《熱能與動(dòng)力工程專業(yè) 畢業(yè)論文：并列運(yùn)行機(jī)組動(dòng)態(tài)建模與控制算法仿真》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《熱能與動(dòng)力工程專業(yè) 畢業(yè)論文：并列運(yùn)行機(jī)組動(dòng)態(tài)建模與控制算法仿真（48頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 東 南 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告 設(shè)計(jì)（論文）題目 并列運(yùn)行機(jī)組動(dòng)態(tài)建模與控制 算法仿真 能源與環(huán)境學(xué)院 院（系） 熱能與動(dòng)力工程 專業(yè) 學(xué) 號(hào) 03008427 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 起 止 日 期 2012.3.3～2012.6.2 設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn)

2、 摘要 本文使用MATLAB里的Simulink工具箱建立并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力模型，引入鍋爐燃燒率和汽機(jī)開度擾動(dòng)，分析母管壓力和鍋爐蒸發(fā)量的響應(yīng)曲線，并研究其動(dòng)態(tài)調(diào)控特性。 第一章是概要介紹并列運(yùn)行鍋爐母管制機(jī)組建模的背景和意義,第二章使用Simulink建模,主要以三爐兩機(jī)和兩爐兩機(jī)為嘗試建模對(duì)象,初步進(jìn)行MATLAB動(dòng)態(tài)建模的仿真研究。第三章概要介紹常規(guī)PID控制，并將其和其他控制方法進(jìn)行比較。第四章介紹了模型預(yù)測(cè)控制，并將其運(yùn)用在并列運(yùn)行母管制機(jī)組上。 目前大部分熱電廠仍廣泛采用比較傳統(tǒng)的集中式母管壓力控制系統(tǒng)，存在熱慣性大、干擾強(qiáng)等其他問

3、題。本文正是基于這樣一個(gè)事實(shí)來進(jìn)行研究的，以期能夠?qū)ふ业礁欣目刂剖侄?，達(dá)到節(jié)約能源，最大化電廠效益的目的。 關(guān)鍵詞：并列運(yùn)行機(jī)組 動(dòng)態(tài)模型 母管壓力 常規(guī)PID MPC（預(yù)測(cè)控制） 仿真 Abstract With using the MATLAB simulink toolbox parallel , this article run boiler mother pressure modle.We can analysis the response curve of the boiler evaporation, and

4、 study its dynamic control characteristics The first chapter is an overview of the background and significance of parallel operation control unit modeling of Boilers, second chapter of the Simulink modeling, three furnaces and two machines and two furnaces and two machine to try modeling objects

5、, the initial MATLAB dynamic modeling simulation. The third chapter an overview of the conventional PID control, and other control methods compare. The fourth chapter describes the model predictive control,and the use of parallel operation on the master control unit. Majority of thermal power pl

6、ants are still widely used in the more traditional centralized main pipe pressure control system, there are large thermal inertia, strong, interference and other problems. The article is based on the fact that research in order to be able to find a more favorable means of control, to achieve the pur

7、pose of energy conservation, and to maximize power plant efficiency. Keywords: Parallel Coursing Unit ，Dynamic Model，Main-Pipeline Pressure，Conventional PID, MPC（model predictive control），Simulation 目錄 摘要 I ABSTRACT II 第一章 緒 論 2 選題背景及意義 2 概述 2 現(xiàn)有并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力控制方法及其存在的問題 2 1.2 論

8、文結(jié)構(gòu)及內(nèi)容 6 第二章 并列運(yùn)行機(jī)組建模 6 引言 6 并列運(yùn)行機(jī)組的生產(chǎn)流程及環(huán)節(jié)劃分 7 2.3 兩爐兩機(jī)模型的建立及仿真 12 兩爐兩機(jī)模型參數(shù)的確定 15 三爐兩機(jī)母管系統(tǒng)分布式動(dòng)態(tài)調(diào)控模型的建立及仿真 16 六爐四機(jī)母管系統(tǒng)分布式動(dòng)態(tài)調(diào)控模型的建立及仿真 22 第三章 常規(guī)控制簡(jiǎn)介 26 3.1 PID控制原理簡(jiǎn)介 26 并列運(yùn)行鍋爐主蒸汽母管壓力控制系統(tǒng) 27 控制方案設(shè)計(jì) 27 負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)汽壓被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn) 29 3.2.3 控制方案與控制策略 29 第四章 預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì) 31 4.1 預(yù)測(cè)控制（MPC）原理簡(jiǎn)介 31 4.

9、2 模型預(yù)測(cè)控制的方法 32 4.3 預(yù)測(cè)控制的基本原理 32 三爐兩機(jī)的預(yù)測(cè)控制模型的建立與效果分析 33 4.5 六爐四機(jī)的預(yù)測(cè)控制模型的建立與效果分析之一 36 六爐四機(jī)的預(yù)測(cè)控制模型的建立與效果分析之二 40 4.7 小結(jié) 42 結(jié)束語 43 謝辭 44 參考文獻(xiàn) 45 第一章 緒 論 概述 電力工業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最重要的基礎(chǔ)能源產(chǎn)業(yè)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的第一基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是世界各國(guó)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(guó)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

10、關(guān)系，它不僅是關(guān)系國(guó)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(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電的需求量不斷擴(kuò)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。社會(huì)對(duì)能源的需求不斷增加，大容量機(jī)組的數(shù)量也在不斷增加，機(jī)組結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜化，對(duì)控制的要求也越來越高。不僅要求操作人員有很好的專業(yè)水平和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變能力，而且對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)控制模型的要求也越來越高。從國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)可知，良好的控制能提高機(jī)組的效率，整個(gè)電廠的經(jīng)濟(jì)效益將相當(dāng)顯著 目前國(guó)內(nèi)火電廠中，除了新裝的中間再熱大型單元機(jī)組外，還有大約2000家的中小型電廠，它們大多采用母管制運(yùn)行方式。母管制電廠的生產(chǎn)任務(wù)是向熱、電用戶輸送質(zhì)量合格的

11、熱、電能，而輸送量的大小受控于熱用戶和電用戶。在母管制電廠中，若干臺(tái)鍋爐和汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，它們都與同一根蒸汽母管相連以滿足供熱和發(fā)電的要求。并列運(yùn)行機(jī)組通過一根蒸汽母管連接，其形式便于集中供熱、供汽。母管壓力是反應(yīng)統(tǒng)供需平衡的重要參數(shù)，一般需調(diào)節(jié)在恒定值。受分布式多爐多機(jī)的影響，母管壓力在系統(tǒng)運(yùn)行中容易波動(dòng)，使其調(diào)節(jié)比較困難。為了減少并列運(yùn)行機(jī)組的人工投入和改善控制的自動(dòng)化水平，提高運(yùn)行效率，減少耗煤量，切實(shí)保證電廠的安全生產(chǎn)，一方面有必要采用新的智能化儀表代替常規(guī)儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電廠的有效監(jiān)測(cè)和控制，另一方面，有必要開發(fā)新型的并列運(yùn)行鍋爐的自動(dòng)控制系統(tǒng)。如果能夠?qū)﹄姀S的控制加以仿真運(yùn)

12、行并與常規(guī)控制進(jìn)行比較，從而改善常規(guī)控制或推行新型控制，則可使全廠的總耗煤量減少，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性提高，達(dá)到節(jié)能減排的效果。同時(shí)也能切實(shí)提高電廠效益，實(shí)現(xiàn)更多的利潤(rùn)，改善現(xiàn)時(shí)的電煤緊張和電價(jià)上漲的壓力。 現(xiàn)有并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力控制方法及其存在的問題 并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力控制，主要是通過控制鍋爐燃燒過程來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于并列運(yùn)行鍋爐而言，燃燒過程的調(diào)節(jié)目的是： (1) 維持蒸汽母管壓力為一定值或在一定范圍內(nèi)； (2) 維持送風(fēng)量和燃料量成一定比例，保證燃燒過程的經(jīng)濟(jì)性； (3) 維持引風(fēng)量和送風(fēng)量相適應(yīng)，維持鍋爐爐膛壓力穩(wěn)定； (4) 保持各并列運(yùn)行鍋爐的負(fù)荷按比例分配。 在實(shí)際生產(chǎn)過程

13、中，為了達(dá)到以上目的，除了憑經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)控制以外，已經(jīng)提出了多種并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力控制方案，常見的有“燃料-空氣”系統(tǒng)、采用“熱量-氧量”信號(hào)的系統(tǒng)和基于直接能量平衡的系統(tǒng)。 1、“燃料-空氣”燃燒控制系統(tǒng)： 該系統(tǒng)是以控制燃料量和空氣量的比例來保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性。其中燃料控制子系統(tǒng)如圖1-1所示，所有調(diào)節(jié)器均采用比例積分調(diào)節(jié)器。 圖1-1 “燃料-空氣”母管壓力控制系統(tǒng) 主調(diào)節(jié)器根據(jù)母管壓力氣與給定值之間的偏差對(duì)各臺(tái)并列運(yùn)行鍋爐按比例發(fā)出增、減負(fù)荷的信號(hào)(圖中的、表示對(duì)1、2號(hào)爐的負(fù)荷要求信號(hào))，各并列運(yùn)行鍋爐接受主調(diào)節(jié)器來的負(fù)荷要求信號(hào)。如果某臺(tái)鍋爐設(shè)定為固定負(fù)荷，則由運(yùn)行人員

14、將開關(guān)切換至給定負(fù)荷信號(hào)。燃料調(diào)節(jié)器接受負(fù)荷要求信號(hào)和燃料量反饋信號(hào)M，其任務(wù)是使燃料量與“負(fù)荷要求”相適應(yīng)。此外，送風(fēng)調(diào)節(jié)器與引風(fēng)調(diào)節(jié)器也要協(xié)調(diào)動(dòng)作，按負(fù)荷要求同時(shí)改變送風(fēng)量與引風(fēng)量，保持爐膛負(fù)壓。 在該系統(tǒng)中，鍋爐的燃燒率是以燃料量來代替的。因此，燃料量的準(zhǔn)確測(cè)量是保證該系統(tǒng)控制品質(zhì)的一個(gè)首要前提。然而，實(shí)際過程中燃料品質(zhì)(如水分、灰分、發(fā)熱量)并不是保持不變的，這會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，因而該系統(tǒng)需要進(jìn)行改進(jìn)。 2、采用“熱量-氧量”信號(hào)的燃燒控制系統(tǒng)： “熱量-氧量”燃燒控制系統(tǒng)中的燃料控制子系統(tǒng)如圖1-2所示。這個(gè)系統(tǒng)克服了煤粉量測(cè)量的困難，在母管制并列運(yùn)行鍋爐的燃燒控制中得到了

15、廣泛應(yīng)用。 圖1-2 采用“熱量-氧量”信號(hào)的母管壓力控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)與“燃料-空氣”控制系統(tǒng)的不同主要在于一個(gè)是它用熱量信號(hào)來代替燃料量信號(hào)M，它可以較好的代表燃料量，且測(cè)量起來方便而準(zhǔn)確。另一個(gè)是它在送風(fēng)子系統(tǒng)中引入了氧量校正信號(hào)％，它能保證鍋爐在不同負(fù)荷時(shí)，校正送風(fēng)量，使燃料量和送風(fēng)量保持最佳比值。 3、基于直接能量平衡的母管壓力控制系統(tǒng)： 蒸汽母管的流入量是鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量D，流出量是進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽量，而母管壓力反映了流入流出蒸汽流量物質(zhì)平衡關(guān)系，也即能量平衡關(guān)系。對(duì)于母管制機(jī)組而言，將各并列運(yùn)行鍋爐作為蒸汽供給的一個(gè)整體(設(shè)有n臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行)，其理想熱量信號(hào)為：

16、 (1-1) 其中，為所有鍋爐產(chǎn)生的總蒸汽量，為第i臺(tái)爐的蓄熱系數(shù)，為第i臺(tái)爐的汽包壓力。 能量直接平衡的含義是汽機(jī)向鍋爐需求的能量應(yīng)該等于鍋爐所能提供的能量。汽機(jī)的能量需求信號(hào)可以用表示，其中為主汽壓力給定值，為母管壓力。這樣，在調(diào)節(jié)器入口處可以形成能量比較，其控制結(jié)構(gòu)如圖1-3所示。 圖1-3基于能量直接平衡的母管壓力控制系統(tǒng) 當(dāng)機(jī)組能量平衡時(shí)，鍋爐產(chǎn)生的能量與汽機(jī)所需能量平衡，即： (1-2) 當(dāng)控制系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，，，則式(1-2)改寫為：

17、 (1-3) 這說明系統(tǒng)能量達(dá)到平衡時(shí)。母管壓力等于給定值壓力。由此可知，控制母管能量平衡，實(shí)際上也控制了母管壓力。當(dāng)時(shí)，即當(dāng)母管壓力不等于給定值時(shí)，調(diào)節(jié)器入口形成偏差，調(diào)節(jié)器開始動(dòng)作，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，一定可以確保能量平衡。 本文經(jīng)過總結(jié)認(rèn)為，各種常規(guī)的母管壓力控制系統(tǒng)的共同特點(diǎn)為并列運(yùn)行的各臺(tái)鍋爐具有同一個(gè)母管壓力調(diào)節(jié)器，作用是維持母管壓力穩(wěn)定，同時(shí)向各并列運(yùn)行鍋爐的燃料調(diào)節(jié)器下達(dá)給定值，保證各臺(tái)鍋爐的負(fù)荷按比例分配。然而，由于蒸汽母管具有較強(qiáng)的蓄熱能力，使得母管蒸汽壓力對(duì)象具有大延遲特性。同時(shí)在母管制電廠中，機(jī)組耗量、檢修計(jì)劃

18、、調(diào)峰備用等許多因素都會(huì)影響到汽機(jī)側(cè)和鍋爐側(cè)設(shè)備組合方式的變化，這使得并列運(yùn)行鍋爐之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，影響因素較多。因此，常規(guī)的控制系統(tǒng)存在著一些缺點(diǎn)。 首先，多臺(tái)鍋爐共用同一個(gè)母管壓力調(diào)節(jié)器，故各臺(tái)鍋爐的燃燒控制系統(tǒng)之間相互影響，且它采用比例積分調(diào)節(jié)器，使得系統(tǒng)參數(shù)的整定比較困難。其次，母管制機(jī)組中一臺(tái)鍋爐產(chǎn)的新汽，一部分就近供給一臺(tái)機(jī)組，另一部分經(jīng)母管向較遠(yuǎn)的機(jī)組供汽。由于經(jīng)過較長(zhǎng)的管道和較多的閥門，有相應(yīng)的壓力損失，從而導(dǎo)致各段母管的壓力也有差異。而常規(guī)系統(tǒng)在母管壓力控制對(duì)象選取上將蒸汽母管作為集中參數(shù)式對(duì)象處理．忽略了母管壓力的局部間差異，這將導(dǎo)致備段母管的壓力不能始終保持一致。因此，以母

19、管壓力為主要被控參數(shù)的并列運(yùn)行鍋爐母管壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在現(xiàn)階段尚存在有待突破的研究。 由于并列運(yùn)行機(jī)組的母管壓力對(duì)象，具有大滯后大慣性、時(shí)變和非線性等特點(diǎn)，使得一些常規(guī)PID控制策略往往難以得到滿意的控制效果。雖然近年來分散控制系統(tǒng)(DCS)在火電機(jī)組上的廣泛應(yīng)用使火電機(jī)組自動(dòng)化水平有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但各種DCS大多采用常規(guī)PID控制策略，母管壓力仍無法長(zhǎng)期、穩(wěn)定地自動(dòng)運(yùn)行在設(shè)定運(yùn)行值或范圍內(nèi)。在各種先進(jìn)控制策略中，預(yù)測(cè)控制是目前很有應(yīng)用潛力的一種。由于它采用多步預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好、魯棒性強(qiáng)，適用于控制大滯后大慣性、比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程。本文通過使用Matl

20、ab中的Simulink，對(duì)并列運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行建模，研究PID控制和預(yù)測(cè)控制（MPC）策略，具有重要的理論意義和使用價(jià)值。 1.2 論文結(jié)構(gòu)及內(nèi)容 本論文使用Matlab中的Simulink工具箱建立三爐兩機(jī)并列運(yùn)行機(jī)組的分布式動(dòng)態(tài)模型，然后設(shè)計(jì)常規(guī)PID控制器控制母管壓力，試驗(yàn)其效果；再進(jìn)一步選擇模型預(yù)測(cè)控制（MPC Model Predictive Control）改進(jìn)母管壓力控制性能，并試驗(yàn)其效果。最后通過比較常規(guī)PID和MPC二者的控制效果，得出結(jié)論。 第一章：分析了本研究課題的選題背景，介紹了現(xiàn)有并列運(yùn)行機(jī)組母管壓力控制方法及其存在的問題。 第二章：研究了并列運(yùn)行機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)

21、模型，使用Simulink建立了三爐兩機(jī)和六爐四機(jī)并列運(yùn)行機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真研究。 第三章：第三章概要介紹常規(guī)PID控制，并將其和其他控制方法進(jìn)行比較。 第四章：第四章介紹了模型預(yù)測(cè)控制，并將其運(yùn)用在并列運(yùn)行母管制機(jī)組上。 第二章 并列運(yùn)行機(jī)組建模 引言 熱工對(duì)象大都是多輸入、單輸出的（甚至是多輸出），以本文研究的母管壓力模型為例，它就是一個(gè)典型的多輸入、多輸出對(duì)象。各個(gè)輸入信號(hào)引起輸出信號(hào)變化的動(dòng)態(tài)特性一般是不同的，這是熱工對(duì)象的一個(gè)特點(diǎn)，因而實(shí)際生產(chǎn)中通常都采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（如做階躍響應(yīng)試驗(yàn)）的方法來獲得熱工對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。然而由于條件限制，本文選擇了機(jī)理分析的建模方法

22、，即根據(jù)生產(chǎn)流程和生產(chǎn)設(shè)備的具體結(jié)構(gòu)，列出各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)微分方程，從而推導(dǎo)出各環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)傳遞函數(shù)，最后將每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)綜合在一起，便得到了并列運(yùn)行鍋爐母管壓力的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。 在建模時(shí)，并列運(yùn)行鍋爐的爐膛、汽包、過熱器的模型與單元機(jī)組的基本相同，不同的主要是蒸汽母管數(shù)學(xué)模型的建立。傳統(tǒng)方法是將蒸汽母管作為一個(gè)集中參數(shù)式對(duì)象處理，即將它籠統(tǒng)地作為一個(gè)容積環(huán)節(jié)來處理，不考慮管路分布的影響，忽略母管中各段之間的差異。本章在母管模型的處理上進(jìn)行了改進(jìn)，將母管看成是一個(gè)集中參數(shù)和分布參數(shù)相結(jié)合的對(duì)象，這種處理方式更符合實(shí)際情況，也為以后設(shè)計(jì)新型的母管壓力控制系統(tǒng)打下了一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 值得

23、指出的是，由于本章是從控制上的機(jī)理分析角度出發(fā)來建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，雖然模型在總體上是符合實(shí)際情況的，但仿真精度要比其它建模方法的低一些，同時(shí)要做如下一些假設(shè)： 1、 管道中流動(dòng)的蒸汽只存在汽態(tài)，不考慮兩相流動(dòng)。 2、 管道中的蒸汽流動(dòng)是定常的、不可壓縮的、絕熱的，不考慮散熱對(duì)蒸汽壓力的影響。 此外，本章使用Matlab的Simulink工具箱來構(gòu)造仿真對(duì)象，用于模擬實(shí)際對(duì)象的運(yùn)行。 并列運(yùn)行機(jī)組的生產(chǎn)流程及環(huán)節(jié)劃分 汽壓被控對(duì)象的生產(chǎn)流程如圖2-1所示，它是一個(gè)熱交換系統(tǒng)，進(jìn)行工質(zhì)的蒸發(fā)和過熱。 圖2-1 汽壓被控對(duì)象生產(chǎn)流程圖 圖中：、、——分別為汽包壓力

24、、母管壓力、汽機(jī)背壓，； 、——分別為鍋爐蒸汽流量和汽機(jī)通流量，； ——汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度，。 整個(gè)系統(tǒng)由爐膛1，汽包、水冷壁組成的蒸發(fā)受熱面2，過熱器3，母管4和汽機(jī)5等五個(gè)環(huán)節(jié)組成。 使用Simulink搭建出汽控對(duì)象方框圖。 圖2-2 汽壓被控對(duì)象方框圖 鍋爐模塊： 圖2-3 鍋爐模塊方框圖 1.爐膛環(huán)節(jié)：它包括燃料調(diào)節(jié)器動(dòng)作后，燃料進(jìn)入爐膛燃燒，釋放的熱量被爐內(nèi)受熱面吸收的整個(gè)過程。燃燒和傳熱過程是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)物理變化，簡(jiǎn)單而又準(zhǔn)確的表達(dá)它們的動(dòng)態(tài)關(guān)系較為困難，一般可用一個(gè)滯后環(huán)節(jié)（其中大部分是容積滯后）來代表，這樣不會(huì)引起很大的誤差。其輸入量為單

25、位時(shí)間內(nèi)爐膛燃燒的燃料量，輸出量為單位時(shí)間內(nèi)傳給爐膛受熱面的燃料發(fā)熱量（），又稱爐膛熱負(fù)荷。故爐膛的傳遞函數(shù)近似可用式（2-1）表示。 （2-1） 其中：——燃料量變化引起熱負(fù)荷變化的比例系數(shù)，； ——燃料量改變至爐膛熱負(fù)荷變化的滯后時(shí)間，。 爐膛環(huán)節(jié)的方框圖如圖2-4所示。 圖2-4 爐膛環(huán)節(jié)方框圖 2.汽包環(huán)節(jié)：爐內(nèi)工質(zhì)吸熱后蒸發(fā)（和過熱）的過程。爐內(nèi)工質(zhì)總的吸熱量一部分被過熱蒸汽帶走，另一部分成為鍋爐內(nèi)飽和水的焓增，即鍋爐蓄熱的增量。因此環(huán)節(jié)2的動(dòng)態(tài)熱平衡方程式如式（2-2）所示。

26、 （2-2） 其中：、、——分別為過熱蒸汽、給水和飽和水的焓值，； ——鍋爐蓄水量，。 由于爐內(nèi)飽和水的焓值是飽和蒸汽壓力（汽包壓力）的函數(shù)，即，則 （2-3） 將式（2-3）代入式（2-2），則熱平衡方程變?yōu)椋? （2-4） 令： ， （2-5） 則式（2-4）變?yōu)椋?

27、 （2-6） 其中：——鍋爐的蓄熱系數(shù)，； ——用蒸汽流量單位表示的鍋爐汽水容積吸熱量，。 在式（2-6）中，蓄熱系數(shù)代表了鍋爐的蓄熱能力，即表示當(dāng)鍋爐汽包壓力每改變1時(shí)鍋爐所釋放出的蒸汽量。而則以蒸汽流量單位來表示爐膛內(nèi)的發(fā)熱量，故稱之為熱量信號(hào)。 將式（2-6）兩邊進(jìn)行拉氏變換，便可得到環(huán)節(jié)2的傳遞函數(shù)： （2-7） 汽包環(huán)節(jié)的方框圖如圖2-5所示。 圖2-5 汽包環(huán)節(jié)方框圖 3.過熱器環(huán)節(jié)：若僅考慮過熱器的通流特性（吸熱量已在汽包中考慮），設(shè)其通流阻力為，則：

28、 （2-8） 將式（2-8）兩端取增量，得： （2-9） 令，為過熱器動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)，再將式（2-9）兩邊進(jìn)行拉氏變換，得到過熱器的傳遞函數(shù)： （2-10） 過熱器環(huán)節(jié)的方框圖如圖2-6所示。 圖2-6 過熱器環(huán)節(jié)方框圖 蒸汽母管環(huán)節(jié)： 蒸汽母管壓力反映了鍋爐總蒸發(fā)量與汽機(jī)總耗汽量之間的物質(zhì)平衡關(guān)系。其流入量為鍋爐的蒸汽量，流出量是進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽量，它可以作為一個(gè)容積環(huán)節(jié)，環(huán)節(jié)4的傳遞函數(shù)為：

29、 （2-11） 其中：——蒸汽母管的容量系數(shù)，。 蒸汽母管環(huán)節(jié)的方框圖如圖2-7所示。 圖2-7 蒸汽母管環(huán)節(jié)方框圖 汽機(jī)模塊 圖2-8 汽機(jī)模塊方框圖 汽機(jī)環(huán)節(jié)：汽機(jī)的通流量是蒸汽母管壓力、汽機(jī)背壓和調(diào)節(jié)閥開度的函數(shù)。假設(shè)背壓很小且很少變化，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥為線性的，則該環(huán)節(jié)的流通特性如式（2-12）所示。 （2-12） 其中：——汽機(jī)動(dòng)態(tài)流通阻力系數(shù)，； ——汽機(jī)調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù)，； 將式（2-12）兩邊作拉

30、氏變換后變?yōu)椋? （2-13） 汽機(jī)環(huán)節(jié)的方框圖如圖2-9所示。 圖2-9 汽機(jī)環(huán)節(jié)方框圖 綜合以上各環(huán)節(jié)的方框圖，便可得到汽壓被控對(duì)象的方框圖，如圖2-10所示。 圖2-10 汽壓被控對(duì)象方框圖 為了方便進(jìn)行仿真研究，可以將圖2-7中的各個(gè)子模塊封裝成鍋爐、汽機(jī)和母管這三個(gè)模塊，則圖2-7變?yōu)閳D2-2。 2.3 兩爐兩機(jī)模型的建立及仿真 在前一節(jié)的討論中，只對(duì)僅有一臺(tái)鍋爐向母管供汽的情況進(jìn)行了分析，相當(dāng)于是對(duì)單元機(jī)組的分析。當(dāng)多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)鍋爐的蒸發(fā)量不僅與母管壓力有關(guān)，而且與本臺(tái)鍋爐的汽包壓力有

31、關(guān)。圖2-9表示了兩爐兩機(jī)并列運(yùn)行的情況。兩臺(tái)鍋爐的工況是相互聯(lián)系的，每臺(tái)鍋爐的汽包壓力和蒸汽流量不僅與汽機(jī)的耗汽量有關(guān)，也與任何一臺(tái)鍋爐的運(yùn)行工況有關(guān)。為了分析問題方便，假定兩臺(tái)并列運(yùn)行的鍋爐和汽機(jī)的型式、參數(shù)、容量等參數(shù)都是相同的。 多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，爐膛、汽包、過熱器的數(shù)學(xué)模型與單元機(jī)組的基本相同，不同的主要是蒸汽母管的數(shù)學(xué)模型。母管模型屬于一般管路模型的范疇，管路模型可分為集中式和分布式，其中分布式又可分成連續(xù)分布式與離散分布式。 集中式管路模型把系統(tǒng)中的管路當(dāng)作一個(gè)容積環(huán)節(jié)來處理，不考慮管路分布的影響。當(dāng)管路相對(duì)簡(jiǎn)單、管徑與管長(zhǎng)的比值較大時(shí)，該模型較為適用。在大量的仿真實(shí)例中，

32、往往采用這種模型來描述管路。連續(xù)分布式管路模型把系統(tǒng)中的每一段較長(zhǎng)的直管，均考慮為壓力、流量沿管長(zhǎng)方向連續(xù)變化的微分形式。這種管路模型在理論上講較為精確，但在實(shí)際仿真中因其數(shù)學(xué)處理較為復(fù)雜，特別是在系統(tǒng)仿真中較少使用。離散分布式管路模型把系統(tǒng)中的長(zhǎng)管分成數(shù)目有限的短管，而把每一段短管看成是集中式管路模型。對(duì)比上述三種模型，集中式過于簡(jiǎn)單；連續(xù)分布式又過于復(fù)雜，數(shù)學(xué)處理較為困難；而離散分布式無論是在處理的難度上，還是在仿真的精度上都比較合適。 常規(guī)的并列運(yùn)行鍋爐母管壓力控制系統(tǒng)是把母管當(dāng)作集中式管路模型來處理的。按這種思路，圖2-9中系統(tǒng)的方框圖如圖2-10所示。然而在母管制電廠中，在一定的外

33、界負(fù)荷時(shí)，總耗汽量基本上是不變的，各臺(tái)鍋爐間有一定的負(fù)荷分配，產(chǎn)生相應(yīng)的蒸汽量。機(jī)組負(fù)荷在經(jīng)濟(jì)分配后，機(jī)、爐的蒸汽量通常并不一一對(duì)應(yīng)，而是經(jīng)過蒸汽母管平衡。在一臺(tái)鍋爐產(chǎn)生的新汽中，一部分就近供給一臺(tái)汽機(jī)，而另一部分會(huì)經(jīng)母管向較遠(yuǎn)的汽機(jī)供汽，即一臺(tái)汽機(jī)的用汽一部分由就近鍋爐供給，而另一部分是由較遠(yuǎn)的鍋爐通過母管補(bǔ)充。由于經(jīng)過較長(zhǎng)的管道和較多的閥門（切換閥、分級(jí)隔離閥等），有相應(yīng)的壓力損失，從而導(dǎo)致母管中各段的蒸汽壓力具有差異。常規(guī)控制系統(tǒng)在母管壓力控制方面是將蒸汽母管作為集中式對(duì)象處理，忽略了母管壓力的局部差異，從而導(dǎo)致母管實(shí)際壓力分布不均衡。如能將蒸汽母管作為離散分布式對(duì)象處理，即將一根較長(zhǎng)的

34、母管看成由若干段短管組成，類似于過熱氣溫分段控制，將母管壓力也進(jìn)行分段集中自動(dòng)控制，應(yīng)該能取得更好的控制效果。 圖2-11 集中參數(shù)式系統(tǒng)方框圖 如果以圖2-11的兩爐兩機(jī)系統(tǒng)為例，此時(shí)以汽機(jī)為參照，將蒸汽母管分成兩段來考慮（由隔離閥門物理實(shí)現(xiàn)），一臺(tái)鍋爐負(fù)責(zé)維持一段母管的壓力。這樣以來，在局部上就可以看成是一臺(tái)或幾臺(tái)鍋爐向一臺(tái)汽機(jī)供汽，而兩臺(tái)鍋爐之間依靠母管段之間的蒸汽流動(dòng)來保持各自母管壓力的動(dòng)態(tài)平衡，即兩段母管的壓力在系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)該保持不變；在控制系統(tǒng)的作用下，應(yīng)該保持基本相等。兩爐兩機(jī)的系統(tǒng)的母管模型如圖2-12所示。 圖2-12 蒸汽母管模型 此

35、時(shí)，系統(tǒng)中除了以上提到的各環(huán)節(jié)之外，還多了一個(gè)兩段母管之間的流通環(huán)節(jié)，設(shè)為第i段管路的流通阻力，則管路中的流動(dòng)方程如式（2-14）所示。 （2-14） 其中：，——分別為母管段i和i+1的蒸汽壓力，； ——母管段i與i+1之間的流量，。 式（2-14）兩端取增量（令），并進(jìn)行拉氏變換，得到該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)： （2-15） 此時(shí)圖2-9中系統(tǒng)的方框圖如圖2-12所示。 圖2-13 分布參數(shù)式系統(tǒng)方框圖 兩爐兩機(jī)模型參數(shù)

36、的確定 由前文可知，母管壓力對(duì)象的集中式模型可以分為五個(gè)環(huán)節(jié)，其中共有燃料量改變至爐膛熱負(fù)荷變化的滯后時(shí)間，燃料量變化引起熱負(fù)荷變化的比例系數(shù)，鍋爐的蓄熱系數(shù)，汽機(jī)的動(dòng)態(tài)流通阻力系數(shù)，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥的靜態(tài)放大系數(shù)，蒸汽母管的容量系數(shù)和過熱器的動(dòng)態(tài)阻力系數(shù)這七個(gè)參數(shù)需要確定。而分布式模型除了以上的各參數(shù)外，還多了一個(gè)管路間的流通阻力系數(shù)。 本文用于仿真的對(duì)象是HG-220/100-10型煤粉鍋爐，它的主要參數(shù)如下： 鍋爐額定蒸發(fā)量：220，汽包壓力，過熱汽出口壓力（母管壓力），過熱汽出口溫度：540℃，給水溫度：215℃，燃料低位發(fā)熱量（收到基）：22300，燃料計(jì)算消耗量，鍋爐效率：91.2

37、276%，給水焓，過熱蒸汽焓，排煙溫度：140℃，一次工質(zhì)吸熱量占鍋爐總吸熱量份額：84%。由文獻(xiàn)可知： （2-16） ， （2-17） 計(jì)算求得： ；；。 其它參數(shù)由專家經(jīng)驗(yàn)和仿真調(diào)試得到： =60；=500；；，。 2.5三爐兩機(jī)母管系統(tǒng)分布式動(dòng)態(tài)調(diào)控模型的建立及仿真 圖2-14 三爐兩機(jī)示意圖 由圖2-13將母管看成是一個(gè)分布參數(shù)式對(duì)象，一臺(tái)執(zhí)行級(jí)的調(diào)壓鍋爐負(fù)責(zé)維持一段母管的壓力穩(wěn)定。本文的仿真對(duì)象中有兩臺(tái)汽機(jī)和三臺(tái)鍋爐，因此可以將母管劃分為兩段，

38、三號(hào)爐帶固定負(fù)荷，一號(hào)爐和二號(hào)爐分別維持一段母管的壓力。 爐1與爐3之間作為第一段母管，爐2與爐3之間作為第二段母管。 對(duì)于左段母管： 流入流量為：D1，D3-1，D2-1； 流出流量為：Dt1，D1-2。 對(duì)于右段母管： 流入流量為：D2，D3-2，D1-2； 流出流量為：Dt2，D2-1。 圖2-15為三爐兩機(jī)系統(tǒng)方框圖： 圖2-15三爐兩機(jī)系統(tǒng)方框圖 圖2-15中，鍋爐汽機(jī)模塊參照?qǐng)D2-7。 階躍擾動(dòng) 爐1和爐2的額定燃燒率為/s，1200s時(shí)M1和M2同時(shí)增大到/s。 圖2-16 汽包壓力母管壓力曲線圖 圖2-17 蒸汽流量汽機(jī)流量曲線圖

39、在經(jīng)過60s的延遲后，Pb1、Pb2、Pb3成比例增大，Pm1、Pm2增大幅度比汽包增幅稍小；由于母管壓力增大，汽機(jī)需汽量增加；當(dāng)M1、M2階躍增大后，D3減小，在1320s時(shí)開始回升至穩(wěn)定值。在D1、D2劇增的同時(shí)，需要D3提供的蒸汽量減少，但隨著汽機(jī)需汽量的增加，D1、D2增幅減小，D3逐漸增大至穩(wěn)定。 2．爐2在1200s同時(shí)發(fā)生燃燒率階躍擾動(dòng) 圖2-18 蒸汽流量汽機(jī)流量曲線圖 圖2-19 汽包壓力母管壓力曲線圖 M2在1200s擾動(dòng)，D1和D3均先減小并在1320s后逐漸增大至穩(wěn)定，D2蒸汽量劇增并在1320s后逐漸緩慢增大至平穩(wěn)；M2階躍擾動(dòng)，產(chǎn)汽量增加，汽包壓

40、力和母管壓力都增大，Pm2增大帶動(dòng)Pm1增加，故Pm1增幅始終稍慢于Pm2，Pm1增加也抑制了爐1和爐3的產(chǎn)汽量；穩(wěn)定后，Pb3>Pb2>Pb1。 3．汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度ut1和ut2在1200s同時(shí)發(fā)生階躍擾動(dòng) ut 2-20 蒸汽流量汽機(jī)流量曲線圖 2-21 母管壓力汽包壓力曲線圖 當(dāng)汽機(jī)調(diào)門同時(shí)階躍增加時(shí)，一開始汽機(jī)通汽量成比例增加，而母管壓力Pm立即成比例減少。隨著汽包壓力和母管壓力的下降，汽機(jī)通汽量逐漸減少，使得汽壓的下降速度也減小，最后蒸汽流量恢復(fù)到擾動(dòng)前的數(shù)值，此時(shí)汽壓也穩(wěn)定在較低數(shù)值。 4.汽機(jī)調(diào)節(jié)閥開度ut2在1200s發(fā)生階躍擾動(dòng) 圖2-22

41、 蒸汽流量汽機(jī)流量曲線圖 圖2-23 汽包壓力母管壓力曲線圖 ut在1200s階躍擾動(dòng)，Dt2汽機(jī)蒸汽流量急速增加，隨之Pm2減小，Pm2帶動(dòng)Pm1減小，故Pm1減小幅度稍小于Pm2；系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，汽包壓力均比例減小直至穩(wěn)定。 六爐四機(jī)母管系統(tǒng)分布式動(dòng)態(tài)調(diào)控模型的建立及仿真 根據(jù)上文三爐兩機(jī)模型，六爐四機(jī)的模型搭建可以參考下圖： 圖2-24 六爐四機(jī)模型示意圖 如圖2-24所示，六爐四機(jī)模型將兩個(gè)三爐兩機(jī)通過一中間閥門連接，屬于最簡(jiǎn)單的模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，將中間段母管簡(jiǎn)化為閥門，準(zhǔn)確性稍低。用Simulink搭建出系統(tǒng)圖，如圖2-25。 圖2-25 六爐四機(jī)

42、系統(tǒng)圖 由于仿真系統(tǒng)較復(fù)雜，仿真時(shí)數(shù)據(jù)處理量大，仿真速度較慢，故本節(jié)只對(duì)單個(gè)單元機(jī)組里的單臺(tái)鍋爐燃燒率和汽機(jī)閥門開度加入階躍擾動(dòng)。 1、M2在1200s時(shí)發(fā)生階躍擾動(dòng) 圖2-26 蒸汽流量曲線圖 圖2-27 母管壓力曲線圖 由圖2-26和2-27，爐2燃燒率擾動(dòng)，爐2的蒸汽流量明顯增大，相應(yīng)的其余爐的流量均不同程度地降低，減小幅度依次為爐1（最大），爐7和爐5。母管壓力方面，壓力增幅依次為Pm2（最大），Pm1，Pm4，Pm5。根據(jù)兩方面的變化趨勢(shì)，可以得出結(jié)論：離產(chǎn)生擾動(dòng)鍋爐較近的機(jī)組和母管變化最大，而較遠(yuǎn)的機(jī)組和母管變化則較小。 2、爐2汽機(jī)閥門開度在1200s發(fā)生階

43、躍擾動(dòng) 圖2-28 蒸汽流量曲線圖 圖2-29 母管壓力曲線圖 同樣，根據(jù)圖2-28和2-29，比較出蒸汽流量變化幅度：D2>D1>D7>D5，母管壓力變化幅度：Pm2>Pm1>Pm4>Pm5。很好的證實(shí)了最近的母管機(jī)組調(diào)節(jié)較大的結(jié)論。 第三章 常規(guī)控制簡(jiǎn)介 PID控制原理簡(jiǎn)介 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技

44、術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過有效的測(cè)量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 比例（P）控制 比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。 積分（I）控制 在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正

45、比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 微分（D）控制 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過

46、程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。 3.2并列運(yùn)行鍋爐主蒸汽母

47、管壓力控制系統(tǒng) 母管制運(yùn)行方式下，主調(diào)節(jié)器按照預(yù)定的負(fù)荷分配原則，根據(jù)母管壓力與給定值的偏差，向各并列運(yùn)行鍋爐發(fā)出增、減負(fù)荷的信號(hào)，各并列運(yùn)行鍋爐同時(shí)接受主調(diào)節(jié)器來的負(fù)荷要求信號(hào)，調(diào)節(jié)燃料量和風(fēng)量，以快速滿足鍋爐負(fù)荷要求。系統(tǒng)提供鍋爐按定壓運(yùn)行、帶固定負(fù)荷及變動(dòng)負(fù)荷的運(yùn)行方式，運(yùn)行人員可手動(dòng)、自動(dòng)切換選擇所需的運(yùn)行方式。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供運(yùn)行人員選擇所需運(yùn)行方式的手段，當(dāng)改變運(yùn)行方式時(shí)，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何擾動(dòng)。此外，在鍋爐和設(shè)備遇到受限制的工況時(shí)，控制系統(tǒng)能平穩(wěn)地將運(yùn)行方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換合適地運(yùn)行方式。當(dāng)系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行人員所選擇的運(yùn)行方式時(shí)，則向運(yùn)行人員報(bào)警。 鍋爐主蒸汽母管負(fù)荷(壓力

48、)分配主控系統(tǒng)將主蒸汽母管負(fù)荷(壓力)分配指令以并行協(xié)調(diào)的方式轉(zhuǎn)化為對(duì)各鍋爐燃料和風(fēng)量的控制，并具有以下要求: (1) 設(shè)置鍋爐主蒸汽母管負(fù)荷(壓力)分配主調(diào)節(jié)器，將主蒸汽母管壓力反映的能量需求合理分配至各鍋爐燃料調(diào)節(jié)器; (2) 根據(jù)運(yùn)行要求，可手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整各臺(tái)鍋爐的負(fù)荷分配比例; (3) 主蒸汽母管負(fù)荷(壓力)分配主控面板有:主蒸汽母管壓力、主蒸汽母管溫度、各臺(tái)爐主蒸汽壓力、各臺(tái)爐主蒸汽流量、各臺(tái)汽機(jī)蒸汽流量、各臺(tái)爐負(fù)荷分配比例等參數(shù)顯示。 當(dāng)多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，每臺(tái)鍋爐的蒸汽流量不僅與母管壓力PM有關(guān)，而且與本臺(tái)鍋爐的汽包壓力Pb有關(guān)。為了分析問題方便，假定兩臺(tái)并列運(yùn)行鍋爐的型

49、式、參數(shù)、容量等諸方面均是相同的。如果兩臺(tái)鍋爐的燃燒率M1、M2同時(shí)作相同的擾動(dòng)，則動(dòng)態(tài)特性與孤立運(yùn)行時(shí)相同。如果只有一臺(tái)鍋爐發(fā)生燃燒率擾動(dòng)，則情況就不相同。下圖作出了第一臺(tái)鍋爐M1擾動(dòng)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線。 圖3-1 第一臺(tái)鍋爐M1擾動(dòng)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線 假定擾動(dòng)前兩臺(tái)鍋爐的負(fù)荷相同，汽包壓力相同(Pb1=Pb2=Pb3)，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)鍋爐燃燒率M1增加后，汽包壓力Pb1上升，蒸汽流量D1增加引起母管壓力PM上升，由于同一母管上有多臺(tái)(此地為2臺(tái))鍋爐供汽，因此1臺(tái)鍋爐的燃燒率擾動(dòng)不致使PM升高得太多。此時(shí)，通往汽機(jī)的蒸汽量DT也增加，對(duì)于第二臺(tái)鍋爐來說，由于PM上升后(Pb2-PM)減小

50、，蒸汽量D2反而減小。但此時(shí)第二臺(tái)鍋爐M2未變，D2減少則引起Pb2上升，D2也跟著Pb2逐漸回升，最后D2仍然恢復(fù)到原來的數(shù)值，但PM、Pb2都增加了。由此可見，發(fā)生燃燒率擾動(dòng)的這臺(tái)鍋爐自發(fā)地承擔(dān)了較多地負(fù)荷，燃燒率的自發(fā)擾動(dòng)可引起并列運(yùn)行鍋爐負(fù)荷分配的改變。因此，在考慮并列運(yùn)行鍋爐燃燒過程自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，必須注意到下面幾點(diǎn): (1) 盡快地消除各臺(tái)鍋爐燃燒率的自發(fā)性擾動(dòng)，否則將由于任何一臺(tái)鍋爐燃燒率的自發(fā)擾動(dòng)而使各臺(tái)鍋爐的負(fù)荷分配和汽壓發(fā)生不規(guī)則的變化。 (2) 在并列運(yùn)行鍋爐中，如果并列運(yùn)行鍋爐的臺(tái)數(shù)發(fā)生變化(在并列運(yùn)行鍋爐中往往有一部分帶變動(dòng)負(fù)荷，另一部分帶固定負(fù)荷)都會(huì)使被控對(duì)象

51、發(fā)生變化。如果發(fā)生燃燒率擾動(dòng)的鍋爐臺(tái)數(shù))占并列運(yùn)行鍋爐總臺(tái)數(shù)的比例愈小，主汽壓的反應(yīng)速度也愈小。 負(fù)荷擾動(dòng)時(shí)汽壓被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的特點(diǎn) 多臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行時(shí)，在負(fù)荷擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性與一臺(tái)鍋爐孤立運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)特性相似。當(dāng)負(fù)荷階躍改變時(shí)，母管汽壓PM也有起始的躍變。負(fù)荷階躍擾動(dòng)量相同的情況下，并列運(yùn)行鍋爐臺(tái)數(shù)越多，相對(duì)于每一臺(tái)鍋爐的負(fù)荷擾動(dòng)量就越小(鍋爐參數(shù)、容量完全相同時(shí)，相對(duì)于每臺(tái)鍋爐的擾動(dòng)量與鍋爐臺(tái)數(shù)成反比)。因此母管壓力的起始躍變量也就越小，汽壓的反應(yīng)速度就越慢。 對(duì)于兩爐兩機(jī)并列運(yùn)行方式而言，當(dāng)調(diào)節(jié)閥μT階躍增大時(shí)，PM下降使供汽量D上升，并與汽機(jī)通汽量DT平衡，則 汽機(jī)通氣量

52、的增加值，、為2臺(tái)爐各自增加的供汽量。當(dāng)沒有變化時(shí)，決定于，此時(shí)存在以下關(guān)系 式中：、為各臺(tái)過熱器的阻力。因此 通過對(duì)燃燒過程被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析，可得到在設(shè)計(jì)燃燒控制系統(tǒng)時(shí)的基本依據(jù): (1) 在燃燒率擾動(dòng)下，汽壓被控對(duì)象(Pb、PM)的滯后時(shí)間較短。因此，根據(jù)汽壓的變化去改變?nèi)紵誓軌蜉^為有效地控制汽壓，使其適應(yīng)負(fù)荷的需要。所謂改變?nèi)紵示褪且瑫r(shí)協(xié)調(diào)地改變?nèi)剂狭?、送風(fēng)量、引風(fēng)量; (2) 并列運(yùn)行鍋爐中的任何一臺(tái)鍋爐發(fā)生燃燒率自發(fā)性擾動(dòng)時(shí)，都要影響PM和Pb。因此，應(yīng)迅速地消除各自的燃燒率自發(fā)擾動(dòng)，以穩(wěn)定各臺(tái)鍋爐之間的負(fù)荷分配關(guān)系; (3) 為了使鍋爐各自承

53、擔(dān)所規(guī)定的負(fù)荷，必須準(zhǔn)確而又快速地測(cè)量燃燒率，保證燃燒的經(jīng)濟(jì)性，而這些問題的妥善解決是實(shí)現(xiàn)燃燒自動(dòng)控制的前提。 控制方案與控制策略 母管制鍋爐的蒸汽壓力對(duì)象具有大延遲特性，并列運(yùn)行鍋爐之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。母管制鍋爐的蒸汽壓力是機(jī)組運(yùn)行的主要控制參數(shù)，直接影響到機(jī)組的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，根據(jù)機(jī)組的工況要求，需要將母管壓力嚴(yán)格限制在某一定值，因此，需要一套合理的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。 蒸汽母管的流入量是鍋爐部分產(chǎn)生的蒸汽量D，流出量是進(jìn)入汽機(jī)部分的蒸汽量DT，而母管壓力PM反映了流入流出蒸汽流量物質(zhì)平衡關(guān)系，也即能量平衡關(guān)系。 對(duì)單元制機(jī)組，采用作為理想熱量信號(hào)，作為

54、汽機(jī)能量信號(hào)，構(gòu)成單元機(jī)組直接能量平衡控制方案。其中，為調(diào)速級(jí)壓力，為主汽壓力值，為主汽壓力給定值，為汽包壓力，為蓄熱系數(shù)。 對(duì)于母管制鍋爐，將并列運(yùn)行鍋爐部分作為整齊供給的一個(gè)整體，其理想熱信號(hào)為： 其中，、、、分別為四臺(tái)鍋爐產(chǎn)生的蒸汽量；、、、分別為四臺(tái)鍋爐的蓄熱系數(shù)；、、、分別為四臺(tái)鍋爐的汽包壓力。 取熱量信號(hào)，汽機(jī)能量信號(hào)使用來表示汽機(jī)部分總的蒸汽流量需求，即能量需求。這樣，在調(diào)節(jié)器入口處形成能量比較，構(gòu)成母管制直接能量平衡控制方案。 當(dāng)機(jī)組能量平衡時(shí)，即鍋爐產(chǎn)生的能量與汽機(jī)所需能量平衡，即 當(dāng)控制系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，，上式可改寫為。 這表明系統(tǒng)能量達(dá)到平衡

55、時(shí)，母管壓力等于給定值壓力。由此可知，控制母管能量平衡，實(shí)際上也控制了母管壓力。 在實(shí)際系統(tǒng)中，可選擇離主蒸汽壓力測(cè)點(diǎn)較近的爐作為調(diào)壓爐，而其余鍋爐通過調(diào)節(jié)蒸汽流量，輔助確保母管的蒸汽壓力。為確?？刂葡到y(tǒng)具有良好的控制品質(zhì)，對(duì)鍋爐負(fù)荷分配控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須符合如下設(shè)計(jì)原則: (1) 各臺(tái)鍋爐而言，當(dāng)鍋爐的燃燒率發(fā)生變化時(shí)，對(duì)母管蒸汽壓力的影響速度是不一樣的(因壓力測(cè)點(diǎn)位置的原因)，對(duì)于壓力影響越快的鍋爐，則相應(yīng)壓力被控對(duì)象的滯后越小，選擇這樣的鍋爐作為調(diào)壓爐，可以獲得較好的壓力控制品質(zhì)。 (2) 對(duì)于調(diào)壓鍋爐，控制系統(tǒng)不僅要消除調(diào)壓爐自身燃燒率的自發(fā)性擾動(dòng)，而且還要消除其它各臺(tái)鍋爐燃燒率

56、的擾動(dòng)及汽機(jī)側(cè)由于輸入蒸汽流量變化而造成對(duì)母管壓力的影響。而對(duì)于非調(diào)壓爐，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是維持鍋爐的穩(wěn)定負(fù)荷，只有母管壓力偏離定值超過一定的數(shù)值或調(diào)壓爐的燃燒率調(diào)整已受到限制時(shí)，非調(diào)壓爐才輔助調(diào)整壓力，是調(diào)整母管壓力的輔助調(diào)節(jié)設(shè)備。 (3) 基于能量直接平衡的控制系統(tǒng)其實(shí)質(zhì)是一個(gè)采用汽包壓力作為導(dǎo)前微分信號(hào)的雙回路系統(tǒng)，而雙回路系統(tǒng)的控制品質(zhì)優(yōu)于常規(guī)的單回路控制系統(tǒng)。因此，基于能量直接平衡的壓力控制系統(tǒng)比直接采用壓力偏差信號(hào)的單回路控制系統(tǒng)的品質(zhì)要好。 (4) 為克服母管制運(yùn)行方式的蓄熱慣性，應(yīng)使鍋爐控制盡快跟隨汽機(jī)需要，即克服母管壓力控制的外部擾動(dòng)，對(duì)應(yīng)汽機(jī)側(cè)調(diào)峰機(jī)組的熱量信號(hào)要進(jìn)入

57、鍋爐側(cè)參與控制。 第四章 預(yù)測(cè)控制設(shè)計(jì) 預(yù)測(cè)控制（MPC）原理簡(jiǎn)介 模型預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的閉環(huán)優(yōu)化控制策略，其算法的核心是：可預(yù)測(cè)未來的動(dòng)態(tài)模型，在線反復(fù)優(yōu)化計(jì)算并滾動(dòng)實(shí)施的控制作用和模型誤差的反饋校正。模型預(yù)測(cè)控制具有控制效果好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可有效地克服過程的不確定性、非線性和并聯(lián)性，并能方便的處理過程被控變量和操縱變量中的各種約束。從模型預(yù)測(cè)控制的基本原理出發(fā)，常見的有三種預(yù)測(cè)控制算法： 1)基于非參數(shù)模型的模型預(yù)測(cè)控制。 　　代表性算法有模型算法(MAC)和動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)。這類算法分別采用脈沖響應(yīng)模型和有限階躍響應(yīng)模型作為過程預(yù)測(cè)模型，無需考慮模型結(jié)構(gòu)

58、和階次，可將過程時(shí)滯自然納入模型中，尤其適合表示動(dòng)態(tài)響應(yīng)不規(guī)則的對(duì)象特性，適合處理開環(huán)穩(wěn)定多變量過程約束問題的控制。 　　2)基于ARMA或CARIMA等輸入輸出參數(shù)化模型的預(yù)測(cè)控制算法。 這類算法有經(jīng)典自適應(yīng)控制發(fā)展而來，融合了自校正控制和預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn)。其反饋校正通過模型的在線辨識(shí)和控制率的在線修正以自校正的方式實(shí)現(xiàn)，其中最具代表性的是廣義預(yù)測(cè)算法，它可應(yīng)用于時(shí)變時(shí)滯較難控制的對(duì)象，并對(duì)系統(tǒng)的時(shí)滯和階次不確定有良好的魯棒性，但對(duì)于多變量系統(tǒng)，算法實(shí)施較困難。 3)滾動(dòng)時(shí)域控制。由LQ和LQG算法發(fā)展而來。 對(duì)于狀態(tài)空間模型，用有限時(shí)域二次性能指標(biāo)再加終端約束的滾動(dòng)時(shí)域控制算法

59、來保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。它已拓展到跟蹤控制和輸出反饋控制。各類模型預(yù)測(cè)控制算法雖然在模型、控制和性能上存在許多差異，但其核心都是基于滾動(dòng)時(shí)域原理，算法中包含了預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正三個(gè)基本原理。 4.2 模型預(yù)測(cè)控制的方法 模型預(yù)測(cè)控制(MPC)是一類特殊的控制。它的當(dāng)前控制動(dòng)作是在每一個(gè)采樣瞬間通過求解一個(gè)有限時(shí)域開環(huán)最優(yōu)控制問題而獲得。過程的當(dāng)前狀態(tài)作為最優(yōu)控制問題的初始狀態(tài)，解得的最優(yōu)控制序列只實(shí)施第一個(gè)控制作用。這是它與那些使用預(yù)先計(jì)算控制律的算法的最大不同。本質(zhì)上模型預(yù)測(cè)控制求解一個(gè)開環(huán)最優(yōu)控制問題。它的思想與具體的模型無關(guān)，但是實(shí)現(xiàn)則與模型有關(guān)。 模型預(yù)測(cè)控制的三個(gè)基本要素

60、 　　1）預(yù)測(cè)模型 預(yù)測(cè)模型是指一類能夠顯式的擬合被控系統(tǒng)的特性的動(dòng)態(tài)模型。 　　2）滾動(dòng)優(yōu)化 滾動(dòng)優(yōu)化是指在每個(gè)采樣周期都基于系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及預(yù)測(cè)模型，按照給定的有限時(shí)域目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化過程性能，找出最優(yōu)控制序列，并將該序列的第一個(gè)元素施加給被控對(duì)象。 3）反饋校正 反饋校正用于補(bǔ)償模型預(yù)測(cè)誤差和其他擾動(dòng)。 4.3 預(yù)測(cè)控制的基本原理 就一般的意義來說，預(yù)測(cè)控制不論其算法形式如何不同，都應(yīng)建立在下述三項(xiàng)基本原理基礎(chǔ)上。 1）預(yù)測(cè)模型 預(yù)測(cè)控制是一種基于模型的控制算法，這一模型稱為預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型的功能是根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來輸入預(yù)測(cè)其未來輸出。這里只強(qiáng)調(diào)模型的功能而不是強(qiáng)

61、調(diào)其結(jié)構(gòu)形式。因此，狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)這類傳統(tǒng)的模型都可以作為預(yù)測(cè)模型。對(duì)于線性穩(wěn)定的對(duì)象，甚至階躍響應(yīng)、脈沖響應(yīng)這類非參數(shù)模型，也可以直接作為預(yù)測(cè)模型使用。此外，非線性系統(tǒng)、分布參數(shù)系統(tǒng)的模型，只要具備上述功能，也可以在對(duì)這類系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制時(shí)作為預(yù)測(cè)模型使用。預(yù)測(cè)模型具有展示系統(tǒng)未來動(dòng)態(tài)行為的功能，這樣，我們就可以像在系統(tǒng)仿真時(shí)那樣，任意的給出未來的控制策略，觀察對(duì)象在不同控制策略下的輸出變化(如圖4-1)。從而為比較這些控制策略的優(yōu)劣提供了基礎(chǔ)。圖中1，2分別表示采用不同的控制策略I和II的控制量序列，3，4分別表示對(duì)應(yīng)于控制策略l和II的輸出。 圖4-1 預(yù)測(cè)模型 2） 滾動(dòng)優(yōu)

62、化 預(yù)測(cè)控制是一種優(yōu)化控制算法。它是通過某一性能指標(biāo)的最優(yōu)來確定未來的控制動(dòng)作，這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來的行為。例如，通常可取對(duì)象的輸出在未來的采樣點(diǎn)上跟蹤某一期望軌跡的方差為最小，但也可采取更廣泛的形式，例如要求控制能量為最小而同時(shí)保證輸出在某一給定范圍內(nèi)等。性能指標(biāo)中涉及到的系統(tǒng)未來的行為，是根據(jù)預(yù)測(cè)模型由未來的控制策略決定的。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化與傳統(tǒng)意義下的離散最優(yōu)控制有很大的差別。這主要表現(xiàn)在預(yù)測(cè)控制中的優(yōu)化是一種有限時(shí)段的滾動(dòng)優(yōu)化，在每一個(gè)采樣時(shí)刻，優(yōu)化性能指標(biāo)只涉及到從該時(shí)刻起未來有限的時(shí)間，而到下一采樣時(shí)刻，這一優(yōu)化時(shí)段同時(shí)向前推移(見圖1-5)。圖中1表示

63、參考軌跡；2表示最優(yōu)預(yù)測(cè)輸出；3表示最優(yōu)控制作用。因此，預(yù)測(cè)控制不是用一個(gè)適用于全局的優(yōu)化性能指標(biāo)，而是在每一時(shí)刻有一個(gè)相對(duì)于該時(shí)刻的指標(biāo)。不同時(shí)刻優(yōu)化性能指標(biāo)的相對(duì)形式是相同的，但其絕對(duì)形式，即所包含的時(shí)間區(qū)域，則是不同的。因此，在預(yù)測(cè)控制中，優(yōu)化不是一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)在線進(jìn)行的。這就是滾動(dòng)優(yōu)化的意義，也是預(yù)測(cè)控制區(qū)別于傳統(tǒng)最優(yōu)控制的根本點(diǎn)。 4.4三爐兩機(jī)的預(yù)測(cè)控制模型的建立與效果分析 與前述三爐兩機(jī)模型類似，將母管看成是一個(gè)分布式參數(shù)式對(duì)象，并將母管劃分為兩段。則三爐兩機(jī)部分的系統(tǒng)方框圖為 圖4-2 三爐兩機(jī)的預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)圖 圖4-3 封裝部分的系統(tǒng)方框圖

64、此系統(tǒng)的仿真效果與分析： 圖4-4 母管壓力Pm1、Pm2的曲線圖 圖4-5 母管壓力Pm3的曲線圖 由于系統(tǒng)較復(fù)雜，仿真時(shí)速度較慢，故僅對(duì)爐3的燃燒率加入階躍擾動(dòng)。由圖4-4和4-5可知。三爐兩機(jī)系統(tǒng)爐3燃燒率在2000s時(shí)發(fā)生階躍擾動(dòng)，由于鍋爐的對(duì)稱布置Pm1和Pm2的變化幾乎相同，在鍋爐3的燃燒率增大時(shí)，Pm3變大，而Pm1和Pm2則減小，以維持母管壓力的穩(wěn)定。根據(jù)上述分析，可以得出結(jié)論：當(dāng)鍋爐燃燒率增大或減小時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的的機(jī)組和母管壓力發(fā)生相應(yīng)變化，其他機(jī)組的母管壓力發(fā)生反方向的變化。 4.5 六爐四機(jī)的預(yù)測(cè)控制模型的建立與效果分析之一 根據(jù)上文三爐兩機(jī)模型，六

65、爐四機(jī)的模型搭建可以參考下圖： 圖4-6 六爐四機(jī)模型示意圖 如圖2-24所示，六爐四機(jī)模型將兩個(gè)三爐兩機(jī)通過一中間閥門連接，屬于最簡(jiǎn)單的模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易懂，將中間段母管簡(jiǎn)化為閥門，準(zhǔn)確性稍低。用Simulink搭建出系統(tǒng)圖，如圖4-7。 圖4-7六爐四機(jī)系統(tǒng)圖 在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)六爐四機(jī)的預(yù)測(cè)模型控制系統(tǒng)方框圖如下： 圖4-8 六爐四機(jī)的預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)圖一 三爐兩機(jī)部分參照?qǐng)D4-3，此系統(tǒng)的仿真效果與分析 圖4-9 母管壓力Pm1的曲線圖 圖4-10 母管壓力Pm2的曲線圖 圖4-11閥門開度的曲線圖 由于系統(tǒng)較復(fù)雜，仿真時(shí)速度較慢，故僅對(duì)閥門開度加

66、入階躍擾動(dòng)。由圖4-9和4-10可知。左邊的三爐兩機(jī)系統(tǒng)閥門開度在2000s時(shí)發(fā)生階躍擾動(dòng)，左邊的系統(tǒng)的母管壓力減小，而右邊的母管壓力也相應(yīng)的減小，即Pm1