預(yù)測(cè)控制及其在單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張丁予

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 引言

在火電廠中發(fā)電的基礎(chǔ)設(shè)備單元機(jī)組設(shè)備之間的協(xié)調(diào)以及控制是火電廠所面臨的首要的問題，預(yù)測(cè)控制是一種以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型的控制算法，該算法以數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)并結(jié)合反饋矯正理論對(duì)單元機(jī)組的狀態(tài)參數(shù)以及指令性信號(hào)進(jìn)行綜合的調(diào)整還能夠?qū)崟r(shí)的考慮不確定量的參與對(duì)于系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，并將這些參數(shù)不斷的加入到控制系統(tǒng)中對(duì)控制系統(tǒng)做一個(gè)全面的校正。該算法對(duì)于火電廠中單元機(jī)組的過程實(shí)現(xiàn)能夠進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)與信號(hào)的采集，并綜合各種信息得出最合適的控制信號(hào)。

1 單元機(jī)組動(dòng)態(tài)模型的分析與建立

在本文的研究中將火電廠中最具有代表性的直流鍋爐單元機(jī)組作為與測(cè)控制以及控制系統(tǒng)建立的一個(gè)對(duì)象。該單元機(jī)組受多個(gè)變量的控制，并且變量與變量之間是相互關(guān)聯(lián)的各種變量綜合作用與直流鍋爐單元機(jī)組并對(duì)機(jī)組產(chǎn)生影響。為了研究問題的方面在該系統(tǒng)中考慮到負(fù)荷方面的作用，本文將該單元機(jī)組看做成一個(gè)具有兩個(gè)輸入信號(hào)與兩個(gè)輸出信號(hào)的數(shù)學(xué)模型。該模型源于某大型的火力發(fā)電廠，該火電廠的直流鍋爐單元機(jī)組的功率達(dá)到了300MW，針對(duì)該單元機(jī)組分別建立了負(fù)荷在100%和負(fù)荷在70%的兩種情況下的數(shù)學(xué)模型。兩個(gè)數(shù)學(xué)模型如下圖兩個(gè)公式所示。

在上述公式中四個(gè)比較重要的參數(shù)分別為 NE，PT，μB，μT分別為機(jī)組實(shí)際發(fā)出的功率，主要的蒸汽壓力，鍋爐燃燒率指令，氣機(jī)條門指令等。從上面所建立的負(fù)荷分別為100%與70%的數(shù)學(xué)模型來看，很顯然該系統(tǒng)是一個(gè)受多變量控制，具有不確定性的強(qiáng)耦合的系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的PID控制的話將很難達(dá)到預(yù)期的快速響應(yīng)以及超調(diào)量足夠小的指標(biāo)，利用預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)能夠有效的解決傳統(tǒng)方式控制所帶來的負(fù)面的問題，能夠有效的針對(duì)多變量的、不確定性系統(tǒng)的進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。在本文所研究的火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的的基礎(chǔ)上，利用上述所建立的火電廠直流鍋爐單元機(jī)組的數(shù)學(xué)模型可以得出火電廠該單元機(jī)組的控制模型，利用該模型通過對(duì)火電廠的輸入輸出信號(hào)即機(jī)組的實(shí)際發(fā)出的功率與主要的蒸汽壓力作為初始的輸出，經(jīng)過控制系統(tǒng)就會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生兩個(gè)相應(yīng)的輸出，其中要進(jìn)行信號(hào)的殘差求取以及差值的反饋的調(diào)節(jié)以達(dá)到使得系統(tǒng)具有較高的控制的精度，在這個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)由于參量過多以及不確定性而出現(xiàn)的目標(biāo)動(dòng)作指令的超調(diào)量過大或者響應(yīng)不及時(shí)的現(xiàn)象出現(xiàn)，將預(yù)測(cè)控制算法應(yīng)用于火電廠直流鍋爐機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的建立具有能夠減小系統(tǒng)的誤差提高系統(tǒng)精度，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度等優(yōu)點(diǎn)具體的做法是將預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)置到火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前端讓信號(hào)的輸出都要經(jīng)過該預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化以得到更加精確的控制信號(hào)。

圖1 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)與單元機(jī)組組合模型

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)要追求性能上的快速響應(yīng)的話，那么所帶來的負(fù)面的影響就是信號(hào)會(huì)出現(xiàn)大尺度的超調(diào)量，只有通過不斷的大尺度的超調(diào)量才能夠快速的實(shí)現(xiàn)信號(hào)的出現(xiàn)偏差時(shí)的快速的調(diào)整，但是在有些情況下信號(hào)的超調(diào)量的增大會(huì)對(duì)機(jī)組甚至是整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響甚至?xí)纬梢欢ǖ钠茐呐c損失。同樣的如果要追求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的話也就是系統(tǒng)的精度，那么從系統(tǒng)的控制變量出現(xiàn)偏差到偏差減小到一定的程度在這里由于追求的精度較高，那么系統(tǒng)的整個(gè)響應(yīng)的時(shí)間就會(huì)變得很長，進(jìn)而會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的目的。所以很好權(quán)衡二者以達(dá)到可以接受的調(diào)節(jié)性能就是比較關(guān)鍵的。

4 仿真驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)所上述直流鍋爐單元機(jī)組作為模型，選取的參數(shù)N1=6,Nu=2，λ=0.8,得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果為在70%負(fù)荷的情況下，汽機(jī)調(diào)節(jié)閥門的開度指令在某一時(shí)刻出現(xiàn)了偏差為-0.4左右，鍋爐燃燒指令出現(xiàn)的偏差為-0.6然后火電廠直流鍋爐單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在加入預(yù)測(cè)控制的基礎(chǔ)上開始對(duì)出現(xiàn)上述的偏差進(jìn)行了調(diào)整，在這個(gè)過程中出現(xiàn)的最大的超調(diào)量分別為0.8和0.2，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時(shí)間都在400ms左右，在100%負(fù)荷的情況下這兩項(xiàng)指令開始的偏差分別為-0.4和-0.75左右，在調(diào)節(jié)的過程中出現(xiàn)的最大的超調(diào)量分別為0.7和0.2到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間在500ms左右。另外本文還對(duì)70%負(fù)荷下功率與汽壓的調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線進(jìn)行了仿真，開始的偏差分別為-0.8與-0.25，在調(diào)節(jié)的過程功率與汽壓所出現(xiàn)最大的超調(diào)量分別為1與0.3左右，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間都在500ms左右。從上面的仿真結(jié)果對(duì)比在沒有加入預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制參數(shù)上來看，在火電廠單元機(jī)組中加入預(yù)測(cè)控制單元能夠?qū)ο到y(tǒng)參量出現(xiàn)的偏差進(jìn)行更加快速的響應(yīng)，并且在參數(shù)調(diào)節(jié)的過程中超調(diào)量也比沒有加入預(yù)測(cè)控制單元的控制系統(tǒng)要小，其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時(shí)間也就是快速響應(yīng)的時(shí)間要比沒有加入該系統(tǒng)快幾十毫秒的時(shí)間。綜上所述，預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的加入不僅能達(dá)到系統(tǒng)的快速響應(yīng)的要求，還能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的精度的要求即該系統(tǒng)確實(shí)能夠?qū)ΜF(xiàn)行的控制系統(tǒng)進(jìn)行一個(gè)有效的優(yōu)化。

5 結(jié)語

我國現(xiàn)行的發(fā)電廠單元機(jī)組的控制系統(tǒng)由于受控對(duì)象一般都要受多個(gè)變量的影響，所以目前傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不論在信號(hào)控制的響應(yīng)速度還是從系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)的精度來看都難以滿足單元機(jī)組對(duì)于信號(hào)控制的需求，本文通過將預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠單元機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有效的達(dá)到了系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的精度的兩方面的綜合的需求，經(jīng)過仿真驗(yàn)證該系統(tǒng)確實(shí)能夠行之有效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制精度與響應(yīng)速度的提升。

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