火电厂模拟量控制系统的品质指标.pdf

第五章 火电厂模拟量控制系统的品质指标火力发电厂模拟量控制系统的品质指标，主要包括稳态品质指标和动态品 质指标两部分。稳态品质指标是指机组在稳态工况时，被调参数偏离给定值的允 许偏差以及对控制系统稳定性的要求，定量的指标主要有稳态偏差，此外还有一 些定性指标。动态品质指标是指控制系统在受到内外扰动时，动态调节过程中被 调参数偏离给定值的允许偏差指标；动态品质指标主要有过渡过程衰减率、稳定 时间、最大动态偏差、实际负荷变化速率、负荷响应纯迟延时间等。火力发电 厂模拟量控制系统验收测试规程给出了各调节系统的具体品质指标。在火力发电厂模拟量控制系统中，应用最为广泛的仍然是PI D调节器，对模 拟量控制系统的整定，也就是对PI D调节器参数的整定。了解各种PI D调节器的 算法结构，有助于针对一个特定的控制系统，选择合适的PI D算法。在火力发电厂热工自动控制系统的调整试验中，最常用的整定方法是工程整 定法,它们是在理论基础上通过实践总结出来的。工程整定法主要有响应曲线法、稳定边界法和衰减曲线法三种。第一节火电厂模拟量控制系统的品质指标单元机组模拟量控制系统由协凋控制系统及控制子系统、辅助设备自动控制 系统构成。协凋控制系统包括：机组负荷指令控制、汽机主控、锅炉主控、压力设定、频率校正、RUNBACK等控制回路。协凋控制系统主要有4大控制子系统：给水控 制系统、汽温控制系统、燃烧控制系统、汽机控制系统。燃烧控制系统和汽机控 制系统是协凋控制系统的执行级，给水控制系统通过主汽流量前馈信号与机组负 荷指令协凋，汽温控制系统则通过煤量或风量前馈信号与锅炉燃烧指令协凋。图5-1为某600MW机组协凋控制系统与其他控制子系统的相互关系示意图。图5-1 协凋控制系统与其他控制子系统的相互关系汽包锅炉的给水控制系统由汽包水位控制系统和给水泵最小流量再循环控 制系统组成。低负荷下的单冲量汽包水位控制，主要由给泵出口旁路调节门控制。20%负荷以上则采用三冲量汽包水位控制系统，定速给水泵系统由给水泵出口调 节门控制汽包水位；电动调速给水泵和汽动调速给水泵系统则控制给水泵转速。汽温控制系统包括过热汽温度和再热汽温度控制系统。过热汽温度控制包括 过热汽一级喷水减温、过热汽二级喷水减温，或称为中间点汽温控制、主汽温控 制.再热汽温度控制包括烟道挡板或摆动燃烧器控制、再热器喷水减温控制燃烧控制系统包括炉膛压力控制、风量及辅助风门控制、氧量控制、一次风 压控制、燃料量控制、磨煤机控制等自动控制系统。风量控制根据炉型的不同，有两种模式：一种是由送风机动叶控制风量，由二次风门控制风箱与炉膛差压;另一种是由送风机动叶控制二次联箱风压，由二次风门控制风量。辅助风门控制 包括燃料风风门控制和燃烬风风门控制。直吹式制粉系统的燃料量控制为给煤机 转速控制，中储式制粉系统燃料量控制为给粉机转速控制。直吹式制粉系统磨煤 机控制包括一次风量控制、出口混合风温控制；中储式制粉系统的磨煤机控制包 括钢球磨煤机入口风压控制、出口混合风温控制。辅助设备自动控制系统主要有：除氧器水位、除氧器压力、加热器水位、凝 汽器水位、轴封压力、凝结水再循环流量控制等。辅助设备自动控制系统还可能 包括以下单回路自动控制系统：空预器冷端温度控制、燃油压力控制、辅助蒸汽 温度控制、暖风器疏水箱水位控制、密封风滤网差压控制、闭式水压力控制、闭 式水温度控制、闭式水膨胀水箱水位控制、汽机润滑油温控制、发电机定冷水温 度控制、发电机氢温控制、发电机密封油温控制、电泵工作油温控制、汽泵润滑 油温控制等自动控制系统。表5-1列出了某600MW燃煤机组所有由DCS实现的自动控制系统清单。表5-1某600MW燃煤机组DCS自动控制系统清单序号自动控制系统名称套数序号自动控制系统名称套数1协调控制（AGC方式、协调方式、锅炉跟随、汽机跟随）420闭式水压力、膨胀水箱水位控制22燃煤主控及BTU校正221汽机润滑油温控制13氧量校正及总风量控制322发电机定冷水温度、压力、冷却器冷却水出口温度控制34燃烧器层二次风门控制623发电机氢温控制15一次风压控制224电泵工作油温控制16炉膛压力控制225电泵、汽泵润滑油温控制37燃油压力控制226汽泵密封水管道差压控制28一级过热器温度控制227汽机低压缸排汽温度控制19主汽温度控制228轴封蒸汽减温器后温度控制110尾部烟道挡板及再热汽温控制329辅助蒸汽减温器后温度控制111磨煤机风量、风温和比例溢流阀控制1830主蒸汽至汽机轴封压力控制112汽包水位控制（单/：冲量、汽泵/电泵）431辅助蒸汽至汽机轴封压力控制113给泵最小流量控制332汽机轴封蒸汽溢流压力控制114除氧器水位控制133冷再至辅汽压力控制115除氧器压力控制134老厂来汽辅汽压力控制116凝汽器水位调节135凝汽器背包喷水217连排扩容器水位调节136凝结水回水流量调节118定排出口温度控制137辅汽至磨煤机压力控制119高、低加水位控制938辅汽疏水箱液位控制1一、稳态与暂态过程模拟量控制系统在没有受到任何外来干扰时，设定值不变，被调量也不随时 间而变，系统处于稳定平衡的工况，这种状态称为稳态。当模拟量控制系统在设定值改变，或受到来自于系统外部、内部的扰动影响 以后，原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入输出也都相继发生变化，尤其是被调量也将偏离原稳态值而随时间变化，系统的这种状态称为动态。经过 一段时间的调整以后，如果系统是稳定的，被调量将会重新回到设定值、或达到 新设定值附近，系统最终恢复稳定平衡工况，这种从一个稳态到达另一个稳态的 过程称为过渡过程。在阶跃输入下，过渡过程的形式可分为振荡过程和非周期过程。非周期过程有衰减过程和发散过程两种情况。当系统受到扰动后，被调量在 控制作用下的变化是单调地增大或减小，偏离给定值愈来愈远，称为非周期发散 过程，如图5-2(b)所示；如果被调量的变化速度愈来愈慢，逐渐趋于给定值 而稳定下来，称为非周期衰减过程，如图5-2(a)所示。振荡过程有发散振荡、等幅振荡和衰减振荡3种情况。当系统受到扰动后，被调量的波动幅度愈来愈大，称为发散振荡过程，如图5-2(c)所示；若被调 量始终在其给定值附近波动，且波动幅度相等，称为等幅振荡过程，如图5-2(d)所示；若被调量波动的幅度越来越小，最后逐渐趋于稳定，称为衰减振荡过程，如图5-2(e)所示。图5-2 过渡过程的几种基本形式动态品质指标(transient performance specification)是指控制系统在 受到内外扰动时，动态调节过程中被调参数偏离新给定值的允许偏差指标.火力 发电厂模拟量控制系统应满足的动态品质指标主要有：给定值扰动下的过渡过程 衰减率、稳定时间、最大动态偏差；负荷变动时，应满足的动态品质指标还有：实际负荷变化速率、负荷响应纯迟延时间。在对模拟量控制系统稳态的工作状况进行考核评价时:需要对稳态工况做出 具体的描述，它主要包含两方面的要求：(1)机组负荷稳定不变，一般要求机组负荷变动率1%Pe/min,Pe为机 组额定负荷；(2)没有进行辅机启停、切换，没有进行吹灰、除焦等操作。稳态品质指标(steady-state performance specification)是指机组在满 足上述两方面要求，即无明显内外扰动时，被调参数偏离给定值的允许偏差以及 对控制系统稳定性的要求。定量指标主要有稳态偏差，此外还有一些定性指标。二、过渡过程衰减率(decay ratio)过渡过程衰减率是反映模拟量控制系统稳定性的品质指标。过渡过程衰减率(decay ratio)是指定值扰动试验中，被调参数首次过调 量(Ml)与第二次过调量(M2)的差值与首次过调量(Ml)之比。过渡过程衰减 率常用W表示：M,-(5-1)衰减率W可以从调节系统的阶跃扰动曲线得到，如图5-3所示：1设定值；2一被调参数图5-3过渡过程衰减率当衰减率为WVO时，调节过程为渐扩振荡过程；当衰减率为中=0时，调节 过程为等幅振荡过程；当衰减率为0VW VI时,，调节过程为衰减振荡过程；当 衰减率为中;1时，调节过程为非振荡过程。如图5-4所示：图5-4调节过程的几种形式火力发电厂热工控制过程通常选取中=0.71,作为模拟量控制系统稳定性 的最佳品质指标。火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程给出了各调节系 统过渡过程衰减率的品质指标，参见表5-2。三、稳定时间(settling time)稳定时间是反映模拟量控制系统快速性的品质指标。稳定时间是指从扰动试 验开始到被调参数进入新的稳态值允许偏差范围内并不再越出时的时间。在控制系统的调节过程中，要使被调量完全达到稳态值，理论上需要无限长 的时间。实际上，对控制系统的调节允许有一个稳定值的误差范围，如图5-5 所示的。当被调量进入这个范围内并不再超越此范围时，就认为已达到稳态值,即进入稳定状态，稳定时间tS如图5-5所示。1设定值；2一被调参数图5-5稳态偏差与稳定时间 火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程给出了部分调节系统稳态偏差与稳定时间的品质指标，参见表5-2。表5-2 火力发电厂模拟量控制系统定值扰动下的品质指标控制系统定值扰动w最大超调Ml稳定时间tS稳态偏差8ABABABAB三冲量汽包水位40 mm60mm0.7 0.815 mm25 mm3min5min2 0mm2 5mm过热汽温喷水减温50.7 5 1rc15min20min23再热汽温喷水减温50.7 5 1rc15min20min34炉膛压力100 Pa150Pa0.7 50.920Pa30Pa40sI min50Pa100Pa送风风压/差压100 Pa150Pa0.7 50.920Pa30Pa30s50s100Pa150Pa一次风压3OOPa0.7 5 160Pa30s50s100Pa100Pa磨煤机风量5%0.7 50.91%-20s5%5%磨煤机出口温度30.7 50.90.6-5min33钢球磨入口风压50Pa0.7 50.9lOPa20s20s40Pa40Pa除氧器水位100mm0.7 0.8-lOmin20min20mm20mm除氧器50kPa0.7 5-1-I minI min20kPa20kPa注：A300MW等级以下机组，B300MW等级及以上机组压力凝汽器水位50 nun0.7 5-1-3 min5 min20mm20mm四、动态偏差和稳态偏差动态偏差和稳态偏差是反映模拟量控制系统准确性的品质指标。动态偏差是 指在整个调节过程中被调量偏离给定值的最大偏差值，稳态偏差是指调节过程结 束后被调量偏离给定值的最大偏差值。定值扰动试验中，当调节过程为衰减振荡过程时，被调参数首次过调量Ml(见图5-3)即为最大动态偏差，也称为最大超调。出于对控制系统安全性的考 虑，调节系统应采取一些必要的控制手段来抑制调节过程中的最大超调量。火 力发电厂模拟量控制系统验收测试规程给出了部分调节系统的最大超调量品质 指标，参见表5-2。在负荷变动试验和AGC负荷跟随试验中，扰动通常为斜坡指令，最大动态偏 差则可能出现在调节过程中的任一时刻。火力发电厂模拟量控制系统验收测试 规程给出了各调节系统在负荷变动试验和AGC负荷跟随试验中主要被调参数的 允许动态偏差和稳态偏差，参见表53o实际负荷变化速率(actualToad-change rate)是实际负荷变化量APe 与变化时间At之比(At为从负荷指令开始变化至实际负荷变化达到新的目标 值所经历的时间)。负荷响应纯迟延时间(dead time of load response)是指负荷扰动试验开 始后实际负荷变化的迟延时间，即从负荷指令开始变化的时刻到实际负荷发生与指令同向连续变化的时刻所经历的时间。负荷变动试验动态品质指标AGC负荷跟随试验动态品质指标稳态品质指标指标注参数直吹式机组中储式机组直吹式机组中储式机组300MW等级以下机组300MW等级及以上机组负荷指令变化速率%Pe/min2233341.52.0实际负荷变化速率%Pe/min1.51.52.22.52.53.21.01.5/负荷响应纯迟延时间S12090906040409040/负荷偏差%Pe333333551.51.5主汽压力MPa0.60.50.50.50.50.50.60.50.20.3主汽温度10881088101023再热汽温度121010121010121234汽包水位mm60404060404060602025炉膛压力Pa20015015020015015020020050100烟气含氧量%/11表5-3 负荷变动试验中各主要被调参数的允许动态、稳态偏差2 注1：600MW等级直吹式机组：指标为合格指标，指标为优良指标。3 注2：600MW等级以下直吹式机组：指标为合格指标，指标为优良指 标。4 注3：300MW等级及以上中储式机组：指标为合格指标，指标为优良 指标。注4：300MW等级以下中储式机组：指标为合格指标，指标为优良指标。第二节 PI D调节器及常用算法在火力发电厂热工自动控制系统中，应用最为广泛的调节器控制规律为比 例、积分、微分控制，简称PI D控制，又称PI D调节。PI D控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的 结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参 数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PI D控制技术最为方便。即当我们 不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数 时，最适合用PI D控制技术。在实际应用中，除了 PI D控制，也可单采用PI或 PD控制。一、PI D控制概述PI D控制器的输出与输入之间的关系，在时域中可用下式表示：小八、1；,、cleft)u(t)=K e(t)+I e(r)dr+-.工。市(5-2)式中：e(t)表示误差，U为控制器的输出，K为比例系数，Ti为积分时间 常数，Td为微分时间常数。用传递函数表达则为U（s）=K 1+上+北S E（y）式中：U(s)和E(s)分别为u和e的拉氏变换，K、Ti、Td分别为控制器的比例系数、积分时间常数、微分时间常数。56）=K+KdS E（s）式中：U(s)和E(s)分别为u和e的拉氏变换，K、Ki、Kd分别为控制器 的比例、积分、微分系数。比例(P)控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入偏差信号 成比例关系。当仅有比例控制时，系统输出存在稳态偏差(Steady-state E rro r)o对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态偏差，则称这个控制系 统是有稳态偏差的或简称有差系统(System with Steady-state E rror)o为了 消除稳态误差，在控制器中引入了“积分项”。在积分(I)控制中，控制器的 输出与输入偏差信号的积分成正比关系。只要有偏差存在，即便偏差很小，积分 项也会随着时间的增加而增大，促使控制器的输出增大而减小稳态偏差，直到偏 差为零。因此，比例+积分(PD控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态偏差。微分(D)控制器的输出与输入偏差信号的微分(即偏差的变化率)成正比 关系。许多被控对象存在惯性或滞后，使得被调参数的变化总是落后于输入偏差 的变化，这可能会导致自动调节系统出现振荡甚至失稳。增加“微分项”以后，控制器能根据偏差变化的趋势改变输出。当偏差接近零时，提前使抑制偏差的控 制作用等于零，甚至为负值，从而避免被调量的严重超调。对有惯性或滞后的被 控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。二、常用的PI D算法当我们应用DCS进行模拟量控制系统设计、组态和调试时，会注意到这样的 问题，不同的设备制造商会用不同的方式设计PI D控制器，国内外一些著名品牌的DCS都有着具有自己特点的PI D控制模块。控制设备制造商提供了多种形式的PI D算法，那么，对于一个特定的控制系统，选择什么样的PI D算法最为合适呢?虽然PI D算法有很多种类，但归纳起来以下两种最为常见：匕 并联PI D算法(Parallel),比例、积分、微分通道并联，通道无相 互作用(non-interactive)。10)-串联PI D算法(Serial),比例、积分、微分通道串联，通道间相互 作用(interactive)。并联结构的PI D控制器由于比例、积分、微分通道相互独立，是理想的PI D 结构。但并联结构的PI D控制器在一般的教材中介绍比较多，实际应用中却比较 少见，这主要是历史的原因造成的，因为最早出现的PI D控制器是气动元件，难 以实现并联PI D结构。但串联PI D 一直沿用至今，则是由于传统和习惯所致。各种PI D算法举例(略，详见中国电力出版社出版的火电厂热工自动化系 统试验一书)。第三节 PI D控制器参数的试验整定PID控制器参数的理论计算整定法是根据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，所得到的计算数据必须通过工程实际进行调整和修改才能使用。在现场调试中，最常用的整定方 法是工程整定法，它们是在理论基础上通过实践总结出来的。工程整定法主耍有响应曲线法、稳 定边界法和衰减曲线法三种。它们各有其特点，但都是通过试验获得控制过程的特性参数，然后 按照工程经验公式来设定控制器的参数。这些方法简单、易于掌握，因而在工程实际中被广泛采用。无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现场调试中，一般先使用这些整定程序进行控制器参数的初步调整，然后再根据对控制过程的更深入了解，对控制器参数进一步细调。John G.Ziegler和Nathaniel B.Nichols在1942年提出了著名的PI D控制器整定准则，这就是Ziegler-Nichols响应曲线法和稳定边界法。由于它便于使用，而且在大多数控制场合中 都能得到良好的控制品质，半个世纪以来它一直是PI D控制器最常用的整定方法之一，后来的学 者也住往用它来作为与其他整定方法对比的基准。一、响应曲线法响应曲线法也称动态特性参数法，是以被控对象控制通道的阶跃响应曲线为依据，通过经验 公式求取调节器最佳参数整定值的开环整定方法，这种整定方法是John G.Ziegler和Nathani el B.Nichols在1942年首先提出的。在Ziegler-Nichols整定法之后，后来的学者经过不少 改进，总结出相应的计算调节器最佳参数整定公式，其中广为流行的是Cohen-Coon响应曲线法 和Chien-H rones-Reswick(CH R)整定法。随着仿真技术的发展，又提出了以各种误差积分值为 系统性能指标的调节器最佳参数整定公式。(*)Ziegler-Nichols 响应曲线法(Ziegler-Nichols Reaction Curve Method)Ziegler-Nichols响应曲线法是通过对开环系统的阶跃响应试验，获取被控对象的开环传递 函数，再根据特征参数整定PI D控制器参数。许多工业过程控制的被控对象具有自平衡能力，其传递函数可用一阶惯性加纯延迟环节来近 似表示：kd.仇=e p 1+10PI7.5 R 10并联PI D3 R 7.5高阶 H igher orderR 0.7 5)。而对于有自平衡特性的高阶等容对象，用此法整定调节 器参数时系统响应衰减率大多偏小(W0.7 5)。为此，上述求得的调节器参数，应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。(3)稳定边界法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统，但有些系统从安 全性考虑不允许进行稳定边界试验，如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数 较大的单容对象，用纯比例控制时系统始终是稳定的，对于这些系统也是无法用稳 定边界法来进行参数整定的。若求出被控对象的静态放大倍数Kp=4y/4u,则增益乘积=KK可视为系统的最大开 环增益。通常认为，Ziegler-Nichols闭环试验整定法的适用范围为：2 KPR 20时，应采用更为复杂的控制算法，以求较好的调节效果。(2)当 2时，应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。(3)当1.5%2时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI D控制器，但需要对 表5-9进行修正。在这种情况下，建议采用SMI TH预估控制和I MC控制策略。(4)当为 1.5时，在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI控制器，在这种情况下，微分作用已意义不大。三、衰减曲线法衰减曲线法与稳定边界法不同的是，闭环设定值扰动试验采用衰减振荡(通常为4:1或10:1),然后利用衰减振荡的试验数据，根据经验公式求取调节器的整定参数。4:1衰减曲线法的整定步骤如下：(1)置调节器积分时间R为最大值(1=8),微分时间L为零(L=0),比例系数K为 较小值，并将系统投入运行。(2)系统稳定后，作设定值阶跃扰动，并观察系统的响应。若系统响应衰减太快，则增大 比例系数K；反之，系统响应衰减过慢，应减小比例系数K。如此反复，直到系统出现如图5T7(a)所示的4:1衰减振荡过程，记下此时的比例系数Ks及和振荡周期Ts数值。图5-17 系统衰减响应曲线(3)利用Ks和Ts值，按表5-14给出的经验公式，计算出调节器的参数整定值。表5-14 衰减曲线法整定计算公式衰减率调节规律KTiTd0.75PKs-PI0.83Ks0.5Ts-PI D1.25Ks0.3Ts0.I Ts0.9PKs-PI0.83Ks2Tr-PI D1.25Ks1.2Tr0.4Tr衰减曲线法也可以根据实际需要，在衰减比为10:1的情况下进行，此时要以图5-17(b)中的上升时间，为准，按表5T4给出的公式计算。四、PI D调节器的经验整定法PI D调节器的经验整定法实际上是一种行之有效的试凑方法，在现场得到了广泛的应用。整 定调节器时;可以先根据过去获得的同类设备的调试经验，确定一组调节器参数，并将系统投入 闭环运行。然后，加入阶跃扰动，一般是改变调节器的给定值，观察被调量的阶跃响应曲线。若 认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直 到满意为止。以工业PI D调节器为例，具体说明经验法的整定步骤：(1)使调节器积分系数K=0,实际微分系数儿=0,控制系统投入闭环运行。由小到大 改变比例系数K,每次改变后加入阶跃扰动，观察调节曲线的形态，直到满意为止。(2)以比例系数K当前值乘以0.83,作为新的比例系数设定值；由小到大增加积分系数同样，每次改变后作阶跃扰动，观察调节曲线的形态，直到满意为止。(3)积分系数Ki保持不变，改变比例系数K,观察控制过程有无改善，如有改善则继续调整，直到满意为止。否则，将原比例系数K增大一些，再调整积分系数K“力求改善控制过程。如此反复试凑，直到找到满意的比例系数K和积分系数Ki。(4)引入适当的实际微分系数kd和实际微分时间Td,此时可适当增大比例系数K和积分系数K,。和前述步骤相同，微分时间的整定也需反复调整，直到控制过程满意为止。以下经验整定的口诀，也可以说明经验整定的基本思路：阶跃扰动投闭环，参数整定看曲线;先投比例后积分,最后再把微分加;理想曲线两个波,振幅衰减4比1；比例太强要振荡,积分太强过程长;动差太大加微分,频率太快微分降;偏离定值回复慢,积分作用再加强。PI D参数改变对控制过程影响见表5-15。表5-15 PI D参数改变对控制过程影响参数快速性稳定性准确性增大K增加变差改善增大K增加变差改善增大L增加改善无影响经验整定法是热工控制工程师必须掌握的一项技能，在现场消除调节系统缺陷时非常有用。