多变量耦合系统在工业中的应用
摘 要：在机组功率调节、供热抽汽压力调节、工业抽汽压力调节时各受控对
象相互影响，因此该系统为多变量耦合系统，一般的控制方法难以得到满意的控制
效果；针对系统的上述特性，并根据实际情况，把它们看成一个统一的整体来考虑,
并将多变量串级解耦技术应用到控制系统当中,使该系统的控制品质有了较大的提
高；在自动投入后，电厂发电、热网供热、工业抽汽系统能够经济、稳定地运行，
为电厂取得良好的社会效益和经济效益奠定了基础。
关键词：功率调节 工业抽汽 供热抽汽 多变量 解耦
引 言
供热抽汽采用两机的低压缸前抽汽为汽源，由两个由油动机驱动的蝶阀控
制抽汽压力，供热抽汽的额定压力为0.196MPa；工业抽汽承担供气的重任，它
采用两机的一级调整抽汽为汽源、由四个油动机驱动的调节阀门（中调门）控制
工业抽汽压力，工业抽汽的额定压力为4.122Mpa，满负荷为160T/H。当机组
功率、供热抽汽压力、工业抽汽压力中任一变量发生扰动时，其它两个变量都会
受到影响，而它们的变化反过来又会影响这个变量，因此，在考虑控制策略时，
不应把系统分开对待，应将各系统看作一个多变量整体。这种电、热、汽联调的
机组在内蒙尚属首次，这也增加了控制策略选取和自动投入的难度。
为保证系统的稳定性和经济性，调试时采用多变量解耦控制策略，尽可能减
少变量间的相互影响。考虑到实际应用时，控制策略受DCS系统运算速度和对
象数学模型不确定性等因素影响，我们将一些控制方法做了一定的简化，使其更
适合实际运用。
1 理论依据
1.1控制对象介绍
系统在实际应用时，有以下三种情况
(1) 工业抽汽压力自动投入，供热抽汽压力自动未投（电汽联调）
(2) 工业抽汽压力自动未投，供热抽汽压力自动投入（电热联调）
(3) 供热抽汽压力自动投入，工业抽汽压力自动投入（电热汽联调）
前两种方式为双输入、双输出的多变量控制系统；在第三种情况下，系统控
制对象为三输入、三输出的多变量对象：三个输入调节量为高调门指令u1,中调
门指令u2，低压缸出口碟阀指令u3；三个输出控制量为机组实发功率P，工业
抽汽压力P1，供热抽汽压力P2。三种情况的传递函数分别如式（1）、式（2）、
式（3）
（1）
（2）
（3）
1.2解耦控制方法
解耦的本质在于设置一个逻辑网络，减少或解除耦合，以保证各个单回路控
制对象能独立的工作。常用的解耦控制方法共有：串级解耦控制、反馈解耦控制、
前补偿法三种，本系统选用串级解耦控制方法中的对角矩阵法，下面以双输入、
双输出的多变量对象为例，介绍一下对角矩阵解耦方法。
图（一）中，Gc1(s)、Gc2(s)为控制器，D11、D21(s)、D12(s)、D22(s)为解耦
器，G11(s)、G21(s)、G12(s)、G22(s)为控制对象的传递函数。Y1、Y2为输出。如
图（一）所示，，被控量与控制量之间的关系矩阵为：
（4 ）
控制量与调节器输出之间的关系矩阵为11D
（5）
由（4）式和（5）式得到系统传递函数为
（6）
对角矩阵解耦方法是将传递函数矩阵转化为对角阵的形式，相当于以下形式
（7）
由（6）式和（7）式可得到解耦器的数学模型为
（8）
如果解耦器设计成与式（8）相同或与式（8）相近的形式，则系统可化为
式（7）的形式，框图如图（二）所示，可见两组控制对象相互之间不再影响，
达到了解耦的目的。
对于式（3）的三输入、三输出系统，通过上述办法也可以的求得解耦器的
数学模型，但变量越多，解耦器越复杂，必须对其进行近似简化。
工业抽汽自动投入时，考虑到对抽汽压力和供热压力的精度要求不是很高，
故抽汽压力和供热压力的控制器选取比例调节器，且调节死区放得稍大。电厂供
热和抽汽控制根据实际应用可分为三种情况，其中电热联调和电汽联调为两输
入、两输出系统，而电热汽联调为三输入、三输出系统，其解耦控制原理图如图
（三）所示，在实际调试时必须分别对三种情况进行参数整定。
2.1解耦控制器的求取
为简化控制系统，并减少因计算量大而带来的控制偏差，将所有解耦器都近
似为比例系数，电热联调和电汽联调各有四个解耦系数，电热器联调为九个解耦
系数，也就是说需整定三种情况共十七个解耦系数。另外，在实际工业中难以得
到控制对象精确的数学模型，因而在整定时采用先按前面用到的公式计算近似
值，然后在实际调试时用试凑的办法得到最佳的控制参数。
2.2动态响应
(1) 图(四)为解耦控制未投入，工业抽汽压力加扰动时发电机功率（红色）、
工业蒸汽压力（绿色）、供热蒸汽压力（蓝色）的响应曲线。
(2) 图（五）为解耦控制投入，工业抽汽压力加扰动时发电机功率（红色）、
工业蒸汽压力（绿色）、供热蒸汽压力（蓝色）的响应曲线。
图（四）
图（五）
3 结语
系统采用中调门和低压缸出口蝶阀调节工业抽汽压力和供热抽汽压力，并承担供汽
和给城市供热的任务，自动调节品质的好坏、控制系统的稳定性具有较重要的现实意义。
由图（四）和图（五）的响应曲线可见，采用多变量解耦控制技术之后，三个变量之间
互扰明显减小，对象的调节品质有了很大的提高，调节效果比未投解耦控制时有明显改
善。