張丁予

(東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

0 引言

在火電廠中發(fā)電的基礎(chǔ)設(shè)備單元機組設(shè)備之間的協(xié)調(diào)以及控制是火電廠所面臨的首要的問題，預(yù)測控制是一種以計算機為基礎(chǔ)的新型的控制算法，該算法以數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)并結(jié)合反饋矯正理論對單元機組的狀態(tài)參數(shù)以及指令性信號進行綜合的調(diào)整還能夠?qū)崟r的考慮不確定量的參與對于系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，并將這些參數(shù)不斷的加入到控制系統(tǒng)中對控制系統(tǒng)做一個全面的校正。該算法對于火電廠中單元機組的過程實現(xiàn)能夠進行全面的監(jiān)測與信號的采集，并綜合各種信息得出最合適的控制信號。

1 單元機組動態(tài)模型的分析與建立

在本文的研究中將火電廠中最具有代表性的直流鍋爐單元機組作為與測控制以及控制系統(tǒng)建立的一個對象。該單元機組受多個變量的控制，并且變量與變量之間是相互關(guān)聯(lián)的各種變量綜合作用與直流鍋爐單元機組并對機組產(chǎn)生影響。為了研究問題的方面在該系統(tǒng)中考慮到負荷方面的作用，本文將該單元機組看做成一個具有兩個輸入信號與兩個輸出信號的數(shù)學(xué)模型。該模型源于某大型的火力發(fā)電廠，該火電廠的直流鍋爐單元機組的功率達到了300MW，針對該單元機組分別建立了負荷在100%和負荷在70%的兩種情況下的數(shù)學(xué)模型。兩個數(shù)學(xué)模型如下圖兩個公式所示。

在上述公式中四個比較重要的參數(shù)分別為 NE，PT，μB，μT分別為機組實際發(fā)出的功率，主要的蒸汽壓力，鍋爐燃燒率指令，氣機條門指令等。從上面所建立的負荷分別為100%與70%的數(shù)學(xué)模型來看，很顯然該系統(tǒng)是一個受多變量控制，具有不確定性的強耦合的系統(tǒng)。

2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)算法設(shè)計

該系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的PID控制的話將很難達到預(yù)期的快速響應(yīng)以及超調(diào)量足夠小的指標，利用預(yù)測控制系統(tǒng)能夠有效的解決傳統(tǒng)方式控制所帶來的負面的問題，能夠有效的針對多變量的、不確定性系統(tǒng)的進行協(xié)調(diào)控制。在本文所研究的火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的的基礎(chǔ)上，利用上述所建立的火電廠直流鍋爐單元機組的數(shù)學(xué)模型可以得出火電廠該單元機組的控制模型，利用該模型通過對火電廠的輸入輸出信號即機組的實際發(fā)出的功率與主要的蒸汽壓力作為初始的輸出，經(jīng)過控制系統(tǒng)就會相應(yīng)的產(chǎn)生兩個相應(yīng)的輸出，其中要進行信號的殘差求取以及差值的反饋的調(diào)節(jié)以達到使得系統(tǒng)具有較高的控制的精度，在這個過程中會出現(xiàn)由于參量過多以及不確定性而出現(xiàn)的目標動作指令的超調(diào)量過大或者響應(yīng)不及時的現(xiàn)象出現(xiàn)，將預(yù)測控制算法應(yīng)用于火電廠直流鍋爐機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的建立具有能夠減小系統(tǒng)的誤差提高系統(tǒng)精度，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度等優(yōu)點具體的做法是將預(yù)測控制系統(tǒng)設(shè)置到火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的前端讓信號的輸出都要經(jīng)過該預(yù)測系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)化以得到更加精確的控制信號。

圖1 預(yù)測控制系統(tǒng)與單元機組組合模型

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)性能分析

系統(tǒng)要追求性能上的快速響應(yīng)的話，那么所帶來的負面的影響就是信號會出現(xiàn)大尺度的超調(diào)量，只有通過不斷的大尺度的超調(diào)量才能夠快速的實現(xiàn)信號的出現(xiàn)偏差時的快速的調(diào)整，但是在有些情況下信號的超調(diào)量的增大會對機組甚至是整個系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響甚至?xí)纬梢欢ǖ钠茐呐c損失。同樣的如果要追求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的話也就是系統(tǒng)的精度，那么從系統(tǒng)的控制變量出現(xiàn)偏差到偏差減小到一定的程度在這里由于追求的精度較高，那么系統(tǒng)的整個響應(yīng)的時間就會變得很長，進而會嚴重影響控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的目的。所以很好權(quán)衡二者以達到可以接受的調(diào)節(jié)性能就是比較關(guān)鍵的。

4 仿真驗證

本實驗所上述直流鍋爐單元機組作為模型，選取的參數(shù)N1=6,Nu=2，λ=0.8,得到系統(tǒng)的仿真結(jié)果為在70%負荷的情況下，汽機調(diào)節(jié)閥門的開度指令在某一時刻出現(xiàn)了偏差為-0.4左右，鍋爐燃燒指令出現(xiàn)的偏差為-0.6然后火電廠直流鍋爐單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在加入預(yù)測控制的基礎(chǔ)上開始對出現(xiàn)上述的偏差進行了調(diào)整，在這個過程中出現(xiàn)的最大的超調(diào)量分別為0.8和0.2，達到穩(wěn)定狀態(tài)所用的時間都在400ms左右，在100%負荷的情況下這兩項指令開始的偏差分別為-0.4和-0.75左右，在調(diào)節(jié)的過程中出現(xiàn)的最大的超調(diào)量分別為0.7和0.2到達穩(wěn)定的時間在500ms左右。另外本文還對70%負荷下功率與汽壓的調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線進行了仿真，開始的偏差分別為-0.8與-0.25，在調(diào)節(jié)的過程功率與汽壓所出現(xiàn)最大的超調(diào)量分別為1與0.3左右，到達穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間都在500ms左右。從上面的仿真結(jié)果對比在沒有加入預(yù)測控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制參數(shù)上來看，在火電廠單元機組中加入預(yù)測控制單元能夠?qū)ο到y(tǒng)參量出現(xiàn)的偏差進行更加快速的響應(yīng)，并且在參數(shù)調(diào)節(jié)的過程中超調(diào)量也比沒有加入預(yù)測控制單元的控制系統(tǒng)要小，其達到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間也就是快速響應(yīng)的時間要比沒有加入該系統(tǒng)快幾十毫秒的時間。綜上所述，預(yù)測控制系統(tǒng)的加入不僅能達到系統(tǒng)的快速響應(yīng)的要求，還能夠達到穩(wěn)定狀態(tài)的精度的要求即該系統(tǒng)確實能夠?qū)ΜF(xiàn)行的控制系統(tǒng)進行一個有效的優(yōu)化。

5 結(jié)語

我國現(xiàn)行的發(fā)電廠單元機組的控制系統(tǒng)由于受控對象一般都要受多個變量的影響，所以目前傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)不論在信號控制的響應(yīng)速度還是從系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)的精度來看都難以滿足單元機組對于信號控制的需求，本文通過將預(yù)測控制系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠單元機組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計中有效的達到了系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的精度的兩方面的綜合的需求，經(jīng)過仿真驗證該系統(tǒng)確實能夠行之有效的實現(xiàn)系統(tǒng)控制精度與響應(yīng)速度的提升。

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