模型預測控制在鍋爐控制系統(tǒng)中的應用

周 冬， 宗學軍， 周 楠， 常 江， 陳興武

(1.沈陽化工大學信息工程學院，遼寧沈陽110142; 2.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧沈陽110869)

由于遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中主蒸汽壓力回路的前后裝置間耦合比較嚴重［1］，壓力控制過程反應緩慢，動態(tài)響應時間長，滯后嚴重，傳統(tǒng)PID的控制效果不理想，直接影響到發(fā)電機的經濟運行和能源的消耗.因此，采取Profit Loop控制技術來解決機組中大滯后回路問題，提高控制水平.

1 Profit Loop的控制原理

Profit Loop是完全集成到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的一種單輸入/單輸出(SISO)、基于模型的預測控制和優(yōu)化技術.通過對被控對象的在線辨識，以適應被控對象動態(tài)特性的變化.最后通過滾動優(yōu)化，計算出合理的控制信號［2］.模型預測控制方框圖如圖1.

圖1 模型預測方框圖Fig.1 Block diagram of model prediction

Profit Loop可以根據當前值及將來值產生控制動作序列，并用最優(yōu)的方式去趨近設定值，產生的控制序列如圖2所示.

圖2 控制序列圖Fig.2 Diagram of control sequence

2 主蒸汽壓力調節(jié)對象的動態(tài)特性

以主蒸汽壓力為被控量的燃燒調節(jié)對象，其流程如圖3所示.由爐膛1，蒸發(fā)受熱面2，汽包3和過熱器4等組成［3］.其主要的擾動是燃燒量擾動(內部擾動)以及蒸汽流量的擾動(外部擾動).

圖3 汽壓對象生產流程Fig.3 Diagram of steam pressure production flow

2.1 內擾下蒸汽壓力調節(jié)對象的動態(tài)特性

記燃燒量的變化為ΔuB，當ΔuB作階躍變化后爐膛熱負荷立即增大，致使汽包壓力pj上升，導致蒸汽流量D增加.由于汽輪機調汽門開度不變，主汽壓力pr將隨著蒸汽的積累而增大.pr的升高又會使蒸汽通向汽輪機的流出量增加，最終達到新平衡［3］，如圖4所示.其傳遞函數為:

圖4 內擾下汽壓的響應曲線Fig.4 Steam pressure curve under active disturbance

2.2 外擾下蒸汽壓力調節(jié)對象的動態(tài)特性

外部擾動是指電網負荷變化的擾動，它通過改變調節(jié)汽門開度ug，使汽輪機進氣量D變化而施加的擾動［3］.圖5表示了在ug作階躍擾動時汽壓的響應曲線，其中A是主汽壓的突跳值.傳遞函數為:

圖5 外擾下汽壓的響應曲線Fig.5 Steam pressure curve under external disturbance

3 鍋爐主蒸汽壓力控制方案分析

通過串級控制能夠有效地克服兩種擾動的影響.如圖6所示，控制器為主汽壓力調節(jié)器，引入二次油壓的變化作為前饋，可以快速響應汽輪機汽門開度的變化;主蒸汽壓力調節(jié)器的輸出為熱量信號，作為副調節(jié)器燃料調節(jié)器的設定值，燃料調節(jié)器的反饋為熱量信號，燃料調節(jié)器的輸出作為給煤機的轉速設定值，給煤機內部閉環(huán)控制跟蹤轉速設定值.此方案對于影響主蒸汽壓力的內部擾動可以通過副調節(jié)器來克服，同時引入了反映負荷變化的二次油壓作為前饋，能夠快速響應負荷的變化［3－4］.

圖6 主蒸汽壓力控制方框圖Fig.6 Block diagram of main steam pressure control

4 主蒸汽壓力的模型預測控制方案

雖然PID串級控制能夠達到部頒標準［3］，但主蒸汽壓力會隨著電網負荷的變化而波動，并且控制器的控制量很難控制，增添了執(zhí)行機構的負擔，使得執(zhí)行元件的使用壽命減少.因此，對于這些多干擾、耦合嚴重、大滯后對象，在原有的控制方案基礎上采用模型預測控制［5］.

采用的模型預測控制方案如圖7所示，副回路采用傳統(tǒng)的PID控制.針對主回路非線性強，干擾大，采取模型預測控制算法［6］，即主調節(jié)器用MPC控制器.

圖7 主蒸汽壓力的模型預測控制方案Fig.7 MPC's control scheme for main steam pressure

5 Profit Loop控制的實施

5.1 建立模型

在霍尼韋爾PKS系統(tǒng)中，通過多次給汽壓對象施加偽矩形脈沖響應(PRBS)激勵信號來獲得系統(tǒng)模型，實現Profit Loop.

5.2 模型的預測

將Profit Loop得到的動態(tài)模型置入到控制器進行預測，從而將控制器過去的OP值與將來的預測PV值聯(lián)系起來，如圖8所示，其傳遞函數為:

其中K是對象的增益系數，T是對象的滯后時間，n和d是模型系數，s是拉普拉斯常數［2］.

經過反復的測試，汽壓對象的系統(tǒng)模型為:

圖8 預測PV軌跡Fig.8 Forecast PV paths

5.3 控制器建立及運行

完成了測試結果評估后，將模型下載到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的C300控制器中運行，一旦計算出PV將來的運行軌跡，控制器就會采取相應的控制動作，促使過程的運行軌跡朝向控制目標.在這段時間，滾動計算促使PV值靠近SP值，減少控制器的偏差［2］，如圖9、圖10所示.

圖9 滾動計算示意圖Fig.9 Diagram of scroll calculation

圖10 控制作用的滾動優(yōu)化Fig.10 Rolling optimization for control action

6 Profit Loop控制的效果

經過Profit Loop控制后，預測控制［7］投入運行，控制效果較好.不但主蒸汽壓力平穩(wěn)，而且給煤機轉速特別平緩，波動小.這減輕了執(zhí)行機構的負擔，同時執(zhí)行元件的使用壽命得到了延長.相反，傳統(tǒng)PID控制器，由于控制器的控制量變化特別頻繁，導致蒸汽壓力波動幅度大.對比效果如圖11所示.中間部分為Profit Loop控制，前后兩端為傳統(tǒng)PID控制(圖11從上到下，第1條線為發(fā)電機有功功率曲線，第2條線為主蒸汽壓力，第3條線為給煤機轉速，第4條折線為控制器狀態(tài)).

圖11 機組蒸汽壓力的Profit Loop控制與PID控制對比圖Fig.11 Control effect of steam pressure under Profit Loop control and PID control

從圖11中還可以看出:當為Profit Loop控制時，發(fā)電機的有功功率變化比較平穩(wěn)，而為傳統(tǒng)PID控制時其變化頻率比較大.這是由于鍋爐的主蒸汽壓力和負荷相互影響的結果，即發(fā)電機有功功率隨著鍋爐主蒸汽壓力波動的變化而變化.因此，主蒸汽壓力的波動狀況可以直接通過發(fā)電機的有功功率做出判斷.

圖12為Profit Loop控制時機組運行曲線，圖12從上到下，第1條線為發(fā)電機有功功率曲線，第2條線為主蒸汽壓力，第3條線為給煤機轉速).通過對數據統(tǒng)計，Profit Loop控制時主蒸汽壓力標準差為0.02～0.04.從圖12中可以看出Profit Loop控制時蒸汽壓力穩(wěn)定，另一個優(yōu)勢是給煤機轉速平穩(wěn)，這對執(zhí)行機構特別有益，達到了廠方所希望的目標.

圖12 機組蒸汽壓力控制的Profit Loop控制曲線Fig.12 Steam pressure control curve in Profit Loop control

7 結束語

霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的Profit Loop作為一種模型預測控制技術，在遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中得到了成功應用，受到了廠方的好評.該技術減小了主蒸汽壓力的偏差，而且使控制量輸出平穩(wěn)，達到了經濟節(jié)能的目的，具有廣闊的應用前景.

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