1、300MW機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)摘要 隨著我國(guó)電力工業(yè)的迅速發(fā)展，越來(lái)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, 300MW 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。主蒸汽溫度是鍋爐運(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。鍋爐主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(lái)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)分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，組成及工作原理進(jìn)行分析，提出一種適合大遲延對(duì)象的并能在實(shí)際中得到應(yīng)用的控制策略后，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究其動(dòng)態(tài)特性與魯棒

2、性。 關(guān)鍵詞：過(guò)熱器，分段控制，串級(jí)控制，過(guò)熱汽溫，控制策略 STEAM TEMPERATURE CASCADE CONTROL SUB-SYSTEM PERFORMONCE ANALYSIS AND SIMULATIONAbstractWith Chinas power industry developing rapidly, more and more large-capacity high-parameter units have put into production. From the development trend, above 300 MW unit will become

3、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 the development of large-capaci

4、ty 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 nonlinear and time variability. It is v

5、ery 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 and propose a control strategy that fits the largedelay control ststem and can

6、be applied in practice.Then ,we must conduct the simulation and dynamic performance analysis.Keywords: superheater，segment control，cascade control，superheated steam temperature，control strategy目 錄摘要1Abstract2第一章 緒論11.1 課題內(nèi)容和背景11.1.1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程11.1.2 過(guò)熱器的分段控制策略11.1.3過(guò)熱汽溫控制的意義及控制難點(diǎn)11.1.4 串級(jí)控制策略21

7、.2 本文的研究?jī)?nèi)容3第二章 主汽溫?zé)崃ο到y(tǒng)及控制策略分析52.1 汽包爐與直流爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別52.2 過(guò)熱器的工藝流程62.3 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性62.4 過(guò)熱汽溫的分段控制策略82.5 主汽溫控制的任務(wù)分配92.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的概述92.7 串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)11第三章 主汽溫控制方法133.1 概述133.2 PID控制法143.3 智能控制143.4 Smith預(yù)估器16第四章 分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)174.1 過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖174.2 過(guò)熱汽溫控制連鎖邏輯18第五章 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)205.1 常規(guī)PID控制205.1.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)工程

8、整定法205.1.2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型205.1.3 主汽溫控制系統(tǒng)simulink仿真及性能分析215.2 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制235.3 自適應(yīng)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制24第六章 總結(jié)27參考文獻(xiàn)28致謝29第一章 緒論1.1 課題內(nèi)容和背景 1.1.1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)是由汽包，水冷壁，減溫器和過(guò)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(jiàn)1.1.2。汽包爐主汽溫調(diào)節(jié)可以分為A、B兩側(cè)，蒸汽經(jīng)過(guò)A、B兩側(cè)過(guò)熱器后進(jìn)入聯(lián)合混熱箱，最后通過(guò)蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)。通過(guò)A、B兩側(cè)一級(jí)減溫器噴水注入過(guò)熱器來(lái)調(diào)節(jié)A、B兩側(cè)一級(jí)過(guò)熱

9、器的出口蒸汽溫度，通過(guò)A、B兩側(cè)二級(jí)減溫器的噴水流量來(lái)控制主蒸汽溫度。 圖1-1 汽包爐主汽溫控制系統(tǒng)的工藝流程圖 1.1.2 過(guò)熱器的分段控制策略 過(guò)熱器一般會(huì)分為低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器。過(guò)熱器采用兩級(jí)噴水減溫，一級(jí)噴水減溫器通常布置在屏式過(guò)熱器之前，且分布在過(guò)熱器的中間位置。二級(jí)噴水減溫器通常布置在高溫過(guò)熱器之前，同樣安裝在過(guò)熱器的中間位置。一級(jí)減溫器的作用是使屏式過(guò)熱器出口溫度維持在設(shè)定值，以保護(hù)屏式過(guò)熱器管壁不超溫，同時(shí)配合高溫過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級(jí)噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，并保持末級(jí)過(guò)熱器不超溫。過(guò)熱器每級(jí)噴水減溫系統(tǒng)均有兩只減溫器，每只減溫器均分A

10、、B兩側(cè)。對(duì)于A、B兩側(cè)來(lái)說(shuō)，由于其出口均有獨(dú)立的溫度測(cè)點(diǎn)，且溫度的設(shè)定值可以相互獨(dú)立，所以其控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為兩套獨(dú)立的汽溫控制策略。1.1.3過(guò)熱汽溫控制的意義及控制難點(diǎn) 過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)熱汽溫控制對(duì)于機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行有

11、著相當(dāng)重要的作用，主要有以下幾個(gè)方面：1） 過(guò)熱汽溫過(guò)高會(huì)使蒸汽管道金屬和鍋爐受熱面的蝕變加快，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(guò)熱汽溫過(guò)高還會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的汽缸、汽門(mén)、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。2） 汽溫過(guò)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。3） 主汽溫變化過(guò)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

12、差變化，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，危及機(jī)組安全運(yùn)行?？傊?，過(guò)熱汽溫是火電機(jī)組的主要參數(shù)。由于過(guò)熱器是在高溫、高壓環(huán)境下工作，過(guò)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。1.1.4 串級(jí)控制策略 過(guò)熱汽溫控制對(duì)象具有大遲延大慣性的特質(zhì)，簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)不能滿足控制要求。目前大型機(jī)組多數(shù)采用串級(jí)控制系統(tǒng)，串級(jí)控制系統(tǒng)原理框圖如圖1-2所示。圖1-2 串級(jí)控制系統(tǒng)原理框圖 從圖中可以看出，串級(jí)系統(tǒng)和簡(jiǎn)單系統(tǒng)有一個(gè)顯著的區(qū)別，即其在結(jié)

13、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)或副回路，在控制過(guò)程中起著“粗調(diào)”的作用，一個(gè)環(huán)在外面，成為主環(huán)或者主回路，用來(lái)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(jí)控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，主要原因有以下三個(gè)原因：1）對(duì)二次干擾有很強(qiáng)的克服能力；2）改善了對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，提高了系統(tǒng)的工作頻率；3）對(duì)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(jí)控制系統(tǒng)的良好控制性能，所以在過(guò)熱汽溫控制中得到了廣泛的應(yīng)用。在基本擾動(dòng)下，主汽溫反映有著較大的遲延，而減溫器出口溫度有著明顯的導(dǎo)前作用，因此可以構(gòu)成以減溫器出口溫度為副參數(shù)，過(guò)熱器出口溫度為主參數(shù)的串級(jí)控制系統(tǒng)，具體如圖1-3所示

14、。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路時(shí)（如減溫水溫度發(fā)生擾動(dòng)），由于有副回路的存在，并且導(dǎo)前區(qū)的慣性小，副調(diào)節(jié)器能夠快速反應(yīng)，消除擾動(dòng)，從而使主汽溫不必發(fā)生較大變化。當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生在副回路之外時(shí)，引起主汽溫偏離設(shè)定值，這時(shí)主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號(hào)，通過(guò)副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)減溫水流量，使主汽溫恢復(fù)設(shè)定值。 圖1-3 過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng) 1.2 本文的研究?jī)?nèi)容1)了解主汽溫控制現(xiàn)狀，主汽溫控制系統(tǒng)的熱力系統(tǒng)及其控制對(duì)象的特性,對(duì)各種控制策略都要有大概的了解，并選定自己要做的控制策略。2)對(duì)分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程應(yīng)用做出分析。3)了解各種整定方法，建立主汽溫控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。4）在文獻(xiàn)中找到符合自己需要的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)汽溫控

15、制系統(tǒng)，并進(jìn)行參數(shù)整定。5) 對(duì)汽溫控制系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，熟悉參數(shù)調(diào)節(jié)的方法，研究控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)性能并進(jìn)行魯棒性測(cè)試。第二章 主汽溫?zé)崃ο到y(tǒng)及控制策略分析2.1 汽包爐與直流爐汽溫控制系統(tǒng)的區(qū)別汽包爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器，汽包，下降管，水冷壁，過(guò)熱器和再熱器組成。在汽水系統(tǒng)中,鍋爐的給水由給水泵打出,先經(jīng)過(guò)高壓加熱器,再經(jīng)過(guò)省煤器吸收一部分煙氣中的余熱后進(jìn)入汽包.汽包中的水在水冷壁中進(jìn)行自然或強(qiáng)制循環(huán),不斷地吸收爐膛輻射熱量,由此產(chǎn)生的飽和蒸汽由汽包頂部流出,再經(jīng)過(guò)多級(jí)過(guò)熱器進(jìn)一步加熱成過(guò)熱蒸汽。這個(gè)具有一定壓力和溫度的過(guò)熱蒸汽就是鍋爐的產(chǎn)品.高壓汽輪機(jī)接受從鍋爐供給的過(guò)熱蒸汽，

16、其轉(zhuǎn)子被蒸汽推動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而生成電能。從高壓汽輪機(jī)排出的蒸汽，其溫度、壓力都降低了，為了提高熱效率，需要把這部分蒸汽送回鍋爐，在再熱器中再次加熱，然后再進(jìn)入中、低壓汽輪機(jī)做功，最后成為乏汽從低壓汽輪機(jī)尾部排入冷凝器凝為凝結(jié)水。凝結(jié)水與補(bǔ)充水一起經(jīng)凝結(jié)水泵先打到低壓加熱器，然后進(jìn)入除氧器，除氧后進(jìn)入給水泵，至此完成了汽水系統(tǒng)的一次循環(huán)。 直流爐的汽水系統(tǒng)主要由省煤器、汽水分離器、分離器儲(chǔ)水罐和儲(chǔ)水罐控制閥、水冷壁、過(guò)熱器和再熱器組成。 直流爐與傳統(tǒng)汽包爐在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別主要在于直流爐沒(méi)有汽包，只有汽水分離器，所以直流爐的蓄水能力不強(qiáng)，但是對(duì)于擾動(dòng)和負(fù)荷的響應(yīng)較快。直流鍋爐因?yàn)闆](méi)有汽包，給

17、水一次性通過(guò)省煤器、水冷壁、過(guò)熱器。直流鍋爐不受工作壓力的限制，可以適用于300MW以上的亞臨界和超臨界機(jī)組。 直流鍋爐的加熱面和蒸發(fā)受熱面之間和蒸發(fā)受熱面和過(guò)熱受熱面之間無(wú)固定的分界點(diǎn)，在工質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，各受熱面的長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。直流爐的主要過(guò)程是：首先從給水泵過(guò)來(lái)的鍋爐除鹽水，經(jīng)過(guò)省煤器加熱后再經(jīng)過(guò)水冷壁的受熱面加熱后變成汽水混合物，經(jīng)汽水分離器后到過(guò)熱面。 在直流鍋爐中，蒸汽流量等于給水量和減溫水量的疊加，如果采用和汽包爐同樣的噴水降溫的手段，則當(dāng)噴水增加時(shí)，給水就會(huì)減少，繼而擴(kuò)大了燃水比的失調(diào)程度。所以對(duì)于直流鍋爐，必須保持燃水比作為維護(hù)主汽溫的粗調(diào)手段，用噴水減溫作為細(xì)調(diào)手段。超臨界

18、直流鍋爐的主汽溫控制相對(duì)于汽包鍋爐增加了許多困難，主要體現(xiàn)在：汽溫控制的要求增大；被控量過(guò)熱器溫度對(duì)于給水流量改變的相應(yīng)遲延時(shí)間（T=200-400s）比汽包鍋爐的同樣遲延（T=30-200）長(zhǎng)的多。因此，通常采用響應(yīng)較快的微過(guò)熱汽溫作為判斷燃水比是否失調(diào)的的檢查信號(hào)。2.2 過(guò)熱器的工藝流程 從圖2-1可以看出，過(guò)熱器分為低溫過(guò)熱器、屏式過(guò)熱器、末級(jí)過(guò)熱器，有兩級(jí)減溫系統(tǒng)。一級(jí)噴水減溫器的作用是使屏式過(guò)熱器出口溫度維持在設(shè)定值，以保護(hù)屏式過(guò)熱器管壁不超溫，同時(shí)配合高溫過(guò)熱器溫度控制系統(tǒng)的工作。二級(jí)噴水減溫器是使主汽溫維持在規(guī)定的范圍內(nèi)，并保持末級(jí)過(guò)熱器不超溫。每級(jí)過(guò)熱器的A、B兩側(cè)都有各自的

19、溫度測(cè)點(diǎn)，且溫度設(shè)定值可以單獨(dú)設(shè)定，所以其控制策略可以設(shè)計(jì)為兩套獨(dú)立的控制策略。圖2-1 過(guò)熱器噴水減溫控制工藝流程圖2.3 汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性影響過(guò)熱器出口溫度的因素有很多，如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐給水溫度變化、進(jìn)入過(guò)熱器的蒸汽溫度變化、流經(jīng)過(guò)熱器的煙氣溫度和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等。但歸納起來(lái)，主要有以下三種擾動(dòng)：（1）蒸汽流量（負(fù)荷）擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性 汽機(jī)負(fù)荷變化會(huì)引起蒸汽量的變化。蒸汽量的變化將改變過(guò)熱蒸汽和煙氣之間的傳熱條件，導(dǎo)致汽溫變化。蒸汽流量擾動(dòng)下過(guò)熱蒸汽溫度的響應(yīng)曲線如圖2-2所示?？梢钥吹綔囟软憫?yīng)具有自平衡特性，而且慣性小和遲延都比較小。這是因?yàn)?/p>

20、蒸汽量變化時(shí)，沿過(guò)熱器管道長(zhǎng)度方向的各點(diǎn)溫度幾乎同時(shí)變化。其傳遞函數(shù)可表示為：圖2-2 蒸汽流量擾動(dòng)下的汽溫響應(yīng)曲線 （2） 煙氣側(cè)傳熱量擾動(dòng)下的汽溫動(dòng)態(tài)特性燃料量增減，燃料種類的變化，送風(fēng)量、吸風(fēng)量的改變都將引起煙氣流速與煙氣溫度的變化，從而改變了傳熱情況，導(dǎo)致過(guò)熱器出口溫度的變化。由于煙氣傳熱量的改變是沿著整個(gè)過(guò)熱器長(zhǎng)度方向上同時(shí)發(fā)生的，因此它是一個(gè)具有自平衡能力、滯后和慣性都不大大對(duì)象，煙氣側(cè)擾動(dòng)的汽溫響應(yīng)曲線如圖2-3所示。其傳遞函數(shù)可表示為一個(gè)二階系統(tǒng)：式中， 為煙氣溫度。 圖2-3 煙氣側(cè)傳熱量擾動(dòng)下汽溫響應(yīng)曲線 （3） 噴水量擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性 過(guò)熱器是具有分布參數(shù)的對(duì)象，可以把管

21、內(nèi)的蒸汽和金屬管壁看作是無(wú)窮個(gè)單容對(duì)象串聯(lián)組成的多容對(duì)象。當(dāng)噴水量發(fā)生變化時(shí)，需要通過(guò)這些串聯(lián)單容對(duì)象，最終引起出口蒸汽溫度的變化。因此，蒸汽溫度的響應(yīng)有很大的遲延。減溫器離過(guò)熱器出口越遠(yuǎn)，延遲越大。噴水?dāng)_動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖2-4所示。在減溫水流量擾動(dòng)下，導(dǎo)前汽溫的傳遞函數(shù)可表示為式中,K1為減溫水?dāng)_動(dòng)下導(dǎo)前汽溫的放大系數(shù)；T1為減溫水流量擾動(dòng)下導(dǎo)前汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù),n1為階數(shù)。 在減溫水流量擾動(dòng)下，過(guò)熱汽溫的傳遞函數(shù)可表示為式中,K0為減溫水?dāng)_動(dòng)下過(guò)熱汽溫的放大系數(shù)；T0為減溫水流量擾動(dòng)下過(guò)熱汽溫對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；n0為階數(shù)。 對(duì)象惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可表示為 圖2-4 噴水量擾動(dòng)下的汽溫響

22、應(yīng)曲線2.4 過(guò)熱汽溫的分段控制策略 從汽溫動(dòng)態(tài)特性的情況看，煙氣量、煙氣溫度和噴水量都可以用來(lái)控制過(guò)熱汽溫，但是考慮到在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的難易度，目前大多數(shù)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)都采用噴水量作為汽溫調(diào)節(jié)手段。由于噴水量擾動(dòng)下的大遲延特性，目前的汽溫控制系統(tǒng)都采用分段控制策略，設(shè)有兩級(jí)噴水，這樣能夠有效的調(diào)高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從控制策略上看，分段控制策略可以分為定值控制策略和溫差控制策略。在實(shí)際應(yīng)用中，定值控制策略由于其操作簡(jiǎn)單得到廣泛的應(yīng)用。本文主要討論定值控制策略。在定值控制策略中，一級(jí)噴水與二級(jí)噴水減溫的控制邏輯相互獨(dú)立，互不干擾。定值控制策略的控制目標(biāo)明確，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分明，參數(shù)整定容易，投運(yùn)

23、簡(jiǎn)單。當(dāng)過(guò)熱器各段都是以對(duì)流換熱為主時(shí) ，定值控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)基本上能夠達(dá)到要求的品質(zhì)。由于定值汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，各個(gè)子系統(tǒng)分別維持各自的設(shè)定值，所以當(dāng)汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象特性不同時(shí)，這種控制系統(tǒng)將不能滿足控制要求。例如在許多鍋爐的屏式過(guò)熱器處在輻射換熱區(qū)，汽溫調(diào)節(jié)對(duì)性呈現(xiàn)輻射特性，而高溫過(guò)熱器是布置在對(duì)流換熱區(qū)，呈現(xiàn)對(duì)流特性。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷升高時(shí)輻射式過(guò)熱器中單位質(zhì)量蒸汽的輻射吸熱量減少，出口汽溫下降，而對(duì)流過(guò)熱器中單位質(zhì)量蒸汽的吸熱量增加，其出口汽溫增加。由于定值控制策略的各個(gè)子系統(tǒng)的控制邏輯相互獨(dú)立，所以其一級(jí)減溫器噴水量減少，調(diào)節(jié)閥關(guān)小，而二級(jí)減溫器噴水量增大，調(diào)節(jié)閥開(kāi)大。此種控制策略兩級(jí)噴水器噴

24、水量不協(xié)調(diào)。為了克服這種缺陷，可以將其改進(jìn)，從二級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器輸出引出前饋回路到一級(jí)減溫系統(tǒng)。2.5 主汽溫控制的任務(wù)分配主汽溫1的控制是通過(guò)控制一級(jí)減溫器的噴水量和二級(jí)減溫器的噴水量來(lái)實(shí)現(xiàn)的，主汽溫與設(shè)定值（與負(fù)荷成單值函數(shù)關(guān)系）的偏差經(jīng)調(diào)節(jié)器運(yùn)算產(chǎn)生基本噴水量需求信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)與前饋信號(hào)迭加形總噴水量需求信號(hào)。前饋信號(hào)包括代表鍋爐送風(fēng)量的信號(hào)和主汽壓偏差信號(hào)（主汽壓與設(shè)定值之差），它們都提前反映負(fù)荷變化?？倗娝啃枨蠓謩e乘以兩個(gè)不同的系數(shù)K1和K2（K1 K2）得到一級(jí)噴水需求信號(hào)A和二級(jí)噴水需求信號(hào)B。正常情況下，一級(jí)噴水量需求信號(hào)A經(jīng)修正形成一級(jí)噴水調(diào)節(jié)器設(shè)定值a，從而控制一級(jí)噴

25、水閥。二級(jí)噴水量需求信號(hào)經(jīng)修正形成二級(jí)噴水調(diào)節(jié)器設(shè)定值b，從而控制二級(jí)噴水閥。因?yàn)镵1 K2，所以當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，一級(jí)噴水量是大于二級(jí)噴水量的，即二級(jí)噴水的出力較小，這樣能夠使二級(jí)噴水留有余力的防止主汽溫超溫。當(dāng)系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)時(shí)，系統(tǒng)將一級(jí)噴水需求通過(guò)慣性環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)調(diào)整一級(jí)噴水量的設(shè)定值，逐步改變一級(jí)噴水量；系統(tǒng)將一級(jí)噴水需求與一級(jí)噴水量設(shè)定值的偏差加到二級(jí)噴水量需求上，使二級(jí)噴水閥完成一級(jí)噴水閥沒(méi)有完成的部分。這樣保證了主汽溫1能夠快速的維持在設(shè)定值。實(shí)際上，二級(jí)噴水量值是由總噴水量進(jìn)行比例微分形成，加強(qiáng)二級(jí)噴水的動(dòng)態(tài)控制作用，改善控制效果。2.6 串級(jí)控制系統(tǒng)的概述串級(jí)控制在熱工自動(dòng)控

26、制系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，其調(diào)節(jié)品質(zhì)好，特別適用于時(shí)間常數(shù)較大，階次較高和有較大延遲的調(diào)節(jié)對(duì)象。串級(jí)控制系統(tǒng)除了主被調(diào)量外，還有一個(gè)輔助被調(diào)量，輔助被調(diào)量對(duì)調(diào)節(jié)作用的響應(yīng)要比較迅速。比較典型的有鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)，當(dāng)減溫水量改變后，過(guò)熱汽溫的變化較慢，減溫器出口汽溫的變化較快，這時(shí)就可以把減溫器出口汽溫作為過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的輔助被調(diào)量，形成一個(gè)調(diào)節(jié)回路，構(gòu)成串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖如下圖2-7所示。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(guò)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(lái)

27、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2.7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(shuō)串級(jí)控制系統(tǒng)主要是用來(lái)克服進(jìn)入副回路的二次擾動(dòng)的。從圖2-5可以看出，進(jìn)入副回路的擾動(dòng)u1在

28、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(méi)有副回路，擾動(dòng)u1的影響就需要由主被調(diào)量的變化通過(guò)主調(diào)節(jié)器來(lái)克服。如果具有副回路，擾動(dòng)u1的影響就可以很快的由輔助被調(diào)量的變化通過(guò)輔助調(diào)節(jié)器來(lái)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

29、工作頻率。圖2-5 串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖(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(guò)程中，往往會(huì)包含一些非線性因素的存在。因此，在一定負(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(guò)大，超出這個(gè)范圍，控制品質(zhì)就會(huì)下降。在單回路控制系統(tǒng)中如不采取其他措施是很難解決的。但在串級(jí)控制系統(tǒng)中，負(fù)荷變化引起副回路內(nèi)各環(huán)節(jié)參數(shù)的變化，可以減少影響或不影響系統(tǒng)的控制品質(zhì)。一方面，等效副對(duì)象的增益在副對(duì)象增益或者調(diào)節(jié)閥的特性隨負(fù)荷變化時(shí)受到的影響不大，因而在不改變調(diào)節(jié)器整定參數(shù)的情況下，系統(tǒng)的副回路能自動(dòng)的克服非線性因素

30、的影響，保持或接近原有的控制質(zhì)量；另一方面，由于副回路是一個(gè)流量隨動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)操作條件或負(fù)荷變化時(shí)，主調(diào)節(jié)器將改變其輸出值，副回路能快速跟蹤及時(shí)而精確的控制流量，從而保證系統(tǒng)的控制品質(zhì)。從上述的兩個(gè)方面看，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于負(fù)荷變化有一定的自適應(yīng)能力。 在設(shè)計(jì)串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，必須遵循下列兩條原則:一個(gè)原則是副回路應(yīng)使副回路的時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，反應(yīng)靈敏。通常串級(jí)系統(tǒng)是用來(lái)克服對(duì)象的容積遲延和純遲延。也就是說(shuō)，選擇這樣的參數(shù)使得副回路時(shí)間常數(shù)小，調(diào)節(jié)通道短，使得等效對(duì)象的時(shí)間常數(shù)減小，提高了工作頻率，加速了反應(yīng)速度，縮短控制時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的控制品質(zhì)；另一個(gè)原則就是要把主要擾動(dòng)納入副回路中，

31、這是因?yàn)楦被芈穼?duì)于二次擾動(dòng)有較強(qiáng)的克服能力。但是也不能走極端，試圖把所用的擾動(dòng)都包含在副回路中，這樣將使主調(diào)節(jié)器失去作用，也就不能成為串級(jí)控制系統(tǒng)了。 對(duì)于主汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)，生產(chǎn)過(guò)程的要求是被調(diào)量等于給定值，而對(duì)輔助被調(diào)量則沒(méi)有嚴(yán)格的要求。針對(duì)這種情況，副調(diào)節(jié)器應(yīng)該選用P作用或者PD作用，使內(nèi)回路盡快地消除擾動(dòng)，以減少擾動(dòng)對(duì)被調(diào)量的影響(實(shí)現(xiàn)粗調(diào));而主調(diào)節(jié)器一般選用PI或者PID作用，使穩(wěn)態(tài)被調(diào)量等于給定值。2.7 串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)的兩個(gè)閉環(huán)控制回路的組成是：由被調(diào)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)、汽溫變送器、副調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器和減溫水調(diào)節(jié)閥組成內(nèi)回路；由被調(diào)對(duì)象的惰性區(qū)、汽溫變送器、主調(diào)節(jié)器和

32、內(nèi)回路組成外回路。圖2-6為過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。汽溫調(diào)節(jié)對(duì)象由減溫器和過(guò)熱器組成，減溫水流量為對(duì)象調(diào)節(jié)通道的輸入信號(hào)，過(guò)熱器出口汽溫為輸出信號(hào)。為了改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，系統(tǒng)中也采用減溫器出口汽溫作為輔助調(diào)節(jié)信號(hào)。對(duì)于串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無(wú)論擾動(dòng)發(fā)生在副調(diào)節(jié)器回路還是發(fā)生在主調(diào)節(jié)回路，其調(diào)節(jié)品質(zhì)都是優(yōu)于單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)的。(1)擾動(dòng)發(fā)生在副回路內(nèi),例如當(dāng)減溫水流量WJ發(fā)生自發(fā)性波動(dòng)(可能是減溫水壓力或蒸汽壓力改變)而引起減溫水流量擾動(dòng)變化時(shí)，對(duì)于單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于沒(méi)有副調(diào)節(jié)回路去迅速消除WJ的波動(dòng)，所以必然要影響到主汽溫的穩(wěn)定;對(duì)于串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于有副回路的存在，而且導(dǎo)前區(qū)的慣性又很小

33、，副調(diào)節(jié)器將能及時(shí)動(dòng)作，快速消除掉減溫水流量的自發(fā)性波動(dòng)，從而使過(guò)熱汽溫基本不變。(2)擾動(dòng)發(fā)生在副回路以外，引起過(guò)熱汽溫偏離給定值時(shí)，串級(jí)系統(tǒng)首先由主調(diào)節(jié)器改變其輸出信號(hào)，通過(guò)副調(diào)節(jié)回路去改變減溫水流量，使過(guò)熱汽溫恢復(fù)到給定值。這時(shí)，主調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)對(duì)象的慣性遲延比采取單回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)的調(diào)節(jié)對(duì)象的要小。因此在這種情況下，串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)解質(zhì)量還是高于單回路系統(tǒng)的?？梢?jiàn)，在串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，副回路的任務(wù)是盡快消除減溫水流量的自發(fā)性擾動(dòng)和其他進(jìn)入副回路的各種擾動(dòng)，對(duì)過(guò)熱汽溫的穩(wěn)定起粗調(diào)作用。汽溫系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器一般采用比例調(diào)節(jié)器，主調(diào)節(jié)器的任務(wù)是保持過(guò)熱汽溫等于給定值，可采用比例積分或者比例積

34、分微分調(diào)節(jié)器。第三章 主汽溫控制方法3.1 概述 直流鍋爐主汽溫控制對(duì)象是大遲延大滯后的對(duì)象，具有大純滯后工藝過(guò)程的自動(dòng)控制，是過(guò)程控制中最棘手的控制問(wèn)題之一。長(zhǎng)期以來(lái)，人們研究和提出了許多克服大遲延大滯后對(duì)象的控制方法，最簡(jiǎn)單的就是利用PID調(diào)節(jié)器。PID調(diào)節(jié)器具有調(diào)節(jié)方便、適應(yīng)力強(qiáng)的特點(diǎn)，在要求不太嚴(yán)格的情況下，足以滿足生產(chǎn)過(guò)程的要求。當(dāng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行特別整定時(shí)還不能取得良好的效果時(shí)，還可以在常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進(jìn)行少許的改動(dòng)，例如，中間反饋方案，微分先行方案。微分先行和中間反饋控制方案能在無(wú)需多加任何特殊設(shè)備的條件下有效的改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但總的來(lái)說(shuō)，上述方案都存在這較大的超調(diào)量，并且響應(yīng)速度

35、都挺慢的，如果要求更高的控制精度，則需要其它的控制策略。 控制理論經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，研究出了許多新型的控制策略。但就主汽溫控制上的工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用最多的還是史密斯預(yù)估器。例如采用常規(guī)串級(jí)控制系統(tǒng)和Smith串級(jí)控制系統(tǒng)構(gòu)成的雙結(jié)構(gòu)控制方式來(lái)克服系統(tǒng)的滯后。但是對(duì)于這么簡(jiǎn)單的控制器，仍然有很多沒(méi)有解決的問(wèn)題。預(yù)估補(bǔ)償方案在理論上能夠消除純滯后對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)影響，但它最大的缺點(diǎn)就是對(duì)數(shù)學(xué)模型的依賴。預(yù)估補(bǔ)償方案要求工程數(shù)學(xué)模型有一定的精確度，但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和辨識(shí)技術(shù)的推廣，使得預(yù)估控制方案在工程上得以實(shí)現(xiàn)。 傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制理論都要求有精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行時(shí)

36、域或頻域的分析，然后設(shè)計(jì)出針對(duì)該控制對(duì)象的控制器。一旦對(duì)象的參數(shù)或者特性發(fā)生變化，原有的控制策略就不能夠取得較好的控制效果。因此，對(duì)于傳統(tǒng)經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法，找到精確的數(shù)學(xué)模型是至關(guān)重要的。 電廠控制的復(fù)雜控制目標(biāo)和任務(wù)以及控制對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的不確定性、非線性等特性，使得傳統(tǒng)的基于對(duì)象精確數(shù)學(xué)模型的控制方法的應(yīng)用受到限制。就在常規(guī)控制理論面臨復(fù)雜生產(chǎn)過(guò)程的挑戰(zhàn)的時(shí)候，人們?cè)诠こ虒?shí)踐中發(fā)現(xiàn)這些復(fù)雜過(guò)程卻可由操作熟練的操作人眼通過(guò)在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)、經(jīng)驗(yàn)積累而達(dá)到有效的控制，這使得人們漸漸認(rèn)識(shí)到了在傳統(tǒng)控制中加入邏輯推理和啟發(fā)式知識(shí)的重要性。于此同時(shí)，人工智能由于計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展而成為一門(mén)學(xué)科

37、。這些發(fā)展和思想促使了智能控制理論的誕生。智能控制作為新興的邊緣交叉學(xué)科，目前對(duì)智能控制系統(tǒng)尚沒(méi)有統(tǒng)一的定義，然而對(duì)它的基本特征卻可以加以描述，IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì)描述為：“智能控制系統(tǒng)必須有適應(yīng)能力以應(yīng)付變化的環(huán)境和條件，但如果要能適應(yīng)較大的不可預(yù)測(cè)的變化，系統(tǒng)必須具有學(xué)習(xí)能力；系統(tǒng)必須具有在不確定環(huán)境中的自主能力，以最終實(shí)現(xiàn)自行設(shè)定并達(dá)到控制目標(biāo)；為有效處理復(fù)雜性，系統(tǒng)應(yīng)具有分級(jí)分層的功能結(jié)構(gòu)?！边@顯然對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更高的要求，也為控制理論的發(fā)展指明了方向。在電廠控制研究領(lǐng)域，目前關(guān)于智能控制的實(shí)際應(yīng)用雖然較少。但在各種國(guó)際會(huì)議和雜志中發(fā)表文獻(xiàn)的日益增多表贏了電廠控制系統(tǒng)研究的發(fā)展趨勢(shì)

38、。3.2 PID控制法PID 調(diào)節(jié)器從問(wèn)世至今已歷經(jīng)了半個(gè)多世紀(jì)，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)控制的主要方法之一。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(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID 控制技術(shù)最為方便。但是隨著控制理論的發(fā)展和過(guò)熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)PID 控制器的仍存在明顯問(wèn)題：響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大、過(guò)渡時(shí)間長(zhǎng)。造成這些問(wèn)題的主要原因是，常規(guī)PID 控制器的參數(shù)是固定不變的，對(duì)參數(shù)的整定只能大致按照整個(gè)控制過(guò)程的要求進(jìn)行，而系統(tǒng)在控制過(guò)程的各個(gè)階段對(duì)參數(shù)卻有著不同的

39、要求。因此，如果及時(shí)調(diào)整控制器的參數(shù)，使之自動(dòng)適應(yīng)對(duì)象的變化，系統(tǒng)將始終處于最佳控制狀態(tài)。（1）自整定PID 法自整定PID 是具有自動(dòng)整定功能的控制器，能通過(guò)一按鍵就由控制器自身來(lái)完成控制參數(shù)的整定，不需要人工干預(yù)，它既可用于簡(jiǎn)單系統(tǒng)投運(yùn)，也可用于復(fù)雜系統(tǒng)預(yù)整定。自動(dòng)整定法與人工整定法相比，無(wú)論是在時(shí)間節(jié)省方面還是在整定精度上都得到了較大的提高。（2）自校正PID 法自校正PID 控制為解決控制器參數(shù)的在線實(shí)時(shí)校正提供了很有吸引力的技術(shù)方案。其基本觀點(diǎn)是力爭(zhēng)在系統(tǒng)全部運(yùn)行期間保持優(yōu)良的控制性能，使控制器能夠根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的變化，適時(shí)地改變其自身的參數(shù)整定值，以求達(dá)到預(yù)期的正常閉環(huán)運(yùn)行，并有效地

40、提高系統(tǒng)的魯棒性。3.3 智能控制（1）自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制方法是由Hubermen，Sinha 等提出的，它通過(guò)目標(biāo)響應(yīng)與實(shí)際響應(yīng)之間的差值來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)某些參數(shù)，使系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)穩(wěn)定到目標(biāo)響應(yīng)。這是一種參數(shù)反饋控制，適用于連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)。自適應(yīng)控制方法的關(guān)鍵是構(gòu)造自適應(yīng)控制器，自適應(yīng)控制方法適合控制多參數(shù)、多維、強(qiáng)非線性系統(tǒng)，可以保持較短的轉(zhuǎn)換時(shí)間，并且精度高。但是模型誤差、噪聲及由系統(tǒng)模型控制三者組成的整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性，給自適應(yīng)控制法帶來(lái)一定限制，具體應(yīng)用時(shí)要加以考慮。通常，自適應(yīng)控制算法需要大量估計(jì)參數(shù)，與一般常規(guī)控制器相比，自適應(yīng)控制器變得特別復(fù)雜。（2）模糊控制模糊控制理論是由美國(guó)

41、學(xué)者加利福尼亞大學(xué)著名教授L. A. Zadeh 于1965 年首先提出，它是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，由模糊推理進(jìn)行判決的一種高級(jí)控制策略，是智能控制領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其理論發(fā)展之迅速，應(yīng)用領(lǐng)域之廣泛，控制效益之顯著，實(shí)為世人關(guān)注。將模糊控制與常規(guī)的PID 控制相結(jié)合，用模糊控制器實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)的在線自動(dòng)最佳整定，就構(gòu)成了模糊式PID 自整定控制器。（3）遺傳控制遺傳算法是模擬達(dá)爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型。它作為一種新的全局優(yōu)化隨機(jī)搜索算法，在個(gè)體基因表示的基礎(chǔ)上，通過(guò)遺傳算子模擬遺傳過(guò)程中所出現(xiàn)的復(fù)制、交叉和變異等現(xiàn)象，對(duì)種群個(gè)體逐代擇優(yōu)，從而最終獲得較優(yōu)個(gè)體。由于其魯棒

42、性強(qiáng)，適合于并行處理以及具有不受問(wèn)題性質(zhì)（如連續(xù)性、可微性）的限制等特點(diǎn)，因而奠定了它作為21 世紀(jì)關(guān)鍵智能計(jì)算方法之一的地位。（4）混沌控制20 世紀(jì)90 年代初期，Otte E、Grebogi C 和Yorker JA 首次提出混沌控制方法?；煦缈刂剖侵富煦绲目刂婆c誘導(dǎo)?；煦绲目刂婆c誘導(dǎo)是非線性動(dòng)力系統(tǒng)與非線性控制的新理論和新方法?；煦缈刂频闹饕蝿?wù)是：根據(jù)不同領(lǐng)域的實(shí)際需要，設(shè)法從多種多樣的非線性系統(tǒng)所產(chǎn)生的混沌行為中，挑選出任意所需的各種周期信號(hào)，甚至于非周期信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定的有效控制。（5）灰色控制灰色系統(tǒng)是指信息部分明確、部分不明確的抽象系統(tǒng)?；疑到y(tǒng)方法是對(duì)灰色系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)分析

43、、預(yù)測(cè)、決策、規(guī)劃、控制的有效方法?；疑刂葡到y(tǒng)理論是將一切隨機(jī)變量看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量，將隨機(jī)過(guò)程看作是在一定范圍內(nèi)變化的、與時(shí)間有關(guān)的灰色過(guò)程。其原因之一是因?yàn)榻⒌幕疑到y(tǒng)模型為連續(xù)的微分模型，利用這一模型，可對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展、變化進(jìn)行全面的分析觀察，并做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，而其它的傳統(tǒng)建模方法，只有建立離散的遞推模型，不便對(duì)系統(tǒng)做全面的分析，更不能做長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，而灰色模型恰可以彌補(bǔ)這一不足。（6）預(yù)測(cè)控制預(yù)測(cè)控制采用滾動(dòng)優(yōu)化，不是采用一個(gè)不變的全局優(yōu)化目標(biāo)，而是采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化策略，這表明優(yōu)化過(guò)程不是一次離線進(jìn)行而是反復(fù)在線進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，從而提高控制效果。預(yù)測(cè)控制由于其對(duì)模型的寬容

44、性、有限性、時(shí)域的有效性以及在設(shè)計(jì)中考慮各種軟、硬約束的可能性，使得它在實(shí)際應(yīng)用和理論中都取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，已成為過(guò)程控制的典范。3.4 Smith預(yù)估器Smith預(yù)估器是應(yīng)用廣泛的對(duì)付電廠主汽溫大滯后的控制方法。該方法的基本思路是:預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性,然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)滯,使被調(diào)量能夠超前的反應(yīng)在控制器,使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作,從而抵消掉時(shí)滯特性所造成的影響:減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和加速調(diào)節(jié)過(guò)程,提高系統(tǒng)的快速性。Smith預(yù)估器的原理如圖3-1所示。圖3-1 Smith預(yù)估器原理圖圖中即為Smith預(yù)估器。從理論上講,Smith預(yù)估器可以完全消除主汽溫的時(shí)滯,從而

45、成為一種對(duì)線性、時(shí)不變和單輸入單輸出時(shí)滯系統(tǒng)的理想控制方案。但是在實(shí)際應(yīng)用中，卻有著其局限性,主要原因在于Smith預(yù)估器需要確定被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)的模型，并且只能應(yīng)用于定常系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中這個(gè)條件是很難實(shí)現(xiàn)的，所以影響了Smith預(yù)估器在實(shí)際應(yīng)用中的控制性能。第四章 分段串級(jí)控制系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)4.1 過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖為了更好的理解過(guò)熱汽溫控制的實(shí)際應(yīng)用情況，本章對(duì)某電廠過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)SAMA圖進(jìn)行分析，圖4-1為某電廠二級(jí)減溫控制SAMA圖。圖4-1 二級(jí)減溫控制系統(tǒng)SAMA圖從圖4-1中可以看出，此系統(tǒng)為串級(jí)控制，主調(diào)節(jié)器在接受被調(diào)量信號(hào)與給定值的偏差信號(hào)并經(jīng)過(guò)PI運(yùn)算后送到

46、副調(diào)節(jié)器的入口作為副信號(hào)的給定值，然后經(jīng)副調(diào)節(jié)器區(qū)控制噴水控制閥。給定值的形式：給定值信號(hào)與一級(jí)壓力之間的關(guān)系由函數(shù)發(fā)生器f1(x)決定，但此給定值可以由運(yùn)行人員在操作臺(tái)上手動(dòng)校正，并通過(guò)高低限后做為最終給定值，而且校正值及最終給定值都可以在CRT上顯示出來(lái)。除此之外，還可以對(duì)被調(diào)量，要求閥位和實(shí)際閥位進(jìn)行顯示。手動(dòng)工況：當(dāng)手動(dòng)邏輯成立時(shí)，此系統(tǒng)將自動(dòng)切到手動(dòng)運(yùn)行方式，此時(shí)，運(yùn)行人員可通過(guò)手操使噴水閥的開(kāi)度變化，以適應(yīng)屏式過(guò)熱器出口溫度的要求。手動(dòng)時(shí)的跟蹤：當(dāng)此系統(tǒng)處于手動(dòng)控制時(shí)，為了防止下一次投自動(dòng)時(shí)產(chǎn)生擾動(dòng)，主，副調(diào)節(jié)器的輸出必須都處于跟蹤位置。副調(diào)節(jié)器的跟蹤是為了保證切換無(wú)擾。主調(diào)節(jié)器的

47、跟蹤是為了防止副調(diào)節(jié)器在手動(dòng)期間產(chǎn)生積分正向或負(fù)向飽和。鑒于此，副調(diào)節(jié)器應(yīng)跟蹤手動(dòng)輸出信號(hào)。PID閉鎖：閉鎖是指當(dāng)某項(xiàng)電氣條件達(dá)到閉鎖限定值時(shí),PID程序?qū)⑾嚓P(guān)的輸出閉鎖，禁止其輸出，PID程序繼續(xù)執(zhí)行，一旦閉鎖電氣條件恢復(fù)正常值時(shí)，PID程序就自動(dòng)解除其相關(guān)的輸出閉鎖，允許其輸出。下面將串級(jí)控制系統(tǒng)流程做詳細(xì)介紹：信號(hào)部分，系統(tǒng)的被調(diào)量為屏式過(guò)熱器的蒸汽溫度1，該信號(hào)經(jīng)處理后輸入到比較器。被調(diào)量的給定值是汽機(jī)速度級(jí)壓力的函數(shù)，可由運(yùn)行人員在操作員站OIS的軟手操控制器M/A上對(duì)其進(jìn)行正負(fù)偏置，形成給定值10。提供偏置的目的是便于運(yùn)行人員根據(jù)運(yùn)行需求，對(duì)汽溫值進(jìn)行適當(dāng)修改。函數(shù)器的設(shè)置使機(jī)組在

48、較低的負(fù)荷下就可投入汽溫自動(dòng)。串級(jí)控制部分，主調(diào)節(jié)器PID-P的輸入偏差信號(hào)e1為給定值10與實(shí)測(cè)值1的偏差。二級(jí)減溫器出口溫度1j與主調(diào)節(jié)器輸出的差作為副調(diào)節(jié)器PID-S的輸入偏差信號(hào)e2。當(dāng)某種擾動(dòng)引起三級(jí)減溫器入口蒸汽溫度1上升時(shí)，主調(diào)節(jié)器輸入偏差減小，PID-P的輸出下降，引起副調(diào)節(jié)器的輸入偏差增大，PID-S的輸出增加，使減溫水增加，二級(jí)減溫器出口汽溫1j立即下降，經(jīng)延時(shí)被調(diào)量1下降。1j下降使副調(diào)節(jié)器的輸入偏差e2減小。這樣，在主汽溫的遲延期間內(nèi)，當(dāng)主調(diào)節(jié)器輸出還在減小時(shí)，1j也在同時(shí)減小，抑制了副調(diào)節(jié)器輸出的進(jìn)一步增加，從而防止了減溫水過(guò)調(diào)。4.2 過(guò)熱汽溫控制連鎖邏輯（1）當(dāng)三

49、級(jí)減溫器入口溫度測(cè)量值與設(shè)定值偏差過(guò)大，噴水調(diào)節(jié)閥閥位偏差過(guò)大，二級(jí)噴水減溫后溫度測(cè)量主副信號(hào)均故障時(shí)，二級(jí)減溫噴水閥M/A站從自動(dòng)切至手動(dòng)（MRE）。（2）當(dāng)二級(jí)噴水減溫后溫度測(cè)量主信號(hào)故障，副信號(hào)正常時(shí)，自動(dòng)切換成副信號(hào)。（3）二級(jí)噴水減溫自動(dòng)調(diào)節(jié)情況下，副回路輸出值達(dá)到上限或下限，主環(huán)PID自動(dòng)閉鎖。第五章 分段串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)5.1 常規(guī)PID控制5.1.1 PID調(diào)節(jié)器參數(shù)工程整定法在串級(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(wú)差，所以可以選擇P調(diào)節(jié)器，也可以

50、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(lái)說(shuō)，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)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(kāi)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

51、，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，重新整定主調(diào)節(jié)器，得到Gc12。 （5）如果調(diào)節(jié)過(guò)程仍然沒(méi)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(wú)需繼續(xù)進(jìn)行。5.1.2 被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型 主汽溫控制系統(tǒng)導(dǎo)前區(qū)的數(shù)學(xué)模型為：惰性區(qū)的數(shù)學(xué)模型為： 5.1.3 主汽溫控制系統(tǒng)simulink仿真及性能分析主汽溫控制系統(tǒng)在simul

52、ink環(huán)境下構(gòu)建的組態(tài)圖如圖5-1所示 圖5-1 主汽溫控制系統(tǒng)組態(tài)圖根據(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PI調(diào)節(jié)。參數(shù)整定步驟如下：(1) 首先斷開(kāi)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，最終得到，衰減比約為6:1，如圖5-2:圖5-2 內(nèi)回路整定響應(yīng)曲線(2) 整定主回路，把剛整定好的副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié)，仍按照單回路整定方法，按經(jīng)驗(yàn)試湊法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整，參數(shù)為，時(shí)能夠得到滿意的曲線，如圖5-3所示。圖5-3 主汽溫在設(shè)定值擾動(dòng)下的響應(yīng)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(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差，動(dòng)態(tài)

53、性能參數(shù)為：上升時(shí)間tr=87s、峰值時(shí)間tp=140s、調(diào)節(jié)時(shí)間ts=470s、超調(diào)量=45%。從動(dòng)態(tài)性能參數(shù)可以看出串級(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)于主汽溫控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于主要采用噴水來(lái)控制汽溫，所以噴水量擾動(dòng)是該系統(tǒng)的基本擾動(dòng)。具體仿真步驟為:將設(shè)定值處的階躍信號(hào)去除，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5-4所示： 圖5-4主汽溫在減溫水?dāng)_動(dòng)下的響應(yīng)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0.98，調(diào)節(jié)時(shí)間為275s。

54、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)主汽溫的影響，使主汽溫度不發(fā)生大范圍波動(dòng)。5.2 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制在原控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入史密斯預(yù)估器，可以有效減弱純遲延環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響。由于惰性區(qū)存在大遲延，所以考慮僅對(duì)惰性區(qū)進(jìn)行史密斯預(yù)估補(bǔ)償，控制系統(tǒng)組態(tài)如圖5-5圖5-5 史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)組態(tài)圖依次分別加入設(shè)定值擾動(dòng)，減溫水?dāng)_動(dòng)，得到過(guò)熱器出口溫度的飛升曲線如圖5-6，圖5-7圖5-6 主汽溫在設(shè)定值擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線圖5-7 主汽溫在減溫水?dāng)_動(dòng)下的響應(yīng)曲線分析曲線可知，Smith預(yù)估器對(duì)大遲延系統(tǒng)有較好的控制，使延遲的被調(diào)量超前反映，消除純遲延對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影

55、響，加入預(yù)估器后以上擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性均有明顯改善，超調(diào)量減小，調(diào)節(jié)時(shí)間明顯縮短。5.3 自適應(yīng)史密斯預(yù)估補(bǔ)償控制雖然史密斯預(yù)估控制可以很好的解決大遲延對(duì)控制效果的影響，當(dāng)被控對(duì)象特性變化時(shí), 即被控對(duì)象的時(shí)滯, 過(guò)渡時(shí)間及增益變化時(shí), 常規(guī)的史密斯預(yù)估控制器由于被控對(duì)象不能被完全補(bǔ)償, 會(huì)使史密斯預(yù)估控制器的控制特性變壞。尤其是對(duì)象的增益改變時(shí), 調(diào)節(jié)時(shí)間變長(zhǎng), 上升時(shí)間變長(zhǎng), 所以可以看出常規(guī)的史密斯預(yù)估器的魯棒性較差。為了解決上述矛盾, 利用在線辨識(shí)得到的對(duì)象參數(shù), 實(shí)時(shí)修改預(yù)估器的參數(shù)。本控制系統(tǒng)采用史密斯預(yù)估補(bǔ)償史服對(duì)的純滯后, 該控制系統(tǒng)的方框圖如圖5-8所示。當(dāng)圖5-8 自適應(yīng)史密斯預(yù)