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第一节  协调控制系统CCS概述

CCS是一种连续的调节系统（Continuious Control System），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（Coordinated Control System）。

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（Closed loop Control System）。

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。

下面先介绍一些基础知识。

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。

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、也是目前热工生产达程中用得比较广泛的，是线性闭环、恒值控制系统。

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，从而引起控制机关位置m的变化。

目前的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）

比例作用的动态方程为m=ke，K称为比例系数，  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 的变化速度快，控制机关的移动速度也快。

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  ，从该式可以看出，如果被控量不等于给定值，即 ，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  ，从上式可以看出，调节过程结束时，偏差e不变，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

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。

4．主要的热工对象特性

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。

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。

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。

（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。