300MW单元机组协调控制PID设计

1、引言随着电力事业的迅速开展，电网的自动化和管理水平也日益提高，电网的结构和运行模式也发生了很大变化，并且要适应电力市场竞价上网的要求。这就要求单元机组应具有大幅度的快速调峰能力，并使电网更稳定和经济的运行。单元机组协调控制系统的研究就成为火电厂自动控制中的关键。以单元机组协调控制系统为基础，构成整个电网级的系统控制和优化管理系统，已成为当前电力系统的开展趋势。现代火电厂的大型单元机组具有大时滞、时变、非线性、强耦合，同时难以匹配的特点，是一个典型的MIMO热工对象。目前火电厂中广泛采用的控制方式依然是PID控制为主，PID控制即比例、积分、微分控制是应用最早、最为成熟的一种控制策略。由于其算法

2、简单、适应性强和可靠性高，被广泛应用于各种工业过程控制系统。同时，单元机组的运行特性在大小修前后会有很大的改变，在整个运行期间机组的运行特性也会发生变化，因此在机组大小修后或发现机组控制系统运行异常时，需对机组控制系统进行调试，重新整定控制器参数，以适应机组运行特性的变化。 PID控制作为最经典的控制，有着重要的意义。第一章 PID控制的概述1.1 PID控制的开展与特点1.1.1 国内外研究现状PID参数整定技术是目前十分热门的研究课题，一是过程特性的获取，二是控制器参数的优化。国内外许多学者针对这两个PID参数整定技术的关键问题进行了广泛深入的研究，并提出了不同的PID参数整定方法。随着控

3、制理论技术的开展，常规的PID控制器已经难以满足目前要求。由此，人们对PID参数的整定研究尝试了许多先进方法，象新鲁棒PID控制、神经网络与模糊控制技术的开展，这些都是近期人们关注的新型算法。1.1.2 PID控制的开展控制理论的开展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。而一个控制系统又包括控制器传感器变送器执行机构输入输出接口。控制器的输出经过输出接口执行机构加到被控系统上，控制系统的被控量，经过传感器、变送器，通过输入接口送到控制器。PID比例-积分-微分控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。因PID控制器简单易懂，使用中不需精确

4、的系统模型等先决条件，成为应用最为广泛的控制器。1.1.3 PID控制的特点首先，PID应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成根本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可以控制了。其次，PID参数较易整定。也就是PID参数Kp、Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。第三，其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型时，并且其它控制理论的技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠

5、经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。总之，PID控制就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。所以说PID控制器是最简单且最好用的控制器。1.2 PID控制的原理在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。常规PID控制系统原理框图如图1-1所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图1-1 PID控制系统原理框图PID控制器是一种线性控制器，这种调节器是将给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏

6、差e(t)=r(t)-y(t) (1-1) 将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。在实际应用中，根据对象的特性和控制要求，也可灵活地改变其结构，取其中一局部环节构成控制规律。例如，比例P调节器，比例积分PI调节器，比例微分PD调节器等。PID控制器的控制规律为(1-2)其传递函数形式为 (1-3)式中 KP比例系数；TI积分时间常数；TD微分时间常数。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：1. 比例P控制 比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差Steady-stat

7、e error。比例参数KP的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。随着KP的增大,系统的响应速度变快,调节精度增高，但是系统易产生超调，且稳定性变差，甚至会导致系不稳定。KP取值过小，调节精度降低，响应速度变慢，调节时间加长，使系统的动静态性能变坏。2积分I控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分参数TI的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。TI越小系统的稳态误差消除的越快，但TI也不能过小，否那么在响应过程中会产生超调、振荡、稳定性变差现象。假设TI变大，那么系统的超调减小，减少振荡使得系统稳定性增加。但是系统的稳态误差消除变慢，影响系统的调节精度。对一个

8、自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，那么称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统System with Steady-state Error。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项。积分项的误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分PI控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 3微分D控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分即误差的变化率成正比关系。微分参数Td的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的

9、变化，对偏差变化进行提前预报。但Td不能过大，否那么会使响应过程提前制动，延长调节时间，并且会降低系统的抗干扰性能。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件环节或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差的作用的变化“超前，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而防止了被控量

10、的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。1.3 PID控制算法在计算机控制系统中，一般采用两种控制算法：一种是含有理想微分的PID控制，另一种是含有实际微分的PID控制。1.3.1 理想微分PID控制在过程控制系统中，采用如图1-2所示的PID控制，其算式为 (1-4)或写成传递函数形式 (1-5)图1-2 PID控制系统框图其中，Kp为比例增益，Kp与比例带成倒数关系，即Kp=1/，Ti为积分时间，Td为微分时间，u为控制量，e为被控量y与给定值r的偏差。为了便于计算机实现PID控制模式，必须把微分方程式1-4改写成差分方程。为

11、此。可作如下近似，即(1-6) (1-7)其中，T为采样周期或控制周期，n为采样序号，n=0，1，2，3，； en-1和en分别为第n-1和第n次采样所的的偏差信号。将式1-6和1-7代入式1-4，可得差分方程 (1-8)其中un为第n时刻的控制量。如果采样周期T与被控对象时间常数Tp比拟是相对小，那么这种近似是合理的，并与连续控制十分接近。在模拟仪表调节器中难以实现理想微分de/dt，而用计算机却可以实现它的差分方程式1-7，所以把式1-8称为理想微分PID数字控制器。理想微分PID控制的实际控制效果并不理想，从脉冲响应看，它的微分作用只能维持一个采样周期。由于工业用执行机构如气动调节阀或电

12、动调节阀的动作速度受限制，只是偏差较大时，微分作用不能充分发挥。因此，实际应用中，通常采用含有实际微分PID控制算式。1.3.2 实际微分PID控制在模拟仪表调节器中，PID运算是靠硬件来实现的，由于反应电路本身特性的限制，无法实现理想的微分，其特性是实际微分的PID控制。为此，在计算直接数字控制系统中，通常是采用以下三种实际微分PID控制。实际微分PID控制算式的传递函数为 (1-9) 其中，Kp为比例增益，Ti为积分时间，Kd为微分增益。为了便于编写程序，可用框图1-3表示式(1-9)。首先分别求出比例、积分和微分这几个框的输出差分方程式、和，然后在求总输出。这样可得实际编程序用的增量型差

13、分方程式为 (1-10) (1-11) (1-12) (1-13) (1-14) (1-15)其中ud(n)和ud(n-1)分别为实际微分环节第n、n-1时刻的输出。实际微分PID控制算式的优点是微分作用能维持多个采样周期，这样就能更好的适应一般的工用执行机构如气动调节阀或电动调节阀动作速度的要求，因而控制效果比拟好。比拟理想微分PID数字控制器和实际微分PID数字控制器的脉冲响应，可得： 1.理想微分PID数字控制器的控制品质较差，其原因是微分作用仅局限于第一个采样周期有一个大幅度的输出。一般的工业用执行机构，无法在较短的采样周期内跟踪较大的微分作用输出。而且，理想微分还容易引进高频干扰。

14、2.实际微分PID数字控制器的控制品质较好，其原因是微分作用能较缓的持续多个采样周期，使得一般的工业用执行机构，能比拟好的跟踪微分作用输出。由于实际微分PID算式中含有一阶惯性环节，具有数字滤波的能力，因此，抗干扰能力也较强。图1-3 式1-9的框图1.4 PID控制对系统性能的影响1.比例控制Kp对系统性能的影响1对动态特性的影响Kp加大，系统的动作灵敏，速度加快。Kp偏大，震荡次数增多，调节时间加长。Kp太大时，系统会不稳定。Kp太小，使系统动作缓慢。如图1-4所示。2对稳态特性的影响加大Kp，在系统稳定的情况下，可减小稳态误差ess，提高控制精度，但是加大Kp只是减少ess，却不能完全消

15、除稳态误差。2.积分控制Ti对控制性能的影响 积分控制通常与比例控制或微分控制联合使用，构成PI或PID控制。积分控制对性能的影响如图1-5所示。图1-4 不同Kp对控制性能的影响1对动态性能的影响Ti通常使系统的稳定性下降。Ti太小系统将不稳定。Ti偏小，震荡次数较多。Ti太大，对系统性能的影响减小。当Ti适宜时，过渡特性比拟理想。2对稳态特性的影响Ti能消除稳态误差，提高控制系统的控制精度。但Ti太大时，积分作用太弱，以至不能减少稳态误差。图1-5 积分控制Ti对控制性能的影响3微分控制Td对控制性能的影响微分控制Td经常与比例控制或积分控制联合使用，构成PD或PID控制。微分控制可以改善

16、动态特性，如超调量P减少，调节时间ts缩短，允许加大比例控制，使稳态误差减小，提高控制精度。图1-6反映了微分控制Td对控制性能的影响。(a)Td偏大(b)Td适宜(c)Td偏小图1-6 微分控制规律Td对控制性能的影响当Td偏大时，超调量p较大，调节时间ts较长。当Td偏小时，超调量p也较大，调节时间ts也较长。只有适宜时，可以得到比拟满意的过渡过程。综合起来，不同的控制规律各有特点，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1-7曲线是不同控制规律时的过渡过程曲线。图1-7 各种控制规律对控制性能的影响由上图可观察到：1曲线是比例调节器的调节过程比例调节规律具有及时的特点，所

17、以调节过程时间比曲线短，动态偏差也较小。而比例调节为有差调节，调节过程结束存在静态偏差。通过减少调节器的比例带可减小静态偏差，但会使系统的稳定性下降。2曲线是比例积分调节器的调节过程由于积分调节规律能消除静态偏差，所以调节作用能最终去除扰动时被调量的影响，实现无差调节。然而积分作用的调节不及时，又使调节过程过渡过程时间加长，稳定性下降。因此在积分作用引入到调节器后，调节器的适当加大，以弥补积分作用对控制作用稳定性的影响。3曲线是比例积分微分调节器的控制过程微分调节是一种超前调节，实质是阻止被调量的一切变化。适当的微分作用可减小动态偏差，缩短调节过程时间的效果。1.5 PID参数整定方法PID控

18、制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小,必须考虑在不同时刻三个参数的作用以及相互之间的关系。 控制系统的整定是指在控制系统的结构已经确定、控制仪表与控制对象等都处在正常状态的情况下，适中选择调节器的参数()使控制仪表的特性和控制对象的特性配合，从而使控制系统的运行到达最正确状态，取得最好的控制效果。显然，如果控制对象的运行方式不当，系统设计方案不合理，测量仪表和调节机构选型不当，安装质量不高等，那么无论怎样整定调节器的参数，也不能满足调节质量的要求。另一方面，在主设备完善、系统设计方案合理、设备安装等均已完善的条件下，

19、只有经过正确的整定，才能到达预期的控制质量。从理论上看，通过计算来整定调节器的参数是可行的方法。采用各种计算方法，求出闭环系统特征根的分布情况，对振荡频率、静态偏差、动态偏差、控制过程时间等有明确的结论，根据所得结论能够比拟在不同的调节规律、不同参数值的情况下过渡过程的品质和实现保证衰减率大于所规定数值的要求。但问题是计算方法要以控制对象的动态特性为依据，而动态特性测取时含有不精确性，更难以处理的是在工况变动时，对象的动态特性可能发生变化。另外，对控制系统中的一些非线性环节要近似为线性环节，甚至要对调节器本身在计算时也只能看作是线性的理想调节器。由于这些原因，各种计算结果只能是近似的，只宜作参

20、考依据。在热工生产过程中，比拟实用的是现场整定方法，即通过现场调试来选择调节器的参数。但是现场整定也要在正确的理论指导下才能有效进行并解决所发现的问题，假设事先不经过任何理论计算和分析，盲目地实践可能会延误时机，甚至带来麻烦。因此，计算还是有必要的。不过计算分析不必要求到达精确的结果，而是利用一些经验性图表，初略估计调节器参数的取值范围，从而给现场整定提供参考。1.5.1 广义频率特性法广义频率特性法是通过调整调节器的动态参数，使控制系统的开环频率特性变成具有规定相对稳定度的衰减频率特性，从而使闭环系统响应满足规定衰减率的一种参数整定方法。图1-8 系统传递方框图图1-8是由调节器和广义对象组

21、成的单回路控制系统传递方框图。对大多数热工控制对象来说，系统的开环传递函数的极点都落在负实轴上。根据控制理论的稳定判据，要使系统响应具有规定的衰减率，只需选择调节器的参数，使开环频率特性轨迹通过-1，j0点。用数学式表示： (1-16)式中，分别为调节器和广义对象相对稳定度为m时的广义频率特性，可表示为： (1-17) (1-18)根据式1-16所示关系，有 (1-19)式中 其中， (1-20)由式1-19式1-20可得到以下两组关系式： (1-21) (1-22)式1-21是式1-22的实频特性和虚频特性的表达式；式1-22那么是其幅频特性和相频特性的表达式。用广义频率特性法整定调节器的参

22、数，就是在广义对象的传递函数后，应用式1-16或1-21计算出具有规定的衰减率即相对稳定度m下调节器的整定参数值。1.5.2 临界比例带法临界比例带法又称边界稳定法，其要点是将调节器设置成纯比例作用，将系统投入自动运行并将比例带由大到小改变，直到系统产生等幅振荡为止。这时控制系统处于边界稳定状态，记下此状态下的比例带值，即临界比例带以及振荡周期，然后根据经验公式计算出调节器的各个参数，可以看出临界比例带法无需知道对象的动态特性，直接在闭环系统中进行参数整定。图1-9 等幅振荡临界比例带的具体步骤是：1将调节器的积分时间置于最大，即；置微分时间；置比例带于一个较大的值。2将系统投入闭环运行，待系

23、统稳定后逐渐减小比例带，直到进入等幅振荡状态。一般振荡持续4-5个振幅即可，试验记录曲线如图1-9所示。3根据记录曲线的振荡周期，此状态下调节器比例带为，然后按表1-1计算出调节器的各个参数。将计算好的参数值在调节器上设置好，作阶越响应试验，观察系统调节过程，适当修改调节器的参数，直到调节过程满意为止。表1-1 临界比例带法计算公式规 律PPIPID临界比例带法在实际应用中有一定的局限性，有些生产过程根本不允许产生等幅振荡，如火力发电厂锅炉汽包水位控制；此外，某些惯性较大的单容对象配比例调节器又很不容易产生等幅振荡过程，的不到临界状态下的调节器比例带即振荡周期，那么无法应用临界比例带法。1.5

24、.3 衰减曲线法当生产过程不允许出现等幅振荡时，可将试验过程中出现的闭环控制过程改为有一定衰减率的衰减振荡过程。衰减曲线法也是一种现场闭环整定法，其方法步骤与临界比例带法根本相同，区别仅在于实验中要造成被控量的衰减振荡。衰减曲线法：利用比例作用下产生的4:1衰减振荡过程时的调节器比例带及过程衰减周期10:1，根据公式计算出调节器的各个参数。图1-10 衰减曲线衰减曲线法的具体步骤是：，微分时间，比例带为稍大的值；将系统投入闭环运行。2.在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，应观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4：1的衰减过程，对于的

25、调节过程也是一样的做上述试验，直到出现10：1的衰减过程。记录下4：1或10：1的衰减振荡过程曲线。如图1-10。在曲线上求取时的振荡周期或时的上升时间，按表1-2计算出调节器的各个参数。表1-2衰减曲线法计算公式规律PPIPID 规律 PPIPID3.按计算结果设置好调节器的各个参数，作阶跃扰动试验，观察调节过程，适当修改调节器参数，到满意为止。与临界比例带法一样，衰减曲线法也是利用了比例作用下的调节过程。从表1-2可以发现，对于，采用比例积分调节规律时相对于采用比例调节规律是引入了积分作用，因此系统的稳定行将下降，为仍然能得到的衰减率，就须将放大倍后作为比例积分调节器的比例带值。对于三参数

26、调节规律，由于微分作用的引入提高了系统的稳定性和准确性，因此可将减小至后作为调节器比例带设定值，同时积分时间与无微分作用下相比也适当减小了。衰减曲线法使用时的缺陷：对于扰动频繁、过程进行较快的控制系统，难以准确地确定系统的衰减程度，往往只能根据控制器输出摆动地次数来加以判断，即摆动两次后稳定的为4:1衰减过程，摆动一次所需的时间为振荡周期。显然，这样测得的和会给控制器参数整定带来误差。这时采用衰减曲线法不容易得到满意的效果。通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。1.5.4 经验法如果调节系统在运行中经常受到扰动影响，那么要得到闭环系统确切的阶跃响应曲线就很困难，因此临界比例

27、带法和衰减曲线法都不能得到满意的结果。通过长期实践，人们总结了一套参数整定的经验，称之为经验法。经验法可以说是根据经验进行参数试凑的方法，它首先根据经验设置一组调节器参数，然后将系统投入闭环运行，待系统稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程；如果过渡过程不令人满意，那么修改调节器参数，再作阶跃扰动试验，观察调节过程；反复上述试验，直到调节过程满意为止。经验法整定具体步骤：1.将调节器的积分时间放到最大，微分时间置于最小。根据经验设置比例带值。将系统投入闭环运行，稳定后作阶跃扰动试验，观察调节过程，假设过渡过程有希望的衰减率那么可，否那么改变比例带值，重复上述试验。2.将调节器的积分时间由最大调整到

28、某一值，由于积分时间的引入使系统的稳定性下降，这时应将比例带值适当增大，一般为纯比例作用的1.2倍。作阶越扰动试验，观察调节过程，修改积分时间重复试验，直到满意为止。3.保持积分时间不变，改变比例带，看调节过程有无改善，假设有改善那么继续修改比例带，如无改善那么反方向修改比例带，直到满意为止。保持比例带不变修改积分时间，同样反复试凑直到满意为止。如此反复试凑，直到有一组适宜的积分时间和比例带。4.对于采用三参数的调节器，在进行完上述调整试验后，将微分时间由小到大地调整，观察每次试验过程，在感到满意时便停止。1.5.5 动态参数法动态参数法是在系统处于开环状态下，作对象的阶跃扰动试验，根据记录下

29、的阶越响应曲线求取经验一组特征参数、无自衡能力对象或、有自衡能力对象，再根据经验公式计算出调节器的各个参数。对于有自衡能力对象，其单位阶跃响应曲线如图1-11a所示。过响应曲线拐点P作切线交稳态值渐近线C于A，交时间轴于C；过A点作时间轴垂线并交于B，那么： 对无自衡能力对象，其单位阶跃响应曲线如图1-11b所示。作响应曲线直线段的渐近线交时间轴于C，过直线段上任一点A作时间垂线并交于B，那么。在取得对象的单位阶跃响应曲线后，通过在曲线上作图，求出对象的特征参数、或、，然后按表1-3给出经验公式计算出调节器整定参数。a有自衡能力对象 b无自衡能力对象图1-11动态响应曲线生产实践说明，对象特征

30、参数和的乘积反映了控制难易的程度；越大，对象就越不好控制，因此调节器的比例带就应取大一些，即与成正比。对于采用比例积分调节，积分作用的参加使系统的稳定性下降，因此比例带为纯比例作用时的比例带值的1.2倍；对于采用比例积分微分调节，那么因微分作用提高了系统的稳定性，因此比例带可为纯比例作用比例带的0.8倍。表1-3 动态参数法计算公式规律 PPIPID 积分作用主要用于消除系统的稳态误差，且希望被调量波动一个周期后消除稳态误差的作用应根本结束；就是说积分时间的大小应根据被调量波动周期大小来确定，而迟延时间又是影响过渡过程周期的主要因素。因此，对象的迟延时间大，那么积分作用就应相对较弱，即积分时间

31、应与成正比；有微分作用参加时，可适当减少一些。一般地，在对象惯性和迟延都较大时，需参加微分控制作用，即微分时间的值也应根据迟延时间来确定。 四种工程整定方法的比拟以上介绍的几种单回路控制工程整定方法有各自的优缺点和适用范围，要善于针对具体控制系统的特点和生产要求，选择适当的整定方法，不管用哪一种方法，所得的调节器整定参数都需要通过现场试验、反复调整，直到取得满意的效果为止。整定方法适用方法优点缺点临界比例带法简单、方便不需要知道控制对象的动态特性衰减曲线法干扰少，过程进行慢简单易于掌握、应用广泛对于扰动频繁、过程进行较快的控制系统，难于准确确定系统的衰减程度，测得 有误差经验法适用于各种控制系

32、统，特别适用对象干扰频繁、过渡过程曲线不规那么的控制系统看曲线调参数方便、简便使用此方法主要靠经验，对于缺乏经验的操作人员，整定花费时间长，工作量大动态参数法适用于预先测定广义对象动态特性方便、简便1.对于有些不允许被控变量长时间偏离设定值的生产过来说，测定对象特性有困难2.干扰多，测得对象特性不准确，整定结果不准确第 二 章 单元机组协调控制系统简介2.1 协调控制系统的研究与应用的现状随着电力工业的开展，电网中大容量的单元机组的数量增加，国内外对整个单元机组的自动控制系统的研究也到达了一个新的阶段。下从几个方面来探讨目前协调控制系统的研究和应用的现状。2.1.1 直接能量平衡的广泛应用火力

33、发电厂通过锅炉的燃烧把储存在煤或油中的化学能转换成蒸汽的热力势能，汽轮机将蒸汽的热力势能转变为旋转机械能，汽轮机带动发电机，将机械能转换成电能，最后将电能通过电网输送给用户。整个电能的生产过程是一系列的能量转换与平衡的过程，电网中所有机组的发电量要与电网上的负荷随时保持平衡，由于电站无法储存它所发出的电能，因此单元机组也应该满足输出能量与输入能量以及中间蓄能的动态平衡关系。通常情况下，汽轮发电机通过汽轮机调节系统，控制进入汽轮机的蒸汽量以到达蒸汽量与输出的电能相平衡。当平衡量影响到主汽压力的参数后，锅炉调压系统为了维持压力参数的稳定，通过调整燃烧率指令改变输入的燃料量以维持输入的热量与汽轮机消

34、耗的蒸汽能量相平衡。这种通过单独控制方式实现能量平衡的方式，可称为间接能量平衡(IEBIndirect Energy Balance)。显然该平衡过程的动态响应较慢，而且与锅炉惯性和制粉系统的迟延有很大的关系，是一种被动适应的平衡方式。与间接能量平衡的方法不同，直接能量平衡(DEBDirect Energy Balance)的方法是基于物理意义上的一种协调控制方法，它巧妙的解决了锅炉主汽压的稳定性和负荷适应性之间的矛盾。2.1.2 指令信号间接平衡的日趋应用与间接能量平衡不同，指令信号间接平衡的系统并非等到负荷的调整影响到主汽压力的参数后才进行锅炉燃烧率的调整，而是用功率信号间接平衡机、炉之间

35、的能量关系。当电网要求机组出力增加，先增大功率设定值No，它与发电机实际功率Ne的偏差信号N，一方面经汽机主控系统，增大汽机调门开度，使汽轮机出力增加，另一方面通过前馈，作用到锅炉主控系统，使燃料量增加，以增大锅炉出力。由于锅炉的热惯性与迟延，其出力增加的速度要比汽轮发电机慢的多，因此主汽压力Pt下降，与其设定值Po之间出现偏差P，一方面通过锅炉主控系统进一步加大燃料量，促使主汽压力上升，另一方面又经汽机主控系统关小调汽门，限制主汽压力下降。当锅炉本身出现扰动，如燃烧率自发增加时，主汽压力Pt将会上升，一方面通过锅炉主控系统减小燃料量；另一方面又经前馈到汽机主控系统开大调门，以减小主汽压力的波

36、动。在这个过程中机组出力会暂时增加，但最终会稳定到设定值。由于这种控制方式具有机、炉兼顾，互相协调的特点，在大型单元机组中得到普遍应用。2.2 单元机组协调控制的特点与开展国民经济不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐开展为大电网，大机组、高参数、高度自动化。由于高参数，大容量机组开展迅速，装机容量日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高。与其他工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的平安性和经济性。单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、平安保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点，在工程应

37、用中，协调控制系统能否成功的投入和运行，发挥其应有的功能，取决于机组主设备的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素。大型单元机组从设计、制造、安装都充分考虑到机组自动控制方面的需要，使机组可靠性得到了不断改善和提高，为机组自动化水平的提高奠定了根底。单元机组自动控制系统主要包括自动检测与监视系统、自动调节系统、程序控制系统、自动保护系统等等。自动检测与监视系统：把反映运行工况的物理参数，比方温度、压力、流量、液位、转速、位移、成分等，以及反映设备运行状态的物理参数，比方设备运行/停止、刀闸接通/断开、阀门开启关闭等进行检测。同时，也作为自动控制系统进行自动操作的依据。

38、自动控制系统：它也称为闭环控制系统。在机组运行过程中，持续不断的对主要运行参数进行调节，克服内部和外部各种扰动，维持各项参数在规定范围内。程序控制系统：它也叫做顺序控制系统。某些生产设备需要依照既定的操作步骤和顺序进行一系列的操作，例如主辅机设备顺序的启停等。自动保护系统：为了确保设备平安，在发生故障时能够自动地完成必要操作，使故障及时排除或防止故障扩大。例如汽轮机保护系统、锅炉保护系统、继电保护系统等。2.3 单元机组协调控制系统的根本概念2.3.1 单元机组协调控制系统概述1.协调控制的根本概念从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的根本策略。而大系统是指由假设干相互关联的子系

39、统组成的复杂系统。应用大系统理论解决控制问题的根本方法就是分解-协调的方法。所谓分解是把大系统化为假设干子系统，以便进行分块处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调那么是从系统的全局出发，合理地调整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递阶结构，也称为多级控制。在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的功能。如图2-1，处于上位协调的协调控制器职能，就如同总公司的董事长，其下协调级的控制器就相当于各子公司的总裁，处于局部控制级的控制器那么相当于各部门的经理。图2-1 递阶控制系

40、统结构框图常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，即机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡。主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统。随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及自身稳定参数运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制。所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工

41、作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以到达快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数。单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统根底上开展起来的新型控制系统。单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的。然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时能充分考虑它们的差异，采取某些措施如引入某些前馈信号、协调信号，让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接

42、收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控制，这样的控制系统称为协调控制系统。 协调控制系统是由负荷指令处理回路、机炉主控制回路、主压力设定回路三局部组成。负荷指令处理回路接收中调指令、操作员指令和频率偏差指令，通过选择和计算，再根据机组主辅机运行情况，发出机组实际负荷指令，送给机炉主控制回路，改变调节阀的开度和锅炉燃烧率。机前压力设定回路，由运行人员选择定压/滑压运行方式，经幅值和变化率处理后形成适宜的机前压力设定点，保证机组处于稳定、经济的运行工况。2.单元机组协调控制系统的结构单元机组协调控制系统的结构如下列图2-2所示。图中只给出了单元机组锅炉和汽轮发电机组最主要的控制系统局部

43、。单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，是整个系统的核心局部。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制系统，汽轮机功率/频率调节系统，以及直流锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。2.3.2 单元机组协调控制系统的根本要求1.机组并网运行时，应使机组满足电网对机组负荷的要求，并具有较高的负荷适应能力。在调节过程中，各调节机构的动作不应过分频繁，不致出现过分超调。2.保证机组运行平安。当主机或主要辅机设备故障时，应自动采取

44、相应的措施，把故障限制在最小的范围内，保证设备平安的前提下，不致使机组全停。负荷变更时，变更幅度和速度必须限制在平安允许的范围内。中调指令 操作员指令 频差指令单元机组主控系统 汽机指令 锅炉指令 给 水控 制系 统风 量控 制系 统燃 料控 制系 统汽轮机控 制系 统 进 燃 风 给 汽 料 量 水 量 量 量 机 炉 受 控 对 象图2-2 单元机组协调控制系统框图3.对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定压和滑压不同运行方式的需要。4.具有机炉间协调与能量平衡，实时监视主机、辅机的运行能力。5.系统要方便于运行人员的干预，保证任何一台执行器手动、自动切换的自平衡、无扰动。2

45、.3.3 单元机组协调控制的任务单元机组协调控制的任务有三项:1.保证机组输出功率迅速满足电网的要求;2.迅速协调锅炉、汽轮机之间的能量供求关系，使输入机组的热能尽快与机组的输出功率相适应;3.在各种运行工况下，确保机组平安稳定运行。2.3.4 单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统根底上开展起来的，其主要特点包括以下几个方面：1.系统结构先进。采用了递阶控制结构，机炉协调控制器是一个多变量控制器，采用了前馈、反应、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。2.系统功能完善。除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了

46、一整套逻辑控制系统。3.系统可靠性高。通过设置平安保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性。2.4 单元机组的运行方式单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种。定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节气门的开度，改变机组的输出功率。滑压运行那么是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机组的输出功率。2.4.1 滑压运行 采用滑压运行方式和滑压参数启停是单元机组具有的特点之一。单元机组在滑压运行方式下保持主汽门和调节汽门全开。外界负荷变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量

47、，改变锅炉的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进气压力，在维持气温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应外界负荷的需求。2.4.2 定压运行 定压运行方式的根本特征是机组负荷在任何稳定工况下，均保持主蒸汽压力和温度为额定值。定压运行机组的运行方式有手动、锅炉跟随、汽机跟随、协调控制方式四种。1.手动方式锅炉和汽机均在手动方式。由锅炉主控制器保证主汽压，汽机主控制器保证机组功率。如图2-3所示。 总燃料量 DEH控制器汽机主控制器手动锅炉主控制器手动燃 料主 控 给煤机 调门 控制器 图2-3手动方式2.锅炉跟随方式汽机控制手动，汽机调节器接受功率给定值

48、与实发功率反应信号，根据它们之间的偏差，调节汽门开度，从而改变进汽量，使发电机输出功率迅速满足负荷要求。锅炉主控制器自动，锅炉调节器接受机前压力定值的机前压力反应信号，根据偏差，调整燃料量，从而保证主汽压力稳定。如图2-4所示。3.汽机跟随方式当机组负荷发生变化时，通过锅炉调节器控制燃料量。机前压力改变后，按机前压力与给定值的偏差，通过汽机调节器改变汽轮机调节阀开度，从而改变机组功率。如图2-5所示。4.协调控制方式锅炉和汽机同时接受负荷指令，并按一定的策略去协调锅炉和汽机之间的控制。锅炉主控制器自动，保证主汽压，同时接受负荷指令的前馈信号；汽机主控制器自动，保证机组功率。负荷指令作为机组功率

49、设定值。对于单元机组协调控制系统控制质量的评价，主要根据以下两方面进行：其一是能否尽快地响应电网对机组的负荷要求；其二是在内、外扰作用下，机炉控制回路能否协调工作和能否使汽压偏差和功率偏差尽可能减小。如图2-6所示。 几种不同的运行方式间可以灵活的进行切换；锅炉出力受限制时，切至汽机跟随方式；当汽机出力受限制时，切至锅炉跟随方式。任何一种运行方式的选择均要求所需要的子系统被选择在自动方式；任何必须的子系统自动方式的切除，都将导致协调控制系统转到与之相适应的自动级。图2-5 汽机跟随方式2.5 单元机组协调控制系统各局部功能介绍 协调控制系统包括机组主控、锅炉主控和汽轮机主控，下面作具体介绍2.

50、5.1 机组主控1.负荷信号1在协调和汽轮机跟随运行方式时，负荷信号由运行人员在“手动负荷设定器上人工设置。当机组切换到自动发电控制时，机组接受电网的自动调度信号。机组上的上述负荷需求信号要受到负荷限值最大/最小负荷限值及发生RUN BACK、RUN UP/RUN DOWN等对负荷需求设定值的限制；负荷指令的变化亦要受到人工设定速率或汽轮机热应力的限制。当机组参加电网一次调频，还要迭加上频差局部的负荷指令，这时机组主控输出为机组负荷需求指令，同时送往锅炉和汽轮机主控。图2-6 协调控制方式2锅炉跟随方式时，机组负荷指令由汽轮机主控器设置。 2.负荷定值控制当机组能力和负荷需求不相适应时，应根据

51、机组实际能力对负荷定值做一定限制。1与机组负荷相关的主要运行参数而引起强迫增RUN UP、强迫减RUN DOWN；机组负荷超出了主、辅机的平安运行，这种迫降负荷既称RUN DOWN；当上述各值超出各自运行的下限值时，那么要发生迫升负荷，既RUN UP。2辅机故障负荷RUN BACK是指机组的主要辅机发生故障时，自动将负荷减到和主要辅机负载能力相适应的负荷水平。主要辅机故障指：局部风机送风机、引风机、一次风机故障，给水泵故障、磨煤机故障、锅水循环泵故障等。发生主油开关跳闸所引起的大幅度甩负荷，为维持汽轮机电厂用电或空负荷运行而导致的RUN BACK称FCB。3.机组主控进行操作的内容1选择机组运

52、行方式；2设置机组需求负荷；3设置负荷变动率；4设置机组负荷最大/最小值；5电网调度信号的切换；6电网频率信号的切换。2.5.2 锅炉主控 锅炉定值通过锅炉主控器设定，锅炉主控器可根据不同的运行方式可以自动或手动。 1.当所有依赖锅炉主控器的控制回路都在自动时，它可以手动；反之，锅炉控制都在手动时，它不能手操，而只跟踪燃料量。2.在汽轮机跟随方式时，锅炉主控器可以手操也可以自动，由运行员选择。当在自动时，运行员通过手动负荷设定器改变负荷定值。3.锅炉跟随方式，锅炉主控器只能自动运行，它的输入信号是压力定值与汽轮机阀位开度的乘积所代表的直接能量平衡信号。4.在协调控制方式运行时，锅炉主控器也只能

53、自动运行，它的输出就是燃料量和风量调节的定值。2.5.3 汽轮机入口压力定值根据机组负荷情况，可选择定压或滑压运行，汽轮机入口压力或主气压力的定值一般是负荷的函数。如图2-7所示1668压 15力定 值 10 MPa 668 5 29 75 100负荷指令%图2-7 主气压力定值与负荷指令的关系曲线2.5.4 汽轮机主控当DEH装置在远方控制方式时，汽轮机主控才能通过DEH起调节作用。1中选择协调运行方式时，电功率需求负荷为设定值，实测电功率和需求负荷相比拟，其偏差经汽压偏差修正，然后经PI处理去改变汽轮机调节气门开度，到达消除功率偏差的目的。2中选择了汽轮机跟随方式，汽轮机进汽压力在设定值，

54、实测进汽压力与定值相比拟，其偏差经汽轮机压力控制器去改变汽轮机调节汽门开度，到达消除压力偏差的目的。3中选择了锅炉跟随和手动方式时，运行员直接在汽轮机主控器上操作来增减负荷，得到所需要的电功率。汽轮机调节汽门需求位置与实际开度的偏差送到DEH系统去修正阀位，最后到达平衡。2.6 协调控制系统的作用协调控制系统由负荷指令处理回路和机炉主控制回路这两大局部组成，它们各自的作用分别介绍如下。2.6.1 负荷指令处理回路的作用1负荷指令处理回路接受的外部指令是电网调度所的负荷分配指令、机组运行人员改变负荷指令、电网频率自动调整的指令。根据机组运行状态和电网对机组运行要求，选择其中一种指令或两种指令。例

55、如，机组运行正常，电网要求机组参加调频，应同时接受三种指令，机组应工作在协调控制方式。如果锅炉有故障，那么机组的处理受到锅炉的限制，那么外部的负荷指令一率不接受，机组只能保证可能到达的实际出力，机组工作在汽机跟随方式。2限制负荷指令的变化率和起始变化幅度，根据机组变负荷能力，规定对机组负荷要求指令的变化不超过一定速度，以及起始变化不超过一定幅度。3限制机组最高和最低负荷。负荷指令回路中有计算单元机组实际出力回路的回路，使机组负荷指令不超过机组实际允许出力。4甩负荷保护。在机炉局部辅机故障时，不管对机组的负荷要求如何，为了保证机组正常运行，必须把机组负荷将到适当水平，在甩负荷中，不同的故障采用不

56、同的甩负荷速度。2.6.2 机炉主控制回路的作用1接受经过处理的负荷指令Po，对锅炉调节系统发出协调的指挥信号-锅炉指令B和汽机指令u。2根据机组输出功率与负荷要求之间的偏差，决定不同的运行方式。第 三 章 单元机组数学模型的动态分析3.1 单元机组动态数学模型的分析大型单元机组控制系统是一种多变量复杂控制系统，滞后大，受控过程是一个多输入多输出过程。在输入和输出之间存在着交叉的关联和耦合。只有通过合理的简化与近似处理，采用理论建模或实验的方法，才能建立起满足一定精度要求的动态特性数学模型。汽包锅炉单元机组可简化为一个具有双输入双输出的被控对象。如图3-1所示。图中，机组的输出功率N和机前压力

57、P为被控量；主汽门调节阀开度uT和燃料量uB为控制量。WNT和WNB分别为发电机实发功率对调门开度和燃料量的传递函数；WPT和WPB分别为机前压力对调开门度和燃料量的传递函数。这种合理简化的前提是：1送风量与燃料量相适应，保持燃烧稳定；2引风量与送风量相适应，保持炉膛压力；3给水量通过保持汽包水位进行控制，使给水流量与蒸汽流量相平衡；4主蒸汽温度控制相对独立。图3-1单元机组负荷控制对象数学模型在保证上述条件的根底上，进一步假定：1考虑单元机组在额定工况下的小扰动特性，即作为线性系统处理。2把分布的传热过程，分布的管道阻力视为集中传热，集中管道阻力，即作为集中参数系统处理。在此根本假设条件下，

58、单元机组受控过程动态特性可由下式表示：单元机组负荷控制对象的阶跃响应特性如图3-2所示：图3-2 阶跃响应特性图单元机组动态特性分析：1燃烧率uB扰动下，主蒸汽压力P和输出功率N的动态特性如下：当汽轮机调门开度不变，而uB发生阶跃扰动时，主蒸汽压力P和输出电功率N的响应曲线如图3-2a所示。增加锅炉的燃烧率，必定使锅炉蒸发受热面的吸热量增加，汽压经过迟延后逐渐升高。由于汽轮机调门开度保持不变，进入汽轮机的蒸汽流量增加，从而自发的限制了汽压的升高。当蒸汽流量与燃烧率到达新的平衡时，汽压P就趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。由于蒸汽流量的增加使汽轮机输出功率增加，输出电功率N也增加。当蒸汽流

59、量不变时，输出电功率也趋于一个较高的新稳态值，具有自平衡能力。2调门开度uT扰动下主蒸汽压力P和输出功率N的动态特性如下：当锅炉燃烧率uB保持不变，而uT发生阶跃扰动时，主蒸汽压力P和功率N的响应曲线如图3-2b所示。汽轮机调门开度阶跃增加后，一开始进入汽轮机的蒸汽流量立刻成比例增加，同时汽压P也随之立刻阶跃下降PP阶跃下降的大小与蒸汽流量的阶跃增量成正比，且与锅炉的蓄热量大小有关。由于燃烧率保持不变，所以蒸发量也不变。蒸汽流量的增加是因为锅炉汽压下降而释放出一局部蓄热，这只是暂时的。最终，蒸汽流量仍恢复到与燃烧率相适应的扰动前的数值，主蒸汽压力P也逐渐趋于一个较低的新稳态值。因蒸汽流量在过渡

60、过程中有暂时的增加，故输出功率N相应也有暂时的增加。最终，输出功率N也随蒸汽流量恢复到扰动前的数值。可以看出，机组增加负荷时，初始阶段所需的蒸汽量主要是由于锅炉释放蓄热量而产生的。通过以上分析，可以看出负荷控制对象的动态特性的特点是：当汽轮机调门开度动作时，被控量N和P的响应都很快，即热惯性小；当锅炉燃烧率改变时，N和P的响应都很慢，即热惯性大，一快一慢就是机炉对象动态特性方面存在的较大差异。3.2 机炉动态特性的根本特征 构成单元机组受控对象的设备是锅炉和汽轮发电机组两大局部。协调控制系统设计时，主要针对一个双输入、双输出的受控对象。通过对机炉内在机理的分析，可以看出其动态特性方面的以下根本