斬波技術在自動控制系統中的應用大唐韓城第二發電有限責任公司劉永紅斬波技術在自動控制系統中的應用大唐韓城第二發電有限責任公司010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

凡是調試過自動控制技術人員都經歷這種困惑，有的復雜自動在投入后，有時自動調節品質優良，有時候調節品質又很差，特別是近年火電廠燃煤成分越來越復雜，深度調峰的機會越來越多，電網兩個細則對各電廠AGC控制的要求越來越嚴，這就對火電廠協調控制提出了很高的要求，然而很多電廠都存在壓力和負荷波動比較大問題，在這樣的背景下研究出了該技術成果。

010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語自動控制

自動控制是按偏差來控制，隨著偏差的增大，PID逐漸減小指令，當偏差到最大值時，PID根據偏差逐漸降低到最低值，當偏差由最大值逐步返回時，PID根據偏差逐漸增加，被調量必然要經過設定值后降低至某一值，即使自動控制參數整定合適，到下一個波形必然會波動，導致自動控制系統需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。手動控制

手動控制是按趨勢來控制的，有經驗的運行人員當發生大的擾動時，隨著偏差的增大，手動減小指令，當偏差達到最大值并有回頭的趨勢時，運行人員快速手動把指令階躍返回某一固定值保持不變，當然指令返回多少取決于運行人員對調節對象特性的了解，接下來的擾動能夠很快被穩定在設定值附近保持不變010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用介紹語自動控制：隨著偏差的增大，PID逐漸減小指令，當偏差到最大值時，PID根據偏差逐漸降低到最低值，當偏差由最大值逐步返回時，PID根據偏差逐漸增加，被調量必然要經過設定值后降低至某一值，導致自動控制系統需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。即使自動控制參數整定合適，到下一個波形必然會波動，曲線如圖1。圖1自動調整曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

手動控制：控制思路同自動調節不盡相同，有經驗的運行人員會根據被調量的變化趨勢進行調整。如運行人員手動調節，被調量增大時，運行人員減小輸出值，當發現被調量已經到最大并開始回頭時，及時預返回一個值不動，可以看出被調量在這個波結束時比較接近設定值且波動很小曲線,如圖2：圖2手動調整曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

如何設計一個控制邏輯，既能用常規自動PID控制，又能包含手動控制的控制策略？如圖3，把一個被調量變化波形分為四個部分，分析上述自動控制同手動控制的區別，就可以認為第二區是多余的。如果自動控制時能判斷被調量已經回頭進入第二區時就加一個前饋，來抵消第二區的PID輸出作用，那么當曲線到第三區時，最低值就很接近平衡點。斬波技術就是如何判斷被調量回頭，以及如何設計一個合適的前饋去抵消第二區的PID輸出作用。圖3被調量變化曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

判斷被調量進入第二區：

圖4判斷被調量進入第二區邏輯圖4邏輯中用到的LEADLAG函數，是個非線性的超前/滯后函數，其功能符號：OUT=(K1XIN1)+(K2XOLDIN1)+(K3XOLDOUT)

該模塊有兩個參數LEAD和LAG，當LEAD=0時，LAG＞0時，該模塊即為純滯后模塊，在本邏輯中使用其滯后功能。該滯后模塊對于階躍響應相當于平滑后再變化，對于正玄波的響應相當于把曲線滯后某一時刻，但波形與原波形是完全一致的。

010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語圖4被調量進入第二區的判斷邏輯輸出，可通過圖5有波形來說明。

圖5判斷被調量進入第二區的曲線圖5中，當被調量同前一刻的滯后值相減，形成a曲線，如果又把a曲線同前一刻的滯后值再相減形成b曲線，從圖5中就會發現當被調量進入第二區時，a曲線同b曲線均為負值，而其它情況均不會同時為負值，因此判斷a<0并且b<0時，就可以判讀出被調量已經在第二區。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語當判斷被調量進入第二區時，邏輯如下圖，切換到Y路輸出，通過函數轉換，該前饋輸出同PID的輸出疊加，綜合作用后輸出到執行機構。圖6斬波前饋邏輯010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

斬波技術應用于韓城第二發電公司機組協調控制的主汽壓力回路中，圖7是斬波前饋應用邏輯。主汽壓力偏差通過函數Fx轉換為所需煤量值，該函數是穩態時煤量同壓力偏差之間關系，通過LEADLAG的滯后和平滑，再用不同負荷段對應的函數系數相乘，以體現同樣的壓力偏差，在不同的負荷段所需煤量是不相同的這一關系。最后該前饋同爐主控的PID輸出相加，去控制煤量，以實現對壓力的閉環控制。圖7斬波前饋在主汽壓力回路中應用邏輯由圖7可知，當主汽壓力經過兩個滯后環節后，可以判斷出主汽壓力測量值是否到第二區，當到第二區時，此時切換器切換到“Y”路輸出，通過函數轉換和滯后平滑后乘以功率的函數即系數，這形成了斬波前饋，該前饋同PID的輸出及其它前饋疊加后輸出到煤主控，來準確控制煤量。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語應用該控制策略很好地解決了韓城第二發電公司機組協調控制中出現的壓力不穩定，進而導致負荷大幅度波動，燃燒惡化情況。目前煤種越來越復雜，原先的控制邏輯，即使參數整定得很好，但在同一負荷不同時間段內，自動調節品質也相差很大。如使用各類優化軟件，不但投資大且維護維護修改參數很困難。使用該控制策略后，壓力控制的穩定時間大大縮短。斬波后邏輯優化前邏輯

對于一個較大擾動，即使參數合適，必然經過幾個逐漸收斂的波動才能達到穩定值，需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。由于斬波產生的前饋作用，使得當被調量到第三區時，最低點不會是普通的自動控制系統的最低點，因為給PID的輸出疊加了預置值，由于無后勁作用，被調量到最低點時已經向穩定點回歸，如果參數調整合適，被調量到第三區時就已經接近穩態值。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語由上圖可以看出，未采用斬波控制策略前，主汽壓力的變化由于擾動必須經過幾個波形才能穩定，而且煤量的波形也是上下近似與正弦波，這不利于機組的穩定運行，對于熱力系統，一旦出現擾動，需要控制系統在盡可能短的時間把被調量穩定在平衡點。圖8未采用斬波前饋主汽壓力曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語由上圖可以看出，采用斬波前饋控制策略后，波形基本未出現類似正弦波的曲線，而且從曲線可以看出，當壓力到最大時，煤量指令在最低值時出現一個快速預加值，使隨后的壓力控制在設定值附近，壓力波動很小。而采用斬波技術后，被調量波形基本無規律而且波動很小圖9采用斬波前饋主汽壓力曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語目前有些電廠的協調控制系統投入幾十萬元的資金，采用斯密斯預估、狀態觀測器等先進算法，但由于理論太深，參數太多，有的還是黑匣子，一般普通工程技術人員很難掌握修改參數的方法。而斬波控制策略沒有使用先進的控制算法，不需要投入資金，僅采用DCS系統常用的模塊搭接而成，解決了困擾提高機組調節品質的技術難題，具有較大的推廣價值。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

該技術創新點就是把人的控制思路加進自動控制范疇，即使原PID參數整定不合適，在某一階段曲線震蕩甚至發散，通過采用斬波技術，能把擾動迅速降低到最小，極大提高了自動控制品質，特別是電廠中最難控制的協調控制系統。

亮點就是把該控制回路通過簡單、常用的DCS模塊用邏輯組態的方法加以實現，解決了自動PID無法解決的問題。在自動控制方面應用前景十分廣泛，具有獨創性。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點榮譽列表結束語2012年8月在國家級刊物《自動化博覽》上發表。2012年11月全國熱工自動化年會獲二等獎并在大會上

進行宣講和技術交流。2013年獲陜西發電公司一等獎和集團公司二等獎。2013年榮獲第五屆全國電力職工技術成果二等獎。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點榮譽010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語結束語

該技術成果應用與火力發電廠最重要的協調控制系統，能很好地解決主汽壓力波動對自動調節品質的影響。如果把這個控制策略推廣到其它自動控制系統中，對控制邏輯進行優化，能極大提高自動調節品質。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣斬波技術在自動控制系統中的應用大唐韓城第二發電有限責任公司劉永紅斬波技術在自動控制系統中的應用大唐韓城第二發電有限責任公司010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

凡是調試過自動控制技術人員都經歷這種困惑，有的復雜自動在投入后，有時自動調節品質優良，有時候調節品質又很差，特別是近年火電廠燃煤成分越來越復雜，深度調峰的機會越來越多，電網兩個細則對各電廠AGC控制的要求越來越嚴，這就對火電廠協調控制提出了很高的要求，然而很多電廠都存在壓力和負荷波動比較大問題，在這樣的背景下研究出了該技術成果。

010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語自動控制

自動控制是按偏差來控制，隨著偏差的增大，PID逐漸減小指令，當偏差到最大值時，PID根據偏差逐漸降低到最低值，當偏差由最大值逐步返回時，PID根據偏差逐漸增加，被調量必然要經過設定值后降低至某一值，即使自動控制參數整定合適，到下一個波形必然會波動，導致自動控制系統需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。手動控制

手動控制是按趨勢來控制的，有經驗的運行人員當發生大的擾動時，隨著偏差的增大，手動減小指令，當偏差達到最大值并有回頭的趨勢時，運行人員快速手動把指令階躍返回某一固定值保持不變，當然指令返回多少取決于運行人員對調節對象特性的了解，接下來的擾動能夠很快被穩定在設定值附近保持不變010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用介紹語自動控制：隨著偏差的增大，PID逐漸減小指令，當偏差到最大值時，PID根據偏差逐漸降低到最低值，當偏差由最大值逐步返回時，PID根據偏差逐漸增加，被調量必然要經過設定值后降低至某一值，導致自動控制系統需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。即使自動控制參數整定合適，到下一個波形必然會波動，曲線如圖1。圖1自動調整曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

手動控制：控制思路同自動調節不盡相同，有經驗的運行人員會根據被調量的變化趨勢進行調整。如運行人員手動調節，被調量增大時，運行人員減小輸出值，當發現被調量已經到最大并開始回頭時，及時預返回一個值不動，可以看出被調量在這個波結束時比較接近設定值且波動很小曲線,如圖2：圖2手動調整曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

如何設計一個控制邏輯，既能用常規自動PID控制，又能包含手動控制的控制策略？如圖3，把一個被調量變化波形分為四個部分，分析上述自動控制同手動控制的區別，就可以認為第二區是多余的。如果自動控制時能判斷被調量已經回頭進入第二區時就加一個前饋，來抵消第二區的PID輸出作用，那么當曲線到第三區時，最低值就很接近平衡點。斬波技術就是如何判斷被調量回頭，以及如何設計一個合適的前饋去抵消第二區的PID輸出作用。圖3被調量變化曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

判斷被調量進入第二區：

圖4判斷被調量進入第二區邏輯圖4邏輯中用到的LEADLAG函數，是個非線性的超前/滯后函數，其功能符號：OUT=(K1XIN1)+(K2XOLDIN1)+(K3XOLDOUT)

該模塊有兩個參數LEAD和LAG，當LEAD=0時，LAG＞0時，該模塊即為純滯后模塊，在本邏輯中使用其滯后功能。該滯后模塊對于階躍響應相當于平滑后再變化，對于正玄波的響應相當于把曲線滯后某一時刻，但波形與原波形是完全一致的。

010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語圖4被調量進入第二區的判斷邏輯輸出，可通過圖5有波形來說明。

圖5判斷被調量進入第二區的曲線圖5中，當被調量同前一刻的滯后值相減，形成a曲線，如果又把a曲線同前一刻的滯后值再相減形成b曲線，從圖5中就會發現當被調量進入第二區時，a曲線同b曲線均為負值，而其它情況均不會同時為負值，因此判斷a<0并且b<0時，就可以判讀出被調量已經在第二區。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語當判斷被調量進入第二區時，邏輯如下圖，切換到Y路輸出，通過函數轉換，該前饋輸出同PID的輸出疊加，綜合作用后輸出到執行機構。圖6斬波前饋邏輯010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語

斬波技術應用于韓城第二發電公司機組協調控制的主汽壓力回路中，圖7是斬波前饋應用邏輯。主汽壓力偏差通過函數Fx轉換為所需煤量值，該函數是穩態時煤量同壓力偏差之間關系，通過LEADLAG的滯后和平滑，再用不同負荷段對應的函數系數相乘，以體現同樣的壓力偏差，在不同的負荷段所需煤量是不相同的這一關系。最后該前饋同爐主控的PID輸出相加，去控制煤量，以實現對壓力的閉環控制。圖7斬波前饋在主汽壓力回路中應用邏輯由圖7可知，當主汽壓力經過兩個滯后環節后，可以判斷出主汽壓力測量值是否到第二區，當到第二區時，此時切換器切換到“Y”路輸出，通過函數轉換和滯后平滑后乘以功率的函數即系數，這形成了斬波前饋，該前饋同PID的輸出及其它前饋疊加后輸出到煤主控，來準確控制煤量。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語應用該控制策略很好地解決了韓城第二發電公司機組協調控制中出現的壓力不穩定，進而導致負荷大幅度波動，燃燒惡化情況。目前煤種越來越復雜，原先的控制邏輯，即使參數整定得很好，但在同一負荷不同時間段內，自動調節品質也相差很大。如使用各類優化軟件，不但投資大且維護維護修改參數很困難。使用該控制策略后，壓力控制的穩定時間大大縮短。斬波后邏輯優化前邏輯

對于一個較大擾動，即使參數合適，必然經過幾個逐漸收斂的波動才能達到穩定值，需幾個過渡過程才能穩定下來，這對工業生產的控制是不利的。由于斬波產生的前饋作用，使得當被調量到第三區時，最低點不會是普通的自動控制系統的最低點，因為給PID的輸出疊加了預置值，由于無后勁作用，被調量到最低點時已經向穩定點回歸，如果參數調整合適，被調量到第三區時就已經接近穩態值。010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語由上圖可以看出，未采用斬波控制策略前，主汽壓力的變化由于擾動必須經過幾個波形才能穩定，而且煤量的波形也是上下近似與正弦波，這不利于機組的穩定運行，對于熱力系統，一旦出現擾動，需要控制系統在盡可能短的時間把被調量穩定在平衡點。圖8未采用斬波前饋主汽壓力曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣應用結束語由上圖可以看出，采用斬波前饋控制策略后，波形基本未出現類似正弦波的曲線，而且從曲線可以看出，當壓力到最大時，煤量指令在最低值時出現一個快速預加值，使隨后的壓力控制在設定值附近，壓力波動很小。而采用斬波技術后，被調量波形基本無規律而且波動很小圖9采用斬波前饋主汽壓力曲線010203040506成果背景項目原理實際應用創新難點推廣010203040506