基于網(wǎng)絡(luò)的過熱蒸汽溫度可靠性控制

顧偉，莊寶春，劉金良

1．華能國(guó)際電力股份有限公司淮陰發(fā)電廠策劃部，江蘇淮安 223001

2．南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037

3．南京財(cái)經(jīng)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系，江蘇南京 210046

基于網(wǎng)絡(luò)的過熱蒸汽溫度可靠性控制

顧偉1，莊寶春2，劉金良3

1．華能國(guó)際電力股份有限公司淮陰發(fā)電廠策劃部，江蘇淮安 223001

2．南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037

3．南京財(cái)經(jīng)大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系，江蘇南京 210046

研究了在考慮執(zhí)行器故障情況下，以及過熱汽溫的控制信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)那闆r下，過熱汽溫的溫度控制系統(tǒng)的可靠性控制問題。建立了執(zhí)行器隨機(jī)故障模型，以串級(jí)控制為基本控制策略，利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和線性矩陣不等式（linear matrix inequities，LMIs）技術(shù)，給出了系統(tǒng)隨機(jī)均分穩(wěn)定條件，提出了考慮執(zhí)行器具有隨機(jī)故障的過熱蒸汽控制系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法。通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了提出的控制器設(shè)計(jì)方案的有效性。

過熱蒸汽；可靠性控制；隨機(jī)故障模型；串級(jí)控制

過熱蒸汽溫度在熱力發(fā)電廠的整個(gè)汽水行程中工質(zhì)溫度最高，對(duì)于電廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著重大影響。溫度過高，容易損壞設(shè)備；溫度過低，則會(huì)降低熱效率。因此控制過熱蒸汽溫度的準(zhǔn)確性具有非常重要的意義［1-3］。在電廠運(yùn)行過程中，機(jī)組的負(fù)荷在不斷變化，過熱汽溫對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性也在不斷變化，特別是大容量機(jī)組，其動(dòng)態(tài)特性變化更大；再加上燃燒不穩(wěn)定等擾動(dòng)因素，這些都對(duì)過熱汽溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求［4-6］。由于串級(jí)控制具有迅速消除內(nèi)部擾動(dòng)的作用，在過熱汽溫控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制成為過熱汽溫的基本控制方式。

在經(jīng)典串級(jí)控制理論中，參數(shù)整定問題是一個(gè)復(fù)雜的過程，而且整定的效果不能得到最優(yōu)。因此，針對(duì)過熱汽溫控制系統(tǒng)的參數(shù)整定被廣泛研究［7-9］。文獻(xiàn)［7］針對(duì)燃煤電廠研究了非自適應(yīng)模糊邏輯控制器對(duì)參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定；文獻(xiàn)［8］通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制方法研究了控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)問題；文獻(xiàn)［9］提出了IMC-PID的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制方法。這種自適應(yīng)控制方法極大地占有了計(jì)算機(jī)資源，甚至造成不能在線得到控制器參數(shù)。因此，過熱汽溫控制系統(tǒng)的參數(shù)整定方法還需要進(jìn)一步完善和改進(jìn)。

隨著電廠規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的信號(hào)通訊方式發(fā)生了巨大的變革，由原有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)連接方式變?yōu)橛删W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互的信號(hào)傳遞形式。這種以網(wǎng)絡(luò)為控制信號(hào)傳輸媒介的控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。由于網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)具有低成本、易維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用［10-13］。但由于網(wǎng)絡(luò)的介入，又出現(xiàn)了一些新的問題，如：網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時(shí)延、丟包、錯(cuò)序等。近些年來，對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的研究成為廣大學(xué)者的熱點(diǎn)研究問題。但以過熱汽溫控制為研究對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)控制問題鮮有文獻(xiàn)考慮。

在本文中，研究了在網(wǎng)絡(luò)背景下的過熱汽溫控制問題，具體為：1）以網(wǎng)絡(luò)為控制信號(hào)傳輸媒介，以串級(jí)控制為基本控制策略，研究控制系統(tǒng)的建模問題；2）考慮執(zhí)行器隨機(jī)故障的情形，建立隨機(jī)故障模型；3）利用Lyapunov穩(wěn)定性理論和LMI技術(shù)，研究過熱汽溫的控制策略，克服經(jīng)典控制理論中的參數(shù)整定的復(fù)雜過程。

1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)模型的建立

常用的汽溫控制方法有減溫器控溫、擺動(dòng)燃燒器控溫、煙氣再循環(huán)控溫和煙氣擋板等，主要手段是利用煙氣側(cè)和減溫水側(cè)進(jìn)行控制。在煙氣側(cè)，通過旋轉(zhuǎn)擋板、轉(zhuǎn)動(dòng)火嘴和煙氣再循環(huán)實(shí)施過熱蒸汽溫度的控制。雖然改變煙氣溫度或煙氣流速也可改變過熱蒸汽溫度，但由于慣性和滯后過大，過熱蒸汽溫度控制品質(zhì)不能滿足要求，故很少被采用。而在減溫水側(cè)，通過（表）面式減溫、噴水減溫控制過熱蒸汽溫度得到廣泛應(yīng)用。圖1給出了噴水減溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)的過熱汽溫控制系統(tǒng)

由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知：引起過熱蒸汽溫度變化的主要擾動(dòng)為蒸汽流量、減溫水量、煙氣流量，而蒸汽流量和減溫水量相對(duì)煙氣流量對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)較快。因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用串級(jí)控制策略（如圖2所示）。其中，內(nèi)擾為蒸汽流量和減溫水量，副回路的任務(wù)是迅速消除內(nèi)擾的自發(fā)擾動(dòng)和及時(shí)反映控制效果；外擾為煙氣流量，主回路的任務(wù)是消除一切引起過熱蒸汽溫度變化的外擾，使穩(wěn)態(tài)時(shí)的汽溫等于規(guī)定值。

圖2 過熱汽溫控制策略結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，與已有的過熱蒸汽控制系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)的控制信號(hào)是通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>

假設(shè)控制系統(tǒng)慣性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)的模型分別為

式中：x1（k），x2（k）分別為狀態(tài)量；y1（k），y2（k）為慣性區(qū)和導(dǎo)前區(qū)的溫度輸出；Ai，B11，Bij，Ci（i＝1，2）分別為合適維數(shù)的系數(shù)矩陣，ω（k）為系統(tǒng)擾動(dòng)。

假設(shè)執(zhí)行器具有隨機(jī)故障，基于網(wǎng)絡(luò)的輸出反饋的控制器可設(shè)計(jì)為

2 控制器設(shè)計(jì)

本節(jié)將討論在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以及執(zhí)行器具有隨機(jī)故障的條件下，研究過熱汽溫控制系統(tǒng)的可靠性控制器設(shè)計(jì)問題。

定理 對(duì)于給定的常數(shù)dM、γ，如果存在正定矩陣P、Q、R以及矩陣K1、K2使得式（5）成立，則閉環(huán)系統(tǒng)（4）H∞均方穩(wěn)定，且具有范數(shù)界γ。

式中E（·）表示期望，利用Shur補(bǔ)可以得到：

E{ ΔV（k） ＋eT（k）e（k） －γ2ωT（k）ω（k）}＜0在零初始條件可以得到：

E{ eT（k）e（k）}≤E{ γ2ωT（k）ω（k）}，定理得證。

由于上述定理中的式（5）給出的矩陣不等式不是嚴(yán)格的LMI，因此通過以下變換，求出可靠性控制器（3）的增益。

引入2個(gè)變量S，T，令PS＝RT＝I，于是定理1的條件（5）即可替換為

下列算法將能得到定理1的次優(yōu)解：

1）求出下列LMI的可行解，并設(shè)κ＝0。

2）找出下列條件的次優(yōu)解：

3）選擇一個(gè)足夠小的正數(shù)ρ，如果下式滿足，則步驟2）中的K1，K2即為所求；否則令κ＝κ＋1，轉(zhuǎn)至步驟2），直至滿足條件，求出控制器增益。

3 仿真算例

本節(jié)將通過仿真算例驗(yàn)證所提出的方法的有效性。假設(shè)導(dǎo)前區(qū)和慣性區(qū)的動(dòng)力學(xué)方程（1）、（2）中的參數(shù)分別為

另外，擾動(dòng)項(xiàng) ω（k）＝0．2e－0．08ksin0．1k；執(zhí)行器具有隨機(jī)故障的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)為＝0．8，σ ＝0．2。通過上述算法，由LMI工具箱可得可靠性控制器增益為：K1＝－0．598 1，K2＝－1．727 2。圖3給出了導(dǎo)前區(qū)和慣性區(qū)的出口溫度，從圖中可以看出，系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境下和執(zhí)行器具有隨機(jī)故障的情況下依然能夠使系統(tǒng)快速鎮(zhèn)定。圖4給出了所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)擾動(dòng)的抑制水平，由圖可知，所設(shè)計(jì)的可靠性控制器具有很好的控制品質(zhì)。

圖3 導(dǎo)前區(qū)和慣性區(qū)的出口溫度

圖4 零初始條件下H∞抑制水平

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了以網(wǎng)絡(luò)作為控制信息的通信媒介環(huán)境下，考慮過熱汽溫控制系統(tǒng)的執(zhí)行器具有隨機(jī)故障情況下的可靠性控制器的設(shè)計(jì)問題。網(wǎng)絡(luò)通訊中固有的不確定現(xiàn)象和執(zhí)行器隨機(jī)故障現(xiàn)象將導(dǎo)致過熱蒸汽溫度控制的控制性能變差，甚至不穩(wěn)定。本文提出的可靠性控制策略，兼顧了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以及系統(tǒng)的控制性能，有利于系統(tǒng)的總體優(yōu)化；同時(shí)，克服了經(jīng)典串級(jí)控制理論中的整定復(fù)雜性。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方法的有效性。

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Network-based reliability control for superheated steam temperature

GU Wei1，ZHUANG Baochun2，LIU Jinliang3
1．ChinaHuaneng Huaiyin Power Plant，Huaian 223001，China
2．College of Mechanical＆Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
3．Department of Applied Mathematics，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210046，China

This paper investigates the problem of reliability control for network-based superheated steam temperature control system，taking into account the actuator failure and transmition of the control signal of superheated steam through network．An integrated model for stochastic actuator failure was established，which takes the cascade con-trol as the basic control strategy．By using Lyapunov stability theory and linear matrix inequities（LMIs）technolo-gy，the randomly and equally divided stability conditions for the system are given，and then the controller design method for superheated steam temperature control system which takes actuator stochastic fault into account was put forward．At last，an application example is provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method．

superheated steam；reliability control；stochastic fault model；cascade control；linear matrix inequi-ties；Lyapunov stability

TP273

A

1009-671X（2014）03-0036-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201306030

2013-06-26．

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2012469）．

顧偉（1971-），男，助理工程師．

顧偉，E-mail：mylab509＠163．com．