《分析系统的耦合程度及解耦的方法课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分析系统的耦合程度及解耦的方法课件.ppt（28页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第十章多变量控制系统,第六节直流锅炉自动控制系统,第五节直流锅炉控制系统基本方案,第四节直流锅炉动态特性,第三节直流锅炉的特点,第二节 解耦控制系统设计,第一节 多变量被控对象,第一节多变量被控对象,一、多变量被控对象的概念：,对于一个具有n个被调量和n个调节变量的生产过程被控对象(如图10-1所示)，其输入输出特性可由矩阵方程表示：,Y=WU,式中：,传递矩阵W 中的元素Wij为被调量yi与调节变量uj的传递函数。若Wij 0，则表明yi不受uj作用影响。,若对象的传递矩阵W可表示为对角形矩阵，则称之为无耦合对象。若对象的传递矩阵W可表示为三角形矩阵，则称之为半耦合对象。,若对象的传递矩阵W
2、中每一行和每一列均至少有两个元素不为零，则称之为耦合对象或多变量相关对象；以下简称多变量对象。,WT1,WT2,+,-,+,-,g1,g2,u1,u2,y2,y1,W22,W12,W11,W21,图10-2 22系统方框图,图10-2所示为系统的方框图，对象的输入输出特性为：,设系统2调节过程为理想状态,即y2 基本不变,y2(s)0,则系统特性可表示为：,不难解得，系统2闭环后，u1y1之间关系为：,显然系统2闭环之后，由于交叉通道的存在所产生的耦合作用，改变了u1y1之间的特性，因此，多变量被控对象各变量相互关联，必须从整体上加以综合分析，分析系统的耦合程度及解耦的方法。,二、Bristo
3、l矩阵及相关性分析：,在对系统的相关性进行分析时，Bristol方法作为一种简便而有效的方法，在工程实践中广泛应用，此方法的关键在于对各变量进行相对增益分析。由以上22系统的分析可以看出，耦合作用的存在改变了调节通道的特性，而耦合作用发生在相关通道的闭环状态下。相关性分析可表现在分析耦合作用对各调节通道特性的影响。以下从静态角度分析系统的相关性。,1、Bristol矩阵：,对于nn系统，其对象各变量的静态关系可由矩阵方程表示：,对此系统，定义：调节变量uj作用于被调量yi 的通道为uj yi 通道。,对于被调量yi，当除uj外其他调节变量均保持恒定不变的情况下，uj yi 的放大系数称作第一放
4、大系数，记作，即：,对于被调量yi 当除yi 外，其他被调量均处于闭环控制状态，且保证无静差时，uj yi的放大系数称作第二放大系数，记作，即：,对于uj yi 通道，第一放大系数与第二放大系数的比值称作uj yi 通道的相对增益，记作ij，即：,若将各通道的相对增益排成矩阵形式，即：,则矩阵称为Bristol矩阵或相对增益矩阵。,2、相关性分析：,经理论推导，可得如下结论：,（1）ij1时，通道不受耦合作用的影响。（2）0ij 1时，uj对yi 的控制作用与耦合作用方向相同，耦合作用增大了uj yi之间增益，使系统的稳定性下降。（3）ij1时，uj对yi 的控制作用与耦合作用方向相反，耦合作
5、用减弱了uj yi 的控制作用。若ij=0，即耦合作用与控制作用相互抵消，uj失去对yi 的控制作用。（4）ij0时，耦合作用已大于控制作用，与 异号，即耦合作用改变了uj对yi的作用方向。,以上的分析，为变量的配对选择提供了依据，即尽可能选择相对增益ij等于或接近于1的调节变量与被调量作为配对，若各调节通道的值越接近1，则系统间耦合越小。若配对结果使各调节通道的相对增益均为1，则系统为无耦合或半耦合的，无需解耦。千万不要采用ij为负的uj与yi 作为配对，这时当其他系统改变开环或闭环状态，此子系统将丧失稳定，由负反馈变为正反馈。,第二节解耦控制系统设计,对于多变量控制系统，通过变量的配对选择
6、，可降低各回路间的耦合。然而若经配对选择，仍存在严重的耦合，则需考虑解耦设计，解耦设计的基本原理在于设置一个补偿网络，用以抵销存在于各回路间的关联，以使各被调量能实现单变量控制。下面以串联补偿法和反馈补偿法为例进行简要介绍。,一、串联补偿法,图中W为被控对象的传递矩阵，C为解耦网络的传递矩阵，对于C的设计原则，要求使经其解耦后系统的等效对象的传递矩阵WE 为对角形矩阵，即：,(10-1),或：,显然网络C的选择不是唯一的。选择不同的解耦网络，所得到的等效对象WE也不同。,通常情况下，解耦网络需nn个补偿装置。为减少补偿装置CIJ 的数量，可令C中对角线元素的传递函数CIJ=1。这样可减少n个补
7、偿装置。由（10-1）式可得：,由于ij时Wei j=0，因此：,式中CIJ=1，由上式可得矩阵方程：,（10-2）,根据克莱姆法则，可解得：,可得解耦后等效对象WE 的各元素传递函数：,式中W传递矩阵W的行列式。,以上通过补偿网络的串联，使等效对象WE 成为对角阵，实现了各被调量的单变量控制。但是若调节变量中，任何一个发生扰动，仍将影响其他被调量。因此，按串联补偿法设计解耦控制系统时各调节系统应进可能采用串级系统，以利用副回路抑制系统的内扰。,二、反馈补偿法,采用反馈补偿法的解耦控制系统框图如图10-4所示：,由解耦网络A组成反馈解耦回路，由于调节器输出向量U和扰动向量M具有相同通道，因此反
8、馈解耦回路不仅能消除各通道间的相互关联，同时还能抑制系统的内扰，实现对内扰的不变性原理。,反馈解耦回路等效成串联解耦网络后，系统框图如图10-5所示：,由上图可得出：,由于 则：,式中：We解耦后等效对象传递矩阵：,考虑到解耦作用在于消除交叉通道间的关联，因此：可令A 的对角线元素aii=0。I 为单位矩阵，由此：,可得解耦后等效对象Ae 的各元素aeij的传递函数：,式中：|W|W 的矩阵行列式；|Wji|W 中元素Wji 的代数余子式。,第三节 直流锅炉的特点,随着锅炉朝着大容量高参数的方向发展，直流锅炉由于其自身的许多优点，而被日益广泛地采用。以下结合汽包锅炉的特点，介绍直流锅炉有关的一
9、些特点。,一、汽包锅炉的特点,汽包锅炉的汽水行程中，由汽包将炉内受热面分割为加热、蒸发和过热三段。其蒸发段由汽包、水冷壁、下降管和联箱组成小循环回路。循环倍率记作K：,式中：W1进入水冷壁的水流量；D1 水冷壁出口的蒸汽流量。,汽包锅炉的循环倍率K一般为1030，不同负荷下其循环倍率不同；负荷越大，循环倍率越小。,汽包在运行中除作为汽水分离器外，还作为燃水比（给水流量与燃料流量的比例关系）失调的缓冲器。当燃水比失去平衡关系时，利用汽包中的存水和空间容积暂时维持炉内的工质平衡关系。以保持各段受热面积不变。因此当汽包锅炉的运行状态用三个主要参数：汽包水位H、过热汽温和主蒸汽压力PM表示时，与三个主
10、要调节量：给水流量W、减温水流量W和燃料量M之间的关系用矩阵方程表示时可得：,可见上式中传递矩阵为上三角阵，因此汽包锅炉给水，汽温和汽压控制可采用单变量系统的分析方法，组成相互独立的控制系统。,二、直流锅炉的特点,直流锅炉属强制循环锅炉,一次工质给水泵压力经省煤器加热下辐射区湿蒸汽对流过渡区上辐射区对流过热区过热蒸汽汽轮机。可见,直流锅炉是由各受热面及连接这些受热面管道组成。其主要特点为：,(1)汽水流程中没有汽包和炉内小循环回路；(2)给水泵强制一定流量的给水进入炉内，一次性经历加热、蒸发和过热各段受热面，全部转变成过热蒸汽，循环倍率K始终为1，与负荷无关；(3)加热、蒸发和过热三段受热面没
11、有固定分界点，由管道内工质状态所决定；(4)要保证过热汽温为额定值，必须保持燃料量与给水流量之间比值关系不变；(5)由于汽温迟延很大，直流锅炉通常采用微过热汽温作为燃水比校正信号，微过热汽温变化的迟延远小于过热汽温；(6)保持一定燃水比例,维持微过热点汽温(或焓值)一定,以间接控制出口汽温。,由上式可以看出，蒸汽压力与微过热汽温构成多变量相关被控对象。由于减温水对蒸汽压力P和微过热汽温sl 没有影响，直流锅炉的汽温控制可按单变量系统设计。直流锅炉的另一个重要特点是蓄热系数小，因此直流锅炉对外界负荷扰动比较敏感。但蓄热能力小有利于主动快速改变锅炉负荷，适应电网的尖峰负荷。同时在直流锅炉中，工质流
12、动依靠给水泵压力推动，压力下降而引起水的蒸发不会阻碍工质的正常流动，因此直流锅炉允许汽压有较大的下降速度，这有利于有效地利用锅炉的蓄热能力。,综上所述，表征直流锅炉运行状态的三个重要参数：蒸汽压力P、微过热汽温sl 和过热汽温，与三个相应的调节变量燃料量M、给水流量W和减温水流量W之间的矩阵方程可表示成：,第四节 直流锅炉动态特性,从控制特性角度来看，直流与汽包锅炉主要不同点:燃水比例变化引起炉内工质储量变化,从而改变各受热面积比例。影响炉内工质储量的因素很多，主要有外界负荷，燃料流量和给水流量。对于不同压力等级的直流锅炉，各段受热面积比例不同。压力越高，蒸发段的吸热量比例越小，而加热段与过热
13、段吸热量比例越大。因而，不同压力等级直流锅炉的动态特性通常存在一定差异。,一、外部负荷扰动下直流锅炉动态特性,上图为外部负荷扰动下直流锅炉有关参数响应曲线。假定汽机耗汽量DT正比于调节阀开度T与蒸汽压力P乘积，在T 阶跃增加情况下，蒸汽流量Dgr阶跃增加。由于给水流量和燃料量没有变，使得蒸汽压力开始时以一定速度下降，蒸汽流量也逐渐回落至与给水流量相应的值，蒸汽压力则逐渐稳定。汽机功率的变化与蒸汽流量成比例，其增加的总能量来自锅炉金属和工质所释放的蓄热量。过热蒸汽温度在蒸汽流量增加之后，先以一定速度下降，随着蒸汽流量降至原来,的值而回升至原来的值。这反映锅炉燃水比例没有改变。即总蒸发量与各受热面
14、吸热量比例没有改变。,二、燃料量扰动下直流锅炉动态特性,t,上图为M扰动下直流锅炉有关参数响应曲线。在M阶跃增加的情况下，经过短暂迟延后，各受热面吸热量迅速增加，使蒸汽流量迅速增加（通常称之为附加蒸发量）。对过热段受热面来说，吸热量与蒸汽流量同时增加，而使得开始时过热汽温基本不变。由于给水流量没有改变，附加蒸发量使炉内工质储量减少，加热与蒸发受热面积减少，蒸汽流量经过一个峰值后逐渐减少，直至与给水流量相等。同时，过热段受热面的增加及炉膛发热量增加，过热蒸汽温度经过一端时间迟延后迅速上升，最后的明显偏差反映了燃水比例的变化。蒸汽压力首先是随着蒸汽流量增加而上升，随后虽然蒸汽流量逐步下降，但蒸汽温
15、度升高而造成蒸汽容积流量的增大，沿程压力降的增加而使蒸汽压力保持较大的偏差。,三、给水流量扰动下直流锅炉动态特性,t,给水流量扰动下直流锅炉动态特性如上图。由于水不可压缩，但蒸汽可压缩，因此，G阶跃，D有一定迟延和惯性；而过热汽温变化与M扰动相似，有较大迟延。G扰动最终改变各受热面积比例，过热汽温呈现较大稳态偏差反映燃水比例改变。D，造成蒸汽压力，之后由于温度下降而下降，最终由于工质总吸热量不变，而D 造成排汽损失而略低于扰动前的值。,四、直流锅炉微过热汽温动态特性,、燃料量扰动下微过热汽温动态特性,次高压直流锅炉,蒸发受热面比例较大，附加蒸发量比高压直流锅炉要多,而过热段较短,使微过热汽温在
16、初始阶段有所。同时,过热段较短又使得微过热汽温变化惯性小,经附加蒸发量影响之后,曲线很快趋于稳定值。随着压力等级的,提高，附加蒸发量减少，曲线逐渐无明显反向变化。而过热段的加长使惯性和迟延有所增加。,、给水流量扰动下微过热汽温动态特性,对于次高压直流锅炉，在给水流量扰动下，由于附加蒸发量较大，在初始阶段也有反向变化现象，随着压力等级，反向变化现象逐渐小，而惯性和迟延逐步。显然，燃水比例变化之后，微过热汽温变化迟延（通常100秒）比过热蒸汽温度变化的迟延（通常为400秒左右）要小得多，这对于控制直流锅炉燃水比例调节过程品质非常重要。另外，微过热汽温在给水流量扰动和燃料量扰动下具有相似的动态特性，
17、这对于直流锅炉实现解耦控制具有重要意义。,五、微过热汽温的选择,以微过热汽温作为燃水比校正信号时，其过热度的选择是非常重要的。从控制系统品质指标的角度考虑所取的微过热汽温过热度越小，迟延越小。然而，若焓值小于2847kJ/kg则曲线=f(h,p)进入明显的非线性区，汽温随焓值变化的放大系数明显减小，而受汽压变化影响很大，变得不稳定。经验证明，当微过热蒸汽的焓值选在2847kJ/kg左右时，其特性比较稳定。,第五节直流锅炉控制系统基本方案,直流锅炉自动控制主要任务:锅炉随时满足汽轮机对蒸汽量要求。保持锅炉Pm和稳定，保证燃烧过程的经济性与良好的工况。直流锅炉的蓄热量小，蒸汽压力等参数更容易受负荷
18、变化的影响。同时直流锅炉属于多变量相关被控对象，汽温控制与负荷控制之间存在关联，因此，直流锅炉负荷控制与汽温控制之间存在不同变量配对选择及解耦方式选择。,与汽包锅炉相比，直流锅炉汽温被控对象动态特性存在很大差异，其出口汽温更容易受到各种扰动影响。但对汽温影响最大的是作为调节变量的燃料量与给水流量之间比例改变。因此，保持锅炉燃水比例关系对于汽温控制是非常重要的。大多数直流锅炉控制采用分段调节法，即将汽温控制分成二段或三段（具有二级减温器）完成。首先由燃水比控制维持燃水比例不变，确保微过热汽温不变，使出口汽温的变化限制在一个较小范围，然后由汽温调节通过喷水减温的方法对出口汽温加以校正。,一、带固定
19、负荷直流锅炉控制系统方案,直流锅炉大多采用单元制运行方式，对于带固定负荷的单元机组，通常采用汽机跟随锅炉的控制方式。因此，带固定负荷直流锅炉控制系统通常采用以燃料量作为主动流量，调节锅炉负荷，以给水流量作为从动流量，跟随燃料量变化，保持燃水比例不变，调节微过热器汽温的配对选择方案。燃料量变化之后，由送、引风控制系统相应协调改变送风量与引风量，保证燃烧过程经济性及炉膛压力稳定。,由于机组采用汽机跟随锅炉控制方式，该方案中由单回路调节系统调节汽机调节汽门开度T，维持机前蒸汽压力PT为给定值Pg。考虑到汽机本身带有独立的调速系统，接受汽轮机转速信号，当电网频率f 变化时，改变汽门开度，维持汽轮机转速
20、，显然，这对于汽压稳定是不利的。因此，调节器PI1引入电网频率f 的微分信号，以抵销或减弱调速系统的动作，稳定汽压。,燃料量调节与给水流量调节均采用串级调节系统。PI2接受机组功率指令信号P0与机组实际功率PE，以功率偏差信号（P0 PE）经PI2输出，作为锅炉燃烧率的修正指令，与机组功率指令P0 相加，组成锅炉燃烧率指令LD，燃料调节器PI3根据LD调节燃料量，同时克服燃料量的扰动。,燃水比调节系统中，由主调节器PI4维持作为燃水比例标志的微过热汽温sL为给定值，发出给水流量修正指令。副调节器PI5根据前馈信号燃料量信号M，以及PI4输出的流量校正信号调节给水流量，确保燃水比例不变。由于燃水
21、比调节系统与功率控制系统间是相互关联的，燃料量信号作为前馈信号引入给水流量调节器PI5，起着串联解耦的作用。,二、带变动负荷直流锅炉控制系统方案,对于带变动负荷单元机组，通常采用协调控制方式，机组功率和蒸汽压力由主控制系统控制。图10-7为主控制系统原则性框图：,-,由于机组功率控制与蒸汽压力控制是相互关联，因此，主控制系统采用和差解耦系统。将功率偏差信号（P0PE）和压力偏差信号（p0pT）同时引入汽机调节器PI1及锅炉主控制器PI2。当出现功率偏差时（功率指令P0增加），功率偏差信号P通过PI1和PI2同时增大调速汽门开度T 和锅炉负荷指令LD，考虑到锅炉负荷的变化具有较大迟延，功率指令P
22、0 经PD调节器后作为前馈信号与PI2输出相加。当压力出现偏差时，偏差信号（p0pT）通过PI1减小汽机调速汽门开度，而通过PI2增大锅炉的负荷。由于两个偏差信号引入PI1的方向相反，负荷变化时，在调节T 的动态过程中，允许压力保留一定偏差，以利用锅炉蓄热，同时由压力偏差信号限制T开得过大，保持一定功率偏差，以防止汽压波动过大。,图10-8所示为带变动负荷直流锅炉控制系统方案之一。图中仅给出锅炉负荷控制及燃水比控制两个子系统：,负荷控制仍采用单回路调节系统，由调节器PI3根据负荷指令LD调节给水流量。以给水流量信号W代表锅炉负荷与LD相平衡。燃水比控制仍采用串级型比值控制系统，由副调节器PI5
23、根据给水流量的变化调节燃料量，然后由主调节器PI4根据微过热汽温度SL 对燃水比例进行校正。,由上节关于微过热汽温信号的选择已知，微过热点工质的汽温是其焓值及压力的函数。对于带变动负荷的机组，尤其是变压运行机组，压力变化范围较大，因此将微过热点压力信号p经函数转换器F(x)引入PI4，作为微过热汽温的给定值。,考虑到燃料量内扰很大，对于燃煤锅炉燃料量无法准确测量。因此内回路难以有效克服燃料量扰动。系统中引入烟气温度信号经微分器后作为导前微分信号引入PI4，补偿（克服）燃料量扰动时微过热汽温变化的迟延。这既有利于克服内扰，也有利于改善汽温调节品质。一般情况下，也可采用汽水流程中加热段某点水温信号
24、W 作为导前信号。,三、采用汽压、汽温完全解耦的直流锅炉控制系统,系统采用“和差”解耦，以消除汽压与汽温两个系统之间关联。压力偏差p与汽温偏差SL同时引入调节器PI1和PI2。PI1与PI2的输出和机组负荷指令LD相加，作为给水流量与燃料量的给定值引入PI3与PI4，调节给水流量与燃料量。,机组负荷指令改变（增加）时，首先通过PI3与PI4增加给水流量和燃料量。这不仅有利于保持微过热器温不变，而且有利于尽快改变锅炉负荷，保持汽压稳定。汽压偏低时，汽压偏差信号p使调节器PI1和PI2输出增加，增加给水流量和燃料量。当微过热汽温偏低，由偏差信号SL使PI1输出减少而PI2输出增大，因而减少给水流量
25、及增加燃料量。由于给水流量与燃料量对汽压作用反向相同，而对汽温作用方向相反，因而可以迅速校正微过热汽温，保持汽压稳定。,第六节直流锅炉自动控制系统,在上一节中，介绍了直流锅炉控制系统的几种基本组成方案。下面以一直流锅炉自动控制系统为例，介绍直流锅炉控制系统的实际组成及工作原理。,单元制运行带变动负荷直流锅炉控制系统。机组带变动负荷运行时，要求能尽快适应外界负荷要求的变化，最主要的方法是充分利用锅炉蓄热能力，即允许汽压在一定范围内变化。如何在负荷及汽压变化幅度较大的情况下，确保汽温的稳定及燃烧过程的经济性，是控制系统设计时不可忽视的问题。,该系统以给水流量为主动流量调节锅炉负荷。以燃料量为从动流
26、量，调节汽温，送风量与燃料量协调变化，确保燃烧经济性。,给水流量控制采用单回路调节系统。机组主控制系统输出的锅炉负荷指令LD为给水流量指令。为保证低负荷时锅炉的安全运行，由低值限幅器根据最小给水流量信号W0 限制锅炉的最小给水流量。考虑到负荷变化过程中，燃料量变化往往落后于给水流量的变化，动态过程中容易造成燃水比例过分失调，因而引入与燃料量相适应的给水流量信号WM，经偏置器与限幅器对给水流量指令进行浮动双向限幅。将燃水比例偏差限制在一定范围之内。,为保证锅炉的安全，由大值限幅器对引入小值选择器的送风量信号进行最大燃料量（MM）限制。由小值限幅器对引入大值选择器的燃料量进行最小送风量（V0）限制。,送风量调节采用串级系统，其工作原理已在燃烧过程控制中详细分析，在此不再赘述。,燃料量控制采用串级系统，主调节器为燃水比校正调节器，由于负荷变化过程中汽压变化较大，由微过热点压力信号PSL 经函数组件作为微过热汽温给定值。微过热汽温的偏差信号经校正调节器后作为燃料量校正信号，与锅炉负荷指令LD相比较，组成燃烧率指令。将燃烧率指令经小值选择器与总风量信号比较，作为燃料量给定值；同时燃烧率指令经大值选择器与总燃料量信号相比较后，作为送风量的给定值。,
