600 MW超臨界機(jī)組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇 晨 王文蘭 馮永祥

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院1,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院2,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

600 MW超臨界機(jī)組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

蘇 晨1王文蘭1馮永祥2

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院1,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院2,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

針對(duì)火電廠主蒸汽溫度系統(tǒng)大慣性、大遲延、非線性的特點(diǎn)，根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)的相關(guān)規(guī)則，以改進(jìn)型單純形法為基礎(chǔ)，并結(jié)合Matlab軟件對(duì)過(guò)熱蒸汽參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols參數(shù)整定法在PID控制設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，但是尋優(yōu)過(guò)程過(guò)于繁瑣，存在一定的局限性。將新的整定方法應(yīng)用到超臨界機(jī)組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，與傳統(tǒng)控制方法相比，該方法有效減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并起到良好的控制效果。仿真結(jié)果表明，在控制算法不斷發(fā)展的今天，單純形法依然有著一定的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展空間，有待繼續(xù)研究。

PID調(diào)節(jié)器整定 改進(jìn)型單純形法 參數(shù)尋優(yōu) 超臨界 主汽溫

0 引言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)水平的不斷提高，超臨界機(jī)組漸漸成為了國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的主力。它具有技術(shù)含量高、環(huán)保能力強(qiáng)、發(fā)電機(jī)組煤耗量低等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)如今國(guó)際燃煤發(fā)電機(jī)組的重要發(fā)展方向。從我國(guó)的國(guó)情出發(fā)，發(fā)展超臨界機(jī)組也符合中國(guó)未來(lái)大型鍋爐的發(fā)展趨勢(shì)。超臨界機(jī)組運(yùn)行參數(shù)較高，需要適應(yīng)大范圍調(diào)峰要求，這對(duì)超臨界機(jī)組主汽溫控制系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。我國(guó)在超臨界機(jī)組的發(fā)展上正在緊跟世界的腳步，但在其控制技術(shù)方面還存在很大的差距。因此，需要對(duì)超臨界機(jī)組的控制策略及其運(yùn)行方式進(jìn)行更加深入的討論。

目前，傳統(tǒng)PID控制技術(shù)是在過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種控制方法。從理論的角度上來(lái)說(shuō)，PID控制系統(tǒng)無(wú)論設(shè)計(jì)或分析都已經(jīng)形成了較為完善的體系。但PID控制系統(tǒng)一般需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，并根據(jù)理論分析和以往的經(jīng)驗(yàn)修改其控制器參數(shù)。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，尋找PID參數(shù)時(shí)復(fù)雜且繁瑣的整定過(guò)程對(duì)技術(shù)人員是一個(gè)挑戰(zhàn)。

1 PID參數(shù)尋優(yōu)方法

1.1 仿真模型的建立

控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型通常用傳遞函數(shù)或者狀態(tài)方程等加以描述，只有將系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型后才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。在傳統(tǒng)的仿真方法中，想要得到仿真模型，需要較深的理論知識(shí)和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程。在本文中，由于控制器的結(jié)構(gòu)、形式已經(jīng)確定，可以利用Matlab軟件構(gòu)造出Simulink仿真模型圖。然后逐步對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)的性能在某種指標(biāo)意義下達(dá)到最優(yōu)。

1.2 目標(biāo)函數(shù)

首先，進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)需要目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是誤差積分型目標(biāo)函數(shù)，另一類(lèi)是參考模型法目標(biāo)函數(shù)。本文采用參考模型法確定目標(biāo)函數(shù)。參考模型法需要建立一個(gè)理想的參考模型，這個(gè)模型應(yīng)該滿足給定的系統(tǒng)性能指標(biāo)的一系列要求。將參考模型與系統(tǒng)的輸入信號(hào)同時(shí)加到實(shí)際系統(tǒng)與參考模型上[3]。然后將參考模型的輸出與實(shí)際系統(tǒng)的輸出進(jìn)行相應(yīng)的分析和比較，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，盡可能減小它們之間的偏差。

本軟件還提供其他不同的選項(xiàng)。例如，本軟件中共有四種模型(IAE、ISE、ITAE、ITSE)供用戶選擇，均為誤差積分型目標(biāo)函數(shù)。

如果要抑制響應(yīng)曲線的超調(diào)量δ%，可在圖形界面主程序中選擇抑制超調(diào)，并設(shè)置抑制常數(shù)k。由于共進(jìn)行兩次對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)的優(yōu)化，所以，在每次初始值下方可以分別抑制超調(diào)量。目標(biāo)函數(shù)修改為:

Qnew=(δ%+k)Qerror

(1)

基于以往的仿真經(jīng)驗(yàn)，按照由內(nèi)到外的尋優(yōu)規(guī)則，用戶只需設(shè)置系統(tǒng)模型參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)的初始值。在點(diǎn)擊“開(kāi)始仿真”按鈕后，軟件會(huì)先優(yōu)化出第一個(gè)控制器參數(shù)并將結(jié)果代入到第二個(gè)模型當(dāng)中。然后對(duì)第二個(gè)控制器進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。最后分別得出兩個(gè)控制器的相應(yīng)結(jié)果并顯示在圖形用戶界面(graphic user interface,GUI)中。

1.3 尋優(yōu)方法

PID參數(shù)尋優(yōu)是對(duì)一個(gè)含有多變量函數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。多變量函數(shù)的優(yōu)化方法有很多種，使用頻率較高的是單純形法以及改進(jìn)型單純形法[4]。

2 軟件介紹

通過(guò)運(yùn)用Matlab軟件，并調(diào)用單純形法程序和強(qiáng)大的尋優(yōu)程序，對(duì)串級(jí)汽溫控制系統(tǒng)的內(nèi)外兩個(gè)調(diào)節(jié)器同時(shí)進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。這種方法不需要過(guò)多的經(jīng)驗(yàn)就可以很快得出最優(yōu)參數(shù)，以滿足該系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求[5]。此軟件是一個(gè)自編仿真軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制效果，步驟如下。

① 用Simulink構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖(*.mdl)， 建立控制系統(tǒng)仿真模型。用戶可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)自行設(shè)定。

② 需要優(yōu)化程序和仿真程序?qū)imulink函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。選用以改進(jìn)型單純形法為規(guī)則的尋優(yōu)程序(simplex.m)，對(duì)控制器進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)。系統(tǒng)仿真程序的功能是將有關(guān)數(shù)據(jù)送入仿真模型并計(jì)算目標(biāo)的函數(shù)值。

③ 圖形界面程序(main.m)，建立GUI界面，獲取數(shù)據(jù)，調(diào)用優(yōu)化程序并顯示結(jié)果。

綜上所述，軟件由圖形界面程序GUI、改進(jìn)型單純形法程序、系統(tǒng)仿真程序(simulate,m)以及Simulink函數(shù)的仿真模型文件組成。使用前,需要將這些程序文件放入同一文件夾中。

打開(kāi)Matlab軟件，雙擊指定文件夾根目錄下的main.m文件，即出現(xiàn)Matlab GUI主界面。

3 軟件仿真實(shí)例

3.1 固定工況下

將本軟件用于600 MW超臨界機(jī)組100%工況下進(jìn)行仿真研究。

串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)有兩個(gè)回路，即內(nèi)回路和外回路。內(nèi)回路由導(dǎo)前汽溫變送器、執(zhí)行器、副調(diào)節(jié)器、減溫水調(diào)節(jié)閥以及減溫器組成；外回路則由主汽溫對(duì)象、主調(diào)節(jié)器、汽溫變送器以及整個(gè)內(nèi)回路組成。

圖1 過(guò)熱蒸汽串級(jí)控制系統(tǒng)框圖

首先，根據(jù)圖1所示過(guò)熱蒸汽串級(jí)控制系統(tǒng)框圖，給出600 MW超臨界機(jī)組在100%工況下的導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，分別為：

(2)

(3)

導(dǎo)前區(qū)和惰性區(qū)的調(diào)節(jié)器均選用PI調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)分別為KZ=1、Kμ=1,測(cè)量變送器斜率為γθ1=γθ2=1。過(guò)熱蒸汽串級(jí)系統(tǒng)Simulink模型如圖2所示。

因?yàn)檐浖枰獌?yōu)先調(diào)節(jié)導(dǎo)前區(qū)參數(shù)，所以要將導(dǎo)前區(qū)所在的內(nèi)環(huán)模型從過(guò)熱蒸汽串級(jí)系統(tǒng)Simulink模型中提取出來(lái)，得到如圖3所示的Simulink模型圖。

然后，需要對(duì)圖形用戶界面(GUI)上的控制器初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，控制器的各項(xiàng)初始值均設(shè)定為1；目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為IAE誤差積分型目標(biāo)函數(shù)。仿真時(shí)間可根據(jù)需要適當(dāng)增大。

圖2 過(guò)熱蒸汽串級(jí)系統(tǒng)Simulink模型

圖3 導(dǎo)前區(qū)系統(tǒng)Simulink模型

點(diǎn)擊開(kāi)始仿真，經(jīng)過(guò)近1 min后可以看出，經(jīng)過(guò)30次搜索，得到的導(dǎo)前區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果為P*=5.156 9，I*=0.144 4，調(diào)節(jié)后的導(dǎo)前區(qū)曲線圖如圖4所示。經(jīng)過(guò)49次搜索，得到惰性區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果為P*=0.573 85，I*=0.075 968。調(diào)節(jié)后的惰性區(qū)曲線圖如圖5所示。

圖4 導(dǎo)前區(qū)曲線圖

圖5 惰性區(qū)曲線圖

由圖5可以看出，兩次尋優(yōu)的超調(diào)量分別為9.1%和7.2%。運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，輸出的溫度值為540 ℃，與預(yù)期值540/1=540 ℃相比，達(dá)到了穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的要求。因此本設(shè)計(jì)完全符合要求。

3.2 不同工況下

在600 MW超臨界直流鍋爐高溫過(guò)熱器動(dòng)態(tài)特性中，隨著負(fù)荷的變化，惰性區(qū)時(shí)間常數(shù)T和導(dǎo)前區(qū)的靜態(tài)增益K等模型參數(shù)變化很大，用相同的控制器參數(shù)是不能夠確保在其他工況下也滿足相應(yīng)控制系統(tǒng)品質(zhì)的。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮對(duì)參數(shù)進(jìn)行改變的控制方案。

按照上述步驟，對(duì)600 MW超臨界機(jī)組75%工況下進(jìn)行仿真研究。

然后，對(duì)初始參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，控制器的各項(xiàng)初始值均設(shè)定為1；目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為IAE積分型目標(biāo)函數(shù)。

點(diǎn)擊開(kāi)始仿真后，經(jīng)過(guò)近2 min后由圖6可看出，經(jīng)過(guò)32次搜索，得到的導(dǎo)前區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果為P*=3.131 6，I*=0.089 889。調(diào)節(jié)后的導(dǎo)前區(qū)曲線圖如圖6所示。經(jīng)過(guò)61次搜索，惰性區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果為P*=0.515 91，I*=0.003 853 7。調(diào)節(jié)后的惰性區(qū)曲線圖如圖7所示。

圖6 導(dǎo)前區(qū)曲線圖

圖7 惰性區(qū)曲線圖

由上圖可以看出，兩次尋優(yōu)的超調(diào)量分別為5.6%和6.6%。同100%工況下一樣，75%工況也達(dá)到了穩(wěn)態(tài)無(wú)靜差的要求。因此，本軟件也適用于600 MW超臨界機(jī)組的其他負(fù)荷工況，結(jié)果比較令人滿意。由此可知，本軟件在調(diào)節(jié)PID參數(shù)領(lǐng)域具有一定的適應(yīng)性。

如此看來(lái)，使用該參數(shù)尋優(yōu)程序?qū)ΤR界機(jī)組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)的尋優(yōu)，相比于傳統(tǒng)PID尋優(yōu)方法，整個(gè)過(guò)程效率和精確度提高了。而且在點(diǎn)擊‘開(kāi)始仿真’按鈕后，用戶無(wú)需任何其他操作，不僅快捷和方便，且能得到使系統(tǒng)快速、穩(wěn)定運(yùn)行的最優(yōu)參數(shù)，為系統(tǒng)發(fā)揮其最佳性能提供支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用改進(jìn)型單純形法和Matlab相結(jié)合的尋優(yōu)方法，確定了一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。本文給出了600 MW超臨界機(jī)組在100%工況下的目標(biāo)函數(shù)。根據(jù)文中所述方法，進(jìn)行了針對(duì)主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)過(guò)程的仿真試驗(yàn)，并討論其中的方法和步驟。隨后在600 MW超臨界機(jī)組其他工況下也進(jìn)行了試驗(yàn)，適應(yīng)性良好。將基于Matlab的參數(shù)尋優(yōu)方法運(yùn)用到熱工的串級(jí)過(guò)熱氣溫控制系統(tǒng)中，同樣能夠得到使系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求的運(yùn)行參數(shù)。

本文介紹了一種基于Matlab的過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)尋優(yōu)方法。這種方法原理簡(jiǎn)單，改變了傳統(tǒng)方法依靠大量的經(jīng)驗(yàn)和人工計(jì)算為主的做法，簡(jiǎn)化了仿真過(guò)程，令最終結(jié)果更加準(zhǔn)確。

[1] 王振興.600 WM超臨界鍋爐汽溫特性分析[J].科技視界，2013(11):153-154.

[2] 段力學(xué).PID參數(shù)整定方法分類(lèi)與概述[J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)(專業(yè)版)，2012(7):23-26.

[3] 劉曉謙,王勇,穆順勇.基于單純形法的PID控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)仿真,2004,21(11):191-193.

[4] 邊立秀.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)電力出社，2001.

[5] 王文蘭,蘇晨.控制系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)軟件在電廠熱工控制教學(xué)中的應(yīng)用[C]∥2013年全國(guó)自動(dòng)化教育學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2013.

[6] 蔣珉.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[M].北京：電子工業(yè)出社，2006.

[7] 趙永艷,王文蘭.MATLAB在電力系統(tǒng)自動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,11(5):156-158.

[8] 宋曉燕,馬德庫(kù),冬健峰.鍋爐過(guò)熱蒸汽溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2000,19(2):34-36.

[9] 王亞順,歐麗君.超臨界直流鍋爐對(duì)象特性及控制策略的研究[J].水利電力機(jī)械,2007,29(12):40-42.

Parameter Optimization for Main Steam Temperature Regulator of 600 MW Super Critical Power Unit

The main steam temperature systems of the fossil power units feature large inertia, long time delay and non-linearity, for this situation, and in accordance with relevant rules of parameter optimization for cascade control systems, with improved simplex method as the basis; the parameter optimization of super heated steam system is conducted using Matlab software. Traditional Ziegler-Nichols parameter tuning method has been widely applied in PID control design, but the optimization process is too cumbersome and certain limitation exists. Comparing with the traditional control method, using new tuning method in the main steam temperature regulator, the overshoot of the system is reduced, the response speed of the system is enhanced, and excellent control effect is obtained. The result of simulation indicates that although the control algorithms is evolving today, the simplex method still possesses certain superiority and development space; continue to study is awaited.

Tuning of PID controller Improved simplex method Parameter optimization Super critical Main steam temperature

內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2013MS0919)；

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：ZD201320)。

蘇晨(1989-)，男，現(xiàn)為內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事電廠新技術(shù)的研究。

TP311+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504003

修改稿收到日期：2014-09-04。