火電廠主汽溫控制系統建模

王斌

(國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆烏魯木齊 830011)

火電廠主汽溫控制系統建模

王斌

(國網新疆電力公司電力科學研究院,新疆烏魯木齊 830011)

針對火電廠自動控制系統PID整定過程中存在的效率低、品質差等問題,提出通過被控對象開環試驗收集輸入輸出數據,應用辨識理論和辨識軟件建立被控對象數學模型,再通過仿真軟件進行參數整定的方法。并將上述方法應用于主汽溫度控制系統中。

建模 辨識 仿真

火電廠熱工自動控制系統是包含多變量、多參數的復雜控制系統，隨著火電機組向高參數、大容量發展，以及分散控制系統在火電廠控制領域的廣泛應用，自動控制系統在保障機組安全優質穩定運行的問題上擔負著愈加重要的責任，而控制系統投入品質的優劣，在很大程度上取決于對被控對象動態特性的了解程度，只有準確掌握了被控對象的動態特性，才能確定最優的控制策略以及對應控制器的最佳整定參數。

當前工程上控制器參數整定主要還是根據經典模型和實際經驗，通過反復地對現場設備進行調試比較，選擇效果最好的參數投入運行。這樣的方法雖然行之有效，但費時費力，對人員要求很高，更重要的是，通過這種方法得到的往往是僅僅滿足運行要求而非最優化的參數。

1 建立控制系統總體結構

在被控對象的模型建立前，必須要有一定的先驗知識。我們需要事先了解該系統的輸入與輸出的大致關系和動態特性，從而確定控制手段。針對主汽溫度控制系統，當采用噴水減溫控制時，一般把過熱器分為兩個區域，噴水減溫器至減溫器出口汽溫區段稱為導前區，減溫器出口汽溫之后稱為惰性區，其傳遞函數分別用G1(s)和G2(s)表示。

通過大量的實際運行經驗可以看出，減溫器出口汽溫和過熱器出口汽溫的動態特性都是有滯后，有自平衡能力的，但過熱器出口汽溫的滯后較大而導前區汽溫的滯后明顯較小。對于噴水減溫控制系統，最常見的現行組態都是采用串級控制系統，控制器采用PI和P控制規律。當要求控制精確度較高時，整個串級控制系統由三個環路組成，即主回路、副回路和流量控制執行回路。由于副回路響應速度快且直接驅動減溫水調門控制流量，因此當精確程度要求不高時，也可省掉流量控制回路由兩個環路組成，在大多數火電廠中，普遍采用兩環路控制方法。另一個原因是，如果采用流量控制回路，勢必要測試調門的流量特性，而減溫水調門的流量特性受到了給水壓力、主汽壓力等參數的影響，測試過程費時費力，控制品質提升的空間也有限。

圖1 主汽溫度控制系統框圖

綜上分析，建立起主汽溫度控制系統的結構框圖，如圖1。圖中，PID1和PID2分別為主、副調節器。G1(s)和G2(s)分別為導前區和惰性區傳遞函數，就是需被辨識對象。G1(s)和G2(s)可以用一階慣性加純遲延來近似，也可用分子分母多項式近似。本文在后續的辨識過程中采用分子分母多項式，即以下數學表達式:

式中的a、b即需要被辨識的參數。

2 開環試驗與參數辨識

開環試驗的目的是為辨識工具提供數據。是在穩定工況下，使系統中單一輸入量發生擾動，記錄系統輸入輸出隨時間變化的數據。

2014年6月我們對某300MW火電機組過熱器一級減溫控制系統進行了開環試驗。試驗前調整機組運行工況，待機組各參數穩定后手動關小減溫水調節門，觀察和記錄減溫器后和過熱器出口蒸汽溫度隨時間變化的曲線，直至主汽溫度達到另一個穩態值并穩定，試驗完成恢復試驗前工況。調用分散控制系統的歷史趨勢，將整個過程中減溫水調門開度、減溫器出口汽溫和過熱器出口汽溫隨時間變化的數值趨勢以文本或Excel格式導出。通過開環試驗獲得的減溫水擾動過程如圖2。

圖2 減溫水控制系統擾動試驗

將試驗數據導入到辨識軟件就可以進行模型的參數辨識了，我們的辨識軟件采用的辨識方法是最小二乘法。導前區傳遞函G1(s)的輸入輸出分別是減溫水調門開度和減溫器后蒸汽溫度，惰性區傳遞函數G2(s)的輸入輸出分別是減溫器后蒸汽溫度和過熱器后蒸汽溫度。將輸入輸出數據導入辨識軟件，通過調整多項式分子分母的階數尋找得到一個與試驗結果最相近的傳遞函數。最后我們得到了G1(s)和G2(s)的傳遞函數如下:

通過和試驗數據的比較，可以看出G1(s)和G2(s)能夠與系統的響應很好的吻合。辨識結果與實際響應過程的比較如圖3和圖4。

圖3 導前區模型的驗證

圖4 惰性區模型的驗證

3 模型建立與仿真

辨識出傳遞函數G1(s)和G2(s)后，我們根據圖1的結構在matlab仿真環境中建立起該主汽溫控制系統的控制模型，如圖5。

圖5 simulink仿真模型

當被控對象的傳遞函數確定后，往往也不能用控制理論的方法計算出調節器的參數。通過理論計算出的參數理論上能夠達到對被調量很好的控制效果，但往往會導致執行機構頻繁動作，有時甚至出現動作幅度大于100%的情況。為了保護執行機構，因此調節器參數整定還是采用經驗試湊法。因為仿真速度很快，所以這個過程實際上花不了多長的時間。。

圖6 控制系統閉環仿真

在matlab仿真環境中我們可以任意調整主調和副調的參數，不斷觀察控制效果，確定PID參數，同時我們也注意觀察使調節機構的指令在一個合理的范圍。最終確定了調節器的參數:主調采用PI調節規律，比例0．8積分60；副調采用P調節規律，比例5。

通過對圖6的仿真結果的分析我們看出，當調節器參數設置為上述值時，控制效果如下:超調量約為10%、衰減率在75%～90%之間、調節時間約為350秒，能夠滿足主汽溫度的控制要求。

4 結語

長期以來，火電廠自動控制系統的參數整定過程大多采用經驗試湊法，這種方法需要不斷調整參數和觀察響應過程，效率低。因此本文結合參數辨識的方法，先建立模型，再設計調整調節器，起到了提高控制品質、提高效率的效果。在具備更多先驗知識的情況下，我們甚至可以通過試驗的方法對機組的機爐協調控制系統建模，從而設計出更好的控制策略和控制參數。