汽輪機控制系統(tǒng)仿真研究發(fā)展與展望

摘 要：在描述汽輪機控制系統(tǒng)仿真的重要性基礎(chǔ)上，闡述了汽輪機控制系統(tǒng)仿真的發(fā)展歷程，介紹了汽輪機控制系統(tǒng)建模的幾種方法及其應(yīng)用，并對電站汽輪機控制系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)進行了展望。

關(guān)鍵詞：汽輪機控制系統(tǒng)；建模方法；仿真技術(shù)

中國分類號：TP273

汽輪機控制系統(tǒng)從直接控制系統(tǒng)到間接調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由模擬式電液控制系統(tǒng)發(fā)展到數(shù)字式電液控制系統(tǒng)，再到集散控制系統(tǒng)以及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，技術(shù)發(fā)展越來越成熟的同時，控制系統(tǒng)也越來越受到人們的重視。仿真技術(shù)的飛速發(fā)展及計算機控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，極大地促進了汽輪機控制系統(tǒng)的仿真研究。本文將對汽輪機控制系統(tǒng)仿真的意義、發(fā)展歷程、方法等方面進行探討。

1 汽輪機控制系統(tǒng)仿真的意義

首先，可以確保研究人員和機組運行的安全。研究人員只有在仿真平臺上對控制方案進行研究，才能避免危險性，同時也保證了設(shè)備的正常運行。其次，為研究更好的控制方案提供了平臺。通過建立數(shù)學(xué)模型，對不同的控制算法的進行仿真研究，找出合適的算法和先進的控制策略，優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計，改善系統(tǒng)控制性能。最后，為控制參數(shù)的優(yōu)化整定提供了條件。通過利用控制系統(tǒng)仿真參數(shù)的監(jiān)測，尋找系統(tǒng)最優(yōu)控制參數(shù)，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

2 汽輪機控制系統(tǒng)仿真發(fā)展

汽輪機控制系統(tǒng)是汽輪機重要的組成部分。根據(jù)我國汽輪機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程以及對其系統(tǒng)建模與仿真研究出現(xiàn)的先后，可以分為以下幾個階段：

（1）物理仿真，即采用物理模擬的方法模擬汽輪機發(fā)電機組和調(diào)節(jié)裝置。但是采用物理仿真的方法來模擬中間再熱汽輪機，模擬部件做得都非常繁復(fù)，對于模擬汽輪機發(fā)電機組并網(wǎng)運用以及改變參數(shù)都比較困難[1]。

（2）模擬計算機仿真。20世紀(jì)60年代，隨著計算機的問世，利用電子模擬計算機來研究和解決汽輪機自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中存在的問題，成為一種趨勢。文獻[1]針對上海汽輪機廠生產(chǎn)的AK-25型汽輪機負(fù)荷擾動、哈爾濱汽輪機廠20萬瓦汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)整定以及動態(tài)模擬試驗等問題，采用電子模擬計算機基本解決了上述問題，并取得了良好的效果。

（3）數(shù)?；旌戏抡?。在計算機技術(shù)水平還比較低下時，為了盡量縮短機組的啟動調(diào)整時間，快速投入運行，世界各國汽輪機制造業(yè)都建立了試驗基地，對汽輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗進行研究。文獻[2]概述了試驗基地的主要內(nèi)容，其中通過數(shù)?；旌戏抡嬗嬎闱蟮谜{(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)特性，雖不能完全反映調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實際情況，但也有助于調(diào)節(jié)系統(tǒng)的現(xiàn)場調(diào)整。

（4）數(shù)字計算機仿真。20世紀(jì)80年代，隨著計算機技術(shù)不斷發(fā)展，汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)成為了電廠使用的主流，而仿真技術(shù)的發(fā)展也逐漸趨于成熟。我國第一臺火電站全仿真機于1982年從美國引進。同年，我國自主研發(fā)的大型火電機組仿真系統(tǒng)也成功問世。文獻[3]介紹了基于STAR-90仿真系統(tǒng)對300MW數(shù)字式電液調(diào)節(jié)進行仿真研究。結(jié)果表明利用STAR-90仿真建模技術(shù)，可以很方便地實現(xiàn)系統(tǒng)的建模、仿真、修改及調(diào)試工作。數(shù)字計算機仿真具有劃時代的的意義，它使得汽輪機控制系統(tǒng)的研究呈現(xiàn)多元化、多樣化。

3 汽輪機控制系統(tǒng)仿真方法

汽輪機控制系統(tǒng)仿真的基本任務(wù)是建立模型，編制仿真程序，進行模型的調(diào)試和控制參數(shù)的整定。汽輪機控制系統(tǒng)建模與仿真方法主要有：

3.1 機理分析法

汽輪機控制系統(tǒng)最常用的數(shù)學(xué)建模方法是機理分析方法。采用機理建模必須要對實際系統(tǒng)進行深入地分析，提取本質(zhì)因素，忽略不確定影響因素，并在一定假設(shè)或簡化條件下得出的，所以機理分析模型的精度不是很高。但是其定性結(jié)論卻比較合理，對于太過復(fù)雜的系統(tǒng)采用機理建模就很難奏效。因此，機理分析方法應(yīng)用于中小型的汽輪機控制系統(tǒng)的模型建立。

3.2 系統(tǒng)辨識法

系統(tǒng)辨識法常應(yīng)用于大型復(fù)雜的汽輪機非線性控制系統(tǒng)，用來驗證近似得到的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的參數(shù)。機理分析法確定模型的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)辨識法確定模型中的參數(shù)值，兩者結(jié)合適用于機理明確而參數(shù)未知的系統(tǒng)。近年來，基于智能技術(shù)如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的建模仿真方法發(fā)展十分迅速，并在具有不確定性、非線性等特性的系統(tǒng)建模方面，得到了廣泛應(yīng)用。其中遺傳算法常應(yīng)用于汽輪機非線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)辨識的研究或汽輪機PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的優(yōu)化整定。文獻[4]介紹了遺傳算法應(yīng)用于參數(shù)辨識的基本思想，對汽輪機非線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的進行參數(shù)辨識。結(jié)果表明采用遺傳算法可準(zhǔn)確地辨識系統(tǒng)中死區(qū)、限幅等非線性發(fā)生部位和參數(shù)，辨識結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

3.3 圖形化建模

對于控制系統(tǒng)仿真使用圖形化建模，其實是提供一個自動建模平臺。例如MATLAB、LabVIEW、BLINK等仿真支撐軟件里都封裝有很多的功能模塊。在進行系統(tǒng)建模時，只要把封裝的模塊找出，采用模塊搭接的方式實現(xiàn)系統(tǒng)建模，這樣使建模人員集中精力于控制回路組態(tài)、控制參數(shù)優(yōu)化、仿真系統(tǒng)調(diào)試等基本內(nèi)容，而省去編程的煩惱[5]。文獻[6-8]分別是基于MATLAB、LabVIEW、BLINK軟件對汽輪機控制系統(tǒng)進行的建模仿真。仿真表明：仿真支撐軟件對高效建立控制系統(tǒng)的仿真模型具有良好的效果。

4 展望

隨著集散控制系統(tǒng)的普及，基于Web分布交互式仿真成為研究熱點。分布交互仿真的分布性和交互性特點可使處在不同地理位置的各個部門利用網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)資源共享，達(dá)到節(jié)省人力、物力、財力的目的。同時，虛擬仿真技術(shù)將成為仿真技術(shù)發(fā)展的一個趨勢。虛擬仿真技術(shù)是仿真技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種更高級的仿真技術(shù)。在測控領(lǐng)域中，采用先進高等控制策略在汽輪機控制系統(tǒng)中嘗試，而這樣的嘗試在實際的汽輪機上是無法進行的，只有在汽輪機控制系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實仿真環(huán)境中進行反復(fù)試驗，通過對不同控制算法的仿真與比較，選擇最優(yōu)控制，大大節(jié)約了時間和經(jīng)費，避免了危險性。

5 結(jié)束語

隨著我國電力工業(yè)的迅速發(fā)展和我國多年來從事的控制系統(tǒng)研究，汽輪機控制系統(tǒng)日益引起電廠的認(rèn)識和重視。通過對汽輪機控制系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)及應(yīng)用情況的了解和認(rèn)識，提出控制系統(tǒng)仿真技術(shù)的發(fā)展方向：基于Web分布交互式仿真成為當(dāng)下的研究熱點。在不久的將來，虛擬仿真技術(shù)將會成在汽輪機控制系統(tǒng)仿真中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻：

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[2]楊煥義.模擬技術(shù)在汽輪機控制中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，1988（07）：14-15.

[3]段新會.3OOMW機組數(shù)字式電液調(diào)節(jié)（DEH）仿真系統(tǒng)的研究[D].華北電力學(xué)院，1995（06）：8-11.

[4]戴義平，劉炯，劉朝.基于遺傳算法的汽輪機非線性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)辨識研究[J].動力工程，2003（02）：2215-2218.

[5]呂崇德，任挺進，姜學(xué)智.大型火電機組系統(tǒng)仿真與建模[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[6]孫玉芬，王再英.汽輪機DEH系統(tǒng)建模及仿真研究[J].計算機仿真，2013（09）：126-127.

[7]王浩.基于LabVIEW的汽輪機仿真控制系統(tǒng)簡介[J].南鋼科技與管理，2008（04）：30-32.

[8]降愛琴，張學(xué)軍，赫秀芳.基于BLINK的DEH控制系統(tǒng)仿真[J].微計算機應(yīng)用，2007（06）：640-643.

作者簡介：韓芹（1982-），女，湖南永州人，實驗教師，助教，碩士，研究方向：計算機智能控制。

作者單位：湖南科技學(xué)院，湖南永州 425199

基金項目：湖南科技學(xué)院校級課題項目（項目編號：13XKYTB001）。