基于SIS平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)

王鋒，潘夢(mèng)鷂，陳少偉

(廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510510)

0 引言

控制回路性能評(píng)價(jià)軟件已在國(guó)外的化工及造紙行業(yè)獲得了良好的運(yùn)用，但此類(lèi)應(yīng)用軟件在國(guó)內(nèi)尚缺少成熟的運(yùn)用。將控制回路性能評(píng)價(jià)的體系擴(kuò)展到熱工控制領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)適用于實(shí)際火電機(jī)組的控制性能評(píng)價(jià)軟件，對(duì)火電機(jī)組的優(yōu)化、管理和維護(hù)具有非常重要的意義。

一個(gè)典型的火電機(jī)組控制系統(tǒng)包括大量控制回路，維持這些回路在最佳的狀態(tài)運(yùn)行，可以極大地提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。在生產(chǎn)自動(dòng)控制回路初次投入實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，熱控工程師會(huì)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行整定，直到控制性能滿(mǎn)足用戶(hù)要求為止。事實(shí)上，在控制回路長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中，設(shè)備性能、工藝環(huán)境及操作習(xí)慣等都會(huì)發(fā)生變化。如果控制回路沒(méi)有隨著這些變化進(jìn)行維護(hù)，其控制性能肯定會(huì)受到影響，甚至無(wú)法達(dá)到用戶(hù)的基本要求?？刂苹芈沸阅茉u(píng)估是保持工業(yè)過(guò)程中控制回路高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)[1]。

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，火電廠(chǎng)廠(chǎng)級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(supervisory information system)也得到了廣泛的應(yīng)用[2]。本文介紹的基于SIS平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)控制回路的相關(guān)信息進(jìn)行分析計(jì)算，可以實(shí)時(shí)、有效地監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)控制回路的性能，判斷當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行是否良好、是否需要采取一定優(yōu)化措施并給出診斷分析和調(diào)整建議，從而改善回路的控制性能、提高機(jī)組安全運(yùn)行性能及機(jī)組發(fā)電能力。

1 自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)項(xiàng)目概況

本文介紹了基于某電廠(chǎng)2×300 MW燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組的SIS平臺(tái)的自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)。該SIS系統(tǒng)為印步公司旗艦產(chǎn)品eDOS。自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)對(duì)2臺(tái)機(jī)組關(guān)鍵調(diào)節(jié)回路(每臺(tái)機(jī)組約40個(gè))的控制品質(zhì)進(jìn)行了在線(xiàn)評(píng)估，并實(shí)現(xiàn)了相關(guān)數(shù)據(jù)的報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。

2 評(píng)估系統(tǒng)的軟、硬件要求

自動(dòng)調(diào)節(jié)回路在線(xiàn)評(píng)估系統(tǒng)采用專(zhuān)用的數(shù)據(jù)采集接口，從當(dāng)前運(yùn)行的SIS系統(tǒng)中采集實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)包括控制回路的過(guò)程量(PV)、設(shè)定值(SP)、控制器輸出(CO)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)反饋(FB)、控制器手/自動(dòng)切換信號(hào)(A/M)等。采集周期不大于2 S，其最低硬件環(huán)境要求如表1所示、最低軟件環(huán)境要求如表2所示。

表1 安裝系統(tǒng)的最低硬件環(huán)境

表2 安裝系統(tǒng)的最低軟件環(huán)境

開(kāi)始時(shí)間截止時(shí)間階躍開(kāi)始時(shí)刻階躍結(jié)束時(shí)刻階躍幅值/mm上升時(shí)間/s峰值時(shí)間/s2016-12-22 T 16:12:56 2016-12-22 T 16:40:372016-12-22 T 16:15:562016-12-22 T 16:16:1125114292調(diào)節(jié)時(shí)間/s超調(diào)量/%衰減率震蕩次數(shù)IAE指標(biāo)ITAE指標(biāo)記錄類(lèi)型52141114188.6771660474人工

圖2 #5低加水位調(diào)節(jié)回路確定性性能評(píng)估

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及系統(tǒng)主要功能

控制系統(tǒng)的性能一般包括確定性、隨機(jī)性和魯棒性三個(gè)方面。本文主要對(duì)給定調(diào)節(jié)回路進(jìn)行確定性和隨機(jī)性評(píng)估，并在對(duì)回路進(jìn)行模型辨識(shí)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)的魯棒性給出參數(shù)優(yōu)化建議。此外，系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能。

3.1 自動(dòng)調(diào)節(jié)回路確定性性能評(píng)估

3.1.1 確定性性能評(píng)估指標(biāo)

確定性性能主要是指判定控制器動(dòng)態(tài)性能品質(zhì)的時(shí)域和頻域指標(biāo)，是對(duì)傳統(tǒng)控制器性能品質(zhì)的基本要求。在對(duì)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析評(píng)估時(shí)，為了研究的方便，人們通常采用具有明顯躍變特性的信號(hào)(如階躍信號(hào))作為輸入信號(hào)，來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的控制品質(zhì)。單位階躍響應(yīng)h(t)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)定義如圖1所示[3]。

圖1 單位階躍響應(yīng)

延遲時(shí)間td指響應(yīng)曲線(xiàn)第一次達(dá)到其終值一半所需的時(shí)間；上升時(shí)間tr指響應(yīng)從終值10%上升到終值90%所需的時(shí)間，對(duì)于有振蕩的系統(tǒng)，亦可定義為響應(yīng)第一次從零上升到終值所需的時(shí)間；峰值時(shí)間tp指響應(yīng)超過(guò)其終值第一次達(dá)到第一個(gè)峰值所需的時(shí)間；調(diào)節(jié)時(shí)間ts指響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%(有時(shí)也有取±2%)內(nèi)所需的最短時(shí)間； 最大超調(diào)量Mp指響應(yīng)的最大偏離量h(tp)與終值h(∞)的差與終值h(∞)比的百分?jǐn)?shù)，即

×100% 。

(1)

誤差性能指標(biāo)選用IAE(絕對(duì)誤差積分)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，其計(jì)算方法為

，

(2)

其中，e(t)為輸出量與穩(wěn)態(tài)值的偏差。

3.1.2 確定性性能評(píng)估功能

基于上述確定性性能評(píng)估指標(biāo)，系統(tǒng)可以對(duì)參與評(píng)估的回路進(jìn)行SP階躍變化下的確定性評(píng)估，給出模擬量控制系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程中要求的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、衰減率、上升時(shí)間、峰值時(shí)間、震蕩次數(shù)及IAE、ITAE等指標(biāo)。以#1機(jī)組#5低加水位調(diào)節(jié)回路為例，在水位設(shè)定階躍幅值25 mm的擾動(dòng)下，回路確定性性能評(píng)估結(jié)果如圖2所示。

3.2 自動(dòng)調(diào)節(jié)回路隨機(jī)性性能評(píng)估

3.2.1 隨機(jī)性性能評(píng)估指標(biāo)

隨機(jī)性性能指標(biāo)是描述系統(tǒng)性能的一種統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，通常以“最小方差控制MVC”(minimum variance control)為基準(zhǔn)[4]。用實(shí)際控制系統(tǒng)的輸出方差與最小差控制系統(tǒng)的輸出方差進(jìn)行比較，可以得知系統(tǒng)現(xiàn)在的調(diào)節(jié)品質(zhì)與最優(yōu)情況的差，即系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)還有多少“潛在”的提高可能性。如果現(xiàn)有調(diào)節(jié)器的品質(zhì)與最小方差調(diào)節(jié)器的已經(jīng)相當(dāng)接近，那么對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行重新整定或重新設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器就沒(méi)有意義。

3.2.2 單回路控制系統(tǒng)最小方差的計(jì)算

一般情況下，火力發(fā)電機(jī)組控制回路的數(shù)學(xué)模型未知，回路的脈沖響應(yīng)未知。通常采用FCOR 算法，一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)過(guò)程可以用無(wú)窮階滑動(dòng)平均模型來(lái)表示，

yt= (f0+f1q-1+f2q-2…+fd-1q-(d-1)+

fdq-d+fd+1q-(d+1)+…)at

，(3)

式中：yt是閉環(huán)輸出量，fd是常系數(shù)，q-d是延遲時(shí)間項(xiàng)，at是白噪聲序列。

將式(3)兩邊分別乘以at，at-1，…，at-d+1并取數(shù)學(xué)期望，可得

(4)

(5)

(6)

……

(7)

將式(3)兩邊分別乘最小方差，取與輸出無(wú)關(guān)的最小方差項(xiàng)為

(8)

定義控制器性能評(píng)估指標(biāo)

(9)

η(d)的值在0 ～1范圍，在最終進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)η(d)的值，越接近1，說(shuō)明控制系統(tǒng)的性能越好。

3.2.3 隨機(jī)性性能評(píng)估功能

隨機(jī)性性能評(píng)估功能包括隨機(jī)性實(shí)時(shí)評(píng)估、隨機(jī)性日分析及隨機(jī)性月分析。隨機(jī)性實(shí)時(shí)評(píng)估基于“評(píng)估時(shí)刻”之后90分鐘內(nèi)的SP和PV數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。給出參與評(píng)估回路基于最小方差(MV)的隨機(jī)性指標(biāo)，并基于隨機(jī)性指標(biāo)給出回路的優(yōu)(MVC分?jǐn)?shù)大于0.8)、良(MVC分?jǐn)?shù)0.6～0.8)、中(MVC分?jǐn)?shù)0.4～0.6)、差(MVC分?jǐn)?shù)0.4以下)評(píng)級(jí)。

隨機(jī)性日分析給出了控制回路24小時(shí)內(nèi)，基于MV評(píng)估指標(biāo)的MVC分?jǐn)?shù)與負(fù)荷關(guān)系曲線(xiàn)。MVC分?jǐn)?shù)在0 ～1范圍，越接近1，說(shuō)明回路控制性能越好。圖3為#1機(jī)組#5低加水位調(diào)節(jié)回路的MVC分?jǐn)?shù)與負(fù)荷關(guān)系曲線(xiàn)，從曲線(xiàn)可以看出，回路在機(jī)組負(fù)荷230 MW左右時(shí)，控制性能較好(MVC分?jǐn)?shù)為0.6～0.8)，而在其他負(fù)荷段，回路控制性能較差(MVC分?jǐn)?shù)為0.3～0.4)，這就給控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化指明了方向?；诓煌?fù)荷段的MVC分值，我們可以考慮對(duì)控制回路進(jìn)行基于不同負(fù)荷段的變參數(shù)PID控制優(yōu)化。

圖3 MVC分?jǐn)?shù)與負(fù)荷關(guān)系曲線(xiàn)

與隨機(jī)性日分析類(lèi)似，隨機(jī)性月分析給出了控制回路一個(gè)月內(nèi)，基于MV評(píng)估指標(biāo)的MVC優(yōu)、良、中、差比例與機(jī)組負(fù)荷段的關(guān)系，可以進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)組負(fù)荷段與控制回路調(diào)節(jié)性能的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而指出控制回路的優(yōu)化空間。

3.3 在線(xiàn)模型辨識(shí)與參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 模型辨識(shí)與參數(shù)優(yōu)化原理

控制回路傳遞函數(shù)矩陣采用二階加純滯后模型為

，

(10)

式中：L為純滯后時(shí)間；b0，b1，a1，a2為常系數(shù)；s為拉氏變換復(fù)變量。

基于系統(tǒng)頻率響應(yīng)分析確定對(duì)象模型為

，

(11)

式中：ωL為系統(tǒng)頻率；j為虛數(shù)單位。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)辨識(shí)[5]，在控制回路閉環(huán)階躍響應(yīng)后，通過(guò)幅值和相位的關(guān)系，可進(jìn)一步得到最小二乘形式

?θ=Γ，

(12)

從而獲得參數(shù)模型：

(13)

特別地，當(dāng)a2=0，b1=0時(shí)，模型為一階模型。

在對(duì)控制回路進(jìn)行模型辨識(shí)的基礎(chǔ)上，把Gc(s)轉(zhuǎn)換為 PID 控制器的形式，可得 PID 控制器的參數(shù)。

，

(14)

式中，Kp、Ti、Td分別是比例、積分、微分系數(shù)。

3.3.2 模型辨識(shí)與參數(shù)優(yōu)化功能

在對(duì)控制回路進(jìn)行階躍擾動(dòng)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)能對(duì)控制回路進(jìn)行模型辨識(shí)，以#1機(jī)組#5低加水位調(diào)節(jié)回路為例，在階躍幅值20 mm的給定值擾動(dòng)下，系統(tǒng)對(duì)回路進(jìn)行模型辨識(shí)后的傳遞函數(shù)為

，

(15)

式中：Y(s)、U(s)分別為輸出量和輸入量的拉普拉斯變換。

在此基礎(chǔ)上，綜合系統(tǒng)的魯棒性，系統(tǒng)給出參數(shù)優(yōu)化的建議：比例系數(shù)Kp=-0.67，積分系數(shù)Ti=120，如圖4所示，優(yōu)化后的PV控制曲線(xiàn)明顯優(yōu)于原PV曲線(xiàn)。

圖4 模型辨識(shí)與參數(shù)優(yōu)化

3.4 系統(tǒng)的其他功能

3.4.1 AGC及一次調(diào)頻考核統(tǒng)計(jì)功能

系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)投運(yùn)情況進(jìn)行日統(tǒng)計(jì)和月統(tǒng)計(jì)。通過(guò)其投運(yùn)時(shí)間、投運(yùn)率等，對(duì)AGC考核情況進(jìn)行分析，給出考核時(shí)間段的負(fù)荷指令與機(jī)組實(shí)際負(fù)荷曲線(xiàn)以及負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、考核電量等指標(biāo)。系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作情況進(jìn)行日統(tǒng)計(jì)和月統(tǒng)計(jì)，給出一次調(diào)頻應(yīng)動(dòng)作次數(shù)、被考核次數(shù)、一次調(diào)頻合格率等，并對(duì)情況進(jìn)行分析，給出應(yīng)動(dòng)作時(shí)間段的初始頻率、最大頻率，目標(biāo)電量、實(shí)際電量等指標(biāo)，給出負(fù)荷調(diào)節(jié)速率、考核電量等指標(biāo)?；谏鲜鲋笜?biāo)，可以分析機(jī)組AGC及一次調(diào)頻被考核時(shí)段的指標(biāo)偏差及期間機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，并基于分析提出免考核申訴。

3.4.2 報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能

基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)能生成機(jī)組的AGC、一次調(diào)頻、自動(dòng)投入率、控制回路擾動(dòng)試驗(yàn)等相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)報(bào)表，方便存檔及分析。

4 結(jié)束語(yǔ)

控制回路性能評(píng)價(jià)體系可基于確定性指標(biāo)評(píng)價(jià)理論和隨機(jī)性指標(biāo)評(píng)價(jià)理論開(kāi)發(fā)適用于實(shí)際火電機(jī)組的控制性能評(píng)價(jià)軟件。評(píng)估系統(tǒng)投運(yùn)后，基于其統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及優(yōu)化建議，對(duì)機(jī)組部分調(diào)節(jié)回路(如高低加水位控制、磨煤機(jī)出口溫度控制、磨煤機(jī)一次風(fēng)量控制等)的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并取得了良好效果。本文主要介紹了單回路控制系統(tǒng)的在線(xiàn)評(píng)估及應(yīng)用，未來(lái)在此基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行多回路控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作。