自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用分析

張春霖（中國能源建設集團西北電力建設甘肅工程有限公司，甘肅蘭州　730070）

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自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用分析

張春霖
（中國能源建設集團西北電力建設甘肅工程有限公司，甘肅蘭州730070）

【摘 要】近些年來，我國的科學技術正在不斷的發展之中，隨著科學技術的不斷發展，自動化技術被廣泛的應用于各個領域，給人們的生產生活帶來了極大的便利，使得人生的工作效率得到了大大的提高，同時也大大的節省了人力。而電能對于人們的生產生活也有著非常重要的作用，離開了電能，人們的諸多生產生活活動將無法正常開展。將自動控制理論應用于火電廠中，可以大大的提高火電廠的自動化水平，同時還能夠有效提高火電廠的生產效率。因此本文就自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用進行了一定的分析。

【關鍵詞】自動控制理論火電廠人工自動化應用分析

1　前言

自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用主要有三個方面的內容：第一是熱工儀表的非線性校正；第二是主蒸汽壓力的新型調節策略；第三是主蒸汽溫度的先進控制策略。在火電廠中有著非常多的熱工儀表，而這些儀表基本上都有著非線性特性，正是由于儀表的非線性特性，所以使得參數測量的準確性和儀表顯示的精確度都有待提高。而這些參數對于火電廠的生產有著非常重要的影響，所以務必要求其準確度。主蒸汽壓力也是火電廠中一個非常重要的參數，但是由于主蒸汽壓力的純遲延和大慣性，使得主蒸汽壓力也十分難以調節，而要使得發電機組得以高效的運轉，必須要對主蒸汽壓力進行精確的控制。主蒸汽溫度同主蒸汽壓力一樣，也是火電廠中一個非常重要的參數，它對于火電廠機組的正常和安全運行也有著非常重要的影響，因此必須要對其進行有效的控制。

2　自動控制理論概述

說到控制的含義，從字典的說明來看，是在實際的活動實踐當中，對活動進行有目的有計劃的操作和引導，旨在讓自己的實踐活動在自己規劃的范圍內進行。對活動進行控制的根本目標在于提升整個系統的質量和功能水平或者實現自己的既定目標。主要控制途徑是信息的收集和處理并將通過處理的信息作用于自己的實踐活動。根據人為活動的參與情況，整個控制大類可以劃分為人工控制和自動控制。從現在的具體情況來看，大多控制都是自動控制。關于自動控制的意義，如今有很多不同的見解，但大體上的解釋大同小異。綜合多方解釋，本文針對自動控制的觀點是，通過自動化儀器進行部分活動的操作和控制，來替代部分人工操作，通過應用程序來操作設備或進行生產活動，從而達成既定的戰略目標或效果。在過去實際的生產生活當中，導入自動控制程序，應用自動化操作工藝和技術，對自動化的生產生活的數據和參數進行實時監督或管理，有利于進一步解放生產力，提高我國的工業生產技術水平和社會生產效率，減少人力資源的消耗。除此之外，自動控制也有利于提高產品服務的生產效率和質量水平，有利于保障產品的品質，進而提升企業的生產效益，帶動我國科技進步和經濟實力的增加，促進我國工業化進程的進一步加快。尤其是在一些環境條件比較差的情況下，例如溫度較高，溫差較大或氣壓較大的地方，或者遇到一些涉及航天科技等活動的情況下，自動控制的優勢就尤為明顯。從自動控制的具體組成部分來看，自動控制的主要部分包括控制理論和實際的控制裝備。自動控制理論是自動控制裝備進行有效運行的理論前提，自動控制裝備是整個自動控制理論的具體應用，二者相互影響，相互促進。本文主要進行了控制理論中自動控制部分的研究和探討，在此基礎上進行實例探討。

3　自動控制理論的發展情況

從自動控制理論的發展歷史情況來看，自動控制理論的發展階段可以大致分為經典控制階段、現代控制階段以及智能控制階段。從經典控制理論發展到智能控制理論階段，自動控制理論越來越成熟，也逐漸趨于完善。從當前自動控制應用情況來看，火電廠是自動控制較為熟練的領域，所使用的自動化儀器和設備的科技含量都較高，但是從自動控制理論的應用情況來看，應用程度還不夠。因此，本文將著重探討自動控制理論在火電廠的應用情況和策略分析。當前我國大多數火電廠的自動化儀表都具備很多的樣式和形式，從信號的接收和發送情況來看，具有非線性的特點。為了能夠進一步控制和收集信號，我們需要對當前的熱工儀表進行非線性校正。考慮到自動化控制理論的校正優勢和作用，本文將針對這一部分內容探討新型的數字化非線性校正方法和手段。隨著我國科技水平的不斷進步和信息技術的不斷發展，我國的火電廠發展越來越迅速，計算機監控系統在火電廠的應用規模越來越大，為自動化控制理論的應用奠定了物質基礎。從自動化理論的應用情況來分析，智能控制的在火電廠生產經營活動的應用前景將越來越好。

4　自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用

4.1熱工儀表非線性特征的校正

在火電廠中，有著許許多多的儀表，這些儀表所測定的參數各不相同，但是它們都有著相同的特性，那就是非線性特性。對于火電廠中的這些儀表而言，非線性特性往往都是不可避免的，但是要對火電廠中各個機組的參數進行精確的測量，必須要盡可能的避免儀表的非線性特征，因為由于儀表的非線性特征，參數測量的精確度將大大降低，無法滿足生產的要求。為了使得火電廠的生產活動能夠得以順利開展，必須要減少由于熱工儀表非線性特性所帶來的誤差，而要減少誤差，在火電廠中經常采用的方法就是減小儀表測量范圍、采用非線性顯示刻度和加入非線性校正環節，這樣可以在一定程度上對誤差進行控制，但是由于減小儀表測量范圍和采用非線性顯示刻度都不能夠很好地滿足線性信號的要求，所以常常利用加入非線性校正環節來進行處理，通過加入非線性校正環節，一方面可以提高儀表測量的精度，另一方面還可以較好地滿足線性信號的需求。

要對熱工儀表的非線性特性進行校正，主要有兩種方法：第一種方法是模擬線性化，第二種是數字線性化。所謂的模擬線性化，是指的在傳統的模擬儀表的基礎上，對一些特殊的機械元件和模擬電路加以利用，然后再使得儀表的輸出信號能夠滿足線性要求，進而實現了模擬現實的線性刻度。模擬線性化所依靠的是硬件和模擬信號，實現了對輸出信號的線性化處理，這種校正方式在火電廠中應用較為廣泛，同時操作也較為簡單。在火電廠中，有著許許多多的模擬線性化例子，比如說基于開方凸輪實現節流式流量儀表中流量與差壓平方關系的線性化處理和以多段折線式逼近儀表非線性特性的線性化器等，通過這種方式，有效的改善了儀表非線性特性，使得輸出信號能夠更好地滿足線性化的要求。而所謂的數字線性化，不同于模擬線性化，它所利用的是智能儀表，而這些智能儀表并不像模擬線性化方式一樣對輸出信號進行處理，它們是對輸入的信號進行轉換，在信號輸入的時候，就按照一定的規則對其進行轉換，轉換之后再進行輸出，從而使得輸出的參數能夠滿足線性化的要求。模擬線性化與數字線性化都有著各自的優勢，模擬線性化可以視為熱工儀表非線性特性校正的硬方法，而數字線性化則可以視為熱工儀表非線性特性校正的軟方法，在火電廠中，數字線性化的應用也較為廣泛，比如說在數字巡測儀中，利用單片機的儲存器，將熱工儀表非線性特性寫入單片機的存儲器內，然后再通過軟件編制的查表法就可以十分迅速地實現輸出信號的數字線性化。

當前隨著我國科學技術的不斷進步，火電廠中的熱工儀表也在逐漸的趨于微型化、數字化和智能化，越來越多的高新技術被應用于火電廠之中，這些高新技術的應用大大的改善了火電廠的生產現狀。傳統的火電廠熱工儀表大都是采用的單片機查表法，但是隨著就計算機技術的不斷發展，單片機也逐漸的暴露出其缺點，單片機的儲存量往往較小，而且其運算速度也較慢，這些缺陷大大的限制了插表法的應用，雖然近些年來相關的研究人員對其進行了研究和改進，但單片機始終擺脫不了其固有的缺陷，即容易受到外部環境的影響和誤差較大。因此在火電廠中一般都是在數據量較小或者精度要求不高的情況下才使用查表法。隨著研究的不斷深入，在數字線性化領域也有了新的突破，比如說BP神經網絡和遺傳算法等在火電廠熱工自動化中的應用，對于熱工儀表非線性的校正起到了非常重要的作用。同時隨著對這些新方法的不斷探究，也為自動控制理論在火電廠熱工自動化中的應用開辟了新的領域。

4.2主蒸汽壓力新型調節策略

火電廠機組可以分為許多種類型，雖然火電廠機組的種類繁多，但是當前我國主要采用的是以燃煤為主帶有汽包與中間儲倉式制粉系統的單元機組，所謂的單元機組，就是指的把鍋爐、汽輪機和發電機一一相對應，進而形成縱向的聯系，然后再通過單元之間的連接構成整個生產系統。對于一個單元機組而言，其工作流程主要是首先讓煤粉和經過預熱的空氣通過燃燒器，然后讓煤粉和空氣在鍋爐的爐膛內進行混合燃燒，再加入水使得水變成蒸汽從而形成汽水混合物，然后再讓汽水混合物回到汽包，使得汽和水相互分離，蒸汽進入主蒸汽管道后帶動汽輪機做功進而帶動發電機轉動形成電能，同時做功后的低壓低溫蒸汽又可以回到爐膛進行下一輪的循環。從單元機組的工作流程可以發現在鍋爐內部有著許多的換熱器，但是汽輪機又與鍋爐有著較大的區別，其結構遠不如鍋爐復雜，而且反應也較為迅速，所以說在進行能量的轉換時，必須要兼顧二者的差異，才能夠充分的發揮其作用。而要使得鍋爐與汽輪機實現更好的協調，則需要參考主蒸汽壓力，以主蒸汽壓力為指標來衡量鍋爐和汽輪機的供求平衡及運行狀態，所以說主蒸汽壓力對于機組的正常運行有著非常重要的意義，它是一個非常重要的監測參數，通過主蒸汽壓力可以有效的反應出機組的運行狀態，但是要對主蒸汽壓力進行調節并不是一件簡單的事。

主蒸汽壓力一般都與所給定的值存在著一定的偏差，而要有效的對該偏差進行調節，則主要可以采取以下兩種策略：第一是基于主蒸汽壓力與給定值偏差的單回路調節策略；第二是基于主蒸汽壓力與給定值偏差以及中間導前信號的雙回路調節策略。兩種調節策略都有著各自的優勢與缺點，一般而言單回路調節策略的控制系統較為簡單，而且其參數也較少，所以較為方便，但是其響應的速度往往較慢，而且其抗干擾的能力也較差。但雙回路調節策略的抗干擾能力就較強，而且其控制的響應速度也較快，但它的缺點是控制系統較為復雜，而且其內外兩個回路參數的整定也不方便。當前在火電廠中應用的較為廣泛的新型調節策略主要有以爐膛輻射信號為中間被調量的串級模糊調節策略和LQ次優調節策略，以爐膛輻射信號為中間被調量的串級模糊調節策略可以有效的克服爐膛燃燒率的擾動，進而保證主蒸汽壓力保持在一定的范圍之內。而LQ次優調節策略則主要調節了主蒸汽壓力含有純遲延環節的特性。

4.3主蒸汽溫度的先進控制策略

所謂的主蒸汽溫度，是指的火電廠中從汽包出來的蒸汽經過了鍋爐煙道中的過熱器在過熱器出口所得到的蒸汽溫度，主蒸汽溫度同主蒸汽壓力一樣也是火電廠正常運行的一個重要參數，主蒸汽溫度也必須要控制在合理的范圍之內，而不能過高或者過低，因為主蒸汽溫度無論是過高或者過低，都將影響發電機組的安全運行。一般而言，主蒸汽溫度過高會使得相應設備的金屬材料出現變形，從而導致破壞，而如果主蒸汽溫度過低，又將嚴重的影響生產效率。所以說對主蒸汽溫度進行控制是非常有必要的。

當前在火電廠中，所采用的主蒸汽溫度控制策略主要有兩種，即主蒸汽溫度最優反饋控制策略和主蒸汽溫度串級學習控制策略。所謂的主蒸汽溫度最優反饋控制策略，其基本指標就是保證溫度控制的經濟性，然后再對狀態反饋矩陣進行進一步的優化，從而提出了主蒸汽溫度最優反饋控制策略。通過主蒸汽溫度最優反饋控制策略，既可以使得主蒸汽溫度得到快速而穩定的調節，又能夠大大的節約減溫水量，從而有效地使得經濟性得到保障。但是主蒸汽溫度最優反饋控制策略所需要的狀態并不能夠直接的進行測量，所以說其測量往往較為復雜，而且它對于增益往往也較為敏感，所以在實際的運用之中還需要進一步的與其它方式相結合，從而進行有效的改進。主蒸汽溫度串級學習控制策略主要的優勢是其不依賴于控制對象模型，它只需要通過樣本學習就可以得出相應的控制量，進而實現對主蒸汽溫度的有效控制。這兩種控制策略都有著各自的優勢，也都有著各自的缺點，所以說要合理的對其進行運用，才能夠實現對主蒸汽溫度的調節。

5　結語

從以上內容的分析和探討結果來看，自動控制理論在如今工業生產領域中發揮著越來越顯著的作用。尤其是在火電廠的實際生產活動當中，智能控制理論發揮了巨大的理論指導優勢。在火電廠的自動化控制對象中，比較難以處理的數據便是主蒸汽壓力，這是鍋爐、汽輪機等設備運作是否穩定的重要衡量標準，但同時慣性較大，難以掌控。本文針對這類參數的應對也進行了相應的探討，以供參考。作為當前火電廠，乃至整個生產領域的重要應用理論工具，自動控制理論的發展和研究還應當再接再厲，繼續發揚。

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