1-控制系统概述

第一章协调控制系统（CCS）概述引言CCS是一种连续的调节系统（ContinuiousControlSystem），被控的变量是模拟量。电站的最终目标是满足电网负荷要求，要靠锅炉和汽轮发电机共同配合，由于两者特性有较大差异，所以为了既满足电网需求，又能使机组安全稳定运行，必须协调锅炉和汽轮机之间的运行，所以需要一种负荷协调控制系统（CoordinatedControlSystem）。这种系统往往是将被控量与设定值进行比较，经调节器运算后输出控制信号，使被控量发生变化，最终使被控量等于或接近设定值，系统是一个闭合的回路。所以又称其为闭环控制系统（ClosedloopControlSystem）。所以CCS术语有三种来源，但本质上并无很大区别。狭义上讲，CCS只是指负荷协调控制系统，广义上讲，单元机组上所有的连续调节系统都属于CCS。电厂生产过程采用自动化技术已有较长历史，相对于其它工业部门具有较高的自动化水平，而且仍以较快的速度发展。促使这种发展的主要因素有：（1）随着大容量、高参数汽轮发电机组的出现，要求监控的参数越来越多。因此，自动控制系统已成为锅炉、汽轮发电机组不可缺少的组成部分。为了保证机组的安全、经济运行，对自动化设备的可靠性以及对自动控制系统的性能都提出了更高的要求。（2）电子技术的发展也为自动化提供了越来越完备的仪表和设备。特别是随着计算机控制技术的发展，微机分散控制系统（DCS）以其功能全面、组态灵活、安全可靠的优点，而被广泛应用于火电厂的自动控制。1基础知识1.1自动控制的基本概念及术语被控对象――被控制的生产过程或设备，也称为调节对象或简称对象。例如汽包水位控制系统中的汽包。被控量――控制系统所要控制的参数，又称为被调量，例如汽包水位。设定值――被控量所要达到或保持的数值。例如汽包水位定值。扰动量――破坏被控量与设定值相一致的一切作用，例如汽包水位控制系统中的蒸汽流量、给水量。调节器――用于自动控制系统中的控制装置或具有相似作用的软件。例如P、PI、PID调节器。控制指令――或称调节指令。一般是调节器的输出信号，也可是运行人员手动给出的控制信号，该信号被送往执行机构。执行机构――接受控制指令、对被控对象施加作用的机构。也称为执行元件、执行器。例如，机械执行机构、电动执行机构、液压执行机构。控制机构――其动作可以改变进入对象的质量或能量的装置，例如给水阀门、空气挡板。1.2自动控制系统的分类实际生产过程中采用的自动控制系统的类型是多种多样的，从不同的角度出发，可以进行不同的分类。（1）按设定值变化的规律来分，有恒值控制系统、程序控制系统和随动控制系统。恒值控制系统是指设定值不随时间而变化。例如电厂锅炉水位、汽温控制系统，属于这一类型（2）按系统的结构来分，有闭环控制系统、开环控制系统和复合控制系统。闭环控制系统亦称反馈控制系统，这是一种最基本的控制系统。在闭环控制系统中，被控量信号以反馈方式送入调节器的输入端，作为不断引起控制作用的依据，而控制的目的是尽可能地减少被控量与其设定值之间的偏差，因此，信号是沿控制系统的闭合回路传递的。如果系统中不存在被被控量的反馈回路，“调节器”只是根据直接或间接反映扰动输入的信号来控制，例如前馈控制系统，这种控制系统被称为开环系统。开关量控制，例如阀门的开、关，挡板的开、关、电机的启、停，一般称为顺序控制，但也有一些电厂将这类系统称为开环控制系统。生产过程中，开环控制和闭环控制常常配合使用，组成复合控制系统，例如前馈、反馈控制系统。（3）按控制系统闭环回路的数目来分，有单回路控制系统和多回路控制系统，例如机组负荷协调控制系统就是一种多回路控制系统。（4）按系统特性分，有线性控制系统和非线性控制系统。所有各种类型的控制系统中，最基本、也是目前热工生产过程中用得比较广泛的，是线性闭环、恒值控制系统。1.3自动调节器的典型动态特性在最基本的热工自动控制系统中，自动调节器和被控对象组成一个相互作用的闭合回路。在这种系统中，调节器根据被控量Y与设定值Z的偏差信号e，而使执行机构按一定的规律动作，从而引起控制机构位置m的变化。调节器的动态特性一般由三种典型调节作用组成，它们是比例、积分和微分作用，即P、I、D作用。即使DCS应用于电厂以后，PID（规律）仍然是主要的控制器。（1）比例作用（P作用）比目前的调例作用的动态方程为m=ke，K称为比例系数，k1称为比例带。比例作用的规律是，偏差e愈大，控制机关位移量m也愈大，偏差e的变化速度越快，控制机关的移动速度也越快。当采用P作用调节器时，控制机关位置m与被控量或相关变量的数值之间必然存在着一一对应的关系，因此，在不同负荷时（即对应不同的控制机关位置），被控量与设定值之间的偏差也不同，也就是说，调节过程结束时，被控量总是有偏差的。合适确定比例带，一般总能使系统达到稳定，δ越大，对提高稳定性愈有利，但调节过程速度放慢，静态时被控量与设定值偏差也增大。（2）积分作用（I作用）积分作用的动态方程式为dtem，从该式可以看出，如果被控量不等于给定值，即0e，执行机构就不会停止动作，只有在e=0，即偏差消失时，执行机构才停止动作，因此，调节过程结束时，被控量必定是无差的。在调节过程中，积分作用也存在着不合理的一面，即如果参数整定不当，会使调节过程发生振荡。（3）微分作用（D作用）微分作用的动态方程式是dtdem，从上式可以看出，调节过程结束时，偏差e不应再不会，dtde必须等于零，所以控制机构位置不会有变化，这样就不能适应负荷的变化，因此，仅有微分作用是不能执行控制任务的。但微分作用的特点是其控制作用与偏差的变化速度成正比。在调节过程的开始阶段，被控量Y虽然偏离设定值不大，但如果其变化速度较快，微分作用可以使执行机构产生一个较大的位移。也就是说D作用比P、I作用超前，它加强了控制作用，限制了偏差的进一步增大，所以微分作用可以有效地减少动态偏差。（4）比例、积分、微分（PID）调节器比例、积分、微分调节器的动态方程式为dtdeTedtTemdi11δ称为比例带，Ti称为积分时间常数，Td称为微分时间常数。这种调节器有比例、积分、微分作用的特点，因此，在采用这种调节器时，只要三个作用配合得当，就可以避免调节过程过分振荡，可得到无差的控制结果（积分作用），又能在调节过程中加强控制作用，减少动态偏差（微分作用）。调节过程的品质应从三个方面来衡量，即稳定性，准确性（动态、静态偏差），以及快速性（调节时间）。不能认为稳定性越高，调节品质就越好，在整定P、I、D参数时，应从稳定性、准确性、快速性三方面综合考虑。1.4主要热工对象特性对象特性可以用静态特性和动态特性来描述。静态特性描述的是对象平衡时输出与输入之间的关系，而动态特性是描述对象动态变化过程中输出与输入之间的关系。分析被控对象的动态、静态特性有利于设计性能优良的控制系统。对象特性可以通过理论计算、试验方法获得。后面各节在对系统进行分析时，将对某些对象的对象特性进行分析。1.5跟踪和无扰动切换自动调节系统通常可以有两种或多种运行方式，例如手动、自动方式；采用DCS后，为了实现最优的控制性能和实现全程自动控制，对于同一个被控量，可能有多种控制方案。当进行方式切换或方案切换时，应该是无扰动的。为了实现无扰动切换，就必须采用跟踪技术。关于系统的跟踪方法，可参见Ovation说明。1.6提高CCS可靠性及控制性能的措施（1）为了提高测量信号的可靠性，除了在计算机硬件上采取必要措施（如提高转换精度、采用抗干扰措施等）外，还用软件对测量进行处理。例如（质量检查、双测量处理、三测量处理）（2）MRE，切手动。在出现影响投入自动的信号后，为了安全起见，应将系统强切到手动方式。（3）PLW，优先降。当出现某些异常或特殊情况时，将不再采用正常的控制信号，而是自动地降低控制输出。（4）PRA，优先增。与PLW相似，但，是增加控制输出。（5）BI，闭锁增。负荷协调控制系统中采用的一种功能。当某一被调量，例如燃料量，跟不上燃料量需求指令的变化，且差距越来越大时，则闭锁机组负荷指令的增加。详细描述请参见负荷协调控制系统一节。（6）BD，闭锁减。与BI相反。（7）RU、RD，迫升/迫降。负荷协调控制系统在出现异常时的一种升/降负荷的行为。（8）RB，快速减负荷。在出现主要辅机跳闸时，负荷协调控制系统自动快速降低负荷。（9）为了均衡负荷和实现无扰切换，对于多执行机构，采用平衡回路1.7CCS所涉及的主要过程控制系统（1）凝汽器热井水位控制（2）除氧器水位控制系统（3）除氧器压力控制（4）汽包水位控制（又称为给水控制）（5）过热蒸汽温度控制系统（6）再热蒸汽温度控制系统（7）燃料量控制系统（8）送风量控制（包含氧量控制）（9）引风量控制（炉膛负压控制）（10）二次风挡板控制（二次风箱与炉膛间的差压控制）（11）一次风母管压力控制（12）燃油控制（13）制粉系统控制：磨入口负压控制（－300～－500Pa）磨出口温度控制（100～105℃）（14）其它子系统：排汽装置水位控制系统凝水再循环控制系统高低加水位控制系统等(15)在上述子系统的基础上，是机组负荷协调控制控制系统1.8SAMA图CCS用SAMA图来描述控制策略。以下是CCSSAMA图图例。1.9SAMA图中几个重要缩写及含义LWI禁止减。这时，无论是手动还是自动，都不能减小控制输出。当出现异常情况时，如果继续减小控制输出会使控制性能进一步恶化的话，则应禁止减小控制输出。RAI禁止增。与LWI相似，但，是不允许增加控制输出。MRE切手动。ARE切自动。PLW优先降，又称减超弛。PRA优先增，又称增超驰。另外：在PID控制器有direct或indirect之分，direct表示对PV－SP进行PID运算，indirect则表示对SP－PV进行运算，目的是实现负反馈。2测量信号的处理过程变量的测量与处理是构成闭环控制系统的一个重要组成部分，为了保证自动调节系统具有较好的品质，就必须使测量信号具有一定准确性。在热力设备运行过程中，有许多因素会影响到测量的准确性，特别是由于测量元件、变送器或电路故障，可能会导致测量信号的失真甚至错误，进而使自动控制系统不能正常运行。对测量信号进行处理的目的，就是为了提高测量信号的可靠性和准确性，为提高自动控制系统的品质创造必要条件。对于某一过程变量，根据其在过程中的重要程度，可分别采取单测量、双测量或三测量处理方法。单测量是指使用一个测量元件（一个变送器）测量工厂中某一点上的物理参数。对那些不太重要的参数或者是被用于记录、显示、补偿等用途的参数，例如加热器水位、燃油压力、给水温度等，一般采用这种测量方法。对于那些被认为对工厂运行相对重要的参数，例如凝汽器热井水位、屏式过热器出口汽温等，采用双测量方法，即采用两个测量元件（变送器），测量同一个意义的参数。对于那些对工厂安全、经济运行非常重要的参数，往往采用三测量方法，即用三个测量元件（变送器）测量同一个意义的过程参数。例如，主蒸气压力、机组负荷、炉膛压力、汽包水位、高温过热器出口汽温等。当用多个测量元件测量同一个参数时，究竟用哪一个测量元件（变送器）测出的参数作为自动控制系统所使用的过程变量呢？这就需要由相应的算法来处理和选择。对单测量的处理较为简单，仅需对测量信号进行质量的检查，若无质量问题，则说明该测量可用于自动控制系统，否则就不能用作自动控制系统中的过程变量信号，系统就不能以自动方式运行，测量处理算法将发出切手动信号。这里说明一下，所谓一个信号出现了质量问题一般是指，一个输入信号的值是一个非法数值，或者是一个不在正常的测量范围内的值，或输入信号的值长时间未得到更新。而对双测量和三测量的处理则相对复杂一些，下面分别予以说明。2.1双测量处理算法SM2XMTRSSM2XMTRS--SelectandMointor2TransmitterSignals。SM2XMTRS是一个文本算法（软件模块），它监视两个模拟量变送器的输入，检查它们的质量以及两者的偏差。该算