火電廠鍋爐主汽溫控制策略的比較研究

孫成龍，趙景波，胡春霞

（青島理工大學(xué) 自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266033）

鍋爐的主蒸汽溫度與火電廠的經(jīng)濟(jì)性和安全性有重要的關(guān)系，是火電廠的一個(gè)極其重要的參數(shù)，其控制的好壞直接影響到電廠的整個(gè)經(jīng)濟(jì)效益。主蒸汽溫度的控制任務(wù)是：(1)維持主蒸汽溫度在允許的范圍之內(nèi)。對(duì)于亞臨界機(jī)組的主蒸汽溫度為540℃±10℃，長期運(yùn)行應(yīng)控制在540℃±5℃，對(duì)于超臨界及超臨界主蒸汽溫度控制在(540℃～610℃)±10℃，長期運(yùn)行應(yīng)控制在(540℃～610℃)±5℃；(2)保護(hù)過熱器，使其管壁不超過允許的工作溫度。氣溫過高，會(huì)燒毀過熱器的高溫段，氣溫每降5℃，熱經(jīng)濟(jì)性下降1%，氣溫偏低會(huì)使蒸汽機(jī)尾部蒸汽濕度增大甚至帶水，嚴(yán)重影響汽機(jī)的安全運(yùn)行。

影響主汽溫的擾動(dòng)因素很多，主要有蒸汽量擾動(dòng)、煙氣量擾動(dòng)和減溫水量擾動(dòng)。而對(duì)主汽溫的控制策略通常有兩種：

(1)在火電廠實(shí)際生產(chǎn)過程中,針對(duì)主汽溫控制是一個(gè)存在大時(shí)滯、時(shí)變性、大干擾、具有不確定性和非線性的復(fù)雜熱工對(duì)象，常規(guī)氣溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為串級(jí)PID控制，如圖1所示。

圖1 主汽溫串級(jí)控制框圖

其中，r為主汽溫設(shè)定值，G1(s)、G2(s)分別為控制系統(tǒng)對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，M1、M2分別為副變送器和主變送器傳遞函數(shù)。

(2)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性特性和不依賴于對(duì)象精確模型的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)主汽溫的控制方案加入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，搭建成基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)，用以完成對(duì)鍋爐主汽溫的控制。該方案如圖2所示。

圖2 主汽溫基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制框圖

在傳統(tǒng)PID的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線實(shí)時(shí)輸出PID的比例、積分和微分三個(gè)參數(shù)。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法

上文中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用三層結(jié)構(gòu)：j表示輸入層節(jié)點(diǎn)，i表示隱含層節(jié)點(diǎn)，l表示輸出層節(jié)點(diǎn)。輸入層有m個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，隱含層有q個(gè)隱含節(jié)點(diǎn)，輸出層有3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)所選的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)量，輸出節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng) PID控制器的三個(gè)參數(shù) kp、ki、kd，輸出層神經(jīng)元激活函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層輸出為：

隱層輸入：

隱層輸出：

最后網(wǎng)絡(luò)輸出層三個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入為：

最后的輸出層的三個(gè)輸出為：

即：

取性能指標(biāo)函數(shù)：

用梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，并附加使搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng)，則有：

其中，η為學(xué)習(xí)率，α為慣性系數(shù)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出層權(quán)的計(jì)算公式為：

同理可得隱層權(quán)的計(jì)算公式：

2 控制系統(tǒng)的仿真研究

采用如圖1和圖2所示的控制策略，主蒸汽溫度的導(dǎo)前區(qū)數(shù)學(xué)模型為G1(s)，惰性區(qū)數(shù)學(xué)模型為G2(s)。仿真時(shí)采用600 MW直流鍋爐主汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，如表1所示。

表1 600 MW直流鍋爐主汽溫的對(duì)象動(dòng)態(tài)特性

其中，串級(jí)控制的副控制器采用P控制，kp2=1；主控制器采用 PI控制，kp1=0.05，ki=0.05?；?BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方案中，采用PID控制，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)取三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，有3個(gè)輸入，分別為輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、輸入與輸出之差，閾值取為 1；有 3個(gè)輸出 kp、ki和kd，隱含層取 5個(gè)節(jié)點(diǎn)。學(xué)習(xí)步長 η=0.6，慣性系數(shù)?=0.06。對(duì)于惰性區(qū)傳遞函數(shù)采用近似方法用 e-10s來代替。

限于篇幅仿真結(jié)果只列出負(fù)荷為50%和100%時(shí)兩種控制策略的仿真曲線和100%負(fù)荷時(shí)BP神經(jīng)PID控制下的3個(gè)參數(shù)變化曲線。圖3、圖4所示分別為負(fù)荷為50%、100%時(shí)階躍響應(yīng)曲線。

圖中虛線代表串級(jí)控制下的階躍響應(yīng)曲線，實(shí)線代表BP神經(jīng)PID控制下的階躍響應(yīng)曲線。

負(fù)荷為100%時(shí)BP神經(jīng)PID控制下的3個(gè)參數(shù)變化曲線如圖5所示。仿真結(jié)果分析如表2所示。

從以上仿真結(jié)果分析，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自整定PID控制能依據(jù)被控對(duì)象的變化自適應(yīng)地調(diào)整PID的3個(gè)參數(shù)，依據(jù)一定的最優(yōu)準(zhǔn)則滿足不同負(fù)荷下的控制要求。在不同負(fù)荷下，也即從鍋爐的啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行的整個(gè)過程，都可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，且調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小。當(dāng)負(fù)荷為100%變化時(shí)，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制與串級(jí)控制的調(diào)節(jié)時(shí)間相近，但是超調(diào)量卻明顯優(yōu)于串級(jí)控制；當(dāng)負(fù)荷比較低時(shí)，串級(jí)控制的效果極差，而基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制仍然有比較好的控制效果。

表2 各種負(fù)荷下的仿真結(jié)果

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