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

張向偉

（國能邳州生物發(fā)電有限公司，江蘇徐州 221300）

0 引言

國內(nèi)電力事業(yè)蓬勃發(fā)展，成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的不竭動(dòng)力源泉。尤其是現(xiàn)代化技術(shù)手段的靈活應(yīng)用，開始推行分散控制以及調(diào)度自動(dòng)化，在優(yōu)化資源配置的同時(shí)，有效改善用電荒的問題。但是由于諸多因素的限制和束縛，致使國內(nèi)電力供應(yīng)自動(dòng)化水平還存在欠缺，為了維護(hù)電力生產(chǎn)全過程安全穩(wěn)定，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)積極引入自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備，在自動(dòng)控制理論支持下，實(shí)現(xiàn)火電廠熱工自動(dòng)化改進(jìn)?；谧詣?dòng)控制理論中狀態(tài)空間法、時(shí)域法和數(shù)學(xué)模型，深入摸索其運(yùn)行規(guī)律，圍繞核心目標(biāo)優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)火電廠高效生產(chǎn)和運(yùn)行。

1 熱工儀表非線性特性校正

1.1 熱工儀表的非線性特性

非線性是任何系統(tǒng)存在的共同特性，相應(yīng)的火電廠熱工儀表普遍存在程度不一的非線性特性，如節(jié)流式流量儀表的差壓和流量關(guān)系，汽包水位儀表中水位和差壓關(guān)系，閥位顯示儀表中閥門開度和流量的關(guān)系等，均屬于非線性函數(shù)關(guān)系，或多或少影響到儀表顯示準(zhǔn)確度以及參數(shù)測量合理性。為了最大限度減少非線性關(guān)系所產(chǎn)生的誤差，主要是通過非線性顯示刻度、減少儀表測量范圍以及加入非線性校正環(huán)節(jié)的方式，減少測量偏差[1]。但是前兩種方法并未對(duì)傳輸信號(hào)線性處理，即便可以一定程度上降低測量偏差，但難以滿足自動(dòng)控制裝置所需要的線性信號(hào)需求。最后一種方法可以提升測量精度，實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)線性化處理，因此如何做好儀表非線性校正和辨識(shí)成為核心內(nèi)容。

（1）模擬線性化。依托于傳統(tǒng)模擬儀表，借助模擬電路的方式來線性化處理輸出信號(hào)，作為自動(dòng)控制裝置信號(hào)。模擬線性化基于硬件設(shè)施、模擬信號(hào)方式對(duì)信號(hào)線性處理，是一種有效方法。例如，基于電子開放器，實(shí)現(xiàn)差壓和流量平方關(guān)系補(bǔ)償，此種補(bǔ)償方式屬于非線性補(bǔ)償。

（2）數(shù)字線性化?；谥悄軆x表來轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)線性化處理和呈現(xiàn)。數(shù)字線性化主要是通過專門軟件和數(shù)字化信號(hào)來線性化處理輸出信號(hào)，屬于軟方法。如，數(shù)字巡測儀中，在單片機(jī)存儲(chǔ)器中記錄下熱工儀表非線性特性，操作便捷，數(shù)字線性化輸出信號(hào)[2]。

未來儀表裝置將會(huì)朝著數(shù)字化、微型化、智能化方向發(fā)展，加之DCS、DAS 以及FCS 等虛擬儀表廣泛應(yīng)用，是火電廠熱工自動(dòng)化發(fā)展的主要趨勢，需要進(jìn)一步深化研究關(guān)于熱工儀表非線性特性校正的數(shù)字化線性方法。單片機(jī)使用簡單、便捷、實(shí)用，但存儲(chǔ)容量較小，運(yùn)行速度慢，需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)[3]。總的說來，查表法存在很大的缺陷和不足，表現(xiàn)在外部環(huán)境變化的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致熱工儀表非線性變化，但是單片機(jī)自身卻無法動(dòng)態(tài)修改和調(diào)整，最終測量精準(zhǔn)度下降。另外，查表數(shù)據(jù)信息無法存儲(chǔ)在單片機(jī)數(shù)據(jù)點(diǎn)上，多通過現(xiàn)行插值法處理，同樣會(huì)增加數(shù)據(jù)偏差，所以查表法更適合精度要求偏低的場合。曲線擬合法的缺陷，受到曲線類型和項(xiàng)數(shù)多少因素影響到測量精度，所以熱工儀表非線性改變后，后續(xù)修改不方便，亟待優(yōu)化完善[4]。

1.2 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氧化鋯量計(jì)非線性補(bǔ)償

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于單向傳播的多層前饋網(wǎng)絡(luò)如圖1 所示，其本質(zhì)上是n 維輸入向量x，同權(quán)值矩陣w 運(yùn)算結(jié)果為隱含層第一層若干接點(diǎn)輸入WX，并經(jīng)由節(jié)點(diǎn)神經(jīng)元從傳遞函數(shù)計(jì)算，確定輸出X1，結(jié)果與權(quán)值矩陣W1 計(jì)算，然后在隱含層第二層節(jié)點(diǎn)計(jì)算，以此類推，逐層遞進(jìn)，到輸出層m 個(gè)節(jié)點(diǎn)，換算得到m維輸出向量Y。如果輸入x 值，輸出Y-=f（x），BP 網(wǎng)絡(luò)輸出Y 不等于Y-，可以按照誤差代價(jià)函數(shù)E=∑（yi--yi）2/2（i-1，2，…，m）一階梯度信息學(xué)習(xí)，獲取各個(gè)權(quán)值最佳值。BP 網(wǎng)絡(luò)權(quán)值通過從后往前遞進(jìn)尋找最優(yōu)值，如果誤差過大，影響到精度，可以按照誤差代價(jià)函數(shù)重新調(diào)整，直到滿足期望精度方可停止調(diào)整。一般情況下，節(jié)點(diǎn)神經(jīng)元傳遞函數(shù)多選擇Sigmoid 型。

圖1 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)

2.1 常見調(diào)節(jié)策略

主蒸汽壓力調(diào)節(jié)策略方法多樣，傳統(tǒng)的方法如下：

其中，D 是主蒸汽流量信號(hào)，Pd是氣泡壓力，Ck是鍋爐蓄熱系數(shù)。結(jié)合相關(guān)資料了解到，熱量信號(hào)DQ部位出現(xiàn)明顯超前情況，所以構(gòu)成的串級(jí)調(diào)節(jié)無法顯著改善系統(tǒng)延遲特性（圖2）。相較于主蒸汽壓力偏差信號(hào)而言，燃煤量作為導(dǎo)前信號(hào)的方式，呈現(xiàn)鮮明的超前作用，但更多的反映在燃煤數(shù)量方面，無法反饋燃煤質(zhì)量和燃燒率。

圖2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

2.2 串級(jí)調(diào)節(jié)策略

串級(jí)調(diào)節(jié)將中間被調(diào)量作為爐膛輻射信號(hào)，基于Matlab仿真分析。較之單回路PID 調(diào)節(jié)方式，熱量信號(hào)的串級(jí)調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)特性改善效果較小，與串接調(diào)節(jié)方式比較而言，單回路PID 調(diào)節(jié)串級(jí)調(diào)節(jié)方式，系統(tǒng)特性改善效果更加明顯，并且在一定程度上對(duì)規(guī)避燃料側(cè)內(nèi)擾情況有著突出作用[5]。但中間被調(diào)量是主分量和隨機(jī)分量構(gòu)成，直接納入到串級(jí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)過程動(dòng)態(tài)特性也將隨之降低，增加調(diào)節(jié)器的誤動(dòng)概率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)更大的偏差。因此，應(yīng)實(shí)行串級(jí)調(diào)節(jié)新策略予以規(guī)避。

2.3 主蒸汽壓力LQ 次優(yōu)調(diào)節(jié)策略

火電廠鍋爐容量和較大，并呈現(xiàn)出鮮明的熱慣性大的特征，所以調(diào)節(jié)對(duì)象不可避免出現(xiàn)延遲。延遲特性的存在，致使調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過渡時(shí)間延長，超調(diào)量增加，無形中影響到設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，以及機(jī)組運(yùn)行效率和效益[6]。使用PID 調(diào)節(jié)器設(shè)備，在火電廠生產(chǎn)中應(yīng)用，可以顯著改善調(diào)節(jié)系統(tǒng)延遲特性。結(jié)合PID調(diào)節(jié)器的優(yōu)勢特點(diǎn)來看，基于自動(dòng)控制理論，優(yōu)先選擇現(xiàn)行二次型性能指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制定有效的調(diào)節(jié)策略來實(shí)現(xiàn)，提升火電廠熱工自動(dòng)化水平。

3 結(jié)論

在火電廠熱工自動(dòng)化中滲透應(yīng)用自動(dòng)控制理論，是提升火電廠各環(huán)節(jié)自動(dòng)化、智能化水平的關(guān)鍵所在。需要結(jié)合實(shí)際情況選擇合適的指標(biāo)參數(shù)，多方優(yōu)化設(shè)計(jì)，制定安全防護(hù)措施，以便于提升火電廠生產(chǎn)效率的同時(shí)，保障作業(yè)全過程安全穩(wěn)定，對(duì)于火電廠平穩(wěn)可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。