趙 明,梁俊宇,范 赫,王培紅
(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217;2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096)
超超臨界直流爐機(jī)組是存在非線性、強(qiáng)耦合、大慣性、參數(shù)時變的復(fù)雜熱工對象[1-2]。為使機(jī)組功率盡快適應(yīng)電網(wǎng)變化,單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(Coordinated Control System, 簡稱CCS)同時控制汽輪機(jī)和鍋爐,協(xié)調(diào)動作,使機(jī)組可以很好地響應(yīng)外界負(fù)荷的指令。鍋爐側(cè)在響應(yīng)外界負(fù)荷變化時,具有大延遲、大慣性和很強(qiáng)的非線性,而汽輪機(jī)延遲較小,動作較快,鍋爐和汽輪機(jī)協(xié)調(diào)動作是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),而高性能的單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計是機(jī)組平穩(wěn)運行和快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的保證。
目前,基于前饋補(bǔ)償、串級等PID控制策略的CCS控制方案應(yīng)用于大多數(shù)單元機(jī)組中,但在機(jī)組啟停和變工況運行時,控制系統(tǒng)需要人工操作和監(jiān)控,運行參數(shù)容易偏離經(jīng)濟(jì)指標(biāo),造成低效率運行和環(huán)境污染。模型預(yù)測控制(Model Predictive Control, 簡稱MPC)算法[3],是一種基于模型的先進(jìn)控制技術(shù),以預(yù)測模型為基礎(chǔ),采用多步預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正策略使對象輸出有效地跟蹤輸出設(shè)定值變化,適用于大遲延、大慣性和時變對象,并先后發(fā)展了模型算法控制(MAC)、動態(tài)矩陣控制(DMC)、廣義預(yù)測控制(GPC)和內(nèi)模控制(IMC),已在工業(yè)界得到成功運用[4-10]。線性模型預(yù)測控制(Linear Model Predictive Control, 簡稱LMPC)在理論研究和實際應(yīng)用都已十分成熟,但在處理非線性對象仍存在丟失動態(tài)信息等問題。近年來,非線性預(yù)測控制(Nonlinear Model Predictive Control, 簡稱NMPC)已逐步發(fā)展,但在NMPC的穩(wěn)定性、魯棒性和優(yōu)化求解等問題仍需進(jìn)一步研究。
本文在文獻(xiàn)[2]基礎(chǔ)上,提出一種基于免疫優(yōu)化的超超臨界直流爐機(jī)組負(fù)荷非線性預(yù)測控制方法,將超超臨界直流爐機(jī)組負(fù)荷控制模型[1]作為被控對象和預(yù)測模型,利用改進(jìn)免疫遺傳算法,在有限時域內(nèi),對控制算法中的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),并滿足幅值約束和變化速率約束,給出模型當(dāng)前時刻最優(yōu)控制量,解決NMPC優(yōu)化求解問題。
由于預(yù)測模型和設(shè)計思路不同,各類預(yù)測控制策略存在差異,但其主要思想大體相同。對于單輸入單輸出系統(tǒng),可用圖1表示,其控制決策描述如下。



(1)
(3)將“最優(yōu)”控制序列中的t時刻控制信號u(t)=v*(t)作用于實際過程,并在下一個采樣時刻重復(fù)上面的過程。

圖1 預(yù)測控制在k時刻的優(yōu)化策略
圖2為預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖。雖然預(yù)測控制算法多樣,但其共同特征為:利用過程模型,預(yù)測對象在一定的控制作用下的系統(tǒng)未來動態(tài)行為,在給定約束條件和性能要求的基礎(chǔ)上,滾動優(yōu)化求解最優(yōu)控制量,作用于被控對象,并且在滾動的每一步監(jiān)測實時信息修正對未來動態(tài)行為的預(yù)測。預(yù)測控制系統(tǒng)可以歸納為:預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。

圖2 預(yù)測控制算法結(jié)構(gòu)原理圖
1)預(yù)測模型。預(yù)測控制是基于模型的控制算法,它的功能是根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測模型未來的狀態(tài)或輸出,對模型的結(jié)構(gòu)并無要求。因此,傳遞函數(shù)、模糊模型、神經(jīng)模型和狀態(tài)方程等都可作為預(yù)測模型。對于線性穩(wěn)定對象,階躍響應(yīng)和脈沖響應(yīng)等非參數(shù)模型也可作為預(yù)測模型。預(yù)測模型具有展示對象未來動態(tài)行為的功能,對于任意的控制序列,可得對象未來的動態(tài)輸出,進(jìn)而判斷約束條件是否滿足,計算其性能指標(biāo),用來比較不同控制策略的優(yōu)劣。獲得能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)未來動態(tài)特性變化的預(yù)測模型,是實現(xiàn)優(yōu)化控制的前提。
2)滾動優(yōu)化。預(yù)測控制也是一種基于優(yōu)化的控制算法,通過某一指標(biāo)最優(yōu)化來確定未來的控制序列。在每一個采樣時刻,優(yōu)化性能指標(biāo)值覆蓋Np和Nu的有限時域長度。得出最優(yōu)控制序列后,將當(dāng)前控制量作用于系統(tǒng),到下一時刻,優(yōu)化時域滾動向前,反復(fù)在線運行,相比傳統(tǒng)最優(yōu)控制,可實時獲得較精確的控制量。
3)反饋校正。由于實際系統(tǒng)存在模型失配、時變、擾動等不確定性,預(yù)測控制需要引入閉環(huán)機(jī)制補(bǔ)償各種不確定性來提高控制表現(xiàn)。在每一個采樣時刻,檢測對象的輸出或狀態(tài),到下一時刻,得到當(dāng)前時刻的實際對象輸出與模型預(yù)測輸出構(gòu)成的誤差,對未來的預(yù)測輸出進(jìn)行修正,得到更真實的預(yù)測輸出向量。
預(yù)測控制的本質(zhì)是采用閉環(huán)機(jī)制的滾動優(yōu)化,對于復(fù)雜的非線性被控對象,該控制算法不易獲得具有解析解形式的控制量。因此,本文提出一種新的非線性控制方法,用改進(jìn)的免疫遺傳算法處理在線滾動優(yōu)化問題,經(jīng)控制量幅值和變化速率的約束,保證所得解的可行性;用特殊的種群生成機(jī)制,可忽視被控對象的延遲對控制效果的影響[1]。
非線性預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,r為參考軌跡;u為控制量;y為被控對象的實際輸出;ym機(jī)理預(yù)測模型輸出;ym為經(jīng)反饋校正的預(yù)測輸出。

圖3 非線性預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
非線性預(yù)測控制系統(tǒng)的工作原理:將已知的機(jī)理控制模型作為被控對象和預(yù)測模型,在每個采樣周期內(nèi),找出滿足約束條件和目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)控制序列,取首個控制量作為當(dāng)前時刻的最優(yōu)控制量并作用給被控對象。根據(jù)當(dāng)前時刻被控對象與預(yù)測模型的輸出偏差對預(yù)測輸出序列進(jìn)行反饋校正,得到修正過的預(yù)測序列與參考軌跡進(jìn)入免疫優(yōu)化模塊進(jìn)行下一時刻的優(yōu)化求解,反復(fù)計算,滾動實施。
超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制模型為如下形式:

式中y1(t),y2(t),y3(t)——模型輸出值,即主蒸汽壓力,汽水分離器焓值,機(jī)組功率;x1(t-1),x2(t-1),x3(t-1)——模型狀態(tài)值,即入爐煤量,汽水分離器壓力,汽水分離器焓值;u1(t-1),u2(t-1),u3(t-1) ——模型輸入值,即燃料量指令,給水總量,汽輪機(jī)調(diào)門開度。
實際機(jī)組模型會因時變、噪聲干擾等不確定因素使得預(yù)測模型與實際對象產(chǎn)生偏差,因此需對預(yù)測模型輸出進(jìn)行反饋校正,內(nèi)容如下:
設(shè)預(yù)測控制系統(tǒng)的預(yù)測時域長度為Np,控制時域長度為Nu。經(jīng)反饋校正后的預(yù)測輸出序列為

(2)

當(dāng)k≥Nu,
ui(t+k)=ui(t+k-1)=…=ui(t+Nu-1)
由于非線性預(yù)測控制無法將性能指標(biāo)中的未知控制變量,寫成解析解的形式,因而需要采用非線性優(yōu)化方法進(jìn)行求解。本文采用改進(jìn)免疫遺傳優(yōu)化算法來獲得當(dāng)前最優(yōu)控制量。
滾動優(yōu)化就是在每一個采樣時刻,滿足系統(tǒng)的約束條件式(3)和式(4),尋找出一組最優(yōu)控制量序列{u*(t+k),k=0,…,Nu-1}使得控制性能指標(biāo)最優(yōu)。因本文采用改進(jìn)的免疫遺傳算法,目標(biāo)函數(shù)為二次型性能指標(biāo),即
控制量的幅值約束:
ujmin≤uj(t+k)≤ujmax,1≤j≤3,0≤k≤Nu-1
(3)
控制量的變化速率約束:
-Δujmax≤Δuj(t+k)≤Δujmax,
1≤j≤3,0≤k≤Nu-1
(4)
Δuj(t+k)=uj(t+k)-uj(t+k-1)
此控制系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)取為

(5)


下面將介紹用改進(jìn)的免疫遺傳算法來解決滾動優(yōu)化問題。
定義抗原和抗體:由于實際對象時變、內(nèi)外擾動等不確定性,使得機(jī)組運行值偏離設(shè)定值,而控制就是用偏差來消除偏差的方法,因此可將反映控制效果的二次型指標(biāo),作為抗原。
抗體能夠消滅抗原,代表著問題的可行解。本文采用二進(jìn)制編碼方法,二進(jìn)制編碼易在種群進(jìn)化、交叉、變異中獲得優(yōu)秀抗體,具有較高的尋優(yōu)精度。將待定控制量轉(zhuǎn)換為抗體,第l個抗體可表示為

(6)
在當(dāng)前采樣時刻t, 免疫在線優(yōu)化算法分為以下幾個步驟。
(1)產(chǎn)生種群規(guī)模為L的初始抗體種群(即L個初始控制序列):初始抗體種群在滿足幅值和變化速率約束的范圍內(nèi)隨機(jī)選取,即用下列方法生成。
設(shè)u(t-1)是t-1時刻的控制輸入,依據(jù)下列的方程選取t時刻的控制量:

(7)
式中r——區(qū)間[-1,1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
由于被控對象含有延遲(取36 s),為降低延遲對控制效果的影響,在步驟(1)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),采樣時間取為9 s,則燃料量指令延遲4個采樣點,故選u1(t-5)、u2(t-1)和u3(t-1),作為抗體序列的首行元素,以此類推。由此對象的延時已包括在抗體中,因此經(jīng)優(yōu)化求解的最優(yōu)序列,可實現(xiàn)對被控對象的最優(yōu)控制。

(8)
(3)更新記憶細(xì)胞。在改進(jìn)的免疫遺傳算法中,記憶細(xì)胞是確保算法全局收斂的關(guān)鍵,需不斷更新。每次更新時,用種群中抗原親和力最高的Nm(Nm為記憶細(xì)胞的個數(shù))個抗體與記憶細(xì)胞比較,并更新種群中低抗原親和力的抗體。
(4)促進(jìn)和抑制抗體:用式(9)計算任意兩個抗體sl和sm的親和力:
(9)
式中Hl,m——抗體sl和sm間的結(jié)合強(qiáng)度。
抗體l的濃度定義為
(10)
式中θ——親和力常數(shù),一般取0.9≤θ≤1。
選擇抗體的標(biāo)準(zhǔn)由抗原親和力與抗體濃度兩部分組成:
Sl=β(Ag)l+(1-β)e-μCl
(11)
式(11)可使高抗原親和力且低抗體濃度的抗體得到增殖,能夠確保種群多樣性和全局收斂。通常取β=0.7,μ=1.25。
(5)通過種群繁殖(交叉和變異)產(chǎn)生新一代抗體種群:首先將抗體進(jìn)行二進(jìn)制編碼,以式(11)為標(biāo)準(zhǔn),采用輪盤賭的選擇機(jī)制,選擇兩個父母代抗體,用多點交叉算子對抗體進(jìn)行交叉操作。多點交叉有時會產(chǎn)生不滿足控制量變化速率的子代抗體,可用下列方法來修正。
多點交叉后,依次檢查每組相鄰的抗體元素,抗體序列第一個元素ul(t)與u(t-1)配對,依次ul(t+z)與ul(t+z-1),一直到ul(t+Nu-1)與ul(t+Nu-2)。
設(shè)dc=ujl(t+z)-ujl(t+z-1),如果dc>Δujmax,則ujl(t+z)=ujl(t+z-1)+Δujmax;如果dc<-Δujmax,則ujl(t+z)=ujl(t+z-1)-Δujmax;(0≤z≤Nu-2)。

(12)
(13)

(14)

(6)重復(fù)步驟(1)~(5)直到滿足終止條件:達(dá)到迭代次數(shù)Ngen或連續(xù)多代(如6代)最優(yōu)抗體的抗原親和力無改變,則算法停止。
基于改進(jìn)的免疫遺傳優(yōu)化算法的非線性預(yù)測控制方法具體步驟如下。
(1) 確定預(yù)測模型:預(yù)測控制可選用參數(shù)和非參數(shù)模型作為預(yù)測模型,對模型的結(jié)構(gòu)無要求,本文采取超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制模型[1]作為預(yù)測模型。
(2) 確定算法結(jié)構(gòu)參數(shù):確定預(yù)測時域長度Np,控制時域長度Nu,目標(biāo)函數(shù)式(5)中的加權(quán)系數(shù)λ和γ,以及免疫優(yōu)化算法的各參數(shù)值(L,Pc,Pm,Ngen,Nm,θ,λ,μ,n,Pmax,a,dmax,len);其中l(wèi)en為最優(yōu)解對應(yīng)的各元素的二進(jìn)制串長度。
(3)讀取控制量的幅值約束ujmin和ujmax和控制量的變化速率約束Δujmax。
(4)獲得當(dāng)前狀態(tài)變量和控制量:x1(t-1),x2(t-1),x3(t-1),u1(t-1),u2(t-1),u3(t-1)。
(5)在前一時刻控制作用u(t-1)滿足幅值約束和變化速率約束的范圍內(nèi),根據(jù)式(3)和式(4)確定當(dāng)前時刻的抗體種群,并用記憶細(xì)胞更新此種群。
(6)以目標(biāo)函數(shù)式(5)作為抗原,計算抗原親和力,并用改進(jìn)的免疫遺傳算法進(jìn)行在線優(yōu)化,求出當(dāng)前t時刻的最優(yōu)控制序列{u*(t+k),k=0,1,…,Nu-1}。
(7)將u*(t)作用于被控對象得到系統(tǒng)的輸出。
(8)返回步驟(4)進(jìn)行下一個采樣周期的計算。
在工程實踐中,因要避免熱力設(shè)備受到熱沖擊和防止主汽壓力超出允許范圍,控制算法融入控制量幅值和變化速率的約束,可設(shè)計出高效實用的控制器。此負(fù)荷控制的對象取自超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制模型[1],為便于控制器設(shè)計,對象延遲τ=36 s,則采樣周期為T=9 s,N0=5,預(yù)測控制參數(shù)的選取:Np和Nu的增減對控制效果有著互補(bǔ)的作用,即Np的增加與Nu的減少對控制效果影響相同,反之亦然;因在低維解空間,可提高算法尋優(yōu)精度且實現(xiàn)簡單,綜合考慮則令Np=8,Nu=1;目標(biāo)函數(shù)式(5)中加權(quán)系數(shù),經(jīng)反復(fù)試湊,取γ(1)=0.5,γ(2)=0.005,γ(3)=0.150,λ(1)=λ(2)=λ(3)=1,柔化系數(shù)alfa=0.1。優(yōu)化算法中的參數(shù):種群規(guī)模L=30,最大迭代次數(shù)Ngen=30,交叉概率Pc=0.8,變異概率Pm=0.1,記憶細(xì)胞數(shù)目Nm=10,二進(jìn)制數(shù)長度len=[12 12 12];輸入幅值區(qū)間[min_uB, min_Dfw, min_ut]=[40 380 0.2],[max_uB,max_Dfw,max_ut]=[120 850 1];最大變化速率為[Δumax_uB, Δumax_Dfw, Δumax_ut] = [0.6 3.8 0.05];工業(yè)過程中大多采用PID控制,所以本文采用預(yù)測控制與PID控制方法進(jìn)行對比。仿真試驗具體如下。
分別作在600 MW穩(wěn)定工況下,階躍上升20 MW和1 000 MW穩(wěn)定工況下降20 MW的階躍擾動試驗。
圖4~圖7顯示算法控制效果。

圖4 600 MW工況升負(fù)荷階躍擾動,非線性預(yù)測控制方法控制曲線

圖5 600 MW工況升負(fù)荷階躍擾動,PID控制曲線

圖6 1 000 MW工況降負(fù)荷階躍擾動,非線性預(yù)測控制方法控制曲線

圖7 1 000 MW工況降負(fù)荷階躍擾動,PID控制曲線
由圖4至圖6所示,本文的控制算法跟蹤速度較快,無超調(diào),調(diào)節(jié)時間短,并且主蒸汽壓力和汽水分離器焓值變化幅值較小,過渡時間短,利于機(jī)組安全穩(wěn)定運行,與PID控制方法相比,此非線性控制方法具有良好的控制品質(zhì)。
實際機(jī)組升降負(fù)荷的負(fù)荷指令是采用斜坡信號,為了進(jìn)一步驗證此控制方法的負(fù)荷適應(yīng)性,給工程應(yīng)用提供借鑒,分別作300 MW大范圍升降負(fù)荷試驗:
(1) 降負(fù)荷。機(jī)組由1 000 MW穩(wěn)定運行工況,以2%/min的速率降至700 MW穩(wěn)定工況。
(2) 升負(fù)荷。機(jī)組由600 MW穩(wěn)定運行工況,以2%/min的速率升至900 MW穩(wěn)定工況。
圖8~圖11顯示本文方法與PID方法的閉環(huán)控制效果。

圖8 1 000 MW工況斜坡降負(fù)荷擾動,非線性預(yù)測控制方法控制曲線

圖9 1 000 MW工況斜坡降負(fù)荷擾動,PID控制曲線

圖10 600 MW工況斜坡升負(fù)荷擾動,非線性預(yù)測控制方法控制曲線

圖11 600 MW工況斜坡升負(fù)荷擾動,PID控制曲線
由圖8~圖11所示,非線性預(yù)測控制方法可以很好地跟蹤負(fù)荷指令,PID控制在負(fù)荷階躍響應(yīng)和斜坡響應(yīng),控制參數(shù)需要重新整定,控制時間長,而非線性優(yōu)化預(yù)測控制則不需要整定參數(shù),控制時間短,曲線超調(diào)小,控制效果更好,所以此非線性預(yù)測控制方法能滿足單元機(jī)組大范圍變工況控制的要求,可以為工程應(yīng)用提供借鑒。
(1)600 MW穩(wěn)定工況升負(fù)荷階躍擾動。負(fù)荷指令階躍增大20 MW,首先汽輪機(jī)調(diào)門開度立即上升,通過釋放機(jī)組蓄熱來提高機(jī)組負(fù)荷響應(yīng);隨即燃料量指令增加,由于燃料側(cè)延遲和機(jī)組慣性,經(jīng)過一定的過渡時間,使得機(jī)組功率穩(wěn)定在負(fù)荷設(shè)定值上;為了穩(wěn)定汽水分離器焓值,給水流量隨即增加,便于過熱汽溫和主蒸汽壓力的控制。由于利用汽輪機(jī)調(diào)門開度增大來提高負(fù)荷響應(yīng),通流面積增大,主蒸汽壓力便立即下降;由于汽水蓄熱的釋放,汽水分離器焓值降低,隨著入爐煤量和給水流量的增加,主蒸汽壓力和汽水分離器焓值逐漸恢復(fù)到初始值上;動態(tài)過程符合實際機(jī)組運行,也證實所建負(fù)荷控制模型本質(zhì)上是正確的。
(2)1 000 MW穩(wěn)定工況降負(fù)荷階躍擾動。負(fù)荷指令階躍降低20 MW,首先汽輪機(jī)調(diào)門開度階躍降低,工質(zhì)通流面積減小,主汽壓力增大,工質(zhì)蓄熱增大,使得進(jìn)入汽輪機(jī)的工質(zhì)所攜帶的能量減少;隨即燃料量指令降低減少入爐煤量,使得負(fù)荷穩(wěn)定在負(fù)荷設(shè)定值上。為保證一定的煤水比,給水流量隨即下降。由于工質(zhì)蓄熱上升,汽水分離器焓值上升,經(jīng)短暫調(diào)整,壓力和焓值穩(wěn)定在初始水平上。
(3)1 000 MW穩(wěn)定工況斜坡大范圍降負(fù)荷。負(fù)荷指令和主蒸汽壓力指令斜坡下降,汽輪機(jī)調(diào)門開度逐漸下降,來跟蹤負(fù)荷指令,因工質(zhì)通流面積減少,使得主汽壓力大于設(shè)定值,也因壓力不穩(wěn),汽水分離器焓值在設(shè)定值附近上下波動。利用汽輪機(jī)調(diào)門開度來增加負(fù)荷響應(yīng)速度,是協(xié)調(diào)控制的基本原則之一,功率可以很好地跟蹤設(shè)定值,主蒸汽壓力和汽水分離器焓值的波動在安全范圍內(nèi),所以基于免疫優(yōu)化的非線性預(yù)測控制方法具有良好的控制效果。
(4)600 MW工況斜坡大范圍升負(fù)荷。負(fù)荷和主蒸汽壓力指令斜坡上升,汽輪機(jī)調(diào)門開度逐漸增大以釋放蓄熱來跟蹤負(fù)荷指令,通流面積增大,主蒸汽壓力便小于設(shè)定值,汽水分離器焓值也產(chǎn)生波動,隨著負(fù)荷上升結(jié)束,經(jīng)控制量調(diào)整,機(jī)組輸出穩(wěn)定在設(shè)定值上,說明此優(yōu)化算法具有滿意的優(yōu)化求解能力。
本文提出的非線性優(yōu)化預(yù)測控制在處理大慣性、延遲對象上取得很好的控制效果,可通過特殊的種群生成機(jī)制,消除對象延遲對控制效果的影響。將負(fù)荷控制模型作為預(yù)測模型,能夠使優(yōu)化
算法在采樣周期內(nèi),對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行有限時域優(yōu)化,獲得優(yōu)秀的控制序列,并給出當(dāng)前最優(yōu)控制量。此控制方法可有效地解決控制量幅值和變化速率受限問題。通過算法尋優(yōu),確定當(dāng)代最優(yōu)抗體,更新記憶細(xì)胞,使得優(yōu)秀抗體逐代保留,并采用二進(jìn)制編碼進(jìn)行種群繁殖,以提高算法的尋優(yōu)能力和速度。對超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制模型進(jìn)行仿真,結(jié)果表明:仿真輸出可很好地跟蹤設(shè)定值曲線,系統(tǒng)具有滿意的動態(tài)性能,為超超臨界機(jī)組負(fù)荷控制提供一個新的途徑。