火電廠過熱汽溫的優(yōu)化控制算法研究

苗榮霞,馬路遙,蔡奇志,楊 靖

(西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安 710000)

0 引言

在火力發(fā)電機組中鍋爐過熱蒸汽溫度對安全經(jīng)濟體制起著至關(guān)重要的作用，是檢驗火電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制精度和系統(tǒng)運行性能的首要評判指標(biāo)，對過熱蒸汽溫度控制品質(zhì)的好壞直接影響到整個火電機組運行的平穩(wěn)性、安全性與經(jīng)濟性?；痣姍C組的平穩(wěn)、安全、高效的運行對火電廠來說具有重大意義。爐內(nèi)的過熱蒸汽過高就會造成部分爐內(nèi)輸送管道和爐內(nèi)設(shè)備器件的形變，很容易造成機組運行的安全隱患；而爐內(nèi)的過熱蒸汽溫度過低，則會大大降低火電機組的運行效率。因此在任何條件下爐內(nèi)的過熱蒸汽溫度都應(yīng)該在其規(guī)定的范圍之內(nèi)。大型火電廠火電機組過熱蒸汽溫度在干擾情況下動態(tài)誤差要求控制在擬定值±5%，無干擾情況下靜態(tài)誤差要求控制在擬定值±1%或±1.5%以內(nèi)。鑒于傳統(tǒng)PID控制算法在控制被控對象時需要準(zhǔn)確的函數(shù)模型，而過熱蒸汽溫度及其擾動的數(shù)學(xué)模型具有非線性、強時變性，采用傳統(tǒng)PID控制算法已經(jīng)難以實現(xiàn)鍋爐過熱蒸汽溫度的控制精度，因此研究火電廠鍋爐過熱蒸汽溫度控制具有至關(guān)重要作用。

目前，針對過熱汽溫控制問題研究人員進行了大量研究[1]，文獻[2]提出了DMC控制過熱蒸汽溫度的控制策略，該策略利用DMC能直接處理帶有純滯后對象和對大慣性有較強適應(yīng)能力的特性，實現(xiàn)了DMC對過熱蒸汽溫度控制的優(yōu)化仿真。但此控制方法在系統(tǒng)具有模型誤差和消除擾動兩種狀況下，系統(tǒng)誤差校正的選擇是抵觸的，難以實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力并存。文獻[3]利用模糊算法不依靠被控對象數(shù)學(xué)模型的控制特性，使模糊算法和串級PID控制算法結(jié)合使用，提出了模糊串級PID控制算法。但是模糊控制算法當(dāng)中的規(guī)則以及隸屬度函數(shù)均由長時間累積的經(jīng)驗形成和制定，受經(jīng)驗影響模糊控制算法實行起來結(jié)果也會錯綜復(fù)雜，不易歸納總結(jié)。文獻[4]提出采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化串級PID的控制算法，這種方法采用最近鄰聚類法和梯度下降法聯(lián)合的混合學(xué)習(xí)算法構(gòu)造RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對溫度模型的識別以及對串級PID控制輸出參數(shù)的修正，但是此算法缺陷在于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建立需要大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的提供，并不容易實現(xiàn)。文獻[5]針對常規(guī)PID控制調(diào)節(jié)效果動態(tài)性能差的問題，提出基于一階加純滯后模型，將一種改進的內(nèi)模PID控制方案應(yīng)用于火電廠火熱蒸汽溫度的控制，此控制策略可以實現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)誤差的縮小和抗擾動能力，對具有大延遲、慣性強的被控對象能夠?qū)崿F(xiàn)有效控制，但對于具有非線性和強時變性的被控對象控制效果較弱。

本文針對火電廠過熱蒸汽溫度控制，提出針對火電廠過熱蒸汽溫度控制的基于DMC的改進串級PID控制算法，通過仿真比較驗證了本控制策略的控制能力。

1 DMC優(yōu)化串級PID控制系統(tǒng)設(shè)計

以SMPT-1000系統(tǒng)鍋爐單元的反應(yīng)器中過熱蒸汽溫度為主控制器的被控制對象[6]，而物料入口流量為輔控制器的被控對象。反應(yīng)器過熱蒸汽溫度與物料入口流量的PID串級控制算法，在PCS7中AS站實現(xiàn)基本控制回路。本系統(tǒng)利用PCS7 SIMATK：Manager進行工藝過程的工程師站的組態(tài)、操作員的組態(tài)以及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)，并用模塊化的編程工具CFC，編寫SMPT-1000系統(tǒng)中物料入口流量與反應(yīng)器壓強的串級PID控制回路以及其余變量的簡單控制回路，利用SFC編寫工藝流程的開車順序，并編譯所有程序，進行系統(tǒng)硬件組態(tài)與軟件組態(tài)的下載，完成系統(tǒng)所有控制程序的調(diào)試。SMPT-1000物料入口流量信號通過S7-400PLC采集與上位機進行Profinet通訊。在MATLAB中實現(xiàn)DMC算法框架的搭建，采用OPC通訊協(xié)議，將OS站作為OPC服務(wù)器，Matlab作為OPC客戶端，實現(xiàn)Matlab與OS站的數(shù)據(jù)交換。通過Profibus通訊，實現(xiàn)OS站與AS站中反應(yīng)器入口流量與溫度串級PID控制的數(shù)據(jù)交互，最終實現(xiàn)對過熱蒸汽溫度的優(yōu)化控制，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計圖

2 預(yù)測算法結(jié)構(gòu)

目前動態(tài)矩陣(DMC)控制算法是應(yīng)用最為廣泛，且基于被控對象開環(huán)階躍響應(yīng)模型的一種預(yù)測控制算法，在控制中包含了數(shù)字積分環(huán)節(jié)，對消除系統(tǒng)靜差非常有效，其模型搭建簡易，且對被控對象模型采用實時的反饋滾動校正，提高了動態(tài)矩陣控制算法在控制系統(tǒng)任何情況下使被控對象模型與之匹配的能力和抗擾動能力。而采用滾動優(yōu)化的運算方法，主要應(yīng)對于具有大滯后、強耦合、強時變性等很難建立出精準(zhǔn)被控對象的數(shù)學(xué)模型。

動態(tài)矩陣(DMC)利用系統(tǒng)信息，建立基于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的簡易模型，沒有模型結(jié)構(gòu)上的限制，但有很強的功能性，這樣不但免去了對復(fù)雜模型的識別過程，還易于在控制器中實現(xiàn)。同一條件下，在測取系統(tǒng)階躍響應(yīng)系數(shù)時，可以對多次測量的結(jié)果進行均值分析，并得到準(zhǔn)確的預(yù)測模型。隨后采用閉環(huán)算法，通過滾動優(yōu)化確定系統(tǒng)的控制系數(shù)，減小模型誤差以及其在實際過程中存在的其他不確定因素的影響，使系統(tǒng)緊密的跟隨設(shè)置的期望值。

預(yù)測算法結(jié)構(gòu)中反應(yīng)器溫度模型的預(yù)測、對反應(yīng)器溫度實施控制的控制器和對參數(shù)修正的校正器是DMC的三大組成部分；反應(yīng)器溫度模型的預(yù)測通過采用單位階躍響應(yīng)模型預(yù)測過熱蒸汽溫度未來的輸出值；控制器包括滾動優(yōu)化，只取計算出的m個控制量中的第一個作用于蒸汽溫度，使控制系統(tǒng)輸出具有很高的動態(tài)特性；校正器包括誤差校正部分，采用當(dāng)前的蒸汽溫度實際輸出值x和蒸汽溫度預(yù)測的y比較得出的溫差e來修正未來其他時刻的溫度預(yù)測值。DMC算法控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 DMC算法控制結(jié)構(gòu)圖

1)模型預(yù)測：

給蒸汽溫度一個階躍信號后可得其階躍響應(yīng)，單位階躍響應(yīng)在采樣時刻的值是用動態(tài)系數(shù)a1,,ap來描述的，ap是足夠接近穩(wěn)態(tài)值的系數(shù)。

若在所有k-i(i=1,2,,k)時刻同時有輸入，則根據(jù)疊加原理有:

(1)

利用上式可以得到y(tǒng)(k+j)的n步預(yù)估(n

(j=1,2,,n)

(2)

由于只有過去的溫度控制輸入是已知的，因此在利用動態(tài)模型做預(yù)估時有必要把過去的輸入對未來的輸出貢獻分離出來，上式可以寫成:

(3)

上式右端前兩項為過去輸入對輸出的n步預(yù)估計，記為:

(j=1,2,,n)

(4)

將式(3)寫成矩陣的形式：

(5)

為增加系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和控制輸入的可實現(xiàn)性，以及減少計算量，可將Δu組成的向量減少為m維(m

(6)

記：

ΔU=[Δu(k),Δu(k+1),,Δu(k+m-1)]T；

Y0=[y0(k+1),y0(k+2),,y0(k+n)]T；

則式(3)可以寫成：

(7)

2)滾動優(yōu)化：

控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)數(shù)和系統(tǒng)的控制增量是模型預(yù)測的決定性因素，DMC控制算法的控制增量是通過使最優(yōu)化準(zhǔn)則的值為最小來確定的，能夠使系統(tǒng)在未來n個時刻的輸出值盡可能接近期望值，為簡單起見，取控制加權(quán)系數(shù)λ(j)=λ(常數(shù))。

若令：

W=[w(k+1),w(k+2),,w(k+n)]T

(8)

式中，w(k+j)稱為期望輸出序列值，在預(yù)測控制類算法中，要求閉環(huán)響應(yīng)沿著一條指定的、平滑的曲線到達新的穩(wěn)定值，以提高系統(tǒng)的魯棒性。

一般?。?/p>

w(k+j)=αjy(k)+(1-αj)yr(j=1,2,,n)

(9)

式中，α為柔化系數(shù)，0<α<1；y(k)為系統(tǒng)實測輸出值；yr為系統(tǒng)的給定值則最優(yōu)化準(zhǔn)則為：

J=λΔUTΔU+(Y-W)T(Y-W)

(10)

得到控制增量：

ΔU=(λI+ATA)-1AT(W-Y0)

(11)

式(11)與實際值無關(guān)，是DMC 算法的開環(huán)形式，偏差較大又不能抑制系統(tǒng)受到的擾動，故采用閉環(huán)控制算法，將計算出來的m個控制增量中的第一個值用于閉環(huán)控制，可以增加系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和控制輸入的可實現(xiàn)性，以及減少計算量，實際使用的控制增量為：

Δu(k)=cT(λI+ATA)-1AT(W-Y0)=dT(W-Y0)

(12)

式中，cT=[1,0,,0];dT=cT(λI+ATA)-1AT

3)溫差校正：

在k時刻實施控制作用后，在k+1時刻的實際輸出y(k+1)與預(yù)測的輸出：

(13)

不一定相等，這就需要構(gòu)成預(yù)測誤差：

(14)

并用此誤差加權(quán)后修正對未來其他時刻的預(yù)測即：

(15)

令：

(16)

由式(15)和(16)得下一時刻的預(yù)測初值為：

(17)

由于動態(tài)矩陣的控制模型具有卷積的性質(zhì)，使得DMC控制算法采樣周期大大增加，而且達不到常規(guī)PID控制算法采樣周期的百分之三十，所以在應(yīng)對工藝過程中一些干擾因素的突發(fā)影響，其使系統(tǒng)抗擾動方式卻沒有串級PID控制算法更為有效。因此，為了使系統(tǒng)抗擾動能力的提高，充分發(fā)揮DMC與串級PID控制算法各自優(yōu)勢，將串級控制結(jié)構(gòu)引入動態(tài)矩陣，在內(nèi)環(huán)采用的是串級PID控制算法，主要是抑制系統(tǒng)中由突發(fā)因素引起的強擾動，而外環(huán)采用動態(tài)矩陣控制算法，其良好的跟蹤性在被控對象模型適配時發(fā)揮更好的魯棒性。因此對于擁有大延遲、大慣性、非線性、強時變性的工業(yè)被控對象來說，采用DMC改進的串級PID控制效果更加顯著。

火電機組的反應(yīng)器內(nèi)部反應(yīng)復(fù)雜變量種類繁多，并且具有大滯后、強時變、強耦合的特性。而對于火電機組的反應(yīng)器而言，反應(yīng)器溫度控制指標(biāo)的要求非常嚴格，但是反應(yīng)器中的干擾因素較多，比如反應(yīng)器物料入口流量以及反映器內(nèi)壓強，都會對反應(yīng)器溫度產(chǎn)生極大影響，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)平衡，可以通過控制物料入口流量來控制反應(yīng)器壓強，進而控制反應(yīng)器溫度。因此，本文針對不同性質(zhì)的被控變量分別采用不同的控制策略。反應(yīng)器物料入口流量和反應(yīng)器壓強是無延遲和慣性的被控變量，因此采用串級PID控制策略可以完美的實現(xiàn)工藝控制要求。但是由于反應(yīng)器溫度具有大滯后、強時變、強耦合的特性，采用簡單的控制算法往往無法達到工藝的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此本文采用動態(tài)矩陣改進串級PID的串級控制結(jié)構(gòu)來控制反應(yīng)器中的過熱蒸汽溫度。DMC優(yōu)化串級PID控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示。

圖3 DMC優(yōu)化自適應(yīng)串級PID控制結(jié)構(gòu)圖

3 改進算法仿真研究

仿真測試平臺由OS站和Matlab仿真軟件共同搭建完成。啟動WINCC 時，系統(tǒng)會自動啟動內(nèi)部的OPCServer，完成以O(shè)PC技術(shù)為通信橋梁的數(shù)據(jù)通信,而Matlab可以通過OPC工具箱OPCtool與OPCServer建立連接、傳輸數(shù)據(jù)，進而實現(xiàn)Matlab與Wincc的數(shù)據(jù)通信。以O(shè)S站作為OPC服務(wù)器，Matlab作為OPC客戶端，兩者均采用OPC協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。仿真模型用圖4所示的OPC configure建立出Matlab客戶端與OS站服務(wù)器的連接，其中將從OS站中讀取到的實際參數(shù)添加在OPC Read中，把Matlab運算后的結(jié)果添加在OPC Write中。

圖4 Simulink模型的搭建

在火電機組工作過程中具有較為復(fù)雜的工藝流程，反應(yīng)罐是火電機組的重要組成部分，為了保證火電機組高效、綠色、減排地運行，需要對反應(yīng)罐中的變量進行合理把控。合理的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)罐物料入口流量的控制、反應(yīng)罐的壓強控制以及反應(yīng)罐的溫度控制，并確保各個變量之間相互協(xié)調(diào)，保障火電機組安全、平穩(wěn)地運行。但是火電機組中反應(yīng)罐的工藝過程相對復(fù)雜，工作過程中會出現(xiàn)高溫、高壓的情況，因此將實際機組裝置中的反應(yīng)罐移動到實驗室進行控制策略的研究非常困難。對此，本文采用SMPT-1000高級多功能過程與控制實訓(xùn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用工業(yè)級高精度動態(tài)仿真技術(shù)，為實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)控制策略提供有效平臺。

為驗證本文提出采用DMC改進串級PID控制算法的優(yōu)越性，通過Matlab進行仿真同時與常規(guī)PID控制與DMC-PID串級控制進行對比分析研究。以SMPT-1000中反應(yīng)器中大慣性、大時延、強時變的過熱蒸汽溫度被控對象為例，測試實驗控制三種不過熱蒸汽溫度模型，對被控對象模型進行優(yōu)化控制。針對三種過熱蒸汽溫度控制的模型，進行DMC改進串級PID的對比試驗，驗證本控制算法較常規(guī)PID和DMC-PID串級控制在被控對象發(fā)生改變時調(diào)節(jié)效果上的優(yōu)勢。

圖5 模型一

圖6 模型二

圖7 模型三及其二次擾動

穩(wěn)定性仿真分析使用Matlab軟件平臺對DMC改進的串級PID控制算法與DMC-PID及常規(guī)PID進行控制仿真驗證。通過以上仿真實驗對比可以看出在模型一和模型二下，采用DMC改進串級PID進行控制，通過性能指標(biāo)分析，結(jié)果較常規(guī)PID和DMC-PID串級控制相比，模型一中常規(guī)PID調(diào)節(jié)時間為417 s，DMC-PID串級調(diào)節(jié)時間為266 s而基于DMC改進的串級PID調(diào)節(jié)時間為200 s，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間分別為分辨縮短了52%和25%。模型二中常規(guī)PID調(diào)節(jié)時間為413 s，DMC-PID串級調(diào)節(jié)時間為311 s而基于DMC改進的串級PID調(diào)節(jié)時間為215 s，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間分別為分辨縮短了48%和31%。

抗擾動仿真分析使用MTALAB軟件平臺對DMC改進的串級PID控制算法與DMC-PID及常規(guī)PID進行控制仿真與干擾驗證。在模型三下，常規(guī)PID調(diào)節(jié)時間為331 s，DMC-PID串級調(diào)節(jié)時間為288 s，而基于DMC改進的串級PID調(diào)節(jié)時間為156 s，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間縮短了53%和46%，在600 s時給鍋爐水位控制系統(tǒng)施加設(shè)定值為10的單位階躍響應(yīng)，待水位穩(wěn)定在設(shè)定值后，仿真效果與DMC-PID和常規(guī)PID控制系統(tǒng)相比，在二次擾動之后調(diào)節(jié)時間分別縮短了37%和15%，能夠極大限度地消除超調(diào)量，使得被控對象的特性曲線更加穩(wěn)定，降低了曲線的波動性。DMC改進的串級PID算法系統(tǒng)在超調(diào)量和調(diào)整時間上均獲得了更好的控制效果，在過熱蒸汽溫度擾動發(fā)生時系統(tǒng)相應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時間短，使汽包液位穩(wěn)定在設(shè)定值范圍內(nèi)無誤差，對于鍋爐過熱蒸汽溫度與物料入口流量的擾動表現(xiàn)出較好的抑制能力。綜上所述，通過對比仿真實驗結(jié)果分析，通過采用DMC改進串級PID的控制算法，可以極大地縮短控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，消除穩(wěn)態(tài)誤差以及超調(diào)量，在很大程度上增強了系統(tǒng)的動態(tài)性能，并能夠合理控制被控對象的實時變化，尤其是在具有大延遲、大慣性、多擾動、強時變特性的被控對象上有著不可比擬的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

本文針對火電廠過熱蒸汽溫度的優(yōu)化控制算法進行研究，提出DMC改進串級PID控制算法。在串級PID控制過程中采用DMC優(yōu)化主控制器的輸入?yún)?shù)，通過滾動優(yōu)化實現(xiàn)任意時刻數(shù)值最優(yōu)化，解決了過熱蒸汽溫度變化多引起的一些擾動，所導(dǎo)致過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)無法達到滿意的效果，使得過熱蒸汽溫度的控制過程更加平穩(wěn)。同時，經(jīng)過DMC改進的串級PID控制算法可以迅速適應(yīng)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，計算量小，調(diào)節(jié)時間短，超調(diào)量小，能夠達到系統(tǒng)的實時控制要求。