引 言电力工业的发展，高参数大容量的火力发电机组在电网中所占的比例越来越大，电网因用电结构变化，负荷峰谷差逐步加大，因此要求大型机组具有带变动负荷运行的能力，以便迅速变化满足负荷变化的需要及参加电网调频大型的机组都是以锅炉、汽轮机组成单元机组方式运行，机、炉之间相互联系紧密，成为一个不可分割的整体因此，必须将二者作为一个联合的条件对象进行控制，又由于外部负荷变化时，机、炉的动态响应特性差别比较大，控制系统应该考虑两者的特点做适当的分工协调，以提高机组适应负荷变化和保持内部能量平衡的能力，所以协调控制就成为必然的趋势，协调控制系统的控制策略设计直接决定了协调控制系统的调试及控制品质目前，大型单元机组已承担了绝大多数的负荷在单元机组协调控制系统中让机、炉同时按照电网负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要运行参数的偏差，协调进行控制，从而在满足电网负荷要求的同时，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，保持主要运行参数的稳定因此，单元机组为了保证运行的高度安全、经济、稳定，对其自动化水平提出了更高的要求火电厂大型的单元机组控制对象为强耦合、时变、滞后大的复杂系统，当各种扰动作用时，导致控制对象参数不确定，模型难于准确建立。
目前国内外对大型单元机组的研究投入了大量人力物力，但进展不大，应用主要控制策略仍为传统的PID控制，很难使机组达到最佳状态因此，我们有必要不断的探索，以寻求更好的控制策略，来满足日益提高的电力系统要求第一章 单元机组协调控制系统1.1 单元机组协调控制的发展 国民经济不断增长，增加了对能源的需求量，电力工业逐渐发展为大电网、大机组、高参数、高度自动化由于高参数，大容量机组发展迅速，装机容量日益增多，因此对机组的自动化需求也日益提高与其它工业生产过程相比，电力生产过程更加要求保持生产的连续性，高度的安全性和经济性单元机组协调控制系统已成为大型单元机组普遍采用的一种控制系统，该系统把自动调节、逻辑控制、安全保护、监督管理融为一体，具有功能完善、技术先进、可靠性高等特点，在工程应用中，协调控制系统能否成功的投入和运行，发挥其应有的功能，取决于机组主设备的可控性、系统控制设备的性能及可靠性、系统设计与整定的合理性等因素大型单元机组从设计、制造、安装都充分考虑到机组自动控制方面的需要，使机组可靠性得到了不断改善和提高，为机组自动化水平的提高奠定了基础单元机组自动控制系统主要包括自动检测与监视系统、自动调节系统、程序控制系统、自动保护系统等等。
自动检测与监视系统：把反映运行工况的物理参数，比如、压力、流量、转速、位移、成分等，以及反映设备运行状态的物理参数，比如设备运行/停止、刀闸接通/断开、阀门开启/关闭等进行检测同时，也作为自动控制系统进行自动操作的依据自动控制系统：它也称为闭环控制系统在机组运行过程中，持续不断的对主要运行参数进行调节，克服内部和外部各种扰动，维持各项参数在规定范围内程序控制系统：它也叫做顺序控制系统某些生产设备需要依照既定的操作步骤和顺序进行一系列的操作，例如主辅机设备的顺序的启停等自动保护系统：为了确保设备安全，在发生故障时能够自动地完成必要操作，使故障及时排除或防止故障扩大例如汽轮机保护系统、锅炉保护系统、继电保护系统1.2 单元机组协调控制系统的基本概念1.2.1 单元机组协调控制系统概述1．协调控制的基本概念单元机组的输出电功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求的平衡关系；主汽压力反应了锅炉和汽轮发电机组之间能量供求的平衡关系协调控制系统就是为完成这两种平衡关系而设置的使机组对外保证有较快的负荷响应和一定的调节能力，对内保证主要运行参数稳定的系统称为协调控制系统协调控制系统（Coordinated Concror system -----CCS）,使将单元机组的锅炉和汽轮发电机作为一个整体进行控制的系统。
生产过程是否正常进行，通常是用一些物理量来表征（例如：汽轮发电机的参数、锅炉的汽压、汽温、炉膛负压、烟气成分、汽包水位等）当这些物理量偏离所希望维持的数值时，就表示生产过程离开了规定工况，必须加以调节因为调节的任务就是使表征生产过程是否正常进行的这些物理量保持在所希望的数值上而这种数值的控制中，协调控制是一种重要的方法从大系统理论出发，协调控制是一种解决大系统控制问题的基本策略而大系统是指由若干相互关联的子系统组成的复杂系统应用大系统理论解决控制问题的基本方法就是分解-协调的方法所谓分解是把大系统化为若干子系统，以便进行分块处理与控制，求得各子系统的局部最优解；而协调则是从系统的全局出发，合理地调整各子系统之间的和谐与统一，进而得到整个大系统的最优解大系统中包含的各子系统之间相互关联的结构有多种多样的形式，其中最为普遍的形式是递阶结构，也称为多级控制在这种递阶的结构中，各子系统处于不同级别的层次中，并具有不同的功能如图1-1，处于上位协调的协调控制器职能，就如同总公司的董事长，其下协调级的控制器就相当于各子公司的总裁，处于局部控制级的控制器则相当于各部门的经理图1-1递阶控制系统结构框图常规的自动控制系统是汽轮机和锅炉分别控制。
汽轮机调节机组负荷和转速，机组负荷的变化必然会反映到机前主蒸汽压力的变化，即机前主蒸汽压力反映了机炉之间的能量平衡主蒸汽压力的控制由锅炉燃烧调节系统来完成，燃烧调节系统一般又分为主蒸汽压力调节系统、送风氧量调节系统、炉膛负压调节系统等子系统随着单元机组容量的不断增大、电网容量的增加和电网调频、调峰要求的提高以及自身稳定（参数）运行要求的提高，常规的自动调节系统已很难满足单元机组既参加电网调频、调峰，又稳定机组自身运行参数这两个方面的要求，因此必须将汽轮机和锅炉视为一个统一的控制对象进行协调控制所谓协调控制，是指通过控制回路协调汽轮机和锅炉的工作状态，同时给锅炉自动控制系统和汽轮机自动控制系统发出指令，以达到快速响应负荷的目的，尽最大可能发挥机组的调频、调峰能力，稳定运行参数[1]单元机组协调控制系统是在常规机炉局部控制系统基础上发展起来的新型控制系统单元机组在处理负荷要求并同时维持机组主要运行参数的稳定这两个问题时，是将机炉作为一个整体来看待的然而汽机、锅炉又是相对独立的，它们通过各自的调节手段，如汽轮机调节阀开度、锅炉燃烧率，满足电网负荷的要求及主参数的稳定，但它们的能力不尽相同，主要表现在锅炉调节的相对滞后，如果在设计控制系统时能充分考虑它们的差异，采取某些措施（如引入某些前馈信号、协调信号），让机炉同时按照电网负荷的要求变化，接收外部负荷的指令，根据主要参数的偏差，协调地进行控制，这样的控制系统称为协调控制系统。
协调控制系统是由负荷指令处理回路、机炉主控制回路、主压力设定回路三部分组成负荷指令处理回路接收中调指令、操作员指令和频率偏差指令，通过选择和计算，再根据机组主辅机运行情况，发出机组实际负荷指令，送给机炉主控制回路，改变调节阀的开度和锅炉燃烧率机前压力设定回路，由运行人员选择定压/滑压运行方式，经幅值和变化率处理后形成合适的机前压力设定点，保证机组处于稳定、经济的运行工况2．单元机组协调控制系统的结构单元机组协调控制系统的结构如下图1-2所示图中只给出了单元机组锅炉和汽轮发电机组最主要的控制系统部分单元机组协调控制系统可认为是一种二级递阶控制系统处于上位级的机炉协调级，也叫作单元机组主控系统，是整个系统的核心部分处于局部控制级的子系统包括锅炉燃料控制系统，风量控制系统，汽轮机功率/频率调节系统，以及直流锅炉的给水控制系统单元机组主控系统产生指挥机炉控制器动作的锅炉指令和汽机指令局部控制级的控制器执行主控系统发出的指令，完成指定的控制任务1.2.2 单元机组协调控制系统的基本要求1．机组并网运行时，应使机组满足电网对机组负荷的要求，并具有较高的负荷适应能力在调节过程中，各调节机构的动作不应过分频繁，不致出现过分超调。
2．保证机组运行安全当主机或主要辅机设备故障时，应自动采取相应的措施，把故障限制在最小的范围内，保证设备安全的前提下，不致使机组全停负荷变更时，变更幅度和速度必须限制在安全允许的范围内3．对于允许滑压运行的单元机组，其协调控制系统应能满足定压和滑压不同运行方式的需要4．具有机炉间协调与能量平衡，实时监视主机、辅机的运行能力5．系统要方便于运行人员的干预，保证任何一台执行器手动、自动切换的自平衡、无扰动中调指令操作员指令 频差指令单元机组主控系统汽机指令 锅炉指令 给 水控 制系 统风 量控 制系 统燃 料控 制系 统汽轮机控 制系 统进 燃 风 给 汽 料 量 水 量 量 量 机 炉 受 控 对 象图1-2 单元机组协调控制系统框图1.2.3 单元机组协调控制系统的特点单元机组协调控制系统是在常规机炉控制系统基础上发展起来的，其主要特点包括以下几个方面：1．系统结构先进采用了递阶控制结构，机炉协调控制器是一个多变量控制器，采用了前馈、反馈、补偿以及变结构控制等技术，充分利用了机炉动态特性的特点，克服系统内部耦合和非线性特性。
2．系统功能完善除了正常工况下的连续调节之外，系统根据需要设计了一整套逻辑控制系统3．系统可靠性高通过设置安全保护系统和采取一系列可靠性措施，可获得很高的系统可靠性[2]1.2.4 单元机组协调控制的任务单元机组协调控制的任务有三项:又能迅速协调锅炉、汽轮机之间的能量供求关系，使输入机组的热能尽快与机组的输出功率相适应；而且在各种运行工况下，确保机组安全稳定运行协调控制系统的任务是协调地控制锅炉燃料量、送风量、给水量等，以及汽轮机阀门开度，使机组既能保证机组输出功率迅速满足电网的要求，又能保证机组运行稳定1.3 单元机组的运行方式单元机组的运行方式有定压运行和滑压运行两种定压运行是指无论机组负荷怎样变动，始终维持主蒸汽压力以及主蒸汽温度为额定值，通过改变汽轮机调节门的开度，改变机组的输出功率滑压运行则是始终保持汽轮机调节汽门全开，在维持主蒸汽温度恒定的同时，通过改变主蒸汽压力改变机组的输出功率1.3.1 滑压运行采用滑压运行方式和滑压参数启停是单元机组具有的特点之一单元机组在滑压运行方式下保持主汽门和调节汽门全开外界负荷变化时，通过调节锅炉的燃料、风量、给水以及相应的输入量，改变锅炉的输入量，改变锅炉的蒸发量，进而改变汽轮机的进气压力，在维持汽温为额定值的前提下，使进入汽轮机蒸汽能量改变，使汽轮发电机组的输出功率适应外界负荷的需求。
由于锅炉设备内部具有很大的蓄热能力，热惯性也大当外界负荷需求变化时，虽然改变了锅炉的能量输入，但直到锅炉输出蒸汽能量的变化，还要经过一段滞后时间和惯性过程这就会使滑压运行方式下，机组难以快速地响应另外，如果使汽轮机总是处于全开位置，当电网频率波动时，机组就不可能通过调节进汽量，参与电网的一次调频所以不要使汽轮机的调节汽门处于全开位置，而是留出一定的调节余地滑压运行方式具有以下主要特点：1．汽轮机调节汽门保持近似全开将会使进汽节流损失降低2．在部分负荷下主蒸汽和再热蒸汽的压力降低，容易保持蒸汽温度不变3．部分负荷下给水泵的功耗比定压运行时小4．负荷越低，滑压运行的经济性越显著5．调峰停机后再启动快，可降低启动损耗1.3.2 定压运行定压运行方式的基本特征是机组负荷在任何稳定工况下，均保持主蒸。