基于MATLAB過熱汽溫控制系統(tǒng)仿真.doc

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1、華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于MATLAB的過熱汽溫控制的仿真與設(shè)計(jì)摘要 隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的高參數(shù)大容量機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)。從發(fā)展趨勢(shì)看, 600MW 及以上等級(jí)的火電機(jī)組已成為大電網(wǎng)的主力機(jī)組。同時(shí)大容量機(jī)組的不斷增加和電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化程度的日益提高，對(duì)火電廠機(jī)組的控制品質(zhì)提出了更高的要求。過熱汽溫度是鍋爐運(yùn)行中的主要參數(shù),它的高低直接影響鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行。鍋爐過熱汽溫控制有非線性和時(shí)變性。其大延時(shí)和大慣性的特點(diǎn)使其一直以來都成為火電廠自動(dòng)控制的難點(diǎn)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，針對(duì)火電廠鍋爐過熱汽溫控制系統(tǒng)具有大遲延、時(shí)變等特點(diǎn)，常規(guī)控制難以取得滿意的控制效果，通過采用先進(jìn)的控制策略，

2、在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究過熱汽溫控制系統(tǒng)的控制性能。 關(guān)鍵字：過熱器，分段控制，串級(jí)控制，過熱汽溫，控制策略 Steam temperature cascade control sub-system performance analysis and simulationAbstractWith Chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-parameter units have put into production. From the development trend,

3、 above 600 MW unit will become a main unit of the power grids in the future. With the increasing of the large-capacity unit and the increasing degree of automation of the scheduling grid, it is a higher demand to the quality control of the thermal power plant unit. Supercritical generating units is

4、the development of large-capacity generating units in China will also become the main force units. The main steam temperature is the main parameters in the boiler operation, which affect the safe and stable operation of boiler directly. The control of main steam temperature in the boiler is nonlinea

5、r and time variability. It is very difficult to control for the large delay and the inertia of its characteristics. In this paper, we focused on the characteristics, composition, and the principles analysis of main steam temperature control system and propose a control strategy that fits the large d

6、elay control system. Research superheated steam temperature control system control performance through the use of advanced control strategy and MATLAB simulation experiment,Keywords: Superheater，Segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategy目 錄摘要IAbstractII1緒論11.1課題背景

7、11.2過熱汽溫控制的難點(diǎn)11.2.1過熱汽溫的意義21.2.2過熱汽溫控制系統(tǒng)31.3本文主要研究?jī)?nèi)容32 過熱汽溫控制系統(tǒng)分析42.1過熱汽溫控制系統(tǒng)的對(duì)象特性和任務(wù)42.1.1過熱汽溫被控對(duì)象特性42.1.2過熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)62. 1.3過熱汽溫控制的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則72.2過熱汽溫控制系統(tǒng)72.2.1過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)分析82.2.2過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的組成82.3 PID調(diào)節(jié)器102.3.1 PID調(diào)節(jié)器的基本原理102.3.2 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響113 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)133.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定法133.12穩(wěn)定邊界法133.13衰減曲線法

8、143.2對(duì)模型的仿真154多模型的PID無擾切換254.1多模型串級(jí)PID控制系統(tǒng)254.2過熱汽溫多模型建立264.3切換策略274.4典型工況下控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定274.5仿真研究28結(jié)束語30致謝31參考文獻(xiàn)32341緒論1.1課題背景電力工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中的優(yōu)先發(fā)展重點(diǎn)。作為一種先進(jìn)的生產(chǎn)力和基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，電力行業(yè)對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起到了重要作用。與社會(huì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分密切的關(guān)系，它不僅是關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)安全的戰(zhàn)略大問題，而且與人們的日常生活、社會(huì)穩(wěn)定密切相關(guān)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電的需求量不斷擴(kuò)

9、大，電力銷售市場(chǎng)的擴(kuò)大又刺激了整個(gè)電力生產(chǎn)的發(fā)展。目前中小型火電廠，鍋爐、汽機(jī)的操作和監(jiān)控仍然由人工加儀表，不僅難以做到平衡操作，安全生產(chǎn)也沒有確實(shí)保證。工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大、條件差，而且運(yùn)行效率低、耗煤量大、浪費(fèi)能源、污染環(huán)境，不改變現(xiàn)有的控制手段，鍋爐的運(yùn)行很難有滿意的效果。為了提高鍋爐、汽機(jī)的運(yùn)行效率，降低能耗，確保安全生產(chǎn)，改善勞動(dòng)環(huán)境，利用計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、準(zhǔn)確性等多種特殊功能，代替常規(guī)儀表實(shí)現(xiàn)鍋爐，汽機(jī)的檢測(cè)和控制是發(fā)展的必然趨勢(shì)。計(jì)算機(jī)可以提供許多常規(guī)儀表和人工操作難以實(shí)現(xiàn)和無法實(shí)現(xiàn)的功能，它在改善鍋爐和汽機(jī)的監(jiān)控品質(zhì)，提高鍋爐和汽機(jī)的熱效率，節(jié)省能源，減少污染等方面將會(huì)起到極

10、為重要的作用。隨著單機(jī)容量的增大，初蒸汽參數(shù)也向高壓、超高壓、亞臨界、超臨界、超超臨界壓力逐步過渡。超臨界機(jī)組是我國近期發(fā)展起來的大容量機(jī)組，并逐漸將成為國家電力行業(yè)的主力機(jī)組。就目前看來，我國發(fā)電還是主要以火力發(fā)電為主，由于我國的煤炭?jī)?chǔ)量還較為豐富，所以火力發(fā)電廠主要還是燃煤電廠，而考慮到煤炭、石油、天然氣等資源的有限性和不可再生性以及我國水利資源的可觀性，我國這幾年正在大力發(fā)展水電站。除此以外，核電事業(yè)的發(fā)展也取得了很好的成績(jī)?；痣姀S日漸朝著大機(jī)組大容量的方向發(fā)展，這樣可以提高熱效率，每千瓦的建設(shè)投資和發(fā)電成本也會(huì)降低。目前，我國發(fā)電主要是向600WM、1000WM機(jī)組的目標(biāo)邁進(jìn)。由于超臨

11、界和超超臨界機(jī)組可以調(diào)高煤炭利用率、降低環(huán)境污染、提高經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展超臨界機(jī)組和超超臨界機(jī)組是必然趨勢(shì)。1.2過熱汽溫控制的難點(diǎn)鍋爐是火電廠及其它工業(yè)企業(yè)中最普遍的動(dòng)力設(shè)備之一。它的功能是把燃料中的貯能，通過燃燒轉(zhuǎn)化成熱能，以蒸汽或熱水的形式輸給各種設(shè)備。火電廠鍋爐過熱蒸汽溫度是否具有較好的控制品質(zhì)和魯棒性，與鍋爐機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著密切的關(guān)系。過熱汽溫的控制一直是火電廠模擬量控制系統(tǒng)的難點(diǎn)，這主要是因?yàn)檫^熱汽溫控制對(duì)象具有大延時(shí)、大慣性、非線性和時(shí)變性等特點(diǎn)，采用常規(guī)和簡(jiǎn)單的控制規(guī)律難以獲得較好的調(diào)節(jié)效果。長期以來，過熱汽溫的控制是火電廠自動(dòng)控制領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向，目前已經(jīng)出現(xiàn)了相當(dāng)

12、多的控制方案以及應(yīng)用嘗試。1.2.1過熱汽溫的意義過熱汽溫是火電廠汽水工質(zhì)中的最高溫度，維持過熱汽溫穩(wěn)定、控制過熱汽溫在給定范圍、保證整個(gè)過熱器不要超溫是過熱汽溫控制系統(tǒng)的重要任務(wù)。過熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著非常重要的意義，但同時(shí)也是最難控制的系統(tǒng)之一，其控制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面：（1）過熱汽溫的干擾因素很多，例如負(fù)荷，減溫水量等。（2）在各種擾動(dòng)量的干擾下汽溫對(duì)象具有非線性、時(shí)變等特性，使控制難度加大。（3）汽溫對(duì)象具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，尤其是隨著機(jī)組容量和參數(shù)的提高，蒸汽過熱受熱面的比例加大，使其遲延和慣性進(jìn)一步加大，增大了控制難度。但同時(shí)過熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組安全經(jīng)

13、濟(jì)的運(yùn)行有著相當(dāng)重要的作用，主要有以下幾個(gè)方面：過熱汽溫過高會(huì)使蒸汽管道金屬和鍋爐受熱面的蠕變加快，影響使用壽命。當(dāng)超溫嚴(yán)重的時(shí)候，將會(huì)使材料強(qiáng)度急劇下降從而導(dǎo)致管道破裂。過熱汽溫過高還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的汽缸、汽門、前幾級(jí)噴嘴和葉片的機(jī)械強(qiáng)度下降，導(dǎo)致使用壽命降低和設(shè)備損壞。汽溫過低，將會(huì)影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)汽溫低的時(shí)候機(jī)組熱效率降低，煤耗增大。另外，汽溫降低會(huì)使汽輪機(jī)尾部的蒸汽濕度增大，影響汽輪機(jī)內(nèi)部的熱效率，使汽輪機(jī)末幾級(jí)葉片的侵蝕加劇。此外，汽溫降低會(huì)使汽輪機(jī)所受的軸向推力增大，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行很不利。主汽溫變化過大，除使管材及有關(guān)部件產(chǎn)生疲勞外，還將引起汽輪機(jī)汽缸的轉(zhuǎn)子與汽缸的脹差變化，

14、甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行?？傊^熱汽溫是火電機(jī)組的主要參數(shù)。由于過熱器是在高溫、高壓環(huán)境下工作，過熱器出口汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處，工藝上允許的汽溫變化又很小，汽溫對(duì)象特性呈非線性，影響汽溫變化的干擾因素多等，這些都使得汽溫控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因此正確選擇控制汽溫的手段及控制策略是非常重要的。1.2.2過熱汽溫控制系統(tǒng)過熱蒸汽系統(tǒng) 由各級(jí)過熱器及其進(jìn)出口聯(lián)箱、連接管道、閥門及調(diào)溫裝置等設(shè)備組成。過熱器是該系統(tǒng)中的主設(shè)備。過熱器的作用是將蒸發(fā)系統(tǒng)所產(chǎn)生的飽和蒸汽加熱成具有一定溫度和壓力的過熱蒸汽。過熱汽溫控制系統(tǒng)一般根據(jù)鍋爐各類分為汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)和直流鍋爐控

15、制系統(tǒng)。此文中僅介紹汽包爐，直流爐與其類似。汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)是由汽包，水冷壁，減溫器和過熱器串聯(lián)而成。其工藝流程可以從圖1-1中看出。主汽溫控制系統(tǒng)采用分段控制策略，具體內(nèi)容可見圖1。汽包爐主汽溫調(diào)節(jié)可以分為A、B兩側(cè)，蒸汽經(jīng)過A、B兩側(cè)過熱器后進(jìn)入聯(lián)合混熱箱，最后通過蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)。通過A、B兩側(cè)一級(jí)減溫器噴水注入過熱器來調(diào)節(jié)A、B兩側(cè)一級(jí)過熱器的出口蒸汽溫度，通過A、B兩側(cè)二級(jí)減溫器的噴水流量來控制主蒸汽溫度。圖1-1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)工藝流程圖1.3本文主要研究?jī)?nèi)容1、了解及掌握過熱汽溫在寬負(fù)荷工況下的動(dòng)態(tài)特性；2、熟悉過熱汽溫常用的控制方法；3、運(yùn)用自適應(yīng)PID方法進(jìn)行過熱

16、汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；4、在Matlab環(huán)境下對(duì)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。2 過熱汽溫控制系統(tǒng)分析2.1過熱汽溫控制系統(tǒng)的對(duì)象特性和任務(wù)2.1.1過熱汽溫被控對(duì)象特性（一）靜態(tài)特性(1)鍋爐負(fù)荷與過熱汽溫的關(guān)系。鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，爐膛中燃燒的燃料增加，但爐膛中的最高溫度沒有多大變動(dòng)，爐膛輻射放熱量相對(duì)變化不大，使得爐膛出口煙溫增高。這就是說負(fù)荷增加時(shí)，每千克燃料的輻射放熱百分率減少，而在爐膛后的對(duì)流換熱區(qū)中，由于煙溫和煙速的提高，每千克燃料的對(duì)流放熱百分率將增大。因此，對(duì)于對(duì)流式過熱器來說，當(dāng)鍋爐的負(fù)荷增加時(shí)，出口汽溫的穩(wěn)態(tài)值升高；輻射式過熟器則具有相反的汽溫特性，即當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，會(huì)使出口

17、汽溫的穩(wěn)態(tài)值降低。如果使兩種過熱器串聯(lián)配合，可以取得較平坦的汽溫特性。(2)給水溫度與過熱汽溫的關(guān)系。提高給水溫度，將使過熱汽溫下降，這是因?yàn)楫a(chǎn)生每千克蒸汽所需的燃料量減少了，流經(jīng)過熱器的煙氣量也減少了。也可這樣認(rèn)為：提高給水溫度后，在相同的燃料量下，鍋爐的蒸發(fā)量增加了，故過熱汽溫將下降。因此，是否投入高壓給水加熱器將使給水溫度相差很大，這對(duì)過熱汽溫有明顯影響。(3)燃料器的運(yùn)行方式與過熱汽溫的關(guān)系。在爐膛內(nèi)投入高度不同的燃料器或改變?nèi)剂掀鲾[角會(huì)影響爐內(nèi)溫度分布和爐膛出口煙溫，因而也會(huì)影響過熱汽溫，火焰中心相對(duì)提高時(shí)，過熱汽溫將升高。(4)過?？諝庀禂?shù)與過熱汽溫的關(guān)系。過剩空氣量改變時(shí)，燃料生

18、成的煙氣量亦改變，因而所有對(duì)流受熱面吸熱隨之改變，而且對(duì)離爐膛出口較遠(yuǎn)的受熱面影響顯著。以對(duì)流吸熱為主的過熱器，當(dāng)增大過?？諝饬繒r(shí)，將使過熱汽溫上升。此外，還有受熱面清潔程度、飽和蒸汽用量、燃料性質(zhì)、尾部煙道中再熱汽溫控制擋板位置等都會(huì)對(duì)過熱汽溫的產(chǎn)生影響。過熱汽溫控制對(duì)象的靜態(tài)特性指汽溫隨鍋爐負(fù)荷變化的靜態(tài)關(guān)系。對(duì)流式過熱器和輻射式過熱汽溫靜態(tài)特性完全相反。如圖所示。對(duì)于對(duì)流式過熱器，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，通過對(duì)流過熱器的煙氣量和煙氣溫度增加，因而對(duì)流式過熱器的汽溫升高。對(duì)于輻射式過熱器，由于負(fù)荷增加時(shí)爐膛溫度升高不多，而爐膛煙氣溫度升高所增加的輻射熱量小于蒸汽負(fù)荷增加而降低?？梢娺^熱器的傳熱形式、

19、結(jié)構(gòu)、布置將直接影響過熱器的靜態(tài)特性?，F(xiàn)代大容量鍋爐的過熱器系統(tǒng)都采取了對(duì)流式過熱式、輻射式過熱器和屏式（半輻射式）過熱器交替串聯(lián)布置的結(jié)構(gòu)，這有得于減小過熱器的出口汽溫的偏差，并改善了過熱汽溫控制對(duì)象的靜態(tài)特性。對(duì)流式過熱器輻射式過熱器圖2-1過熱汽溫控制對(duì)象靜態(tài)特性曲線需要說明的是，上述汽溫特性是指變化前后的兩個(gè)穩(wěn)定工況。對(duì)于變化的動(dòng)態(tài)過程，汽溫的變化的情況不同，例如，當(dāng)負(fù)荷突然增加時(shí)，不論是哪種過熱器，汽溫總是降低的。（二）動(dòng)態(tài)特性目前，火電機(jī)組廣泛采用噴水減溫方式來控制過熱蒸汽溫度。影響汽溫變化的因數(shù)很多，但主要有蒸汽流量、煙氣傳熱量和減溫水量等。在各種擾動(dòng)下，汽溫控制對(duì)象具有遲延、慣

20、性和自平衡能力的。下面分別說明在上述三種主要擾動(dòng)作用下，過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。(1)蒸汽流量擾動(dòng)下過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。大型鍋爐都采用復(fù)合式過熱器，當(dāng)鍋爐負(fù)荷增加時(shí)，鍋爐燃燒率增加，通過對(duì)流式過熱器的煙氣量增加，而且煙氣溫度也隨負(fù)荷的增大而升高。這兩個(gè)因數(shù)都使對(duì)流式過熱器的汽溫升高。然而，當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，爐膛溫度升高得并不明顯，由爐膛輻射傳給過熱器的熱量比鍋爐蒸汽量增加所需要的熱量少，因此使輻射式過熱器出口汽溫下降?？梢?，這兩種形式的過熱器對(duì)蒸汽流量擾動(dòng)的反應(yīng)恰好相反，只要設(shè)計(jì)上配合得當(dāng)，就能使過熱器出口汽溫隨蒸汽流量變化的影響減小。通常，過熱器以對(duì)流方式吸熱比輻射方式吸熱多，因此過熱器出口

21、汽溫仍隨負(fù)荷的增加而升高。應(yīng)當(dāng)注意：如果蒸汽流量的增加是汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)引起的，則在鍋爐燃料燃燒率調(diào)整之前，過熱汽溫是隨蒸汽流量的上升而下降的。當(dāng)蒸汽流量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，由于過熱器上各點(diǎn)的汽溫幾乎同時(shí)變化，因此過熱器出口汽溫變化的遲延較小，遲延時(shí)間約為20s。盡管蒸汽流量擾動(dòng)下汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性較好，但由于蒸汽負(fù)荷決定于用戶，所以不能用蒸汽流量的擾動(dòng)作為控制汽溫的手段。(2)煙氣傳熱量擾動(dòng)下過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)燃料量、送風(fēng)量或煤種等發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起煙氣溫度和流速的變化，使煙氣傳給過熱器的熱量發(fā)生變化，從而使過熱汽溫變化很快，遲延時(shí)間很小，一股為1525s。由于煙氣側(cè)擾動(dòng)時(shí)，過熱汽溫的動(dòng)態(tài)特性較

22、好，因此可利用煙氣側(cè)的擾動(dòng)作為控制汽溫的手段，例如，采用煙氣再循環(huán)(改變流過過熱器的煙氣流量)和改變噴燃器的擺角等，但這些控制方法需要鍋爐具有滿足自動(dòng)控制要求的結(jié)構(gòu)和性能，而鍋爐設(shè)計(jì)、制造及實(shí)際使用都還有一定的困難。(3)減溫水量擾動(dòng)下過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于蒸汽流量的擾動(dòng)和煙氣側(cè)的擾動(dòng)，過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖然較好，但前者由機(jī)組負(fù)荷決定，不能作為汽溫的控制手段，后者使用比較困難。因此，目前常用噴水式減溫來控制汽溫。當(dāng)減溫水量發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，雖然減溫器出口處汽溫已發(fā)生變化，但要經(jīng)過較長的過熱器管道才能使出口汽溫發(fā)生變化，使汽溫反應(yīng)的遲延很大，而且減溫器離過熱器出口愈遠(yuǎn)，則對(duì)象控制通道的遲延和

23、慣性愈大。因此，控制汽溫的最有效方法是在過熱器出口處直接進(jìn)行噴水減溫，但這又對(duì)過熱器和汽輪機(jī)的安全運(yùn)行不利。為此，噴水減溫器通常裝在末級(jí)過熱器高溫段的前面，這樣既保護(hù)了過熱器的高溫段，同時(shí)又減少了蒸汽帶水的可能性。但是，遲延時(shí)間仍較大，一般為30-60s。因此，大型單元機(jī)組一般采用多級(jí)減溫。對(duì)于維持汽溫這一要求而言，汽溫對(duì)象在控制作用下動(dòng)態(tài)特性的遲延和時(shí)間常數(shù)太大，如果只根據(jù)汽溫偏差來改變減溫水量往往不能有效地控制汽溫。所以，為了提高控制質(zhì)量，一般選擇減溫器后的汽溫作為局部反饋信號(hào)。因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)比主汽溫提前反應(yīng)減溫水的擾動(dòng)，所以也稱為導(dǎo)前信號(hào)。對(duì)于現(xiàn)代大型鍋爐，由于過熱器管道加長，結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜

24、，遲延和慣性更大，為了完成控制主蒸汽溫度和保護(hù)過熱器兩個(gè)任務(wù)，多采用分段控制系統(tǒng)，如圖2.2所示。圖2-2過熱汽溫工藝流程如上所述，由于過熱汽溫控制通道的遲延和慣性較大、被調(diào)量信號(hào)反應(yīng)慢，選擇減器后的汽溫作為局部反饋信號(hào)，就形成了雙回路控制系統(tǒng)。2.1.2過熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)過熱汽溫控制系統(tǒng)的任務(wù)是維持過熱器出口汽溫在允許范圍內(nèi)，并且使過熱器溫度不超過允許的工作溫度。過熱蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。過熱器出口汽溫是全廠工質(zhì)溫度的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高處，在過熱器正常工作時(shí)已經(jīng)接近材料允許的最高溫度。過熱蒸汽溫度過高，可能造成過熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分金屬損壞，影響安全運(yùn)

25、行; 過熱蒸汽溫度過低，會(huì)引起電廠熱耗上升，降低全廠熱效率，并使汽輪機(jī)軸向推力增大，造成推力軸承過載，還會(huì)引起汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽溫度增加，從而降低汽輪機(jī)的內(nèi)效率，加劇對(duì)葉片的侵蝕。所以，在鍋爐運(yùn)行中，必須保持過熱汽溫穩(wěn)定在規(guī)定值附近。一般要求過熱汽溫與規(guī)定值的暫時(shí)偏差不超過10，長期偏差不能超過5.2. 1.3過熱汽溫控制的難點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則過熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的難點(diǎn)在于:(1)過熱汽溫作為調(diào)節(jié)對(duì)象，其主要特點(diǎn)是滯后時(shí)間較大。在發(fā)生擾動(dòng)后，溫度不會(huì)立刻發(fā)生變化。此外，測(cè)量溫度的傳感器也有較大的慣性，在動(dòng)態(tài)過程中不能及時(shí)的發(fā)出測(cè)量和調(diào)整信號(hào)。 (2)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與自動(dòng)調(diào)節(jié)的要求存在矛盾。從調(diào)節(jié)的角度看，減

26、溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器出口的地方，這樣可以使調(diào)節(jié)作用的時(shí)滯最小，使輸出的蒸汽溫度波動(dòng)小，但是從設(shè)備安全的角度看，減溫設(shè)備應(yīng)安裝在過熱器入口的地方。 (3)造成過熱汽溫?cái)_動(dòng)的因素很多，各種因素之間又相互影響，使對(duì)象的動(dòng)態(tài)過程十分復(fù)雜。能使過熱器出口汽溫改變的因素有:蒸汽流量的變化、燃燒工況的變化、鍋爐給水溫度的變化、進(jìn)入過熱蒸汽熱焓的變化、流經(jīng)過熱器煙氣溫度即流速的變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。 綜上所述，過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則可歸納為:(1)從動(dòng)態(tài)特性的角度考慮，改變煙氣側(cè)參數(shù)(如改變煙溫或煙氣流速)的調(diào)節(jié)手段是比較理想的，但具體實(shí)現(xiàn)比較困難的，所以一般很少被采用。 (2)噴水減溫對(duì)過熱器的安全運(yùn)行

27、比較理想，盡管對(duì)象的調(diào)節(jié)特性不夠理想，但還是目前被廣泛使用的過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)方法。采用噴水減溫時(shí)，由于對(duì)象調(diào)節(jié)通道有較大的延遲和慣性以及運(yùn)行中要求有較小的汽溫控制偏差，所以采用單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)往往不能獲得好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。針對(duì)過熱汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象調(diào)節(jié)通道慣性延遲大、被調(diào)量信號(hào)反饋慢的特點(diǎn)，應(yīng)該從對(duì)象的調(diào)節(jié)通道中找出一個(gè)比被調(diào)量反應(yīng)快的中間點(diǎn)信號(hào)作為調(diào)節(jié)器的補(bǔ)充反饋信號(hào)，以改善對(duì)象調(diào)節(jié)通道的動(dòng)態(tài)特性，提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量。 (3)使用快速的測(cè)量元件，安裝在正確的位置，保證測(cè)量信號(hào)傳遞的快速性，減小延遲和慣性。如果測(cè)量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時(shí)反映過熱汽溫的變化，就會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，影響控制質(zhì)量。 (

28、4)現(xiàn)代電廠的過熱器管道的長度不斷加長，延遲和慣性越來越大，采用一級(jí)減溫己不能滿足要求，可以采用多級(jí)減溫，以保證汽溫控制的要求。2.2過熱汽溫控制系統(tǒng)系統(tǒng)主要被控對(duì)象一過熱器管道，執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)噴水閥門(執(zhí)行器)，檢測(cè)變送部件熱電偶或溫度變送器，控制系統(tǒng)核心部件電動(dòng)控制器(調(diào)節(jié)器)組成。其中，被調(diào)量(測(cè)量值)主汽溫度，調(diào)節(jié)量(控制信號(hào))噴水流量，干擾信號(hào)爐膛燃燒工況。 圖2-3簡(jiǎn)單過熱汽溫控制系統(tǒng)當(dāng)過熱汽溫度的測(cè)量值等于設(shè)定值時(shí)，噴水閥門不動(dòng)，系統(tǒng)處在動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此時(shí)，若爐膛燃燒工況發(fā)生變化。使汽溫上升，造成給定值和測(cè)量值產(chǎn)生偏差，則偏差信號(hào)經(jīng)過控制器的方向判斷及數(shù)學(xué)運(yùn)算后，產(chǎn)生控制信號(hào)使噴水

29、閥門以適當(dāng)形式增加噴水流量。測(cè)量值最終回到設(shè)定值，系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。2.2.1過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)分析簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)系統(tǒng)雖然是一種最基本的，使用最廣泛的控制系統(tǒng)，但是隨著火電廠鍋爐機(jī)組越來越向大容量、高參數(shù)和高效率的方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)日益復(fù)雜、系統(tǒng)的耦合性、時(shí)變性、非線性等特點(diǎn)顯得更加突出，對(duì)于這些復(fù)雜較難控制的過程，控制質(zhì)量要求很嚴(yán)的參數(shù)，簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)就無能為力了。因此，需要改進(jìn)控制結(jié)構(gòu)，增加輔助回路或添加其它環(huán)節(jié)，組成復(fù)雜控制系統(tǒng)。目前關(guān)于主汽溫控制系統(tǒng)主要有串級(jí)控制、前饋控制和多變量解耦等等控制，其中最普遍的是串級(jí)控制系統(tǒng)。2.2.2過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的組成串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖，如圖

30、2-4所示。串級(jí)控制系統(tǒng)共有2個(gè)控制回路。內(nèi)部的反饋回路稱為副回路(或內(nèi)回路)。副回路包括副控制器，調(diào)節(jié)閥，副對(duì)象和副變送器。發(fā)生在副回路內(nèi)的擾動(dòng)稱為內(nèi)擾。外部的控制回路稱為主回路(或外回路)。主回路包括主控制器、整個(gè)副回路、主對(duì)象和主變送器。發(fā)生在主對(duì)象上的擾動(dòng)稱為外擾。圖2-4串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖串級(jí)控制系統(tǒng)和單回路控制系統(tǒng)有有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個(gè)閉環(huán)，一個(gè)閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或者副回路，在控制過程中起著粗調(diào)的作用；一個(gè)閉環(huán)在外面，別成為主環(huán)或者主回路，用來完成細(xì)調(diào)的任務(wù)，以保證被調(diào)量最終滿足工藝要求。如圖2-3所示，有調(diào)節(jié)單元I、執(zhí)行器、調(diào)節(jié)對(duì)象I和測(cè)量單元I構(gòu)成的回路

31、稱為副回路(或稱內(nèi)回路)，調(diào)節(jié)單元I稱為副調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)對(duì)象I的輸出信號(hào)稱為輔助被調(diào)量。有調(diào)節(jié)單元II、副回路、調(diào)節(jié)對(duì)象II和測(cè)量單元II構(gòu)成的回路稱為主回路(或稱外回路)，調(diào)節(jié)單元II稱為主調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)對(duì)象II的輸出信號(hào)稱為主被調(diào)量，調(diào)節(jié)對(duì)象I和調(diào)節(jié)對(duì)象II統(tǒng)稱是系統(tǒng)的調(diào)節(jié)對(duì)象。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn):(1)串級(jí)控制系統(tǒng)有一個(gè)副回路，副回路具有快速作用，能夠有效的克服二次擾動(dòng)的影響可以說串級(jí)控制系統(tǒng)主要是用來克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)的。從圖可以看出，進(jìn)入副回路的擾動(dòng)1在進(jìn)入副環(huán)后，首先影響副參數(shù)y2，于是副調(diào)節(jié)器立即動(dòng)作，力圖消除干擾對(duì)于副參數(shù)的影響。顯然，如果沒有副回路，擾動(dòng)1的影響就需要

32、由主被調(diào)量的變化通過主調(diào)節(jié)器來克服。如果具有副回路，擾動(dòng)1的影響就可以很快的由輔助被調(diào)量的變化通過輔助調(diào)節(jié)器來加以克服。（2）副回路起了改善調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的作用，因此可以加大主調(diào)節(jié)器的增益，提高系統(tǒng)的工作頻率。在串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路替代了單回路的一部分對(duì)象，其等效時(shí)間常數(shù)會(huì)縮短，而且隨著副調(diào)節(jié)器比例增益的增大而減小。通常副回路被控對(duì)象都是單容或者雙容的對(duì)象，因此副回路控制器的比例增益可以調(diào)的很大，這樣，等效時(shí)間常數(shù)就可以很小，從而加快了副環(huán)的響應(yīng)速度，提高了系統(tǒng)的工作頻率。（3）由于副回路的存在，使串級(jí)控制系統(tǒng)有了一定的自適應(yīng)能力。在生產(chǎn)過程中，往往會(huì)包含一些非線性因素的存在。因此，在一定

33、負(fù)荷下，即在確定的工作點(diǎn)情況下，按照一定控制指標(biāo)整定的控制器參數(shù)只適應(yīng)于工作點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍。如果符合變化過大，超出這個(gè)范圍，控制品質(zhì)就會(huì)下降。串級(jí)控制系統(tǒng)的基本組成如圖2-5所示。串級(jí)控制系統(tǒng)能改善過熱汽溫控制品質(zhì)，主要是因?yàn)橛幸粋€(gè)快速動(dòng)作的副控制回路存在的緣故。由圖2-5可以看出，引入負(fù)反饋而構(gòu)成的副回路起到了穩(wěn)定的作用，從而使過熱汽溫保持基本不變。 圖2-5過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)流程圖在過熱控制系統(tǒng)中以減溫器的噴水為控制手段，在單回路控制主汽溫1,(即將1作為主信號(hào)反饋到主調(diào)節(jié)器,主調(diào)節(jié)器直接去控制閥門開度)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)對(duì)減溫水量變化反應(yīng)快的中間溫度信號(hào)2作為導(dǎo)前信號(hào)，增加一個(gè)副調(diào)節(jié)

34、器的串級(jí)控制信號(hào)系統(tǒng)。副調(diào)節(jié)器根據(jù)2信號(hào)控制減溫水閥，如果有某種擾動(dòng)，汽溫2比1提早反映，使擾動(dòng)引起的2波動(dòng)很快消除，從而使主汽溫1基本不受影響。另外，副調(diào)節(jié)器給定值受主調(diào)節(jié)器的影響，根據(jù)1改變2的給定值，從而保證負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)，仍能保證1滿足要求?？梢?，串級(jí)系統(tǒng)采用了兩級(jí)調(diào)節(jié)器，各有其特殊任務(wù)。副回路起著粗調(diào)過熱汽溫的作用。而過熱汽溫的規(guī)定值，主要由主調(diào)節(jié)器Pl(或PID)來保證。只要不等于規(guī)定值，主控制器就會(huì)不斷地改變其輸出信號(hào)，并通過副控制器去不斷改變減溫水流量，直到恢復(fù)到等于規(guī)定值為止。 2.3 PID調(diào)節(jié)器2.3.1 PID調(diào)節(jié)器的基本原理實(shí)際工業(yè)過程中會(huì)存在變量誤差，根據(jù)偏差的比例、積

35、分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器，就稱為PID調(diào)節(jié)器(也成為PID控制器)。PID控制算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)、控制性能好、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制當(dāng)中。常規(guī)的PID一般為線性控制器，實(shí)際輸出值和給定值會(huì)存在一個(gè)偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合來構(gòu)成控制量，最后對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID控制器。當(dāng)系統(tǒng)是連續(xù)控制時(shí)，PID控制器的輸出u(t)與輸入e(t)之間會(huì)存在比例、積分、微分的關(guān)系。拉氏變換后：拉氏變換前：(t)=r(t)-y(t)，Kp是比例增益，Ti是積分時(shí)間，Td是微分時(shí)間。2.3.2 PID控制器參數(shù)對(duì)控制性能的影響PID控制器各個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能起著不同的作

36、用，這三個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將直接影響PID控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)好壞。1比例作用比例作用就是以比例形式來反應(yīng)系統(tǒng)的偏差信號(hào)e，以最快速度來產(chǎn)生控制作用，使偏差逐漸趨于減小。(1)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響比例控制參數(shù)值加大，系統(tǒng)的動(dòng)作靈敏，速度加快，超調(diào)增大，Kp越大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間也越長。當(dāng)Kp太大時(shí)，系統(tǒng)會(huì)趨于不穩(wěn)定，若Kp太小，又會(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)作緩慢。(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，比例系數(shù)Kp增大，穩(wěn)態(tài)誤差e(k)就會(huì)減少，以此來提高控制精度，但是加大Kp只是減少e，卻無法從本質(zhì)上消除穩(wěn)態(tài)誤差，無法做到系統(tǒng)無差。2積分作用引入積分作用，主要是為了在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，滿足被控量對(duì)設(shè)定值的無靜差

37、跟蹤，對(duì)系統(tǒng)的性能影響主要表現(xiàn)如下：(1)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響積分作用會(huì)引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，Ti太小，系統(tǒng)將不穩(wěn)定，Ti偏小到一定程度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)振蕩；Ti太大，對(duì)系統(tǒng)性能的影響力也會(huì)減弱，只有當(dāng)正合適時(shí)，才能出現(xiàn)比較理想的過渡特性。(2)對(duì)穩(wěn)態(tài)特性的影響積分作用能夠降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)也能提高系統(tǒng)的控制精度，不過，當(dāng)Ti值太大時(shí)，積分作用將會(huì)變得非常弱，穩(wěn)態(tài)誤差e也不會(huì)緊隨減弱了。3微分作用微分作用常與比例作用、比例積分作用聯(lián)合，構(gòu)成PD控制器或者PID控制器。微分作用主要改善閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性。Td偏大時(shí)，超調(diào)量會(huì)較小，調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)較短；Td偏小時(shí)，超調(diào)量也較大，相應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間也會(huì)

38、較長。但是，微分作用有能使系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定的可能，因此，Ti的參數(shù)選取對(duì)于系統(tǒng)的優(yōu)化也極其重要。3 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)3.1 調(diào)節(jié)器參數(shù)的工程整定法3.11逐步逼近法在串級(jí)控制系統(tǒng)中，主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是不同的，所以它們調(diào)節(jié)動(dòng)作規(guī)則的選擇也是不同的。副調(diào)節(jié)器的任務(wù)是能夠快速動(dòng)作以迅速抵消落在副環(huán)內(nèi)的二次擾動(dòng)，并且不要求無差，所以可以選擇P調(diào)節(jié)器，也可以采用PD調(diào)節(jié)器。主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是準(zhǔn)確保持被調(diào)量復(fù)合生產(chǎn)要求，是不允許有偏差的，所以一般采用PI調(diào)節(jié)器。串級(jí)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定要比簡(jiǎn)單系統(tǒng)復(fù)雜些。一般來說，串級(jí)系統(tǒng)整定的方法有兩種：逐步逼近法和兩步整定法。本文采用逐步逼近法整定系統(tǒng)

39、參數(shù)。逐步逼近法是一種依次整定主環(huán)、副環(huán)，然后循環(huán)進(jìn)行，逐步接近主、副環(huán)的最佳整定的一種方法，其步驟如下：(1)首先整定副環(huán)。此時(shí)斷開主環(huán)，按照單回路整定方法，求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，得到第一次整定值，記作Gc21。 (2)整定主環(huán)。把剛整定好的副環(huán)作為主環(huán)中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按照單回路整定方法，求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，記作Gc11。 (3)再次整定副環(huán)，注意此時(shí)副回路，主回路都已經(jīng)閉合。在主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)為Gc11條件下，按單回路整定方法，重新求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)Gc22.。至此已經(jīng)完成一個(gè)循環(huán)的整定。 (4)從新整定主環(huán)。同樣是在兩個(gè)回路閉合、副調(diào)節(jié)器整定參數(shù)為Gc22的情況下，重新整定主

40、調(diào)節(jié)器，得到Gc12。 (5)如果調(diào)節(jié)過程仍然沒有達(dá)到品質(zhì)要求，按照上面（3）、(4）步繼續(xù)進(jìn)行，直到控制效果滿意為止。一般情況下，完成第(3）步甚至只要完成第(2）步就以滿足品質(zhì)要求，無需繼續(xù)進(jìn)行。3.12穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法，定邊界法是一種閉環(huán)的整定方法。它基于純比例控制系統(tǒng)臨界震蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即臨界比例度 和臨界振蕩周期 ，利用一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器的最佳參數(shù)值。其整定公式如表3-1所示。在采用這種方法整定時(shí)，控制系統(tǒng)應(yīng)工作在線性區(qū)，否則得到的持續(xù)振蕩曲線可能是極循環(huán)，不能依據(jù)此時(shí)的數(shù)據(jù)來計(jì)算整定參數(shù)。由于被控對(duì)象特性的不同，按上述經(jīng)驗(yàn)公式求得的參數(shù)不一定都能獲得滿意的結(jié)果。實(shí)踐證明，對(duì)

41、于無自衡特性的對(duì)象，用穩(wěn)定邊界法求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)往往使系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率偏大；而對(duì)于有自平衡的高階等容對(duì)象，用此法整定調(diào)節(jié)器參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)的衰減率大多偏小。因此，上述求得的調(diào)節(jié)器參數(shù)需要針對(duì)具體系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中做在線校正。 穩(wěn)定邊界法適用于許多過程控制系統(tǒng)。但是對(duì)于鍋爐水位控制系統(tǒng)那樣不準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定邊界試驗(yàn)的系統(tǒng)，或者某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對(duì)象，采用純比例控制系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)本質(zhì)穩(wěn)定。對(duì)于這些系統(tǒng)是無法用穩(wěn)定邊界法來進(jìn)行整定的。 這個(gè)方法是基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論。系統(tǒng)閉環(huán)特征方程的要（即閉環(huán)極點(diǎn)）都在其復(fù)平面虛軸的左側(cè)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定;當(dāng)閉環(huán)特征方程有純虛根時(shí)，系統(tǒng)的根軌跡與虛軸相交，其響應(yīng)等幅振蕩，

42、系統(tǒng)臨界穩(wěn)定;只要有一個(gè)閉環(huán)特征方程的根在其復(fù)平面虛軸右側(cè)時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。當(dāng)置PID調(diào)節(jié)器的Ti=與Td=0時(shí)，增加Kp值直到系統(tǒng)開始振蕩，記錄此時(shí)的比例帶（臨界比例帶），并計(jì)算兩個(gè)波峰間的時(shí)間。利用和的值按表3-1給出的相應(yīng)公式計(jì)算，求調(diào)節(jié)器各整定參數(shù)。（PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的計(jì)算公式如表3-1）P2PI22085PID1670500125表3-1穩(wěn)定邊界法參數(shù)整定公式穩(wěn)定邊界法適用于許多過程控制系統(tǒng)。但是對(duì)于鍋爐水位控制系統(tǒng)那樣不準(zhǔn)進(jìn)行穩(wěn)定邊界試驗(yàn)的系統(tǒng)，或者某些時(shí)間常數(shù)較大的單容對(duì)象，采用純比例控制系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)本質(zhì)穩(wěn)定。對(duì)于這些系統(tǒng)是無法用穩(wěn)定邊界法來進(jìn)行整定的。3.13衰減曲線法與穩(wěn)定邊

43、界法類似，不同的只是本法采用某衰減比（通常為4：1或10:1）時(shí)設(shè)定值振動(dòng)的衰減振蕩試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)公式，求取調(diào)節(jié)器相應(yīng)的整定參數(shù)。對(duì)4：1衰減曲線法的具體步驟如下：（1）、置調(diào)節(jié)器積分時(shí)間為最大值（），微分時(shí)間為為零（），比例帶為最大值，并將系統(tǒng)投入運(yùn)行。（2）、待系統(tǒng)穩(wěn)定后，作設(shè)定值階躍擾動(dòng)，并觀察系統(tǒng)的響應(yīng)?；到y(tǒng)響應(yīng)衰減太快，減小比例帶，反之，系統(tǒng)響應(yīng)衰減過慢，就增大比例帶。如此反復(fù)，直到出現(xiàn)衰減比為4：1的振蕩曲線，記下此時(shí)的比例帶和振蕩周期的數(shù)值。衰減率0.75PsPI1.2s0.5PID0.8s0.30.10.90PsPI1.2s2PID0.8s1.20.4表3-2衰減

44、曲線法整定計(jì)算公式對(duì)于振動(dòng)頻繁，過程進(jìn)行較快的控制系統(tǒng)，要準(zhǔn)確地確定系統(tǒng)響應(yīng)的衰減程度比較困難，往往只能根據(jù)調(diào)節(jié)器輸出擺動(dòng)次數(shù)加以判斷。對(duì)于4：1的誤差過程，調(diào)節(jié)器輸出就來回?cái)[兩次后穩(wěn)定。擺動(dòng)一次所需的時(shí)間即為Ts。顯然這樣測(cè)得的Ts和s值，會(huì)給調(diào)節(jié)器參數(shù)整定帶來誤差。衰減曲線法也可以根據(jù)實(shí)際需要，在衰減比為n=10:1的情況下進(jìn)行。3.2對(duì)模型的仿真以“浙江長興電廠#2機(jī)組過熱汽溫先進(jìn)控制”的為例。該項(xiàng)目的目的是通過采用先進(jìn)的控制策略，對(duì)原有過熱汽溫系統(tǒng)進(jìn)行改造，過熱汽溫能夠長期保持在，變負(fù)荷過程中，過熱汽溫能夠保持在范圍內(nèi)。系統(tǒng)改進(jìn)后，可以在機(jī)組正常運(yùn)行中（包括調(diào)峰過程）無需人工干預(yù)。該項(xiàng)

45、目于2008年4月已交付電廠使用，運(yùn)行狀況良好。浙江長興電廠#2機(jī)組為300MW單元機(jī)組，汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的中間再熱凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為N300-16.7/537/537，鍋爐采用北京巴威公司制造的亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)單鍋筒鍋爐，采用正壓直吹MPS中速磨制粉系統(tǒng)，前后對(duì)沖燃燒方式，并配有B&W標(biāo)準(zhǔn)的雙調(diào)風(fēng)PAX型旋流煤粉燃燒器。負(fù)荷工況導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)/（T/H）惰性區(qū)傳遞函數(shù)/290MW260MW240MW210MW180MW表3-3長興#2機(jī)組B側(cè)二級(jí)減溫水?dāng)_動(dòng)模型針對(duì)以上模型對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真：1對(duì)290MW機(jī)組的仿真搭建仿真模型如圖3-1導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)

46、為：圖3-1 290 MW機(jī)組串級(jí)控制系統(tǒng)MATLAB仿真根據(jù)串級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行參數(shù)整定，內(nèi)回路控制器均為P調(diào)節(jié)，外回路控制器為PID調(diào)節(jié)。參數(shù)整定步驟如下：(1)首先斷開主回路，在內(nèi)回路中加入單位階躍響應(yīng)，改變內(nèi)環(huán)PID的比例值，最終是要得到曲線衰減比大致為4:1-10：1的曲線。首先將比例增益Kp2設(shè)為-10，衰減比為9：1，應(yīng)增大比例作用。令Kp3=-12，得到衰減比為6：1的曲線。圖3-2內(nèi)回路整定曲線(2) 整定主回路，運(yùn)用穩(wěn)定邊界法，令Kp=3.7時(shí)，即cr=1/Kp=0.2702.發(fā)生等幅振蕩。如圖所示，從圖中讀出Tcr=131s。 圖3-3 發(fā)生衰減振蕩時(shí)仿真曲線根據(jù)穩(wěn)定邊界

47、法整定計(jì)算公式Kp=1/Kp*1.67 =0.45Ti=1/(0.50*Tcr) =0.015Td=0.125*Tcr=16.375仿真后得到曲線衰減比為4.3：1，衰減率為85%的曲線。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，將積分值設(shè)定為Td=14.775時(shí)，能夠得到滿意的曲線，如圖3-4所示。 圖3-4 290MW機(jī)組仿真后的曲線從仿真曲線中可以看出，系統(tǒng)最終能穩(wěn)定在設(shè)定值上，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，得出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為：上升時(shí)間tr=267s、峰值時(shí)間tp=268s、調(diào)節(jié)時(shí)間ts=1800s、超調(diào)量=40%。從其動(dòng)態(tài)性能參數(shù)可以看出，對(duì)于主汽溫控制系統(tǒng)來說，串級(jí)常規(guī)PID能夠在設(shè)定值擾動(dòng)下取得良好的控制效果。對(duì)于過熱汽溫

48、控制系統(tǒng)來說，由于主要采用噴水來控制汽溫，所以噴水量擾動(dòng)是該系統(tǒng)的基本擾動(dòng)。在導(dǎo)前區(qū)與副調(diào)節(jié)器間加一階躍擾動(dòng)，用以模擬噴水量擾動(dòng)。由于有內(nèi)回路的快速調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的輸出不會(huì)產(chǎn)生大的變化。仿真的得到的響應(yīng)曲線如圖所示： 圖3-5 加入階躍擾動(dòng)后的仿真曲線在減溫水?dāng)_動(dòng)下，該控制系統(tǒng)最終能夠消除擾動(dòng)，使主汽溫穩(wěn)定在設(shè)定值，其最大動(dòng)態(tài)偏差為0.041，調(diào)節(jié)時(shí)間為1000s。從其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以看出，串級(jí)PID控制能夠有效的消除減溫水?dāng)_動(dòng)對(duì)過熱汽溫的影響，使過熱汽溫度不發(fā)生大范圍波動(dòng)。（2）對(duì)240MW機(jī)組搭建仿真模型如導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)為：圖3-6 240 MW機(jī)組串級(jí)控制系統(tǒng)MATLAB

49、仿真同290MW機(jī)組模型一樣，先斷開外回路，整定內(nèi)回路。令Kp3=-13，得到衰減比為4：1的曲線圖3-7 內(nèi)回路整定曲線然后整定外回路。運(yùn)用穩(wěn)定邊界過，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時(shí)Kp=3.9. cr=1/Kp=0.256。Tcr=294s圖3-8 發(fā)生等幅振蕩時(shí)的曲線Kp=1/Kp*1.67 =0.427Ti=1/(0.50*Tcr)=0.0068Td=0.125*Tcr=36.75經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，Kp=0.42,Ti=0.01,Td=36.75時(shí)能夠得到滿意的曲線，如圖3-9。圖3-9 290MW機(jī)組仿真后的曲線從仿真曲線中可以看出，系統(tǒng)最終能穩(wěn)定在設(shè)定值上，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，得出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為：峰

50、值時(shí)間tp=430s、調(diào)節(jié)時(shí)間ts=3000s、超調(diào)量=40%，衰減率為87.5%。從其動(dòng)態(tài)性能參數(shù)可以看出，對(duì)于主汽溫控制系統(tǒng)來說，串級(jí)常規(guī)PID能夠在設(shè)定值擾動(dòng)下取得良好的控制效果。在導(dǎo)前區(qū)與副調(diào)節(jié)器間加一階躍擾動(dòng)，用以模擬噴水量擾動(dòng)。 在3400s加入階躍擾動(dòng)圖3-10 在一導(dǎo)前區(qū)后加入一階躍擾動(dòng)后仿真圖圖3-11 內(nèi)回路整定曲線在減溫水?dāng)_動(dòng)下，該控制系統(tǒng)最終能夠消除擾動(dòng)，使過熱汽溫穩(wěn)定在設(shè)定值，其最大動(dòng)態(tài)偏差為0.041，調(diào)節(jié)時(shí)間為2000s。從其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以看出，串級(jí)PID控制能夠有效的消除減溫水?dāng)_動(dòng)對(duì)過熱汽溫的影響，使過熱汽溫度不發(fā)生大范圍波動(dòng)。（3）對(duì)180MW機(jī)組搭建仿真模

51、型如下：導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)為惰性區(qū)傳遞函數(shù)為：圖3-12 180 MW機(jī)組串級(jí)控制系統(tǒng)MATLAB仿真先斷開主回路，調(diào)節(jié)副回路Kp=-10時(shí)，衰減率為78.5%。曲線如下圖3-13 內(nèi)回路整定曲線整定外回路，運(yùn)用穩(wěn)定邊界法。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生等幅振蕩時(shí)Kp=4.1. cr=1/Kp=0.244。Tcr=257sKp=1/Kp*1.67 =0.407Ti=1/(0.50*Tcr)=0.0078Td=0.125*Tcr=32.125圖3-14 外回路發(fā)生等幅振蕩時(shí)的曲線經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，Kp=0.41,Ti=0.0078,Td=32.125時(shí)能夠得到滿意的曲線，如圖圖3-15 整定后的曲線從仿真曲線中可以看出，系

52、統(tǒng)最終能穩(wěn)定在設(shè)定值上，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，得出的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)為：峰值時(shí)間tp=534s、調(diào)節(jié)時(shí)間ts=3000s、超調(diào)量=40%，衰減率為87.5%。從其動(dòng)態(tài)性能參數(shù)可以看出，對(duì)于主汽溫控制系統(tǒng)來說，串級(jí)常規(guī)PID能夠在設(shè)定值擾動(dòng)下取得良好的控制效果。在導(dǎo)前區(qū)與副調(diào)節(jié)器間加一階躍擾動(dòng)，用以模擬噴水量擾動(dòng)。 在3300s加入階躍擾動(dòng)圖3-16 加入擾動(dòng)后的仿真曲線圖在減溫水?dāng)_動(dòng)下，該控制系統(tǒng)最終能夠消除擾動(dòng)，使過熱汽溫穩(wěn)定在設(shè)定值，其最大動(dòng)態(tài)偏差為0.055，調(diào)節(jié)時(shí)間為2000s。從其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)可以看出，串級(jí)PID控制能夠有效的消除減溫水?dāng)_動(dòng)對(duì)過熱汽溫的影響，使過熱汽溫度不發(fā)生大范圍波動(dòng)。（4）對(duì)

53、260MW機(jī)組模型分別采用290MW和240MW機(jī)組PID控制參數(shù)290MW 外環(huán)采用PID調(diào)節(jié)Kp=0.45 1/Ti=0.015 Td=14.775 內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)Kp=-15得到的仿真曲線如下圖3-17 采用290MW機(jī)組PID參數(shù)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)曲線控制品質(zhì)不如預(yù)期理想。240MW機(jī)組 外環(huán)PID調(diào)節(jié)Kp=0.42,Ti=0.01,Td=36.75 內(nèi)環(huán)P調(diào)節(jié)Kp=-13得到仿真曲線如下圖3-18 采用240MW機(jī)組PID參數(shù)后仿真曲線擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)曲線如下圖3-19 導(dǎo)前區(qū)加入階躍擾動(dòng)后的仿真曲線由此可見，PID調(diào)節(jié)具有一定的魯棒性。但由于不同負(fù)荷工況下，不同的PID參數(shù)對(duì)系統(tǒng)有一定的影響。4多

54、模型的PID無擾切換4.1多模型串級(jí)PID控制系統(tǒng)多模型控制的設(shè)計(jì)思想是：許多實(shí)際工業(yè)過程存在較大的非線性，而任何線性模型都只能在某一平衡點(diǎn)附近的一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)有效，由此把非線性空間劃分為一些子空間，對(duì)每個(gè)子空間都有一個(gè)失配較小的數(shù)學(xué)模型，而每個(gè)控制器(局部控制器)是針對(duì)不同子空間的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)的。然后選擇一種局部控制器輸出切換方法將所有局部控制器組合成全局控制器。給出了本文提出的基于串級(jí)PID的多模型控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，主調(diào)由多個(gè)局部PID控制器構(gòu)成，副調(diào)由多個(gè)局部PI控制器構(gòu)成，根據(jù)被控對(duì)象當(dāng)前運(yùn)行的工作點(diǎn)，通過模態(tài)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行控制器之間的切換，從而實(shí)現(xiàn)全局控制。圖4-

55、1基于串級(jí)PID多模型切換系統(tǒng)針對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)過熱汽溫控制難以取得滿意的控制效果，我們采用基于多模型切換的過熱控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(如圖所示)。其中主回路采用內(nèi)?？刂?，副回路采用比例控制器。系統(tǒng)在某一工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，總會(huì)有一對(duì)主、副控制器能使系統(tǒng)獲得較好的控制品質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在工作點(diǎn)附近時(shí)，若控制器具有較好的魯棒性，系統(tǒng)仍能獲得滿意的控制品質(zhì)。當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生較大變化時(shí)，根據(jù)對(duì)當(dāng)前運(yùn)行工況的判斷，可切換到相應(yīng)的控制器。若相鄰工況控制器的滿意控制范圍能夠交疊，則基于多模型切換控制可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全工況運(yùn)行的滿意控制。4.2過熱汽溫多模型建立針對(duì)過熱器噴水?dāng)_動(dòng)下汽溫動(dòng)態(tài)特性隨工況變化的特征，選擇表征工況的特征矢量，將鍋

56、爐過熱汽溫的工作區(qū)域力進(jìn)行合理劃分，得到，n個(gè)工作區(qū)域1n，滿足條件： ；，別代表“圓心”和“半徑”，即對(duì)所有。由上述條件建立n個(gè)工作區(qū)域。由前述動(dòng)態(tài)特性分析，可將主蒸汽流量D和主蒸汽壓力P作為特性參數(shù)，構(gòu)成特征矢量。對(duì)于過熱汽溫對(duì)象，影響模型最嚴(yán)重的是負(fù)荷變化。由熱工動(dòng)態(tài)學(xué)可知，過熱汽溫對(duì)象模型的參數(shù)與機(jī)組負(fù)荷的變化密切相關(guān)。當(dāng)負(fù)荷上升時(shí)，由于過熱蒸汽流量和流速增大，相對(duì)于同等變化的減溫水流量，模型靜態(tài)增益和時(shí)間常數(shù)將隨著單調(diào)變化。反之亦然。以浙江長興電廠#2機(jī)組為300MW單元機(jī)組為例。表4-1負(fù)荷工況導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)/（T/H）惰性區(qū)傳遞函數(shù)/290MW260MW240MW210MW180

57、MW表4-1浙江長興電廠#2機(jī)組為300MW單元機(jī)組各負(fù)荷下的被控對(duì)象傳遞函數(shù)4.3切換策略由前述動(dòng)態(tài)特性分析，構(gòu)成特征矢量為。（其中D,P分別對(duì)應(yīng)該負(fù)荷下的溫度和壓力）依據(jù)數(shù)據(jù)間的相似程度來確定當(dāng)前系統(tǒng)屬于基本工況級(jí)中哪個(gè)工況工作范圍。常用的確定數(shù)據(jù)間相似度的方法有Euclidian距離法，夾角余弦法等。研究表明，采用何種方法所獲得的結(jié)果并沒有明顯差別。因此簡(jiǎn)單易行、計(jì)算量小的方法往往成為首選方法。我們采用Euclidian距離法來確定當(dāng)前系統(tǒng)處于哪個(gè)工況工作范圍，即令則系統(tǒng)處于第j個(gè)工況工作范圍內(nèi)。4.4典型工況下控制器設(shè)計(jì)及參數(shù)整定 隨著負(fù)荷的變化，不僅模型參數(shù)變化很大，而且結(jié)構(gòu)也發(fā)生了

58、變化。因此，用單一固定控制器參數(shù)不能保證系統(tǒng)在各種工況下控制系統(tǒng)的品質(zhì)。不同負(fù)荷下的控制器參數(shù)整定值，如表4-2。 負(fù)荷主回路副回路比例帶積分時(shí)間微分時(shí)間比例帶180MW（60%）0.407128.532.1250.1240MW（80%）0.42714836.750.077290MW （97%）0.4566.716.3750.083表4-2三種負(fù)荷下機(jī)組PID參數(shù)表4.5仿真研究1模型與控制器匹配及不匹配情形下階躍擾動(dòng)試驗(yàn)根據(jù)對(duì)象模型(表4-1)和控制器參數(shù)(表4-2)對(duì)過熱汽溫控制系統(tǒng)在模型匹配與不匹配的情況下進(jìn)行給定值單位階躍擾動(dòng)試驗(yàn)。以80負(fù)荷時(shí)的控制器參數(shù)分別控制四種典型工況時(shí)，在對(duì)象

59、模型匹配與不匹配時(shí)的仿真結(jié)果如圖4-2所示。奇才 無可奈何栽地魂?duì)繅?mèng)縈地基本面栽 180MW 210MW260MW 290MW圖4-2 80負(fù)荷時(shí)的控制器參數(shù)分別控制四種典型工況仿真曲線2對(duì)210MW機(jī)組采用此控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其特征矢量更接近到180MW機(jī)組。幫采用180MW機(jī)組的PID控制器參數(shù)實(shí)驗(yàn)。圖4-3 210MW機(jī)組采用180MW機(jī)組PID參數(shù)仿真曲線仿真曲線如圖4-3所示，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，超調(diào)量39%，衰減率87.5%。在導(dǎo)前區(qū)加入一階躍擾動(dòng)后如圖4-4圖4-4 加入擾動(dòng)后仿真曲線系統(tǒng)2000秒后回到穩(wěn)定 最大偏差0.42。結(jié)束語通過查閱資料，了解了分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的組成及其

60、控制難點(diǎn)，及其常用的控制手段。通過本次論文寫作，重新溫習(xí)了以前不曾深入研究的問題。具體來說，本文做了以下的內(nèi)容：（1）了解我國電力行業(yè)發(fā)展情況的現(xiàn)狀，對(duì)于整個(gè)大的電力行業(yè)的形勢(shì)有了新的了解。（2）過熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重要意義，但由于擾動(dòng)量多、汽溫對(duì)象的非線性和大遲延的特點(diǎn)，過熱汽溫控制是電廠控制的難點(diǎn)所在。（3）由于大型鍋爐的過熱器管道非常長，為了減少主汽溫控制的遲延與慣性，一般汽溫控制系統(tǒng)都會(huì)采用分段控制策略，即采用兩級(jí)噴水減溫控制主汽溫，其中一級(jí)噴水減溫器通常布置在屏過前，二級(jí)噴水布置在高溫過熱器前。由于兩個(gè)過熱器的靜態(tài)特性不同，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，兩個(gè)減溫器調(diào)節(jié)閥動(dòng)作相反，影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，所以在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)，