胡康濤，潘鳳萍，萬(wàn)文軍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

自抗擾控制技術(shù)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

胡康濤，潘鳳萍，萬(wàn)文軍

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080)

在火力發(fā)電廠中，以常規(guī)比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)為主的控制策略對(duì)大慣性、大遲延、多擾動(dòng)回路的控制效果難以同時(shí)滿足抗擾性和魯棒性的要求。針對(duì)自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)的抗擾性強(qiáng)、跟蹤快速無(wú)超調(diào)特點(diǎn)，研究其工程化實(shí)現(xiàn)方法和參數(shù)整定原則，并將其應(yīng)用于某1 000 MW超超臨界火電機(jī)組低壓加熱器水位控制回路和某300 MW亞臨界火電機(jī)組磨煤機(jī)出口風(fēng)溫控制回路。結(jié)果表明：采用ADRC技術(shù)控制后，閉環(huán)系統(tǒng)的抗擾特性要明顯優(yōu)于原來(lái)的PID控制，同時(shí)也證明了所提的一階ADRC參數(shù)整定方法的有效性。

過(guò)程控制；自抗擾控制；參數(shù)整定；比例-積分-微分；工程應(yīng)用

火力發(fā)電過(guò)程是一個(gè)燃燒、傳熱和傳質(zhì)相互耦合的復(fù)雜能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，系統(tǒng)具有擾動(dòng)多、慣性大、遲延大等特點(diǎn)。比例-積分-微分(proportion integration differentiation，PID)控制技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好及易于整定等特點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程中獲得廣泛的應(yīng)用[1]。然而積分器具有相位滯后特性，以常規(guī)PI為主的控制策略在抗干擾能力方面受到很大程度的制約，很難在主蒸汽溫度、主蒸汽壓力、功率等關(guān)鍵參數(shù)的控制精度上顯著提高。

自抗擾控制(active disturbance rejection control，ADRC)技術(shù)最早由中國(guó)科學(xué)院的韓京清[2]提出，通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(extended state observer，ESO)可以對(duì)內(nèi)、外擾動(dòng)以及模型的不確定部分進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)并主動(dòng)補(bǔ)償，是一種對(duì)參數(shù)涉動(dòng)和干擾具有很強(qiáng)適應(yīng)性的控制方法。目前，ADRC的應(yīng)用以非線性結(jié)構(gòu)為主，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要整定的參數(shù)過(guò)多，一定程度上制約了其大規(guī)模工程應(yīng)用。美國(guó)克里夫蘭州立大學(xué)高志強(qiáng)教授引入“帶寬”的思想[3]將ADRC需要整定的參數(shù)簡(jiǎn)化成3個(gè)，使得ADRC技術(shù)的工程化應(yīng)用邁出了重要一步。華北電力大學(xué)在汽溫和協(xié)調(diào)控制上，采用ADRC進(jìn)行了大量的理論和仿真研究[4]。清華大學(xué)在大遲延、高階數(shù)、多入多出等典型熱工對(duì)象的ADRC應(yīng)用上也取得了大量理論成果[5-7]。然而針對(duì)熱工對(duì)象的ADRC如何設(shè)計(jì)和整定并未形成一套很好的方法，這也使得ADRC技術(shù)在火電領(lǐng)域工程化應(yīng)用進(jìn)展緩慢。

本文研究一階ADRC的工程化應(yīng)用方法，并將其應(yīng)用于1 000 MW超超臨界機(jī)組低壓加熱器(以下簡(jiǎn)稱“低加”)正常疏水水位控制和300 MW亞臨界機(jī)組磨煤機(jī)出口風(fēng)溫控制，探索ADRC技術(shù)在火電領(lǐng)域的應(yīng)用方法。

1 一階ADRC的基本原理

以一階ADRC為例，其組成包括比例控制器(kp)和二階ESO兩部分，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

r—設(shè)定值；y—輸出；z1—對(duì)過(guò)程信號(hào)的估計(jì)；z2—對(duì)擾動(dòng)和未建模動(dòng)態(tài)的估計(jì)；G(s)—被控對(duì)象傳遞函數(shù)；b0—增益估計(jì)。圖1 一階ADRC基本原理

對(duì)于一階對(duì)象，其微分方程的形式為

(1)

式中：a、b為對(duì)象特征參數(shù)；d為外擾。

用變量f=-ay+d來(lái)表示系統(tǒng)的所有擾動(dòng)和未建模動(dòng)態(tài)，則可以將y和f作為兩個(gè)線性無(wú)關(guān)的狀態(tài)變量，將式(1)表示成狀態(tài)空間的形式：

(2)

再引入誤差反饋對(duì)狀態(tài)空間的描述偏差實(shí)時(shí)修正，則可以將狀態(tài)空間進(jìn)一步表述成如下的形式，即ESO的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(3)

式中：以控制量u和被控量y作為ESO的實(shí)時(shí)輸入，輸出(z1，z2)則能實(shí)現(xiàn)對(duì)(y，f)的估計(jì)；若二階ESO的參數(shù)β1和β2取值合理，z2能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)f的快速估計(jì)，若引入新的控制量u0，即可將原來(lái)的對(duì)象補(bǔ)償成純積分對(duì)象。這樣通過(guò)對(duì)積分對(duì)象設(shè)計(jì)比例控制器就能達(dá)到控制目的，即

(4)

2 一階ADRC的工程化方法

2.1 工程實(shí)現(xiàn)

與PID控制器的應(yīng)用相同，ADRC在工程化應(yīng)用時(shí)不僅需要考慮手動(dòng)條件下的跟蹤以保證手動(dòng)/自動(dòng)條件下的無(wú)擾切換，還應(yīng)當(dāng)包括ADRC的抗積分飽和、閉鎖增和閉鎖減等基本功能。絕大部分熱工過(guò)程都可以近似認(rèn)為有遲延，而擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的設(shè)計(jì)并不包含遲延部分。若將控制量u先經(jīng)歷與被控對(duì)象相同的純遲延環(huán)節(jié)后再進(jìn)入擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，就能在時(shí)間上使控制量u和被控量y相匹配，否則這種時(shí)間上失配會(huì)導(dǎo)致ESO的發(fā)散[8]。包含無(wú)擾切換功能的一階ADRC的SAMA圖如圖2所示。

U—作用到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制量；Y—輸出；S—設(shè)定值；F—前饋量；M—切手動(dòng)信號(hào)。圖2 一階ADRC實(shí)現(xiàn)的基本邏輯

2.2 工程化參數(shù)推導(dǎo)與整定

大部分熱工對(duì)象都可以用一階慣性純滯后環(huán)節(jié)來(lái)近似描述：

(5)

式中：K為比例系數(shù)；T為積分系數(shù)；θ為延遲；s為拉普拉斯算子。

結(jié)合式(3)可得控制量u經(jīng)歷時(shí)間為θ1的純遲延后ESO的表達(dá)形式：

對(duì)式(5)和式(6)進(jìn)行拉普拉斯變換，可得：

(7)

通過(guò)ESO補(bǔ)償后的廣義對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

(8)

從式(8)可以看出，在被控對(duì)象包含有純遲延的情況下，即使擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的觀測(cè)速度再快，也無(wú)法完全補(bǔ)償成積分純遲延的形式，但可以考慮在一定情況下對(duì)上述表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)化。

假設(shè)對(duì)系統(tǒng)的增益和純遲延的估計(jì)比較準(zhǔn)確，即b0≈b，θ1≈θ?？紤]到過(guò)程生產(chǎn)大部分對(duì)象的固有頻率均在1 Hz以下，對(duì)純遲延部分作泰勒展開(kāi)，并在低頻范圍內(nèi)作合理的近似，即e-θ1s≈1-θ1s。

這樣可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化，則

(9)

(10)

為讓M(s)在數(shù)學(xué)上盡量趨近于穩(wěn)態(tài)增益，假設(shè)m=β1·T，且令m≥10，則

(11)

利用“帶寬”的思想，假設(shè)內(nèi)回路M(s)的帶寬為wm，則

(12)

工程上，對(duì)經(jīng)ESO補(bǔ)償后的對(duì)象設(shè)計(jì)比例控制器kp時(shí)，不僅要考慮wm，也需要考慮遲延θ對(duì)閉環(huán)控制的影響。因此，可令

(13)

自此，可以得到工程上整定ADRC參數(shù)的一種方法。

3 一階ADRC的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 低壓加熱器水位控制

在某1 000 MW超超臨界火電機(jī)組5號(hào)低加水位控制中，一般情況下，該水位由正常疏水閥控制，調(diào)節(jié)范圍在-100～100 mm之間，當(dāng)水位超過(guò)150 mm時(shí)事故疏水閥門自動(dòng)打開(kāi)，以防止水位過(guò)高，低加解列。在正常水位調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，該對(duì)象屬于近似于純積分的非自平衡對(duì)象。通過(guò)開(kāi)環(huán)實(shí)驗(yàn)即可得到響應(yīng)曲線的斜率為0.027 8，進(jìn)而做適當(dāng)?shù)淖冃慰傻茫?/p>

(14)

取m=40，由上章節(jié)整定方法可以得到一組ADRC的初始參數(shù)，這組參數(shù)下ADRC的水位控制效果如圖3所示；PID參數(shù)以Skogestad[9]提出的參數(shù)整定方法為基礎(chǔ)，并保證超調(diào)量在20%范圍內(nèi)進(jìn)行參數(shù)再調(diào)整，盡量滿足抗擾動(dòng)效果和設(shè)定值跟蹤速度，其控制效果如圖4所示。

1—水位設(shè)定值；2—實(shí)際水位；3—正常疏水閥開(kāi)度指令；4—正常疏水閥開(kāi)度；5—危急疏水閥開(kāi)度。圖3 5號(hào)低壓加熱器采用ADRC的水位控制效果(2015-10-23)

1—水位設(shè)定值；2—實(shí)際水位；3—正常疏水閥開(kāi)度指令；4—正常疏水閥開(kāi)度；5—危急疏水閥開(kāi)度。圖4 5號(hào)低壓加熱器采用PID的水位控制效果(2015-10-25)

在ADRC控制下，系統(tǒng)設(shè)定值擾動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間約為340 s，基本無(wú)超調(diào)；在10%的危急疏水閥擾動(dòng)下，水位波動(dòng)最大為10 mm。在PID控制下，系統(tǒng)設(shè)定值擾動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間小于300 s，超調(diào)量約為15%；在6%的危機(jī)疏水閥擾動(dòng)下，水位波動(dòng)最大值為24 mm。

3.2 磨煤機(jī)出口風(fēng)溫控制

某300 MW亞臨界機(jī)組的單臺(tái)磨煤機(jī)由冷風(fēng)門控制出口風(fēng)溫，熱風(fēng)門控制一次風(fēng)流量，兩控制回路之間存在一定的耦合。由于運(yùn)行條件限制，熱風(fēng)門一直處于全開(kāi)狀態(tài)，此時(shí)冷風(fēng)門的控制可以看成單回路，通過(guò)開(kāi)環(huán)設(shè)定值擾動(dòng)試驗(yàn)，可得到對(duì)象的傳遞函數(shù)

(15)

在負(fù)荷不變的情況下，對(duì)風(fēng)溫的擾動(dòng)主要來(lái)源于給煤量的波動(dòng)。通過(guò)對(duì)比PID和ADRC在穩(wěn)態(tài)條件下風(fēng)溫的控制效果(如圖5、圖6所示)，穩(wěn)態(tài)下PID控制的風(fēng)溫波動(dòng)維持在-1.5～+2.1 ℃之間；少量給煤量波動(dòng)時(shí)，風(fēng)溫最大偏差為-3 ℃。而采用ADRC控制磨煤機(jī)風(fēng)溫時(shí)，溫度的穩(wěn)態(tài)波動(dòng)范圍顯著縮小，基本維持在-0.5～+0.5 ℃之間。在30 MW變負(fù)荷導(dǎo)致給煤量大幅度波動(dòng)的情況下，風(fēng)溫最大偏差為-1.3 ℃，控制效果有了明顯的改善。

1—給煤量；2—磨煤機(jī)出口風(fēng)溫設(shè)定；3—磨煤機(jī)出口實(shí)際風(fēng)溫；4—冷風(fēng)門閥位；5—冷風(fēng)門閥位指令。圖5 磨煤機(jī)風(fēng)溫的PID穩(wěn)態(tài)控制效果(2016-01-10)

1—給煤量；2—磨煤機(jī)出口風(fēng)溫設(shè)定值；3—磨煤機(jī)出口實(shí)際風(fēng)溫；4—冷風(fēng)門閥位；5—冷風(fēng)門開(kāi)度指令；6—機(jī)組負(fù)荷。圖6 磨煤機(jī)風(fēng)溫的ADRC穩(wěn)態(tài)控制效果(2016-01-10)

從ADRC與PID連續(xù)6 h控制效果比較可知(如圖7所示)，連續(xù)變負(fù)荷情況下，采用ADRC的風(fēng)溫控制效果都要明顯優(yōu)于在穩(wěn)態(tài)情況下PID的控制效果。

1—磨煤機(jī)出口風(fēng)溫設(shè)定值；2—磨煤機(jī)出口實(shí)際風(fēng)溫；3—冷風(fēng)門開(kāi)度；4—冷風(fēng)門開(kāi)度指令；5—機(jī)組負(fù)荷。圖7 ADRC與PID連續(xù)6h控制效果比較

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一階線性ADRC初參數(shù)的工程化整定方法，并在大型火電機(jī)組的水位控制回路和風(fēng)溫控制回路上成功應(yīng)用。ADRC控制技術(shù)在大慣性、大遲延、多擾動(dòng)回路控制上要優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制策略，尤其在抗擾動(dòng)性能上，ADRC具有明顯的優(yōu)勢(shì)。ADRC在火電機(jī)組汽溫控制、協(xié)調(diào)控制等復(fù)雜回路上已有大量研究和仿真，但工程應(yīng)用上進(jìn)展緩慢。結(jié)合傳統(tǒng)PID控制策略中的前饋、解耦和非線性等思想，ADRC在熱工控制領(lǐng)域?qū)l(fā)揮更大作用。

[1] 王偉，張晶濤，柴天佑. PID參數(shù)先進(jìn)整定方法綜述[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26(3)：348-355.

WANG Wei，ZHANG Jingtao，CHAI Tianyou. A Survey of Advanced PID Parameter Tuning Methods[J]. Acta Automatica Sinica，2000，26(3)：348-355.

[2] 韓京清. 自抗擾控制器及應(yīng)用[J]. 控制理論與決策，1998，13(1)：19-23.

HAN Jingqing. Active Disturbance Rejection Controller and Its Applications[J]. Control and Decision，1998，13(1)：19-23.[3] GAO Zhiqiang.Scaling and Bandwidth-parameterization Based Controller Tuning[C]//Proceedings of the American Control Conference，[S.l.]:IEEE，2003：4989-4996.

[4] 黃煥袍，武利強(qiáng)，韓京清，等. 火電單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的自抗擾控制方案研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(10)：168-173.

HUANG Huanpao，WU Liqiang，HAN Jingqing, et al. A Study of Active Disturbance Rejection Control on Unit Coordinated Control System in Thermal Power Plant[J]. Proceedings of the CSEE，2004，24(10)：168-173.

[5] HUANG Chune，LI Donghai，XUE Yali. Active Disturbance Rejection Control for the ALSTOM Gasifier Benchmark Problem[J]. Control Engineering Practice，2013(21)：556-564.

[6] 孫立，董君伊，李東海，等. 基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器的汽輪機(jī)功頻電液串級(jí)控制[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35(7)：1697-1703.

SUN Li，DONG Junyi，LI Donghai，et al. Cascaded Load-frequency Digital Electric-hydraulic Regulation of Turbine via Extended State Observer[J]. Proceedings of the CSEE，2015，35(7)：1697-1703.

[7] 劉翔，李東海，姜學(xué)智，等. 自抗擾控制器在高階系統(tǒng)中應(yīng)用的仿真[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2001，41(6)：95-99.

LIU Xiang，LI Donghai，JIANG Xuezhi，et al. Simulation Study of Auto-disturbance Rejection Controller for High-order Systems[J]. Journal of Tsinghua University(Sci & Tech)，2001，41(6)：95-99.

[8] WANG Lijun，LI Qing，TONG Chaonan，et al. On Control Designand Tuning for First Order Plus Time Delay Plants with Significant Uncertainties[C]//Proceedings of American Control Conference. Chicago：IEEE，2015：5276-5281.

[9] SKOGESTAD S. Simple Analytic Rules for Model Reduction and PID Controller Tuning[J]. Journal of Process Control，2003，13：291-309.

(編輯 王朋)

Application of Active Disturbance Rejection Control Technology in Thermal Power Plant

HU Kangtao, PAN Fengping, WAN Wenjun

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou, Guangdong 510080, China)

In thermal power plants, the control strategy mainly based on conventional proportion integration differentiation (PID) can notsimultaneously satisfy requirements for disturbance rejection and robustness for controlling on great inertia, large time-delay and multi-disturbance loops. On the basis of characteristics of active disturbance rejection control (ADRC) technology including strong disturbance rejection and rapid tracking, this paper studies its engineering realization method and parameter setting principle, and applies it in water level control loop of low pressure heater of one 1 000 MW ultra supercritical thermal power generating unit and control loop for coal mill exit wind temperature of one 300 MW subcritical thermal power generating unit. Results indicate that after adopting ADRC technology, disturbance rejection of the closed-loop system is obviously superior to the original PID control. It also proves validity of the proposed setting method for first-order ADRC parameters.

process control; active disturbance rejection; parameter setting; proportion integration differentiation(PID); engineering application

2016-05-27

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.12.001

TM73

A

1007-290X(2016)12-0001-05

胡康濤(1990)，男，湖南漣源人。工程師，工學(xué)碩士，主要從事大型火電機(jī)組過(guò)程控制策略的研究。

潘鳳萍(1967)，女，河南南陽(yáng)人。教授級(jí)高級(jí)工程師，工學(xué)博士，主要從事火力發(fā)電廠熱控技術(shù)和工業(yè)過(guò)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)研究。

萬(wàn)文軍(1974)，男，江西南昌人。高級(jí)工程師，工學(xué)博士，從事火電廠熱控方面的試驗(yàn)與研究工作。