劉 瑞,劉 瀟
(1.滄東發(fā)電有限責任公司 ,河北 滄州 061113;2.西門子電站自動化公司,南京 210003)
反饋控制之所以優(yōu)秀,就是因為它注重考察系統(tǒng)運行結(jié)果的差別,采集系統(tǒng)輸入輸出的偏差,利用偏差來影響系統(tǒng),使系統(tǒng)向偏差減小的方向運行,相同的道理,能夠在實際系統(tǒng)中應用的狀態(tài)觀測器也都是閉環(huán)觀測器。實際應用的系統(tǒng)有大到一定的擾動時,狀態(tài)觀測器系統(tǒng)狀態(tài)的漸進估計輸出不再給出原來的輸出值,讓系統(tǒng)重新建構,于是,對于擾動的魯棒性,在實際系統(tǒng)中應用的狀態(tài)觀測器起到非常重要的作用。
在西門子PROFI的控制系統(tǒng)中,充分利用了系統(tǒng)模塊化思想的優(yōu)勢,將整個過熱器簡化為3個串聯(lián)的模塊,根據(jù)超臨界直流鍋爐數(shù)學模型及動態(tài)特性,視每一模塊為一階慣性環(huán)節(jié)。因此,可以把整個過熱器視為三階慣性環(huán)節(jié)[1,2]。
系統(tǒng)魯棒性穩(wěn)定的充分條件是系統(tǒng)的極點處在極坐標的負半平面,并且受到擾動時漸近穩(wěn)定。作為被控對象的主汽溫度,實際上也是三階慣性環(huán)節(jié)的一個量值,在西門子PROFI溫度控制模塊的作用下,控制時間常數(shù)由于鍋爐運行工況等外部的擾動引起的變 化,使整個過熱汽溫變化較小,最終趨于穩(wěn)定。
由于建模方法的局限性和實際過程中模型自身參數(shù)攝動現(xiàn)象的存在,對象的數(shù)學模型肯定存在各種不確定性。這樣一來,獲得被控對象的數(shù)學模型精確性有很大的難度,而西門子PROFI系統(tǒng)是把狀態(tài)觀測器與自適應算法結(jié)合到一起,在各種擾動發(fā)生時,保證控制系統(tǒng)具有更強的魯棒性。
PROFI調(diào)試工作重要內(nèi)容就是辨識機組特性,溫度特性模型其中涵蓋過熱器出入口溫度之間的以傳遞函數(shù)為表現(xiàn)形式的特性模型:
一般,過熱器分為兩個區(qū)域,導前汽溫測點前至減溫器稱為導前區(qū),過熱器出口汽溫測點到減溫器后稱為惰性區(qū),把兩個區(qū)域串聯(lián)在一起,可得到整個系統(tǒng)的數(shù)學模型[1]:,其中, T 為負荷的函數(shù)
滄東電廠實際運行的西門子PROFI系統(tǒng)中的汽溫控制模塊的基本原理就是利用狀態(tài)觀測器解決過熱汽溫這種大滯后對象的遲延造成的控制滯后,而這種狀態(tài)觀測器是基于狀態(tài)空間算法的動態(tài)系統(tǒng)。
在西門子PROFI系統(tǒng)溫度控制模塊對實際運行邏輯塊給出了一個狀態(tài)完全可觀測的線性定常系統(tǒng)可表示為[3]:
以導前區(qū)為一階慣性環(huán)節(jié),惰性區(qū)為三階慣性環(huán)節(jié)的系統(tǒng)為例來進行討論,可以把上式的數(shù)學模型轉(zhuǎn)換為狀態(tài)空間表達式:
則其狀態(tài)空間表達式:
通常實際工程中,yf即噴水減溫器出口的汽溫,使它作為導前信號并且這個信號是可以準確測量出來的,同時為狀態(tài)觀測器帶來益處。并設狀態(tài)觀測器的輸入信號yf和y,狀態(tài)觀測器的傳遞函數(shù)為三階大慣性環(huán)節(jié):
則其惰性區(qū)狀態(tài)觀測器的系數(shù)矩陣為:
根據(jù)基于狀態(tài)空間算法的狀態(tài)觀測器的穩(wěn)定條件(由于篇幅所限,具體就不推導了),由K,和決定。若觀測器確定, T1不再變化,相應的和不變,也就是說這是T的范圍就是由K[3]來決定。
根據(jù)西門子PROFI溫度特性模型,包括過熱器/再熱器之間的特性模型:經(jīng)過試驗可以得出以下數(shù)據(jù):
一級過熱器:K=1.0 — 1.5 , n=3,T與負荷的關系為:
300MW 360MW 500MW 600MW 112s 110s 60s 35s
二級過熱器:K=0.8 — 0.9,n=3,T與負荷的關系為:
360MW 500MW 600MW 91s 50s 38s
再熱器:K=0.6 — 0.9,n=3,T與負荷的關系為:
500MW 600MW 90s 63s
西門子PROFI系統(tǒng)中其他的調(diào)溫手段如下,但不作為本文重點闡述對象。
1)通過融入蒸汽焓值的變增益控制器,解決蒸汽壓力的高低對汽溫控制的影響。
2)基于模型的Smith預估器在profi中針對導前溫度的控制中也有應用,主要是進行提前控制,其傳遞函數(shù)為:
式中,Kpgp(s )e-τs:純遲延環(huán)節(jié)τ的控制對象傳遞函數(shù) Ksgs(s):Smith預估器的傳遞函數(shù)。
3)通過profi的自學習功能塊,達到實時補償系數(shù)的改變對應減溫水閥門特性的變化。
4)對再熱汽溫控制,改變調(diào)節(jié)手段,通過增加調(diào)節(jié)煙道擋板次數(shù),減少減溫水調(diào)節(jié)次數(shù),以提高機組效率。
實際運行的機組是把西門子PROFI系統(tǒng)中所有的調(diào)溫手段全部集合在一起進行溫度智能控制,由于其他智能控制算法不作為本文重點闡述對象,因此只給出具體控制方案的示意圖。
整個西門子PROFI溫度控制器調(diào)溫原理[4]如圖1所示:
圖1 PROFI溫度控制原理示意圖Fig.1 PROFI Temperature control principle diagram
將西門子PROFI溫度控制器實際組態(tài)到DCS系統(tǒng)中,在滄東電廠2號機組正常運行的過程中,通過PROFI系統(tǒng)記錄、收集和顯示該模型的實時趨勢和歷史趨勢可以看出經(jīng)過PROFI溫度控制器優(yōu)化后的過熱汽溫調(diào)節(jié)品質(zhì)非常理想。具體如圖2所示。
常規(guī)的串級控制在針對過熱汽溫大慣性、大延遲的特性上往往控制效果不夠理想。機組采用西門子PROFI系統(tǒng)的控制策略,對系統(tǒng)的控制精度有了明顯的提高,同時克服了對大慣性、大延遲控制對象的缺點,如調(diào)節(jié)品質(zhì)差、抗干擾性弱等。解決此難題是利用基于狀態(tài)空間算法的狀態(tài)觀測器,并對其魯棒性的分析,進而得出有擾動時若要保持系統(tǒng)穩(wěn)定,則被控對象惰性區(qū)與觀測器其時間常數(shù)變化的關系。在實際調(diào)節(jié)汽溫回路時,時間常數(shù)T和狀態(tài)觀測器系數(shù)K需要配合著微調(diào),在不同工況下,也可以單獨調(diào)節(jié)其中一個參數(shù),也可適當調(diào)節(jié)系數(shù)??傊?,各種手段配合使用更能提高系統(tǒng)魯棒性。
圖2 滄東電廠2號機組PROFI一過汽溫優(yōu)化后趨勢圖Fig.2 Jc east power plant unit 2 PROFI a trend chart after steam temperature optimization
[1]張玉鐸,王滿稼.熱工自動控制系統(tǒng)[M].北京:水利電力出版社,1990:21-23.
[2]德國西門子公司.PROFI技術手冊[Z].2005.
[3]德國西門子公司.PROFI功能塊說明[Z].2005.
[4]德國西門子公司.PROFI設計說明[Z].2005.