多變量智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用①

鄭亞鋒， 陳西杰

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京 100094)

多變量智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用①

鄭亞鋒， 陳西杰

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 北京 100094)

針對火電機(jī)組被控對象非線性、遲滯、燃料大慣性并存的特性，建立了330 MW單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)非線性模型，并對此模型在額定工況點(diǎn)下進(jìn)行線性化，以此線性化模型為基礎(chǔ)，在機(jī)組原有的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中增加多變量解耦控制器，進(jìn)而設(shè)計(jì)出與之對應(yīng)的多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，并通過工程試驗(yàn)與機(jī)組原有的協(xié)調(diào)控制效果相比較，實(shí)際結(jié)果證明了多變量智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性。

解耦控制； 多變量控制； 協(xié)調(diào)控制； 控制模型

火電機(jī)組被控對象通常是具有非線性、參數(shù)慢變以及遲滯與大慣性并存的多變量系統(tǒng)，其中單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與投運(yùn)一直是熱工自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究課題之一。文獻(xiàn)[1]采用機(jī)理分析和數(shù)據(jù)擬合的方法，建立了330 MW機(jī)組滑壓運(yùn)行方式下大范圍變負(fù)荷的模型，該模型具有簡化的形式和較低的階次，能夠反映機(jī)組的基本動(dòng)態(tài)特性和非線性，經(jīng)過機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該模型具有較好的復(fù)現(xiàn)性，可用于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制算法的性能評價(jià)；文獻(xiàn)[2]介紹了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)多變量解耦設(shè)計(jì)的基本思想；文獻(xiàn)[3]根據(jù)單元機(jī)組的低階非線性模型，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕?，推?dǎo)出一個(gè)雙入雙出、能夠描述機(jī)組動(dòng)態(tài)特性及機(jī)爐間相互耦合關(guān)系的傳遞函數(shù)矩陣，以該矩陣為基礎(chǔ)，采用多變量內(nèi)?？刂艻MC(internal model control)方法對單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，為方便在實(shí)際工程中實(shí)現(xiàn)，推導(dǎo)出該控制器的比例積分微分PID(proportion integration differentiation)實(shí)現(xiàn)形式，仿真表明該控制器具有良好的解耦效果和負(fù)荷適應(yīng)能力。

本文根據(jù)文獻(xiàn)[1]建立330 MW亞臨界機(jī)組簡化模型，以此簡化模型為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多變量協(xié)調(diào)控制器。通過實(shí)際工程應(yīng)用對比得出多變量協(xié)調(diào)控制器比原有控制器具有更加優(yōu)良的控制性能，而且此協(xié)調(diào)控制策略現(xiàn)場調(diào)試方便簡易，具有良好的工程實(shí)用意義。

1 機(jī)組模型的建立

在此針對內(nèi)蒙達(dá)電亞臨界330 MW單元機(jī)組建立協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)低階非線性模型。該機(jī)組鍋爐為北京B&W公司制造的B&WB-1025/18.44-M亞臨界一次中間再熱單汽包自然循環(huán)煤粉爐；汽輪機(jī)為北重-阿爾斯通公司生產(chǎn)的T2A-330-30-2F-1080亞臨界一次再熱三缸雙排汽凝汽式汽輪機(jī)，此機(jī)組在國內(nèi)火力發(fā)電廠中具有一定代表性。如圖1該機(jī)組模型不僅反映了系統(tǒng)間的能量平衡關(guān)系，而且體現(xiàn)了系統(tǒng)中存在的非線性特征。

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)所得到的實(shí)際數(shù)據(jù)，結(jié)合文獻(xiàn)[1]的330 MW建模方法，得到達(dá)電亞臨界330 MW機(jī)組簡化模型為

(1)

(2)

(3)

(4)

pt=pb-0.000 138(6.31rB)1.5

(5)

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級壓力可以描述為p1=ptμT/100。

圖1中，B為進(jìn)入爐膛的燃料量(爐側(cè)控制量，t)；μ為主蒸汽調(diào)節(jié)閥開度(機(jī)側(cè)控制量，%)；N為汽輪機(jī)的輸出功率，MW；pT為主蒸汽壓力(主蒸汽調(diào)節(jié)閥前壓力MPa)；pD為汽包壓力，MPa；pSH為從汽包到主蒸汽調(diào)節(jié)閥的壓力降，MPa；DQ為鍋爐受熱面總有效吸熱量，%；DT為進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量；c為鍋爐及蒸汽管道的蓄熱系數(shù)；kSH為過熱器管道的阻力系數(shù)。

圖1 單元機(jī)組低階非線性模型

在一定的簡化前提下對圖1所示的非線性模型依據(jù)文獻(xiàn)[5，6]進(jìn)行線性化處理，得到亞臨界單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的近似動(dòng)態(tài)模型為

牛瘤胃積食是由于牛一次性采食大量粗飼料或精飼料，導(dǎo)致牛瘤胃體積迅速增加，胃壁嚴(yán)重?cái)U(kuò)張，使瘤胃正常的消化機(jī)能和運(yùn)動(dòng)機(jī)能紊亂的一種前胃疾病[3]。發(fā)病后，患病牛食欲停止，鼻鏡干燥，反芻停止，先是噯氣不斷，隨后逐漸停止，腰背拱起，不斷回頭顧腹，搖尾呻吟，左下腹部輕度膨大，眼結(jié)膜充血發(fā)紺。觸診瘤胃，患病牛表現(xiàn)出抗拒，瘤胃內(nèi)容物間有如石塊，輕輕按壓，留有指痕。用手叩診瘤胃呈現(xiàn)濁音，呼吸急促，排便次數(shù)減少，糞便干燥，外觀呈現(xiàn)紫黑色，惡臭難聞。個(gè)別患病牛會(huì)繼發(fā)出現(xiàn)腸臌脹。發(fā)病嚴(yán)重的患病牛，機(jī)體逐漸脫水，不能正常行走，行走中左右搖擺，四肢震顫，心律不齊，全身衰竭，臥地不起，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致衰竭死亡。

(6)

式中：T(s)描述汽輪機(jī)的做功過程；B(s)近似代表燃料動(dòng)態(tài)；G0(s)是機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的核心模型。

模型公式(6)在100%負(fù)荷工作點(diǎn)(負(fù)荷330 MW；壓力17.6 MPa；燃料指令52.28%；調(diào)門開度79.60%)，線性化模型可以描述為

(7)

(8)

(9)

(10)

2 多變量協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 控制器模型設(shè)計(jì)

(11)

2.2 多變量控制器組態(tài)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)解耦控制器公式(11)，可得多變量解耦控制器的基本原理，即在原有壓力控制器和負(fù)荷控制器的基礎(chǔ)上，再增加一個(gè)解耦控制器，如圖2所示。其中壓力控制器和負(fù)荷控制器為比例控制器，解耦控制器是由4個(gè)PID控制器構(gòu)成。

圖2 多變量解耦控制器基本原理

把圖2中壓力和負(fù)荷控制器合并到解耦控制器，得到如圖3所示的多變量解耦控制器結(jié)構(gòu)。其中K11～K22為各控制分量。在此考慮以K11和K22為控制主通道，K11在需要跟蹤的時(shí)候跟蹤燃料站的輸出，而K22跟蹤汽機(jī)站的輸出，同時(shí)交叉解耦通道K12和K21跟蹤0。這樣，可以保證在控制系統(tǒng)從手動(dòng)到自動(dòng)時(shí)切換無擾。

圖4所示為達(dá)電330 MW機(jī)組多變量解耦控制器核心部分組態(tài)圖。該圖是依據(jù)圖3中的結(jié)構(gòu)原理，解耦控制子回路采用INFI-90功能碼156實(shí)現(xiàn)的。圖4中：模塊APID-K11為壓力主控制器，APID-K12為負(fù)荷解耦控制器，APID-K21為壓力解耦控制器，APID-K22為負(fù)荷主控制器。

圖3 多變量解耦控制器結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 多變量解耦控制器的工程組態(tài)

3 工程應(yīng)用

把上述設(shè)計(jì)的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在內(nèi)蒙達(dá)電亞臨界330 MW單元機(jī)組上應(yīng)用。從試投運(yùn)行曲線上可以看出此控制系統(tǒng)的優(yōu)良控制品質(zhì)。

圖5為機(jī)組DEB協(xié)調(diào)控制效果，其曲線1～6分別為燃料指令反饋、主汽調(diào)門指令、主汽壓力定值、主汽壓力、實(shí)際負(fù)荷、負(fù)荷指令。負(fù)荷指令變化8 MW，壓力定值變化0.1 MPa時(shí)，壓力最大偏差0.48 MPa，負(fù)荷最大偏差6 MW。

圖5 單元機(jī)組原來的DEB協(xié)調(diào)控制效果

圖6中，曲線1～6分別為實(shí)際負(fù)荷、主汽壓力、主汽壓力定值、負(fù)荷指令、燃料指令、主汽調(diào)門指令。負(fù)荷定值從320 MW減到270 MW，變負(fù)荷速率為7 MW/min，壓力定值采用滑壓運(yùn)行。穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力最大偏差0.4 MPa，負(fù)荷最大偏差2.5 MW。

圖6 改造后智能協(xié)調(diào)控制效果

圖7中，曲線1～6分別為實(shí)際負(fù)荷、主汽壓力、主汽壓力定值、負(fù)荷指令、燃料指令、主汽調(diào)門指令。4 h內(nèi)，包括吹灰過程，壓力最大偏差0.4 MPa，負(fù)荷最大偏差2.5 MW。

圖7 改造后一段時(shí)間內(nèi)的智能協(xié)調(diào)控制效果

從以上控制效果圖可以看出機(jī)組運(yùn)用新型智能控制系統(tǒng)改造后，其在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)控制品質(zhì)上都有了明顯的改善，能夠滿足大負(fù)荷變化和高速率調(diào)節(jié)的控制要求。這是由于多變量解耦控制器大大減少了各輸入變量之間的耦合特性而產(chǎn)生的結(jié)果。

4 結(jié)語

通過對改造前后運(yùn)行曲線的比較，可以看出通過改造加入多變量解耦控制器后的系統(tǒng)控制效果良好，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能得到了明顯改善，并可以在協(xié)調(diào)方式下進(jìn)行穩(wěn)定、快速的升降負(fù)荷，比手動(dòng)方式升降負(fù)荷既快又穩(wěn)，大大增強(qiáng)了機(jī)組的安全穩(wěn)定性。這表明使用多變量控制器后的智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)比之前都有很大改善，變負(fù)荷過程響應(yīng)時(shí)間縮短，動(dòng)靜態(tài)偏差明顯減少，自動(dòng)運(yùn)行效果得到改善。該多變量智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)與原來的DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的適用工況是相同的，即適用于除機(jī)組啟停外的正常運(yùn)行、調(diào)峰、保護(hù)等工況，且滿足長期運(yùn)行的需要，可廣泛投入工程應(yīng)用中。

[1] 田亮,劉吉臻,曾德良,等(Tian Liang,Liu Jizhen,Zeng Deliang,etal).簡化的330 MW機(jī)組非線性動(dòng)態(tài)模型(A simplified non-linear dynamic model of 330 MW unit)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2004, 24(8)：180-184.

[2] 劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制[M].北京：中國電力出版社, 1993.

[3] 房方,劉吉臻,譚文(Fang Fang,Liu Jizhen,Tan Wen). 火電單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的多變量IMC-PID設(shè)計(jì)(Multivariable IMC-PID design in the coordinated control system for fossil unit power plants)[J].動(dòng)力工程(Power Engineering), 2004, 24(3)：360-365.

[4] 李道林(Li Daolin).國產(chǎn)電站鍋爐再熱汽溫調(diào)節(jié)實(shí)用技術(shù)探討(Discussion on the practical technology for reheat steam temperature adjustment in domestic utility boilers)[J].動(dòng)力工程(Power Engineering), 1999,19(1)：17-22,77-78.

[5] 陳彥橋,鄭亞鋒,劉吉臻,等(Chen Yanqiao,Zheng Yafeng,Liu Jizhen,etal).基于動(dòng)態(tài)解耦的模糊多模型協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)用研究(The application study for coordinated control system of fuzzy multi-model based on dynamic decoupling)[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2006, 26(12)：166-170.

[6] 房方,劉吉臻(Fang Fang,Liu Jizhen).單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的非線性控制研究(Nonlinear control for the coordinated system of generating unit)[J].中國電力(Electric Power), 2004, 37(7)：61-65.

[7] 鄭亞鋒,陳彥橋,衛(wèi)平寶,等(Zheng Yafeng,Chen Yanqiao,Wei Pingbao,etal).基于模糊多模型330 MW單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Research on coordinated control system of 330 MW unit based on fuzzy multiple model)[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSU-EPSA), 2006, 18(2)：71-74,104.

DesignApplicationofMultivariableIntelligentCoordinatedControlSystem

ZHENG Ya-feng， CHEN Xi-jie

(State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute, Beijing 100094, China)

The controlled object for the thermal power is a rather complicated multivariable nonlinear control system,which is characteristic of nonlinear,delay and great inertial.A nonlinear model of the coordinated control system for 330 MW unit plant was constructed,and it was linearized under rated work conditions.The multivariable coordinated control system of increase in multi-variable decouping controller for original coordinated control system is designed to the corresponding systems,and control result contrast of field investigation shows its validity and practicability.

decoupling control； multi-variable control； coordinated control； control model

2009-08-04

2009-10-29

TP273

A

1003-8930(2011)01-0145-04

鄭亞鋒(1980-)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事發(fā)電廠熱控設(shè)計(jì)。Email:zyf0556@126.com 陳西杰(1969-)，男，高級工程師，主任工程師，主要從事發(fā)電廠熱控設(shè)計(jì)。Email:chenxijie@snpdri.com