火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

任素龍，李帥華，張福東，劉 健

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

任素龍1，李帥華1，張福東1，劉 健2

（1.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；2.河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031）

針對(duì)常規(guī)主蒸汽溫度PID控制方法難以獲得較好調(diào)節(jié)效果的問題，分析影響主蒸汽溫度控制的因素，提出一種基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級(jí)PID控制方法，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況證明該控制方法比常規(guī)的PID控制方法具有更強(qiáng)的抗干擾能力和更好的控制品質(zhì)。

主蒸汽溫度；模糊控制；專家控制；串級(jí)PID控制

1 概述

主蒸汽溫度是火電廠鍋爐運(yùn)行中監(jiān)測(cè)和控制的主要參數(shù)，其過高或者過低都會(huì)直接影響機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性，這就要求主蒸汽溫度必須穩(wěn)定在機(jī)組允許的范圍內(nèi)。由于主蒸汽溫度控制具有非線性、時(shí)變性、大延時(shí)和大慣性等特點(diǎn)，而且影響主蒸汽溫度的因素很多，使得常規(guī)的PID控制很難獲得較好的調(diào)節(jié)效果。目前關(guān)于主蒸汽溫度控制的研究很多，提出人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、自適應(yīng)控制、模糊控制、專家控制、狀態(tài)變量控制等方法，這些方法主要應(yīng)用于仿真研究，理論上都能不同程度的提高主蒸汽溫度的控制品質(zhì)［1］。但是，由于控制方法本身的局限性以及主蒸汽溫度控制對(duì)象的復(fù)雜多變性等實(shí)際問題，導(dǎo)致這些方法在實(shí)際應(yīng)用中很難達(dá)到理想的控制效果，也沒能得到推廣。以下設(shè)計(jì)提出了一種基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級(jí)PID控制方法，該方法在石家莊裕華熱電廠2號(hào)機(jī)組的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中得到了很好的應(yīng)用，主蒸汽溫度的控制效果較以前使用的常規(guī)串級(jí)PID控制有了很大的提高。

2 主蒸汽溫度控制的影響因素

傳統(tǒng)的火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)大多采用常規(guī)的PID串級(jí)控制策略。但是，主蒸汽溫度變化的影響因素比較復(fù)雜，在煙氣側(cè)有燃料性質(zhì)的變化、風(fēng)量及風(fēng)煤比的變化、燃燒器及制粉系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化、受熱面清潔程度的變化等；在蒸汽側(cè)有鍋爐負(fù)荷的變化、給水溫度的變化、飽和蒸汽溫度和減溫水量的變化等，其中最主要的因素是鍋爐負(fù)荷、燃料性質(zhì)和減溫水流量［2］。

因此，要控制好主蒸汽溫度，主蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)必須對(duì)燃料變化、負(fù)荷波動(dòng)、主蒸汽壓力波動(dòng)、蒸汽吹灰投入等較大外部擾動(dòng)具有足夠的快速響應(yīng)能力，并且對(duì)各級(jí)減溫水自動(dòng)調(diào)節(jié)之間的內(nèi)部擾動(dòng)要有較強(qiáng)的抑制能力，從而使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性和良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

3 火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)優(yōu)化方案

基于模糊控制和專家控制的主蒸汽溫度串級(jí)PID控制方法，采用自調(diào)整模糊控制的輸出作為副PID調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)，當(dāng)主蒸汽溫度實(shí)際值與設(shè)定值偏差較大時(shí)，根據(jù)偏差大小以及偏差變化率的大小，自調(diào)整副調(diào)PID控制將迅速增大或者減小減溫水調(diào)節(jié)閥的開度來抑制主蒸汽溫度的大幅波動(dòng)，保證控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性；串級(jí)主PID調(diào)節(jié)器采用專家變參數(shù)控制，當(dāng)主蒸汽溫度偏差不太大時(shí)，根據(jù)主蒸汽溫度的偏差和偏差的變化方向來自動(dòng)調(diào)整PID的參數(shù)，以保證較好的控制精度及穩(wěn)定性。具體實(shí)現(xiàn)方案如下。

3.1 自調(diào)整模糊PID控制

主蒸汽溫度控制對(duì)象的特性以及常規(guī)PID控制自身的特點(diǎn)決定了主蒸汽溫度控制很難達(dá)到理想的控制效果，無法獲得常規(guī)PID控制所需要的精確數(shù)學(xué)模型；常規(guī)的PID控制參數(shù)是固定不變的，難以適應(yīng)各種工況和克服各種擾動(dòng)。模糊控制不要求知道被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只需要操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)，非常適合用于非線性、大遲延系統(tǒng)的控制［3］。在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上引入自適應(yīng)模糊控制方法，發(fā)揮模糊控制的優(yōu)點(diǎn)，以提高主蒸汽溫度控制效果。

3.1.1 模糊集和論域的確定

主蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)采用偏差e和偏差的變化率ec作為系統(tǒng)的輸入量，選擇控制量的變化為輸出量的二維模糊控制器［4］。模糊控制器的輸入量是主蒸汽溫度與設(shè)定溫度之差（即偏差e）和偏差的變化率ec，在不同工況下，偏差e和偏差變化率ec的作用程度是不同的，引入一個(gè)加權(quán)因子a來區(qū)分兩者的不同作用程度，輸出量是減溫水調(diào)節(jié)閥門開度u。

在主蒸汽溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中，偏差e所對(duì)應(yīng)的論域?yàn)镋，變化率ec所對(duì)應(yīng)的論域?yàn)镋c，輸出量u所對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閁，將它們都分為7檔：負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），與此對(duì)應(yīng)的量化論域均為［－9，－6，－3，0，＋3，＋6，＋9］。

3.1.2 自調(diào)整模糊控制規(guī)則

模糊控制器的控制性能除了與比例因子、量化因子有關(guān)外，主要還受控制規(guī)則的影響。控制規(guī)則是基于人們通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而逐漸形成的，是一種控制策略的集合。操作人員的手動(dòng)控制是通過對(duì)被控對(duì)象的觀測(cè)，再結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出的控制決策。利用語言歸納手動(dòng)控制策略的過程，就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過程。自調(diào)整模糊控制采用如下解析表達(dá)式：

式中：a為加權(quán)因子，采用下式計(jì)算：a＝｛（1－a0／k）／6｝×｜i｜＋a0，其中，i為［－9，－6，－3，0，＋3，＋6，＋9］，0＜a0＜1，0＜k＜1，當(dāng)a0＝0.5，k＝0.8時(shí)，加權(quán)因子a的論域?yàn)椋?.875，0.75，0.625，0.5，0.625，0.75，0.875］。a0和k需要根據(jù)實(shí)際自動(dòng)控制系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)整來確定。

當(dāng)a＝0.5時(shí)，模糊控制規(guī)則見表1。

在主蒸汽溫度自調(diào)整模糊控制中，加權(quán)因子a體現(xiàn)了控制系統(tǒng)對(duì)誤差e和誤差變化率ec的不同重視程度。當(dāng)誤差較大時(shí)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是盡快減小誤差，此時(shí)，應(yīng)加大誤差e在控制規(guī)則中的加權(quán)，即a應(yīng)取較大的值；相反，當(dāng)誤差較小時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)，控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是減小超調(diào)和震蕩，使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，因此應(yīng)加大誤差變化率的加權(quán)，即a應(yīng)取較小的值。

表1 a＝0.5時(shí)的控制規(guī)則

采用自動(dòng)調(diào)整加權(quán)因子的模糊控制系統(tǒng)，能夠隨著工況的變化，采用不同的控制策略來快速消除誤差，使系統(tǒng)盡快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，完全體現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的控制策略，是一種具有高智能優(yōu)化特點(diǎn)的控制方法。

3.2 專家變參數(shù)PID控制

專家系統(tǒng)是一個(gè)有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)。它應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)人類專家提供的特殊領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，模擬人類專家做決策來解決那些需要專家決定的復(fù)雜問題［5］。主蒸汽溫度專家PID控制是一種將專家控制和PID控制相結(jié)合的控制方法，它利用專家經(jīng)驗(yàn)來自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)［6］。該控制方法優(yōu)于常規(guī)的PID控制，能適應(yīng)控制對(duì)象的變化并具有良好的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。

3.2.1 專家變參數(shù)PID控制的實(shí)現(xiàn)方法

專家變參數(shù)PID控制方法是對(duì)常規(guī)PID控制的快速性和穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化：當(dāng)系統(tǒng)超調(diào)較大時(shí)自動(dòng)提高PID的比例作用和積分作用，使系統(tǒng)的偏差快速減小，當(dāng)偏差較小時(shí)自動(dòng)降低PID的比例作用和積分作用，使得系統(tǒng)較快達(dá)到穩(wěn)態(tài)。變參數(shù)PID控制方法的實(shí)現(xiàn)方式有：分段常數(shù)式變參數(shù)PID控制、分段線性式變參數(shù)PID控制、分段非線性式變參數(shù)PID控制等。對(duì)于變參數(shù)PID控制，需要依據(jù)控制專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定PID參數(shù)的分段情況和各段參數(shù)。

根據(jù)誤差以及其變化率，分段線性式變參數(shù)PID控制可分為以下3種情況：

a.當(dāng)M1≤｜e｜＜M2，并且e×ec＞0時(shí)，說明系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值較大，并且誤差在朝偏差絕對(duì)值增大方向變化。此時(shí)，應(yīng)將PID的積分作用加強(qiáng)，即減小積分時(shí)間常數(shù)Ki，使偏差絕對(duì)值盡快減小。

b.當(dāng)｜e｜≥M2，并且e×ec＞0時(shí)，說明系統(tǒng)誤差的絕對(duì)值很大，并且誤差在朝誤差絕對(duì)值增大方向變化。此時(shí)，需同時(shí)加強(qiáng)PID的比例作用和積分作用，即需要增大比例系數(shù)Kp，減小積分時(shí)間常數(shù)Ki，以達(dá)到迅速調(diào)整誤差，使誤差絕對(duì)值以最大速度減小，避免出現(xiàn)很大的超調(diào)。

c.在其他情況時(shí)，PID參數(shù)取初始值，即當(dāng)｜e｜＜M1，盡管誤差絕對(duì)值朝增大的方向變化，或者誤差絕對(duì)值朝減小的方向變化，不管誤差多大，Kp和Ki均取初始值。

PID參數(shù)的分段情況見圖1。

圖1 PID參數(shù)的分段情況

圖1中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ 、Ⅹ、Ⅻ區(qū)域的誤差較小或者誤差絕對(duì)值朝著減小的方向變化，在該區(qū)域PID參數(shù)采用初始值；Ⅲ、Ⅶ、Ⅺ區(qū)域的誤差比較大并且誤差絕對(duì)值朝著增大的方向變化，此時(shí)PID調(diào)節(jié)只提高積分的作用來減小誤差的絕對(duì)值；Ⅳ、Ⅷ區(qū)域的誤差很大并且誤差絕對(duì)值朝著增大的方向變化，此時(shí)同時(shí)提高PID調(diào)節(jié)的比例作用和積分作用。專家變參數(shù)PID控制的優(yōu)點(diǎn)是，可根據(jù)誤差的大小分別實(shí)施很強(qiáng)、較強(qiáng)或一般的調(diào)節(jié)作用，以抑制系統(tǒng)的誤差，避免自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)較大的誤差。

3.2.2 PID參數(shù)Kp和Ki的確定

在自動(dòng)控制PID自動(dòng)調(diào)節(jié)過程中，作用在PID上的參數(shù)由式（2）、（3）確定。

式中：A和B為可變參數(shù)，Kp0為PID比例系數(shù)的初始值，Ki0為PID積分時(shí)間的初始值。

專家變參數(shù)PID控制在不同階段采用不同的控制參數(shù)：在偏差初始形成階段，即｜e｜從零增大到M1的過程，M1的值需要根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)情況確定，這里取M1＝3，在該范圍內(nèi)誤差較小，不需要改變PID的初始調(diào)節(jié)參數(shù)，此時(shí)取A＝1、B＝1，系統(tǒng)采用常規(guī)的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證被控制量穩(wěn)定在允許的范圍內(nèi)；在偏差較大階段，即M1≤｜e｜＜M2，此時(shí)需要加強(qiáng)積分作用來減小誤差，這里取M2＝6、A＝1、B＝0.6；在誤差很大階段，即｜e｜≥M2，需要同時(shí)加強(qiáng)比例作用和積分作用來快速減小誤差，避免PID調(diào)節(jié)出現(xiàn)很大的超調(diào)，這里取M2＝6、A＝1.2、B＝0.4；在誤差絕對(duì)值減小階段，為了避免自動(dòng)調(diào)節(jié)出現(xiàn)振蕩，將PID調(diào)節(jié)自動(dòng)轉(zhuǎn)為常規(guī)調(diào)節(jié)方式，此時(shí)，A＝1、B＝1。

變參數(shù)PID控制的各個(gè)參數(shù)不僅要依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的情況進(jìn)行修正。根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)情況劃分不同的調(diào)節(jié)區(qū)間，以及根據(jù)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)的指標(biāo)來修正A和B，最終達(dá)到一個(gè)理想的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況及效果

石家莊裕華熱電廠2號(hào)機(jī)組的主蒸汽溫度控制采用三級(jí)減溫方式，備用級(jí)采用常規(guī)的單級(jí)PID控制，一級(jí)和二級(jí)減溫采用串級(jí)PID控制。在機(jī)組進(jìn)行完脫硝改造后，原來的主蒸汽溫度控制經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，不能滿足主蒸汽溫度的控制要求。根據(jù)原主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)情況，對(duì)主蒸汽溫度自動(dòng)控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將自調(diào)整模糊控制和專家控制應(yīng)用到主蒸汽溫度的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

對(duì)備用級(jí)、一級(jí)和二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)都增加了燃料前饋信號(hào)，一定程度上提高了主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)效果，但是在負(fù)荷變化較大時(shí)，主蒸汽溫度還是常常出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。為了進(jìn)一步提高對(duì)主蒸汽溫度的控制效果，在一級(jí)和二級(jí)減溫水串級(jí)PID控制中加入了自調(diào)整模糊控制方法和專家控制方法，主蒸汽溫度自調(diào)整模糊控制與專家變參數(shù)串級(jí)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。自調(diào)整模糊控制的輸出作為副PID調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)，當(dāng)主蒸汽溫度實(shí)際值與設(shè)定值偏差較大時(shí)，根據(jù)偏差大小以及偏差變化率的大小，自調(diào)整副PID控制將迅速增大或者減小減溫水調(diào)節(jié)閥的開度來抑制主蒸汽溫度的大幅波動(dòng)，保證控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。串級(jí)主PID調(diào)節(jié)器采用專家變參數(shù)控制，當(dāng)主蒸汽溫度偏差不太大時(shí)，根據(jù)主蒸汽溫度的偏差和偏差的變化方向來自動(dòng)調(diào)整PID的參數(shù)，以保證較好的控制精度及穩(wěn)定性。

自調(diào)整模糊控制結(jié)合專家控制的變參數(shù)PID串級(jí)調(diào)節(jié)控制方法在石家莊裕華 熱電廠2號(hào)機(jī)組的主蒸汽溫度控制中應(yīng)用較好，該方法較常規(guī)的串級(jí)PID控制方法具有更好的調(diào)節(jié)品質(zhì)和更強(qiáng)的抗干擾能力。通過主蒸汽溫度二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)的定值擾動(dòng)試驗(yàn)可知，當(dāng)主蒸汽溫度設(shè)定值減小5℃時(shí)，左側(cè)和右側(cè)二級(jí)減溫水調(diào)節(jié)閥均快速增加開度，使主蒸汽溫能夠快速趨近設(shè)定值，提高了系統(tǒng)調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。當(dāng)偏差較小時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)減小調(diào)節(jié)作用，使主蒸汽溫度盡快趨于穩(wěn)定，避免主蒸汽溫度調(diào)節(jié)出現(xiàn)過調(diào)或振蕩現(xiàn)象。

圖2 自調(diào)整模糊控制與專家變參數(shù)串級(jí)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)束語

以上提出的自調(diào)整模糊控制結(jié)合專家控制的變參數(shù)PID串級(jí)調(diào)節(jié)控制方法不僅在機(jī)組穩(wěn)態(tài)時(shí)有很好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，而且在機(jī)組負(fù)荷或者燃料性質(zhì)變化等復(fù)雜工況時(shí)也有很好的調(diào)節(jié)品質(zhì)，大大提高了主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。該方法在火電廠主蒸汽溫度控制中具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性和普遍性，可為解決火電廠主蒸汽溫度波動(dòng)大、超調(diào)的問題提供一個(gè)有效實(shí)用的手段。

［1］王文蘭，孔昭東，劉劍恒.火電廠主汽溫的西門子控制策略應(yīng)用研究［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31（3）：139-141.

［2］朱北恒.火電廠熱工自動(dòng)化系統(tǒng)試驗(yàn)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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本文責(zé)任編輯：王洪娟

Optimization of Main Steam Temperature Control System in Power Plant

The regulating effect of conventional and simple PID control is poor for the main steam temperature control，the reasons of the main steam temperature control are analysised.A fuzzy control and expert control strategy in the cascade PID control is suggested for the main steam temperature control.The application results show that the main steam temperature control method suggested in this paper has better control performance and stronger adaptive capability to the noises than those of the normal PID control method.

main steam temperature control；fuzzy control；expert control；cascade PID control

1001-9898（2014）05-0038-03

2014-06-19

任素龍（1982－），工程師，主要從事電廠熱工自動(dòng)化控制方面的工作。

TK223.7

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