二部分为机炉主控系统或机炉主控制器，根

39、据机组功率指令ULD、机组的运行工况、运行方式以及机、炉不同的动态特性，协调锅炉与汽轮机间的能量平衡，提供机组级的输出功率与机前压力联合控制，从而使机组的负荷适应性与运行稳定性兼优。第三部分为协调子系统。协调主控系统输出的锅炉指令和汽轮机指令，分别控制锅炉、汽轮机的各子系统燃料、送风、引风、给水、喷水以及汽轮机阀位。对主控系统来说，各子控制系统均相当于伺服系统或随动系统。要实现机组协调控制，首先必须使锅炉、汽轮机子系统运行正常，也就是说要提高基础自动化水平。2.2.2 协调控制系统方案工程实际中协调控制系统有多种实现方案，他们都是在对机组特性充分研究的基础上提出来的，并且具有独特的结构设计与参

40、数整定方法。一个具体机组的协调控制系统设计问题，首先要分析现有各种方案的特点，然后结合机组实际，给出一个切实可行的方案，并作以适当的改进。从不同的观察角度，协调控制系统的划分不尽相同。但最常用的有两种：按系统结构划分，主要有以锅炉跟随为基础的协调控制系统和以汽机跟随为基础的协调控制系统；按能量平衡关系，主要有间接能量平衡系统（IEB）和直接能量平衡系统（DEB）。一、以锅炉跟随为基础的协调控制系统这种协调控制系统是在锅炉跟随控制系统基础上增加相应的环节形成的，原理方框图如下图所示。正常运行时汽轮机侧闭环调功、锅炉侧闭环调压+ULD前馈。图中，F(t)一般为超前-滞后环节，它一方面使燃烧率指令m

41、B随给定功率变化而没有迟延，另一方面对给定功率的微分超前调节作用，有利于改善锅炉对功率的响应特性。环节F(x) 为带有死区的非线性环节有利于提高协调控制系统的稳定性。若负荷变化速度过快或燃料扰动过大，造成机前压力偏差超过F(x)的不灵敏区 D 时，汽轮机侧即由调功率转入压力拉回方式，确保压力波动在规定的死区范围之内。死区的大小决定了蓄能的利用，兼顾负荷适应性与运行稳定性，斜率的选择取决于压力偏差动态校正的速度。以锅炉跟随为基础的协调控制系统（一）另一种设计方案如图（二）所示，该方案采用了炉侧闭环调压+ULD前馈、机侧同时闭环调功调压的结构设计，从内扰和外扰两方面分析如下：(1) 内扰时的扰动单

42、向补偿图中的交叉环节，用于减少锅炉燃料扰动对汽轮机动作的单向解耦。若取则理论上基本消除了炉对机的影响。工程上可以用一个简单的比例环节K进行补偿，有式中，KNB、KPB分别为燃料扰动传递函数WNB(s)、WPB(s)的放大倍数。燃料扰动（增加）时，压力信号（增加）通过交叉环节K抵消（要求汽轮机控制回路开大调门）了功率信号要求关小调门的动作。这样，扰动由锅炉侧自行快速消除，汽轮机侧控制系统尽量少动或不动，减少锅炉对汽轮机动作的相互影响，提高了稳定性。(2) 外扰时限制负荷变化幅度与速度压差信号通过交叉环节K引入汽轮机侧，功差和压差信号综合为ULD-K(ps-pt) -N，相当于负荷增加时，由于压力

43、动态降低，暂时减少了功率定值增加，即在充分利用蓄能的基础上，兼顾压力稳定的要求，又限制了负荷变化的速度和幅度。第三种方式如图（三）所示，汽轮机侧闭环调功+ULD前馈、锅炉侧闭环调压+p11+K(ps-pT)。“压差补偿信号”前馈中，第一项为负荷信号p1，第二项为随负荷（p1）值比例改变的锅炉蓄能补偿Kp1(ps-pT)。若以该前馈信号不受锅炉内扰影响整定（p1项在内扰时有正反馈作用），有K=1/ps，此时控制回路的增益不会随负荷而改变。以锅炉跟随为基础的协调控制系统（二）以锅炉跟随为基础的协调控制系统（三）二、以汽机跟随为基础的协调控制系统这种协调控制系统在汽机跟随控制方式的基础上，允许汽压在

44、一定范围内波动，原理方框图如下图所示。汽轮机侧同时闭环调压调功+ULD前馈、锅炉侧闭环调功+ULD前馈。为了克服单纯汽轮机跟随控制方式时负荷响应慢及功率波动大的缺点，在汽轮机侧同时加入了功率偏差信号，分析入下： (1) 外扰时的蓄能应用功率指令同时送机、炉两侧，合理利用锅炉蓄能，提高了机组的负荷响应。汽轮机侧PI调节器输入为ps-K(ULD-N)-pT，可理解为负荷变化（增加）时，动态改变（降低）了压力定值，以放出蓄能。功差项K(ULD-N)就是加负荷时压力定值的动态降低量。若负荷变化超过规定，对K(ULD-N)信号设置有F(x)予以限制，以免机前压力偏差超过允许范围。F(x)模块的斜率K，就

45、是一个外扰动态过程锅炉蓄能利用程度参数。(2) 内扰时扰动单向补偿设计交叉环节F(x)，使之满足，则理论上基本消除了炉对机的影响，实际中一般取。这样，燃料扰动（增加）时，功率信号（增加）抑制了汽轮机控制回路由于机前压力（增加）要开大阀门的动作，减少了功率的波动，有利于系统的稳定。以汽机跟随为基础的协调控制系统实际系统中，考虑到机组各种运行工况及辅机情况，一般设计有多种运行方式，并具有无扰切换功能。三、直接能量平衡协调控制系统机炉间的能量平衡，以机前压力Pt的稳定为标志。当Pt维持在定值Ps时，就意味着机炉间达到静态平衡。间接能量平衡式协调控制系统方案中，机组负荷指令分别送往锅炉及汽机控制器。对

46、汽机控制器，它作为负荷定值，与机组实发功率一起构成闭环控制，实现机组负荷的无差调节；对锅炉控制器，它作为动态补偿前馈，以克服锅炉侧的迟延。为了保证机前压力的恒定，间接能量平衡式协调控制系统的锅炉控制均为串级压力控制方式，主调节器为具有积分作用的压力控制器，副调节器为燃料调节器。直接能量平衡式协调控制系统（DEBDirect Energy Balance）方案中，电功率控制与锅炉指令已被解耦。锅炉指令称为能量平衡信号（或能量信号Energy Balance Signal），它是根据汽机能量需求计算出来的。与常规控制系统不同，DEB方案中取消了常规CCS系统必须的机前压力闭环校正回路，仅使用了以能

47、量平衡信号Ps*P1/Pt为指令，热量信号Q=P1+dPd/dt为反馈的锅炉燃料调节器（Pd为汽包压力）。锅炉控制由原来的串级控制代之以单级控制，简化了系统结构，有利于参数的整定。DEB系统本身固有的保持机前压力Pt为给定值Ps的能力，实现了机前压力的无差。由于它能与汽机调门一样快速反应，因此适合于汽机在任意工况下的锅炉控制指令。下图所示为直接能量平衡协调控制系统原理方框图。直接能量平衡协调控制系统（1） 静态平衡进入锅炉控制器入口的能量偏差信号为：其中，为压力偏差。在静态工况下，=0，因此锅炉控制器的积分作用总是消除调节器入口偏差，使ef最终等于零。由于P1/Pt恒不等于零，这就必须使，即使

48、机前压力Pt等于给定值Psp。可见，该系统中的燃料调节器具有保持机前压力Pt等于压力给定值的能力，而无需另加压力校正调节器。（2） 动态过程在动态过程中，汽包压力的微分信号具有防止Pt过调，使过程稳定的作用。例如，由于锅炉内扰作用使Pt增高时，成为负值，将为正值，锅炉调节器入口偏差信号为负值，使燃料量减少，加速Pt的回升。当Pt开始回升时，变为负值，提供了过程阻尼，使燃料量难以继续增加，防止Pt出现过调，有助于变负荷过程的稳定。由此可见，这种取消主压力调节器的DEB系统不仅系统结构有所简化，而且利用汽包压力微分起到使控制过程更加平稳的作用。汽机能量需求信号直接作为锅炉指令，与热量反馈信号构成燃

49、料控制信号，可以更为直接、快速地实现机、炉之间的动静态能量平衡。DEB协调控制系统具有以下特点：（1） 结构简单。DEB的独特设计，将锅炉、汽轮机相互影响的、复杂的、多变量的CCS系统，由单向解耦转化为单变量系统。系统无需机前压力闭环校正，结构最为简单。（2）负荷响应快。对燃煤汽包锅炉机组，不论正常运行或家/减负荷，DEB系统均有满意的调节品质。（3）调试整定方便。整定参数范围宽，维护简单。（4）应用范围广。DEB系统采用来自汽轮机调门动作结果的蒸汽参数测量的能量信号，匹配机、炉平衡，适合与各种DEH的接口，并适用于机组的定压运行、滑压运行，带中间负荷运行或带基本负荷运行。四、以多变量解耦理论

50、为基础的协调控制系统单元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。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。下图所示为协

51、调控制系统的一般结构。图中控制器阵为CCS的主控系统。若Kij(s)0，即为机、炉同时调功、调压的综合控制系统。因此，锅炉跟随控制系统、汽轮机跟随控制系统、以锅炉跟随为基础的协调控制系统、以汽轮机跟随为基础的协调控制系统实质上是综合控制系统的特例，下表给出了这种关系。协调控制系统的一般结构协调控制系统的控制结构序号控制系统Kij(s)K(s)1锅炉跟随K12(s)=0K21(s)=0K(s)=2汽轮机跟随K11(s)=0K22(s)=0K(s)=3以锅炉跟随为基础的协调控制K12(s)=0K(s)=4以汽轮机跟随为基础的协调控制K11(s)=0K(s)=5综合型协调控制Kij(s)0K(s)=

52、第三章 热工自动控制系统设计调试3.1 SAMA图原理图：将控制系统以原理方框图形式表示出来，仅包括控制器、模型等主要控制回路，不涉及辅助功能及实现问题。便于控制系统设计、分析与参数整定。功能图：将控制系统实现的主要功能表示出来，包括控制回路及显示、操作、切换等辅助功能。功能图是系统设计阶段的主要目标。功能图与实现仪表无关。组态图：将控制系统用选定仪表予以实现。与仪表有关。是系统安装、调试、使用的基础。3.1.1 功能图表示方法SAMA图SAMA-Scientific Apparatus Makers AssociationSAMA 功能图例。外形分 4 种，每一种形状都有明确的含意：常用的功

53、能图例见表A.1。我们用 SAMA 图例表达回路方框图时，常将一些符号画在一起，这表示一个具体的仪表或组件具有那些功能，这样在回路方框图中又清楚地表达了使用多少具体组件。例如最常用的调节器可用图A.1（a）表示，这组组合图例表示调节器具有以下功能：1) 求测量和给定信号的偏差；2) 对偏差值进行比例加积分运算；3) 手自动切换；4) 输出限幅。图A.1 SAMA图例图A.1（b）表示一显示操作器，具有以下功能：1) 指示测量值和给定值； 2) 给定值调整； 3) 手自动切换多；4) 手动输出值驱动；5) 输出值指示。图A.2表示一个典型的控制回路，组件型号写在相应的组件图例旁边，上、下两部分均

54、表示现场，上部是变送器；下部是电气转换器（或阀门定位器），气动调节阀，接受调节回路的输出信号，图中间左边部分是调节、信号处理、输入、输出等功能组件，图中间右边部分是显示及操作仪表。图A.2 SAMA图表示的控制回路3.1.2 控制系统组态示例下面以一个简单的控制系统为例来说明控制系统的设计与组态过程，为今后理解复杂的工程图纸打下基础。一、控制方案主汽温度是单元机组主要的安全经济参数，主汽温度控制的目的就是要通过适当的调节手段，使主汽温度按照给定规律变化。图A.3所示为采用喷水调节的串级温度控制系统原理结构。除了减温水量以外，影响过热器出口温度的其他主要因素还有蒸汽量扰动和烟气量扰动，统称为外部干扰。为了提高控制系统抵御外部干扰的能力，一般使用前馈方法。图A.4为温度控制系统的原理方框图。表A.1 常用SAMA图例图A.3 串级温度控制系统图A.4 原理方框图图A.5所示为温度控制系统的结构图（SAMA图），图中同时还给出了控制回路的基本结构及调节器跟踪、手自动切换逻辑。图A.5 主汽温度控制SAMA图二、主汽温度控制系统的INFI-90实现用INFI-90实现上述温度控制系统时，需要从输入输出信号连接、控