左為恒 祝維靖 劉百成

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院)

一種改進的鍋爐主蒸汽溫度多級智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

左為恒 祝維靖 劉百成

(重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院)

針對電廠鍋爐主蒸汽溫度多級控制系統(tǒng)中減溫水流量擾動對蒸汽溫度的影響，且運行過程中控制系統(tǒng)超調(diào)量大、響應(yīng)速度慢、系統(tǒng)具有非線性，對單回路常規(guī)控制系統(tǒng)進行了改進，提出了一種雙單內(nèi)環(huán)智能串級控制方法。主控制器采用內(nèi)?？刂品绞?，根據(jù)末級出口主蒸汽溫度實測值與設(shè)定值之間的偏差經(jīng)過智能PID在線修正控制參數(shù)。仿真結(jié)果表明：改進后的控制系統(tǒng)比原單回路控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性和動態(tài)特性，并能保持較好的調(diào)節(jié)性能。

主蒸汽溫度 鍋爐 多級控制 智能PID 前饋控制 內(nèi)模控制

鍋爐主蒸汽溫度是電廠熱力系統(tǒng)中的重要參數(shù)，其控制品質(zhì)的優(yōu)劣直接影響整個機組的安全和經(jīng)濟運行。蒸汽溫度過高會降低過熱器金屬管強度，減少使用壽命；蒸汽溫度過低會降低機組的循環(huán)熱效率。為保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與經(jīng)濟運行，必須嚴(yán)格地控制主蒸汽溫度[1,2]。

主蒸汽溫度被控對象具有時變性、大遲延和非線性的特點，且實際控制過程中存在各種干擾。目前，主蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用的方法有單回路PID控制和分段串級控制。當(dāng)系統(tǒng)工況發(fā)生變化或存在較大干擾時，單一的控制器將很難滿足系統(tǒng)控制要求。黃宇等采用模糊自適應(yīng)內(nèi)模控制策略[3]，對系統(tǒng)工況變化具有優(yōu)良的適應(yīng)能力，但該控制方案未研究控制過程中減溫水壓力波動對主蒸汽溫度的影響?？奠o秋等將前饋控制用于主蒸汽溫度串級控制中，克服了煤量和風(fēng)量干擾因素對蒸汽溫度的影響，但對系統(tǒng)在不同工況下的自適應(yīng)能力并未研究[4]。

筆者結(jié)合模糊控制和前饋控制方法，在原單回路常規(guī)控制的基礎(chǔ)上進行改進，提出了一種雙單內(nèi)環(huán)智能串級控制方案。主控制器采用內(nèi)?？刂品绞?，通過模糊推理智能在線修正內(nèi)模控制器參數(shù)，并引入減溫水流量作為前饋干擾補償，從而解決減溫水壓力波動導(dǎo)致的減溫水流量波動時，主蒸汽溫度不能穩(wěn)定控制的問題。同時，在工況變化且模型失配時，控制系統(tǒng)也能保持主蒸汽溫度穩(wěn)定，保證機組運行安全，并通過仿真試驗驗證了該控制方案具有良好的控制性能。

1 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)特性

目前，大型火力發(fā)電廠一般采用單元制系統(tǒng)，即一臺鍋爐對應(yīng)一臺汽輪機發(fā)電機組。筆者以單元制系統(tǒng)的中石化四川維尼綸廠一鍋爐機組為控制對象，僅針對汽包鍋爐蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行研究。主蒸汽溫度控制系統(tǒng)采用兩級減溫器結(jié)構(gòu)對末級出口主蒸汽溫度進行控制，減溫器一實現(xiàn)蒸汽溫度的粗調(diào)，減溫器二實現(xiàn)蒸汽溫度的微調(diào)，兩控制段均采用獨立單回路常規(guī)控制方式，調(diào)節(jié)溫度的減溫水由鍋爐給水系統(tǒng)提供。由于鍋爐供水系統(tǒng)，在變頻給水機組節(jié)能改造后存在減溫水壓力隨汽包液位頻繁變化的擾動，使得減溫水流量隨之?dāng)_動，并影響最終主蒸汽溫度的穩(wěn)定，原有的單回路控制系統(tǒng)將不能很好地對它進行控制。主蒸汽生產(chǎn)流程簡圖如圖1所示。

圖1 主蒸汽生產(chǎn)流程簡圖

鍋爐機組運行過程中，影響主蒸汽溫度的因素有蒸汽流量、鍋爐汽包壓力、煙氣熱量、減溫水流量，其中主要影響因素是蒸汽流量和減溫水流量。目前，絕大多數(shù)電廠采用的是單回路PID控制方案或者串級PID控制方案，對象控制通道可看成由導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)兩部分組成。

根據(jù)圖1所示簡圖，以減溫水流量為輸入，減溫器出口蒸汽溫度為輸出的通道稱為導(dǎo)前區(qū)；以導(dǎo)前出口蒸汽溫度為輸入，過熱器出口蒸汽溫度為輸出的通道稱為惰性區(qū)。兩控制段每段有各自的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)，其動態(tài)特性可用多階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型表示：

(1)

(2)

其中,Wo2(s)、Wo1(s)分別為導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)數(shù)學(xué)模型的傳遞函數(shù)，T0(s)為過熱器出口蒸汽溫度表達(dá)式，T2(s)為減溫器出口蒸汽溫度表達(dá)式，W2(s)為減溫水流量表達(dá)式，K1、K2為穩(wěn)態(tài)增益，T1、T2為時間常數(shù)，n1、n2為慣性環(huán)節(jié)階數(shù)。

由于系統(tǒng)節(jié)能改造后，減溫水壓力隨汽包液位頻繁變化，使得減溫水流量也隨之變化，并影響最終主蒸汽溫度的穩(wěn)定，原有的獨立單回路常規(guī)控制方式將難以滿足改造后的蒸汽溫度控制要求，因此必須對控制方式加以改進。

2 改進后的主蒸汽溫度控制方案

2.1 主蒸汽溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者改進后的主蒸汽溫度控制方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用智能PID控制器在線修正內(nèi)?？刂破鲄?shù)的雙單內(nèi)環(huán)智能串級控制結(jié)構(gòu)，并引入減溫水流量干擾作為前饋補償，使系統(tǒng)能快速克服擾動的影響。

圖2 主蒸汽溫度雙單內(nèi)環(huán)智能串級控制系統(tǒng)框圖

圖2控制方案中，兩單內(nèi)環(huán)控制回路分別用來快速穩(wěn)定一控制段和二控制段減溫器出口蒸汽溫度，二控制段蒸汽溫度設(shè)定值由一控制段輸出值給定，一控制段蒸汽溫度設(shè)定值由主控制器隨動給定，當(dāng)發(fā)生減溫水流量擾動時，兩單回路控制系統(tǒng)中減溫水流量閥迅速作出反應(yīng)，并與前饋干擾補償共同作用消除干擾，使得兩減溫器出口蒸汽溫度快速穩(wěn)定在同一溫度，并通過外環(huán)穩(wěn)定最終的主蒸汽溫度。外環(huán)主控制回路采用內(nèi)?？刂品绞?，根據(jù)采集的輸出值與設(shè)定值之間的偏差經(jīng)過智能PID在線修正主控制器參數(shù)，使改進后的控制系統(tǒng)對系統(tǒng)工況變化具有一定的適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。

2.2 內(nèi)?？刂破髟O(shè)計

典型的內(nèi)?？刂圃砣鐖D3所示[5]。

圖3 典型的內(nèi)?？刂圃硎疽鈭D

對于圖3中的閉環(huán)系統(tǒng)有：

(3)

如果模型匹配，即Wo(s)=Wm(s)時，式(3)可簡化為：

T(s)=GIMC(s)Wo(s)R(s)+(1-GIMC(s)Wm(s))·

Gd(s)D(s)

(4)

此時如果滿足GIMC(s)=Wm-1(s)，則有：

(5)

式(5)表明，內(nèi)?？刂破髂軌?qū)崿F(xiàn)對參考輸入的無偏差跟蹤。然而理想控制器特性是在Wm-1(s)存在且控制器GIMC(s)可以實現(xiàn)的條件下得到的。由于控制過程中時滯和慣性環(huán)節(jié)的存在，Wm-1(s)中將出現(xiàn)純超前和純微分環(huán)節(jié)，因此常規(guī)的內(nèi)模控制器可按以下方法設(shè)計。

將Wm(s)分為兩項，即：

Wm(s)=Wm+(s)·Wm-(s)

(6)

其中，Wm+(s)為模型中包含純滯后和不穩(wěn)定零點的部分，Wm-(s)為模型中的最小相位部分。

求取內(nèi)模控制器：

(7)

其中f(s)為低通濾波器，其形式為：

(8)

其中，λ為濾波參數(shù)，是內(nèi)?？刂破鲀H有設(shè)計參數(shù)。

考慮一階時滯過程內(nèi)模PID控制器的設(shè)計。被控對象傳遞函數(shù)模型為：

(9)

取濾波器為：

(10)

由式(7)可得內(nèi)模控制器為：

(11)

相應(yīng)的反饋控制器為：

(12)

為使式(12)具有PID控制器的形式，用一階Taylor級數(shù)逼近時滯項：

e-τs=1-τs

(13)

故可得內(nèi)模PID控制器形式為：

(14)

顯然式(14)具有PI控制器的形式，式中λ越小，系統(tǒng)的動態(tài)特性越好，跟蹤能力越強，但系統(tǒng)魯棒性降低；λ越大，系統(tǒng)的輸出越平緩，魯棒性越好，對模型失配越不敏感，但系統(tǒng)響應(yīng)時間變長，跟蹤能力變?nèi)酰詾V波參數(shù)λ的選取要綜合考慮系統(tǒng)的動態(tài)特性和對模型失配的敏感性。

2.3 智能PID控制器設(shè)計

根據(jù)內(nèi)模PID控制器參數(shù)的修正方式，智能PID控制器采用雙輸入三輸出結(jié)構(gòu)[6,7]，輸入為偏差e和偏差變化率ec，輸出分別為PID參數(shù)的修正量ΔKp、ΔKI、ΔKD。在運行過程中，通過不斷檢測e和ec的值，運用專家設(shè)計經(jīng)驗在線計算出相應(yīng)的修正參數(shù)ΔKp、ΔKI、ΔKD的值，并分別與初始設(shè)定的內(nèi)模PID控制器的參數(shù)值Kp′、KI′、KD′相加后得到新的KP、KI、KD，然后將它們作為修正后的控制器參數(shù)值。

對于智能PID控制器變量的語言設(shè)計，取系統(tǒng)的輸入輸出量集合均為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，取輸入e、ec和輸出ΔKp、ΔKI、ΔKD的論域均為[-6，6]，其隸屬度函數(shù)均采用三角函數(shù)。同時在輸入輸出端分別添加量化因子來實現(xiàn)智能PID控制器實際輸入輸出值和論域值之間的轉(zhuǎn)換調(diào)整。

智能PID的在線調(diào)整表現(xiàn)在隨著輸入e、ec的不同，控制器經(jīng)過模糊推理給出不同的ΔKp、ΔKI、ΔKD。根據(jù)專家設(shè)計經(jīng)驗，調(diào)節(jié)規(guī)律主要有以下3點[8]：

a. 當(dāng)偏差較大時，即系統(tǒng)響應(yīng)的初始階段，為使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定消除誤差，KP應(yīng)取較大值；同時為了防止由于ec較大引起的積分飽和，KD應(yīng)取較小值或零；為避免系統(tǒng)過大的超調(diào)，KI也應(yīng)取較小值。

b. 當(dāng)偏差中等時，系統(tǒng)主要是控制超調(diào)，此時應(yīng)減小KP，并適當(dāng)增加KD和KI的值。

c. 當(dāng)偏差較小時，即系統(tǒng)趨于穩(wěn)定時，為使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性能，應(yīng)取較大的KP值，提高系統(tǒng)響應(yīng)的速度；KD應(yīng)取適當(dāng)?shù)闹当苊庠诜€(wěn)定時振蕩，ec較小時取較大的KD值，ec較大時取較小的KD值；KI取較大值使系統(tǒng)保持良好的穩(wěn)態(tài)性能。

根據(jù)上述原則設(shè)計參數(shù)ΔKp、ΔKI、ΔKD的計算規(guī)則。

3 仿真研究

為驗證筆者所設(shè)計的控制方法，選取某鍋爐機組在兩種典型負(fù)荷下的主汽溫動態(tài)特性(表1[9])，為方便研究，采用基于階躍響應(yīng)的最小二乘方法擬合后得到等效的一階加純滯后被控對象模型。

表1 主汽溫兩種典型負(fù)荷下的動態(tài)特性及等效一階時滯模型

為了更好地檢驗系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)定減溫水流量擾動下的數(shù)學(xué)模型為：

(15)

應(yīng)用筆者提出的控制方法，組成帶前饋補償?shù)闹悄茉诰€修正PID參數(shù)的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)，主控制器采用內(nèi)?？刂破?，智能PID控制器的量化因子Ke=6，Kec=6，控制器的輸出ΔKp、ΔKI、ΔKD的比例因子分別為0.004 0、0.000 2、0.050 0。在62%和100%兩種負(fù)荷下進行仿真試驗[10]，并與改進前的獨立單回路常規(guī)控制方法進行比較。為證明筆者所提方法抗干擾的有效性，在仿真時間t=2ks時加入20%的階躍擾動，設(shè)定仿真時間t=4ks。

當(dāng)模型匹配時，筆者方法和單回路常規(guī)控制方法在兩種不同負(fù)荷下仿真的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 模型匹配時兩種負(fù)荷下的擾動響應(yīng)曲線

從圖4中可以看出，在模型匹配時，筆者控制方法下的系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間比單回路常規(guī)控制時的調(diào)節(jié)時間大幅縮短，系統(tǒng)超調(diào)也顯著減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性能更好，且筆者控制方法對干擾的抑制能力更強。

當(dāng)系統(tǒng)模型參數(shù)K、T、τ同時產(chǎn)生20%的攝動，造成模型失配時，兩種方法下系統(tǒng)仿真的階躍響應(yīng)曲線如圖5所示。可以看出，當(dāng)模型參數(shù)失配20%時，與單回路常規(guī)控制方法相比，筆者控制方法能夠更好地保持系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

圖5 模型失配時兩種負(fù)荷下的擾動響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

針對電廠主蒸汽溫度具有大時滯、非線性和系統(tǒng)被控對象參數(shù)隨負(fù)荷變化的特點，且運行過程中系統(tǒng)超調(diào)量大、抗干擾能力差的問題，筆者提出了一種帶前饋補償?shù)碾p單內(nèi)環(huán)智能串級控制方案，將前饋干擾補償、智能PID控制和內(nèi)?？刂葡嘟Y(jié)合，綜合利用三者的優(yōu)點，并通過仿真試驗，將筆者控制方法與單回路常規(guī)控制方法的動態(tài)特性和抗干擾能力進行了對比。仿真結(jié)果表明：筆者控制方法響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，抗干擾能力強。

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ApplicationResearchofImprovedMulti-stageIntelligentControlSystemforBoilerMainSteamTemperatures

ZUO Wei-heng, ZHU Wei-jing, LIU Bai-cheng
(SchoolofElectricalEngineering,ChongqingUniversity)

Aiming at the influence of attemperation water disturbance on the steam temperature in the power station boiler’s main steam temperature multistage control system, and the problems of large overshoot, slow response and nonlinear system in operation process, the single loop’s regular control system was improved and a method of double-single inner loop intelligent cascade control was proposed. In which, the main controller employs the internal model control and it corrects parameters online through the intelligent PID according to the deviation between the measured value and the set value of main steam temperature in final outlet. The simulation results show that, this improved control system outperforms original single-loop control system in both robustness and dynamic characteristics and it also maintains a good regulation performance.

main steam temperature,boiler,multi-stage control, intelligent PID, feed-forward control, internal model control

TH865

A

1000-3932(2017)07-0662-05

2017-01-10，

2017-05-18)

左為恒(1961-)，副教授，從事控制理論與控制工程的研究。

聯(lián)系人祝維靖(1992-)，碩士研究生，從事控制理論與控制工程的研究，zwjingcqu@foxmail.com。