单元机组协调控制系统设计
摘 要
在单元制机组的不断发展，协调控制系统作为单元制机组的控制核心，已然成为电厂自动化系统中最为关键的组成单元。随着机组类型的不同，各个机组的参数也越来越高，容量也在逐渐增进，机组的动态特征和控制难度也随机组型号的不同而改动，因此不同机组的协调控制系统也是不同的。所以在设计协调控制系统时，应该综合考虑所研究机组的动态特征和生产流程，针对不同类型机组的进行相应的方略。在火电厂现场中，单元机组协调控制系统是一个具有强耦合、大时滞、大迟延、非线性等特征的一个多变量系统。所以，这些复杂的动态特征，使得创建单元机组的非线性动态模型成为一个难点，而且使协调控制及其参数整定变得复杂起来，往往使调节品质下降，不能得到令人中意的控制品质。 本文首先阐述了单元机组协调控制系统的结构和功能，并对机组的动态特征和负荷指令管理系统进行了描述。然后以一个300MW 机组为研究对象，由分析得出该机组的模型结构，再对辨识出的协调系统的对象进行静态解耦控制，用工程正定法对解耦控制器参数进行整定，并用Matlab 软件做了系统仿真。仿真结果表明，解耦后的协调控制系统可以达到令人满意的控制品质和效果。 关键词：协调控制；解耦控制；Matlab 仿真；PID 整定；300MW 机组
Design of Coordinated Control System
for Unit
Abstract
In the continuous development of unit system, coordinated control system as a unit system control core, has become the power plant automation system, the most critical component. With the different types of units, the parameters of each unit are getting higher and higher, the capacity is gradually increasing, the dynamic characteristics of the unit and the difficulty of control are also different types of change, so different units of the coordinated control system is different. Therefore, in the design of coordinated control system, should consider the selected units of the dynamic characteristics and process, for different types of units for the corresponding design. In the field of thermal power plant, the unit control system is a multivariable system with strong coupling, time variability, large delay and non-linearity. Therefore, these complex dynamic characteristics make the nonlinear dynamic model of the unit unit become a difficult point, and make the coordination control and its parameter setting become complicated, and the adjustment quality is often reduced, and the satisfactory control effect can not be obtained.
In this paper, the structure and function of the unit control system are described, and the dynamic characteristics and load command management system of the unit are described. Then, a 300MW unit is taken as the object of study, and the model structure of the unit is obtained. The decoupling control of the identified coordinate system is carried out. The parameters of the decoupling controller are set by engineering positive definite method. Software to do the system simulation. The simulation results show that the coordinated control system can achieve satisfactory control quality and effect.
Keywords :Coordination control system； Decoupling control；Matlab simulation；PID tuning ;300MW unit
目录
摘 要........................................................................................................................ 1
Abstract .......................................................................................................................... 2
第1章 绪 论 ............................................................................................................... 4
1.1 研究背景 ........................................................................................................ 4
1.1.1 单元机组的现状和发展 ............................................................................. 4
1.1.2 协调控制系统及其任务 ............................................................................. 5
1.1.3协调控制系统的优化 .................................................................................. 5
1.2 课题的内容 .................................................................................................... 6
1.3 本章小结 ........................................................................................................ 7
第二章 协调控制系统分析和研究.............................................................................. 8
2.1 单元机组协调控制系统 ................................................................................ 8
2.1.1 协调控制系统的组成................................................................................ 8
2.1.2负荷指令处理回路（LDC ）及其主要功能 ................................................ 9
2.1.3机炉主控制器 .............................................................................................. 9
2.2单元机组的控制方式 ..................................................................................... 9
2.2.1锅炉追踪方式 .............................................................................................. 9
2.2.2汽机追踪方式 ............................................................................................ 10
2.2.3机炉协调方式 ............................................................................................ 11
2.3单元制机组负荷控制的特点 ....................................................................... 12
2.4协调控制系统的动态特性 ........................................................................... 13
2.4 本章小结...................................................................................................... 15
第三章 单元机组协调控制系统数学模型的创建及解耦........................................ 16
3.1 数学模型的建立 .......................................................................................... 16
3.2 多变量控制系统解耦 .................................................................................. 16
3.2.1 前馈设计补偿器 ....................................................................................... 17
3.2.2 反馈设计补偿器 ....................................................................................... 18
3.2.3 对角矩阵解耦法 ....................................................................................... 18
3.2.4 单位矩阵解耦法 ....................................................................................... 19
3.3 协调系统仿真 .............................................................................................. 20
3.3.1被控对象的动态特征仿真试验 ................................................................ 20
3.3.2 控制器参数优化仿真 ............................................................................... 25
3.4 本章小结 ...................................................................................................... 27
第四章 结论................................................................................................................ 28
第1章 绪 论
1.1 研究背景
1.1.1 单元机组的现状和发展
从上个世纪90年代起，我国电力行业的研究深入度过了一个漫长的阶段。由于国家的经济和整体实力的迅猛成长和壮大，电力产业也跟着壮大了起来。火力发电厂是我国乃至在世界上都算核心的能源工业之一，在我国电力工业中更是盘踞了主要地位。我国近期将以200MW 和300MW 的机组为骨干机组，并逐步发展为600MW 的机组。大型火电机组在世界上进步的势头十分快，因为它的生产量多、投资的花费少、自动控制的程度也高。
大型火力发电机组是经典的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大又复杂的设备群。由于其设备浩繁，管道纵横交错，生产流程复杂，甚至有上千万参数需要辨识、操纵和控制。所以，维持一个机组能够合理运转，还要要求它的经济效益必须高并且产能品质高，那么，将计算机和电厂的运行绑在一起发展，目前，大型机组对于自动控制这一块儿特别看重。一方面，是发电机组愈来愈多，还因为需求量的突飞猛进，导致机组的容量愈来愈大。另一方面，由于汽轮机和锅炉这两个被控对象的物理属性以及生产流程和动态特征区别很大。
大型单元机组是一个锅炉和一个汽轮机的相对独立的单元，因为也带来它自己的特殊性；首先，锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的均衡，否则就破坏了正常的运转[20]。因此，想要处理既能维持主汽压的在一定范围内的波动值很小，又能提高机组跟踪外界的变化的能力，这两个问题中相互存在的矛盾，所以，常见的机跟炉或者炉跟机跟随方式是走不通的。所以，在设计自动控制使，应把机炉作为一个全部统筹考虑，这就是所谓“协调控制”。而且大型单元机组在运转时需要辨识和调节的参数很多，所以要使这个机组正常运转，对自动化程度的要求相当高。
简而言之，协调系统作为发电厂在最复杂和最中心的控制系统，就像大脑作为人体的最关键的部位一样，它的主要目标是单位效率的自动控制，有必要确保障单位输出功率快速满足外部负载要求，就像大脑提供指令让手足协调，还要尽快提供单位能量，以单位输出负荷适应，保持出口主蒸压的稳定，犹如身体整个的平衡。如果必须使协调系统达到更好的控制要求，就像人体维持一个循环的状态，肢体，器官，大脑都得发挥做用，所以锅炉、汽机、辅机的安全运转状况和控制系统的卓越性都是必须的，还要适应在各种各样的条件和环境下，都必须能够安全可靠的一个运行的协调系统。
1.1.2 协调控制系统及其任务
单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Syestem，CCS ）就是根据单元机组负荷控制的特点，为了处理负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的控制系统，也就是单元机组负荷控制系统。在单元机组运转方式中，它是把锅炉和汽轮机作为一个全部进行控制，既要共同快速满足外界发电负荷的要求，同时又要保证机组安全经济的运转（主要反映在主蒸汽压力上）。所以机组的输出功率P E 和主蒸汽压力p T 是单元机组负荷控制的两个主要参数。
分析被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、响应慢；而汽轮机响应快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机调节阀门开度的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应。因此为了升高机组的响应性能并且在保证安全运转的条件下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机调门的适当举动，允许压力有一定的波动，既释放或利用了蓄能，又加速了机组初期负荷的响应速度；与此同时，根据外部负荷指令请求，加强对锅炉侧燃烧率的控制，及时复原蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，就是协调控制的基本原则。
1.1.3协调控制系统的优化
由于机组容量的日益增大以及机组自身需要调节的参数的增多，就像协调系统的大迟延、大惯性、强耦合等特点就像惰性对于整个人体来说，会造成一个人做事情时特别懒散，所以这些将导致这些情况变本加厉的，因此，上述都给实现协调控制给予了空前绝后的难题。例如：文献[1]通过单向静态解耦来处理了直流炉给水系统的特殊性，机炉控制间调节速度的差异性和回路间的强耦合性，燃料回路间的滞后性等问题，最后加入时序保护功能装置来确保机组安全运转。文献[2]针对直流锅炉引入动态解耦控制，提出了一种三输入三输出的控制策略，实现了给水侧和燃料侧，锅炉侧和汽轮机侧的双向补偿解耦，有效地处理了当扰动发生时，燃水比系数很难保证等问题。目前的控制策略无法得到令人满意的控制效果，主要是以下三个原因：
1. 由于控制机组的复杂特征导致多变量之间有强烈耦合，从而无法得到精准的数学模型。而且在不同的工况下，被控对象的参数也会随之变动，而且现有的控制方法都没有考虑得到所有的情状，因此无法得到令人满意的控制品质。
2. 多变量之间的强耦合性。因为不同的输入和另一个不同的输入之间会有很强的干扰，所以这不仅让系统变得更加不明确而且更加复杂，而且也给控制系统的设计带来了难以想象的难题，对于调节PID 的参数来说，那当然也必须相当的难以把握，因此并不能获取到让我们心满意足的那样一个控制品质和要求都好的
系统。
3. 根据被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、变化慢，而汽机变化快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机调节汽门的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应，因此无法得到令人满意的动态特征。
对于上述三个问题来说，研究和分析不同机组的协调控制系统，有助于设计和优化与此系统对应的控制策略。文献[7]针对现存的预测控制方法在用于单元机组负荷控制时存在的问题，并根据其控制特点，提出了一种新的多变量预测控制算法，且具有良好的控制性能。文献[9]为了有效地控制多变量多时滞的稳定过程，设计了一种具有良好的鲁棒性能，但是对系统模型精确度要求不高的多变量解耦内模控制。文献[10]在文献[9]提出的内模控制的原理基础上，通过对一个简化的单元机组模型，推导出单元机组协调控制器，通过仿真验证了该控制器的解耦效果良好，控制品质良好，具有一定的通用性。
在国内外科学家和团队的不断研究下，坚持不懈的努力下和刻苦的钻研下，协调控制系统在实际生产应用中的效果越来越好，越来越明显，控制程度越来越高，应用范围也越来越广。为协调控制的更进一步的发展迈出了第一步，也打下了坚实的基础。
1.2 课题的内容
由于控制器参数的愈来愈高并且随着科技的发展和进步对机组的容量的要求也变得愈来愈高，大容量机组成为了必然要求，这就导致了会有各种不同类型的机组，并且所对应机组的控制方式也不尽相同。因此，为了增大机组实际的负荷量来满足实际需求，并且全自动化控制的水平要求也愈来愈高，那么作为至关重要的一个环节就是对协调控制系统的设计和优化了。针对上述这些问题，本文主要完成了以下几点部分：
1. 阐述了协调系统的发展背景和过程，分析了它的主要组成部分和每块儿部分对应的功能。提出了协调系统自身存在的问题，并研究了被控对象的动态特征。通过对被控对象的机理分析和数学建模，得到了该系统动态特征的传递函数。
2. 进一步通过学习分析了协调系统的主要组成部分和每块儿部分对应的功能，学习了为什么要建立一个“机炉协调”控制系统，是因为常用的两种方法无法克服主汽压和外界负荷变化的矛盾。通过学习大量文献，学习了单元机组的构成，以及对应的成产工艺流程和如何运用正确的方法来简化机组，获得正确的模型以及被控对象的传函。从而，通过已经学习过的知识，来确定所要研究对象的动态特性。
3. 分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控
制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过静态解耦的方法，按照分解后变成的两个单回路的独立系统，采用工程整定法，对系统中的机组负荷以及主蒸汽压力控制器参数的进行设计、优化和整定，学习用Matlab 进行程序编写和Simiulink 搭建仿真框图进行仿真实验，经过PID 参数整定，使系统达到良好的控制效果和控制品质。
1.3 本章小结
本章主要为绪论部分，主要讲述了协调系统的产生的原因。说明了其发展的轨迹以及在国内外目前的发展状况。另外说明了本文的选题背景及意义，并且对接下来要进行的工作和所需要掌握的知识，以及要学会的方法，系统的特性进行了简要说明。
第二章 协调控制系统分析和研究
2.1 单元机组协调控制系统
2.1.1 协调控制系统的组成
当机组正常运转时，锅炉、汽机既要一起去满足外界负荷的需求，又必须一同保障内部成千上万的运转参数在额定的工作范围之内。从上述这个方面来看，汽轮机和锅炉已经成为了一个不可分割的全部。但是从另一方面来看，锅炉和汽轮机的工作过程又有其各自不同的特点，他们的动态特征有很大的差别，为了保证其自身的安全性和经济性运转，每个部分都有其自身需要调节需要控制的运转参数，并且有相适应的调节机构，即有各自对应的自动控制系统。例如：锅炉机组的燃烧、给水、汽温等控制系统；汽轮机组的液位、调速、保护等控制系统。因此，锅炉和汽轮机机组又是两个相互独立的被控对象。因此，负荷控制系统等同于一个人体的大脑部位，来控制一切的指挥中心，而汽轮机、锅炉局部控制系统就像器官和四肢一样是被控部分。局部控制系统就像各个器官对于整体一样，是一个基础的部分，所以相对负荷系统来说是它们也算基础控制级。所以我们也把负荷系统称为主控系统（也称为大脑部位，作为发布指令等信息的核心）；称锅炉、汽轮机为子控系统（也就是所谓的各个既独立运转又相互联系的器官）。系统组成框图如图2.1示：
图2.1 负荷控制系统的组成
从图2.1
可以看出，单元机组负荷控制系统（又称为单元机组主控制系统）
由两大部分组成：负荷指令处理回路（Load Demand Computer ,LDC）和机、炉主控制器（Boiler And Turbine Master）。
2.1.2负荷指令处理回路（LDC ）及其主要功能
它有很多功能，其中比较重要的是对各种负荷请求指令进行挑选，并且可以根据主、辅机组当时运转的情状加以处理，最终，可以使它可以提高作为机、炉设备的负荷能力，而且可以安全运转，也能接受不同的实际负荷指令P 0。
主要功能包括以下六个方面：
⑴机组负荷指令的挑选
⑵最大/最小负荷限制
⑶负荷指令变化速率限制
⑷负荷返回（RB ）
⑸负荷增/减闭锁（BI/BD）
⑹负荷迫升/迫降（RU/RD）
2.1.3机炉主控制器
机炉主控制器的主要作用有两个方面：
⑴接受LDC 输出的机组负荷指令P 0、实发功率P E 、主蒸汽压力给定值p 0、主蒸汽压力测量值p T 等信号，按照功率偏差∆P =P 0-P E 和主蒸汽压力偏差∆p =p 0-p T 进行控制运算，分别产生锅炉主控指令（Boiler Demand）P B 和汽轮机主控指令P T ，作为指挥信号分别送往其对应的子系统；
⑵根据该机组当前的运转要求和运转条件，挑选与之相适应的负荷控制方式。
2.2单元机组的控制方式
2.2.1锅炉追踪方式
图2.2是锅炉追踪方式的原理图：
图2.2炉跟机控制方式
由图2.2可知，这种方法是主要以调节汽轮机的阀门开度μg ，然后致使机组的实际输出P E 十分快速的与机组负荷的给定值P r 要保持相同的值，这样才可以满足外界μg 的需求。在相同的时间时，因为阀门开度的变化，主蒸压也会因为这个变化而产生变化，为了维持机组整体汽压的稳定性，只需要让主汽压调节器来改动B 的数量，从而追随汽机的负荷变化。这种方式是先让汽机跟随外界的需要，得到一个需要变化的值，然后把信息指令输送给锅炉，再让锅炉跟随汽机的改变而改变，因此称为“炉跟机”控制方式。这种方法能够充分利用了锅炉的蓄热量，敦促机组迅速地随着外界负荷的变化而变化。但是主蒸汽压力p T 将会难以稳定并会大幅度的波动，因为锅炉其自身的大迟延等特性。
这种大幅度的波动是导致锅炉不能安全、经济和稳定运转的一个弊端。因此，为了避免这种危险的发生，此时需要一个限制值对机组效力的幅度和速度加以拘束。所以“炉跟机”跟随方式只适用于电网调频的机组。
2.2.2汽机追踪方式
图2.3是汽机追踪方式的原理图：
图2.3机跟炉跟随方式
由图2.3可知，我们用的追踪办法是围绕电网实际输出的需求，
然后开始调
节功率调节器从而直接改变投入到锅炉中的B 的多少。但是依据锅炉内部热量的增多或者变少，主汽压p T 将继续跟着发生变化，这个时候，主汽压调节器将连续不停地变动阀门开度用来保障机组出口主汽压的稳定；但是汽机的调阀的目的，都只是为了满足实际需求的输出功率的多少，从而改变自身出力的变化。因此，现在这种方法的基本过程是先让锅炉随着外部实际输出的需要，再让汽机按照锅炉的需求来调整自己的出力方式。所以，我们称这种控制方法为--“机跟炉”控制方法。
在这种控制方式中，主蒸汽压力是通过调节阀门开度来维持的，所以说主蒸汽压力是可以保持相当稳定的状态，这非常有利于锅炉安全、经济和稳定的运转。但是这种控制方式也是有缺陷的，锅炉的蓄热能没有移用，因此机组随着效力设定值的变动会反应的特别迟缓。
2.2.3机炉协调方式
图2.4为“机炉协调控制”方式的原理图：
图2.4机炉协调控制方式
这是一种能够同时调动锅炉和汽机，同时运转然后去跟随外界的实际输出的变化而变化的能力上提出的方法。这种既能够解决了“炉跟机”追踪方法中使用蓄热量太多以致于导致主汽压变化幅度相当大的难题，又可以处理了“机跟炉”追踪方法中直接不需要用蓄热量，从而难以迅速地随着负荷的变化而变化的矛盾。简而言之，这是一种能够取两者精华，弃两者糟粕，然后将锅炉个汽机同时调用，协同合作的控制方法。具体控制过程如下：
此时，外界需机组的出力增加时，必须要增大效力的给定值P r ，它与此时实际出力P E 的偏差信号，一方面经负荷调节系统，开大阀门开度，然后使汽机的输出负荷增加；相反的是，这种输出转换成信号作为前馈到锅炉效力调节系统中。然后，此时只要提高投入的燃料量B
，来让输出负荷变大。但是，锅炉的迟延比
较大，所以，锅炉的输出功率变化速率远远慢于汽机的。所以，主汽压变小，此时PT 和赋予的初始值p T r 之间会有一定的差值，现在既可以通过更进一步提高投
入的燃料量B ，来升高锅炉的输出，敦促主蒸汽压力PT 更快的回升；另一方面，又可以通过汽轮机效力调节系统，减小汽机阀门开度，限制主汽压下降的幅度，来保障此时机组出口主汽压在稳定的能够接受的范围内。
当锅炉自我出现不和谐的现象时，譬如：投入的燃料量自愿提高时，出口的主汽压PT 此时幅值上升，其中一个方法是经锅炉调节系统来降低投入燃料量B 的供应；另一方面又可以通过汽机效力调整系统，通过开大汽机阀门开度，来减小主蒸汽压力的波动。在这个步骤中，发电机功率的增加只是临时的，它最后还是会通过汽机的效力调整系统调回到稳定值。
由以上的分析可以看出，机炉协调方法的最核心的内容就是用方法然后有克制的运用合理的蓄热量，这样我们又能保障机组可以非常迅速地去跟随外界实际输出的变化，又可以保障了主蒸汽压力在调节过程中不至于出现较大的波动。因此，可以知道，这种方法已经得到了普遍的适用。
2.3单元制机组负荷控制的特点
单元制机组是由锅炉和汽轮发电机组联合起来共同适应电网的负荷要求的变化，同时还要保证机组安全、经济和稳定的运转[25]。
单元机组的方框图如图2.5所示：
图2.5被控对象方框图
其中，ut 表示主蒸汽调节阀门开度；M 表示燃烧率；PE 表示机组实际负荷；PT 表示主蒸汽压力；G N T (s ) 表示阀门开度ut 变动使机组负荷PE 变化的传递函数；G P T (s ) 表示阀门开度ut 变动使主蒸汽压力PT 变化的传递函数；G N B (s ) 表示燃烧率M 变动使机组负荷PE 变化的传递函数；G P B (s ) 表示燃烧率M 变动使主蒸汽压力PT 变化的传递函数；
由图2.5可以看出：
受控对象：燃料量B （送风量、给水量与之相适应）和阀门开度μT
输出对象：机组负荷PE 和主蒸汽压力PT
燃料量B 不仅影响主汽压PT ，而且还影响机组输出PE 。输入量μT 也是既影响输出量PE ，又影响输出量PT 。所以在分析整个过程时，不能独自分析汽机系统，或者独自的分析另外一个系统，必须将锅炉和汽机全部进行思考和分析。这样才能合理的解决两条通道之间存在的矛盾和干扰。
汽机响应外界变化快，而锅炉响应外界变化慢，两者就这方面而言的话，区别很大。这也是因为锅炉它自身的传热惯性这个系数相当大，所以燃料量B 变化时，再导致机组的输出变化这中间是有一个相当漫长的时间，也就是所谓的时间常数比较大；相反的是，汽轮机机组的参数就要小的多了，但是通过调节汽轮机阀门开度从而开始改变功率，此时发生变化就变得很快了。当单元机组的实际输出变化要求增长时，就必须使机组能够迅速去达到这个变化的要求，可以关小阀门开度来增大实际负荷，但是此时来维持机组稳定的这些蒸汽量，大部分来自锅炉自身就像火柴燃烧放出热一样，用自己的余热来弥补这些不足的蒸汽量。因此，这个时候出口的主汽压力将会降低，要想使压力回升，则需要相当长的一段时间，毕竟锅炉的大迟延等特点会去阻碍，所以造成主蒸汽压力的动摇会比较大。采用协调控制就是目前为了处理既要维持主汽压在一个范围内的稳定，又要保证机组的实际输出能够快速响应这个矛盾点，而提出的最有效的方法。
为了升高电网的自动化的程度，保障高质量高品质的电力供应，必须要求电网中心调度所发出的负荷分配指令（Automatic Dispatch System , ADS）和电网频差信号（即所谓的一次调频）直接对电厂发电机组进行连续的控制。甚至某些主要的辅机出现障犹如人体某些器官出现疾病一样这种突发的状况下，依旧要有维持机组的运转的能力。这就必须要求负荷控制自动化程度要远远超出一般水平，所以必须寻求一个新的、更加合理的、更加经济稳定的负荷控制系统---协调控制系统。
2.4协调控制系统的动态特性
主控制器系统的调节对象包括汽机调节系统、锅炉调节系统和单元机组调节系统，是一个被定义为广义的调节对象[27]。
输入量：汽机主控制指令MT 和锅炉主控制指令MB ；
输出量（即被调量）：机组实际输出功率PE 和主蒸汽压力PT
系统方框图如图2.6所示：
图2.6 协调控制系统方框图
由图2.6可以看出，机组的动态特征可以通过一定的方式方法转换成一个互相交叉互相干扰的双入双出对象。
调节量：阀门开度μT 和锅炉燃烧率（或煤水比）μB
被调量：主蒸压P T 和机组负荷P E
1. 燃烧率μB 扰动下PT 和PE 的特性
当锅炉产生每吨蒸汽所需要的煤量（或煤水比）μB 发生改变时，这时所需的燃料量B 也会相应地随着指令改变，此时，吸收的热量必然要跟着变大，由于锅炉的热惯性和大迟延，会使得主蒸汽压力在经过一定延迟之后才会逐渐升高，蒸汽流量也逐渐增加[27]。这种上升是临时的，因为阀门开度μ不变，从而会t
抑制主蒸汽压力的波动上升，最终会使机组达到一个新的平衡。
通过以上情况，我们通常可以使用高阶惯性环节来表示当产生每吨蒸汽所需要的煤量（或煤水比）μB 发生改变时，机组实际功率输出PE 和主蒸压PT 的动态特征。根据阶跃响应曲线可以得到与之对应的的传递函数：
E (s ) =1 (2-1) (s ) =G NB B (s ) (1+T 1s ) n 1
G PB =p T
B (s ) (s ) =(1+T 2s ) n 2(2-2)
2
2. 阀门开度μt 扰动下PT 和PE 的特性
当汽机调节阀阶跃扰动赋值变大时，单位时间内进入机组的气体会突然增长，这会使得机组主汽压迅速下降，但是由于燃料量B 没有发生变化，所以锅炉吸收的热量也不会有变化，因此主蒸汽压力会逐渐下降，释放出一部分锅炉蓄热来维持机组稳定，并导致蒸汽量缓慢回到稳定的过程，最终又会达到原来的平衡状态。
综上所述，我们通常可以用比例、一阶惯性来表示当阀门开度产生变化时，
PT 的动态特征；而用微分、一阶惯性来计算PE 的动态特征。根据阶跃响应曲线可以得到与之对应的的传递函数：
s （2-3） =*G 1+s 1+s (s ) T T
⎫p (s ) ⎛ （2-4） G (s ) =(s ) =- K +1+s ⎪⎪T ⎭⎝NT (s ) =E (s ) 13B 43T 6PT 5
T 6
通过上述两种分析可知，单元机组的动态特性如下：
①当汽机阀门开度开大开小时，主蒸汽压力PT 和机组负荷PE 的响应速度都很快；
②当锅炉产生每吨蒸汽所需要的煤量改变时时，主蒸汽压力PT 和实际负荷PE 的响应速度都很慢。
2.4 本章小结
本章主要阐述了单元机组的是由负荷指令处理回路（Load Demand Computer ,LDC）和机、炉主控制器（Boiler And Turbine Master）组成的。并详细说明了负荷指令的六种十分重要的功能，并且介绍了机、炉主控制器的主要功能。又有根据并建立在实际上说明了早期的那两种控制方式对发展的局限，并且本身就存在一些弊端。因此，提出了一种能够相互弥补矛盾，取长补短的新的控制系统--协调控制系统。简明扼要地阐述了负荷控制的特点，并且通过机理分析，给出了被控对象简化后的数学模型，并且通过传函和仿真分析了其动态特性，又给出了单元机组协调控制系统中被控对象的传递函数，为下一章通过实例进一步设计和研究协调控制系统打下了良好的坚实的基础。
第三章 单元机组协调控制系统数学模型的创建及解
耦
3.1 数学模型的建立
近几年，由于我国电力行业飞速发展，火电厂机组容量显著增长，被控机组参数不断升高，这些不仅导致了控制系统的复杂化，还给协调控制系统的设计带来了许多困难，譬如模型辨识、解耦设计和参数整定等。因此，想要利用控制理论知识来处理实际现场问题，就必须创建精确的数学模型。
本文将采用已经辨识出的模型，将控制系统简化为一个双输入双输出的控制对象。即：
输入量：燃料量B 、阀门开度μg
简化的被控对象为： 。 输出量：主汽压力P T 和机组负荷P E 。
⎡N (s ) ⎤⎡G Nu T (s ) ⎢P ⎥=⎢G ⎣(s ) ⎦⎣Pu T (s )
模型为：
G N B (s ) =G Nu B (s ) ⎤⎡u T (s ) ⎤⎢u ⎥ （3-1） G Pu B (s ) ⎥⎦⎣B (s ) ⎦经系统辨识得到某一300MW 汽包炉在100%负荷工作点上近似得到的数学2. 069(1+311s ) （3-2） (1+149s ) 2(1+22. 4s )
4. 665(1+99s ) （3-3） 22(1+50s +58s )(1+4. 1s )
1. 265(1+205s ) （3-4） (1+128s ) 2(1+11. 7s )
0. 96) （3-5） 1+70s G N T (s ) =G P B (s ) =G P T (s ) =-1. 42(0. 04+
3.2 多变量控制系统解耦
协调系统是一个多变量的系统。由于要求的被控参数比价多，所以，设置的需要调节的控制回路也会增多。因此，控制回路的增多，就是导致各回路之间相互耦合的一个因素。这会导致系统性能较差，难以控制。所以，在设计协调控制系统时，最具有价值并且至关重要的一环就是设计一个良好的解耦控制器。通过对复杂系统进行解耦，这能升高被控系统的控制品质，易于达到生产标准。在目标实现解耦后，可以使简化后的多入多出模型解除通道与通道连接在一起的耦合，让它们自主的控制，即每条回路都不会受到彼此的干扰。简化了全部系统的调节，
并且能够升高系统的控制品质。
3.2.1 前馈设计补偿器
前馈补偿解耦是一种结构比较简单，并且工作原理易懂的一种多变量解耦控制的常用方法，这种解耦十分易于实现，且解耦效果也比较好。以双输入、双输出过程说明前馈补偿解耦控制系统结构，如图3.1所示：
图3.1 前馈解耦系统结构
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 12(s ) 和G p 21(s ) 为补偿器。
由图3.1得到两个输出分别为（不考虑反馈闭环）：
Y 1(s ) =X 1(s ) G C 11(s ) G 11(s ) +X 2(s ) G C 22(s ) G p 12(s ) G 11(s ) +G 12(s )
（3-6） []
] Y 2(s ) =X 2(s ) G C 22(s ) G 22(s ) +X 1(s ) G C 11(s ) G p 21(s ) G 22(s ) +G 21(s )
（3-7） [
要实现系统解耦，即当X 2(s ) 的赋值改变时，Y 1(s ) 的输出值不会产生波动，不受当X 1(s ) 作的赋值改变时，从式子（3-8）和式子（3-7）Y 2(s ) 的输出不会产生变化，
得两个前馈补偿器分别为：
G p 12(s ) =-
G 12(s ) G 11(s )
G 21(s )
G 22(s ) （3-9） G p 21(s ) =- （3-10）
可见，利用式子（3-9）和式子（3-10）即可实现系统完全解耦。
3.2.2 反馈设计补偿器
反馈补偿解耦控制一种将解耦控制器加在反馈回路通道上，是针对多变量解耦控制的一种非常有效的方法。以双输入、双输出过程说明反馈补偿解耦控制系统结构，主要有两种结构布置形式，如图3.2所示：
图3.2 反馈解耦控制系统
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 12(s ) 和G p 21(s ) 为补偿器。
由图3.2得到两输出分别为：
Y 1(s ) =X 1(s ) -Y 1(s ) -Y 2(s ) G p 12(s ) G C 11(s ) G 11(s ) +X 2(s ) -Y 2(s ) -Y 1(s ) G p 21(s ) G C 22(s ) G 12(s ) （3-11）[][]
Y 2(s ) =X 2(s ) -Y 2(s ) -Y 1(s ) G p 21(s ) G C 22(s ) G 22(s ) +X 1(s ) -Y 1(s ) -Y 2(s ) G p 12(s ) G C 11(s ) G 21(s ) （3-12）
所以，系统解耦即式子（3-10）和式子（3-11）大括号内算式等于零。完全解耦时反馈解耦调节器为： [][]
G p 12(s ) =
G C 11(s ) G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) G 12(s ) （3-13）
G p 21(s ) =G C 22(s ) G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) G 21(s ) （3-14）
3.2.3 对角矩阵解耦法
对角矩阵解耦法针对复杂系统的解耦十分有效，
是一种常见并且容易掌握的
一种解耦控制方法。这种解耦方法是通过在控制系统后再加入一个矩阵，让这个新的矩阵与被控对象的特征矩阵之间的乘积构成一个新的对角矩阵，这个矩阵是广义的，从而实现系统解耦。以双输入、双输出过程说明对角矩阵解耦控制系统结构，如图3.3所示：
图3.3 对角矩阵解耦控制系统
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 11(s ) 、G p 12(s ) 、G p 21(s ) 、G p 22(s ) 为补偿器。
由图3.3可以明显看出，当
⎡G 11(s ) ⎢G ⎣21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G p 11(s ) ⎢G G 22(s ) ⎥⎦⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢G p 22(s ) ⎥⎦⎣00⎤ （3-15）时，系统实现解耦。 G 22(s ) ⎥⎦
假设该矩阵非奇异，即
G 11(s )
G 21(s ) G 12(s ) G 22(s ) ≠0 （3-16）时，
解耦补偿矩阵为：
⎡G p 11(s ) ⎢G ⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢⎥G p 22(s ) ⎦⎣G 21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) ⎢0G 22(s ) ⎥⎦⎣-10⎤ G 22(s ) ⎥⎦
1=G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) ⎡G 11(s ) G 22(s ) ⎢-G G ⎣11(s ) 21(s ) -G 12(s ) G 22(s ) ⎤ （3-17） ⎥G 11(s ) G 22(s ) ⎦
3.2.4 单位矩阵解耦法
单位矩阵解耦法是对角矩阵解耦法的一种特殊形式，它是使得解耦补偿矩阵和被控对象特征矩阵的乘积构成一个单位矩阵，这个矩阵是一个广义矩阵，从而实现系统解耦[20]，即：
⎡G 11(s ) ⎢G ⎣21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G p 11(s ) ⎢G 22(s ) ⎥⎦⎣G p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡10⎤ （3-18） =⎢⎥⎥G p 22(s ) ⎦⎣01⎦
假设该矩阵非奇异，即
G 11(s )
G 21(s ) G 12(s ) G 22(s ) ≠0 （3-19）时，
解耦补偿矩阵为：
⎡G p 11(s ) ⎢G ⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢G p 22(s ) ⎥⎦⎣G 21(s ) G 12(s ) ⎤⎡10⎤⎢01⎥ G 22(s ) ⎥⎦⎦⎣-1
1=G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s )
⎡G 22(s ) ⎢-G ⎣21(s ) -G 12(s ) ⎤ （3-20） G 11(s ) ⎥⎦
3.3 协调系统仿真
3.3.1被控对象的动态特征仿真试验
基于3.1节中辨识出的300MW 协调系统的数学模型，得到了一个双入双出的模型，只需要设计一个解耦网络，来消除每条通道间的耦合。本节将利用静态前馈法对选择的系统解耦，静态网络一般是将传递函数中的s →0，此时求取的一个常数矩阵就是被控对象的增益，而不是传递函数。如下图所示，在单元机组协调控制系统被控对象之前，加入一个静态补偿网络，系统被控对象经过补偿网络的补偿之后，可以使系统达到静态解耦的效果[27]。
图3.4解耦控制原理方框图
如上图所示，设补偿解耦网络为ω （s ）。⎡G 11⎢G ⎣214. 665(1+99s ) ⎡G 12⎤⎢(1+50s +582s 2)(1+4. 1s ) =⎢⎥G 22⎦⎢-1. 42(0. 04+0. 96) ⎢70s +1⎣2. 069(1+311s ) ⎤(1+149s ) 2(1+22. 4s ) ⎥⎥1. 265(1+205s ) ⎥(1+128s ) 2(1+11. 7s ) ⎥⎦（3-21）
根据被控对象的传函矩阵即式（3-21）得系统静态放大系数矩阵为：
⎡k 11⎢k ⎣21k 12⎤⎡4. 6652. 069⎤=⎢⎥（3-22） k 22⎦⎣-1. 421. 265⎥⎦
P ⎡k 1112⎤=⎢⎥P 22⎦⎣k 21k 12⎤⎡4. 6652. 069⎤=⎢⎥ （3-23） k 22⎦⎣-1. 421. 265⎥⎦即系统的第一放大系数矩阵为： ⎡P P =⎢11
⎣P 21
求得系统的相对增益矩阵为：
⎡0. 6680. 332⎤Λ=⎢⎥ 0. 3320. 668⎣⎦ (3-24)
通过式子（3-24）的矩阵可以看出，相对增益的数值普遍都在0.3到0.7的范围内。因此，通过求取的数值可以看出各通道间的耦合性较强。这就说明了选择的系统的输入和输出配对挑选正确，此时，需要对选择的系统设计一个解耦网络来解除耦合。
根据式子（3-9）和式子（3-10）求解前馈矩阵，即：
k 21G 21+ω21k 22G 22=0 （3-25）
k 12G 12+ω12k 11G 11=0 （3-26）
此刻需要让s →0，求取的静态前馈补偿为：
ω12=-0. 4435 （3-27）
ω21=1. 123
（3-28）
此时，系统各个阶段的Simulink 仿真框图如下：
图3.5系统耦合Simulink 仿真框图
机组负荷设定值阶跃扰动实验：
图3.6机组负荷设定值阶跃扰动时的响应曲线
由图3.6可以看出，当机组负荷设定值阶跃扰动为1时，在没有加入解耦补偿器时，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在4.8左右，而主蒸汽压力最终稳定在-1.4左右，结果都没有很好的随着给定值的变化而变化，可以看出此系统存在稳态误差，跟随性能比较差；从调节时间来看，机组负荷在700秒时趋于稳定，而主蒸汽压力在500秒时趋于稳定，两者调节时间相差较大，但是调节速度都比较缓慢。
主蒸汽压力设定值阶跃扰动实验：
图3.7主蒸汽压力设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.7可以看出，当主蒸汽压力设定值阶跃扰动为1时，在没有加入解耦补偿器的情状下，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在2.1左右，主蒸汽压力最终稳定在1.3左右；从调节时间来看，机组负荷在1000秒时达到稳定状态，而主蒸汽压力在800秒时达到稳定状态。从数值来看，两者都没有随稳定值变化而变化，稳态误差相当大，并且调节时间缓慢，耦合问题十分严重，调节效果比较差。
如图3.8系统解耦后的Simulink 仿真框图
解耦后机组负荷设定值阶跃扰动实验：
图3.9解耦后机组负荷设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.9可以看出，加入解耦网络后，当机组负荷设定值阶跃扰动为1时，与图3.6中未解耦时相对比，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在4.8左右，主蒸汽压力最终稳定在0；从调节时间来看，机组负荷在1000秒时达到稳定状态，而主蒸汽压力在800秒时达到稳定状态，变化不是很大；从数值来看，当输入机组负荷设定值阶跃扰动时，对主蒸汽压力的输出并没有影响。因此，可以看出此解耦方法适用，并且解耦效果明显。
解耦后主蒸汽压力设定值阶跃实验：
图3.10解耦后主蒸汽压力设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.10可以看出，加入解耦网络后，当主蒸汽压力设定值阶跃扰动为1时，与图3.7中未解耦时相对比，从机组负荷和主蒸汽压力的响应曲线中可以看出，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。
负荷的输出会经历大概
500秒左右的波动后，最终在1000秒时稳定在0，所以，主汽压设定值扰动对机组的实际负荷是没有影响的；主汽压会在800秒时稳定在1.3左右。因此，从数值来看，当输入主蒸汽压力设定值阶跃扰动时，对机组负荷的输出并没有影响。因此，可以看出此解耦方法适用，并且解耦效果明显。
3.3.2 控制器参数优化仿真
本节主要是根据解耦后的被控对象设计出了两个即负荷和主汽压回路控制器，此仿真系统都将用比例-积分控制器控制，并用工程整定法对两个控制器进行优化整定，求取合适的参数，使系统达到较好的控制品质。整定阶段已经通过解耦分解成了两个独立的子过程，只要对每个独立的子系统进行独立的仿真即可。
系统的控制器设计图如图3.11所示：
图3.11协调控制系统控制器设计原理方框图
由图3.11可知，对于上图的控制器设计图中，在对被控对象进行了静态解耦的前提下，对系统投入闭环反馈控制，然后对C1和C2两个解耦控制器进行参数的优化整定。系统的Simulink 仿真框图如图3.12所示：
图3.12系统控制器参数调节仿真框图
设两个控制器的表示式分别为：
1c 1(s ) =K p 1(1+T 1s
1) (1-15) c 2(s ) =
其中： K p 2(1+T 2s ) (1-16)
------KP1和KP2是比例增益
------T1和T2是积分时间
通过对两个独立的回路进行PID 参数整定，可以得到PI 控制器的参数为： K1=0.265，T1=22.32；K2=0.587，T2=35.09；
调节后的响应曲线为：
图3.13定扰下PE 闭环响应曲线
图3.14定扰下PT 闭环响应曲线
由图3.13和3.14可以看出，在定值阶跃扰动实验中，经过前馈解耦后，机组负荷和主蒸汽压力都能很好的稳定在给定值附近，调节时间变快了，系统超调减小了，稳定性升高了，耦合性大大减弱了。得到了良好的控制曲线，说明此解耦控制器设计的比较合理。
3.4 本章小结
本章主要分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过Simulink 仿真出其相对应的动态特征响应曲线，得出了比较好的响应曲线和方法，大大升高了控制效果和控制品质。
第四章 结论
单元机组技术在现如今这个迅猛发展的世界中得到了良好的增益，各种各样的不同的机组都有前所未有的变化，更是由于单元机组类型的各异，对应的机组的参数和生产流程也大不相同，导致所对应的协调控制系统也会不同，并且在协调控制系统的设计中，都会存在该单元机组的参数辨识、数学模型创建、解耦设计和优化和PID 控制器参数优化整定等问题，这些不能够通过常规的方法去处理的问题。处理上述这些问题不仅可以升高协调控制系统的控制品质，还可以使机组可以安全、经济、稳定的运转。通过对协调系统在中国以及在世界上经历的发展阶段的学习，知道了协调跟随方式和“机跟炉”跟随方式的欠缺和过时性，提出了一种能够相互弥补，取长补短的新的控制系统--协调控制系统。 具体工作主要有以下几点：
1. 总结了协调系统在中国以及在世界上经历的发展阶段，学习了为什么要建立一个“机炉协调”控制系统，是因为常用的两种方法无法克服主汽压和外界负荷变化的矛盾。
2. 通过学习大量文献，学习了单元机组的构成，以及对应的成产工艺流程和如何运用正确的方法来简化机组，获得正确的模型以及被控对象的传函。从而，通过已经学习过的知识，来确定所要研究对象的动态特性。
3. 分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过Simulink 仿真出其相对应的动态特征响应曲线，得出了比较好的响应曲线和方法，大大升高了控制效果和控制品质。
4. 通过静态解耦的方法，按照分解后变成的两个单回路的独立系统，采用工程整定法，对系统中的机组负荷以及主蒸汽压力控制器参数的进行设计、优化和整定，通过Simulink 仿真的曲线图，可以看出整定后的参数不仅能够使机组很好的影响机组负荷的变化，而且主汽压还可以确保在给定的范围值内波动。
致谢
随着文章写到这里，本次毕业设计（论文）也就基本宣告完成了，同时也宣告着我的本科学习生活即将结束，我将步入工作岗位中开始我的核电生涯。 对我来说，在华电的四年是难忘的，这种难忘不是用一两段话可以说明白的。在校的四年中，我从初入大学的懵懂，到努力考上自动化的研究生，到质疑自己迷失自己，再到后来找准自己的位置并确立自己的方向，这一切的结果，才是现在的我。这四年来的点点滴滴，都离不开各位任课教师、班主任的教导，同学的帮助与陪伴以及父母无私的支持。
首先，我非常要感谢的是我本次毕业设计的指导老师，老师在我大学的最后学习阶段给了我重要的指点，他点明了我学习的方向。田老师对我的进度的要求并不很苛刻，这给了我更多自己思考的时间，我觉得这对我的整个学习过程来说很重要。在此，我要向老师表示我诚挚的谢意。
其次，我也要感谢我的各位任课教师，是他们将自己的知识无私的教授给我们，尤其是专业课的知识和在电厂中实际的运行知识。我还要感谢我的两任班主任老师，他们在我迷离的时候，耐心的开导我，指引我前进的方向。正是由于这些无私付出的老师们，我才能成为现在的我，才能在毕业季的时候微笑着回首这四年。在此，我也向这些老师们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师们桃李满天下。
同时，我还要感谢我的同学们，是他们在班级中一直的努力给了我前进的动力，也是他们在我学习遇到问题的时候给我恰如其分的指导，在我迷失方向的时候陪我聊天开导我。和他们成为同学是我的荣幸。
最后，我想感谢我的父母。在我填报志愿的时候，父母就给予了我极大的自由；在我入学之后，他们就变为了倾听者，在每一个关键的节点上，充分的倾听我的想法，给我他们的看法但是并不强迫我去按照他们的想法过我自己的人生。正是这样，我才能真正的活出自己的人生，才能在今后遇到问题的时候可以有条不紊的处理。
毕业设计到此就真的结束了，通过本次设计，我不仅了解了协调控制系统的原理，解耦控制器的设计，系统的仿真，PID 的调节，学习了原理结构图、仿真方框图的画法、Matlab 和Simulink 的使用，也锻炼了自主学习的能力，学习了使用文献的能力。更重要的是，通过毕业设计，我更清楚的认识了自己，磨炼了自己的意志力，这会为我日后的工作和生活带来极大的帮助。
再次感谢在我大学四年中给予过我帮助的所有人。
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单元机组协调控制系统设计
摘 要
在单元制机组的不断发展，协调控制系统作为单元制机组的控制核心，已然成为电厂自动化系统中最为关键的组成单元。随着机组类型的不同，各个机组的参数也越来越高，容量也在逐渐增进，机组的动态特征和控制难度也随机组型号的不同而改动，因此不同机组的协调控制系统也是不同的。所以在设计协调控制系统时，应该综合考虑所研究机组的动态特征和生产流程，针对不同类型机组的进行相应的方略。在火电厂现场中，单元机组协调控制系统是一个具有强耦合、大时滞、大迟延、非线性等特征的一个多变量系统。所以，这些复杂的动态特征，使得创建单元机组的非线性动态模型成为一个难点，而且使协调控制及其参数整定变得复杂起来，往往使调节品质下降，不能得到令人中意的控制品质。 本文首先阐述了单元机组协调控制系统的结构和功能，并对机组的动态特征和负荷指令管理系统进行了描述。然后以一个300MW 机组为研究对象，由分析得出该机组的模型结构，再对辨识出的协调系统的对象进行静态解耦控制，用工程正定法对解耦控制器参数进行整定，并用Matlab 软件做了系统仿真。仿真结果表明，解耦后的协调控制系统可以达到令人满意的控制品质和效果。 关键词：协调控制；解耦控制；Matlab 仿真；PID 整定；300MW 机组
Design of Coordinated Control System
for Unit
Abstract
In the continuous development of unit system, coordinated control system as a unit system control core, has become the power plant automation system, the most critical component. With the different types of units, the parameters of each unit are getting higher and higher, the capacity is gradually increasing, the dynamic characteristics of the unit and the difficulty of control are also different types of change, so different units of the coordinated control system is different. Therefore, in the design of coordinated control system, should consider the selected units of the dynamic characteristics and process, for different types of units for the corresponding design. In the field of thermal power plant, the unit control system is a multivariable system with strong coupling, time variability, large delay and non-linearity. Therefore, these complex dynamic characteristics make the nonlinear dynamic model of the unit unit become a difficult point, and make the coordination control and its parameter setting become complicated, and the adjustment quality is often reduced, and the satisfactory control effect can not be obtained.
In this paper, the structure and function of the unit control system are described, and the dynamic characteristics and load command management system of the unit are described. Then, a 300MW unit is taken as the object of study, and the model structure of the unit is obtained. The decoupling control of the identified coordinate system is carried out. The parameters of the decoupling controller are set by engineering positive definite method. Software to do the system simulation. The simulation results show that the coordinated control system can achieve satisfactory control quality and effect.
Keywords :Coordination control system； Decoupling control；Matlab simulation；PID tuning ;300MW unit
目录
摘 要........................................................................................................................ 1
Abstract .......................................................................................................................... 2
第1章 绪 论 ............................................................................................................... 4
1.1 研究背景 ........................................................................................................ 4
1.1.1 单元机组的现状和发展 ............................................................................. 4
1.1.2 协调控制系统及其任务 ............................................................................. 5
1.1.3协调控制系统的优化 .................................................................................. 5
1.2 课题的内容 .................................................................................................... 6
1.3 本章小结 ........................................................................................................ 7
第二章 协调控制系统分析和研究.............................................................................. 8
2.1 单元机组协调控制系统 ................................................................................ 8
2.1.1 协调控制系统的组成................................................................................ 8
2.1.2负荷指令处理回路（LDC ）及其主要功能 ................................................ 9
2.1.3机炉主控制器 .............................................................................................. 9
2.2单元机组的控制方式 ..................................................................................... 9
2.2.1锅炉追踪方式 .............................................................................................. 9
2.2.2汽机追踪方式 ............................................................................................ 10
2.2.3机炉协调方式 ............................................................................................ 11
2.3单元制机组负荷控制的特点 ....................................................................... 12
2.4协调控制系统的动态特性 ........................................................................... 13
2.4 本章小结...................................................................................................... 15
第三章 单元机组协调控制系统数学模型的创建及解耦........................................ 16
3.1 数学模型的建立 .......................................................................................... 16
3.2 多变量控制系统解耦 .................................................................................. 16
3.2.1 前馈设计补偿器 ....................................................................................... 17
3.2.2 反馈设计补偿器 ....................................................................................... 18
3.2.3 对角矩阵解耦法 ....................................................................................... 18
3.2.4 单位矩阵解耦法 ....................................................................................... 19
3.3 协调系统仿真 .............................................................................................. 20
3.3.1被控对象的动态特征仿真试验 ................................................................ 20
3.3.2 控制器参数优化仿真 ............................................................................... 25
3.4 本章小结 ...................................................................................................... 27
第四章 结论................................................................................................................ 28
第1章 绪 论
1.1 研究背景
1.1.1 单元机组的现状和发展
从上个世纪90年代起，我国电力行业的研究深入度过了一个漫长的阶段。由于国家的经济和整体实力的迅猛成长和壮大，电力产业也跟着壮大了起来。火力发电厂是我国乃至在世界上都算核心的能源工业之一，在我国电力工业中更是盘踞了主要地位。我国近期将以200MW 和300MW 的机组为骨干机组，并逐步发展为600MW 的机组。大型火电机组在世界上进步的势头十分快，因为它的生产量多、投资的花费少、自动控制的程度也高。
大型火力发电机组是经典的过程控制对象，它是由锅炉、汽轮发电机组和辅助设备组成的庞大又复杂的设备群。由于其设备浩繁，管道纵横交错，生产流程复杂，甚至有上千万参数需要辨识、操纵和控制。所以，维持一个机组能够合理运转，还要要求它的经济效益必须高并且产能品质高，那么，将计算机和电厂的运行绑在一起发展，目前，大型机组对于自动控制这一块儿特别看重。一方面，是发电机组愈来愈多，还因为需求量的突飞猛进，导致机组的容量愈来愈大。另一方面，由于汽轮机和锅炉这两个被控对象的物理属性以及生产流程和动态特征区别很大。
大型单元机组是一个锅炉和一个汽轮机的相对独立的单元，因为也带来它自己的特殊性；首先，锅炉和汽轮机作为蒸汽的供需两方，需要保持一定的均衡，否则就破坏了正常的运转[20]。因此，想要处理既能维持主汽压的在一定范围内的波动值很小，又能提高机组跟踪外界的变化的能力，这两个问题中相互存在的矛盾，所以，常见的机跟炉或者炉跟机跟随方式是走不通的。所以，在设计自动控制使，应把机炉作为一个全部统筹考虑，这就是所谓“协调控制”。而且大型单元机组在运转时需要辨识和调节的参数很多，所以要使这个机组正常运转，对自动化程度的要求相当高。
简而言之，协调系统作为发电厂在最复杂和最中心的控制系统，就像大脑作为人体的最关键的部位一样，它的主要目标是单位效率的自动控制，有必要确保障单位输出功率快速满足外部负载要求，就像大脑提供指令让手足协调，还要尽快提供单位能量，以单位输出负荷适应，保持出口主蒸压的稳定，犹如身体整个的平衡。如果必须使协调系统达到更好的控制要求，就像人体维持一个循环的状态，肢体，器官，大脑都得发挥做用，所以锅炉、汽机、辅机的安全运转状况和控制系统的卓越性都是必须的，还要适应在各种各样的条件和环境下，都必须能够安全可靠的一个运行的协调系统。
1.1.2 协调控制系统及其任务
单元机组的协调控制系统（Coordinated Control Syestem，CCS ）就是根据单元机组负荷控制的特点，为了处理负荷控制中的内外两个能量供求平衡关系而提出来的控制系统，也就是单元机组负荷控制系统。在单元机组运转方式中，它是把锅炉和汽轮机作为一个全部进行控制，既要共同快速满足外界发电负荷的要求，同时又要保证机组安全经济的运转（主要反映在主蒸汽压力上）。所以机组的输出功率P E 和主蒸汽压力p T 是单元机组负荷控制的两个主要参数。
分析被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、响应慢；而汽轮机响应快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机调节阀门开度的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应。因此为了升高机组的响应性能并且在保证安全运转的条件下，充分利用锅炉的蓄热能力，也就是在负荷变动时，通过汽轮机调门的适当举动，允许压力有一定的波动，既释放或利用了蓄能，又加速了机组初期负荷的响应速度；与此同时，根据外部负荷指令请求，加强对锅炉侧燃烧率的控制，及时复原蓄能，使锅炉蒸发量保持与机组负荷一致，就是协调控制的基本原则。
1.1.3协调控制系统的优化
由于机组容量的日益增大以及机组自身需要调节的参数的增多，就像协调系统的大迟延、大惯性、强耦合等特点就像惰性对于整个人体来说，会造成一个人做事情时特别懒散，所以这些将导致这些情况变本加厉的，因此，上述都给实现协调控制给予了空前绝后的难题。例如：文献[1]通过单向静态解耦来处理了直流炉给水系统的特殊性，机炉控制间调节速度的差异性和回路间的强耦合性，燃料回路间的滞后性等问题，最后加入时序保护功能装置来确保机组安全运转。文献[2]针对直流锅炉引入动态解耦控制，提出了一种三输入三输出的控制策略，实现了给水侧和燃料侧，锅炉侧和汽轮机侧的双向补偿解耦，有效地处理了当扰动发生时，燃水比系数很难保证等问题。目前的控制策略无法得到令人满意的控制效果，主要是以下三个原因：
1. 由于控制机组的复杂特征导致多变量之间有强烈耦合，从而无法得到精准的数学模型。而且在不同的工况下，被控对象的参数也会随之变动，而且现有的控制方法都没有考虑得到所有的情状，因此无法得到令人满意的控制品质。
2. 多变量之间的强耦合性。因为不同的输入和另一个不同的输入之间会有很强的干扰，所以这不仅让系统变得更加不明确而且更加复杂，而且也给控制系统的设计带来了难以想象的难题，对于调节PID 的参数来说，那当然也必须相当的难以把握，因此并不能获取到让我们心满意足的那样一个控制品质和要求都好的
系统。
3. 根据被控对象的动态特征可知，锅炉惯性大、变化慢，而汽机变化快，如果只靠锅炉侧的控制必然不能获得迅速的负荷响应。而汽轮机调节汽门的举动，可使机组释放（或储蓄）锅炉的部分蓄能，使输出功率有较快的响应，因此无法得到令人满意的动态特征。
对于上述三个问题来说，研究和分析不同机组的协调控制系统，有助于设计和优化与此系统对应的控制策略。文献[7]针对现存的预测控制方法在用于单元机组负荷控制时存在的问题，并根据其控制特点，提出了一种新的多变量预测控制算法，且具有良好的控制性能。文献[9]为了有效地控制多变量多时滞的稳定过程，设计了一种具有良好的鲁棒性能，但是对系统模型精确度要求不高的多变量解耦内模控制。文献[10]在文献[9]提出的内模控制的原理基础上，通过对一个简化的单元机组模型，推导出单元机组协调控制器，通过仿真验证了该控制器的解耦效果良好，控制品质良好，具有一定的通用性。
在国内外科学家和团队的不断研究下，坚持不懈的努力下和刻苦的钻研下，协调控制系统在实际生产应用中的效果越来越好，越来越明显，控制程度越来越高，应用范围也越来越广。为协调控制的更进一步的发展迈出了第一步，也打下了坚实的基础。
1.2 课题的内容
由于控制器参数的愈来愈高并且随着科技的发展和进步对机组的容量的要求也变得愈来愈高，大容量机组成为了必然要求，这就导致了会有各种不同类型的机组，并且所对应机组的控制方式也不尽相同。因此，为了增大机组实际的负荷量来满足实际需求，并且全自动化控制的水平要求也愈来愈高，那么作为至关重要的一个环节就是对协调控制系统的设计和优化了。针对上述这些问题，本文主要完成了以下几点部分：
1. 阐述了协调系统的发展背景和过程，分析了它的主要组成部分和每块儿部分对应的功能。提出了协调系统自身存在的问题，并研究了被控对象的动态特征。通过对被控对象的机理分析和数学建模，得到了该系统动态特征的传递函数。
2. 进一步通过学习分析了协调系统的主要组成部分和每块儿部分对应的功能，学习了为什么要建立一个“机炉协调”控制系统，是因为常用的两种方法无法克服主汽压和外界负荷变化的矛盾。通过学习大量文献，学习了单元机组的构成，以及对应的成产工艺流程和如何运用正确的方法来简化机组，获得正确的模型以及被控对象的传函。从而，通过已经学习过的知识，来确定所要研究对象的动态特性。
3. 分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控
制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过静态解耦的方法，按照分解后变成的两个单回路的独立系统，采用工程整定法，对系统中的机组负荷以及主蒸汽压力控制器参数的进行设计、优化和整定，学习用Matlab 进行程序编写和Simiulink 搭建仿真框图进行仿真实验，经过PID 参数整定，使系统达到良好的控制效果和控制品质。
1.3 本章小结
本章主要为绪论部分，主要讲述了协调系统的产生的原因。说明了其发展的轨迹以及在国内外目前的发展状况。另外说明了本文的选题背景及意义，并且对接下来要进行的工作和所需要掌握的知识，以及要学会的方法，系统的特性进行了简要说明。
第二章 协调控制系统分析和研究
2.1 单元机组协调控制系统
2.1.1 协调控制系统的组成
当机组正常运转时，锅炉、汽机既要一起去满足外界负荷的需求，又必须一同保障内部成千上万的运转参数在额定的工作范围之内。从上述这个方面来看，汽轮机和锅炉已经成为了一个不可分割的全部。但是从另一方面来看，锅炉和汽轮机的工作过程又有其各自不同的特点，他们的动态特征有很大的差别，为了保证其自身的安全性和经济性运转，每个部分都有其自身需要调节需要控制的运转参数，并且有相适应的调节机构，即有各自对应的自动控制系统。例如：锅炉机组的燃烧、给水、汽温等控制系统；汽轮机组的液位、调速、保护等控制系统。因此，锅炉和汽轮机机组又是两个相互独立的被控对象。因此，负荷控制系统等同于一个人体的大脑部位，来控制一切的指挥中心，而汽轮机、锅炉局部控制系统就像器官和四肢一样是被控部分。局部控制系统就像各个器官对于整体一样，是一个基础的部分，所以相对负荷系统来说是它们也算基础控制级。所以我们也把负荷系统称为主控系统（也称为大脑部位，作为发布指令等信息的核心）；称锅炉、汽轮机为子控系统（也就是所谓的各个既独立运转又相互联系的器官）。系统组成框图如图2.1示：
图2.1 负荷控制系统的组成
从图2.1
可以看出，单元机组负荷控制系统（又称为单元机组主控制系统）
由两大部分组成：负荷指令处理回路（Load Demand Computer ,LDC）和机、炉主控制器（Boiler And Turbine Master）。
2.1.2负荷指令处理回路（LDC ）及其主要功能
它有很多功能，其中比较重要的是对各种负荷请求指令进行挑选，并且可以根据主、辅机组当时运转的情状加以处理，最终，可以使它可以提高作为机、炉设备的负荷能力，而且可以安全运转，也能接受不同的实际负荷指令P 0。
主要功能包括以下六个方面：
⑴机组负荷指令的挑选
⑵最大/最小负荷限制
⑶负荷指令变化速率限制
⑷负荷返回（RB ）
⑸负荷增/减闭锁（BI/BD）
⑹负荷迫升/迫降（RU/RD）
2.1.3机炉主控制器
机炉主控制器的主要作用有两个方面：
⑴接受LDC 输出的机组负荷指令P 0、实发功率P E 、主蒸汽压力给定值p 0、主蒸汽压力测量值p T 等信号，按照功率偏差∆P =P 0-P E 和主蒸汽压力偏差∆p =p 0-p T 进行控制运算，分别产生锅炉主控指令（Boiler Demand）P B 和汽轮机主控指令P T ，作为指挥信号分别送往其对应的子系统；
⑵根据该机组当前的运转要求和运转条件，挑选与之相适应的负荷控制方式。
2.2单元机组的控制方式
2.2.1锅炉追踪方式
图2.2是锅炉追踪方式的原理图：
图2.2炉跟机控制方式
由图2.2可知，这种方法是主要以调节汽轮机的阀门开度μg ，然后致使机组的实际输出P E 十分快速的与机组负荷的给定值P r 要保持相同的值，这样才可以满足外界μg 的需求。在相同的时间时，因为阀门开度的变化，主蒸压也会因为这个变化而产生变化，为了维持机组整体汽压的稳定性，只需要让主汽压调节器来改动B 的数量，从而追随汽机的负荷变化。这种方式是先让汽机跟随外界的需要，得到一个需要变化的值，然后把信息指令输送给锅炉，再让锅炉跟随汽机的改变而改变，因此称为“炉跟机”控制方式。这种方法能够充分利用了锅炉的蓄热量，敦促机组迅速地随着外界负荷的变化而变化。但是主蒸汽压力p T 将会难以稳定并会大幅度的波动，因为锅炉其自身的大迟延等特性。
这种大幅度的波动是导致锅炉不能安全、经济和稳定运转的一个弊端。因此，为了避免这种危险的发生，此时需要一个限制值对机组效力的幅度和速度加以拘束。所以“炉跟机”跟随方式只适用于电网调频的机组。
2.2.2汽机追踪方式
图2.3是汽机追踪方式的原理图：
图2.3机跟炉跟随方式
由图2.3可知，我们用的追踪办法是围绕电网实际输出的需求，
然后开始调
节功率调节器从而直接改变投入到锅炉中的B 的多少。但是依据锅炉内部热量的增多或者变少，主汽压p T 将继续跟着发生变化，这个时候，主汽压调节器将连续不停地变动阀门开度用来保障机组出口主汽压的稳定；但是汽机的调阀的目的，都只是为了满足实际需求的输出功率的多少，从而改变自身出力的变化。因此，现在这种方法的基本过程是先让锅炉随着外部实际输出的需要，再让汽机按照锅炉的需求来调整自己的出力方式。所以，我们称这种控制方法为--“机跟炉”控制方法。
在这种控制方式中，主蒸汽压力是通过调节阀门开度来维持的，所以说主蒸汽压力是可以保持相当稳定的状态，这非常有利于锅炉安全、经济和稳定的运转。但是这种控制方式也是有缺陷的，锅炉的蓄热能没有移用，因此机组随着效力设定值的变动会反应的特别迟缓。
2.2.3机炉协调方式
图2.4为“机炉协调控制”方式的原理图：
图2.4机炉协调控制方式
这是一种能够同时调动锅炉和汽机，同时运转然后去跟随外界的实际输出的变化而变化的能力上提出的方法。这种既能够解决了“炉跟机”追踪方法中使用蓄热量太多以致于导致主汽压变化幅度相当大的难题，又可以处理了“机跟炉”追踪方法中直接不需要用蓄热量，从而难以迅速地随着负荷的变化而变化的矛盾。简而言之，这是一种能够取两者精华，弃两者糟粕，然后将锅炉个汽机同时调用，协同合作的控制方法。具体控制过程如下：
此时，外界需机组的出力增加时，必须要增大效力的给定值P r ，它与此时实际出力P E 的偏差信号，一方面经负荷调节系统，开大阀门开度，然后使汽机的输出负荷增加；相反的是，这种输出转换成信号作为前馈到锅炉效力调节系统中。然后，此时只要提高投入的燃料量B
，来让输出负荷变大。但是，锅炉的迟延比
较大，所以，锅炉的输出功率变化速率远远慢于汽机的。所以，主汽压变小，此时PT 和赋予的初始值p T r 之间会有一定的差值，现在既可以通过更进一步提高投
入的燃料量B ，来升高锅炉的输出，敦促主蒸汽压力PT 更快的回升；另一方面，又可以通过汽轮机效力调节系统，减小汽机阀门开度，限制主汽压下降的幅度，来保障此时机组出口主汽压在稳定的能够接受的范围内。
当锅炉自我出现不和谐的现象时，譬如：投入的燃料量自愿提高时，出口的主汽压PT 此时幅值上升，其中一个方法是经锅炉调节系统来降低投入燃料量B 的供应；另一方面又可以通过汽机效力调整系统，通过开大汽机阀门开度，来减小主蒸汽压力的波动。在这个步骤中，发电机功率的增加只是临时的，它最后还是会通过汽机的效力调整系统调回到稳定值。
由以上的分析可以看出，机炉协调方法的最核心的内容就是用方法然后有克制的运用合理的蓄热量，这样我们又能保障机组可以非常迅速地去跟随外界实际输出的变化，又可以保障了主蒸汽压力在调节过程中不至于出现较大的波动。因此，可以知道，这种方法已经得到了普遍的适用。
2.3单元制机组负荷控制的特点
单元制机组是由锅炉和汽轮发电机组联合起来共同适应电网的负荷要求的变化，同时还要保证机组安全、经济和稳定的运转[25]。
单元机组的方框图如图2.5所示：
图2.5被控对象方框图
其中，ut 表示主蒸汽调节阀门开度；M 表示燃烧率；PE 表示机组实际负荷；PT 表示主蒸汽压力；G N T (s ) 表示阀门开度ut 变动使机组负荷PE 变化的传递函数；G P T (s ) 表示阀门开度ut 变动使主蒸汽压力PT 变化的传递函数；G N B (s ) 表示燃烧率M 变动使机组负荷PE 变化的传递函数；G P B (s ) 表示燃烧率M 变动使主蒸汽压力PT 变化的传递函数；
由图2.5可以看出：
受控对象：燃料量B （送风量、给水量与之相适应）和阀门开度μT
输出对象：机组负荷PE 和主蒸汽压力PT
燃料量B 不仅影响主汽压PT ，而且还影响机组输出PE 。输入量μT 也是既影响输出量PE ，又影响输出量PT 。所以在分析整个过程时，不能独自分析汽机系统，或者独自的分析另外一个系统，必须将锅炉和汽机全部进行思考和分析。这样才能合理的解决两条通道之间存在的矛盾和干扰。
汽机响应外界变化快，而锅炉响应外界变化慢，两者就这方面而言的话，区别很大。这也是因为锅炉它自身的传热惯性这个系数相当大，所以燃料量B 变化时，再导致机组的输出变化这中间是有一个相当漫长的时间，也就是所谓的时间常数比较大；相反的是，汽轮机机组的参数就要小的多了，但是通过调节汽轮机阀门开度从而开始改变功率，此时发生变化就变得很快了。当单元机组的实际输出变化要求增长时，就必须使机组能够迅速去达到这个变化的要求，可以关小阀门开度来增大实际负荷，但是此时来维持机组稳定的这些蒸汽量，大部分来自锅炉自身就像火柴燃烧放出热一样，用自己的余热来弥补这些不足的蒸汽量。因此，这个时候出口的主汽压力将会降低，要想使压力回升，则需要相当长的一段时间，毕竟锅炉的大迟延等特点会去阻碍，所以造成主蒸汽压力的动摇会比较大。采用协调控制就是目前为了处理既要维持主汽压在一个范围内的稳定，又要保证机组的实际输出能够快速响应这个矛盾点，而提出的最有效的方法。
为了升高电网的自动化的程度，保障高质量高品质的电力供应，必须要求电网中心调度所发出的负荷分配指令（Automatic Dispatch System , ADS）和电网频差信号（即所谓的一次调频）直接对电厂发电机组进行连续的控制。甚至某些主要的辅机出现障犹如人体某些器官出现疾病一样这种突发的状况下，依旧要有维持机组的运转的能力。这就必须要求负荷控制自动化程度要远远超出一般水平，所以必须寻求一个新的、更加合理的、更加经济稳定的负荷控制系统---协调控制系统。
2.4协调控制系统的动态特性
主控制器系统的调节对象包括汽机调节系统、锅炉调节系统和单元机组调节系统，是一个被定义为广义的调节对象[27]。
输入量：汽机主控制指令MT 和锅炉主控制指令MB ；
输出量（即被调量）：机组实际输出功率PE 和主蒸汽压力PT
系统方框图如图2.6所示：
图2.6 协调控制系统方框图
由图2.6可以看出，机组的动态特征可以通过一定的方式方法转换成一个互相交叉互相干扰的双入双出对象。
调节量：阀门开度μT 和锅炉燃烧率（或煤水比）μB
被调量：主蒸压P T 和机组负荷P E
1. 燃烧率μB 扰动下PT 和PE 的特性
当锅炉产生每吨蒸汽所需要的煤量（或煤水比）μB 发生改变时，这时所需的燃料量B 也会相应地随着指令改变，此时，吸收的热量必然要跟着变大，由于锅炉的热惯性和大迟延，会使得主蒸汽压力在经过一定延迟之后才会逐渐升高，蒸汽流量也逐渐增加[27]。这种上升是临时的，因为阀门开度μ不变，从而会t
抑制主蒸汽压力的波动上升，最终会使机组达到一个新的平衡。
通过以上情况，我们通常可以使用高阶惯性环节来表示当产生每吨蒸汽所需要的煤量（或煤水比）μB 发生改变时，机组实际功率输出PE 和主蒸压PT 的动态特征。根据阶跃响应曲线可以得到与之对应的的传递函数：
E (s ) =1 (2-1) (s ) =G NB B (s ) (1+T 1s ) n 1
G PB =p T
B (s ) (s ) =(1+T 2s ) n 2(2-2)
2
2. 阀门开度μt 扰动下PT 和PE 的特性
当汽机调节阀阶跃扰动赋值变大时，单位时间内进入机组的气体会突然增长，这会使得机组主汽压迅速下降，但是由于燃料量B 没有发生变化，所以锅炉吸收的热量也不会有变化，因此主蒸汽压力会逐渐下降，释放出一部分锅炉蓄热来维持机组稳定，并导致蒸汽量缓慢回到稳定的过程，最终又会达到原来的平衡状态。
综上所述，我们通常可以用比例、一阶惯性来表示当阀门开度产生变化时，
PT 的动态特征；而用微分、一阶惯性来计算PE 的动态特征。根据阶跃响应曲线可以得到与之对应的的传递函数：
s （2-3） =*G 1+s 1+s (s ) T T
⎫p (s ) ⎛ （2-4） G (s ) =(s ) =- K +1+s ⎪⎪T ⎭⎝NT (s ) =E (s ) 13B 43T 6PT 5
T 6
通过上述两种分析可知，单元机组的动态特性如下：
①当汽机阀门开度开大开小时，主蒸汽压力PT 和机组负荷PE 的响应速度都很快；
②当锅炉产生每吨蒸汽所需要的煤量改变时时，主蒸汽压力PT 和实际负荷PE 的响应速度都很慢。
2.4 本章小结
本章主要阐述了单元机组的是由负荷指令处理回路（Load Demand Computer ,LDC）和机、炉主控制器（Boiler And Turbine Master）组成的。并详细说明了负荷指令的六种十分重要的功能，并且介绍了机、炉主控制器的主要功能。又有根据并建立在实际上说明了早期的那两种控制方式对发展的局限，并且本身就存在一些弊端。因此，提出了一种能够相互弥补矛盾，取长补短的新的控制系统--协调控制系统。简明扼要地阐述了负荷控制的特点，并且通过机理分析，给出了被控对象简化后的数学模型，并且通过传函和仿真分析了其动态特性，又给出了单元机组协调控制系统中被控对象的传递函数，为下一章通过实例进一步设计和研究协调控制系统打下了良好的坚实的基础。
第三章 单元机组协调控制系统数学模型的创建及解
耦
3.1 数学模型的建立
近几年，由于我国电力行业飞速发展，火电厂机组容量显著增长，被控机组参数不断升高，这些不仅导致了控制系统的复杂化，还给协调控制系统的设计带来了许多困难，譬如模型辨识、解耦设计和参数整定等。因此，想要利用控制理论知识来处理实际现场问题，就必须创建精确的数学模型。
本文将采用已经辨识出的模型，将控制系统简化为一个双输入双输出的控制对象。即：
输入量：燃料量B 、阀门开度μg
简化的被控对象为： 。 输出量：主汽压力P T 和机组负荷P E 。
⎡N (s ) ⎤⎡G Nu T (s ) ⎢P ⎥=⎢G ⎣(s ) ⎦⎣Pu T (s )
模型为：
G N B (s ) =G Nu B (s ) ⎤⎡u T (s ) ⎤⎢u ⎥ （3-1） G Pu B (s ) ⎥⎦⎣B (s ) ⎦经系统辨识得到某一300MW 汽包炉在100%负荷工作点上近似得到的数学2. 069(1+311s ) （3-2） (1+149s ) 2(1+22. 4s )
4. 665(1+99s ) （3-3） 22(1+50s +58s )(1+4. 1s )
1. 265(1+205s ) （3-4） (1+128s ) 2(1+11. 7s )
0. 96) （3-5） 1+70s G N T (s ) =G P B (s ) =G P T (s ) =-1. 42(0. 04+
3.2 多变量控制系统解耦
协调系统是一个多变量的系统。由于要求的被控参数比价多，所以，设置的需要调节的控制回路也会增多。因此，控制回路的增多，就是导致各回路之间相互耦合的一个因素。这会导致系统性能较差，难以控制。所以，在设计协调控制系统时，最具有价值并且至关重要的一环就是设计一个良好的解耦控制器。通过对复杂系统进行解耦，这能升高被控系统的控制品质，易于达到生产标准。在目标实现解耦后，可以使简化后的多入多出模型解除通道与通道连接在一起的耦合，让它们自主的控制，即每条回路都不会受到彼此的干扰。简化了全部系统的调节，
并且能够升高系统的控制品质。
3.2.1 前馈设计补偿器
前馈补偿解耦是一种结构比较简单，并且工作原理易懂的一种多变量解耦控制的常用方法，这种解耦十分易于实现，且解耦效果也比较好。以双输入、双输出过程说明前馈补偿解耦控制系统结构，如图3.1所示：
图3.1 前馈解耦系统结构
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 12(s ) 和G p 21(s ) 为补偿器。
由图3.1得到两个输出分别为（不考虑反馈闭环）：
Y 1(s ) =X 1(s ) G C 11(s ) G 11(s ) +X 2(s ) G C 22(s ) G p 12(s ) G 11(s ) +G 12(s )
（3-6） []
] Y 2(s ) =X 2(s ) G C 22(s ) G 22(s ) +X 1(s ) G C 11(s ) G p 21(s ) G 22(s ) +G 21(s )
（3-7） [
要实现系统解耦，即当X 2(s ) 的赋值改变时，Y 1(s ) 的输出值不会产生波动，不受当X 1(s ) 作的赋值改变时，从式子（3-8）和式子（3-7）Y 2(s ) 的输出不会产生变化，
得两个前馈补偿器分别为：
G p 12(s ) =-
G 12(s ) G 11(s )
G 21(s )
G 22(s ) （3-9） G p 21(s ) =- （3-10）
可见，利用式子（3-9）和式子（3-10）即可实现系统完全解耦。
3.2.2 反馈设计补偿器
反馈补偿解耦控制一种将解耦控制器加在反馈回路通道上，是针对多变量解耦控制的一种非常有效的方法。以双输入、双输出过程说明反馈补偿解耦控制系统结构，主要有两种结构布置形式，如图3.2所示：
图3.2 反馈解耦控制系统
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 12(s ) 和G p 21(s ) 为补偿器。
由图3.2得到两输出分别为：
Y 1(s ) =X 1(s ) -Y 1(s ) -Y 2(s ) G p 12(s ) G C 11(s ) G 11(s ) +X 2(s ) -Y 2(s ) -Y 1(s ) G p 21(s ) G C 22(s ) G 12(s ) （3-11）[][]
Y 2(s ) =X 2(s ) -Y 2(s ) -Y 1(s ) G p 21(s ) G C 22(s ) G 22(s ) +X 1(s ) -Y 1(s ) -Y 2(s ) G p 12(s ) G C 11(s ) G 21(s ) （3-12）
所以，系统解耦即式子（3-10）和式子（3-11）大括号内算式等于零。完全解耦时反馈解耦调节器为： [][]
G p 12(s ) =
G C 11(s ) G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) G 12(s ) （3-13）
G p 21(s ) =G C 22(s ) G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) G 21(s ) （3-14）
3.2.3 对角矩阵解耦法
对角矩阵解耦法针对复杂系统的解耦十分有效，
是一种常见并且容易掌握的
一种解耦控制方法。这种解耦方法是通过在控制系统后再加入一个矩阵，让这个新的矩阵与被控对象的特征矩阵之间的乘积构成一个新的对角矩阵，这个矩阵是广义的，从而实现系统解耦。以双输入、双输出过程说明对角矩阵解耦控制系统结构，如图3.3所示：
图3.3 对角矩阵解耦控制系统
其中，G C 11(s ) 和G C 22(s ) 为系统控制器，G p 11(s ) 、G p 12(s ) 、G p 21(s ) 、G p 22(s ) 为补偿器。
由图3.3可以明显看出，当
⎡G 11(s ) ⎢G ⎣21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G p 11(s ) ⎢G G 22(s ) ⎥⎦⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢G p 22(s ) ⎥⎦⎣00⎤ （3-15）时，系统实现解耦。 G 22(s ) ⎥⎦
假设该矩阵非奇异，即
G 11(s )
G 21(s ) G 12(s ) G 22(s ) ≠0 （3-16）时，
解耦补偿矩阵为：
⎡G p 11(s ) ⎢G ⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢⎥G p 22(s ) ⎦⎣G 21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) ⎢0G 22(s ) ⎥⎦⎣-10⎤ G 22(s ) ⎥⎦
1=G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s ) ⎡G 11(s ) G 22(s ) ⎢-G G ⎣11(s ) 21(s ) -G 12(s ) G 22(s ) ⎤ （3-17） ⎥G 11(s ) G 22(s ) ⎦
3.2.4 单位矩阵解耦法
单位矩阵解耦法是对角矩阵解耦法的一种特殊形式，它是使得解耦补偿矩阵和被控对象特征矩阵的乘积构成一个单位矩阵，这个矩阵是一个广义矩阵，从而实现系统解耦[20]，即：
⎡G 11(s ) ⎢G ⎣21(s ) G 12(s ) ⎤⎡G p 11(s ) ⎢G 22(s ) ⎥⎦⎣G p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡10⎤ （3-18） =⎢⎥⎥G p 22(s ) ⎦⎣01⎦
假设该矩阵非奇异，即
G 11(s )
G 21(s ) G 12(s ) G 22(s ) ≠0 （3-19）时，
解耦补偿矩阵为：
⎡G p 11(s ) ⎢G ⎣p 21(s ) G p 12(s ) ⎤⎡G 11(s ) =⎢G p 22(s ) ⎥⎦⎣G 21(s ) G 12(s ) ⎤⎡10⎤⎢01⎥ G 22(s ) ⎥⎦⎦⎣-1
1=G 11(s ) G 22(s ) -G 12(s ) G 21(s )
⎡G 22(s ) ⎢-G ⎣21(s ) -G 12(s ) ⎤ （3-20） G 11(s ) ⎥⎦
3.3 协调系统仿真
3.3.1被控对象的动态特征仿真试验
基于3.1节中辨识出的300MW 协调系统的数学模型，得到了一个双入双出的模型，只需要设计一个解耦网络，来消除每条通道间的耦合。本节将利用静态前馈法对选择的系统解耦，静态网络一般是将传递函数中的s →0，此时求取的一个常数矩阵就是被控对象的增益，而不是传递函数。如下图所示，在单元机组协调控制系统被控对象之前，加入一个静态补偿网络，系统被控对象经过补偿网络的补偿之后，可以使系统达到静态解耦的效果[27]。
图3.4解耦控制原理方框图
如上图所示，设补偿解耦网络为ω （s ）。⎡G 11⎢G ⎣214. 665(1+99s ) ⎡G 12⎤⎢(1+50s +582s 2)(1+4. 1s ) =⎢⎥G 22⎦⎢-1. 42(0. 04+0. 96) ⎢70s +1⎣2. 069(1+311s ) ⎤(1+149s ) 2(1+22. 4s ) ⎥⎥1. 265(1+205s ) ⎥(1+128s ) 2(1+11. 7s ) ⎥⎦（3-21）
根据被控对象的传函矩阵即式（3-21）得系统静态放大系数矩阵为：
⎡k 11⎢k ⎣21k 12⎤⎡4. 6652. 069⎤=⎢⎥（3-22） k 22⎦⎣-1. 421. 265⎥⎦
P ⎡k 1112⎤=⎢⎥P 22⎦⎣k 21k 12⎤⎡4. 6652. 069⎤=⎢⎥ （3-23） k 22⎦⎣-1. 421. 265⎥⎦即系统的第一放大系数矩阵为： ⎡P P =⎢11
⎣P 21
求得系统的相对增益矩阵为：
⎡0. 6680. 332⎤Λ=⎢⎥ 0. 3320. 668⎣⎦ (3-24)
通过式子（3-24）的矩阵可以看出，相对增益的数值普遍都在0.3到0.7的范围内。因此，通过求取的数值可以看出各通道间的耦合性较强。这就说明了选择的系统的输入和输出配对挑选正确，此时，需要对选择的系统设计一个解耦网络来解除耦合。
根据式子（3-9）和式子（3-10）求解前馈矩阵，即：
k 21G 21+ω21k 22G 22=0 （3-25）
k 12G 12+ω12k 11G 11=0 （3-26）
此刻需要让s →0，求取的静态前馈补偿为：
ω12=-0. 4435 （3-27）
ω21=1. 123
（3-28）
此时，系统各个阶段的Simulink 仿真框图如下：
图3.5系统耦合Simulink 仿真框图
机组负荷设定值阶跃扰动实验：
图3.6机组负荷设定值阶跃扰动时的响应曲线
由图3.6可以看出，当机组负荷设定值阶跃扰动为1时，在没有加入解耦补偿器时，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在4.8左右，而主蒸汽压力最终稳定在-1.4左右，结果都没有很好的随着给定值的变化而变化，可以看出此系统存在稳态误差，跟随性能比较差；从调节时间来看，机组负荷在700秒时趋于稳定，而主蒸汽压力在500秒时趋于稳定，两者调节时间相差较大，但是调节速度都比较缓慢。
主蒸汽压力设定值阶跃扰动实验：
图3.7主蒸汽压力设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.7可以看出，当主蒸汽压力设定值阶跃扰动为1时，在没有加入解耦补偿器的情状下，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在2.1左右，主蒸汽压力最终稳定在1.3左右；从调节时间来看，机组负荷在1000秒时达到稳定状态，而主蒸汽压力在800秒时达到稳定状态。从数值来看，两者都没有随稳定值变化而变化，稳态误差相当大，并且调节时间缓慢，耦合问题十分严重，调节效果比较差。
如图3.8系统解耦后的Simulink 仿真框图
解耦后机组负荷设定值阶跃扰动实验：
图3.9解耦后机组负荷设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.9可以看出，加入解耦网络后，当机组负荷设定值阶跃扰动为1时，与图3.6中未解耦时相对比，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。从稳态值来看，机组负荷最终稳定在4.8左右，主蒸汽压力最终稳定在0；从调节时间来看，机组负荷在1000秒时达到稳定状态，而主蒸汽压力在800秒时达到稳定状态，变化不是很大；从数值来看，当输入机组负荷设定值阶跃扰动时，对主蒸汽压力的输出并没有影响。因此，可以看出此解耦方法适用，并且解耦效果明显。
解耦后主蒸汽压力设定值阶跃实验：
图3.10解耦后主蒸汽压力设定值阶跃扰动下的响应曲线
由图3.10可以看出，加入解耦网络后，当主蒸汽压力设定值阶跃扰动为1时，与图3.7中未解耦时相对比，从机组负荷和主蒸汽压力的响应曲线中可以看出，机组负荷和主蒸汽压力最终都会趋向于一个稳定值。
负荷的输出会经历大概
500秒左右的波动后，最终在1000秒时稳定在0，所以，主汽压设定值扰动对机组的实际负荷是没有影响的；主汽压会在800秒时稳定在1.3左右。因此，从数值来看，当输入主蒸汽压力设定值阶跃扰动时，对机组负荷的输出并没有影响。因此，可以看出此解耦方法适用，并且解耦效果明显。
3.3.2 控制器参数优化仿真
本节主要是根据解耦后的被控对象设计出了两个即负荷和主汽压回路控制器，此仿真系统都将用比例-积分控制器控制，并用工程整定法对两个控制器进行优化整定，求取合适的参数，使系统达到较好的控制品质。整定阶段已经通过解耦分解成了两个独立的子过程，只要对每个独立的子系统进行独立的仿真即可。
系统的控制器设计图如图3.11所示：
图3.11协调控制系统控制器设计原理方框图
由图3.11可知，对于上图的控制器设计图中，在对被控对象进行了静态解耦的前提下，对系统投入闭环反馈控制，然后对C1和C2两个解耦控制器进行参数的优化整定。系统的Simulink 仿真框图如图3.12所示：
图3.12系统控制器参数调节仿真框图
设两个控制器的表示式分别为：
1c 1(s ) =K p 1(1+T 1s
1) (1-15) c 2(s ) =
其中： K p 2(1+T 2s ) (1-16)
------KP1和KP2是比例增益
------T1和T2是积分时间
通过对两个独立的回路进行PID 参数整定，可以得到PI 控制器的参数为： K1=0.265，T1=22.32；K2=0.587，T2=35.09；
调节后的响应曲线为：
图3.13定扰下PE 闭环响应曲线
图3.14定扰下PT 闭环响应曲线
由图3.13和3.14可以看出，在定值阶跃扰动实验中，经过前馈解耦后，机组负荷和主蒸汽压力都能很好的稳定在给定值附近，调节时间变快了，系统超调减小了，稳定性升高了，耦合性大大减弱了。得到了良好的控制曲线，说明此解耦控制器设计的比较合理。
3.4 本章小结
本章主要分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过Simulink 仿真出其相对应的动态特征响应曲线，得出了比较好的响应曲线和方法，大大升高了控制效果和控制品质。
第四章 结论
单元机组技术在现如今这个迅猛发展的世界中得到了良好的增益，各种各样的不同的机组都有前所未有的变化，更是由于单元机组类型的各异，对应的机组的参数和生产流程也大不相同，导致所对应的协调控制系统也会不同，并且在协调控制系统的设计中，都会存在该单元机组的参数辨识、数学模型创建、解耦设计和优化和PID 控制器参数优化整定等问题，这些不能够通过常规的方法去处理的问题。处理上述这些问题不仅可以升高协调控制系统的控制品质，还可以使机组可以安全、经济、稳定的运转。通过对协调系统在中国以及在世界上经历的发展阶段的学习，知道了协调跟随方式和“机跟炉”跟随方式的欠缺和过时性，提出了一种能够相互弥补，取长补短的新的控制系统--协调控制系统。 具体工作主要有以下几点：
1. 总结了协调系统在中国以及在世界上经历的发展阶段，学习了为什么要建立一个“机炉协调”控制系统，是因为常用的两种方法无法克服主汽压和外界负荷变化的矛盾。
2. 通过学习大量文献，学习了单元机组的构成，以及对应的成产工艺流程和如何运用正确的方法来简化机组，获得正确的模型以及被控对象的传函。从而，通过已经学习过的知识，来确定所要研究对象的动态特性。
3. 分析了某以300MW 亚临界锅炉的数学模型，然后简单的阐述了多变量控制系统解耦的原理，向大家详细说明了几种常见的解耦方法，并给出了合理的分析。最后针对辨析出的数学模型，进行前馈补偿解耦设计，通过Simulink 仿真出其相对应的动态特征响应曲线，得出了比较好的响应曲线和方法，大大升高了控制效果和控制品质。
4. 通过静态解耦的方法，按照分解后变成的两个单回路的独立系统，采用工程整定法，对系统中的机组负荷以及主蒸汽压力控制器参数的进行设计、优化和整定，通过Simulink 仿真的曲线图，可以看出整定后的参数不仅能够使机组很好的影响机组负荷的变化，而且主汽压还可以确保在给定的范围值内波动。
致谢
随着文章写到这里，本次毕业设计（论文）也就基本宣告完成了，同时也宣告着我的本科学习生活即将结束，我将步入工作岗位中开始我的核电生涯。 对我来说，在华电的四年是难忘的，这种难忘不是用一两段话可以说明白的。在校的四年中，我从初入大学的懵懂，到努力考上自动化的研究生，到质疑自己迷失自己，再到后来找准自己的位置并确立自己的方向，这一切的结果，才是现在的我。这四年来的点点滴滴，都离不开各位任课教师、班主任的教导，同学的帮助与陪伴以及父母无私的支持。
首先，我非常要感谢的是我本次毕业设计的指导老师，老师在我大学的最后学习阶段给了我重要的指点，他点明了我学习的方向。田老师对我的进度的要求并不很苛刻，这给了我更多自己思考的时间，我觉得这对我的整个学习过程来说很重要。在此，我要向老师表示我诚挚的谢意。
其次，我也要感谢我的各位任课教师，是他们将自己的知识无私的教授给我们，尤其是专业课的知识和在电厂中实际的运行知识。我还要感谢我的两任班主任老师，他们在我迷离的时候，耐心的开导我，指引我前进的方向。正是由于这些无私付出的老师们，我才能成为现在的我，才能在毕业季的时候微笑着回首这四年。在此，我也向这些老师们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师们桃李满天下。
同时，我还要感谢我的同学们，是他们在班级中一直的努力给了我前进的动力，也是他们在我学习遇到问题的时候给我恰如其分的指导，在我迷失方向的时候陪我聊天开导我。和他们成为同学是我的荣幸。
最后，我想感谢我的父母。在我填报志愿的时候，父母就给予了我极大的自由；在我入学之后，他们就变为了倾听者，在每一个关键的节点上，充分的倾听我的想法，给我他们的看法但是并不强迫我去按照他们的想法过我自己的人生。正是这样，我才能真正的活出自己的人生，才能在今后遇到问题的时候可以有条不紊的处理。
毕业设计到此就真的结束了，通过本次设计，我不仅了解了协调控制系统的原理，解耦控制器的设计，系统的仿真，PID 的调节，学习了原理结构图、仿真方框图的画法、Matlab 和Simulink 的使用，也锻炼了自主学习的能力，学习了使用文献的能力。更重要的是，通过毕业设计，我更清楚的认识了自己，磨炼了自己的意志力，这会为我日后的工作和生活带来极大的帮助。
再次感谢在我大学四年中给予过我帮助的所有人。
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