電廠自動化系統(tǒng)中的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模及其控制優(yōu)化

孫曉東

（內(nèi)蒙古大板發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025150）

自動化技術(shù)在電廠中的合理利用，不僅有利于電廠經(jīng)濟(jì)效益的提升，還能夠?yàn)殡姀S的安全管理提供有效保障。在電廠自動化系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中，單元機(jī)組具有非常重要的影響和作用，其本身具有非線性和大慣性等特征。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在構(gòu)建和具體應(yīng)用過程中的根本目的是為了保證鍋爐和汽輪機(jī)在運(yùn)行過程中的協(xié)調(diào)性，有利于機(jī)組盡可能快速、有效地適應(yīng)整個電網(wǎng)負(fù)荷在變化時的形勢。

電廠在實(shí)際運(yùn)行過程中，不僅要滿足現(xiàn)代人對電能的個性化需求，還要保證整個供電過程的安全性和穩(wěn)定性，從而有效提升電廠的經(jīng)濟(jì)效益[1]。自動化系統(tǒng)在電廠的整體應(yīng)用過程中，不僅從根本上提高工作效率，還能夠節(jié)約電廠在經(jīng)營發(fā)展過程中投入的成本。圖1 是單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。由此可以看出，電廠自動化系統(tǒng)的構(gòu)建和在實(shí)踐中的合理利用，不僅能夠從根本上緩解電廠在運(yùn)行過程中的壓力，還能夠?qū)崿F(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)效益的有效提升。

圖1 單元機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 電廠自動化系統(tǒng)中單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模分析

1.1 機(jī)理/實(shí)驗(yàn)建模方法及相關(guān)模型的構(gòu)建

機(jī)理建模是一種非常重要的建模方法。這種方法主要是將基本的物理定律作為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)內(nèi)部工作的整個過程機(jī)理作為出發(fā)點(diǎn)。在這一基礎(chǔ)上，與實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)建符合實(shí)際要求的數(shù)學(xué)模型，從而能夠有效保證系統(tǒng)的建模效果。機(jī)組的中間點(diǎn)焓值H、輸出功率N和主汽壓力PT為輸出量；給水流量W、燃料量B和主汽門調(diào)節(jié)閥開度μ為輸入量。此3輸入、3輸出數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 3輸入3輸出數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)

傳遞函數(shù)模型如下：

通過這種方式構(gòu)建出的模型，能夠最大限度將物理意義充分展示[2]。而這種建模方法在具體應(yīng)用過程中，對系統(tǒng)自身的工作機(jī)理有一定的要求：

1）燃料量與送風(fēng)量保持一定的比例關(guān)系；

2）送風(fēng)與引風(fēng)之間保持平衡；

3）保持一定的水煤比。

該實(shí)驗(yàn)建模方法主要是以整個單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)以及在實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行更加深入的總結(jié)和分析，最終計算出控制對象的數(shù)學(xué)模型。

1.2 智能建模方法以及相關(guān)模型

首先，模糊建模方法主要是通過已經(jīng)輸入或者輸出的測量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對模型的構(gòu)建和利用[3-4]。在具體操作過程中，將實(shí)際值對比給定值得到偏差，模糊化后得到模糊語言集合e。由模糊規(guī)則對e和模糊控制規(guī)則R進(jìn)行模糊決策，得出模糊控制量U。以一個2 輸入3 輸出的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制器為例，輸入為偏差與偏差變化率，利用模糊規(guī)則對PID 參數(shù)及進(jìn)行在線調(diào)整。以修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出，以應(yīng)對PID 參數(shù)在偏差和偏差變化率發(fā)生實(shí)時改變的情況下達(dá)到實(shí)時參數(shù)整定的需求，從而實(shí)現(xiàn)對包裝計量的實(shí)時控制。其中，設(shè)定e=[-6-4-2 0 2 4 6]，模糊子集為[NB NM NS ZO PS PM PB]。在選擇隸屬度函數(shù)時，由于三角形隸屬度函數(shù)較為簡單且方便運(yùn)算，因此采用三角形隸屬度函數(shù)，如圖3所示。

圖3 隸屬度函數(shù)

基于PID 參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)實(shí)際計量系統(tǒng)中的實(shí)際變化規(guī)律，可以得出模糊PID 控制器的3 個參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd的控制規(guī)則，如表1所示。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd的模糊控制規(guī)則表

一般在這種背景下，會建設(shè)1 000 MW 的超臨界協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，這樣有利于實(shí)現(xiàn)對T-S 模型的改進(jìn)和優(yōu)化。在這一基礎(chǔ)上，會造成與超臨界機(jī)組參數(shù)相互之間的耦合聯(lián)系，在模型當(dāng)中適當(dāng)增加相對應(yīng)的輸入量和輸出量，如圖4所示。

圖4 超臨界協(xié)調(diào)控制機(jī)組模型

1.3 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制系統(tǒng)

模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不易受其他因素的影響，可以很好地適應(yīng)系統(tǒng)的時變性和非線性，且在面對環(huán)境變化時有著較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)能力，而通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器可以把模糊理論表達(dá)知識的能力和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自主學(xué)習(xí)能力相結(jié)合，以此來提高系統(tǒng)整體的控制能力，達(dá)到優(yōu)化控制系統(tǒng)的目的。目前，BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用十分廣泛，且采用誤差反向傳播學(xué)習(xí)算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多數(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)的辨識和自適應(yīng)控制等領(lǐng)域。本試驗(yàn)所采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)

在BP神經(jīng)中，第1層為2個輸入，即e和ec；第2層為7 個神經(jīng)元，分別對應(yīng)輸入的7 個模糊子集NB、NM、NS、ZO、PS、PM 和PB；第3 層隱含層的神經(jīng)元為49個對應(yīng)模糊PID 控制器的49條規(guī)則；第4層隱含層的神經(jīng)元個數(shù)為7，對應(yīng)輸出為相同個數(shù)的模糊子集。輸出層分別是Kp、Ki、Kd。

在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)輸入層的輸入為

網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入，輸出為

式中，Wij為隱含層加權(quán)系數(shù)：為網(wǎng)絡(luò)第1 層輸入；(k)為隱含層第 2 層輸入；(k)為隱含層第2 層輸出；f 為隱含層輸出函數(shù)；M 為輸入節(jié)點(diǎn)數(shù)。

隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)為

式中，f（x）為激活函數(shù)；x為輸入值。

網(wǎng)絡(luò)輸出層的輸入，輸出為

式中，(k)為輸出層輸入為輸出層權(quán)系數(shù)；(k)為輸出層前一層的輸出；Q為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)(k)為輸出層輸出；l為 3 個輸出；g為輸出函數(shù)；(K)/(K)/(K)為輸出層輸出；kp、ki、kd為PID的3個可調(diào)參數(shù)。

由于Kp、Ki、Kd不能為負(fù)值，故輸出層取正的sigmoid函數(shù)，即

式中，x為輸入值。

性能指標(biāo)函數(shù)為

式中，E(k)為輸出層性能指標(biāo)函數(shù)；rin(k)-yout(k)為計算時刻誤差；rin(k)為給定值；yout(k)為實(shí)際輸出值。

修正權(quán)系數(shù)時運(yùn)用梯度下降法，附加一個慣性項(xiàng)，即

式中，(k+ 1)為附加搜索快速收斂全局極小的慣性項(xiàng)；E(k)為輸出層性能指標(biāo)函數(shù)；為輸出層的權(quán)系數(shù)；η為學(xué)習(xí)速率；a為慣性系數(shù)。

經(jīng)BP 網(wǎng)絡(luò)對模糊規(guī)則表的訓(xùn)練，得出輸入到輸出之間的非線性關(guān)系，從而獲得網(wǎng)絡(luò)各層神經(jīng)元的連接權(quán)值和閾值，并確定輸入與輸出間的非線性函數(shù)，利用這種映射關(guān)系可以得出動態(tài)稱量系統(tǒng)在任意e 和ec改變的情況下的Kp,Ki,Kd的修正值，實(shí)現(xiàn)實(shí)時在線控制。

2 電廠自動系統(tǒng)中單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制優(yōu)化措施

2.1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用措施

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通過對單元機(jī)組運(yùn)行機(jī)理的深入分析和研究，提出一種具有綜合性特征的控制措施，在現(xiàn)階段的電廠自動化系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[5-9]，具體的控制策略如圖6所示。

圖6 協(xié)調(diào)控制策略

2.2 直接能量平衡在單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模中的應(yīng)用

直接能量平衡在應(yīng)用時，根本目的就是無論在任何一種工作狀態(tài)下，盡可能保證鍋爐能量的輸入與汽輪機(jī)能量需求的平衡。針對單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建和具體應(yīng)用時，直接能量平衡是其中非常重要的一部分[10-11]。

直接能量平衡主要是將汽輪機(jī)能量的需求信號作為基礎(chǔ)，直接實(shí)現(xiàn)對鍋爐輸入能量的有效控制。與此同時，機(jī)組對外界產(chǎn)生的負(fù)荷具有良好的反響。汽輪機(jī)組的科學(xué)利用不僅可以看作是能量需求的基礎(chǔ)信號，還可以直接將其作為能量平衡信號，這樣不僅能夠從根本上對鍋爐的輸入能量進(jìn)行有效控制，還能夠最大限度保證能量供需相互之間的平衡性。

3 結(jié) 語

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是電廠自動化系統(tǒng)在運(yùn)行過程中非常重要的一部分。所以不僅要保證單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性和有效性，而且還要提出一系列的控制優(yōu)化措施，為該系統(tǒng)的應(yīng)用效果提供保障。在保證工作效率得到有效提升的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)效益的最大化。