火電單元機組無模型自適應控制方法研究

段 峻，張 磊

DUAN Jun,ZHANG Lei

（陜西工業職業技術學院，咸陽 712100）

0 引言

火電單元機組控制系統回路主要有鍋爐控制和汽輪機控制，具有純滯后、大慣性和非線性的顯著特點，其動態特性較為復雜。汽輪機控制回路通過輸入信號完成對主蒸汽壓力的調節，通過執行機構控制調節主蒸汽壓力閥的開度，以改變汽輪機輸出功率。鍋爐控制回路通過輸入信號控制鍋爐的燃燒率，改變鍋爐的出力，以適應負荷變化的需要。目前，對火電機組控制系統控制研究方法主要有：魯棒控制、模糊多模型控制[1]、柔性控制[4]、神經網絡自適應控制、自學習模糊控制等。這些方法雖然在一定條件下取得了較好的效果，但是他們主要局限于線性控制理論，且沒有從本質上解決問題[2,3,5]。雖然也有一些智能控制方法在單元機組中有研究，但是智能解耦控制算法過于復雜,很難在工程中實現。

本文研究目的是解決火電單元機組控制系統的動態非線性，以及各個輸入量相互之間的耦合特性，同時使系統具有較強的魯棒性，鍋爐汽包壓力和系統功率輸出具有良好的指令跟隨性，以及較快的響應時間，提出了無模型自適應控制器。該控制器是侯忠生于1993-1994中提出的，其基本思想是利用一個新引入的偽梯度向量(或偽Jacohi矩陣)和偽階數的概念，在受控系統軌線附近用一系列的動態線性時變模型(緊格式、偏格式、全格式線性化模型)來替代一般非線性系統，并僅用受控系統的I/O數據來在線估計系統的偽梯度向量，從而實現非線性系統的無模型自適應控制。

雖然這些方法主要還處在理論研究和仿真試驗階段上，在實際應用中還很少，但是他們為火電機組控制系統的研究提供了新的思路。

1 單元機組的動態特性

在鍋爐燃燒正常（指送風量與燃料量相匹配；引風量和送風量相匹配）、給水正常（保持汽包水位在正常范圍）和發電機勵磁系統正常工作的前提下，單元機組可簡化為一個具有強烈交叉影響的雙輸入雙輸出的被控對象，如圖1所示。機組的能量流輸出（功率NE）和機前壓力PT為被控量，調節汽門開度指令信號μT和鍋爐燃燒率指令信號μB為控制量。各個通道的時間常數和動態特性是不一樣的，由μT到PT和NE的變化是相對快速的過程，而由μB到PT和NE的變化是相對慢速的過程。

圖1 單元機組的功率汽壓對象

對于汽包鍋爐、凝汽再熱式機組圖1中所示的傳遞函數一般具有如下形式：

式中K1、T1分別為燃料變化到主汽壓變化過程的增益與時間常數；K2、T2分別為燃料變化到功率變化過程的增益與時間常數；K3、K4、T3分別為調門變化到主汽壓變化過程的增益與時間常數；K5、K6、T4、T5分別為調門變化到功率變化過程的增益與時間常數；τ為燃燒系統的純遲延時間。各時間常數（T1～T5）和各增益系數（K1～K6）隨負荷工況的不同而變化，呈非線性。鍋爐系統動態特性的復雜性還在于：燃料種類（煤種）不同也將造成燃燒動態特性的差異，煤的燃燒過程由純滯后環節和慣性環節組成，煤質差的情況下系統的慣性時間常數將加大；油和煤氣燃燒迅速，幾乎沒有純滯后環節，可看成只有一個慣性環節[5～7]。

本文以某300MW 燃煤直流爐再熱機組為研究對象[8]，它在100% 和70% 負荷工作點上得到的近似線性化數學模型分別為式(2)和式(3)：

可見，這是一個具有嚴重時變、不確定性和耦合的多變量受控對象。協調控制系統應保證系統無論是在標稱模型下還是在存在模型不確定性時均閉環穩定，并具有良好的輸入輸出特性，即機組能迅速適應電網負荷的變化，同時機前壓力的變化不超出允許的范圍。

2 單元機組協調系統的無模型自適應控制

2.1 無模型自適應控制算法

無模型控制器設計所依賴的是“泛模型”[9～11]

在這個模型中能夠變化而實現自適應的部分僅僅是特征參量φ(k)。理論分析指出，當系統在設定值處處于穩定狀態時，φ(k)事實上是y(k)關于u(k-1)的梯度，所以特征參量φ(k)在基本的無模型控制律：

1）輸入和輸出的信號分別通過微分-跟蹤器Ⅰ和微分-跟蹤器Ⅱ，得到信號經x1,x2,x3,x4，以此產生新的誤差信號和微分e=x1-x3，ec=x2-x4作用于無模型自適應控制器（MFA）。

在無模型控制器基本算法的運行過程中,必須對特征參量進行在線實時估計。 實時估計需要依據泛模型。無模型控制律的基本算法就是由基于泛模型(4)對特征參量φ(k)的辨識算法和對被控對象的控制算法(5)在線交互進行而組成的。

4）把控制律式(5)作用于系統，得到新的輸出y(k+1)，于是得到一組新的數據可見φ(k)既代表了被控對象模型的參數，又是它的結構特征，所以稱其為特征參量。特征參量φ(k)的估值是在線實時估計的。被控對象如果發生變化，其變化可用φ(k)的變化來描述。這樣就實現了辨識與控制的一體化，同時特征參量的估值收斂到y(k)關于u(k+1)的梯度(導數)。

這樣不斷的重復1），2），3）和 4），就可以得到新的數據如此繼續下去，系統的輸出y(k)將逐漸地逼近。

2.2 單元機組協調系統仿真

一個有效的協調控制系統不僅與控制器的控制律算法有關，還與控制系統的結構有關。DEB協調控制系統的結構具有獨到的優越性。因此，在DEB協調控制系統的基礎上，保留其合理結構，應用無模型只適應控制技術進行改造，得出MFAC協調控制系統框圖如圖2所示。

圖2 機爐協調無模型自適應控制系統結構

受控對象分別采用上述300MW火電機組在100%負荷和70%負荷點處的數學模型(2)和(3)，而兩通道MFAC的結構和參數均保持不變。在以下各圖中，對100%負荷和70%負荷對象模型的仿真結果如圖3示。

圖3 火電機組在100%負荷時的無模型自適應仿真

由仿真結果可知，將N通道與P通道間的耦合大大削弱,在很大程度上實現了系統的解耦,保證了系統的控制品質。同時從圖中可見，圖3與圖4仿真曲線幾乎相似，即系統在不同負荷下的動態性能相差很小，充分顯示出無模型自適應控制系統對受控對象模型的不確定性具有很好的適應性和魯棒性。文獻[3]用模糊推理和自適應控制方法控制對象進行比較，可知其控制性能仍不及本文提出的無模型自適應控制系統。

圖4 火電機組在70%負荷時的無模型自適應仿真

3 結論

火電機組機爐協調控制系統是一個具有嚴重時變、不確定性和耦合的雙變量復雜控制系統，其控制品質的改善是提高熱工過程自動化水平和實現電網自動發電控制的關鍵。本文利用無模型自適應控制算法在兩控制通道上分別設計了一個無模型自適應控制器，并對其進行控制研究。仿真實驗結果顯示，采用所設計的控制策略，協調控制系統不僅具有良好的解耦性能，而且對擾動和對象模型的不確定性具有優良的適應性和魯棒性。此外，本文控制方法易于計算機實現，具有一定的工程應用價值。為提高火電機組機爐協調控制的品質提供了新的思路。

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