基于改進(jìn)的廣義預(yù)測控制在火力發(fā)電鍋爐主汽溫中的應(yīng)用

王勝 章家?guī)r

摘要：針對火力發(fā)電鍋爐主蒸汽溫度控制對象具有時變、強(qiáng)耦合、非線性和擾動大等特點(diǎn)，將改進(jìn)的廣義預(yù)測控制應(yīng)用于其控制系統(tǒng)中.該方法不僅保留了廣義預(yù)測控制算法的基本特征和優(yōu)點(diǎn)，而且算法更簡單，不必進(jìn)行矩陣的大量計算，從而減小了在線計算量，確保了系統(tǒng)的快速性，并能夠?qū)⑤斎牒芎玫乜刂圃诩s束范圍之內(nèi)，最后通過仿真分析與工程應(yīng)用驗(yàn)證.改進(jìn)的廣義預(yù)測控制超調(diào)量小、調(diào)節(jié)時間短、抗干擾能力強(qiáng)，有效的提高了主蒸汽溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電;鍋爐;主蒸汽溫度;廣義預(yù)測控制

中圖分類號：TK323 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0049-05

主蒸汽溫度是鍋爐蒸汽控制過程中主要的控制參數(shù)之一，保證其優(yōu)良的控制效果對提高機(jī)組熱效率和安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)都具有重要的實(shí)際意義[1-3].如果主蒸汽溫度過高，主蒸汽管道、調(diào)速汽閥和汽缸等金屬部件的機(jī)械強(qiáng)度將會降低，從而威脅著機(jī)組的安全性;如果主蒸汽溫度過低，將會導(dǎo)致機(jī)組的熱效率降低[4-5].因此，必須嚴(yán)格控制主蒸汽溫度，使其維持在給定值附近，即溫度波動在設(shè)定值的±10℃左右.

目前，從安全運(yùn)行角度考慮，廣泛采用常規(guī)PID控制策略來進(jìn)行減溫.但是影響主汽溫因素很多，如減溫水流量、蒸汽流量等，且主汽溫對象動態(tài)特性隨運(yùn)行工況的變化而變化[6].因此，常規(guī)的PID控制難以取得優(yōu)良的控制效果.近些年來，國內(nèi)外針對鍋爐的主汽溫的研究越來越多.如預(yù)測控制[7]、模糊控制[8]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[9]等.文獻(xiàn)[7]采用于改進(jìn)的動態(tài)矩陣算法應(yīng)用于主蒸汽溫度控制系統(tǒng)，該策略改善了預(yù)測控制的動態(tài)性能，但是未驗(yàn)證模型失配的情況.文獻(xiàn)[8]將模糊控制和PID控制相結(jié)合，設(shè)計了模糊自整定PID控制器，它根據(jù)輸出的變化，不斷地調(diào)整PID參數(shù)，但本質(zhì)上還是變參數(shù)的PID控制，未能有效的克服主汽溫大慣性對控制系統(tǒng)造成的影響.文獻(xiàn)[9]針對熱電廠過熱蒸汽溫度這一重要的參數(shù)，在優(yōu)化控制器參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出了改進(jìn)的模型控制方案，但該方案只進(jìn)行了仿真研究，并未投入工程試驗(yàn).

為此，本文通過對火力發(fā)電鍋爐主汽溫控制系統(tǒng)的研究，提出了基于改進(jìn)的廣義預(yù)測控制策略，并通過仿真和工程應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，該策略提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對模型失配也適用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性.

1 主蒸汽溫度動態(tài)特性

主汽溫系統(tǒng)由汽包、一級過熱器、一級噴水減溫器、二級過熱器、二級噴水減溫器組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示[10].

從圖1可以看出主蒸汽溫度變化主要是由于蒸汽流量擾動、煙氣流速擾動和減溫水流量擾動引起的.當(dāng)D發(fā)生變化時，過熱器的對流放熱系數(shù)就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致了蒸汽溫度的改變.管道煙氣是借助過熱器的管壁進(jìn)行熱傳遞來加熱主蒸汽的，當(dāng)煙氣流速Q(mào)發(fā)生變化時，主蒸汽溫度也隨之發(fā)生變化.W變化是導(dǎo)致主蒸汽溫度變化的主要原因，當(dāng)下工廠廣泛采用調(diào)節(jié)減溫水流量來調(diào)節(jié)主蒸汽溫度，由于大型鍋爐的過熱器管路很長，故減溫水?dāng)_動時控制對象的延遲和慣性是比較大的[11].

根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，運(yùn)用最小二乘辨識法求得主蒸汽溫度在減溫水流量擾動下動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，通常是用包含純滯后的多階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)來表示.設(shè)主蒸汽溫度傳遞函數(shù)的多階慣性加純延遲的模型為：

2 改進(jìn)的廣義預(yù)測控制

廣義預(yù)測控制（GPC）是D.W.Clarke等人于1987年提出，具體包括預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正三個基本環(huán)節(jié)，反映出其具有良好的控制效果，在預(yù)測控制算法領(lǐng)域，它的針對性很強(qiáng).在絕大多數(shù)含有時滯現(xiàn)象的工業(yè)場所中有廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益顯著[12-15].

2.1 預(yù)測模型

火力發(fā)電鍋爐的主汽溫控制系統(tǒng)對象線性化的CARIMA模型可以表示為：

2.2 滾動優(yōu)化

其中N為預(yù)測長度，M為控制長度，？姿（j）控制加權(quán)系數(shù)，一般取常數(shù)，y（k+j）是主汽溫控制系統(tǒng)的輸出，？棕（k+j）則是參考軌跡.

2.3 輸出預(yù)測

為了預(yù)測第j步的輸出，一般采用遞推算法求解Diophantine方程，具體可參考文獻(xiàn)[15].其第j步的主汽溫預(yù)測輸出可以表示為：

由上述分析可知，傳統(tǒng)的廣義預(yù)測控制需要進(jìn)行矩陣求逆運(yùn)算，計算量很大，不適合要求快速響應(yīng)的實(shí)時控制系統(tǒng).因此，本文采用的是階梯式廣義預(yù)測控制算法，通過給未來控制量施加階梯式控制的約束，從而避免了復(fù)雜的矩陣的運(yùn)算，運(yùn)算過程簡單，響應(yīng)快速，同時也提高了算法的穩(wěn)定性和抗干擾能力，可以很好地滿足控制系統(tǒng)實(shí)時性的要求.

3 仿真分析

為了驗(yàn)證本文提出的方法的控制效果，采用matlab軟件進(jìn)行仿真.仿真時采用如下不同負(fù)荷的傳遞函數(shù)[16]，即50%負(fù)荷下的傳遞函數(shù)為·e-183s;100%負(fù)荷下的傳遞函數(shù)為·e-65s.按照式子（2）和（3）將其轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的差分方程并在Simulink環(huán)境下建立火力發(fā)電鍋爐主蒸汽溫度控制系統(tǒng)模型.根據(jù)此模型分別采用廣義預(yù)測控制和本文提出的階梯式廣義預(yù)測控制策略兩種方法進(jìn)行仿真比較，所選取的參數(shù)如下：采樣周期T=1s，預(yù)測長度N=400;控制長度M=4.從圖2可以看出，在50%負(fù)荷工況下，未加入干擾時階梯式廣義預(yù)測基本無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為140s，廣義預(yù)測控制超調(diào)量為9.4%，調(diào)節(jié)時間為500s;當(dāng)在1000s時加入10%的干擾時，采用階梯式廣義預(yù)測控制主汽溫控制系統(tǒng)的超調(diào)量為5.21%，調(diào)節(jié)時間為281.66s.而采用廣義預(yù)測控制時主汽溫控制系統(tǒng)的超調(diào)量為12.96%，調(diào)節(jié)時間為583.3s.從圖3可以看出在100%負(fù)荷工況下，未加入干擾時階梯式廣義預(yù)測控制基本無超調(diào)，調(diào)節(jié)時間為187.5s，而廣義預(yù)測控制超調(diào)為13.1%，調(diào)節(jié)時間為625s;當(dāng)在1000s加入干擾時，階梯式廣義預(yù)測控制超調(diào)為4.9%，調(diào)節(jié)時間為312s，而廣義預(yù)測控制超調(diào)量為14.2%，調(diào)節(jié)時間為562.5s.可見本文提出的階梯式廣義預(yù)測控制具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，具體的仿真圖如下所示.

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，主蒸汽溫度控制系統(tǒng)容易受到外界的干擾，從而處于失配狀態(tài).本文分別將50%負(fù)荷和100%負(fù)荷傳遞函數(shù)K、T、？子同時增加30%，驗(yàn)證在模型失配情況下，本文提出的控制策略的有效性.從圖4可以看出，在50%負(fù)荷工況下，采用階梯式廣義預(yù)測控制策略在未加入干擾時，其超調(diào)量為2.8%，調(diào)節(jié)時間為69.76s;當(dāng)在1000s加入10%干擾以后，其超調(diào)量為5.9%，調(diào)節(jié)時間為244.18s.而在采用廣義預(yù)測控制策略未加入干擾時超調(diào)量為25.5%，調(diào)節(jié)時間為906.9s，當(dāng)在1000s加入10%干擾時超調(diào)量為17.2%，調(diào)節(jié)時間為697.6s.由圖5可知，在100%負(fù)荷工況下，采用階梯式廣義預(yù)測控制時其超調(diào)量為4.5%，調(diào)節(jié)時間為94.59s;當(dāng)在1000s加入10%的干擾時，其超調(diào)量為5.8%，調(diào)節(jié)時間為324.32s.而采用廣義預(yù)測控制未加入干擾時其超調(diào)量為27.57%，調(diào)節(jié)時間為750s;加入干擾時其超調(diào)量為20.37%，調(diào)節(jié)時間為561.22s.從以上分析可知，本文提出的階梯式廣義預(yù)測控制策略可以很好的解決模型失配問題，具體的仿真圖如下所示.

4 工程應(yīng)用

本文以某鋼鐵發(fā)電廠3車間150t發(fā)電鍋爐為實(shí)踐對象，其控制系統(tǒng)為浙大中控DCS系統(tǒng)，額定發(fā)電功率為42MW.本項(xiàng)目設(shè)計的自動燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)，從電廠原有的DCS集散系統(tǒng)中用OPC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與發(fā)送，對原有控制系統(tǒng)的控制閥門、傳感器、數(shù)字或模擬儀表等硬件不需要做任何調(diào)整.只是在原來的監(jiān)控組態(tài)畫面中添加若干項(xiàng)優(yōu)化后的組態(tài)設(shè)置，并在兩套系統(tǒng)內(nèi)都設(shè)置一鍵切換功能，使原有系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)之間可自由切換，在優(yōu)化系統(tǒng)上設(shè)計雙機(jī)無擾單回路切換，使得當(dāng)優(yōu)化系統(tǒng)發(fā)生故障時可自動無擾切換回原DCS系統(tǒng)，在系統(tǒng)切出時保證原控制系統(tǒng)能正常運(yùn)行，不受影響.燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示.

燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)使用Kepware OPC軟件與原DCS系統(tǒng)進(jìn)行通信，通過Kingview軟件設(shè)計組態(tài)畫面.圖7為階梯式廣義預(yù)測控制主蒸汽溫度曲線，圖8為廣義預(yù)測控制主蒸汽溫度曲線.主蒸汽溫度設(shè)定的平衡點(diǎn)為480℃，兩個圖監(jiān)控的時間跨度均為1個小時.比較圖7和圖8可知，將本文設(shè)計的優(yōu)化算法運(yùn)用到鍋爐主蒸汽溫度控制中時，主蒸汽溫度曲線的波動大大減小，穩(wěn)定性顯著提升，并且在下午三點(diǎn)加入50%的干擾，可以看出主汽溫波動很小，超調(diào)不超過±5℃，并且迅速恢復(fù)到平穩(wěn)狀態(tài).由圖8可以看出，當(dāng)采用廣義預(yù)測控制算法時，加入干擾時，主汽溫能恢復(fù)到平穩(wěn)位置的時間緩慢，且波動很大.因此，本文提出的階梯式廣義預(yù)測控制策略相對于傳統(tǒng)的廣義預(yù)測控制能更加快速的調(diào)節(jié)主汽溫，具有良好的控制品質(zhì).

5 結(jié)論

針對鍋爐主蒸汽的溫度控制具有非線性、大滯后等問題，本文提出了改進(jìn)的廣義預(yù)測控制策略，該策略克服了傳統(tǒng)廣義預(yù)測控制運(yùn)算復(fù)雜的問題.再通過仿真分析和工程實(shí)際應(yīng)用，該方法針對模型的參數(shù)變化及系統(tǒng)的純滯后問題進(jìn)行了改善，使得系統(tǒng)抗干擾能力增強(qiáng)，最終的控制效果令人滿意.

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