电厂自动控制系统基础知识和技术特点

分散控制系统（自动控制系统基础知识）华北电力大学自动化系概述1、自动控制的概念在热力生产设备上配置一些自动化装置，代替人的部分直接劳动，使生产在不同程度上自动地进行。这种在无人直接参与的情况下，由自动化仪表和装置来控制生产过程的办法就称为热力过程自动化。2、热力生产过程自动化的组成1）自动检测：对反映热力生产过程运行状态的物理量、化学量以及表征设备工作状况的参数自动地检查、测量和监视。2）自动调节：自动调节就是依靠自动调节设备来实现调节作用。自动调节设备必须具备检测、定值、运算、执行等功能。热力设备安全经济运行，要求某些表征热力设备正常工作的物理量始终维持在某一规定值或预定范围内、按预定的规律来变化，生产过程经常受到各种干扰，使被调量偏离规定值，需要进行相应的调节，使之保持或恢复到规定的范围内，保证生产过程的稳定。3）自动保护：热力设备发生异常甚至发生事故时，为确保生产的安全，保证产品的质量，需要对某些关键性参数设置信号、联锁装置，事故发生前，信号系统能发出声、光信号，提醒操作人员采取措施。是一种安全装置。4）自动操纵（包括远方控制、程序控制或顺序控制）：根据预先规定的程序或条件自动地对生产设备进行某种周期性操作，把操作人员从重复性劳动中解放出来。3、热力生产过程自动控制系统热力生产过程自动化主要包括锅炉、汽轮机及其辅助设备的自动控制。自动控制的任务是使锅炉、汽轮机适应负荷的需要，同时又能在安全、经济的工况下运行。锅炉自动控制系统，锅炉自动调节的任务主要有：1）使锅炉供给的蒸汽量适应负荷变化的需要；2）使锅炉供给的蒸汽压力保持一定范围内；3）使过热蒸汽（和再热蒸汽）温度在一定范围内；4）保持汽包水位在一定范围（直流炉无）；5）保持燃烧的经济性；6）保持炉膛负压在一定范围内。为了实现上述调节任务，根据实际运行经验，组成以下几个相对独立的调节系统：1）给水自动调节系统；2）过热蒸汽（和再热蒸汽）温度自动调节系统；3）燃烧过程自动调节系统，包括燃料量调节、送风量调节、引风量调节系统。汽机自动控制系统汽轮机自控系统主要有功率—转速调节系统以及超速保护，汽轮机的转速较高，生产对汽轮机维持一定的转速和适应负荷变化的要求都很严格，人工操作无法满足这样的要求汽轮机的自控属于汽轮机专业的范畴。辅机自动控制系统辅机自动控制系统主要有除氧给水系统、水处理系统等。热工自动控制系统组成与分类自控系统一般由以下几部分组成：受控对象（过程）：在自动控制系统中，工艺变量需要控制的生产过程、设备或机械等，如汽轮机、过热器等；被控变量：表征其工作状态的物理量，如汽轮机转速、主汽温度等；测量变送：对被控量进行测量（转换成标准信号）的装置，例如压力变送器、热电阻、热电偶等；调节器：把测定值和设定值进行比较运算，并输出控制指令的装置；执行器（调节阀）：把调节器的指令成比例地转换为直线或角位移地装置；自动控制系统的分类按控制方式分类1）闭环控制系统（也称反馈控制系统）：被控量信号反馈到控制设备的输入端，成为控制设备生产控制作用的依据。被控量与给定量有偏差，控制设备就要对控制对象施加作用，直到被控量符合要求为止。闭环控制系统基于偏差进行控制，消除偏差，可克服各种扰动对被控量的影响。由于控制作用落后于干扰，因此相对来讲控制不及时。a)定值控制系统b)随动控制系统c)程序控制系统2）开环控制系统（也称前馈控制系统）：控制设备和控制对象在信号关系上没有形成闭合回路的控制系统，其被控量没有反馈到控制设备的输入端。特点是按扰动进行控制，结构简单，精度差，只能克服单一扰动。3）复合控制系统：开环控制和闭环控制组合的一种控制系统。按闭合回路的数目分类1）单回路控制系统：只有一个被控量信号反馈到控制器的输入端。形成一个闭合回路。2）多回路控制系统：具有一个以上的闭合回路，控制器(调节器)除接受被控量反馈信号外，还有另外的输出信号直接或间接地反馈到控制器的输入端。例如串级控制系统和导前微分控制系统都是双回路控制系统。主要自动化系统CCS：单元机组协调控制系统（coordinationcontrolsystem，CCS）协调控制是基于机、炉的动态特性，应用多变量控制理论形成若干不同形式的控制策略，在机、炉控制系统基础上组织的高一级机、炉主控系统。它是单元机组自动控制的核心内容。FSSS：锅炉炉膛安全监控系统（furnacesafeguardsupervisorysystem，FSSS）或称燃烧器管理系统（burnermanagementsystem，BMS）炉膛安全监视系统包括炉膛火焰监视，炉膛压力监视，炉膛吹扫，自动点火，燃烧器自动切换，紧急情况下的主燃料跳闸等。SCS：顺序控制系统（sequencecontrolsystem）按照生产过程工艺要求预先拟定的顺序，有计划、有步骤、自动地对生产过程进行一系列操作的系统，称之为顺序控制系统。顺序控制也称程序控制，在发电厂中主要用于主机或辅机的自动启停程序控制，以及辅助系统的程序控制。DEH：汽轮机数字电液控制系统（digitalelectrichydraulicsystem）汽轮机数字电液控制系统是汽轮发电机组的重要组成部分，除完成汽轮机转速、功率及机前压力的控制外，还可实现机组启停过程及故障时的控制和保护。BPS：旁路控制系统（bypasscontrolsystem，BPS）大型中间再热式机组一般都设置旁路热力系统，其目的是在机组启、停过程中协调机、炉的动作，回收工质，保护再热器等。完备的旁路控制系统是充分发挥旁路系统功能的前提。DAS：数据采集系统（dataacquisitionsystem）又称为计算机监控系统，其基本功能是对机组整个生产过程参数进行在线检测，经处理运算后以CRT画面形式提供给运行人员。该系统可进行自动报警，制表打印，性能指标计算，事件顺序记录，历史数据存储以及操作指导等。厂级实时监控信息系统（SupervisoryInformationSysteminPlantLevel，简称SIS）SIS是发电厂的生产过程自动化和电力市场交易信息网络化的中间环节，是发电企业实现发电生产到市场交易的中间控制层，是实现生产过程控制和生产信息管理一体化的核心，是承上启下实现信息网络的控制枢纽。实现全厂生产过程监控实时处理全厂经济信息和成本核算竞价上网处理系统实现机组之间的经济负荷分配机组运行经济评估及运行操作指导AGC：自动发电控制系统，（automaticgenerationcontrolSystem，AGC）由于调速器为有差调节，因此对于变化幅度较大、周期较长的变动负荷分量，需要通过改变汽轮发电机组的同步器来实现，即通过平移调速系统的调节静态特性，从而改变汽轮发电机组的出力来达到调频的目的，称为二次调整。当二次调整由由电网调度中心的能量管理系统来实现遥控自动控制时，则称为自动发电控制（AGC）。过程控制系统的性能指标单项性能指标衰减率、超调量、稳态误差、调节时间控制器广义被控对象给定值被调量稳态稳态动态控制要求安全性积极性稳定性评价指标稳定性准确性快速性控制器广义对象+-给定被调量y1y3y∞essts单项性能指标衰减率:ψ=超调量:σ=稳态误差:ess=y∞-r调节时间:ts(进入稳态值5%范围内）131y-yy1100%yyr单项性能指标衰减率ψ:反映了系统稳定性超调量σ:反映了动态准确性稳态误差ess:反映了静态准确性调节时间ts:反映了快速型一般对定值系统衰减率要求为75%对随动系统衰减率要求为90%热工对象的动态特性典型自衡对象传递函数表达式典型非自衡对象传递函数表达式1Κρ=ε=KΤ响应自衡率速度-τsKG(s)=eTs+1-τs1G(s)=eTsτTKTτ1ε=T响应速度热工对象具有以下特点：（1）被调量的变化大多是不振荡的。（2）被调量在干扰发生的开始阶段有迟延和惯性。（3）在响应曲线的最后阶段，被调量可能达到一个新的平衡状态（对象有自平衡能力），也可能不断变化而无法进入平衡状态（对象无自平衡能力）。（4）描述对象动态特性的特征参数有：放大系数、时间常数、迟延时间。阶跃响应曲线求取对象传递函数时域法是目前应用最多的一种方法，其主要内容是：给对象人为加一阶跃扰动，记录下响应曲线，然后根据该响应曲线求取对象的传递函数。由阶跃扰动作用下的对象的动态特性为阶跃响应曲线，即飞升曲线。阶跃响应曲线能比较直观的反映对象的动态特性；其次特征参数直接取自记录曲线而无需经过中间转换，试验方法也很简单。1阶跃响应获取应注意的问题（1）合理选择阶跃扰动的幅度(一般为额定负荷10%～20%)（2）实际阀门只能以有限速度移动（一般认为阶跃信号是在t1/2时加入）（3）试验前确保被控对象处于稳定工况（4）若过程不允许同一方向扰动加入，则采用矩形脉冲扰动，可从脉冲响应曲线求出所需的阶跃响应。2确定自衡对象传递函数-τsKeG(s)=Ts+1-τs-τsn12KeKeG(s)=G(s)=(Ts+1)(Ts+1)(Ts+1)或典型自衡过程：一阶惯性环节用有理分式表示的传递函数选择哪种传递函数的形式，可依据以下两点：对被控对象的验前知识的掌握对建立数学模型准确性的要求二阶或n阶惯性环节KTτm-τsm10nn10bs++bs+bG(s)e(nmas++as+a）（1）确定-τsKeG(s)=Ts+1参数KTτ的作图法Y∞TτYt•t1/2处为扰动起点；•在s型响应曲线找拐点，并作切线；•记交点a、b和cb•起点到a的距离为τ；•a点到c点的距离为T；c0yK=Δμ（2）确定-τsKeG(s)=Ts+1参数的两点法Y∞Yt*y(t)yt=y()•将响应曲线标幺1Y*tt1t20.630.39*0tτyt=t-τ1-exp-tτT•取y*(t1)=0.39，取y*(t2)=0.63，记t1和t22112T=2(t-t)τ=2t-t•取34t=0.8T+τt=2T+τ验证34y*(t)=0.55y*(t)=0.87（3）确定-τs1212KeG(s)=TT(Ts+1)(Ts+1)，参数的两点方法1Y*tY*´τt2t1•将响应曲线标幺并去掉纯迟延的到y*(t)Y∞tY•取y*(t1)=0.4，取y*(t2)=0.8，记t1和t2若0.32t1/t2≤0.46，则为二阶对象12121211221T+T(t+t)2.16TTt1.74-0.55(T+T)t若t1/t20.46，则为高阶对象见表1-1nt1/t210.31720.4630.53440.58450.61860.64070.666nt1/t280.68490.699100.712110.724120.734130.748140.751=12nt+t1G(s)nT2.16Ts+1表1-1高阶对象中n与比值t1/t2的关系-τseG(s)=Ts1naG(s)=Ts(Ts+1)3．由阶跃响应确定非自衡过程近似传递函数一阶积分环节的多容过程非自衡过程传递函数为：一阶积分环节的纯迟延过程*当对象的阶数n6时，一般多容过程传递函数描述（1）一阶积分的多容过程1naG(s)=Ts(Ts+1)-10na22n-1022na2n-1t-0Ta1Δμ11y(t)=LTs(Ts+1)sΔμ1nTnT(n-1)TT1=L-++++Tss1+Ts(1+Ts)(1+Ts)sΔμtn-2t1t=t-nT+Ten+(n-1)+++TT2!T(n-1)!Ty*(t)+y(t)阶跃响应为•当y*(t)＝0时t＝ta有：ta＝nT→T＝ta/n*00aaΔμtΔμnTy(t)=-TT渐近线方程：•当t＝0时，y*(t)＝0h0a0aa0ΔμnT0h=TΔμnTtT==Δμ0h0h•当t＝ta＝nT时，y(ta)=y1(ta),值为：2n-1-n0aaΔμT(n-2)nny(t)=en+n(n-1)+++T2!(n-1)!2n-2-nay(t)(n-2)n(n