单元机组协调控制系统(王庆利)

东北大学博士学位论文目录东北大学博士学位论文第一章绪论•1•第一章绪论1.1研究的目的与意义单元制机组出现半个多世纪以来，锅炉－汽轮机系统在运行中的和谐与统一问题一直是理论研究者和工程技术人员关注的焦点，单元机组协调控制系统正是伴随着这样的关注应运而生并迅速发展的。作为锅炉－汽轮机系统的控制中枢，协调控制系统已经成为现代电站自动化系统中最为核心的组成单元。随着国民经济的发展，高参数、大容量机组在电网中所占的比例愈来愈大，由于用电结构发生变化，电网日负荷曲线的高峰与低谷之差增大，有些地区的峰谷差已达50%以上，而且还有继续增大的趋势因此，目前要求单元机组都具有参与电网调峰、调频的能力。火力发电单元机组的协调控制系统是一个复杂的多变量控制系统。此系统较难取得良好控制品质的主要原因包括机炉控制回路间的耦合以及大范围变化负荷时机炉协调控制对象所表现出来的非线性特性等。对机炉控制回路间的耦合问题，目前大多数协调控制算法采用单向静态解耦来解决，且其参数整定大多采用经验试凑法，而当前很多新型解耦控制算法则缺乏实用性。对大范围变化负荷时协调控制对象所表现出来的非线性特性，传统的协调控制算法未能很好地解决。虽然也有很多智能控制算法如模糊控制、鲁棒控制等都在尝试解决大范围变化负荷时单元机组协调控制对象所表现出来的非线性特性，但是一般模糊控制器的稳定性和动态品质的分析缺乏理论依据；而鲁棒控制则是以牺牲控制系统的动态品质来换取系统的大范围稳定性。此外，还有研究人员试图以非线性控制器设计方法来解决协调控制系统的非线性问题，但非线性控制器设计方法需要准确知道系统的数学模型，才能够做到将系统的非线性环节有效补偿或者抵消，而这对协调控制系统来说是非常困难的。针对以上分析，本文采用模糊自适应控制设计方法和逆系统控制设计方法对协调控制系统进行解耦设计。采用模糊神经网络对协调控制系统的非线性问题转化为伪线性问题进行设计，一方面简化了控制器设计过程，另一方面也有利于工程实际应用。本文的主要研究内容是先进的智能控制技术在工程实际中的应用。东北大学博士学位论文第一章绪论•2•1.2单元机组协调控制系统的设计目标单元机组协调控制系统(CCS-CoordinatedControlSystem)，就是把锅炉及汽轮机作为一个整体进行综合控制。单元机组控制的任务是使机组负荷紧密跟踪外界负荷需求（调度负荷指令或操作员负荷指令），并保持汽机前汽压的稳定。由于锅炉对象与汽轮机对象控制特性差别很大，采用简单的锅炉跟随方式或汽机跟随方式均不能很好地解决提高机组的负荷适应能力和保持汽压稳定二者之间的矛盾。单元机组协调控制系统充分利用锅炉蓄热能力及汽机调节的快速性，既保证了机组能够比较快速地适应负荷的变化，又不致使主汽压力波动较大。由于这种控制方式具有机炉兼顾、互相协调的特点，在大型单元机组中得到普遍应用。(1)保证机组负荷跟随负荷指令变化，提供尽可能快的负荷升降速率。这里的负荷升降速率一般指由协调控制系统指令处理回路给出的，机组能够接受的负荷指令变化速率。主要技术指标包括：负荷变化速率/esNt(MW/min)；负荷响应延迟时间(s)；负荷跟踪误差e(MW)；动态超调%；并且负荷调节应该是静态无差的如图1.1所示。理想的协调控制系统应该使/esNt足够大，同时使,e,%尽可能小图1.1负荷响应过程动态指标Fig.1.1theloadresponsedynamictarget(2)保证机前压力跟随压力定值变化，尽量减小压力动态偏差并限制压力的变化速率。(3)控制器结构简单，参数便于整定和维护。工程上整定控制器参数一般依靠东北大学博士学位论文第一章绪论•3•扰动实验，控制器参数应该能够经过几次实验调试获得优化，调试参数过多或调试方法过于复杂将使任何优秀的设计失去应用价值。机组长期运行被控对象特性发生改变时，也能够通过简单的调试保证系统性能指标。(4)提供灵活的运行方式。在不同工况下，机组有不同运行目标。在机组各种设备运行状态良好情况下，希望能够提供尽可能高的负荷升降速率；在低负荷时，稳定燃烧成为主要目标；在锅炉、汽轮机或各种辅机发生故障时，希望机组降负荷运行而不停机。一般的协调控制系统应该能够提供协调、机跟炉、炉跟机、炉基本、机基本方式。不同方式之间能无扰切换。(5)兼顾其它控制回路及参数的性能。如过热汽温、再热汽温、排烟氧量、汽包水位及锅炉、汽轮机热应力等。1.3单元机组协调控制存在的主要问题侧重于理论方法研究的有：模糊多模型控制[2]、模糊内模控制[3]、多变量预测控制[4]、多变量鲁棒控制[5]、自适应控制[6]、反馈线性化控制等等。这些方法大多利用对象做仿真。侧重于工程实用研究的有：负荷/压力增量预测控制、柔性控制、基于PID的解耦控制、基于PID的鲁棒、基于PID的内模控制等等。这些在控制方法在工程实现方面存在一些问题，实际控制效果往往很难超越传统的工程方法，与仿真结果存在较大差距。造成这种现象的原因是多方而的，如高阶控制器及复杂控制算法的工程实现问题、过多的可调参数及参数物理意义不明晰的问题、现场干扰及执行机构制约问题等等，也有单元机组协调控制系统是一个相对复杂的多变量控制系统得原因，复杂性主要体现在以下几个方面[7]：(1)多变量强耦合。(2)多目标相互关联。(3)机组动态从本质上说是非线性的。机组动态的非线性特征主要有两种形式,存在于汽机侧的调节阀门本质非线性，以及东北大学博士学位论文第一章绪论•4•存在于锅炉对象中的系统非线性。当前协调控制系统的分析与设计的通常做法是将其在某一工作点线性化，而忽略其高频非线性，而这种高频非线性常常会被控制器激发而使调节过程振荡。(4)机组动态特性是时变的。因此根据某一工作点下的线性化模型设计的协调控制系统，未必能保证系统在其它工作点下的动态响应品质。因此，必须考虑模型的自动适应性以及控制算法的鲁棒性能问题。(5)系统存在着不确定干扰。燃煤的煤质变化，给煤量的扰动(6)能量平衡指标、热经济指标难以直接、准确、实时地得到。如果能量平衡指标的准确性、适应性和实时性能够得到充分的保证，那么能量平衡方法就是设计协调控制系统的一种较好的方法。一些热经济指标也是很重要的，例如煤质/发热量校正系数，如果能保证指标的有效性，将会大大提高协调控制系统抗煤质扰动的能力。(7)锅炉侧存在着很大的纯迟延。常规的PID控制器很难解决这个问题，尤其是PID控制器的积分作用常使系统超调而积聚能量，使系统产生振荡。(8)运行的安全性要求。协调控制系统在满足某一特定任务约束的前提下，还需保证一切变量小超限，包括被控量，状态量和控制量。1.4单元机组协调控制系统的研究现状单元机组协调控制系统的被控对象是一个典型的多变量、强耦合、大迟延、非线性系统，而且具有不确定干扰、多目标优化、精确数学模型难以确定等特点，因此，包含着控制领域的大量热点研究问题，引起了众多学者和工程技术人员的广泛研究兴趣，几乎每一种流行的控制策略都被用于提高协调控制系统性能的研究，因此，要对单元机组协调控制系统的发展状况做一个系统的概括和总结是十分困难的，这里仅从本文的研究视角，将有关协调控制系统的研究分为基于传统控制方法的研东北大学博士学位论文第一章绪论•5•究和基于智能化控制方法的研究两个方面进行阐述。1.4.1基于传统的控制方法研究基于传统的控制方法的研究技术相对比较成熟，应用也更为广泛。(1)基于间接能量平衡单元机组协调控制方法间接能量平衡协调控制系统一般选择机前压力Pt作为锅炉能量输出与汽轮机能量需求之间平衡的特征参数，通过控制这些间接参数维持整个机组的能量平衡，并且一般采用PID作为机炉主控制器。，采用INFI-90DCS功能码进行组态，(2)基于直接能量平衡单元机组协调控制方法80年代初期，美国LeadsandNorthrup公司提出了直接能量平衡控制思想，推出了DEB-300直接能量平衡式单元机组协调控制系统，成功地解决了能量平衡的动态响应问题。这种新颖的设计思想很快被很多国家所采用。早在80年代中期，在上海阂行电厂11#机上就己经实现了DEB-300控制算法。DEB-400系统，促进DEB400的实际应用水平，起到了很好的推动作用。但是，由于DEB调节方式并不能完全补偿单元机组协调控制系统的全部非线性特性，因此，在大范围变负荷时，控制效果会变差。(3)基于解耦的多变量控制方法研究多变量解耦控制是先进控制理论中的传统方法，简单而灵活的结构，使其在工业领域得到了广泛的应用。目前在电厂中应用较多，前面提到的由MCS公司开发的DEB400协调控制系统实际上就是采用一种近似的多变量解耦控制结构。(4)基于鲁棒控制方法研究基于鲁棒控制理论的设计主要一些文章上提出，都是通过仿真试验证实了该方法的有效性。(5)基于预测算法控制研究模型预测控制是近年来发展起来的一类新型控制算法，预测控制研究对于单元机组协调控制系统设计而言，预测控制的最大优势在于能够采用滚动优化的策略，根据运行情况进行实时修正，并将各种优化目标融入到控制律中。在协调系统的预测控制研究方面，英国的Hogg教授领导的研究团队做了大量的工作；东北大学博士学位论文第一章绪论•6•(6)基于结构优化的控制方法控制系统结构的优化相对于算法的研究是一个综合性比较强的问题，涉及到对物理过程的深入了解。(7)基于反馈线性化方法(8)基于反步设计方法(9)基于多模型及增益调度方法1.4.2基于智能控制方法的研究(1)模糊控制方法文献[45]采用正态分布隶属函数模糊控制系统对某电厂采用中间储仓式制粉系统的200MW燃煤单元机组主汽压力控制系统进行了仿真研究和实时控制，取得了很好的控制效果。文献[46]将模糊推理、解耦控制和自适应技术结合起来，提出了单元机组协调控制系统设计的新方法，使用美国Foxboro公司的I/ASeries集散控制系统进行控制算法组态，并在某电厂300MW机组上获得实际应用。(2)模糊神经元与模糊神经网络控制方法文献[52]提出了一种模糊控制器和神经元控制器复合构成的前馈模糊神经非模型单元机组协调控制方法，并针对某单元机组进行了实例仿真试验。结果表明，这种新的控制方法不仅具有满意的控制性能，而且具有强鲁棒性和抗干扰性能，它显著地提高了单元机组协调控制系统在机组负荷及工况变化时的鲁棒性和控制品质。(3)基于分层递阶控制方法研究在文献[54]中论述了一种分层的智能协调控制系统的总体结构，即监督器－解耦策略－伺服系统三层，这种新的智能协调控制系统己经部分地应用于工程实践[55]。(4)基于预测优化控制方法研究文献[57]以专著的形式对单元机组协调控制进行了系统、深入的分析和总结，力求反映近年来协调控制系统新的进展，理论联系实际地对协调控制系统进行分析、设计、综合以及整定。文中首先分析了单元机组动态特性、数学模型，然后对目前东北大学博士学位论文第一章绪论•7•广泛使用的各种协调控制系统的构成原理、使用SPEC200Micro具体实现的协调控制系统进行了探讨，最后，研究了简化的多变量协调控制系统设计方法和多变量逆奈氏阵列(INA)协调控制系统设计方法。这些协调控制算法的研究和应用，大大提高了协调控制的理论研究和实际应用水平。但是对单元机组大范围变负荷时所引起的非线性问题，目前还没有很好的实用解决方案。(5)专家系统(EC)目前没有实际应用，文献中研究(6)遗传算法(GA)在文献中有研究，因此遗传算法的理论有待进一步深入研究。1.5本文的主要工作第一章，绪论。第二章，单元机组动态数学模型。第三章，模糊控制在非线性单元机组协调控制中的应用第四章，单元机组协调系统自适应模糊控制的Backstepping设计。第五章，单元机组协调控制系统中的模糊自适应逆控制。第六章，单元机组协调系统的逆系统方法。第七章，单元机组协调系统中的神经网络逆系统方法。第八章，总结与展望。东北大学博士学位论文第二章单元机组动态特性数学模型•9•第二章单元机组动态特性数学模型2.2单元机组模型研究的现状目前火电机组建模的两个主要研究方向：一是侧重于实验数据分析的