基于負荷前饋補償的主汽溫串級廣義預測控制

王振，張紅軍，劉長遠，劉云松，薛美盛

（1.中國科學技術大學 自動化系，合肥230026；2.中國石油獨山子石化分公司，新疆 克拉瑪依833600；3.上海捷控軟件技術有限公司，上海201203）

鍋爐出口的過熱蒸汽溫度在整個汽水行程中是最高的，對于電廠的安全運行有重大影響。因此，需將過熱汽溫控制在給定值附近，溫度過高會降低過熱器使用壽命，甚至可能出現爆管停機的現象；溫度偏低則降低熱效率，影響經濟運行，還會導致蒸汽含水量增加，從而縮短汽輪機葉片的使用壽命［1］。主汽溫過程具有大時延特性，存在嚴重的非線性和時變特性。主蒸汽溫度容易受到多種因素的影響，如煙氣溫度和壓力的波動、負荷的變化、主蒸汽壓力的變化、燃料量的變化、給水溫度和流量的波動等［2－3］。

預測控制能在一定程度上克服系統的不確定性，可直接處理帶有純滯后的對象，對大慣性有較強的適應能力，從而有良好的跟蹤性能和較強的魯棒性［4－5］。預測控制也存在某些不足，如在線計算比較復雜，采樣周期不能過小，因而不能快速及時克服擾動的影響；其抗干擾性卻往往不如傳統的PID控制，這主要是因為預測控制一般采用較大的采樣周期，對隨機突發性的干擾難以即時控制。常規PID串級控制系統有較強的抗干擾能力［6－7］。

綜合預測控制與PID控制策略的優缺點，筆者采用基于前饋補償的廣義預測－PID（GPC－PID）串級控制策略，并在山東某發電廠某臺機組上得到實際應用，表明此算法具有良好的控制效果。

1 主汽溫工藝過程

文中研究的對象為山東某火力發電廠某機組的主汽溫控制系統。該機組的過熱器由初級過熱器、分隔屏過熱器和末級過熱器3部分加熱器組成，但是僅配置了一級噴水減溫裝置，減溫器安置于初級過熱器之后。但是，一級減溫的設計，使過熱回路也有純時延、慣性過大的問題［1］。

該機組僅在減溫后和末級過熱器出口設置了汽溫探頭，中間環節中只有探測金屬壁溫的探頭，這些探頭由于安置在管壁外側，不能直接接觸蒸汽，溫度響應較慢。目前為PID串級控制，如圖1所示，圖中SMST表示主蒸汽溫度設定值，PVMST為主蒸汽溫度。

圖1 串級PID控制示意

隨機抽取該鍋爐串級PID控制情況下的運行數據，調取 DCS歷史趨勢圖，時間為2011－12－30，運行圖如圖2所示。

圖2 主蒸汽溫度串級PID控制趨勢示意

圖2中，主蒸汽溫度顯示范圍為520～550℃；減溫水閥的開度信號顯示范圍為0～100%；減溫水流量顯示范圍為0～100t／h；鍋爐負荷顯示范圍為150～320MPa。由圖2可以看出：主蒸汽溫度波動范圍在524～550℃，控制效果較差。

2 GPC－PID串級控制應用

2.1 基本的GPC算法

2.1.1 模 型

在廣義預測控制GPC中，采用受控自回歸積分滑動模型CARIMA（Controlled Auto Regressive Integrated Moving Average），形 式如下［8］：

2.1.2 預 測

為了推導得出第j步預測，考慮Diophantus方程［9］：

在公式（1）兩邊同乘以EjΔqj，得

雖然未來的噪聲未知，但是噪聲均值為零，故在k時刻對y（k＋j）的一個合理預測為

在上式中，令EjB＝Gj得到：

2.1.3 預測分解

將預測輸出改寫成：

式中：第一項為k時刻及其以后時刻的輸入對輸出的影響；第二項為k時刻以前的輸入對輸出的影響［10］；第三項為k時刻及其以前時刻輸出對未來輸出的影響。后兩項是最優預測的已知部分＝Gj2ΔU2＋Fjy（k）。

2.1.4 目標函數和優化控制

選用有限時域二次性能指標為目標函數［11］：

在實際應用中，只用到即時控制量，取（GTG＋λI）－1GT的第一行，即：

2.1.5 柔化設定值

設定值按照如下公式進行柔化［12］：

式中：SP（k＋j）——k＋j時刻的設定值；w（k＋j）——柔化后的設定值；?——柔化因子。

2.1.6 控制前景

引入控制前景pm，它表示控制量達到穩態的步數，pm≤p。式（6）可以寫成如下形式：

則控制律變為

2.1.7 階梯式策略

雖然采用了Diophantus方程的遞推求解，由式（12）可知，仍然需要進行矩陣求逆。當進行自校正控制時，在線計算量大，矩陣可逆性不能保證，加之數據計算中出現的數值病態問題，導致實際應用中存在較大的安全隱患。文獻［11］設計了階梯式策略，對控制量加一定的限制，使其按照一定的趨勢逐漸變化，此思想符合工業現場執行機構的特性。

階梯式策略有如下公式：

則有

極小化目標函數得到階梯式算法的控制律：

2.2 GPC－PID串級控制

2.2.1 控制策略

該鍋爐主汽溫控制系統存在很多設計缺陷，自動控制投用率很低，為了提高主汽溫的控制精度，文中引入預測控制代替PID串級控制的外環PID控制器［13］，如圖3所示。

圖3 GPC－PID串級控制策略

由于內回路為“減溫水閥開度－減溫水流量”的過程，此環節具有一定的線性關系，而且響應較快，幾乎沒有滯后時間。因此，內回路僅用PID控制器就能夠控制得非常好，在控制策略設計中保留內回路PID控制器；外回路為“減溫水流量－主蒸汽溫度”的過程，由于過熱器管道較長，從減溫水噴入到主蒸汽溫度產生影響，其滯后時間較大，一般在200s左右。另外，由于此環節過程復雜、影響因素眾多、時變特性等，PID控制器很難實現良好的控制。因此，依據廣義預測控制的優點，在外回路中引入階梯式廣義預測控制器。

2.2.2 控制效果

此先進控制策略投用以后控制精度有明顯改善，調取DCS歷史曲線如圖4所示。

圖4 GPC－PID串級控制曲線示意

圖4中，主蒸汽溫度和設定值顯示范圍為520～550℃；減溫水閥的開度信號顯示范圍為0～100%；減溫水流量顯示范圍為0～100t／h；鍋爐負荷顯示范圍為150～320MPa。

由圖4可以看出在負荷波動較小的情況下，主汽溫的波動范圍較圖2明顯減小。圖中的較大擾動時刻是由于某臺磨煤機斷煤，造成負荷短時間劇變，使得控制惡化。而且由于超溫，先進控制被切除，此時為手動控制狀態，主汽溫曲線與主汽溫設定值曲線重合。在磨煤機修好之后，重新投入先進控制，控制效果良好。截取此代表性數據段，來表征此算法抑制較大擾動的作用有待進一步改進。

3 負荷前饋控制

3.1 負荷前饋控制策略

主蒸汽溫度影響因素較多，擾動頻繁且容易出現大負荷擾動，投入GPC－PID串級控制后，主汽溫控制取得了一定的效果。因此，考慮在GPC－PID串級控制的基礎上加入負荷擾動信號做前饋補償，來抑制負荷變化造成的擾動［14］，控制策略如圖5所示。鍋爐負荷即為鍋爐主蒸汽流量，所以前饋信號為主蒸汽流量的變化量。前饋的作用大小根據負荷變化的范圍來決定，這樣在負荷變化之后能夠增加控制量，抑制主汽溫的波動。

圖5 基于負荷前饋補償的GPC－PID串級控制策略

3.2 負荷前饋控制效果

負荷前饋控制加入以后，負荷擾動下控制效果較好，如圖6所示。

圖6 負荷前饋補償的GPC－PID串級控制曲線

圖6中，主蒸汽溫度和設定值顯示范圍為530～550℃；鍋爐負荷顯示范圍為200～320MPa；減溫水閥的開度信號顯示范圍為0～40%。由圖6可得：負荷從220MW上升到310MW，由減溫水閥開度信號可以看出，在負荷上升過程中由手動控制改為先進控制，主汽溫抑制效果非常好。正常運行時波動范圍基本保持在±4℃，擾動時保持在±6℃度，達到了很高的控制精度。

4 結束語

文中針對某發電廠某機組的實際情況，采用GPC－PID串級控制策略，應用于主蒸汽溫度的控制系統中。同時根據負荷擾動時對主汽溫造成的較大影響，增加負荷前饋補償的控制策略來抑制負荷擾動對主汽溫造成的的影響。通過實際的應用并不斷改進，取得了較好的控制效果，驗證了此算法的有效性和實用性。

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