鄭 清，東朝陽(yáng)，張明智

(華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

近年來(lái)，隨著電力工業(yè)自動(dòng)化水平的提高，電網(wǎng)綜合自動(dòng)化對(duì)單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制品質(zhì)提出了越來(lái)越高的要求。但是，由于單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種多變量控制系統(tǒng)，受控過(guò)程是一個(gè)多輸入多輸出的過(guò)程，在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)多變量的完全解耦［1－2］。本文對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了解耦且對(duì)積分分離控制器進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)與常規(guī)PID控制進(jìn)行比較，積分分離控制器可應(yīng)用于機(jī)側(cè)控制器。

1 機(jī)組協(xié)調(diào)控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析

汽包鍋爐單元機(jī)組可簡(jiǎn)化為一個(gè)具有雙輸入和雙輸出的被控對(duì)象，機(jī)組的輸出功率N和機(jī)前壓力Pt只為被控量;主汽門(mén)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度量μ和燃料量B為控制量［3－4］。這種合理簡(jiǎn)化的前提是:

(1)送風(fēng)量和燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定。

(2)引風(fēng)量與送風(fēng)量相適應(yīng)，保持爐膛壓力。

(3)給水量通過(guò)保持汽包水位進(jìn)行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡。

(4)主蒸汽溫度相對(duì)獨(dú)立。

在此基礎(chǔ)上，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的對(duì)象原理圖如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對(duì)象簡(jiǎn)化模型

在此基本假設(shè)條件下，單元機(jī)組受控過(guò)程動(dòng)態(tài)特性可由線(xiàn)性常系數(shù)多變量傳遞函數(shù)描述:

式中:Y(s)、U(s)分別為被控量和控制量矢量;G(s)是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣。

對(duì)于圖1所示的單元機(jī)組受控對(duì)象，有:

求取G(s)各元素的傳遞函數(shù)表達(dá)式要建立單元機(jī)組動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型，本文采用前人己經(jīng)建立的成熟數(shù)學(xué)模型［5］:

使用的量綱為:ΔPt，MPa;ΔN，MW;ΔB，t/h;Δμ，%。

2 機(jī)爐動(dòng)態(tài)特性的基本特征

構(gòu)成單元機(jī)組受控對(duì)象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，主要針對(duì)一個(gè)雙輸入、雙輸出的受控對(duì)象，其動(dòng)態(tài)特性方面有以下基本特征:

(1)在鍋爐控制量ΔB作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應(yīng)是一個(gè)慢速的慣性過(guò)程;而在汽輪機(jī)控制量Δμ的作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應(yīng)則是一個(gè)快速的過(guò)程。

(2)由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機(jī)組的慣性大得多，使得輸出被控量ΔPT和ΔN對(duì)于ΔB的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中GPB(s)與GNB(s)之間十分相近的特性。

(3)利用汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度Δμ作為控制量，可以快速的改變機(jī)組的被控量ΔPT和ΔN。其實(shí)質(zhì)是利用了機(jī)組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機(jī)組容量越大，相對(duì)地這種蓄熱能力越小。因而，利用汽機(jī)調(diào)節(jié)門(mén)控制機(jī)組輸出功率的方法只能是一種有限的、暫態(tài)的策略。這樣限制體現(xiàn)在對(duì)機(jī)前壓力ΔPT變壓范圍與變化速度的限制。因?yàn)镻T直接反映了鍋爐能量輸出與汽輪機(jī)功率之間的平衡關(guān)系。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制對(duì)象的解耦設(shè)計(jì)

解耦設(shè)計(jì)是多變量系統(tǒng)控制中的有效手段，其實(shí)質(zhì)是針對(duì)多變量受控對(duì)象各輸入與輸出之間存在關(guān)聯(lián)與耦合的基本特征，設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)消除或消弱其間的關(guān)聯(lián)與耦合，把多變量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為多個(gè)單變量控制問(wèn)題來(lái)處理。在工程實(shí)際中，常用靜態(tài)解耦、單向解耦和近似解耦三種較為實(shí)用的解耦網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)［6］。

本文采用前饋補(bǔ)償解耦，該方法原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前饋補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

由圖2可得兩輸出分別為(不考慮反饋閉環(huán)):

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦，由式(4)和式(5)可得兩個(gè)前饋補(bǔ)償器分別為:

由前面提到的數(shù)學(xué)模型式(3)將得到:

四個(gè)式子代入公式(6)和(7)即可求出Gp12(s)和Gp21(s)從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的完全解耦。解耦后的系統(tǒng)等效為兩個(gè)控制回路:汽機(jī)側(cè)控制回路和鍋爐側(cè)控制回路，針對(duì)汽機(jī)側(cè)調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn)，將積分分離PID控制器應(yīng)用于汽機(jī)側(cè)控制器。

4 積分分離控制器在汽機(jī)側(cè)控制器中的應(yīng)用及仿真

普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時(shí)，短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累，致使控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能允許的最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過(guò)程中是絕對(duì)不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。

積分分離控制的基本思路是:當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;當(dāng)被控量接近給定值時(shí)，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。

取數(shù)學(xué)模型式(3)做閥門(mén)開(kāi)度階躍擾動(dòng)的內(nèi)擾仿真試驗(yàn):

(1)汽機(jī)側(cè)積分分離PID的參數(shù)kp=2，ki=0.0625，kd=0.01。

(2)汽機(jī)側(cè)傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù):kp=1.2;Ti=180;Td=0.1。

靜態(tài)工況下，仿真時(shí)間為700 s時(shí)在汽機(jī)側(cè)加入1%的閥門(mén)擾動(dòng)量，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 汽機(jī)閥門(mén)開(kāi)度擾動(dòng)下功率響應(yīng)曲線(xiàn)

圖中實(shí)線(xiàn)是使用積分分離控制算法得到的輸出，虛線(xiàn)是常規(guī)PID控制的輸出?？梢钥闯?，積分分離控制能明顯的減小超調(diào)量和振蕩次數(shù)，改善控制品質(zhì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中采用的是以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。對(duì)于以爐跟機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，汽機(jī)調(diào)節(jié)器本身就具有很強(qiáng)的消除汽機(jī)側(cè)擾動(dòng)的能力。機(jī)前壓力偏差信號(hào)引入汽機(jī)調(diào)節(jié)器可以補(bǔ)償來(lái)自鍋爐側(cè)擾動(dòng)對(duì)汽機(jī)調(diào)節(jié)器的影響，使鍋爐輸入能量能夠快速與外界負(fù)荷要求相適應(yīng)。鍋爐側(cè)擾動(dòng)由鍋爐控制器消除，不會(huì)對(duì)輸出功率產(chǎn)生嚴(yán)重影響。仿真結(jié)果表明，將積分分離PID控制算法應(yīng)用于汽機(jī)側(cè)控制器使得控制性能有較大的改善。

［1］王東風(fēng)，韓璞.單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.中國(guó)電力，2002，35(17).

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