Backstepping控制方法在超臨界機組中的應用研究

張鈞赫

（遼寧大唐國際錦州熱電有限責任公司，遼寧 錦州 121000）

1 直流鍋爐運行特點

直流鍋爐被應用于超臨界機組，直流鍋爐完成汽水循環(huán)流程的設備中沒有汽包，這樣直流鍋爐的能量不能夠像汽包一樣儲存，汽水強制循環(huán)下工作流動，將會很容易失去自平衡性能。水供給的量與燃燒率不匹配和將直接影響鍋爐出口溫度改變和汽水循環(huán)流程中間部分的蒸汽的壓力和溫度。特別是鍋爐蒸汽分離器出口蒸汽溫度和主蒸汽壓力，用于鍋爐中間點溫度和蒸汽壓力控制是非常重要的。所以在確定控制方案必須考慮仔細。工作在各級的加熱表面溫度以及燃料匹配問題的質量和數(shù)量是解決這個問題的關鍵。換言之，改變當前鍋爐水確實影響本體是一個重要的控制參數(shù)。對于高參數(shù)是特別是超臨界直流鍋爐更適用。在這種情況下，超臨界機組的給煤量，汽輪機調節(jié)門開口，水流量都會影響中間點溫度，主蒸汽壓力和負荷量，鍋爐和汽輪機建立起一個模型，模型是一個三輸入三輸出控制對象[9]。協(xié)調控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于超臨界機組，并保證超臨界機組的安全運行。它的性能直接影響到整個工廠運作。協(xié)調控制系統(tǒng)的性能優(yōu)化是控制火電機組研究的一個重要課題。目前，中國的超臨界機組已經(jīng)可以把引進技術國產(chǎn)化。主要的協(xié)調控制系統(tǒng)制造商還沒有完全掌握設備的運行特點可以對引進超超臨界技術的消化和簡單的模仿，并不能良好地進行設計和調試。在實際的運行過程中超超臨界機組的許多參數(shù)與設計值的存在較大的偏差，一些重要的設備不能在最佳狀態(tài)下運行。這些情況會增加能量損失，需要更多的煤耗，導致經(jīng)濟效益不佳。當這些不良狀況危及機組的安全，通常不易被察覺。因此，超臨界機組的機爐協(xié)調控制迫切需要進行監(jiān)控系統(tǒng)進行優(yōu)化。

2 Backstepping算法的研究狀況

Backstepping算法是方興未艾的一種非線性控制方法。這種算法也叫做反推法，反推斷法，反轉法，回推法。反推的基本思想是復雜的非線性系統(tǒng)分割系統(tǒng)不超出系統(tǒng)階數(shù)的子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)設計控制函數(shù)，叫做李雅普諾夫函數(shù)。虛擬控制輸入，被向“返回”到整個系統(tǒng)。該系統(tǒng)被集成的設計方法（這是完成后，從母核的開頭的規(guī)則，輸出動態(tài)系統(tǒng)方程），軟件設計系統(tǒng)內(nèi)核的虛擬控制律的特定性質，例如穩(wěn)定性等，并且虛擬控制規(guī)律逐漸校正算法。但它必須確保指定的內(nèi)核的某種性能，然后將真實控制器的設計，實現(xiàn)穩(wěn)定化，全局規(guī)則或跟蹤系統(tǒng)，使該系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)所需的性能。反推法為狀態(tài)線性化或者不確定非線性系統(tǒng)的反饋線性嚴格的參數(shù)，在一些數(shù)學軟件，可以更容易實現(xiàn)。

反推的算法實際上是向后遞推設計，減少在線計算時間的目標更適合操作控制。反推推出虛擬控制器基本靜態(tài)補償項，虛擬子系統(tǒng)控制子系統(tǒng)回到之前的平穩(wěn)來實現(xiàn)。由于這一算法設計推出的時間比較晚的，在實踐中，目前的研究主要是國外的理論和實驗研究仍然是近年少見，即使國家和國際研究反推算法的人顯著增加，但的火電廠方面的研究仍然較少，所以在電廠控制熱過程中反推算法研究有很大的潛力。Backstepping的奠基人是科克托維奇(Kokotovic)，他與其共同合作的團隊對該算法的發(fā)展起了很大的推動作用。

Backstepping在理論和工程上有很多優(yōu)勢：（1）理論研究上：首先，非線性控制器是大慣性[20]，大滯后特性的典型對象，這需要很好的理論研究。另一方面，應用反推法來實現(xiàn)鍋爐蒸汽渦輪機的整體協(xié)調控制，是通過控制算法的各個步驟被修改，以設計出一個控制裝置。此外，反推的方法成功使用的協(xié)調控制系統(tǒng)、，大大提高了非線性控制理論應用范圍，促進研究和實踐的發(fā)展，及其的理論的結合。（2）工程實踐上：首先，從傳統(tǒng)的控制器，控制器反推使得本機可以更好地監(jiān)控在低負荷的負載變化和改善運行性能，提高經(jīng)濟性參數(shù)。另一方面，相對于傳統(tǒng)的控制器的協(xié)調下，反推控制器的性能強大，能夠更好地適應電網(wǎng)規(guī)劃，而且可以大大降低環(huán)境污染的程度。

3 Backstepping在電廠應用實例

鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關系到鍋爐設備的安全運行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過程中能量供求關系。單元機組燃料一汽壓被控對象是一個典型的熱工大慣性大遲延對象，常規(guī)的PID控制器很難滿足其性能要求，尤其是PID控制器的積分作用常使系統(tǒng)過調，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。為此采用新型控制策略來克服鍋爐的時滯和慣性，提高機組的負荷適應能力，并保證主蒸汽壓力穩(wěn)定具有一定的理論與實際應用研究價值。

本文以Backstepping算法在燃料—汽壓對象中的仿真研究為例，設計了Backstepping算法在電廠的應用方案，該方法的研究過程和方案可以為Backstepping算法在電廠的應用提供一個方法和實例，為燃煤電廠的控制的自動化和高效運行提供一個有效的方案。在以上對象中應用Backstepping算法進行了以下研究：1）被控對象帶零點的三階慣性數(shù)學模型的仿真研究，該研究的前提是被控對象模型燃料一汽壓的傳遞函數(shù)模型，在此基礎上，就可以在Matlab中實現(xiàn)被控對象的控制和研究，選擇好Backstepping控制律和狀態(tài)觀測器的三重極點，將輸出反饋矩陣設置為K=[0.585,0.12,0.008]。利用Backstepping對該模型的控制進行了研究，并得到了相應的仿真結果。2）將Backstepping控制器與PI控制器控制效果進行比較顯示，在定值階躍擾動下，采用傳統(tǒng)PID控制方法，且PI參數(shù)整定的較好，汽壓的超調量約為8%，調節(jié)時間約為1800s。采用Backstepping控制方法，汽壓也不存在超調，調節(jié)時間約為600s，控制效果略優(yōu)于傳統(tǒng)PID的控制方法。3）Backstepping控制方法抗干擾性能檢驗。對控制系統(tǒng)進行擾動實驗，在控制器和對象之間加上一個階躍擾動信號，同時讓定值階躍輸入暫停。燃料指令擾動為1%。對該結果進行了仿真研究，根據(jù)仿真結果分析，對Backstepping控制器和PI控制器都進行擾動進行比較：（1）反推控制器汽壓幾乎沒有超調，而PI控制器超調量在8%左右。（2）反推控制器穩(wěn)定時間在500S左右，而PI控制器穩(wěn)定時間在1500S左右。綜上所述，反推控制器的控制品質優(yōu)于PID控制器。

4 結論

鍋爐蒸汽壓力作為表征鍋爐運行狀態(tài)的重要參數(shù)，不僅直接關系到鍋爐設備的安全運行，而且其是否穩(wěn)定反映了燃燒過程中能量供求關系。單元機組燃料一汽壓被控對象是一個典型的熱工大慣性大遲延對象，常規(guī)的PID控制器很難滿足其性能要求，尤其是PID控制器的積分作用常使系統(tǒng)過調，使系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩。為此采用新型控制策略來克服鍋爐的時滯和慣性，提高機組的負荷適應能力，并保證主蒸汽壓力穩(wěn)定具有一定的理論與實際應用研究價值。本文采用Backstepping控制算法對燃料—汽壓對象進行控制，并通過仿真試驗驗證了算法的可行性。針對燃料一汽壓的數(shù)學模型分別進行了基于狀態(tài)觀測器的Backstepping控制器仿真研究，簡化的B ackstepping控制器仿真研究及Backstepping控制器與Smith預估器結合的仿真研究。仿真結果表明Backstepping控制器能夠較好的控制被控對象，具有較強的魯棒性和抗干擾能力。

[1]徐通模,袁益超,陳干錦,等.超大容量超超臨界鍋爐的發(fā)展趨勢[J].動力工程,2003,23(3):2363-2369.

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[3]谷俊杰,李建強,高大林,等.熱工控制系統(tǒng)[M].北京:中國電力出版社,2011.