一、概述
大型火力发电机组的热力参数高，负荷变化范围宽，机、炉及各种辅机调节特性各异，有的差异较大，更有的此调彼动，交叉耦合劣化系统调节品质。被控对象——锅炉、汽轮发电机组是非线性、参数慢时变、大惯性的不确定性复杂对象。同时，变压运行时汽包锅炉的蓄热能量减少，系统动态响应是高阶的，因此采用常规pid控制策略设计的控制系统只有在平衡工况下才能投入自动，当机组动态特性发生较大变化时，难以维持正常运运。
面对被调对象的非线性、大滞后性和回路交叉耦合的问题，pid又不是的。为此人们提出多种设计方法进行尝试，模糊控制、自适应控制、bang—bang控制等。为改善pid控制的不足，有人设想利用函数算法描述基本相关状态，建立调节对象的数学模型，再采用pid规律在函数构架中实现过程参数的动态调节，完成特定的自动调节，这就是状态参量控制的基本构想。又如基于现场作经验和理论分析，将解耦控制与模糊推理、自适应自整定等智能控制技术集成运用，提出另一种协调控制系统设计新方法。并采用集散控制系统成功地将这些方法在电厂试用，明显改善了系统适应工况变化的能力，取得相当的经验。
融计算机、数据通信和现代控制技术为一体的计算机分散控制系统（dcs）为实现状态参量控制奠定了现实基础。丰富的计算机软件资源支持种类繁多的数据计算；友好的人机界面为用户建立、修改控制模型。整定过程参数提供了方便；面向问题的计算机语言使过程控制算法对用户*透明，生成系统直观、简洁。
二、协调控制对象特性和常规控制方法分析
通过对协调控制对象的机理分析，可得到对象在给定稳态工作点附近的线性化近似数学模型：
式中上标“-”表示给定稳态工作点的各稳态参数；ne、pt、μ和b分别为机组电功率、机前压力、汽机调汽门开度指令和燃烧率指令；gpμ为机前压力对汽机调汽门开度的传递函数；gpb为机前压力对燃烧率的传递函数；gt＝n/dt为电功率对进入汽机的蒸汽流量的传递函数，代表了汽机及再热器的动态特性。
由上述对象模型及对某电厂300mw机组动态特性的研究结果，可以看出单元机组的协调控制必须充分考虑如下问题：
（1）机前压力调节回路和功率调节回路之间存在强耦合关系。当锅炉侧经常存在扰动时，由于两回路的耦合，导致控制质量下降，系统稳定性变差，这种情况在高负荷时尤其严重。
（2）机组参与调峰、调频需要经常大范围升降负荷，这时控制对象会呈现不可忽略的非线性特性。
（3）控制对象由于煤粉磨制过程、蒸汽蒸发过程而存在较大的惯性和滞后，且此惯性和滞后特性随煤质变化、磨煤机的磨损情况和锅炉受热面的污染结焦呈现不确定性。
（4）给煤机、磨煤机随着使用时间的增长、效率的下降，会造成给煤机转数与进入炉内的煤粉量之间存在不确定的对应关系，使锅炉燃烧工况不稳定，成为锅炉侧产生扰动的主要因素。
在单元机组协调控制的常规方案中，常采用如图1所示的具有功率定值前馈补偿的炉跟机控制策略，方案中pi（d）控制器及pd前馈器的参数通常是在一定工况下经多次试凑由人工整定得到的。显然常规控制方案没有完善考虑上述问题，因此常规协调控制系统难于获得好的控制性能，甚至无法投入运行。
三、基于解耦和智能控制技术的协调控制系统
3.1新的协调控制方案
为解决上述问题，本文提出协调控制系统设计的新方法。基于控制对象的特性分析，提出一种便于工程实施的主汽压和机组电功率两个回路间的解耦控制方法，使机组既能加快负荷响应速度，又能稳定机前压力；既保证机组安全稳定运行，又能有效地抑制锅炉侧经常存在的扰动。当机组运行工况发生较大变化而使系统控制质量明显降低时，通过对被控对象特性的辨识，完成协调控制系统控制器参数、补偿器参数的自整定及参数的增益调度适应控制和回路间的自适应解耦；对煤质、受热面的污染及对象建模误差等不确定因素造成的影响，则通过模糊自校正机构对主汽压pid控制器参数的在线调整加以消除。图2是新的协调控制系统设计方案的简化示意图。
3.2解耦补偿器的设计
根据式（1）给出的协调控对象的数学模型，考虑到汽机侧（包括再热器）对象特性gt的惯性比锅炉侧对象特性gpb的惯性小得多，因此可近似认为：.gpb.gt≈k.gpb，其中k是.gt的稳态放大系数，于是可利用协调控制对象的上述特点，实现两个控制回路的单向近似解耦。
图3是具有解耦补偿器的炉跟机为基础的协调控制系统的方框图，图中kc（s）＝diag[k1（s），k2（s）］为控制器矩阵，r、l分别是前置和后置补偿器矩阵。选取,可将被控对象矩阵g（s）近似补偿为三角阵，k通过对被控对象特性的辨识得到，可实现自适应静态解耦。
3.3主汽压回路pid参数的模糊自校正
在单元机组的协调控制中，主汽压力的调节起着关键作用。为克服固定参数pid控制器的缺陷，进一步提高控制系统的鲁棒性，必须使pid控制器具备根据对象运行状态变化在线调整其参数的能力。为此引入模糊自校正机制，以能充分利用模糊推理决策方法的优势，与传统方法相结合来解决常规控制策略难以解决的问题。模糊自校正pid控制器由常规pid控制器和模糊自校正机构组成。pid控制器的控制算法为
式中ki=kp/ti,kd=kptd,，滤波时间常数tf≥0.1td
四、状态参量控制方法在ccs中的应用
4.1状态参量控制
状态参量控制由2部分有机结合而成，一部分反映对象输入输出固有的因果状态关系，即特性曲线，许多相关联的特性曲线结合在一起构成系统状态基本框架。对于机炉协调控制系统所含子系统的特性，大致包括以下基本曲线：（1）锅炉负荷—风量要求；（2）锅炉负荷—燃料要求；（3）锅炉负荷—蒸汽流量；（4）风量要求—送风机开度；（5）送风机—引风机开度；（6）锅炉负荷—烟气氧量；（7）排粉机—烟气氧量；（8）锅炉负荷—一次风压；（9）给粉机转速—燃料量：（10）主汽流量—给水流量：（11）风量要求—再热蒸汽温度；（12）电动给水泵—汽动给水泵转速；（13）主汽流量—主蒸汽温度。
对于非线性曲线采用graphic算法多段函数发生器，通过设置断点，能够比较准确地复现曲线性特征。调整斜率的线性曲线一般选用可调增益线发生器。
这些描述特性曲线的函数算法或串联或并联链接在系统的回路中，具备两重意义：一是定义出ccs平行动作时回路的状态轨迹，在一定程度上使子系统之间的特性互补，改善调节品质，同时隔离干扰耦合，提高系统信噪比；二是修正单一回路调节全程各阶段的非线性，扩展pid的适用范围。
状态参量控制的另一部分是参量控制，传统的pid调节通常使用比例、积分、微分算法调节系统动态过程，但graphicpid算法与以往的pid调节器相比性能上已经有了质的飞跃，能抗积分过饱和，与变增益平衡器组合，可自动平衡控制多输出调节回路的动态特性。
4.2设计
锅炉燃烧调节仍然是机炉协调控制投入的技术难点之一。燃料、送风和引风控制全部应用状态参量控制的设计方案，燃料调节器、送风调节器并联特征函数，作为给定值的燃料与风量要求，通过特征函数直接影响输出指令，体现控制基本特性，同时也是超前动作指令。动态过渡过程调节以及系统静态偏差消除，依然由pid完成。这就有利于保持燃烧稳定，减小对象调节惰性。引风调节则与特征函数串联，主要因为炉膛负压高频波动大，对稳定性相对要求更高一些。用串联特征函数串联，主要因为炉膛负压高频波动大，对稳定性相对要求更高一些。用串联特征函数设置偏差死区允许锅护负压定值存在有限差，当偏差增大需要调节时，特征函数起规范调节斜率的作用。
燃料调节为串级系统。燃烧率信号形成的核心是氧量校正回路，由氧量校正调节器、超前/滞后交叉限幅环节、内扰抑制回路等组成。氧量调节器是系统主调，大环校正燃烧调节风煤配比，烟气氧量作为主信号，反映锅炉实时燃烧效果。ldc目标负荷是功率给定信号，进入氧量校正回路后，经函数算法处理具有高负荷低氧量、低负荷高氧量的负特性，有助于锅炉高负荷时经济运行和低负荷时稳定燃烧。由函数算法预置的制粉系统补偿信号、ldc目标负荷以及手动偏置等合成氧量校正调节器给定值。
送风为串级调节。氧量校正回路发出的风量请求是给定信号，经过温度补偿的送风量作为被调过程值。引风控制是具有补偿的单回路调节系统，从送风调节器输出接入前馈动态补偿。
4.3调试
机炉协调控制系统中引入状态能量控制的概念后，系统调节不再是简单的pid调节，还受控于描述对象状态的特性曲线。因此，系统的投入和参数整定正常规调节系统有所不同。
因大量的函数决定了输入输出信号调整、静态配合等基本特性，系统是运作在一个函数框架中，所以首先应根据机炉设计资料进行函数设置，再进行pid参数整定。计算机系统参数设定的性，为量化计算提供了条件，这也有别于模拟调节器主要依靠凑试的烦琐办法。在进行机炉大范围变负荷动态较正，全面校验整定参数对自动调节的适应性后，以完成rb工况整定作为工作的结束。
这种复合调节系统的调节品质与特征函数关系较大，能否求得准确的对象特性曲线是设计成败的关键。常规方法是通过试验来获取，在机组运行中进行试验有相当难度，有的甚至无法进行。借助历史数据存储与检索站（hsr），根据hsr存储的各种运行工况，把离散数据拟合成所需要的特性曲线，以获取的模型。
五、deb方式和fuzzy-pid复合控制结合的策略
由于当前国产200mw机组客观条件的限制，如zui低稳燃负荷、主要辅机的可控性和zui低出力的限制，一般只要求在150～200mw负荷间进行变负荷运行，且主蒸汽压力通常采用定压运行方式。暂不考虑200mw机组参加电网调频和机组主要辅机发生故障时机组自动降负荷控制，在设计过程中省略了频率控制回路、runback控制回路，同时对负荷指令控制回路进行简化，取消了闭锁增、减负荷和迫升、迫降负荷功能。ccs只设计了主蒸汽压力控制回路（锅炉主控制回路）、功率控制回路（汽轮机主控制回路），主蒸汽压力采用定压运行，其控制原理示于图1。
ccs控制特点如下：（1）ccs是锅炉跟随为基础，采用直接能量平衡控制方式和fuzzy-pid（pi）复合控制策略构成的控制系统，即主蒸汽压力采用直接能量平衡控制方式和模糊控制器+pid控制器控制规律，功率采用模糊控制器+pi控制器控制规律。（2）主蒸汽压力控制回路采用直接能量平衡修正公式进行控制，引入了调门开度微分前馈，可及时反映汽轮机的能量需求和锅炉侧的热量变化。在加速对外界负荷响应速度的同时，又能确保主蒸汽压力的稳定。（3）主蒸汽压力控制回路采用fuzzy-pid复合控制策略，功率控制回路采用fuzzy-pi复合控制策略。其目的是为充分利用模糊控制器态性能好和pid（pi）控制器稳态性能好的特点，二者优势互补，进一步提高控制回路的调节速度，改善调节品质。这种复合控制策略是在大偏差范围内采用模糊控制，在小偏差范围内转换成pid（pi）控制，二者间切换采用跟踪技术实现无扰动切换。（4）在主蒸汽压力控制回路引入负荷指令的微分前馈信号，并在功率设定值回路上设计一个迟延模块，就是为了在保证机组负荷起始响应速度的前提下，通过合理匹配和整定锅炉蓄热、迟延时间、微分强度和时间的值，确保机组在升、降负荷过程中达到有效抑制机前压力和机组负荷前的超调，使机前压力（主蒸汽压力）尽可能小的范围内波动和提高锅炉对外界负荷的响应能力起到积极的作用。同时，也不牺牲ccws的调节品质，即确保ccs的快速性和稳定性要求。另外，负荷指令的微分前馈信号强度和功率设定值回路上的迟延模块迟延时间随负荷升、降速而变，实现变参数控制，满足机组在不同负荷升、降速率下的控制要求。（5）在功率控制回路的内回路采用第1级压力进行平衡，即发电机功率控制器的输出作为第1级压力控制器的设定值，第1级压力控制器根据需要移动汽轮机阀门，以获得zui合适的过程反馈，汽轮机阀门的任何非线性都被克服，汽轮机可直接改变到要求的负荷，这种控制有效地将汽轮机阀门组件变成如同一个简单的线性阀门。（6）功率控制回路的输出转换成可调宽的脉冲去控制汽轮机同步器，是针对国产200mw机组同步器可控性差、死区和惯性大、控制精度低等问题而设计的，其目的是为减小汽轮机同步器的惯性和死区，有效地抑制功率过调，提高汽轮机同步器的可控性。ccs所有模拟量和开关量输入/输出信号都来自于燃烧模糊控制器，二者间通过串行接口rs485进行通信，通信电缆采用普通的二芯屏蔽电缆。
六、结语
火电单元机组的控制对象特性复杂（非线性、强耦合、大惯性），煤质煤种变化较大，工况变化频繁，设备老化及强扰动，因而造成常规协调控制系统难于实现自动控制的问题，将模糊推理、解耦控制、参数自适应自整定等先进控制方法与传统控制技术有机结合起来，提出的协调控制系统设计方法，经现场实际应用取得了令人满意的控制效果，表明了这种设计方法的有效性。
在机炉协调控制系统中引入状态参量控制概念，用函数算法规范ccs调节回路基本动作规律，减少干扰耦合，有效地扩展了pid调节的应用范围和功能，且方法简单、易行，适用性强，与超驰控制相结合能切实地提高大容量、高参数燃煤机组的调节品质，确保机组的安全稳定运行。
从试验和调试结果看，ccs采用直接能量平衡控制方式和fuzzy-pid（pi）复合控制策略进行控制行之有效，达到了预期目的，成功地实现了机组在不同负荷升、降速率3%、5%和不同负荷工况下的控制要求，确保主蒸汽压力在±0.2mpa范围内波动，大大提高了ccs的调节品质，满足了ccs快速性和稳定性要求。