典型主汽溫度控制系統(tǒng)仿真研究及特性分析

馬騰，盛鍇，江效龍

(1.深圳市媽灣電力有限公司，廣東深圳518054；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；3.華北電力大學控制與計算機工程學院，河北保定071003)

典型主汽溫度控制系統(tǒng)仿真研究及特性分析

馬騰1，盛鍇2，江效龍3

(1.深圳市媽灣電力有限公司，廣東深圳518054；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007；3.華北電力大學控制與計算機工程學院，河北保定071003)

本文通過對主汽溫調(diào)節(jié)對象特性分析，利用Simulink建立變參數(shù)動態(tài)模型，并考慮了執(zhí)行機構 (汽溫調(diào)節(jié)擋板)的開度與減溫水流量非線性關系。對于串級控制、Smith預估控制和預測控制3種控制策略，分別進行仿真研究。最后總結(jié)分析各種控制策略的控制效果及建議。

主汽溫；動態(tài)特性建模；串級控制；Smith預估控制；預測控制；Matlab/Simulink

熱工控制品質(zhì)直接關系到大容量、高參數(shù)火電機組的安全、高效、經(jīng)濟運行。鍋爐過熱汽溫是影響火電廠安全經(jīng)濟運行的重要參數(shù)，一般要求過熱汽溫在給定值±5℃范圍內(nèi)〔1－2〕，溫度過高，容易使設備損壞；溫度過低，則降低熱效率。隨著機組容量的增大，過熱器管道也隨之加長，使主汽溫對象慣性時間和純遲延時間增大；此外，其動態(tài)特性隨工況變化或干擾等因素而發(fā)生變化〔3〕，這些都對過熱汽溫控制系統(tǒng)提出了更高的要求。目前，較為主流的過熱汽溫控制策略有串級控制和Smith預估控制，均已實現(xiàn)工程應用。然而實際應用中，以上控制方案仍有其缺點:當參數(shù)和控制結(jié)構設置不合理時，仍無法取得理想的控制效果。為了能夠?qū)崿F(xiàn)控制效果的優(yōu)化，需要深入研究過熱汽溫控制系統(tǒng)的特性，以指導控制策略中參數(shù)的設置和結(jié)構的調(diào)整。

文中將對主流過熱汽溫控制系統(tǒng)進行動態(tài)特性建模，特別考慮了執(zhí)行機構 (汽溫調(diào)節(jié)擋板)的開度與減溫水流量之間為非線性對應關系，并建立對應的模型，分別研究分析了串級控制、Smith預估控制和多模型預測控制3種控制策略的控制效果，為以后主汽溫控制策略及算法的調(diào)整優(yōu)化提供思路。

1 主汽溫度調(diào)節(jié)對象特性及建模分析

1.1 主汽溫度調(diào)節(jié)對象模型結(jié)構

主汽溫度調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性是指引起主汽溫變化的擾動與汽溫之間的動態(tài)關系。引起主蒸汽溫度變化的因素很多，歸納起來主要來自3個方面:蒸汽流量變化 (負荷變化)、加熱煙氣的熱量變化和減溫水流量變化 (過熱器入口汽溫變化)。

目前廣泛選用減溫水流量作為操縱變量，過熱器出口溫度作為被控變量。由于此時控制通道的時滯和時間常數(shù)都較大，單回路控制系統(tǒng)往往不能滿足要求。因此工程應用中，在其控制通道上引入減溫器出口溫度為副被控變量〔4-6〕。此時對象調(diào)節(jié)通道的動態(tài)特性G(s)可以看成由2部分組成:導前區(qū)G1(s)、惰性區(qū)G2(s)。

式中 KDq，KDx分別是導前區(qū)和惰性區(qū)放大系數(shù)；TDq，TDx分別是導前區(qū)和惰性區(qū)時間常數(shù)；N1和N2分別是導前區(qū)和惰性區(qū)傳遞函數(shù)的階次。

1.2 主汽溫度調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性建模

相關文獻及研究表明，式 (1)， (2)中各模型參數(shù)并非定值，可看作是主蒸汽流量D、主蒸汽壓力P和溫度T的函數(shù)。而文獻 〔7〕通過定量分析，得出溫度T和壓力P對模型參數(shù)影響很小，而主蒸汽流量D的影響最大。蒸汽流量D又與機組的負荷L呈正比關系，因此可以近似認為模型參數(shù)僅為機組負荷L的函數(shù)。表1是某機組不同負荷下過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的模型〔2〕。

總結(jié)表1中各參數(shù)變化趨勢數(shù)據(jù)，對過熱汽溫模型參數(shù)－負荷的對應關系進行多項式擬合，即w＝f(x)，式中x為機組負荷，w為過熱汽溫模型參數(shù)。表2為負荷－模型參數(shù)擬合結(jié)果:

由于用于定義導前區(qū)、惰性區(qū)傳遞函數(shù)的Simulink內(nèi)置模塊在仿真過程中系數(shù)不能改變，這會使得模型不能真實反映實際變負荷過程中的過熱汽溫調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性。為了能夠?qū)崿F(xiàn)變負荷過程和導前區(qū)、惰性區(qū)模型參數(shù)的相應變化，利用Simulink系統(tǒng)函數(shù)建立變參數(shù)的導前區(qū)、惰性區(qū)汽溫模型。

首先建立導前區(qū)、惰性區(qū)的狀態(tài)空間方程，再根據(jù)已獲得狀態(tài)空間方程用M文件或C語言等編制建立導前區(qū)和惰性區(qū)的系統(tǒng)函數(shù)模塊，如圖1所示。這樣通過改變引腳K和T的數(shù)值，即可實現(xiàn)仿真過程中模型變參數(shù)的需求。

此外，想要真實反映控制系統(tǒng)的工作特性，除了對主汽溫度被控對象進行建模外，還需對執(zhí)行機構進行建模。與主汽溫度被控對象相比，執(zhí)行機構動作的慣性很小，可忽略其慣性對控制系統(tǒng)的影響，而執(zhí)行機構 (汽溫調(diào)節(jié)擋板)的開度與減溫水流量之間為非線性對應關系，為此用分段線性函數(shù)表示。將執(zhí)行機構和主汽溫度被控對象作為一個整體考慮，此時廣義的主汽溫度被控對象G′(s)可由式 (4)表示:

式中 k是用以表示執(zhí)行機構開度與減溫水流量之間非線性關系的分段線性函數(shù)的局部斜率。

2 基于仿真的典型主汽溫度控制系統(tǒng)的特性分析

2.1 主汽溫度串級控制系統(tǒng)的特性分析

串級控制系統(tǒng)通過將2個控制器串接，主控制器的輸出作為副控制器的給定值，由副控制器去控制執(zhí)行機構，從而達到調(diào)節(jié)被控對象的目的。為了更好地說明主汽溫度串級控制系統(tǒng)的特性，將引入單回路閉環(huán)主汽溫度控制系統(tǒng)與串級系統(tǒng)進行比較。圖2是串級主汽溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構圖。

圖2中，廣義導前區(qū)是將導前區(qū)和執(zhí)行機構一體考慮，主、副控制器均采用PI調(diào)節(jié)，按穩(wěn)定裕度φ＝0.9的原則對控制器閉環(huán)回路進行參數(shù)整定，得到對象傳遞函數(shù):

單回路控制器:

由于執(zhí)行機構擋板與減溫水流量的非線性對應關系，使k不可能恒等于1，當k發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)的特性會發(fā)生變化。分析不同k值條件下，控制系統(tǒng)的控制特性如圖3所示。

比較圖3中各曲線發(fā)現(xiàn):正常情況k＝1時，單回路與串級主汽溫度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果并沒有明顯區(qū)別。當k增大時，單回路調(diào)節(jié)過程的振蕩次數(shù)增多而振蕩幅度加劇；k減小又使得調(diào)節(jié)作用減弱而調(diào)節(jié)時間變長。因此，執(zhí)行機構的非線性特性使得單回路閉環(huán)主汽溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)整定存在困難，當工況變化時，控制效果會變差。對于串級汽溫控制系統(tǒng)而言，盡管k值發(fā)生變化，但其調(diào)節(jié)效果并未發(fā)生明顯變化，因此在實際應用中串級控制系統(tǒng)的控制效果優(yōu)于單回路主汽溫度控制系統(tǒng)。

將以上主、副控制器參數(shù)應用于負荷為290MW時的主汽溫度被控對象，再在負荷等于290MW條件下整定控制器參數(shù)，得到主控制器參數(shù)。

仿真結(jié)果表明，將低負荷整定得到的控制器參數(shù)應用于高負荷下的主汽溫度被控對象是可以的；然而在高負荷下整定的控制器參數(shù)應用于低負荷條件下的主汽溫度被控對象時，控制系統(tǒng)的控制效果變差，其振蕩幅度加劇，振蕩次數(shù)增多，穩(wěn)定時間延長。這是由于高負荷下的主汽溫度被控對象的控制特性較好，由此整定得到的控制參數(shù)值較大，而對于低負荷下的被控對象來說，控制參數(shù)值偏大會導致調(diào)節(jié)作用較強，從而加劇調(diào)節(jié)過程中的振蕩。

2.2 主汽溫度Smith預估控制系統(tǒng)的特性分析

與串級控制系統(tǒng)一樣，Smith預估控制是在主汽溫度控制系統(tǒng)中普遍應用的一種控制策略。由于主汽溫度被控對象是一個大慣性的被控對象，而Smith預估器能夠?qū)⒅髌麥囟鹊淖兓胺从车娇刂破?，以便于控制器提前動作從而減少調(diào)節(jié)過程中的超調(diào)。圖5是主汽溫度Smith預估控制系統(tǒng)的結(jié)構圖。

當負荷為180MW時，主汽溫度被控對象傳遞函數(shù)為:

根據(jù)式 (5)確定Smith預估器的參數(shù)，此時Smith預估器模型如式 (6)所示:

假設Smith預估器能夠完全抵消被控對象所包含的延時作用，則廣義被控對象的傳遞函數(shù)為:

控制器參數(shù)采用2.1中負荷為290MW時得到的控制參數(shù)，并調(diào)整控制器的調(diào)節(jié)作用，令KT分別為0.5，2，4，此時控制器傳遞函數(shù)為:

控制效果如圖6所示:

圖6表明:盡管控制器參數(shù)有較大變化，但控制系統(tǒng)的控制效果并未發(fā)生明顯變化，這表明控制器參數(shù)并不是影響控制效果的決定性因素。而改變減溫水調(diào)節(jié)擋板與減溫水流量的非線性特性k，令k為 0.3，2，此時控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果如圖 7所示:

圖7表明:k值偏小，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程較慢；而k值較大時，控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中振蕩幅度加劇而振蕩次數(shù)增多。因此減溫水擋板的非線性特性k是影響主汽溫度Smith預估控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果的重要因素，當其偏離理想值時，都將對調(diào)節(jié)產(chǎn)生不利影響。

整定負荷為290MW的被控對象的Smith預估器，得到此時Smith預估器的控制參數(shù):

比較式 (6)和 (9)發(fā)現(xiàn):兩者之間的各參數(shù)均存在明顯區(qū)別，如果將兩者交換應用于對方的工況條件下，則控制效果均會變差。而由于主汽溫度被控對象在不同負荷段的特性會發(fā)生變化，因此如果要較好地應用Smith預估控制，就應根據(jù)不同負荷調(diào)整Smith預估控制器的參數(shù)從而保證控制效果。

針對典型Smith預估控制的優(yōu)缺點，國內(nèi)外的技術人員開展了大量的研究工作，并提出各種新型Smith預估控制策略，其中應用得較好的就包括西門子公司提出的一種改進型Smith預估控制策略。在該策略中，Smith預估器的輸入是導前區(qū)的溫度，而不是減溫水擋板的開度，這意味著在該控制策略中，減溫水擋板的非線性特性將不會對其控制效果產(chǎn)生影響。此時控制系統(tǒng)結(jié)構如圖8所示。

此時Smith預估器可由式 (10)表示:

此時Smith預估器作用是根據(jù)導前區(qū)溫度的變化將惰性區(qū)溫度的變化趨勢超前反映到控制器，以促使控制器提前動作，從而保證控制效果。圖9是負荷為180 MW，減溫水擋板的非線性特性k為0.3，1，2時的改進型Smith預估控制系統(tǒng)的控制效果。

仿真結(jié)果表明:盡管減溫水調(diào)節(jié)擋板的非線性特性k在較大范圍內(nèi)變化，但控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)效果并未發(fā)生較大變化，因此改進型Smith預估控制系統(tǒng)能夠克服減溫水調(diào)節(jié)擋板非線性特性帶來的對控制系統(tǒng)的不利影響。而由式 (10)可知，在這種改進型Smith預估控制系統(tǒng)中，Smith預估器的參數(shù)也應隨負荷相應調(diào)整，才能保證較好的控制效果。

2.3 預測控制在主汽溫度控制系統(tǒng)中的應用

預測控制是20世紀70年代后發(fā)展起來的。當時，現(xiàn)代控制理論已經(jīng)成熟，并在航空航天領域獲得了卓有成效的應用。但是，由于它要求較高精度的對象數(shù)學模型，因而在熱工自動控制系統(tǒng)中的應用較少。為了擺脫這種對被控對象模型的嚴重依賴，人們設想從被控過程的特點出發(fā)，尋求對被控對象模型精度要求不高但同樣能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量控制性能的方法。

然而在實際過程中，主汽溫度的動態(tài)特性隨負荷相應變化，這使得在一種工況下獲得的預測模型并不能反映另一種工況下主汽溫度的動態(tài)特性，模型失配將導致控制系統(tǒng)性能的顯著下降。為了應對模型失配造成的控制系統(tǒng)性能不佳，需要重新對預測控制器進行設計，利用各工況下的主汽溫模型作為預測控制器的預測模型，分別設計不同工況下的局部預測控制器，對局部預測控制器的輸出進行加權處理，處理后的輸出為多模型預測控制器的控制輸出作用如下:

式中 f為局部預測控制器加權輸出；L＋和L－分別指L相鄰的建模工況點；f＋和f－分別是L＋和L－對應的預測控制器輸出。多模型主汽溫預測控制系統(tǒng)如圖10所示，控制效果如圖11所示。

由圖11可以看出，多模型預測控制算法在不同工況下控制性能良好，較好地解決了主汽溫度動態(tài)特性變化時，單模型預測控制性能變差的問題。

3 結(jié)束語

利用Matlab/Simulink仿真平臺，對主汽溫度控制系統(tǒng)進行了仿真研究并得到以下結(jié)論:

1)主汽溫度被控對象具有大慣性和時變等特點，且其慣性隨負荷降低而增大，因此對各控制策略 (如控制參數(shù)恒定的串級控制系統(tǒng))而言，低負荷下控制系統(tǒng)的控制性能與高負荷下的控制性能相比更差。

2)對串級控制系統(tǒng)而言，如果其控制參數(shù)恒定，參數(shù)整定應在較低負荷段進行，這樣能夠保證系統(tǒng)在高負荷段仍有較好的控制性能；而對參數(shù)自適應的串級控制系統(tǒng)，參數(shù)整定應根據(jù)不同的典型工況進行分別整定。

3)與串級控制系統(tǒng)相比，Smith預估控制的效果較好，但其控制效果取決于所建立Smith預估器能否真實反映系統(tǒng)的特性。然而由于執(zhí)行器(汽溫調(diào)節(jié)擋板)的非線性特性，會導致實際過程中，Smith預估控制效果不佳。與之相比，西門子公司所采取的改進型Smith預估控制策略將導前區(qū)溫度作為Smith預估器的輸入，剔除了汽溫調(diào)節(jié)擋板非線性對預估器輸出的影響，從而保證在實際使用過程中Smith預估控制的效果。

4)與常規(guī)的主汽溫度控制策略相比，預測控制的控制效果明顯好于其他策略的控制效果，根據(jù)不同典型工況對預測控制內(nèi)置模型進行建模，并采用多模型預測控制的手段從而保證預測控制的效果。

〔1〕楊錫運，候國蓮，李農(nóng)莊，等.過熱汽溫多模型預測函數(shù)控制策略的研究 〔J〕.動力工程，2005，25(4):537-540.

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Simulation research and characteristic analysis of typical control system for main steam tem perature

MA Teng1，SHENG Kai2，JIANG Xiao-long3
(1.Shenzhen Mawan Power Co.Ltd，Shenzhen 518054，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China；3.School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

In this paper，the characteristic ofmain steam temperature is analyzed，and dynamicmodelwith variable parameters is built by using Simulink.Besides，the nonlinear relationship between the actuator(steam temperature regulation baffle) opening and desuperheating water flow is taken into consideration.Simulation studies on three kinds of control strategy，including cascade control，Smith prediction control and predictive control，are carried out respectively.Finally，the effectiveness of these control strategies and suggestions are summarized.

main steam；dynamicmodeling；cascade control；Smith predicting control；predictive control；Matlab/Simulink

TK229.2

A

1008-0198(2014)06-0005-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.002

2014-06-18