王斌

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院,新疆烏魯木齊 830011)

火電廠主汽溫控制系統(tǒng)建模

王斌

(國(guó)網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院,新疆烏魯木齊 830011)

針對(duì)火電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)PID整定過程中存在的效率低、品質(zhì)差等問題,提出通過被控對(duì)象開環(huán)試驗(yàn)收集輸入輸出數(shù)據(jù),應(yīng)用辨識(shí)理論和辨識(shí)軟件建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型,再通過仿真軟件進(jìn)行參數(shù)整定的方法。并將上述方法應(yīng)用于主汽溫度控制系統(tǒng)中。

建模 辨識(shí) 仿真

火電廠熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)是包含多變量、多參數(shù)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，隨著火電機(jī)組向高參數(shù)、大容量發(fā)展，以及分散控制系統(tǒng)在火電廠控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)控制系統(tǒng)在保障機(jī)組安全優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定運(yùn)行的問題上擔(dān)負(fù)著愈加重要的責(zé)任，而控制系統(tǒng)投入品質(zhì)的優(yōu)劣，在很大程度上取決于對(duì)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的了解程度，只有準(zhǔn)確掌握了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，才能確定最優(yōu)的控制策略以及對(duì)應(yīng)控制器的最佳整定參數(shù)。

當(dāng)前工程上控制器參數(shù)整定主要還是根據(jù)經(jīng)典模型和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，通過反復(fù)地對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試比較，選擇效果最好的參數(shù)投入運(yùn)行。這樣的方法雖然行之有效，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)人員要求很高，更重要的是，通過這種方法得到的往往是僅僅滿足運(yùn)行要求而非最優(yōu)化的參數(shù)。

1 建立控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在被控對(duì)象的模型建立前，必須要有一定的先驗(yàn)知識(shí)。我們需要事先了解該系統(tǒng)的輸入與輸出的大致關(guān)系和動(dòng)態(tài)特性，從而確定控制手段。針對(duì)主汽溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)采用噴水減溫控制時(shí)，一般把過熱器分為兩個(gè)區(qū)域，噴水減溫器至減溫器出口汽溫區(qū)段稱為導(dǎo)前區(qū)，減溫器出口汽溫之后稱為惰性區(qū)，其傳遞函數(shù)分別用G1(s)和G2(s)表示。

通過大量的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可以看出，減溫器出口汽溫和過熱器出口汽溫的動(dòng)態(tài)特性都是有滯后，有自平衡能力的，但過熱器出口汽溫的滯后較大而導(dǎo)前區(qū)汽溫的滯后明顯較小。對(duì)于噴水減溫控制系統(tǒng)，最常見的現(xiàn)行組態(tài)都是采用串級(jí)控制系統(tǒng)，控制器采用PI和P控制規(guī)律。當(dāng)要求控制精確度較高時(shí)，整個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)由三個(gè)環(huán)路組成，即主回路、副回路和流量控制執(zhí)行回路。由于副回路響應(yīng)速度快且直接驅(qū)動(dòng)減溫水調(diào)門控制流量，因此當(dāng)精確程度要求不高時(shí)，也可省掉流量控制回路由兩個(gè)環(huán)路組成，在大多數(shù)火電廠中，普遍采用兩環(huán)路控制方法。另一個(gè)原因是，如果采用流量控制回路，勢(shì)必要測(cè)試調(diào)門的流量特性，而減溫水調(diào)門的流量特性受到了給水壓力、主汽壓力等參數(shù)的影響，測(cè)試過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，控制品質(zhì)提升的空間也有限。

圖1 主汽溫度控制系統(tǒng)框圖

綜上分析，建立起主汽溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，如圖1。圖中，PID1和PID2分別為主、副調(diào)節(jié)器。G1(s)和G2(s)分別為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)傳遞函數(shù)，就是需被辨識(shí)對(duì)象。G1(s)和G2(s)可以用一階慣性加純遲延來近似，也可用分子分母多項(xiàng)式近似。本文在后續(xù)的辨識(shí)過程中采用分子分母多項(xiàng)式，即以下數(shù)學(xué)表達(dá)式:

式中的a、b即需要被辨識(shí)的參數(shù)。

2 開環(huán)試驗(yàn)與參數(shù)辨識(shí)

開環(huán)試驗(yàn)的目的是為辨識(shí)工具提供數(shù)據(jù)。是在穩(wěn)定工況下，使系統(tǒng)中單一輸入量發(fā)生擾動(dòng)，記錄系統(tǒng)輸入輸出隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。

2014年6月我們對(duì)某300MW火電機(jī)組過熱器一級(jí)減溫控制系統(tǒng)進(jìn)行了開環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)前調(diào)整機(jī)組運(yùn)行工況，待機(jī)組各參數(shù)穩(wěn)定后手動(dòng)關(guān)小減溫水調(diào)節(jié)門，觀察和記錄減溫器后和過熱器出口蒸汽溫度隨時(shí)間變化的曲線，直至主汽溫度達(dá)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)值并穩(wěn)定，試驗(yàn)完成恢復(fù)試驗(yàn)前工況。調(diào)用分散控制系統(tǒng)的歷史趨勢(shì)，將整個(gè)過程中減溫水調(diào)門開度、減溫器出口汽溫和過熱器出口汽溫隨時(shí)間變化的數(shù)值趨勢(shì)以文本或Excel格式導(dǎo)出。通過開環(huán)試驗(yàn)獲得的減溫水?dāng)_動(dòng)過程如圖2。

圖2 減溫水控制系統(tǒng)擾動(dòng)試驗(yàn)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到辨識(shí)軟件就可以進(jìn)行模型的參數(shù)辨識(shí)了，我們的辨識(shí)軟件采用的辨識(shí)方法是最小二乘法。導(dǎo)前區(qū)傳遞函G1(s)的輸入輸出分別是減溫水調(diào)門開度和減溫器后蒸汽溫度，惰性區(qū)傳遞函數(shù)G2(s)的輸入輸出分別是減溫器后蒸汽溫度和過熱器后蒸汽溫度。將輸入輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入辨識(shí)軟件，通過調(diào)整多項(xiàng)式分子分母的階數(shù)尋找得到一個(gè)與試驗(yàn)結(jié)果最相近的傳遞函數(shù)。最后我們得到了G1(s)和G2(s)的傳遞函數(shù)如下:

通過和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，可以看出G1(s)和G2(s)能夠與系統(tǒng)的響應(yīng)很好的吻合。辨識(shí)結(jié)果與實(shí)際響應(yīng)過程的比較如圖3和圖4。

圖3 導(dǎo)前區(qū)模型的驗(yàn)證

圖4 惰性區(qū)模型的驗(yàn)證

3 模型建立與仿真

辨識(shí)出傳遞函數(shù)G1(s)和G2(s)后，我們根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)在matlab仿真環(huán)境中建立起該主汽溫控制系統(tǒng)的控制模型，如圖5。

圖5 simulink仿真模型

當(dāng)被控對(duì)象的傳遞函數(shù)確定后，往往也不能用控制理論的方法計(jì)算出調(diào)節(jié)器的參數(shù)。通過理論計(jì)算出的參數(shù)理論上能夠達(dá)到對(duì)被調(diào)量很好的控制效果，但往往會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作，有時(shí)甚至出現(xiàn)動(dòng)作幅度大于100%的情況。為了保護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此調(diào)節(jié)器參數(shù)整定還是采用經(jīng)驗(yàn)試湊法。因?yàn)榉抡嫠俣群芸欤赃@個(gè)過程實(shí)際上花不了多長(zhǎng)的時(shí)間。。

圖6 控制系統(tǒng)閉環(huán)仿真

在matlab仿真環(huán)境中我們可以任意調(diào)整主調(diào)和副調(diào)的參數(shù)，不斷觀察控制效果，確定PID參數(shù)，同時(shí)我們也注意觀察使調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的指令在一個(gè)合理的范圍。最終確定了調(diào)節(jié)器的參數(shù):主調(diào)采用PI調(diào)節(jié)規(guī)律，比例0．8積分60；副調(diào)采用P調(diào)節(jié)規(guī)律，比例5。

通過對(duì)圖6的仿真結(jié)果的分析我們看出，當(dāng)調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置為上述值時(shí)，控制效果如下:超調(diào)量約為10%、衰減率在75%～90%之間、調(diào)節(jié)時(shí)間約為350秒，能夠滿足主汽溫度的控制要求。

4 結(jié)語(yǔ)

長(zhǎng)期以來，火電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定過程大多采用經(jīng)驗(yàn)試湊法，這種方法需要不斷調(diào)整參數(shù)和觀察響應(yīng)過程，效率低。因此本文結(jié)合參數(shù)辨識(shí)的方法，先建立模型，再設(shè)計(jì)調(diào)整調(diào)節(jié)器，起到了提高控制品質(zhì)、提高效率的效果。在具備更多先驗(yàn)知識(shí)的情況下，我們甚至可以通過試驗(yàn)的方法對(duì)機(jī)組的機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模，從而設(shè)計(jì)出更好的控制策略和控制參數(shù)。