基于MATLAB仿真平臺設計自動控制回路

楊伴龍　魯艷麗　李振華　趙民政　王彥龍

摘 要：火電機組的控制系統是電廠實現自動化控制的關鍵所在，控制系統的優劣決定了自動化水平面的高低。本文從實際應用的角度闡述了使用MATLAB及SIMULINK工具箱設計自動控制回路的實施方法，充分說明了計算機仿真技術的發展為控制系統的設計與分析提供了越來越便利的條件，控制系統及控制對象等建模工作可以做得更加精準和實用。

關鍵詞：MATLAB；SIMULINK；自動控制；仿真

1 概述

隨著電力事業的不斷發展，電網的穩定性變得越來越重要，因而，對火電機組的自動控制系統的要求越來越高。電網公司對火電機組的負荷升降速率、一次調頻等指標提出了越來越高的要求。但由于很多電廠的自動控制回路設計不合理或者因為機組經過檢修后工況變化造成控制參數不匹配等原因，導致控制效果很差，以致于經常被電網公司考核。因此，重新對電廠的控制回路進行設計及優化顯得尤為重要。

經過多年的研究，我們掌握了一些利用MATLAB及SIMULINK工具箱設計自動控制回路的方法，方便實用且投運后的控制效果很好。

2 MATLAB仿真平臺設計自動控制系統概述

2.1 利用MATLAB平臺開發的優化軟件

經過近年來的MATLAB仿真設計和現場實際測試，我們成功地開發了多個自動優化控制回路軟件。在這些成型的自動優化控制回路軟件基礎上可以根據不同現場的不同機組進行參數微調即可應用，極大地方便了自動優化調試工作。目前，已開發的自動優化控制回路軟件包括：主汽溫優化軟件、協調控制系統優化軟件、凝結水節流優化軟件等。這些優化軟件按照不同機組類型和不同機組容量分別進行了建模和仿真，具有適用性強、操作方便的特點。

2.2 優化軟件在MATLAB中的使用方法

對已開發的自動優化控制回路優化軟件使用的方法比較簡單，按照如下步驟進行操作：

①在WINDOWS環境中，雙擊MATLABR2012b圖標，運行MATLAB。

②MATLABR2012b運行后出現主界面。

③在快捷工具欄“Current Folder（當前文件夾）”中，選擇“Browse for Folder（瀏覽文件夾）”，選擇已編制好的“優化軟件文件夾”。

④在MATLAB環境中“Command Windows（命令窗）”內輸入，“優化軟件名”后按“Enter”鍵運行，即可彈出對應優化軟件名功能的仿真界面。

⑤這些軟件是基于MATLAB中SIMULINK環境開發的。仿真功能的基本界面為SIMULINK界面。因此這些軟件的所有操作均符合MATLAB中SIMULINK環境下的基本操作。

⑥這些軟件涉及SIMULINK基本設置為“Simulation->Configuration Parameters”，如圖1所示，其中包括：“Start time（開始時間）”，“Stop time（結束時間）”，“Max step size（最大步距）”，“Min step size（最小步距）”。

⑦“Start time（開始時間）”和“Stop time（結束時間）”決定了仿真時間，開始時間一般從0秒開始，結束時間需要觀察系統仿真過程是否結束。協調控制系統優化軟件仿真時Stop time要設置得長一點，其他可以短一點。

⑧“Max step size（最大步距）”和“Min step size（最小步距）”一般和機組DCS中控制器的執行周期相同，例如控制器的執行周期為500ms，則可以分別設置0.5和0.25。

⑨開始仿真。單擊工具欄中“Start simulation”。

3 MATLAB仿真平臺設計自動控制回路的實際應用

為了設計更實用的自動控制回路，我們采集了大量機組運行的實際數據進行分析，通過機組現場實際歷史數據建立控制對象的數學模型，并根據數學模型設置控制器閉環控制系統的參數。

在主汽溫控制系統進行控制回路設計時，我們對導前區和惰性區的控制對象模型和控制器模型都進行了搭建。圖2是實際主汽溫變化值曲線與導前汽溫變化值經過惰性區對象模型后曲線對比的仿真軟件，該軟件仿真的目的是驗證主汽溫惰性區數學模型的準確性。主汽溫和導前汽溫的數據均為機組實際數據導出后整理的標準格式數據。

圖3中紫色為實際主汽溫變化值曲線，黃色為導前汽溫變化值經過惰性區對象模型后曲線。由圖3可以看出兩條曲線的相位和幅值很接近，說明惰性區對象模型建立的較為準確。如果為了對象模型更準確，我們可以繼續調整惰性區的時間常數T和對象增益K。圖3中時間常數T和對象增益K分別為30和1，可以分別單獨改變其中一個，然后進行仿真曲線對比，曲線形態越接近，說明時間常數T和對象增益K越準確，然后適當修正控制回路參數，這樣取得的控制效果會更好。

在協調控制系統進行控制回路優化設計時，我們對汽機、鍋爐的對象模型、汽機主控模型、鍋爐主控模型都進行了搭建。圖4為通過某電廠現場數據建立的協調控制系統對象模型及控制模型，并根據對象模型配置控制器參數，在進行了MATLAB仿真后仿真效果良好。實際應用中，我們把仿真控制回路移植到現場DCS或PLC邏輯中，邏輯組態和PID參數基本上可以參照仿真模型。

4 仿真優化軟件投入實際運行后的效果分析

目前，我們對不同容量的汽包爐和直流爐的主汽溫模型、協調控制系統模型都進行了搭建。仿真模型中的邏輯組態和PID參數都可以直接移植到現場DCS或PLC邏輯中，實際控制效果非常好。圖5是某電廠660MW超臨界機組采用MATLAB仿真平臺設計的自動控制回路后主要運行參數曲線。

圖5中關鍵技術指標為：

①負荷變化范圍：475MW-585MW，即110MW，第一階段；585MW-550MW，即35MW，第二階段。

②負荷變化速率：13.2MW/min，即2%Pe/min。

③最大負荷偏差：±4MW。

④最大壓力偏差：±0.8MPa。

⑤最大中間點焓偏差：±80kJ/kg。

自動控制指標良好。最大壓力偏差點和最大中間點焓偏差點出現在第一階段負荷擾動尚未完全穩定而開始第二階段負荷擾動時。兩項控制作用相互疊加，對機組和控制系統性能是一種嚴峻的考驗。

5 結束語

基于MATLAB仿真平臺設計自動控制回路是目前自動控制系統優化的新思路，但在今后的應用會越來越多。隨著現代控制理論以及更為復雜的控制算法的應用，借助MATLAB輔助設計自動控制回路更具有快速性和通用性的優點。

參考文獻：

[1]劉衛國.MATLAB程序設計與應用[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]劉衛國.科學計算與MATLAB語言[M].北京：中國鐵道出版社，2000.

[3]田亮.單元機組簡化非線性動態模型[D].保定：華北電力大學，2005.

作者簡介：

楊伴龍（1978—），男，工程師，工學學士，北京源深節能技術有限責任公司科技分公司任職，主要研究方向：工程過程建模與優化、智能優化理論及應用。

魯艷麗（1981—），女，工程師，工學學士，從事火電機組熱控檢修及調試工作。

李振華（1978—），男，高級工程師，碩士，從事火電機組熱控管理及調試工作。

趙民政（1981—），男，工程師，碩士，從事火電機組熱控管理及調試工作。

王彥龍（1982—），男，工程師，碩士，從事火電機組熱控管理及調試工作。