大機(jī)組新型協(xié)調(diào)控制策略研究

摘 要：在大型火電廠，單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、提高火電廠經(jīng)濟(jì)效益方面具有重要的作用，該系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多變量控制系統(tǒng)，被控對(duì)象存在著非線性特性與不確定性干擾。文章對(duì)火電廠單元機(jī)組的特點(diǎn)、控制要求進(jìn)行了分析，提出了一種基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方法，可以解決火電廠協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，能夠提高火電廠相應(yīng)過(guò)程參數(shù)的控制精度。

關(guān)鍵詞：協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)；模糊PID控制；單元機(jī)組

引言

單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、提高火電廠經(jīng)濟(jì)效益方面起著非常重要的作用。由于在鍋爐側(cè)存在著較大的滯后，而鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)又存在著強(qiáng)烈的耦合特性，因而對(duì)火電廠單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究具有很大的實(shí)際意義。本文對(duì)火電廠單元機(jī)組的特點(diǎn)、控制要求進(jìn)行了分析，提出了一種基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方案，從而可以解決火電廠控制中存在的超調(diào)量大、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)等實(shí)際存在的問(wèn)題。基于模糊PID的協(xié)調(diào)控制方法主要是將模糊控制方法與傳統(tǒng)的PID控制方法相互結(jié)合，利用模糊控制理論整定PID控制器中的比例、積分和微分系數(shù)，即建立控制器參數(shù)整定的模糊規(guī)則表，利用模糊合成推理方法得到模糊控制決策表。最后對(duì)550MW單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明建立的參數(shù)模糊規(guī)則表合理，與常規(guī)PID控制器相比較，模糊PID控制器在系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)態(tài)精度等方面優(yōu)于常規(guī)PID控制器。由于模糊PID控制器對(duì)系統(tǒng)模型的要求不太高，在有干擾信號(hào)或系統(tǒng)模型發(fā)生變化的時(shí)侯，它能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，提高單元機(jī)組在壓力和溫度方面的控制精度。

1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括被控對(duì)象、局部子控制系統(tǒng)和機(jī)爐主控制系統(tǒng)。機(jī)爐主控制系統(tǒng)是整個(gè)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心，它包含機(jī)爐主控制器、負(fù)荷管理中心兩個(gè)部分。機(jī)爐主控制器根據(jù)實(shí)際負(fù)荷與目標(biāo)負(fù)荷的偏差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)鍋爐的子系統(tǒng)，由機(jī)前壓力信號(hào)的偏差來(lái)調(diào)節(jié)汽機(jī)的子系統(tǒng)，根據(jù)汽機(jī)、鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況來(lái)選擇不同負(fù)荷控制方式；負(fù)荷管理中心是接收ADS負(fù)荷分配指令，改變負(fù)荷指令和電網(wǎng)頻率自動(dòng)調(diào)整指令等外部指令，根據(jù)單元機(jī)組當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況，同時(shí)在保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行條件下，向機(jī)組輸出實(shí)際的負(fù)荷指令，并限制機(jī)組的最低負(fù)荷與最高負(fù)荷，為保證機(jī)組安全運(yùn)行進(jìn)行甩負(fù)荷的保護(hù)。機(jī)爐子控制系統(tǒng)是協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，它的控制質(zhì)量直接影響到負(fù)荷控制質(zhì)量。單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)組成框圖如下圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

2 模糊PID控制

模糊控制器和PID調(diào)節(jié)器相比較，模糊控制器具有更小的超調(diào)和更快的響應(yīng)，且對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化不敏感，即它具有很強(qiáng)魯棒性，能克服非線性因素影響。但是由于它受計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)量限制，只能夠取得有限控制等級(jí)，從而對(duì)模糊控制的精度提高有所限制，它被認(rèn)為是一種粗糙控制器。然而PID控制的算法對(duì)多數(shù)的過(guò)程都會(huì)有較好的控制效果與其適應(yīng)性，至今也仍在控制過(guò)程中得到廣泛的采用。

模糊PID控制器是對(duì)輸出的響應(yīng)波形進(jìn)行在線監(jiān)控，從而求出控制性能指標(biāo)，并且運(yùn)用專(zhuān)家調(diào)整的知識(shí)來(lái)建立調(diào)整IF-THEN模型規(guī)則，同時(shí)采用模糊的邏輯推理來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整PID的參數(shù)，使PID控制器能夠適應(yīng)其被控對(duì)象變化，并能夠獲得較好的控制性能。模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)形式有很多，它們的工作原理基本相同。在運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)基本方法和原理時(shí)，人們把規(guī)則的條件和操作用模糊集來(lái)進(jìn)行表示，并且把這些模糊的控制規(guī)則和有關(guān)的信息作為知識(shí)存到計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)當(dāng)中，計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，對(duì)PID參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行最佳的調(diào)整。自調(diào)整模糊PID控制器是用偏差變化率ec和偏差e作為輸入，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，從而構(gòu)成自調(diào)整的模糊PID控制器，它的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 仿真研究

以某電廠550MW機(jī)組為例進(jìn)行仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[5]中給出了550MW單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的線性化模型為：

對(duì)機(jī)組的線性化模型進(jìn)行變量解耦，并采用Pade降階算法對(duì)鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降階處理，降階后的等效數(shù)學(xué)模型如下。

汽機(jī)側(cè)等效傳遞函數(shù)

鍋爐側(cè)等效傳遞函數(shù)

機(jī)組的額定參數(shù)如下表1所示：

表1 額定參數(shù)

對(duì)負(fù)荷跟隨能力進(jìn)行試驗(yàn)：主蒸汽壓力定值PT=16.18 Mpa不變，t=1s 時(shí)，將機(jī)組負(fù)荷指令由額定功率 500MW 降至450MW，此時(shí)參數(shù)變化響應(yīng)曲線如圖3所示。由圖知，負(fù)荷響應(yīng)速度快，5分鐘左右就可達(dá)到負(fù)荷目標(biāo)值；壓力波動(dòng)范圍約為0.2Mpa，滿(mǎn)足機(jī)組實(shí)際運(yùn)行要求。

a）功率響應(yīng)曲線（N/MW） b）壓力響應(yīng)曲線（PT/MPa）

c）燃料量變化曲線（B/%） d）調(diào)門(mén)開(kāi)度變化曲線（ /%）

圖3 負(fù)荷跟隨能力仿真曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化水平的不斷提高，火電廠的單元機(jī)組要求具有快速調(diào)峰能力和電網(wǎng)自動(dòng)發(fā)電控制。火電廠單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象是一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)，具有大延遲、大慣性、復(fù)雜性、強(qiáng)耦合、時(shí)變性和非線性等特點(diǎn)。目前采用常規(guī)控制方法難以達(dá)到理想控制效果，本文對(duì)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的原理、組成、控制要求、模糊PID控制器組成、解耦方法、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在火電廠的地位及作用進(jìn)行了闡述，對(duì)火電廠單元機(jī)組進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模和分析；建立了控制器參數(shù)整定模糊規(guī)則，應(yīng)用Matlab搭建一個(gè)經(jīng)過(guò)解耦、降階后的仿真模型，接著采用所建立的模糊PID控制器進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明該方法具有較好的控制效果。

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作者簡(jiǎn)介：張鵬飛（1984，8-），男，籍貫：河北唐山，現(xiàn)職稱(chēng)：助理工程師，學(xué)歷：工學(xué)學(xué)士（工程碩士在讀），研究方向：控制工程方向。