单元机组协调控制系统设计.docx

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单元机组协调控制系统设计

单元机组协调控制系统设计

摘要

在单元制机组的不断发展，协调控制系统作为单元制机组的控制核心，已然成为电厂自动化系统中最为关键的组成单元。

随着机组类型的不同，各个机组的参数也越来越高，容量也在逐渐增进，机组的动态特征和控制难度也随机组型号的不同而改动，因此不同机组的协调控制系统也是不同的。

所以在设计协调控制系统时，应该综合考虑所研究机组的动态特征和生产流程，针对不同类型机组的进行相应的方略。

在火电厂现场中，单元机组协调控制系统是一个具有强耦合、大时滞、大迟延、非线性等特征的一个多变量系统。

所以，这些复杂的动态特征，使得创建单元机组的非线性动态模型成为一个难点，而且使协调控制及其参数整定变得复杂起来，往往使调节品质下降，不能得到令人中意的控制品质。

本文首先阐述了单元机组协调控制系统的结构和功能，并对机组的动态特征和负荷指令管理系统进行了描述。

然后以一个300MW机组为研究对象，由分析得出该机组的模型结构，再对辨识出的协调系统的对象进行静态解耦控制，用工程正定法对解耦控制器参数进行整定，并用Matlab软件做了系统仿真。

仿真结果表明，解耦后的协调控制系统可以达到令人满意的控制品质和效果。

关键词：

协调控制；解耦控制；Matlab仿真；PID整定；300MVB组

DesignofCoordinatedControlSystem

forUnit

Abstract

Inthecontinuousdevelopmentofunitsystem,coordinatedcontrolsystemasaunitsystemcontrolcore,hasbecomethepowerplantautomationsystem,themostcriticalcomponent.Withthedifferenttypesofunits,theparametersofeachunitaregettinghigherandhigher,thecapacityisgraduallyincreasing,thedynamiccharacteristicsoftheunitandthedifficultyofcontrolarealsodifferenttypesofchange,sodifferentunitsofthecoordinatedcontrolsystemisdifferent.Therefore,inthedesignofcoordinatedcontrolsystem,shouldconsidertheselectedunitsofthedynamiccharacteristicsandprocess,fordifferenttypesofunitsforthecorrespondingdesign.Inthefieldofthermalpowerplant,theunitcontrolsystemisamultivariablesystemwithstrongcoupling,timevariability,largedelayandnon-linearity.Therefore,thesecomplexdynamiccharacteristicsmakethenonlineardynamicmodeloftheunitunitbecomeadifficultpoint,andmakethecoordinationcontrolanditsparametersettingbecomecomplicated,andtheadjustmentqualityisoftenreduced,andthesatisfactorycontroleffectcannotbeobtained.

Inthispaper,thestructureandfunctionoftheunitcontrolsystemaredescribed,andthedynamiccharacteristicsandloadcommandmanagementsystemoftheunitaredescribed.Then,a300MWunitistakenastheobjectofstudy,andthemodelstructureoftheunitisobtained.Thedecouplingcontroloftheidentifiedcoordinatesystemiscarriedout.Theparametersofthedecouplingcontrolleraresetbyengineeringpositivedefinitemethod.Softwaretodothesystemsimulation.Thesimulationresultsshowthatthecoordinatedcontrolsystemcanachievesatisfactorycontrolqualityandeffect.

Keywords:

Coordinationcontrolsystem；Decouplingcontrol；Matlabsimulation；PIDtuning;300MWunit

摘要1…

Abstract2…

第1章绪论4..

1.1研究背景4.

1.1.1单元机组的现状和发展.4.

1.1.2协调控制系统及其任务5.

1.1.3协调控制系统的优化5.

1.2课题的内容6.

1.3本章小结7.

第二章协调控制系统分析和研究8.

2.1单元机组协调控制系统8.

2.1.1协调控制系统的组成8.

2.1.2负荷指令处理回路（LDC及其主要功能9

2.1.3机炉主控制器9.

2.2单元机组的控制方式9.

2.2.1锅炉追踪方式9.

2.2.2汽机追踪方式1.0

2.2.3机炉协调方式1.1

2.3单元制机组负荷控制的特点1.2

2.4协调控制系统的动态特性1.3

2.4本章小结1.5

第三章单元机组协调控制系统数学模型的创建及解耦16

3.1数学模型的建立16

3.2多变量控制系统解耦16

3.2.1前馈设计补偿器17

3.2.2反馈设计补偿器18

3.2.3对角矩阵解耦法18

3.2.4单位矩阵解耦法19

3.3协调系统仿真20

3.3.1被控对象的动态特征仿真试验20

3.3.2控制器参数优化仿真25

3.4本章小结27

第四章结论28

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1单元机组的现状和发展

从上个世纪90年代起，我国电力行业的研究深入度过了一个漫长的阶段。

由于国家的经济和整体实力的迅猛成长和壮大，电力产业也跟着壮大了起来。

火力发电厂是我国乃至在世界上都算核心的能源工业之一，在我国电力工业中更是盘踞了主要地位。

我国近期将以200MW和300MW的机组为骨干机组，并逐步发展为600MW的机组。

大型火电机组在世界上进步的势头十分快，因为它的生产量多、投资的花费少、自动控制的程度也高。

大型火力发电机组是经典的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大又复杂的设备群。

由于其设备浩繁，管道纵横交错，生产流程复杂，甚至有上千万参数需要辨识、操纵和控制。

所以，维持一个机组能够合理运转，还要要求它的经济效益必须高并且产能品质高，那么，将计算机和电厂的运行绑在一起发展，目前，大型机组对于自动控制这一块儿特别看重。

一方面，是发电机组愈来愈多，还因为需求量的突飞猛进，导致机组的容量愈来愈大。

另一方面，由于汽轮机和锅炉这两个被控对象的物理属性以及生产流程和动态特征区别很大。

大型单元机组是一个锅炉和一个汽轮机的相对独立的单元，因为也带来它自己的特殊性；首先，锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的均衡，否则就破坏了正常的运转[20]。

因此，想要处理既能维持主汽压的在一定范围内的波动值很小，又能提高机组跟踪外界的变化的能力，这两个问题中相互存在的矛盾，所以，常见的机跟炉或者炉跟机跟随方式是走不通的。

所以，在设计自动控制使，应把机炉作为一个全部统筹考虑，这就是所谓“协调控制”。

而且大型单元机组在运转时需要辨识和调节的参数很多，所以要使这个机组正常运转，对自动化程度的要求相当高。

简而言之，协调系统作为发电厂在最复杂和最中心的控制系统，就像大脑作为人体的最关键的部位一样，它的主要目标是单位效率的自动控制，有必要确保障单位输出功率快速满足外部负载要求，就像大脑提供指令让手足协调，还要尽快提供单位能量，以单位输出负荷适应，保持出口主蒸压的稳定，犹如身体整个的平衡。

如果必须使协调系统达到更好的控制要求，就像人体维持一个循环的状态，肢体，器官，大脑都得发挥做用，所以锅炉、汽机、辅机的安全运转状况和控制系统的卓越性都是必须的，还要适应在各种各样的条件和环境下，都必须能够安全可靠的一个运行的协调系统。

1.1.2协调控制系统及其任务

单元机组的协调控制系统（CoordinatedControlSyestem,CCS就是根据单元机组负荷控制的特点，为了处理负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的控制系统,也就是单元机组负荷控制系统。

在单元机组运转方式中,它是把锅炉和汽轮机作为一个全部进行控制,既要共同快速满足外界发电负荷的要求,同时又要保证机组安全经济的运转（主要反映在主蒸汽压力上）。

所以机组的输出功率PE和主蒸汽压力pT是单元机组负荷控制的两个主要参数。

分析被控对象的动态特征可知,锅炉惯性大、响应慢；而汽轮机响应快,如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。

而汽轮机调节阀门开度的举动,可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能,使输出功率有较快的响应。

因此为了升高机组的响应性能并且在保证安全运转的条件下,充分利用锅炉的蓄热能力,也就是在负荷变动时,通过汽轮机调门的适当举动,允许压力有一定的波动,既释放或利用了蓄能,又加速了机组初期负荷的响应速度；与此同时,根据外部负荷指令请求,加强对锅炉侧燃烧率的控制,及时复原蓄能,使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致,就是协调控制的基本原则。

1.1.3协调控制系统的优化

由于机组容量的日益增大以及机组自身需要调节的参数的增多,就像协调系统的大迟延、大惯性、强耦合等特点就像惰性对于整个人体来说,会造成一个人做事情时特别懒散,所以这些将导致这些情况变本加厉的,因此,上述都给实现协调控制给予了空前绝后的难题。

例如：

文献［1］通过单向静态解耦来处理了直流炉给水系统的特殊性,机炉控制间调节速度的差异性和回路间的强耦合性,燃料回路间的滞后性等问题,最后加入时序保护功能装置来确保机组安全运转。

文献［2］针对直流锅炉引入动态解耦控制,提出了一种三输入三输出的控制策略,实现了给水侧和燃料侧,锅炉侧和汽轮机侧的双向补偿解耦,有效地处理了当扰动发生时,燃水比系数很难保证等问题。

目前的控制策略无法得到令人满意的控制效果,主要是以下三个原因：

1.由于控制机组的复杂特征导致多变量之间有强烈耦合,从而无法得到精准的数学模型。

而且在不同的工况下,被控对象的参数也会随之变动,而且现有的控制方法都没有考虑得到所有的情状,因此无法得到令人满意的控制品质。

2.多变量之间的强耦合性。

因为不同的输入和另一个不同的输入之间会有很强的干扰,所以这不仅让系统变得更加不明确而且更加复杂,而且也给控制系统的设计带来了难以想象的难题，对于调节PID的参数来说，那当然也必须相当的难以把握,因此并不能获取到让我们心满意足的那样一个控制品质和要求都好的

系统

3.根据被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、变化慢，而汽机变化快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。

而汽轮机调节汽门的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应，因此无法得到令人满意的动态特征。

对于上述三个问题来说，研究和分析不同机组的协调控制系统，有助于设计和优化与此系统对应的控制策略。

文献[7]针对现存的预测控制方法在用于单元机组负荷控制时存在的问题，并根据其控制特点，提出了一种新的多变量预测控制算法，且具有良好的控制性能。

文献[9]为了有效地控制多变量多时滞的稳定过程，设计了一种具有良好的鲁棒性能，但是对系统模型精确度要求不高的多变量解耦内模控制。

文献[10]在文献[9]提出的内模控制的原理基础上，通过对一个简化的单元机组模型，推导出单元机组协调控制器，通过仿真验证了该控制器的解耦效果良好，控制品质良好，具有一定的通用性。

在国内外科学家和团队的不断研究下，坚持不懈的努力下和刻苦的钻研下，协调控制系统在实际生产应用中的效果越来越好，越来越明显，控制程度越来越高，应用范围也越来越广。

为协调控制的更进一步的发展迈出了第一步，也打下了坚实的基础。

1.2课题的内容

由于控制器参数的愈来愈高并且随着科技的发展和进步对机组的容量的要求也变得愈来愈高，大容量机组成为了必然要求，这就导致了会有各种不同类型的机组，并且所对应机组的控制方式也不尽相同。

因此，为了增大机组实际的负荷量来满足实际需求，并且全自动化控制的水平要求也愈来愈高，那么作为至关重要的一个环节就是对协调控制系统的设计和优化了。

针对上述这些问题，本文主要完成了以下几点部分：

1.阐述了协调系统的发展背景和过程，分析了它的主要组成部分和每块儿部分对应的功能。

提出了协调系统自身存在的问题，并研究了被控对象的动态特征。

通过对被控对象的机理分析和数学建模，得到了该系统动态特征的传递函数。

2.进一步通过学习分析了协调系统的主要组成部分和每块儿部分对应的功能，学习了为什么要建立一个“机炉协调”控制系统，是因为常用的两种方法无法克服主汽压和外界负荷变化的矛盾。

通过学习大量文献，学习了单元机组的构成，以及对应的成产工艺流程和如何运用正确的方法来简化机组，获得正确的模型以及被控对象的传函。

从而，通过已经学习过的知识，来确定所要研究对象的动态特性。

3.分析了某以300MW亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控

制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。

最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过静态解耦的方法，按照分解后变成的两个单回路的独立系统，采用工程整定法，对系统中的机组负荷以及主蒸汽压力控制器参数的进行设计、优化和整定，学习用Matlab进行程序编写和Simiulink搭建仿真框图进行仿真实验，经过PID参数整定，使系统达到良好的控制效果和控制品质。

1.3本章小结

本章主要为绪论部分，主要讲述了协调系统的产生的原因。

说明了其发展的轨迹以及在国内外目前的发展状况。

另外说明了本文的选题背景及意义，并且对接下来要进行的工作和所需要掌握的知识，以及要学会的方法，系统的特性进行了简要说明。

第二章协调控制系统分析和研究

2.1单元机组协调控制系统

2.1.1协调控制系统的组成

当机组正常运转时，锅炉、汽机既要一起去满足外界负荷的需求，又必须一同保障内部成千上万的运转参数在额定的工作范围之内。

从上述这个方面来看，汽轮机和锅炉已经成为了一个不可分割的全部。

但是从另一方面来看，锅炉和汽轮机的工作过程又有其各自不同的特点，他们的动态特征有很大的差别，为了保证其自身的安全性和经济性运转，每个部分都有其自身需要调节需要控制的运转参数，并且有相适应的调节机构，即有各自对应的自动控制系统。

例如：

锅炉机组的燃烧、给水、汽温等控制系统；汽轮机组的液位、调速、保护等控制系统。

因此，锅炉和汽轮机机组又是两个相互独立的被控对象。

因此，负荷控制系统等

同于一个人体的大脑部位，来控制一切的指挥中心，而汽轮机、锅炉局部控制系统就像器官和四肢一样是被控部分。

局部控制系统就像各个器官对于整体一样，是一个基础的部分，所以相对负荷系统来说是它们也算基础控制级。

所以我们也把负荷系统称为主控系统（也称为大脑部位，作为发布指令等信息的核心）；称

锅炉、汽轮机为子控系统（也就是所谓的各个既独立运转又相互联系的器官）。

系统组成框图如图2.1示：

图2.1负荷控制系统的组成

从图2.1可以看出，单元机组负荷控制系统（又称为单元机组主控制系统）由两大部分组成：

负荷指令处理回路（LoadDemandComputer丄DC和机、炉主控制器（BoilerAndTurbineMaste）。

2.1.2负荷指令处理回路（LDQ及其主要功能

它有很多功能，其中比较重要的是对各种负荷请求指令进行挑选，并且可以

根据主、辅机组当时运转的情状加以处理，最终，可以使它可以提高作为机、炉设备的负荷能力，而且可以安全运转，也能接受不同的实际负荷指令R。

主要功能包括以下六个方面：

⑴机组负荷指令的挑选

⑵最大/最小负荷限制

⑶负荷指令变化速率限制

⑷负荷返回（RB

⑸负荷增/减闭锁（BI/BD）

⑹负荷迫升/迫降（RU/RD）

2.1.3机炉主控制器

机炉主控制器的主要作用有两个方面：

⑴接受LDC输出的机组负荷指令R、实发功率Pe、主蒸汽压力给定值P。

、主蒸汽压力测量值pT等信号，按照功率偏差CP二R-Pe和主蒸汽压力偏差

•巾二p0-決进行控制运算，分别产生锅炉主控指令（BoilerDemand）pB和汽轮机主控指令Pt，作为指挥信号分别送往其对应的子系统；

⑵根据该机组当前的运转要求和运转条件，挑选与之相适应的负荷控制方式。

2.2单元机组的控制方式

2.2.1锅炉追踪方式

图2.2是锅炉追踪方式的原理图：

由图2.2可知，这种方法是主要以调节汽轮机的阀门开度Jg，然后致使机组的实际输出PE十分快速的与机组负荷的给定值Pr要保持相同的值，这样才可以满足外界％的需求。

在相同的时间时，因为阀门开度的变化，主蒸压也会因为这个变化而产生变化，为了维持机组整体汽压的稳定性，只需要让主汽压调节器来改动B的数量，从而追随汽机的负荷变化。

这种方式是先让汽机跟随外界的需要，得到一个需要变化的值，然后把信息指令输送给锅炉，再让锅炉跟随汽机的改变而改变，因此称为“炉跟机”控制方式。

这种方法能够充分利用了锅炉的蓄热量，敦促机组迅速地随着外界负荷的变化而变化。

但是主蒸汽压力Pt将会

难以稳定并会大幅度的波动，因为锅炉其自身的大迟延等特性。

这种大幅度的波动是导致锅炉不能安全、经济和稳定运转的一个弊端。

因此，为了避免这种危险的发生，此时需要一个限制值对机组效力的幅度和速度加以拘束。

所以“炉跟机”跟随方式只适用于电网调频的机组。

2.2.2汽机追踪方式

图2.3是汽机追踪方式的原理图：

节功率调节器从而直接改变投入到锅炉中的B的多少。

但是依据锅炉内部热量的增多或者变少，主汽压Pt将继续跟着发生变化，这个时候，主汽压调节器将连续不停地变动阀门开度用来保障机组出口主汽压的稳定；但是汽机的调阀的目的,

都只是为了满足实际需求的输出功率的多少，从而改变自身出力的变化。

因此，现在这种方法的基本过程是先让锅炉随着外部实际输出的需要，再让汽机按照锅

炉的需求来调整自己的出力方式。

所以，我们称这种控制方法为--“机跟炉”控制方法。

在这种控制方式中，主蒸汽压力是通过调节阀门开度来维持的，所以说主蒸汽压力是可以保持相当稳定的状态，这非常有利于锅炉安全、经济和稳定的运转。

但是这种控制方式也是有缺陷的，锅炉的蓄热能没有移用，因此机组随着效力设定值的变动会反应的特别迟缓。

223机炉协调方式

变化而变化的能力上提出的方法。

这种既能够解决了“炉跟机”追踪方法中使用蓄热量太多以致于导致主汽压变化幅度相当大的难题，又可以处理了“机跟炉”追踪方法中直接不需要用蓄热量，从而难以迅速地随着负荷的变化而变化的矛盾。

简而言之，这是一种能够取两者精华，弃两者糟粕，然后将锅炉个汽机同时调用，协同合作的控制方法。

具体控制过程如下：

此时，外界需机组的出力增加时，必须要增大效力的给定值p，它与此时实际出力Pe的偏差信号，一方面经负荷调节系统，开大阀门开度，然后使汽机的输出负荷增加；相反的是，这种输出转换成信号作为前馈到锅炉效力调节系统中。

然后，此时只要提高投入的燃料量B,来让输出负荷变大。

但是，锅炉的迟延比较大，所以，锅炉的输出功率变化速率远远慢于汽机的。

所以，主汽压变小，此时PT和赋予的初始值比之间会有一定的差值，现在既可以通过更进一步提高投入的燃料量B,来升高锅炉的输出，敦促主蒸汽压力PT更快的回升；另一方面，又可以通过汽轮机效力调节系统，减小汽机阀门开度，限制主汽压下降的幅度，来保障此时机组出口主汽压在稳定的能够接受的范围内。

当锅炉自我出现不和谐的现象时，譬如：

投入的燃料量自愿提高时，出口的主汽压PT此时幅值上升，其中一个方法是经锅炉调节系统来降低投入燃料量B的供应；另一方面又可以通过汽机效力调整系统，通过开大汽机阀门开度，来减小主蒸汽压力的波动。

在这个步骤中，发电机功率的增加只是临时的，它最后还是会通过汽机的效力调整系统调回到稳定值。

由以上的分析可以看出，机炉协调方法的最核心的内容就是用方法然后有克制的运用合理的蓄热量，这样我们又能保障机组可以非常迅速地去跟随外界实际输出的变化，又可以保障了主蒸汽压力在调节过程中不至于出现较大的波动。

因

此，可以知道，这种方法已经得到了普遍的适用。

2.3单元制机组负荷控制的特点

单元制机组是由锅炉和汽轮发电机组联合起来共同适应电网的负荷要求的

变化，同时还要保证机组安全、经济和稳定的运转[25]。

单元机组的方框图如图2.5所示：

a

图2.5被控对象方框图

其中，ut表示主蒸汽调节阀门开度；M表示燃烧率；PE表示机组实际负荷；PT表示主蒸汽压力；Gnt（s）表示阀门开度ut变动使机组负荷PE变化的传递函数；Gpt（s）表示阀门开度ut变动使主蒸汽压力PT变化的传递函数；Gnb（s）表示燃烧率M变动使机组负荷PE变化的传递函数；Gpb（s）表示燃烧率M变动使主蒸汽压力PT变化的传递函数；

由图2.5可以看出：

受控对象：

燃料量B（送风量、给水量与之相适应）和阀门开度X

输出对象：

机组负荷PE和主蒸汽压力PT

燃料量B不仅影响主汽压PT,而且还影响机组输出PE=输入量・iT也是既影响输出量PE又影响输出量PT。

所以在分析整个过程时，不能独自分析汽机系统，或者独自的分析另外一个系统，必须将锅炉和汽机全部进行思考和分析。

这样才能合理的解决两条通道之间存在的矛盾和干扰。

汽机响应外界变化快，而锅炉响应外界变化慢，两者