单元机组协调控制系统

第一章
1.1
单元制机组出现半个多世纪以来，锅炉－汽轮机系统在运行中的和谐与统一问题一直是理论研究者和工程技术人员关注的焦点，单元机组协调控制系统正是伴随着这样的关注应运而生并迅速发展的。作为锅炉－汽轮机系统的控制中枢，协调控制系统已经成为现代电站自动化系统中最为核心的组成单元。随着国民经济的发展，高参数、大容量机组在电网中所占的比例愈来愈大，由于用电结构发生变化，电网日负荷曲线的高峰与低谷之差增大，有些地区的峰谷差已达50%以上，而且还有继续增大的趋势因此，目前要求单元机组都具有参与电网调峰、调频的能力。火力发电单元机组的协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统。此系统较难取得良好控制品质的主要原因包括机炉控制回路间的耦合以及大范围变化负荷时机炉协调控制对象所表现出来的非线性特性等。对机炉wk.baidu.com制回路间的耦合问题，目前大多数协调控制算法采用单向静态解耦来解决，且其参数整定大多采用经验试凑法，而当前很多新型解耦控制算法则缺乏实用性。对大范围变化负荷时协调控制对象所表现出来的非线性特性，传统的协调控制算法未能很好地解决。虽然也有很多智能控制算法如模糊控制、鲁棒控制等都在尝试解决大范围变化负荷时单元机组协调控制对象所表现出来的非线性特性，但是一般模糊控制器的稳定性和动态品质的分析缺乏理论依据；而鲁棒控制则是以牺牲控制系统的动态品质来换取系统的大范围稳定性。此外，还有研究人员试图以非线性控制器设计方法来解决协调控制系统的非线性问题，但非线性控制器设计方法需要准确知道系统的数学模型，才能够做到将系统的非线性环节有效补偿或者抵消，而这对协调控制系统来说是非常困难的。
负荷/压力增量预测控制、柔性控制、基于PID的解耦控制、基于PID的鲁棒、基于PID的内模控制等等。
这些在控制方法在工程实现方面存在一些问题，实际控制效果往往很难超越传统的工程方法，与仿真结果存在较大差距。
造成这种现象的原因是多方而的，如高阶控制器及复杂控制算法的工程实现问题、过多的可调参数及参数物理意义不明晰的问题、现场干扰及执行机构制约问题等等，也有单元机组协调控制系统是一个相对复杂的多变量控制系统得原因，
(7)锅炉侧存在着很大的纯迟延。
(4)机组动态特性是时变的。
因此根据某一工作点下的线性化模型设计的协调控制系统，未必能保证系统在其它工作点下的动态响应品质。因此，必须考虑模型的自动适应性以及控制算法的鲁棒性能问题。
(5)系统存在着不确定干扰。
燃煤的煤质变化，给煤量的扰动
(6)能量平衡指标、热经济指标难以直接、准确、实时地得到。如果能量平衡指标的准确性、适应性和实时性能够得到充分的保证，那么能量平衡方法就是设计协调控制系统的一种较好的方法。一些热经济指标也是很重要的，例如煤质/发热量校正系数，如果能保证指标的有效性，将会大大提高协调控制系统抗煤质扰动的能力。
(1)保证机组负荷跟随负荷指令变化，提供尽可能快的负荷升降速率。这里的负荷升降速率一般指由协调控制系统指令处理回路给出的，机组能够接受的负荷指令变化速率。主要技术指标包括：负荷变化速率 (MW/min)；负荷响应延迟时间 (s)；负荷跟踪误差 (MW)；动态超调 ；并且负荷调节应该是静态无差的如图1.1所示。理想的协调控制系统应该使 足够大，同时使 , , 尽可能小
(5)兼顾其它控制回路及参数的性能。如过热汽温、再热汽温、排烟氧量、汽包水位及锅炉、汽轮机热应力等。
1.
侧重于理论方法研究的有：
模糊多模型控制[2]、模糊内模控制[3]、多变量预测控制[4]、多变量鲁棒控制[5]、自适应控制[6]、反馈线性化控制等等。这些方法大多利用对象做仿真。
侧重于工程实用研究的有：
(4)提供灵活的运行方式。在不同工况下，机组有不同运行目标。在机组各种设备运行状态良好情况下，希望能够提供尽可能高的负荷升降速率；在低负荷时，稳定燃烧成为主要目标；在锅炉、汽轮机或各种辅机发生故障时，希望机组降负荷运行而不停机。一般的协调控制系统应该能够提供协调、机跟炉、炉跟机、炉基本、机基本方式。不同方式之间能无扰切换。
针对以上分析，本文采用模糊自适应控制设计方法和逆系统控制设计方法对协调控制系统进行解耦设计。采用模糊神经网络对协调控制系统的非线性问题转化为伪线性问题进行设计，一方面简化了控制器设计过程，另一方面也有利于工程实际应用。本文的主要研究内容是先进的智能控制技术在工程实际中的应用。
1.
单元机组协调控制系统(CCS-Coordinated Control System)，就是把锅炉及汽轮机作为一个整体进行综合控制。单元机组控制的任务是使机组负荷紧密跟踪外界负荷需求（调度负荷指令或操作员负荷指令），并保持汽机前汽压的稳定。由于锅炉对象与汽轮机对象控制特性差别很大，采用简单的锅炉跟随方式或汽机跟随方式均不能很好地解决提高机组的负荷适应能力和保持汽压稳定二者之间的矛盾。单元机组协调控制系统充分利用锅炉蓄热能力及汽机调节的快速性，既保证了机组能够比较快速地适应负荷的变化，又不致使主汽压力波动较大。由于这种控制方式具有机炉兼顾、互相协调的特点，在大型单元机组中得到普遍应用。
图1.1负荷响应过程动态指标
Fig.1.1the load response dynamic target
(2)保证机前压力跟随压力定值变化，尽量减小压力动态偏差并限制压力的变化速率。
(3)控制器结构简单，参数便于整定和维护。工程上整定控制器参数一般依靠扰动实验，控制器参数应该能够经过几次实验调试获得优化，调试参数过多或调试方法过于复杂将使任何优秀的设计失去应用价值。机组长期运行被控对象特性发生改变时，也能够通过简单的调试保证系统性能指标。
复杂性主要体现在以下几个方面[7]：
(1)多变量强耦合。
(2)多目标相互关联。
(3)机组动态从本质上说是非线性的。
机组动态的非线性特征主要有两种形式,存在于汽机侧的调节阀门本质非线性，以及存在于锅炉对象中的系统非线性。当前协调控制系统的分析与设计的通常做法是将其在某一工作点线性化，而忽略其高频非线性，而这种高频非线性常常会被控制器激发而使调节过程振荡。