自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用分析

張春霖（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力建設(shè)甘肅工程有限公司，甘肅蘭州　730070）

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自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用分析

張春霖
（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)西北電力建設(shè)甘肅工程有限公司，甘肅蘭州730070）

【摘 要】近些年來(lái)，我國(guó)的科學(xué)技術(shù)正在不斷的發(fā)展之中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利，使得人生的工作效率得到了大大的提高，同時(shí)也大大的節(jié)省了人力。而電能對(duì)于人們的生產(chǎn)生活也有著非常重要的作用，離開(kāi)了電能，人們的諸多生產(chǎn)生活活動(dòng)將無(wú)法正常開(kāi)展。將自動(dòng)控制理論應(yīng)用于火電廠中，可以大大的提高火電廠的自動(dòng)化水平，同時(shí)還能夠有效提高火電廠的生產(chǎn)效率。因此本文就自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的分析。

【關(guān)鍵詞】自動(dòng)控制理論火電廠人工自動(dòng)化應(yīng)用分析

1　前言

自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有三個(gè)方面的內(nèi)容：第一是熱工儀表的非線性校正；第二是主蒸汽壓力的新型調(diào)節(jié)策略；第三是主蒸汽溫度的先進(jìn)控制策略。在火電廠中有著非常多的熱工儀表，而這些儀表基本上都有著非線性特性，正是由于儀表的非線性特性，所以使得參數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性和儀表顯示的精確度都有待提高。而這些參數(shù)對(duì)于火電廠的生產(chǎn)有著非常重要的影響，所以務(wù)必要求其準(zhǔn)確度。主蒸汽壓力也是火電廠中一個(gè)非常重要的參數(shù)，但是由于主蒸汽壓力的純遲延和大慣性，使得主蒸汽壓力也十分難以調(diào)節(jié)，而要使得發(fā)電機(jī)組得以高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須要對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行精確的控制。主蒸汽溫度同主蒸汽壓力一樣，也是火電廠中一個(gè)非常重要的參數(shù)，它對(duì)于火電廠機(jī)組的正常和安全運(yùn)行也有著非常重要的影響，因此必須要對(duì)其進(jìn)行有效的控制。

2　自動(dòng)控制理論概述

說(shuō)到控制的含義，從字典的說(shuō)明來(lái)看，是在實(shí)際的活動(dòng)實(shí)踐當(dāng)中，對(duì)活動(dòng)進(jìn)行有目的有計(jì)劃的操作和引導(dǎo)，旨在讓自己的實(shí)踐活動(dòng)在自己規(guī)劃的范圍內(nèi)進(jìn)行。對(duì)活動(dòng)進(jìn)行控制的根本目標(biāo)在于提升整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和功能水平或者實(shí)現(xiàn)自己的既定目標(biāo)。主要控制途徑是信息的收集和處理并將通過(guò)處理的信息作用于自己的實(shí)踐活動(dòng)。根據(jù)人為活動(dòng)的參與情況，整個(gè)控制大類可以劃分為人工控制和自動(dòng)控制。從現(xiàn)在的具體情況來(lái)看，大多控制都是自動(dòng)控制。關(guān)于自動(dòng)控制的意義，如今有很多不同的見(jiàn)解，但大體上的解釋大同小異。綜合多方解釋，本文針對(duì)自動(dòng)控制的觀點(diǎn)是，通過(guò)自動(dòng)化儀器進(jìn)行部分活動(dòng)的操作和控制，來(lái)替代部分人工操作，通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)操作設(shè)備或進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，從而達(dá)成既定的戰(zhàn)略目標(biāo)或效果。在過(guò)去實(shí)際的生產(chǎn)生活當(dāng)中，導(dǎo)入自動(dòng)控制程序，應(yīng)用自動(dòng)化操作工藝和技術(shù)，對(duì)自動(dòng)化的生產(chǎn)生活的數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督或管理，有利于進(jìn)一步解放生產(chǎn)力，提高我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平和社會(huì)生產(chǎn)效率，減少人力資源的消耗。除此之外，自動(dòng)控制也有利于提高產(chǎn)品服務(wù)的生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平，有利于保障產(chǎn)品的品質(zhì)，進(jìn)而提升企業(yè)的生產(chǎn)效益，帶動(dòng)我國(guó)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增加，促進(jìn)我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的進(jìn)一步加快。尤其是在一些環(huán)境條件比較差的情況下，例如溫度較高，溫差較大或氣壓較大的地方，或者遇到一些涉及航天科技等活動(dòng)的情況下，自動(dòng)控制的優(yōu)勢(shì)就尤為明顯。從自動(dòng)控制的具體組成部分來(lái)看，自動(dòng)控制的主要部分包括控制理論和實(shí)際的控制裝備。自動(dòng)控制理論是自動(dòng)控制裝備進(jìn)行有效運(yùn)行的理論前提，自動(dòng)控制裝備是整個(gè)自動(dòng)控制理論的具體應(yīng)用，二者相互影響，相互促進(jìn)。本文主要進(jìn)行了控制理論中自動(dòng)控制部分的研究和探討，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)例探討。

3　自動(dòng)控制理論的發(fā)展情況

從自動(dòng)控制理論的發(fā)展歷史情況來(lái)看，自動(dòng)控制理論的發(fā)展階段可以大致分為經(jīng)典控制階段、現(xiàn)代控制階段以及智能控制階段。從經(jīng)典控制理論發(fā)展到智能控制理論階段，自動(dòng)控制理論越來(lái)越成熟，也逐漸趨于完善。從當(dāng)前自動(dòng)控制應(yīng)用情況來(lái)看，火電廠是自動(dòng)控制較為熟練的領(lǐng)域，所使用的自動(dòng)化儀器和設(shè)備的科技含量都較高，但是從自動(dòng)控制理論的應(yīng)用情況來(lái)看，應(yīng)用程度還不夠。因此，本文將著重探討自動(dòng)控制理論在火電廠的應(yīng)用情況和策略分析。當(dāng)前我國(guó)大多數(shù)火電廠的自動(dòng)化儀表都具備很多的樣式和形式，從信號(hào)的接收和發(fā)送情況來(lái)看，具有非線性的特點(diǎn)。為了能夠進(jìn)一步控制和收集信號(hào)，我們需要對(duì)當(dāng)前的熱工儀表進(jìn)行非線性校正。考慮到自動(dòng)化控制理論的校正優(yōu)勢(shì)和作用，本文將針對(duì)這一部分內(nèi)容探討新型的數(shù)字化非線性校正方法和手段。隨著我國(guó)科技水平的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的火電廠發(fā)展越來(lái)越迅速，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在火電廠的應(yīng)用規(guī)模越來(lái)越大，為自動(dòng)化控制理論的應(yīng)用奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。從自動(dòng)化理論的應(yīng)用情況來(lái)分析，智能控制的在火電廠生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的應(yīng)用前景將越來(lái)越好。

4　自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用

4.1熱工儀表非線性特征的校正

在火電廠中，有著許許多多的儀表，這些儀表所測(cè)定的參數(shù)各不相同，但是它們都有著相同的特性，那就是非線性特性。對(duì)于火電廠中的這些儀表而言，非線性特性往往都是不可避免的，但是要對(duì)火電廠中各個(gè)機(jī)組的參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量，必須要盡可能的避免儀表的非線性特征，因?yàn)橛捎趦x表的非線性特征，參數(shù)測(cè)量的精確度將大大降低，無(wú)法滿足生產(chǎn)的要求。為了使得火電廠的生產(chǎn)活動(dòng)能夠得以順利開(kāi)展，必須要減少由于熱工儀表非線性特性所帶來(lái)的誤差，而要減少誤差，在火電廠中經(jīng)常采用的方法就是減小儀表測(cè)量范圍、采用非線性顯示刻度和加入非線性校正環(huán)節(jié)，這樣可以在一定程度上對(duì)誤差進(jìn)行控制，但是由于減小儀表測(cè)量范圍和采用非線性顯示刻度都不能夠很好地滿足線性信號(hào)的要求，所以常常利用加入非線性校正環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行處理，通過(guò)加入非線性校正環(huán)節(jié)，一方面可以提高儀表測(cè)量的精度，另一方面還可以較好地滿足線性信號(hào)的需求。

要對(duì)熱工儀表的非線性特性進(jìn)行校正，主要有兩種方法：第一種方法是模擬線性化，第二種是數(shù)字線性化。所謂的模擬線性化，是指的在傳統(tǒng)的模擬儀表的基礎(chǔ)上，對(duì)一些特殊的機(jī)械元件和模擬電路加以利用，然后再使得儀表的輸出信號(hào)能夠滿足線性要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了模擬現(xiàn)實(shí)的線性刻度。模擬線性化所依靠的是硬件和模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)的線性化處理，這種校正方式在火電廠中應(yīng)用較為廣泛，同時(shí)操作也較為簡(jiǎn)單。在火電廠中，有著許許多多的模擬線性化例子，比如說(shuō)基于開(kāi)方凸輪實(shí)現(xiàn)節(jié)流式流量?jī)x表中流量與差壓平方關(guān)系的線性化處理和以多段折線式逼近儀表非線性特性的線性化器等，通過(guò)這種方式，有效的改善了儀表非線性特性，使得輸出信號(hào)能夠更好地滿足線性化的要求。而所謂的數(shù)字線性化，不同于模擬線性化，它所利用的是智能儀表，而這些智能儀表并不像模擬線性化方式一樣對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，它們是對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在信號(hào)輸入的時(shí)候，就按照一定的規(guī)則對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后再進(jìn)行輸出，從而使得輸出的參數(shù)能夠滿足線性化的要求。模擬線性化與數(shù)字線性化都有著各自的優(yōu)勢(shì)，模擬線性化可以視為熱工儀表非線性特性校正的硬方法，而數(shù)字線性化則可以視為熱工儀表非線性特性校正的軟方法，在火電廠中，數(shù)字線性化的應(yīng)用也較為廣泛，比如說(shuō)在數(shù)字巡測(cè)儀中，利用單片機(jī)的儲(chǔ)存器，將熱工儀表非線性特性寫(xiě)入單片機(jī)的存儲(chǔ)器內(nèi)，然后再通過(guò)軟件編制的查表法就可以十分迅速地實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的數(shù)字線性化。

當(dāng)前隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，火電廠中的熱工儀表也在逐漸的趨于微型化、數(shù)字化和智能化，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用于火電廠之中，這些高新技術(shù)的應(yīng)用大大的改善了火電廠的生產(chǎn)現(xiàn)狀。傳統(tǒng)的火電廠熱工儀表大都是采用的單片機(jī)查表法，但是隨著就計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機(jī)也逐漸的暴露出其缺點(diǎn)，單片機(jī)的儲(chǔ)存量往往較小，而且其運(yùn)算速度也較慢，這些缺陷大大的限制了插表法的應(yīng)用，雖然近些年來(lái)相關(guān)的研究人員對(duì)其進(jìn)行了研究和改進(jìn)，但單片機(jī)始終擺脫不了其固有的缺陷，即容易受到外部環(huán)境的影響和誤差較大。因此在火電廠中一般都是在數(shù)據(jù)量較小或者精度要求不高的情況下才使用查表法。隨著研究的不斷深入，在數(shù)字線性化領(lǐng)域也有了新的突破，比如說(shuō)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用，對(duì)于熱工儀表非線性的校正起到了非常重要的作用。同時(shí)隨著對(duì)這些新方法的不斷探究，也為自動(dòng)控制理論在火電廠熱工自動(dòng)化中的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

4.2主蒸汽壓力新型調(diào)節(jié)策略

火電廠機(jī)組可以分為許多種類型，雖然火電廠機(jī)組的種類繁多，但是當(dāng)前我國(guó)主要采用的是以燃煤為主帶有汽包與中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)的單元機(jī)組，所謂的單元機(jī)組，就是指的把鍋爐、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)一一相對(duì)應(yīng)，進(jìn)而形成縱向的聯(lián)系，然后再通過(guò)單元之間的連接構(gòu)成整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)單元機(jī)組而言，其工作流程主要是首先讓煤粉和經(jīng)過(guò)預(yù)熱的空氣通過(guò)燃燒器，然后讓煤粉和空氣在鍋爐的爐膛內(nèi)進(jìn)行混合燃燒，再加入水使得水變成蒸汽從而形成汽水混合物，然后再讓汽水混合物回到汽包，使得汽和水相互分離，蒸汽進(jìn)入主蒸汽管道后帶動(dòng)汽輪機(jī)做功進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)形成電能，同時(shí)做功后的低壓低溫蒸汽又可以回到爐膛進(jìn)行下一輪的循環(huán)。從單元機(jī)組的工作流程可以發(fā)現(xiàn)在鍋爐內(nèi)部有著許多的換熱器，但是汽輪機(jī)又與鍋爐有著較大的區(qū)別，其結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)不如鍋爐復(fù)雜，而且反應(yīng)也較為迅速，所以說(shuō)在進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換時(shí)，必須要兼顧二者的差異，才能夠充分的發(fā)揮其作用。而要使得鍋爐與汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)更好的協(xié)調(diào)，則需要參考主蒸汽壓力，以主蒸汽壓力為指標(biāo)來(lái)衡量鍋爐和汽輪機(jī)的供求平衡及運(yùn)行狀態(tài)，所以說(shuō)主蒸汽壓力對(duì)于機(jī)組的正常運(yùn)行有著非常重要的意義，它是一個(gè)非常重要的監(jiān)測(cè)參數(shù)，通過(guò)主蒸汽壓力可以有效的反應(yīng)出機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，但是要對(duì)主蒸汽壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)并不是一件簡(jiǎn)單的事。

主蒸汽壓力一般都與所給定的值存在著一定的偏差，而要有效的對(duì)該偏差進(jìn)行調(diào)節(jié)，則主要可以采取以下兩種策略：第一是基于主蒸汽壓力與給定值偏差的單回路調(diào)節(jié)策略；第二是基于主蒸汽壓力與給定值偏差以及中間導(dǎo)前信號(hào)的雙回路調(diào)節(jié)策略。兩種調(diào)節(jié)策略都有著各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，一般而言單回路調(diào)節(jié)策略的控制系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，而且其參數(shù)也較少，所以較為方便，但是其響應(yīng)的速度往往較慢，而且其抗干擾的能力也較差。但雙回路調(diào)節(jié)策略的抗干擾能力就較強(qiáng)，而且其控制的響應(yīng)速度也較快，但它的缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且其內(nèi)外兩個(gè)回路參數(shù)的整定也不方便。當(dāng)前在火電廠中應(yīng)用的較為廣泛的新型調(diào)節(jié)策略主要有以爐膛輻射信號(hào)為中間被調(diào)量的串級(jí)模糊調(diào)節(jié)策略和LQ次優(yōu)調(diào)節(jié)策略，以爐膛輻射信號(hào)為中間被調(diào)量的串級(jí)模糊調(diào)節(jié)策略可以有效的克服爐膛燃燒率的擾動(dòng)，進(jìn)而保證主蒸汽壓力保持在一定的范圍之內(nèi)。而LQ次優(yōu)調(diào)節(jié)策略則主要調(diào)節(jié)了主蒸汽壓力含有純遲延環(huán)節(jié)的特性。

4.3主蒸汽溫度的先進(jìn)控制策略

所謂的主蒸汽溫度，是指的火電廠中從汽包出來(lái)的蒸汽經(jīng)過(guò)了鍋爐煙道中的過(guò)熱器在過(guò)熱器出口所得到的蒸汽溫度，主蒸汽溫度同主蒸汽壓力一樣也是火電廠正常運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，主蒸汽溫度也必須要控制在合理的范圍之內(nèi)，而不能過(guò)高或者過(guò)低，因?yàn)橹髡羝麥囟葻o(wú)論是過(guò)高或者過(guò)低，都將影響發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。一般而言，主蒸汽溫度過(guò)高會(huì)使得相應(yīng)設(shè)備的金屬材料出現(xiàn)變形，從而導(dǎo)致破壞，而如果主蒸汽溫度過(guò)低，又將嚴(yán)重的影響生產(chǎn)效率。所以說(shuō)對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行控制是非常有必要的。

當(dāng)前在火電廠中，所采用的主蒸汽溫度控制策略主要有兩種，即主蒸汽溫度最優(yōu)反饋控制策略和主蒸汽溫度串級(jí)學(xué)習(xí)控制策略。所謂的主蒸汽溫度最優(yōu)反饋控制策略，其基本指標(biāo)就是保證溫度控制的經(jīng)濟(jì)性，然后再對(duì)狀態(tài)反饋矩陣進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，從而提出了主蒸汽溫度最優(yōu)反饋控制策略。通過(guò)主蒸汽溫度最優(yōu)反饋控制策略，既可以使得主蒸汽溫度得到快速而穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，又能夠大大的節(jié)約減溫水量，從而有效地使得經(jīng)濟(jì)性得到保障。但是主蒸汽溫度最優(yōu)反饋控制策略所需要的狀態(tài)并不能夠直接的進(jìn)行測(cè)量，所以說(shuō)其測(cè)量往往較為復(fù)雜，而且它對(duì)于增益往往也較為敏感，所以在實(shí)際的運(yùn)用之中還需要進(jìn)一步的與其它方式相結(jié)合，從而進(jìn)行有效的改進(jìn)。主蒸汽溫度串級(jí)學(xué)習(xí)控制策略主要的優(yōu)勢(shì)是其不依賴于控制對(duì)象模型，它只需要通過(guò)樣本學(xué)習(xí)就可以得出相應(yīng)的控制量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)主蒸汽溫度的有效控制。這兩種控制策略都有著各自的優(yōu)勢(shì)，也都有著各自的缺點(diǎn)，所以說(shuō)要合理的對(duì)其進(jìn)行運(yùn)用，才能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)主蒸汽溫度的調(diào)節(jié)。

5　結(jié)語(yǔ)

從以上內(nèi)容的分析和探討結(jié)果來(lái)看，自動(dòng)控制理論在如今工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用。尤其是在火電廠的實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)當(dāng)中，智能控制理論發(fā)揮了巨大的理論指導(dǎo)優(yōu)勢(shì)。在火電廠的自動(dòng)化控制對(duì)象中，比較難以處理的數(shù)據(jù)便是主蒸汽壓力，這是鍋爐、汽輪機(jī)等設(shè)備運(yùn)作是否穩(wěn)定的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)慣性較大，難以掌控。本文針對(duì)這類參數(shù)的應(yīng)對(duì)也進(jìn)行了相應(yīng)的探討，以供參考。作為當(dāng)前火電廠，乃至整個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域的重要應(yīng)用理論工具，自動(dòng)控制理論的發(fā)展和研究還應(yīng)當(dāng)再接再厲，繼續(xù)發(fā)揚(yáng)。

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