单元机组协调控制及MATLAB仿真.doc

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1、二六年六月毕 业 设 计(论文) 院 系控制科学与工程学院专业班级自动化024 学生姓名陈利芳指导教师牛玉广 毕业设计(论文)单元机组协调控制及MATLAB仿真题 目 题目 Unit Coordination Controland MATLAB Simulation院 系专业班级自动化 024学生姓名指导教师二六年六月华北电力大学毕业设计(论文)评定表学生姓名陈利芳专业及班级热自024毕业设计(论文)题目单元机组协调控制及MATLAB仿真指导教师评语建议成绩 指导教师签字 年 月 日评阅人意见评阅人签字 年 月 日答辩小组成员签字姓 名职 称单 位答辩小组评语组长签字 年 月 日答辩委员会结论

2、总评成绩:答辩委员会主任签字 年 月 日毕业设计(论文)起止时间： 年 月 日至 月 日毕业设计(论文)答辩时间： 年 月 日华 北 电 力 大 学毕业设计(论文)任务书所在院系 自动化 专业班号 热自 024 学生姓名 陈利芳 指导教师签名 牛玉广 审批人签字 毕业设计(论文)题目 单元机组协调控制及MATLAB仿真 2006年2月20日一、毕业设计(论文)主要内容1、查阅相关文献资料，了解单元机组协调控制现状及进展；2、建立单元机组数学模型，分析负荷对象的动态特性；3、设计机组的不同种类的协调控制方案；4、用7种不同的协调控制方案和2组模型进行SIMULINK仿真试验;5、阅读并翻译外文文

3、献。二、基本要求（黑体四号字）1、通过参考资料的设计，了解单元机组协调控制系统的组成及研究意义、现状和最新发展；2、独立完成毕业设计任务书提出的主要内容；3、掌握单元机组的数学模型；4、掌握利用MATLAB实施控制系统仿真的基本方法；能根据机组的情况选择不同的协调控制系统方案，设计协调控制系统并进行仿真；5、通过整个研究设计工作，掌握从事工程技术工作时分析问题解决问题的一般思路和基本方法；6、熟悉协调控制系统外文术语，能阅读外文文献；7、通过阅读相关文献资料和撰写毕业论文，了解科技论文的基本撰写模式。三、设计(论文)进度序号设计项目名称完成时间备注0论文选题寒假前指导教师与学生见面，布置收集资

4、料的任务1提交检查并充实假期资料的收集情况第1周参考文献（包括与课题相关的教材、专著、期刊、论文集、学位论文、会议论文等）、（不少于15篇）2指导教师下达任务书第2周参考资料及文献由学生按规范模式填写，其他部分由教师填写或打印。3提交文献综述2-3周（不低于2000字，A4纸双面打印）4提交本课题要研究和解决的问题和拟采用的研究手段2-3周依据课题及任务书撰写5通过开题报告，正式开题。3周指导教师填写对“文献综述”的评语及对前期工作情况的评价6提交译文9-10周30005000字。7中期检查13周分答辩小组组织中期检查。学生汇报论文进展情况及前期相关工作的完成情况，由指导教师填写中期检查表，答

5、辩小组给出中期评定成绩。所在专业集中填写意见“同意答辩小组意见”。8论文审核15-16周指导教师审核论文初稿。9论文修改、完善、装订。17周封面-毕业设计论文评定表-毕业设计论文任务书-中文摘要-外文摘要-目录-正文-设计图纸说明-致谢-参考文献-附录（原文、译文-封底）。每部分的撰写参考“毕业论文的撰写规范及要求”求进行。10论文答辩18周设计(论文)完成时间： 2006 年06月20-22日设计(论文)答辩时间： 2006 年 06月24-25日四、参考资料及文献1 刘吉臻.协调控制与全程给水.水利电力出版社，1995.112 李遵基.给水全程与协调控制.华北电力学院，19913 张玉铎，

6、王满稼.热工自动控制系统.水利电力出版社，19904 韩璞，刘长良，李长青.火电站仿真机原理及应用.天津科学技术出版社，19985 罗作桢.机炉协调控制系统评述.自动化博览，1998，（4）：376 郑昶，曹在基.DEB协调控制系统.动力工程，1989，（4）：197 陈允济，易凡.国产300MW汽包炉机组炉跟踪协调控制系统仿真试验.热力发电，1996，（2）8 孙万云，李国宝.330MW机组协调控制系统分析与实验研究.华北电力学院学报.1995，22（2）：57629 施海平，金建新.提高协调控制系统调节品质的研究.中国电力.1998，（11）：586110 李立平.单元机组协调控制系统分析

7、与仿真：硕士学位论文 .华北电力大学动力工程系，200011侯子梁对国外两类单元机组协调控制系统评述电站设备自动化12 顾晓东，徐耀文电厂热工过程自动调节电力工业出版社，1981年 1版13 张建华，侯国莲，杨黎300MW火电单元机组协调控制系统的解耦研究.现代电力.1998,514 王淼孜火电机组协调控制对AGC的适应性分析，中国电力，1999(6):45-4715 张法文引进的30MW,10MW机组协调控制系统分析电力技术1991 24 ( 4 ): 6-1216 王力单元机组协调控制系统控制策略探讨湖北电力199721(4):22-24 五、附录另附一篇与论文相关的外文文献及翻译。单元机

8、组协调控制及MATLAB仿真摘 要本文以单元机组协调控制系统为研究对象。简要介绍了火力单元机组协调控制系统的基本概念；协调控制系统的主要功能；结合协调控制系统的工作原理图对协调控制系统的工作原理给以了较详细的介绍；另外还重点介绍了协调控制系统的分类。介绍了协调控制系统数学模型的分析意义，基于机理建模方法在把汽包锅炉单元机组简化为一个具有双输入、双输出的被控对象以及在做了一些合理假设的前提下，通过把单元机组分为炉内燃烧与传热过程、管道传热过程和汽机做功过程三部分，给出了机组动态传递函数的简化模型。对当今国内外多种典型协调控制方案的构成及工作机理进行了分析，并用基于控制系统研究的软件平台MATLA

9、B的 SIMULINK 进行试验仿真，并分别输出在压力定值扰动和功率定值扰动下的仿真曲线。并且使用SIMULINK设计了一个小软件包使其能够对不同单元机组模型、不同协调控制方案进行选择、仿真，并输出压力定值扰动和功率定值扰动下的仿真曲线。 关键词：协调控制 机组模型 SIMULINK仿真AbstractThis paper takes unit coordination control system as object of study. It briefly introduces the firepower unit coordination control systems basic co

10、ncept, main function; unified the coordination control systems work schematic diagram the detailed introduction to the work principle of coordination control system is given. Moreover also with emphasis it introduces the coordination control systems classification.The mathematical model analysis sig

11、nificance of coordination control system is introduced; based on the mechanism modeling method as well as under some reasonable supposition premise the steam drum boiler unit is simplified to be a double input, output accusation object; through divided into the unit to be the stove internal combusti

12、on and the heat transfer process, the pipeline heat transfer process and the steam engine acting process three parts, the unit dynamic transfer function simplification model is given.Many domestic and foreign kinds of model coordination control plan constitution and the work mechanism to now are ana

13、lyzed, and based on control system research software platform MATLAB SIMULINK experimental simulation is carried, and simulation curve is output separately under the pressure definite value perturbation and the power definite value perturbation. And used SIMULINK a small software package is designed

14、, which enable to choice the different unit models and the different coordination control plans, to simulate, and to discharge the simulation curves under pressure definite value perturbation and power definite value perturbation.Key word: Coordination control Unit model SIMULINK simulation目 录摘 要IAb

15、stractII1前 言11.1题目背景11.2协调控制系统现状11.3本文主要内容22协调控制系统分析32.1协调控制系统基本概念32.2 协调控制系统基本功能42.3 协调控制系统工作原理42.4协调控制系统（CCS）分类52.4.1 按照系统反馈回路性质分类62.4.2 按照前馈信号性质分类83 协调控制系统数学建模93.1协调控制系统数学模型的发展史93.2协调控制系统数学模型分析93.3协调控制系统被控对象模型103.3.1炉内燃烧与传热过程113.3.2管道传递过程123.3.3汽轮机做功过程134 协调控制系统的SIMULINK仿真164.1仿真的提出及意义164.2 MATLA

16、B仿真工具 SIMULINK164.2.1 SIMULINK概述164.2.2 SIMULINK建模方法174.2.3 仿真与分析174.3 协调控制系统的仿真研究184.3.1 基本PID 控制方案194.3.2以锅炉跟随为基础的协调控制方案（1）204.3.3以锅炉跟随为基础的协调控制方案（2）224.3.4以汽机跟随为基础的协调控制方案254.3.5 DEB300协调控制方案274.3.6 DEB400协调控制方案314.3.7 以为前馈信号的协调控制方案35软件包设计说明40结 论41致 谢42参考文献43附录AI附录BXIII1前 言1.1题目背景 单元机组的控制系统是一个复杂的多输

17、入输出系统，它们相互依赖、相互制约，一个参数的变化往往会引起其它多个参数的变化，比如机组负荷变化会引起主蒸汽压力、汽包水位、主蒸汽温度等一系列变化，甚至产生较大的波动，只有机炉在响应电网负荷要求时进行协调工作，充分利用前馈、反馈技术，才能保证机组在满足电网负荷变化要求的同时，更好地维持机组参数的稳定，确保机组的安全经济运行。近年来，随着电网容量的扩大及对电能质量要求的提高，电力系统对AGC的要求日益迫切，而协调控制系统的开发和应用不仅为单元机组实现 AGC控制提供了前提和保证，也为单元机组故障时运行人员进行正确的操作和处理提供了有效手段，并提高了单元机组的自动控制水平，减少了运行人员的操作，减

18、轻了运行人员的劳动强度,达到了减员增效的目的。协调控制系统的开发和应用使得建模与仿真显得日益重要；而在能源领域，深入研究重大发电设备的动静态特性一直是国内外学者的重要研究方向。近年来，国内外许多学者对单元机组模型进行了很多的研究，并取得了很多的成果。有代表性的是瑞典学者 Karl Astrom，他对一台 160MW 的燃油机组进行了详细研究，得到了用于描述机组特性的一组代数微分方程。除此之外，McDonald et al.、Chawdry and Hogg、Rubashkin and Khesin 、F.P.de Mello 、Gorden pellegrinetti and joseph b

19、entsman 等人近年来对锅炉模型也进行了较详细的研究。国内学者对火电机组或工业过程动态模型也进行了大量的研究，比较有代表性的是清华大学的倪维斗、李天铎，东南大学的章臣樾，华北电力大学的高镗年等。其中一些模型被用在仿真机上，用于仿真培训，另外一些主要用于学术研究，专门用于控制研究的却很少。 尽管国内外对机组动态模型的研究很多，而到目前在公开文献上还没有一个很理想的协调系统模型。特别是这些研究成果的通用性很差，要想使用别人的研究的模型，首先要弄清楚模型的建立机理，各系数的含义及计算方法，模型的使用方法等，这使得模型不易于推广使用。研究控制系统的性能时，往往只需要知道模型的输入输出、动态响应、各

20、变量之间的耦合关系及使用方法，而不想了解建模的机理及模型的结构等具体问题，为此，有必要采用一个通用性较好的平台建立较为详细的机组模型，建模的时候可将模型的具体结构及参数封装起来，只提供模型的输入、输出及其系数。1.2协调控制系统现状从协调控制系统的发展状况来看，国外由于电力发展起点高，计算机控制技术发展早、水平先进，因此单元机组协调控制系统的发展较早也很快，到80 年代末，协调控制系统基本上得到了成熟的应用,很多单元机组实现了机基本、炉基本、机炉协调、手动等控制方式及它们之间的无扰切换，投入了负荷的迫升、迫降和 RB、SUTDOWN 等功能。我国由于电力发展起点低，计算机控制技术发展相对落后，

21、协调控制系统从 90 年代初期才开始在少量的进口机组上进行应用，整体控制策略全部是引进的技术。随着集散控制系统在我国的引进应用和研制开发，到了 90 年代末期，协调控制在我国 200MW 以上机组进行大范围的应用，但由于受到电力发展总体水平的制约，协调控制系统在部分电厂应用的情况还不是很好，功能还不是很完善，还存在一些问题，需要不断的完善和提高。传统意义上的协调控制有两种划分方式：一种是根据系统发展的基础按照机跟炉、炉跟机的方式来划分；另一种是从能量平衡的观点出发，将协调控制系统分为直接能量平衡(DEB)、间接能量平衡系统(IEB)两大类。协调控制的本质就是维持机组在运行过程中机炉之间供需能量

22、的平衡。通常把机前压力作为锅炉输出能量与汽机需求能量之间平衡的特征参数。又由于能量信号不便于直接测量，基于能量平衡的协调控制系统往往采用一些间接的参数表征这种平衡关系。从目前工程领域的应用来看，无论是直接能量平衡协调控制系统还是间接能量平衡协调控制系统都属于近似解耦设计方法范畴。1.3本文主要内容本文在参阅大量国内外参考文献基础上，根据自己的所学的一些专业课知识主要作了以下几个方面的工作：一) 协调控制系统简介 简要介绍了火力单元机组协调控制系统的基本概念；协调控制系统的主要功能；结合协调控制系统的工作原理图对协调控制系统的工作原理给以了较详细的介绍；另外还重点介绍了协调控制系统的分类， 1）

23、按照系统的反馈回路性质分为：锅炉跟随控制方式、汽机跟随控制方式和机炉协调控制方式； 2）按照前馈信号的性质分为：间接能量平衡（IEB）协调控制系统和直接能量平衡（DEB）协调控制系统。二) 协调控制系统的动态数学模型分析 本章中，首先介绍了协调控制系统动态数学模型的历史及其发展，接着介绍了协调控制系统数学模型的分析意义，然后重点阐述了协调控制系统的原理模型，即基于机理建模方法，通过把单元机组分为炉内燃烧与传热过程、管道传热过程和汽机做功过程三部分，给出了机组传递函数的简化模型。三) 协调控制系统控制算法研究 本章中，对当今国内外多种典型的协调控制方案的构成及工作机理进行了分析，并用基于控制系统

24、研究的软件平台MATLAB中的 SIMULINK 进行仿真试验，并分别输出在压力定值扰动和功率定值扰动下的仿真曲线。并用SIMULINK设计了一个小的软件包，使其能够对不同单元机组模型、不同协调控制方案进行选择、仿真，并输出压力定值扰动和功率定值扰动下的仿真曲线。 2协调控制系统分析2.1协调控制系统基本概念 从大系统理论观点出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略。大系统是由若干相互关联的子系统组成的复杂系统，应用大系统理论处理这类庞大复杂系统的控制问题的基本方法就是分解协调的方法。其中最普遍的形式是一种递阶的结构，如图2-1：协调控制级上的协调控制器要对下一级中的若干控制器进行协调

25、。协调的过程是一个多目标决策的过程，也是一个全局优化的过程。但是协调并不等于最优化，而是一个比最优化更为复杂的问题。迄今为止还没形成一种完善的协调理论。其主要困难在于人们对很多复杂的控制系统中的相互关联还认识不足，缺乏行之有效的协调方法和技术。针对具体受控系统特点和控制指标要求，选择的协调方式成为最切实可行的方法。图2-1 递阶控制系统结构框图 协调控制系统 CCS（Coordinated Control System）是大型单元机组普遍采用的一种先进的控制方案。单元机组控制的主要任务是能够适应电网负荷要求，快速改变机组负荷，维持机组内部参数在额定值范围内。单元机组协调控制系统是在常规的机炉局

26、部控制系统基础上发展起来的新型控制系统。常规的机炉控制系统由一系列相对独立的局部控制回路构成，结构简单，功能单一，适应机组不同运行方式和工况的能力较差。单元机组协调控制系统是把锅炉和汽轮发电机组作为一个整体进行控制，采用了递阶控制系统结构，把自动调节、逻辑控制、连锁保护等功能有机的结合在一起，构成一种具有多种控制功能，能满足不同运行方式和不同工况下控制要求的综合控制系统，即当机组负荷需求改变时，使锅炉和汽机局部控制子系统同步地参与功率及汽压控制。其中CCS（自动调节方案）的设计与实施需建立在机炉对象特性的基础上，采用合理的控制策略，以实现过程的多目标优化，提高系统控制品质。单元机组协调控制系统

27、可以认为是一种二级递阶控制系统。处于上位级的机炉协调级，也叫做单元机组主控系统，是整个系统的核心部分。处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制系统，汽轮机功率/频率调节系统，以及直流锅炉的给水控制系统。单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令。局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务。2.2 协调控制系统基本功能随着电网运行自动化水平的提高，实现整个电网自动调度与管理已势在必行。以单元机组协调控制系统为基础，构成整个电网级的协调控制和优化管理系统，已成为电力生产自动化的发展趋势。简单说，对单元机组协调控制系统的功能要求主要有以下几点：1）能接受

28、中调来的负荷指令信号，实现自动发电控制（AGC），也能在控制室内由值班员改变负荷指令；2）在满足电网负荷变化要求的同时，能保证单元机组本身运行的稳定即保证机前压力在较小幅度范围内变化；3）有机组负荷最大值和最小值的限制措施，保证机组在安全范围内运行；4）在机组发生局部故障时，实现负荷闭锁增、闭锁降、迫升、迫降以及保持功能，避免机组因局部故障引起机组全停；5）严密的逻辑控制系统能根据机组运行的不同要求，进行控制方式的切换，切换是无平衡，无扰动的。 综上，单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统。该系统把自动调节，逻辑控制，安全保护，监督管理溶为一体，具有功能完善，技术先进，可

29、靠性高等特点，满足大型单元机组控制的需要。需要指出，目前广泛应用的单元机组协调控制系统中，控制规律仍属于经典控制规律的范畴。系统分析设计和综合的方法多采用多变量频域法和常规的工程方法。近年来，现代时域的和频域的控制理论方法在单元机组协调控制系统的设计综合方面已有不少的研究果，并越来越多的应用于解决工程实际问题。另外，随着科学技术的飞速发展，将智能控制算法应用的单元机组的控制中，以替代常规的 PID 控制是很值得应用和研究的。2.3 协调控制系统工作原理协调控制系统是由负荷指令处理回路和机炉主控制回路两部分组成。负荷指令处理回路可以接受3个负荷指令信号，分别是电网调度负荷指令信号、电网频差信号和

30、值班员改变负荷的指令信号。它们的总和反映了外界对机组负荷的要求。机组功率运算回路将这个负荷要求处理成为机组可能接受的功率信号。机组能否接受这个指令还要由机组允许负荷能力运算回路决定，允许负荷能力取决于当时的主要辅机运行台数及锅炉燃烧率的偏差。若负荷要求在机组所能承担的允许范围内，则可按负荷要求发出机组功率指令，否则，按机组允许负荷能力发出机组功率指令，这个任务由限制回路（图 2-2 中高值限幅器）完成。经上述运算处理后的机组功率指令（功率给定值）分别送往锅炉调节器和汽机调节器。机炉主控制回路由锅炉调节器和汽机调节器组成，它们同时接受功率偏差（)和汽压偏差（)信号。稳定工况下，实发功率 等于功率

31、给定值 ，机前压力 等于压力给定值 。当要求负荷增加时，将出现一个正的功率偏差信号（)，此信号通过汽机调节器开大调节阀，增加实发功率，同时，这个信号也作用到锅炉调节器，使燃料量增加，增加蒸汽量。当调节阀增大时，会立即引起机前压力的下降，尽管此时锅炉已经开始增加燃料量，但由于燃料机前压力通道有一定的惯性，这时仍然会有正的压力偏差（)信号出现。这个信号按正方向作用到锅炉调节器，继续增加燃料量，同时反方向作用到汽机调节器，力图使汽压恢复到正常数值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结果，会使调节阀开大到一定程度后停止。这时汽机实发功率还没有达到功率给定值，这种状态只能是暂时的，因为正的功率偏差

32、信号与负的汽压偏差信号同时通过锅炉调节器使锅炉增加燃料量，随着机前压力的逐渐恢复，压力偏差信号逐渐减小，这时汽机调节阀在正的功率偏差信号作用下继续开大，提高实发功率，直到功率和汽压均与其给定值相等，机组达到新的稳定状态。 图 2-2 协调控制系统工作原理图可见，在机组适应电网负荷变化的过程中，协调控制方式允许汽压有一定的波动，以便能充分利用锅炉的蓄热量，使机组较快地适应电网的负荷要求。但这里利用锅炉蓄热量是有限的，因为在控制过程中利用负的压力偏差能适当地限制汽机调节阀的动作，保持机前压力不致产生过大的偏差，所以，协调控制方式既能使机组较快地适应电网的负荷要求，又能确保汽压的波动在允许的范围之内

33、。另外，由于锅炉调节器接受功率偏差前馈信号，能迅速地改变燃料量，可使机组功率较快地达到功率给定值。2.4协调控制系统（CCS）分类对于协调控制系统的分类，主要从以下几个方面进行：2.4.1 按照系统反馈回路性质分类1）锅炉跟随控制方式 图 2-3 锅炉跟随控制方式当外界负荷需求变化时，首先改变汽机调节汽门的开度 ，以改变进汽量，使机组输出功率与外界负荷需求相适应。此时就势必造成机前压力偏离额定值。锅炉依据机前压力偏差调整燃烧率和给水量，以消除主蒸汽压力偏差，达到新的能量平衡。这种方式称为汽机保持负荷，锅炉保持压力方式，也称为汽机基本、锅炉跟随方式。这种运行方式的特点是机组响应外界负荷的速度快，

34、而这种快速响应是利用机前压力的波动获得的，即利用锅炉蓄热量。单纯的炉跟机控制过量的使用了锅炉蓄热。大型机组，由于锅炉相对蓄热量减小，在负荷指令变动较大时，机前压力将产生较大的波动，而影响机组的安全正常运行。在对机组负荷指令的幅度和变化速度加以限制后，这种负荷控制方案适用于电网调频机组。2）汽机跟随控制方式 图 2-4 汽机跟随控制方式当外界负荷需求变化时，首先改变锅炉负荷。当主蒸汽压力产生额定偏差时，调节汽轮机调节器门开度，维持汽轮机机前压力恒定。这种方式简单地称为锅炉保持负荷、汽机保持压力的方式，也称为锅炉基本、汽机跟随的方式。该运行方式下，由于机组功率对燃料量响有较大的惯性和延迟，因此，机

35、组对外界负荷响应较慢，但主蒸汽压力由汽机控制器以汽机调门开度来保证，所以其稳定性好，这对于机组的安全运行十分有利。机跟炉控制方式完全没有利用锅炉的蓄热，这种方案只用于承担基本负荷的单元机组。3）机炉协调控制方式上述两种负荷控制方案，无论是锅炉跟随，还是汽机跟随都不能达到即快速响应外界负荷要求，又保证主汽压力波动较小的基本要求。原因是在锅炉和汽机之间是否保持平衡又借助于汽压信号，而该信号呈现很大的惯性，使得在动态过程开始时，机炉之间的不平衡状态迟迟不能消除。为克服锅炉跟随方式下过多调用蓄热而导致汽压的较大波动和汽机跟随方式下不调用蓄热而导致负荷响应过慢的缺点，出现了机、炉联合控制的策略，其示意图

36、如图 2-5 所示。图2-5机炉协调控制方式本方案，功率信号（），压差信号（）同时作用到汽机控制器和锅炉控制器，以便在实际负荷和主汽压力偏离给定值时，机、炉同时协调动作。其工作过程是：当外界负荷要求增加时，负荷指令增大，正的偏差信号（）通过汽机控制器开大调节气门，增大进汽量，机组实发功率增加；与此同时，该偏差信号也作用于锅炉控制器，增大燃料量，以及与之相应的送风量、给水量等，以增加进汽量。当汽机调节汽门开大时，会立即引起机前压力的下降，尽管此时锅炉已开始增加燃料量，但由于主汽压的大惯性，这时仍然会有正的压力偏差（）出现。该信号正方向作用于锅炉控制器以继续增加燃料量，同时反作用于汽机调节器，抑制

37、汽机调节汽门开度的增大，力图使汽压回到给定值。正的功率偏差信号和负的压力偏差信号作用的结果，会使调节汽门开大到一定程度后停止，这时实发功率尚未达到负荷指令的要求值，但这仅是暂时的，因为正的功率偏差信号和负的压力偏差信号同时通过锅炉控制器增加燃料量，随着机前压力逐渐恢复，压力偏差逐渐减小，汽机控制器在正的功率偏差信号作用下继续开大调节气门，提高实发功率，直到功率和汽压均达到新的稳定状态。可见，采取机、炉联合控制方案后，机组在快速响应外界负荷要求时，允许汽压有一定的波动，以便充分利用锅炉的蓄热。由于锅炉蓄热是有限的，将负的压力偏差引入汽机控制，适当地抑制调节汽门的动作，使汽压不至于产生过大的偏差。

38、这种汽机调节阀和锅炉调节阀在外界负荷需求变化时同时动作，有利于动态过程中机、炉的能量平衡。2.4.2 按照前馈信号性质分类1）间接能量平衡（IEB）协调控制系统间接能量平衡（IEB）协调控制控制系统是把机前压力作为机炉之间能量是否平衡的标志，并以此进行控制。当机炉之间的能量供需出现不平衡时，将导致偏离给定值，出现压力偏差。根据采取必要的控制手段。如改变锅炉的能量输入（炉跟机方式），或者调整汽轮机的负荷（机跟炉方式），最终达到新的平衡。由于机前压力并不真正代表能量，而是一个表征能量是否平衡的参数，因而是一种间接能量平衡的控制策略。另外，由于机前压力表征能量平衡总存在一定的惰性，会使调节作用不够即

39、时，为克服这一缺点，采用引入前馈作用的办法，譬如机组功率定值前馈信号，以便提前给出一定的控制量以适应外界负荷的需求。2）直接能量平衡（DEB）协调控制系统直接能量平衡（DEB）协调控制系统是一种以汽轮机能量需求信号直接对锅炉输入能量进行控制的协调控制系统。这种协调控制方式最早是由美国公司于1955年提出的，经过不断的完善与改进，已形成一类特定的协调控制系统策略，并在工程领域得到了广泛的应用。其基本出发点是在任何工况下均保证锅炉能量的输入与汽轮机能量的需求相平衡。这类控制系统的特点是：1）机组的功率由汽机调节汽门进行控制，具有炉跟机控制方式的特点，即机组对外界负荷的响应性好。2）采用了一个代表汽

40、轮机组能量需求的信号。这个信号作为机炉之间的协调信号，或称为能量平衡信号，控制锅炉的输入能量，保证任何工况下机组内部能量供需的平衡。直接能量平衡协调控制系统的结构形式和方案也有许多种，在本文的第四章中有较详细的说明。3 协调控制系统数学建模3.1协调控制系统数学模型的发展史Bell 和 Astrom 最早在 1955 年给出了一个基于 P16/G16 机组的协调控制数学模型。该机组为一个汽包式燃油 160MW 的汽轮发电机组。这个数学模型是一个低阶的 MIMO 非线性模型，该模型是通过理论分析和实验修正的方法得到的，并成功地在实际运行机组上得到验证。简化的非线性模型可由下例微分方程描述：，式中

41、状态变量 为汽包压力，为实发电功率，为锅炉燃料量指令，为汽机调节阀开度，为给水调节器输出指令。Bell 和 Astrom 的数学模型被大量地采用，以用于设计和评价基于非线性模型的现代控制器。随着控制理论及汽轮发电机组的发展，该模型已经显示出它的局限性。这主要体现在：1）该模型未充分体现锅炉过程中的大时间迟延，因此在此基础上设计与评价的控制器具有一定的局限性。2）它不是一个通用的协调控制系统的数学模型，因此该模型的概念难以扩展到类似的机组上。FPde Mello 在 1991 年给出了一个通用的大型单元机组的协调控制系统的非线性模型。该模型结构为一个低阶非线性模型。根据这个非线性模型结构可以方便

42、地将数学模型扩展到其他类似的机组上。FPde Mello 的数学模型定义了协调控制系统对象的两个非线性特征： 1）汽包压力和主蒸汽压力的压力降同汽包出口蒸汽流量之间存在着平方根关系； 2）主蒸汽流量同汽轮机调节阀通流面积和主蒸汽压力的乘积成比例关系。更多的关于协调控制系统建模的文章主要是从具体的控制方法着手。Wataro shinohara 在 1996 年描述了一个超临界直流炉机组的简化状态空间模型，该模型被用于设计一个非线性控制器。Bruce P.Gibbls 在 1991 年描述了一个燃煤机组的非线性模型，该模型被用于构造一个多变量的非线性的模型预测控制算法。Jochen Ohl 在19

43、96年介绍了利用神经元网络的分散动态方法辨识机组非线性模型的应用实例，并给出辨识结果对比结论。3.2协调控制系统数学模型分析单元机组协调控制系统把机炉设备作为一个整体进行控制，受控过程十分复杂。影响机组动态特性的因素除了其内在的物理结构属性以外，还与机组的运行方式、运行工况、外部环境等因素有关。一般说来，单元机组的动态特性是本质非线性的，并具有分布参数和时变特性。对单元机组动态特性的精确描述目前还难以得到。只有通过合理的简化与近似处理，采用机理分析（理论建模）或实验的方法（系统辨识），能够建立起来满足一定精度要求的动态特性数学模型。常用的协调控制系统的动态模型一般采用对非线性模型的某一特定工作

44、点进行线性化而得到。由于这种线性化模型无法体现系统的非线性特性，因此利用这种工作点线性化的模型来验证协调控制系统的有效性是片面的。近年来较多的研究集中在构造一种通用的协调控制系统非线性动态仿真模型上。分析协调控制系统数学模型的意义是多方面的。首先，一个具有良好复现实际运行机组特性的数学模型能够更好地用于评价协调控制系统的性能；其次，数学模型的分析肯定将涉及到机组的机理分析，这将有利于建模中引出新的系统设计方法；详尽的数学模型分析利于建立一个复现性较好的锅炉汽轮机全数字仿真机模型。3.3协调控制系统被控对象模型单元机组动态数学模型包括的内容很多，本论文只讨论单元机组协调控制系统设计所涉及的部分。由于单元机组的结构形式和种类不同，其动态数学模型的结构和参数也不相同。工程上需要针对具体的机组特性，在合理的简化的基础上，根据机组的最基本的特点，建立所需要的动态数学模型。单元机组协调控制系统的被控对象是一种存在强耦合、复杂的多变量系统。受控过程是一个多输入、多输出的过程，并在输入与输出之间存在着交叉的关联和耦合。汽包锅炉单元机组一般可简化为一个具有双输入双输出的被控对象，如图3-1所示。图中，机组的输出功率N和机前压力为被控对象；主汽门调节阀开度