现代控制理论大作业概要

现代控制理论

(主汽温对象模型)

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目录

一. 背景及模型建立

1.火电厂主汽温研究背景及意义

2.主汽温对象的特性

3.主汽温对象的数学模型

二.分析

1.状态空间表达

2.化为约当标准型状态空间表达式并进行分析

3.系统状态空间表达式的求解

4.系统的能控性和能观性

5.系统的输入输出传递函数

6.分析系统的开环稳定性

7.闭环系统的极点配置

8.全维状态观测器的设计

9.带状态观测器的状态反馈控制系统的状态变量图

10.带状态观测器的闭环状态反馈控制系统的分析

三.结束语

1.主要内容

2.问题及分析

3.评价

一.背景及模型建立

1.火电厂主汽温研究背景及意义

火电厂锅炉主汽温控制决定着机组生产的经济性和安全性。由于锅炉的蒸汽容量非常大、过热汽管道很长，主汽温调节对象往往具有大惯性和大延迟，导致锅炉主汽温控制存在很多方面的问题，影响机组的整个工作效率。主汽温系统是表征锅炉特性的重要指标之一，主汽温的稳定对于机组的安全运行至关重要。其重要性主要表现在以下几个方面：

(1) 汽温过高会加速锅炉受热面以及蒸汽管道金属的蠕变，缩短其使用寿命。例如，12CrMoV 钢在585℃环境下可保证其应用强度的时间约为10万小时，而在 595℃时，其保证应用强度的时间可能仅仅是 3 万小时。而且一旦受热面严重超温，管道材料的强度将会急剧下降，最终可能会导致爆管。再者，汽温过高也会严重影响汽轮机的汽缸、汽门、前几级喷嘴和叶片、高压缸前轴承等部件的机械强度，从而导致设备损坏或者使用年限缩短。

(2) 汽温过低，会使得机组循环热效率降低，增大煤耗。根据理论估计可知：过热汽温每降低10℃，会使得煤耗平均增加0.2%。同时，汽温降低还会造成汽轮机尾部的蒸汽湿度增大，其后果是，不仅汽轮机内部热效率降低，而且会加速汽轮机末几级叶片的侵蚀。此外，汽温过低会增大汽轮机所受的轴向推力，不利于汽轮机的安全运行。

(3) 汽温变化过大会使得管材及有关部件产生疲劳，此外还将引起汽轮机汽缸的转子与汽缸的胀差变化，甚至产生剧烈振动，危及机组安全运行。

据以上所述，工艺上对汽温控制系统的质量要求非常严格，一般控制误差范围在±5℃。主汽温太高会缩短管道的使用寿命，太低又会降低机组效率。所以必须实现汽温系统的良好控制。而汽温被控对象往往具有大惯性、大延时、非线性，时变一系列的特性，造成对象的复杂性，增加了控制的难度。现代控制系统中有很多关于主汽温的控制方案，本文我们着重研究带状态观测器的状态反馈控制对主汽温的控制[1]

。

2.主汽温对象的特性

2.1主汽温对象的静态特性

主汽温被控对象的静态特性是指汽温随锅炉负荷变化的静态关系。过热器的传热形式、结构和布置将直接影响过热器的静态特性。现代大容量锅炉多采用对流过热器、辐射过热器和屏式过热器。对流过热器布置在450℃～1000℃烟气温度的烟道中，受烟气的横向和纵向冲刷，烟气以对流方式将热量传给管道。而辐射过热器则是直接吸收火焰和高温烟气的辐射能。屏式过热器布置在炉膛内上部

或出口处，属于辐射或半辐射过热器。对于辐射过热器，当锅炉负荷增加时，必须增加燃料量和风量。随着炉膛温度的提高，辐射传热量也将增加。但炉膛温度提高得并不多，而蒸汽量与燃料量是成正比的，这样就造成辐射传热量的增加赶不上蒸发量的增加。再者来说，当负荷增加时，强化燃烧后炉膛出口烟气温度将升高，这表明每公斤燃料产生的烟气带出炉膛的热量增多，这也说明了炉膛辐射吸热量的相对减少。所以，辐射受热面的汽温是随着锅炉负荷的增加而降低的。对于对流式受热面，当锅炉负荷增加和燃料消耗量增大时，流过对流受热面的烟气流速也增加，从而使对流的放热系数增大。另外，因为炉膛出口烟温升高，即进入对流受热面的吸热量增加值，超过了流过对流受热面的蒸汽流量的增加值。所以，对流受热面的汽温是随锅炉负荷的增加而升高的。

2.2 主汽温对象的动态特性[3]

2.2.1蒸汽流量扰动下主汽温的动态特性

在蒸汽流量D产生阶跃扰动时，主汽温 变化的响应曲线如图2-2-1所示：

图2-2-1 蒸汽流量扰动下主汽温响应曲线

蒸汽流量D扰动下，主汽温调节对象动态特性的特点是: 有延迟、有惯性、有自衡能力。

当锅炉负荷增加时，通过对流式过热器的烟气温度和流速都增加，因此对流式过热器出口汽温升高；但对于辐射式过热器，炉膛内烟温升高增加的辐射传热量小于蒸汽流量增加所需的吸热量，因此辐射式过热器出口汽温下降。

2.2.2烟气热量扰动下汽温的动态特性

在烟气热量

Q产生阶跃扰动下，汽温θ变化的响应曲线如图2-2-2所示：

y

图2-2-2 烟气热量扰动下汽温响应曲线

烟气热量

Q扰动下，汽温调节对象动态特性的特点是:有迟延、有惯性、有y

自平能力。

由于烟气热量变化时，沿过热器长度使烟气和过热蒸汽之间的传热量同时变化，因此，汽温θ反应较快，其时间常数Tc和迟延时间τ均较小。

2.2.3减温水量扰动下汽温的动态特性

W扰动下，汽温调节对象动态特性的特点是: 有迟延、有惯性、减温水量

B

W变化时汽温有自衡能力。由于现代大型锅炉过热器管路很长，因此减温水量

B

θ反应较慢，其时间常数Tc和迟延时间τ均较大。

W产生阶跃扰动下，汽温θ变化的响应曲线如图2-2-3所示：在减温水量

B

图2-2-3 减温水量扰动下汽温响应曲线

3.主汽温对象的数学模型

3.1主汽温对象模型的建立

分析和设计自动控制系统的一个首要任务是建立系统的数学模型，因为不论要了解的是简单系统的特性还是复杂系统的特性，都必须掌握系统中各变量之间的相互动态关系。尽管，电厂汽温控制系统的动态特性复杂，具有多变量、非线性和分布复杂的特点，难以建立精确的数学模型，但是运用多种知识，建立能相对反映汽温控制系统动态性能的数学模型，还是对研究相应的自动控制方法大有