APS啟、停機(jī)組以順序控制為主線，不過(guò)，從某種意義上來(lái)說(shuō)，APS成功與否取決于模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)而非順序控制。在機(jī)組啟、停乃至正常運(yùn)行過(guò)程中，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)始終貫穿全程，調(diào)控機(jī)爐參數(shù)和負(fù)荷變化，尤其是鍋爐燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)、給水自動(dòng)調(diào)節(jié)和汽機(jī)旁路自動(dòng)調(diào)節(jié)構(gòu)成了APS自動(dòng)啟動(dòng)的三大支柱。機(jī)爐模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)只有達(dá)到全工況、全過(guò)程和全自動(dòng)的控制水平，APS才能真正實(shí)現(xiàn)“機(jī)組程序自動(dòng)啟停”。按設(shè)計(jì)要求和實(shí)際控制功能，APS只負(fù)責(zé)不投油穩(wěn)燃負(fù)荷之前的機(jī)組啟動(dòng)和50％ECR以下負(fù)荷的機(jī)組停運(yùn)。在機(jī)組啟動(dòng)和停止的低負(fù)荷階段，設(shè)備啟、停多變，運(yùn)行工況變化多為非線性，相對(duì)于順序控制，模擬量調(diào)節(jié)要?jiǎng)討B(tài)應(yīng)對(duì)，面臨的難度更高。
模擬量調(diào)節(jié)的技術(shù)難點(diǎn)首先與PID算法的局限性直接有關(guān)。火力發(fā)電廠生產(chǎn)過(guò)程中模擬量調(diào)節(jié)都要用到PID，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)算法不能有效地應(yīng)付非線性被控對(duì)象，而恰恰機(jī)爐啟動(dòng)階段各種參數(shù)變化規(guī)律基本上都是非線性的，再與機(jī)爐熱力狀態(tài)交織就形成了復(fù)雜的對(duì)象特性，單純的PID算法根本無(wú)法保證機(jī)組啟動(dòng)階段模擬量自動(dòng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。其次，與模擬量調(diào)節(jié)回路控制能力有關(guān)。按APS功能要求，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在系統(tǒng)設(shè)備啟動(dòng)前只為人工提供一次利用M/A站投入“自動(dòng)”的機(jī)會(huì)，其后，再不允許人為干預(yù)，否則也無(wú)從談起“全自動(dòng)”調(diào)節(jié)。設(shè)備系統(tǒng)開始運(yùn)行即要求自動(dòng)調(diào)節(jié)回路能夠自動(dòng)糾正調(diào)節(jié)器入口偏差，待偏差減小到規(guī)定范圍， PID調(diào)節(jié)器應(yīng)自行轉(zhuǎn)換工作方式至自動(dòng)調(diào)節(jié)。這些功能，是常規(guī)的模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路所不具備的。再其次，與機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）的控制范圍有關(guān)。機(jī)組啟動(dòng)階段，應(yīng)對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和功率需求的能力取決于鍋爐和汽輪機(jī)自動(dòng)控制的協(xié)調(diào)水平。鍋爐燃燒投入兩對(duì)油槍以后，APS就要求CCS按鍋爐跟隨（BF）方式開始控制，機(jī)組負(fù)荷12％ECR時(shí)要轉(zhuǎn)為CCS的協(xié)調(diào)控制方式（CC）。目前，火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組常規(guī)的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制（CC）通常要在機(jī)組負(fù)荷高于30%ECR以上才能投入。所以說(shuō)，模擬量調(diào)節(jié)的能力才是APS成功與否的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。
為實(shí)現(xiàn)APS，APS中的模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)構(gòu)建了全新的控制策略。采用“函數(shù)架構(gòu)”、“鍋爐超前加速”（BIR）、“并聯(lián)PID”和“超馳控制”等算法破解傳統(tǒng)PID的桎梏；應(yīng)用“三態(tài)式M/A切換”、“自動(dòng)糾偏”技術(shù)完成模擬量調(diào)節(jié)回路的自舉投“自動(dòng)”；在CCS中創(chuàng)新“高旁跟隨”（BER FLW MODE）控制，利用汽輪機(jī)高壓旁路調(diào)節(jié)機(jī)組低負(fù)荷段的主汽壓力，調(diào)節(jié)機(jī)爐功率（BER FLW MODE MW CONT），延伸了CCS的BF調(diào)節(jié)范圍，擴(kuò)展了CCS的CC控制區(qū)間。模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分布在各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備級(jí)，回路調(diào)節(jié)器置于單元級(jí)，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制和燃料、給水等模擬量調(diào)節(jié)主控器（MASTER）設(shè)計(jì)在系統(tǒng)級(jí)。APS與MCS的主控器和回路調(diào)節(jié)器之間都有直接的指令和信息交換。
一、 并聯(lián)式PID
對(duì)于不可建模的控制對(duì)象，PID調(diào)節(jié)是必備的自動(dòng)控制手段。但PID調(diào)節(jié)運(yùn)用在參數(shù)變化范圍大，特性復(fù)雜的被控對(duì)象系統(tǒng)中，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)也暴露出無(wú)法在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)保持調(diào)節(jié)品質(zhì)的一致性，比例、積分、微分參數(shù)調(diào)整相互影響，積分過(guò)飽和等問題。有些問題在DCS中已經(jīng)獲得解決，比如出現(xiàn)了能抗積分過(guò)飽和的新型PID調(diào)節(jié)器。但是，還有一些問題是PID算法固有特性帶來(lái)的，例如，PID調(diào)節(jié)器運(yùn)算采用的是串行傳遞函數(shù)算法，傳遞函數(shù)串行運(yùn)算是乘法關(guān)系，所以才有在實(shí)際自動(dòng)調(diào)節(jié)回路整定過(guò)程中調(diào)整PID其中一個(gè)參數(shù)會(huì)改變其他參數(shù)定值，產(chǎn)生相互耦合作用，調(diào)整比例帶會(huì)影響積分、微分作用強(qiáng)度，反之也是一樣。因此，在實(shí)踐中，大多數(shù)情況下采用“經(jīng)驗(yàn)法”來(lái)整定PID參數(shù)，比如，增加PID調(diào)節(jié)器的比例帶，就同時(shí)要按一定的比例改變積分時(shí)間，這給PID調(diào)節(jié)在生產(chǎn)中的調(diào)試整定帶來(lái)很大不便和不確定性，最重要的還是PID調(diào)節(jié)無(wú)法在較寬范圍內(nèi)維持相同的調(diào)節(jié)品質(zhì)。以鍋爐燃燒調(diào)節(jié)為例，燃煤鍋爐啟動(dòng)和停止階段，燃料就有從燃油到油/煤混燒再到全部煤粉的過(guò)程，入爐燃料是燃燒調(diào)節(jié)回路的主要被控對(duì)象，顯然，燃油和煤粉在不同燃燒階段特性差異較大，傳統(tǒng)PID是無(wú)法應(yīng)付這種復(fù)雜控制的。所以，通常燃煤電廠燃燒調(diào)節(jié)只能待機(jī)組帶上不投油穩(wěn)燃負(fù)荷以后，才能投入自動(dòng)調(diào)節(jié)。而我們討論的APS，就工作在鍋爐不投油穩(wěn)燃負(fù)荷之前機(jī)組低負(fù)荷區(qū)間，例如＜35%ECR，而且要求參與APS的控制系統(tǒng)要全自動(dòng)投入，無(wú)論對(duì)于開關(guān)量的順序自動(dòng)控制還是模擬量的定值負(fù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)回路，都是一樣的標(biāo)準(zhǔn)。否則，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的APS。
圖1 鍋爐主控器并聯(lián)式PID調(diào)節(jié)原理
圖2 鍋爐主控器函數(shù)
我們以APS導(dǎo)引的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制（CCS-Coordinated Control System）為例，其中的鍋爐主控器采用了并聯(lián)式PID調(diào)節(jié)策略，實(shí)際運(yùn)用中確保了全程燃燒控制的自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)，完全滿足了APS的控制要求。
1 、 并聯(lián)PID調(diào)節(jié)回路
鍋爐主控器并聯(lián)式PID調(diào)節(jié)回路，由三個(gè)獨(dú)立的比例、積分和微分回路并聯(lián)組成，三個(gè)回路獨(dú)立完成PID運(yùn)算，然后在加法器中求和后輸出鍋爐主控器控制指令（BOLILER MASTER （PID））。主汽壓力給定（MSP SET2）減去主汽壓力測(cè)量信號(hào)（MAIN STM PRS）得到鍋爐主控器偏差（Δ）。鍋爐主控器偏差信號(hào)分別進(jìn)入積分、比例、微分運(yùn)算回路。
1) 積分回路
積分斜率（BM CHANG RATE（I））經(jīng)過(guò)電網(wǎng)頻差偏置（FREQ.DEV.BIAS）函數(shù)FX1校正，再與偏差的乘積利用P1提高10倍增益形成積分調(diào)節(jié)器（PIQ）輸入信號(hào)。
2) 比例回路
比例斜率（BM CHANG RATE（P））也經(jīng)過(guò)電網(wǎng)頻差偏置（FREQ.DEV.BIAS）函數(shù)FX2校正，乘積被P2放大10倍形成比例回路的輸出。
3) 微分回路
微分斜率（BM CHANG RATE（D））同樣經(jīng)過(guò)電網(wǎng)頻差偏置（FREQ.DEV.BIAS）函數(shù)FX3校正，數(shù)值經(jīng)P3擴(kuò)大10倍后，再通過(guò)微分器（D），經(jīng)雙向限幅后與比例回路輸出相加。
二、 函數(shù)架構(gòu)
函數(shù)算法，能夠表達(dá)被控對(duì)象比較復(fù)雜的運(yùn)行特性，無(wú)論大范圍的變化還是局部細(xì)小的特點(diǎn)，只要找到變化規(guī)律擁有足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)就有針對(duì)性的調(diào)節(jié)策略，利用基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際特性的函數(shù)從宏觀上構(gòu)建調(diào)節(jié)系統(tǒng)，能有效改變PID調(diào)節(jié)的局限，讓PID調(diào)節(jié)在機(jī)組啟停復(fù)雜工況中換發(fā)出新的活力，也為APS的全程控制提供了有效的支持。
圖3 PID變工況動(dòng)態(tài)函數(shù)
1 、 比例、積分、微分變化斜率
鍋爐主控器比例、積分、微分回路的輸入斜率（BM CHANGE RATE （I）、（P）、（D）），來(lái)自機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的負(fù)荷給定斜波輸出BM/MW，經(jīng)過(guò)函數(shù)運(yùn)算分別有三種運(yùn)行工況，燃油調(diào)節(jié)主控器方式（FUEL FLOW MASTER）對(duì)應(yīng)PID斜率為FX1、FX4、FX7，機(jī)組變負(fù)荷方式（LOAD CHANGE IN PROG）對(duì)應(yīng)PID斜率為FX2、FX5、FX8，以及機(jī)組正常運(yùn)行方式（not，LOAD CHANGE IN PROG）,對(duì)應(yīng)PID斜率為FX3、FX6、FX9。
2 、 模擬量隨動(dòng)定值
模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)必定要有給定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)最終目標(biāo)就是維持過(guò)程參數(shù)與給定值的偏差在規(guī)定允許范圍內(nèi)，我們稱具有這種維持定值恒定的PID調(diào)節(jié)為“恒值調(diào)節(jié)”，但這僅是PID定值調(diào)節(jié)的形式之一。現(xiàn)代大型燃煤機(jī)組熱力參數(shù)都相對(duì)較高，亞臨界機(jī)組的主汽溫度設(shè)計(jì)在541℃甚至有566℃的，主汽壓力也都在17MPa左右，超臨界甚至超超臨界機(jī)組的額定溫度和壓力就更高。機(jī)組從冷態(tài)啟動(dòng)，逐步按一定速率升溫升壓直至達(dá)到設(shè)計(jì)的額定參數(shù)。機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)有些回路的給定值就不能恒定不變了，所以模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路按給定值的特點(diǎn)還有另外一種形式，即給定值是變化的“隨動(dòng)定值調(diào)節(jié)”。隨動(dòng)定值調(diào)節(jié)的給定方式倒并不是專為APS而設(shè)計(jì)， APS在機(jī)組負(fù)荷升至鍋爐不投油穩(wěn)燃工況就退出工作了，超過(guò)這個(gè)負(fù)荷，隨動(dòng)定值調(diào)節(jié)仍會(huì)在CCS中繼續(xù)發(fā)揮作用。但啟動(dòng)機(jī)組過(guò)程中隨動(dòng)給定邏輯的確是APS全工況自動(dòng)的必要條件。依據(jù)機(jī)組熱力狀態(tài)，根據(jù)汽輪機(jī)復(fù)速級(jí)金屬溫度把機(jī)組啟動(dòng)狀態(tài)劃分為冷、溫、熱、極熱四種狀態(tài)，還有汽輪機(jī)的試驗(yàn)狀態(tài)，鍋爐的滑壓?jiǎn)?dòng)狀態(tài)，面對(duì)這些熱力狀態(tài)，模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)回路都需要有對(duì)應(yīng)的給定值，這些給定值利用函數(shù)產(chǎn)生，而且定值都是隨著熱力狀態(tài)需求而變化的。
3 、 滑參數(shù)函數(shù)定值
主汽壓力給定1（MSP SET1）由函數(shù)轉(zhuǎn)換形成，輸入為機(jī)組目標(biāo)功率（MW DEM）。目標(biāo)功率通過(guò)機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的工作方式來(lái)確定，機(jī)爐協(xié)調(diào)控制選擇CC或BF方式時(shí)選擇目標(biāo)功率“MW DEM”，MW DEM在機(jī)爐協(xié)調(diào)功率給定器上手動(dòng)設(shè)定或由電網(wǎng)AGC自動(dòng)給定，通過(guò)FX01函數(shù)轉(zhuǎn)換為主汽壓力給定1。機(jī)爐協(xié)調(diào)控制汽機(jī)跟隨方式（TF）時(shí)，MSP SET1取自鍋爐的目標(biāo)功率“BM MW”，同樣經(jīng)過(guò)FX01函數(shù)轉(zhuǎn)換。如果鍋爐在啟動(dòng)方式，BM MW就是入爐燃料量的函數(shù)。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，BM MW就等于“鍋爐主控器輸出+機(jī)組功率”給定。
1） 主汽壓力給定1（MSP SET1）有5種給定方式：
(1) 主汽壓力設(shè)定非自動(dòng)方式（not，MSP SET AUTO）或主汽壓力設(shè)定不被允許（not，MSP SET PERMIT）；
(2) 鍋爐未發(fā)生MFT，MSP SET1＞11.19MPa；
(3) 機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)方式（COLD MODE）；
(4) 機(jī)組溫態(tài)啟動(dòng)方式（WARM MODE）；
(5) 機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在機(jī)爐協(xié)調(diào)（COORDINATE CONT MODE）方式或鍋爐跟隨方式（BOILER FOLLOW MODE）。
1) 機(jī)爐協(xié)調(diào)（COORDINATE CONT MODE）方式或鍋爐跟隨方式（BOILER FOLLOW MODE）下，主汽壓力給定1（MSP SET1）對(duì)機(jī)組啟動(dòng)、正常工作、汽機(jī)閥門試驗(yàn)等三種運(yùn)行工況輸出7組給定參數(shù)。
圖4 機(jī)組冷、溫、熱態(tài)啟動(dòng)目標(biāo)壓力給定函數(shù)架構(gòu)
三、 并列PID調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)
1. 方便參數(shù)整定
并聯(lián)PID輸出是鍋爐主控器控制指令（BOLILER MASTER （PID）），由P、I、D三個(gè)獨(dú)立回路運(yùn)算后相加而成。調(diào)整P、I、D參數(shù)不會(huì)對(duì)其他回路的運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生影響，只對(duì)鍋爐主控器控制指令輸出發(fā)生作用，這樣在自動(dòng)調(diào)節(jié)回路進(jìn)行參數(shù)整定時(shí)，調(diào)整的因果關(guān)系明確、直接，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)投入試驗(yàn)過(guò)程減少了重復(fù)。
2. 自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)得到提高
增強(qiáng)了處理復(fù)雜工況的能力，可以根據(jù)不同調(diào)節(jié)工況，不同調(diào)節(jié)對(duì)象，利用函數(shù)擬合有針對(duì)性的特性曲線構(gòu)成最適宜的控制策略，從而能在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)提高自動(dòng)調(diào)節(jié)品質(zhì)。
3. 工況適應(yīng)性強(qiáng)
從圖3中可以看到由函數(shù)生成的P、I、D斜率給定，參與了燃油、煤油混燒到燃煤，從鍋爐啟動(dòng)到機(jī)組額定負(fù)荷的全程燃料控制。鍋爐主控器自動(dòng)調(diào)節(jié)涵蓋了鍋爐負(fù)荷整個(gè)變化區(qū)間，尤其是鍋爐啟動(dòng)階段和機(jī)組低負(fù)荷階段，都在自動(dòng)控制方式下工作，因此，APS才能全自動(dòng)運(yùn)行。
