基于MATLAB工具箱的火電站過熱蒸汽溫度優(yōu)化控制

李 娜,王印松

(華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院自動化系，河北 保定 071003)

0 引言

過熱蒸汽溫度是火電站生產(chǎn)過程中一個重要的檢測和控制參數(shù)，溫度過高或過低都會影響到機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。目前，火電站過熱蒸汽溫度控制普遍采用串級PID控制策略，并采用導(dǎo)前汽溫信號和前饋信號來進(jìn)行超前調(diào)節(jié)，但以調(diào)節(jié)參數(shù)固定不變的PID控制器來控制主蒸汽溫度系統(tǒng)，控制效果仍不理想。

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，一些智能算法，如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等，被應(yīng)用到過熱蒸汽溫度控制中，并取得了一些研究成果，但因算法較復(fù)雜，真正應(yīng)用到生產(chǎn)實踐上的并不多[2,3]。

在文本中，結(jié)合了MATLAB/Simulink中的非線性控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計（Signal Constraint）工具箱，對某超臨界機(jī)組過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行優(yōu)化，得到了某些負(fù)荷下控制器參數(shù)的優(yōu)化值，將優(yōu)化值近似作為對應(yīng)負(fù)荷鄰近區(qū)間內(nèi)的PID參數(shù)值，進(jìn)而給出了0%~100%負(fù)荷下PID控制器參數(shù)值。

1 Signal Constraint模塊簡介

在MATLAB7.0之前的版本中，Signal Constraint模塊稱為“Nonlinear Control Design”。Signal Constraint模塊為非線性系統(tǒng)的控制器優(yōu)化設(shè)計提供了有效的手段。該工具箱以Simulink模塊的形式，集成了基于圖形界面的非線性系統(tǒng)控制優(yōu)化設(shè)計和仿真功能[4]。Signal Constraint模塊能夠添加到Simulink仿真圖中，對與其相連接的信號進(jìn)行約束。Signal Constraint 模塊自動地把系統(tǒng)時域的性能指標(biāo)轉(zhuǎn)化為一個約束優(yōu)化問題，用連續(xù)的二次方程式程序算法和準(zhǔn)牛頓梯度尋優(yōu)搜索技術(shù)解決這一問題，并可以在系統(tǒng)時域性能曲線窗口動態(tài)的顯示控制器的優(yōu)化效果。此外，Signal Constraint模塊允許把不確定性引入受控對象的動態(tài)特性中，支持存在不確定特性的魯棒控制系統(tǒng)設(shè)計[5]。

2 火電站過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)

火電站過熱蒸汽溫度控制對象的動態(tài)特性與機(jī)組的運(yùn)行工況密切相關(guān)。影響過熱蒸汽溫度變化的因素有很多，比如，煙氣側(cè)有燃料量、風(fēng)量等，蒸汽側(cè)有蒸汽流量、給水溫度、減溫水溫度等，但影響過熱蒸汽溫度最主要的因素是負(fù)荷的變化[1,6]。某超臨界600MW直流鍋爐高溫過熱器在4個典型負(fù)荷下過熱蒸汽溫度對減溫噴水?dāng)_動的動態(tài)特性如表1所示[7]。

過熱蒸汽溫度控制對象是一個慢時變過程，因此，當(dāng)負(fù)荷30%~44%時，對象模型近似用負(fù)荷在37%對應(yīng)的模型代替，同理，當(dāng)負(fù)荷在45%~55%、70%~80%、95%~100%時，模型分別近似用負(fù)荷在50%、75%及100%下對應(yīng)的模型代替。

表1 過熱蒸汽溫度對減溫噴水?dāng)_動的動態(tài)特性Table 1 Superheated steam temperature to the dynamic characteristic of the desuperheating spraying disturbance

圖1 不同負(fù)荷下的階躍響應(yīng)曲線Fig.1 Step response curve under different load

由于串級控制系統(tǒng)的副調(diào)節(jié)器能夠有效的消除內(nèi)擾，且由導(dǎo)前區(qū)為副對象的副環(huán)控制相對于以惰性區(qū)為主對象的主環(huán)控制是一個響應(yīng)快速的環(huán)節(jié)，因此，可以使用一個比例環(huán)節(jié)代替副環(huán)，達(dá)到簡化控制對象的目的。在文本中，僅針對主環(huán)的PID控制器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

3 利用Signal Constraint 模塊進(jìn)行PID參數(shù)優(yōu)化

利用S-C模塊對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計[8,9]，具體步驟如下：

1）在MATLAB/Simulink 環(huán)境下建立過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)仿真方框圖。

2）給定PID控制器初始參數(shù)值，選取待尋優(yōu)的PID控制器參數(shù)的變化范圍。

3）給定系統(tǒng)的時域性能指標(biāo)要求，如上升時間、最大超調(diào)量、調(diào)節(jié)時間等，從而將時域約束變?yōu)橛屑s束的優(yōu)化問題，實現(xiàn)對PID控制器參數(shù)的優(yōu)化計算。

4）設(shè)定變量的允許誤差值和約束的允許誤差值，當(dāng)系統(tǒng)優(yōu)化變量和約束變量的變化小于相對應(yīng)的允許誤差值時，優(yōu)化結(jié)束。

5）運(yùn)行優(yōu)化程序，獲取PID控制器參數(shù)。

6）不斷縮小對時域性能的約束，重復(fù)步驟3）至5）直至系統(tǒng)的動態(tài)性能達(dá)到期望要求，或不能進(jìn)一步完善為止。

4 仿真研究

傳統(tǒng)P-PID過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的主控制器參數(shù)采用文獻(xiàn)[4]中的整定值，副環(huán)使用比例環(huán)節(jié)代替。仿真分析可知，在4個典型工況下，比例環(huán)節(jié)均可近似為0.9534。

在4個典型工況下，對過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行階躍擾動實驗，圖1可見，經(jīng)S-C模塊優(yōu)化的系統(tǒng)的控制品質(zhì)優(yōu)于使用文獻(xiàn)[4]中參數(shù)的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)時間更短且超調(diào)減小。對應(yīng)的優(yōu)化參數(shù)結(jié)果見表2。

當(dāng)負(fù)荷在0~29%、56%~69%、81%~94%時，過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)惰性區(qū)傳遞函數(shù)可分別近似為副環(huán)仍使用比例環(huán)節(jié)k=0.9534代替，再分別對上述系統(tǒng)進(jìn)行階躍擾動實驗，經(jīng)S-C模塊優(yōu)化后，優(yōu)化的參數(shù)結(jié)果如表2所示。

表2 0-100%負(fù)荷下PID參數(shù)優(yōu)化結(jié)果Table 2 0-100% Load under the PID parameter optimization results

5 結(jié)束語

為了克服火電站過熱蒸汽溫度控制中因PID參數(shù)固定導(dǎo)致的系統(tǒng)超調(diào)量與響應(yīng)速度的矛盾，本文采用MATLAB/Simulink Signal Constraint工具箱對PID控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。仿真實驗表明，采用S-C模塊優(yōu)化后的PID參數(shù)進(jìn)行過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的控制，具有良好的控制品質(zhì)。

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