過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)III題 目：基于串級PID的過熱汽溫多模型切換控制設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：張超學(xué)號：0867112337專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：2008-1指導(dǎo)教師：左鴻飛2011年9月2日目錄TOC\o"1-5"\h\z摘要： 1\o"CurrentDocument"1過熱汽溫控制的任務(wù) 3\o"CurrentDocument"2過熱器溫控制對象特性及其調(diào)節(jié)參數(shù)選擇 4\o"CurrentDocument"2.1蒸汽負(fù)荷 4\o"CurrentDocument"2.2煙氣擾動 4\o"CurrentDocument"2.3減溫水 4\o"CurrentDocument"3設(shè)計(jì)內(nèi)容 5\o"CurrentDocument"3.1單一的串級控制 5\o"CurrentDocument"3.2多模型串級PID控制系統(tǒng) 6\o"CurrentDocument"3.3硬件分析： 8\o"CurrentDocument"3.4儀表選型 11\o"CurrentDocument"4.結(jié)束語 11\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 12基于串級PID的過熱汽溫多模型切換控制設(shè)計(jì)摘要： 火電廠鍋爐出口過熱蒸汽溫度（主汽溫）是鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)之一，主蒸汽溫偏高，會使得過熱器和汽輪機(jī)高壓缸承受過高的熱應(yīng)力而損壞，威脅機(jī)組的運(yùn)行安全；主汽溫偏低又會使蒸汽含水量增加，從而縮短汽輪機(jī)葉片的使用壽命。因此，必須將主汽溫嚴(yán)格控制在設(shè)定值附近。提出了一種易于工程實(shí)現(xiàn)的過熱汽溫先進(jìn)控制策略。在常規(guī)串級PID控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多模型切換控制方案，有效避免了單一控制模式不能適應(yīng)系統(tǒng)工況變化的問題，另外，主調(diào)PID控制器的參數(shù)通過內(nèi)模原理整定，較好地保留了內(nèi)?？刂破鞯奶攸c(diǎn)，能夠有效克服過熱汽溫對象的大遲延特性關(guān)鍵詞：過熱汽溫；多模型;關(guān)鍵詞：過熱汽溫；多模型;內(nèi)?？刂疲淮壙刂艬asedonthecascadePIDsuperheatedsteamtemperaturemultiplemodelswitchingcontroldesignThermalpowerplantboilersuperheatedsteamtemperature(outletofmainsteamtemperatureofboiler)isoneofthekeyparameters,mainsteamtemperatureishigh,thesuperheaterandsteamturbinehighpressurecylindersubjectedtohighthermalstressanddamaged,threatenunitssafeoperation;mainsteamtemperatureislowandmakethesteammoisturecontentincreased,therebyreducingtheuseofsteamturbinebladelifeexpectancy.Therefore,wemustbestrictcontrolinmainsteamtemperaturenearapredeterminedvalue.PutforwardakindofeasyforengineeringrealizationofcontrolstrategyofsuperheatedsteamWenXianjin.IntheconventionalcascadePIDcontrolbasedonmultiplemodelswitchingcontrol,designscheme,effectivelyavoidsthesinglecontrolmodecannotadapttothesystemoperatingmodevariationproblem,inaddition,mainparametersofthePIDcontrollerwithinternalmodelprinciplesetting,tobetterretaintheinternalmodelcontrollerfeatures,caneffectivelyovercomethesuperheatedsteamtemperatureobjectlargedelaycharacteristicsKeywords：Superheatedsteamtemperature;multiplemodel;internalmodelcontrol;cascadecontrol1過熱汽溫控制的任務(wù)過熱汽溫控制對于機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著非常重要的意義，但同時也是最難控制的的系統(tǒng)之一，其控制難點(diǎn)主要體現(xiàn)在一下幾個方面：1） 過熱汽溫的干擾因素很多，例如負(fù)荷，減溫水量等。2） 在各種擾動量的干擾下汽溫對象具有非線性、時變等特性，使控制難度加大。3） 汽溫對象具有大遲延、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。但同時過熱汽溫控制對于機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有著相當(dāng)重要的作用，主要有以下幾個方面：1） 過熱汽溫過高會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)重的時候，將會使材料強(qiáng)度急劇下降從而導(dǎo)致管道破裂。過熱汽溫過高還會導(dǎo)致汽輪機(jī)的汽缸、汽門、前幾級噴嘴和葉片的機(jī)械強(qiáng)度下降，導(dǎo)致使用壽命降低和設(shè)備損壞。2） 汽溫過低，將會影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)汽溫低的時候機(jī)組熱效率降低，煤耗增大。另外，汽溫降低會使汽輪機(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)末幾級葉片的侵蝕加劇。此外，汽溫降低會使汽輪機(jī)所受的軸向推力增大，對汽輪機(jī)的安全運(yùn)行很不利。3） 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，甚至產(chǎn)生劇烈振動，危及機(jī)組安全運(yùn)行?？傊?，過熱汽溫是火電機(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。當(dāng)前，大多數(shù)電站鍋爐的過熱蒸汽溫度在540--550^之間。正常運(yùn)行時，一般過熱蒸汽溫度額定值偏差不超過5°C。2過熱器溫控制對象特性及其調(diào)節(jié)參數(shù)選擇影響過熱器出口溫度的原因很多，如蒸汽流量、燃燒工況、鍋爐給水溫度、進(jìn)入過熱器的溫度、流經(jīng)過熱器的煙氣溫度和流速、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來主要有以下三個方面：蒸汽負(fù)荷、煙氣熱量及減溫水。2.1蒸汽負(fù)荷大型火電廠都采用復(fù)合式過熱器。蒸汽流量擾動時（以增加為例），蒸汽流量的變化是過熱器管路上各點(diǎn)的蒸汽流速和溫度幾乎同時變化，從而改變了過熱器的對流放熱系數(shù)，是過熱器各點(diǎn)的蒸汽溫度同時變化因而汽溫反應(yīng)較快。蒸汽負(fù)荷增加時，對流式過熱器和輻射式過熱器的出口氣溫變化是相反的。這是因?yàn)?，?fù)荷增加時，對流式過熱器煙氣溫度和流速都增加，從而使出口蒸汽溫度升高。此時，爐膛溫度升高并不多，煙溫升高所增加的熱量小于負(fù)荷增加所需熱量，所以輻射式過熱器出口氣溫是降低的。對于大型鍋爐的過熱器，對流式過熱器面積大于輻射式的受熱面積，因此總的氣溫隨負(fù)荷增加。雖然過熱器出口溫度隨蒸汽負(fù)荷響應(yīng)特性較好，但是蒸汽負(fù)荷決定于用戶。所以不能用蒸汽流量作為控制過熱氣溫的參數(shù)。2.2煙氣擾動由于煙氣溫度和流速也是沿整個過熱器同時改變的，因而沿過熱器整個長度煙氣傳遞熱量也是同時變化的，氣溫反應(yīng)較快。因此，現(xiàn)場中可通過改變噴燃起擺角來控制。但現(xiàn)實(shí)中受到鍋爐設(shè)計(jì)及構(gòu)造的限制，利用煙氣測控過熱蒸汽還有一定困難。2.3減溫水減溫水通過減溫器被直接噴入過熱蒸汽中，吸收熱量，從而使氣溫降低，已達(dá)到控制目的，其階躍響應(yīng)如圖所示，呈現(xiàn)有遲滯、有慣性、有自平衡特性。噴水減溫通常是按在末節(jié)過熱器高溫段的前面，既保護(hù)過熱器高溫段，又減少了蒸

汽帶水的可能性。噴水?dāng)_動響應(yīng)曲線3設(shè)計(jì)內(nèi)容3.1單一的串級控制大型機(jī)組中，過熱器一般采用串級控制。如下圖所示，該系統(tǒng)由主副調(diào)節(jié)器控制。當(dāng)導(dǎo)前區(qū)氣溫發(fā)生變化時，負(fù)調(diào)節(jié)就會冷卻裝主蒸汽..一般串級控制系統(tǒng)

從圖中可以看出，串級系統(tǒng)和簡單系統(tǒng)有一個顯著的區(qū)別，即其在結(jié)構(gòu)上形成了兩個閉環(huán)，一個閉環(huán)在里面，被稱為副環(huán)或副回路，在控制過程中起著“粗調(diào)”的作用，一個環(huán)在外面，成為主環(huán)或者主回路，用來完成“細(xì)調(diào)”的任務(wù)，最終能夠保證被調(diào)量滿足工藝要求。串級控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，主要原因有以下三個原因：1） 對二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；2） 改善了對象的動態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3） 對負(fù)荷或操作條件的變化有一定的自適應(yīng)能力。由于串級控制系統(tǒng)的良好控制性能，所以在過熱汽溫控制中得到了廣泛的應(yīng)用。3.2多模型串級PID控制系統(tǒng)過熱汽溫是火電機(jī)組熱力系統(tǒng)中重要的參數(shù)，其控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性。串級PID控制是目前電廠中廣泛采用的過熱汽溫控制策略，這是因?yàn)楦被芈返拇嬖诳梢愿纳茖ο蟮膭討B(tài)特性，顯著減小導(dǎo)前區(qū)的遲延時間，同時副回路具有快速消除內(nèi)擾的能力；其次，PID控制方式具有原理簡單、使用方便等特點(diǎn)，已被工程技術(shù)人員廣泛接受。然而，串級PID控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中控制效果并不理想，常常出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，使得控制系統(tǒng)不能長時間投入自動運(yùn)行。究其原因，從控制系統(tǒng)的角度來講主要有兩點(diǎn)：①主調(diào)PID參數(shù)整定不當(dāng)。過熱汽溫是一個大遲延對象，其遲延特性主要體現(xiàn)在惰性區(qū)上，副回路雖然在一定程度上減小了遲延時間，但由副回路和惰性區(qū)構(gòu)成的廣義被控對象仍具有較大的遲延特性，基于PID參數(shù)工程整定方法得到的PID控制器，對大遲延對象很難進(jìn)行有效控制，動態(tài)過程往往具有較大的超調(diào)量；②單一的控制模式不能滿足負(fù)荷大范圍變化的需要。過熱汽溫對象一個顯著的特點(diǎn)是對象參數(shù)隨負(fù)荷變化而有較大的變化，當(dāng)負(fù)荷變化時使當(dāng)前工作點(diǎn)遠(yuǎn)離控制器的初始設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，系統(tǒng)的控制品質(zhì)會明顯下降?；谏鲜銮闆r，許多研究人員進(jìn)行了大量的研究工作，提出了多種控制策略，如魯棒控制、基于對象特性辨識的自適應(yīng)控制等。魯棒控制是根據(jù)已知的模型參數(shù)變化范圍設(shè)計(jì)最“不保守”的控制器，用最小的性能代價換取魯棒穩(wěn)定，對于參數(shù)變化很大的過熱汽溫調(diào)節(jié)對象，用魯棒控制提高性能的余地是很有限的。基于對象辨識的自適應(yīng)控制由于計(jì)算量大，控制規(guī)律復(fù)雜，很難滿足實(shí)時性的要求。近年來，各種先進(jìn)智能的控制方法也得到了大量研究，如預(yù)測控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［3］，然而這些控制方法在工程應(yīng)用中的實(shí)例卻少見報道，原因在于這些控制策略很難由D(DistributedControlSystem)組態(tài)實(shí)現(xiàn)。本文結(jié)合過熱汽溫控制的現(xiàn)狀，提出了一種基于串PID的多模型切換方法，充分保留了串級控制系統(tǒng)和PID控制器的優(yōu)點(diǎn)，主調(diào)PID通過內(nèi)?？刂破鬓D(zhuǎn)化得到，從而能夠有效克服對象的大遲延特性；多模型切換的控制方案，能夠有效避免單一控制模式不能適應(yīng)系統(tǒng)工況變化的問題。所提出的控制方案中控制器全部為PID形式，采用DCS功能塊實(shí)現(xiàn)起來便、容易。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，對每個子空間都有一個失配較小的數(shù)學(xué)模型，而每個控制器(局部控制器)是針對不同子空間的數(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。圖1給出了本文提出的基于串級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)由多個局部PID控制器構(gòu)成，副調(diào)由多個局部PI控制器夠成，根據(jù)被控對象當(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?；诖塒ID的多模型切換系統(tǒng)3.3硬件分析：閥門選擇根據(jù)系統(tǒng)的安全性考慮主蒸汽溫度不能過高，所以閥門應(yīng)選擇氣閉形式。蒸汽并非是易燃易爆產(chǎn)品，故應(yīng)該選擇電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其相應(yīng)的動態(tài)性能好，控制迅速。對于溫度大滯后有很好的效果。熱電阻(Pt300 400°C-1800°C)熱電阻采用三線制接法。采用三線制是為了消除連接導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。這是因?yàn)闇y量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻，其連接導(dǎo)線(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部分，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化，造成測量誤差。采用三線制，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，這樣消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。(3)控制器選擇a.副調(diào)局部PI控制器過熱汽溫控制系統(tǒng)中導(dǎo)前區(qū)動態(tài)特性的慣性和遲延比整個對象的慣性和遲延要小得多。當(dāng)副回路動作時，主回路可以看作是開路系統(tǒng)，而當(dāng)主回路動作時，副回路可以看作是快速隨動系統(tǒng)。因此，副回路控制參數(shù)的整定可按單回路系統(tǒng)整定，整定方法可采用傳統(tǒng)的衰減曲線法。b主調(diào)局部PID控制器由副回路和惰性區(qū)構(gòu)成的廣義被控對象可采用一階慣性加純遲延傳遞函數(shù)G(s)=—^e-TsT0s+1 8近似描述，即 針對式(1)描述的對象，可采用兩步設(shè)計(jì)方法得到相應(yīng)的內(nèi)?？刂破?。內(nèi)模控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示：IMCI i圖2內(nèi)?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)其中5''=亍二-'■-='「,；.：；一］為一低通濾波器，入為濾波器的時間常數(shù)，同時也是內(nèi)?？刂破髦形ㄒ坏目烧{(diào)參數(shù)，入增大，系統(tǒng)的魯棒性越強(qiáng)；入減小，響應(yīng)加快，魯棒性減弱。參數(shù)整定簡單。同時，內(nèi)?？刂破髦邪藢ο蟮哪Ｐ停軌?qū)崿F(xiàn)預(yù)估控制，因此，對大遲延對象能夠進(jìn)行有效控制。然而，目前火電機(jī)組的控制普遍采用DCS系統(tǒng)，控制策略通過DCS提供的功能塊實(shí)現(xiàn)，而內(nèi)?？刂破髟诖蠖鄶?shù)DCS系統(tǒng)中未以控制器功能塊的形式出現(xiàn)，應(yīng)用起來遠(yuǎn)不如PID方便。為此，很有必要將內(nèi)?？刂破鹘妻D(zhuǎn)化為PID形根據(jù)圖21.方+1知*)=叮工 (2)1-一在+i，可以得到內(nèi)?？刂破鞯膫鬟f函數(shù)為(2)式(2)可以改寫為Tj-1，其中對式(3)中z(s)展開成s的麥克勞林(Maclaurin)級數(shù)G或⑴=kf(O)+尸(0*+牛尸+…］ ⑷=舟+的L+Kds+…，有經(jīng)計(jì)算得/(0),/;(0)=k{l-r) k(A-Ty廣(0)=廣(0)2廣(°)瀝‘以*『)十心+(眼3)/3「7(0) /^3+r)+S_從而得到了主調(diào)局部PID控制器的參數(shù)?；谶@種降階方法得到的PID控制器在低頻段能夠很好地近似內(nèi)?？刂破?。C.全局控制器的集成完成局部控制器的設(shè)計(jì)后，需要選擇一種調(diào)度機(jī)制進(jìn)行控制器的切換，從而實(shí)現(xiàn)全局控制。因此，需要解決的問題有兩個：一個是選擇什么樣的調(diào)度機(jī)制；另一個是如何實(shí)現(xiàn)控制器之間的無擾切換。由熱工動態(tài)學(xué)知，過熱汽溫對象的參數(shù)主要與機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷上升時，由于過熱蒸汽流速和流量增大，模型態(tài)增益和時間常數(shù)將隨之單調(diào)變化，反之亦然。因此，可選擇機(jī)組負(fù)荷作為過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的調(diào)度變量，相應(yīng)調(diào)度機(jī)制是：根據(jù)機(jī)組負(fù)荷的當(dāng)前值，將對應(yīng)該值的典型工況控制器切換為在線控制器。這里需要說明的是，一個典型工況指的是一個負(fù)荷區(qū)間，所有典型工況的并集構(gòu)成機(jī)組運(yùn)行的全局工況，相鄰兩個典型工況的交集為零。典型工況個數(shù)及范圍的確定，目前一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選取，然后再通過仿真來驗(yàn)證合理性。在控制系統(tǒng)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)換時，需要從一系列備選的平行的控制器輸出中選擇一個作為被控對象的輸入，由于平行控制器的參數(shù)各不相同，故在相同的輸入下，它們的輸出也各不相同，在不做任何處理的情況下，直接進(jìn)行控制器輸出之間的切換則會產(chǎn)生控制器回繞現(xiàn)象［6］，使得系統(tǒng)性能惡化，甚至?xí)?dǎo)致不穩(wěn)定，很多學(xué)者對這一問題進(jìn)行了研究，并提出了可行的解決措施，如積分器重置抗回繞，Hanus控制器切換方法［7］等。DCS系統(tǒng)已將這些措施有效嵌入到了？1?？刂破鞴δ苣K，使用時只需給出跟蹤條件，滿足該條件則PID控制器處于跟蹤狀態(tài)，否則進(jìn)行PID運(yùn)算，保證7PID控制器之間的無擾動切換。3.4儀表選型型號WZP分度號Pt100測量范圍-200——800精度等級A級廠家西安創(chuàng)偉測控?cái)?shù)量1臺產(chǎn)品名稱電動V型調(diào)節(jié)球閥公稱直徑DN25-300mm壓力范圍1.6、25、40、64Mpa功能選項(xiàng)開關(guān)、調(diào)節(jié)廠家西安創(chuàng)偉測控?cái)?shù)量1臺產(chǎn)品型號SR23規(guī)格SR23-SS-I-N-06-40-00為自由輸入，單路4-20mA調(diào)節(jié)輸出，非隔離0-10V模擬遙控輸入，三組事件輸出，4個開關(guān)量信號輸入、5個開關(guān)量信號輸出，非隔離4-20mA模擬變送輸出 精度0.1級廠家日本島電公司數(shù)量1臺4.結(jié)束語設(shè)計(jì)了基于串級PID的多模型切換控制方案，有效避免了采用單一固定參數(shù)模型不能適應(yīng)系統(tǒng)工況變化的問題，另外，主調(diào)PID控制器通過內(nèi)?？刂破鹘惦A得到，較好地保持了內(nèi)模控制器的性能，有效地克服了對象的大遲延特性。同時，所提出的控制方案，由于采用7PID形式，使其在工程實(shí)現(xiàn)中簡單易行，為過熱汽溫先進(jìn)控制的工程實(shí)現(xiàn)提供了一條便捷的途徑。參考文獻(xiàn)于希寧，劉紅軍.《自動控制桿原理》.中國電力出版社，2005.金以慧，方崇智.《過程控制》.清華大學(xué)出版社，1993.樊泉貴，閆維平.《鍋爐原理》.中國電力出版社，2004.李榮梅.《600MW超臨界直流爐汽溫控制策略的研究》.華北電力大學(xué)(北京)碩士學(xué)位論文，指導(dǎo)老師：白焰。尹衍良.《300MW±汽溫度控制系統(tǒng)的模糊控制》.沈陽電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報， 1998,7(3)：37-41.曲小平，趙建英《600MW火電機(jī)組主汽溫控制的一種設(shè)計(jì)方法》.儀表儀器用戶， 2006，02：90-92.黃偉.《600MW超臨界機(jī)組沖轉(zhuǎn)時主蒸汽溫度偏高的原因分析及改進(jìn)措施》.電力建設(shè)，2006，27(11)：55-57.胡呂鎂，任軍，楊卜峰.《660MW機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)特性》.華東電力，2004，32(12)：55-56.郝玉光.《鍋爐主汽溫度自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)改造的分析》.內(nèi)蒙古