協調控制系統幾種方案的分析

齊憲華，王 碩

QI Xian-hua1，WANG Shuo2

（1.國網技術學院，濟南 250002；2.山東魯能控制工程有限公司，濟南 250002）

0 引言

協調控制系統是充分考慮機、爐調節特性的差異以及各自的特點、采取某些措施（如引入某些前饋信號、協調信號），讓機、爐同時按照電網負荷的要求變化，接受外部負荷的指令，根據主要運行參數的偏差，協調地進行控制，從而在滿足電網負荷要求的同時，保持主要參數的穩定[1]。

從能量平衡觀點出發,協調控制系統可以分成直接能量平衡系統（DEB）和間接能量平衡系統（IEB）[2]。機爐控制的根本任務在于維持整個機組運行過程中的能量平衡，通過構造出能量需求信號，并依此控制能量輸入的系統，稱為DEB。這種系統的特點是：機組的功率由汽輪機調節汽門進行控制，具有爐跟機方式的特點，即機組對外界負荷的響應性好；采用了一個代表汽輪機組能量需求的信號，這個信號作為機爐間的協調信號，或稱為能量平衡信號，控制鍋爐的輸入能量，保證任何工況下機組內部能量供需的平衡。

由于能量信號不便于直接測量，常用一些間接的參數表征這種平衡關系，通過這些平衡參數維持機組能量平衡的系統稱為IEB。

本文針對國產300MW機組的數學模型對這兩種方案進行了詳細的介紹，并通過仿真進行了對比。

1 數學模型

仿真前，需進行受控系統的建模、控制方式的確立和計算機編程。

建模過程首先采用機理分析法，得到機組的一組非線性模型，再進行線性化處理，通過仿真試驗得到各控制輸入下的階躍響應數據曲線，最后用加權最小二乘法擬合出有關輸入和輸出之間的傳遞函數，以下是某國產單元機組鍋爐負荷被控對象的模型 ：

由資料[3]知：機組的額定參數如下：

無量綱化得，

2 間接能量平衡系統（IEB）和直接能量平衡系統（DEB）的仿真

2.1 IEB的仿真

原理框圖如下

圖1 IEB原理框圖

2.2 方法介紹

將圖1化為閉環系統，如圖2所示。

圖2 IEB系統原理框圖

1）內回路的整定

內回路看作快速隨動過程。這里選步距L1=0.006，打印間隔和打印點數分別為：L2=400，L3=1000，仿真曲線如圖3所示。

圖3 內回路整定仿真曲線

當Kp2=1.2，Ti2=6時，仿真效果較佳。

2）IEB的內擾

調節器前擾動的框圖如圖4所示。

圖4 IEB調節器前擾動框圖

圖5 間接能量平衡調節器前擾動20%（Mp =5.6%,ts=15）

調節器后擾動的框圖如圖6所示。

圖6 IEB調節器后擾動框圖

調節器后擾動的仿真曲線如圖7所示。

圖7 間接能量平衡調節器后擾動20%（Mp =0.2%,ts=5.2）

3 直接能量平衡系統（DEB）

3.1 原理框圖：如圖8所示。

圖8 DEB原理框圖

3.2 原理分析

整個系統有三個測量信號P1，Pb，PT和一個定值信號PT0。其調節器入口參數為：

3.3 方法介紹

1）框圖處理

將DEB系統構成閉環系統如圖9所示。

圖9 DEB系統閉環框圖

這里PT0取0.89，即相當于16.465Mpa。蓄熱系數Cb由計算求出Cb=473.9。

2）DEB調節器前擾動

如圖10所示。

圖10 DEB調節器前擾動框圖

仿真曲線如圖11所示。

圖11 間接能量平衡調節器前擾動20%響應曲線PTO*P1/PT（Mp=3.5%,ts=4）

3）DEB調節器后擾動如圖12所示。

圖12 DEB調節器后擾動框圖

仿真曲線如圖13所示。

圖13 直接能量平衡調節器前擾動20%響應曲線PTO*P1/PT（Mp=0.15%,ts=3.8）

4 系統的魯棒性

4.1 時間常數改變

圖14 0.1*T間接能量平衡調節器前擾動20%（Mp=5.2%,ts=9.2）

圖15 0.1T直接能量平衡調節器前擾動20%響應曲線（Mp=6%,ts=5）

4.2 放大系數改變

圖16 1.5*K間接能量平衡調節器后擾動20%（Mp=6%,ts=5）

圖17 1.5*K直接能量平衡調節器前擾動20%響應曲線（Mp=6%,ts=5）

4.3 結構改變

圖18 變階次間接能量平衡調節器后擾動20%（Mp=6%,ts=5）

圖19 變結構直接能量平衡調節器后擾動20%響應曲線（Mp=6%,ts=5）

5 結論

均作20%擾動，將直接能量平衡系統與間接能量平衡系統對比：

調節器前擾動：

間接能量平衡系統Mp=5.6%，ts=15

直接能量平衡系統Mp=3.5%，ts=4

調節器后擾動：

間接能量平衡系統Mp=0.2%，ts=5.2

直接能量平衡系統Mp=0.15%，ts=3.8

這幾種情況均是直接能量平衡系統有較小的超調和較小的過程時間。

放大系數加倍調節器后擾動：

間接能量平衡系統Mp=0.35%，ts=6

直接能量平衡系統Mp=0.4%，ts=4.5

時間常數減倍調節器后擾動：

間接能量平衡系統Mp=5.2%，ts=9.2

直接能量平衡系統 Mp=6%，ts=5

對象階次改變調節器后擾動：

間接能量平衡系統Mp=0.2%，ts=11

直接能量平衡系統Mp=0.38%，ts=2

這幾種情況直接能量平衡系統可獲得較大的超調量，但調整時間較短。

[1]王付生.熱工自動與保護[M].中國電力出版社,2009.

[2]孫奎明,時海剛.熱工自動化[M].中國電力出版社,2006.