协调控制系统几种方案的分析

齐宪华，王 硕

QI Xian-hua1，WANG Shuo2

（1.国网技术学院，济南 250002；2.山东鲁能控制工程有限公司，济南 250002）

0 引言

协调控制系统是充分考虑机、炉调节特性的差异以及各自的特点、采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机、炉同时按照电网负荷的要求变化，接受外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，协调地进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时，保持主要参数的稳定[1]。

从能量平衡观点出发,协调控制系统可以分成直接能量平衡系统（DEB）和间接能量平衡系统（IEB）[2]。机炉控制的根本任务在于维持整个机组运行过程中的能量平衡，通过构造出能量需求信号，并依此控制能量输入的系统，称为DEB。这种系统的特点是：机组的功率由汽轮机调节汽门进行控制，具有炉跟机方式的特点，即机组对外界负荷的响应性好；采用了一个代表汽轮机组能量需求的信号，这个信号作为机炉间的协调信号，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。

由于能量信号不便于直接测量，常用一些间接的参数表征这种平衡关系，通过这些平衡参数维持机组能量平衡的系统称为IEB。

本文针对国产300MW机组的数学模型对这两种方案进行了详细的介绍，并通过仿真进行了对比。

1 数学模型

仿真前，需进行受控系统的建模、控制方式的确立和计算机编程。

建模过程首先采用机理分析法，得到机组的一组非线性模型，再进行线性化处理，通过仿真试验得到各控制输入下的阶跃响应数据曲线，最后用加权最小二乘法拟合出有关输入和输出之间的传递函数，以下是某国产单元机组锅炉负荷被控对象的模型 ：

由资料[3]知：机组的额定参数如下：

无量纲化得，

2 间接能量平衡系统（IEB）和直接能量平衡系统（DEB）的仿真

2.1 IEB的仿真

原理框图如下

图1 IEB原理框图

2.2 方法介绍

将图1化为闭环系统，如图2所示。

图2 IEB系统原理框图

1）内回路的整定

内回路看作快速随动过程。这里选步距L1=0.006，打印间隔和打印点数分别为：L2=400，L3=1000，仿真曲线如图3所示。

图3 内回路整定仿真曲线

当Kp2=1.2，Ti2=6时，仿真效果较佳。

2）IEB的内扰

调节器前扰动的框图如图4所示。

图4 IEB调节器前扰动框图

图5 间接能量平衡调节器前扰动20%（Mp =5.6%,ts=15）

调节器后扰动的框图如图6所示。

图6 IEB调节器后扰动框图

调节器后扰动的仿真曲线如图7所示。

图7 间接能量平衡调节器后扰动20%（Mp =0.2%,ts=5.2）

3 直接能量平衡系统（DEB）

3.1 原理框图：如图8所示。

图8 DEB原理框图

3.2 原理分析

整个系统有三个测量信号P1，Pb，PT和一个定值信号PT0。其调节器入口参数为：

3.3 方法介绍

1）框图处理

将DEB系统构成闭环系统如图9所示。

图9 DEB系统闭环框图

这里PT0取0.89，即相当于16.465Mpa。蓄热系数Cb由计算求出Cb=473.9。

2）DEB调节器前扰动

如图10所示。

图10 DEB调节器前扰动框图

仿真曲线如图11所示。

图11 间接能量平衡调节器前扰动20%响应曲线PTO*P1/PT（Mp=3.5%,ts=4）

3）DEB调节器后扰动如图12所示。

图12 DEB调节器后扰动框图

仿真曲线如图13所示。

图13 直接能量平衡调节器前扰动20%响应曲线PTO*P1/PT（Mp=0.15%,ts=3.8）

4 系统的鲁棒性

4.1 时间常数改变

图14 0.1*T间接能量平衡调节器前扰动20%（Mp=5.2%,ts=9.2）

图15 0.1T直接能量平衡调节器前扰动20%响应曲线（Mp=6%,ts=5）

4.2 放大系数改变

图16 1.5*K间接能量平衡调节器后扰动20%（Mp=6%,ts=5）

图17 1.5*K直接能量平衡调节器前扰动20%响应曲线（Mp=6%,ts=5）

4.3 结构改变

图18 变阶次间接能量平衡调节器后扰动20%（Mp=6%,ts=5）

图19 变结构直接能量平衡调节器后扰动20%响应曲线（Mp=6%,ts=5）

5 结论

均作20%扰动，将直接能量平衡系统与间接能量平衡系统对比：

调节器前扰动：

间接能量平衡系统Mp=5.6%，ts=15

直接能量平衡系统Mp=3.5%，ts=4

调节器后扰动：

间接能量平衡系统Mp=0.2%，ts=5.2

直接能量平衡系统Mp=0.15%，ts=3.8

这几种情况均是直接能量平衡系统有较小的超调和较小的过程时间。

放大系数加倍调节器后扰动：

间接能量平衡系统Mp=0.35%，ts=6

直接能量平衡系统Mp=0.4%，ts=4.5

时间常数减倍调节器后扰动：

间接能量平衡系统Mp=5.2%，ts=9.2

直接能量平衡系统 Mp=6%，ts=5

对象阶次改变调节器后扰动：

间接能量平衡系统Mp=0.2%，ts=11

直接能量平衡系统Mp=0.38%，ts=2

这几种情况直接能量平衡系统可获得较大的超调量，但调整时间较短。

[1]王付生.热工自动与保护[M].中国电力出版社,2009.

[2]孙奎明,时海刚.热工自动化[M].中国电力出版社,2006.