基于解耦設計的積分分離控制器在協調控制系統中的應用

鄭 清，東朝陽，張明智

(華北電力大學電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

近年來，隨著電力工業自動化水平的提高，電網綜合自動化對單元機組協調控制系統的設計和控制品質提出了越來越高的要求。但是，由于單元機組協調控制系統是一種多變量控制系統，受控過程是一個多輸入多輸出的過程，在輸入和輸出之間存在著交叉的關聯和耦合。協調控制系統設計的理想目標就是實現多變量的完全解耦［1－2］。本文對協調控制系統進行了解耦且對積分分離控制器進行了仿真試驗，經過與常規PID控制進行比較，積分分離控制器可應用于機側控制器。

1 機組協調控制對象的動態特性分析

汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入和雙輸出的被控對象，機組的輸出功率N和機前壓力Pt只為被控量;主汽門調節閥開度量μ和燃料量B為控制量［3－4］。這種合理簡化的前提是:

(1)送風量和燃料量相適應，保持燃燒穩定。

(2)引風量與送風量相適應，保持爐膛壓力。

(3)給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡。

(4)主蒸汽溫度相對獨立。

在此基礎上，單元機組協調控制系統的對象原理圖如圖1所示。

圖1 協調控制系統對象簡化模型

在此基本假設條件下，單元機組受控過程動態特性可由線性常系數多變量傳遞函數描述:

式中:Y(s)、U(s)分別為被控量和控制量矢量;G(s)是系統的傳遞函數矩陣。

對于圖1所示的單元機組受控對象，有:

求取G(s)各元素的傳遞函數表達式要建立單元機組動態特性數學模型，本文采用前人己經建立的成熟數學模型［5］:

使用的量綱為:ΔPt，MPa;ΔN，MW;ΔB，t/h;Δμ，%。

2 機爐動態特性的基本特征

構成單元機組受控對象的設備是鍋爐和汽輪發電機組兩大部分。協調控制系統設計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象，其動態特性方面有以下基本特征:

(1)在鍋爐控制量ΔB作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應是一個慢速的慣性過程;而在汽輪機控制量Δμ的作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應則是一個快速的過程。

(2)由于鍋爐的熱慣性比汽輪發電機組的慣性大得多，使得輸出被控量ΔPT和ΔN對于ΔB的響應速度十分接近，表現為傳遞函數矩陣中GPB(s)與GNB(s)之間十分相近的特性。

(3)利用汽輪機調節門開度Δμ作為控制量，可以快速的改變機組的被控量ΔPT和ΔN。其實質是利用了機組內部的蓄熱，主要是鍋爐內部的蓄熱。機組容量越大，相對地這種蓄熱能力越小。因而，利用汽機調節門控制機組輸出功率的方法只能是一種有限的、暫態的策略。這樣限制體現在對機前壓力ΔPT變壓范圍與變化速度的限制。因為PT直接反映了鍋爐能量輸出與汽輪機功率之間的平衡關系。

3 協調控制系統控制對象的解耦設計

解耦設計是多變量系統控制中的有效手段，其實質是針對多變量受控對象各輸入與輸出之間存在關聯與耦合的基本特征，設計補償網絡來消除或消弱其間的關聯與耦合，把多變量問題轉化為多個單變量控制問題來處理。在工程實際中，常用靜態解耦、單向解耦和近似解耦三種較為實用的解耦網絡簡化結構［6］。

本文采用前饋補償解耦，該方法原理和結構簡單，易于實現。解耦網絡結構如圖2所示。

圖2 前饋補償結構

由圖2可得兩輸出分別為(不考慮反饋閉環):

要實現系統的解耦，由式(4)和式(5)可得兩個前饋補償器分別為:

由前面提到的數學模型式(3)將得到:

四個式子代入公式(6)和(7)即可求出Gp12(s)和Gp21(s)從而實現系統的完全解耦。解耦后的系統等效為兩個控制回路:汽機側控制回路和鍋爐側控制回路，針對汽機側調節速度快的特點，將積分分離PID控制器應用于汽機側控制器。

4 積分分離控制器在汽機側控制器中的應用及仿真

普通PID控制中引入積分環節的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定時，短時間內系統輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執行機構可能允許的最大動作范圍對應的極限控制量，引起系統較大的超調，甚至引起系統較大的振蕩，這在生產過程中是絕對不允許的。引進積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調量，使得控制性能有了較大的改善。

積分分離控制的基本思路是:當被控量與設定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大;當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。

取數學模型式(3)做閥門開度階躍擾動的內擾仿真試驗:

(1)汽機側積分分離PID的參數kp=2，ki=0.0625，kd=0.01。

(2)汽機側傳統的PID控制器的參數:kp=1.2;Ti=180;Td=0.1。

靜態工況下，仿真時間為700 s時在汽機側加入1%的閥門擾動量，其仿真結果如圖3所示。

圖3 汽機閥門開度擾動下功率響應曲線

圖中實線是使用積分分離控制算法得到的輸出，虛線是常規PID控制的輸出。可以看出，積分分離控制能明顯的減小超調量和振蕩次數，改善控制品質。

5 結束語

文中采用的是以爐跟機為基礎的協調控制系統。對于以爐跟機為基礎的系統來說，汽機調節器本身就具有很強的消除汽機側擾動的能力。機前壓力偏差信號引入汽機調節器可以補償來自鍋爐側擾動對汽機調節器的影響，使鍋爐輸入能量能夠快速與外界負荷要求相適應。鍋爐側擾動由鍋爐控制器消除，不會對輸出功率產生嚴重影響。仿真結果表明，將積分分離PID控制算法應用于汽機側控制器使得控制性能有較大的改善。

［1］王東風，韓璞.單元機組協調控制系統的發展和現狀［J］.中國電力，2002，35(17).

［2］曾德良，劉吉臻.單元機組智能協調控制系統的發展和應用［J］.電力情報，1998(3).

［3］張玉譯.熱工自動控制系統［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［4］李遵基.熱工自動控制系統［M］.華北電力大學，1999.

［5］劉吉臻.協調控制與給水全程控制［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［6］劉晨輝.多變量過程控制解耦理論［M］.北京:水利電力出版社，1984.

［7］時杉杉，姜雪松，傅靈玲.地源熱泵空調控制系統的變頻改造［J］.森林工程，2008，24(6):25 －28.