預測控制及其在單元機組協調控制系統中的應用

張丁予

(東北電力大學，吉林 吉林 132012)

0 引言

在火電廠中發電的基礎設備單元機組設備之間的協調以及控制是火電廠所面臨的首要的問題，預測控制是一種以計算機為基礎的新型的控制算法，該算法以數學模型作為基礎并結合反饋矯正理論對單元機組的狀態參數以及指令性信號進行綜合的調整還能夠實時的考慮不確定量的參與對于系統所產生的影響，并將這些參數不斷的加入到控制系統中對控制系統做一個全面的校正。該算法對于火電廠中單元機組的過程實現能夠進行全面的監測與信號的采集，并綜合各種信息得出最合適的控制信號。

1 單元機組動態模型的分析與建立

在本文的研究中將火電廠中最具有代表性的直流鍋爐單元機組作為與測控制以及控制系統建立的一個對象。該單元機組受多個變量的控制，并且變量與變量之間是相互關聯的各種變量綜合作用與直流鍋爐單元機組并對機組產生影響。為了研究問題的方面在該系統中考慮到負荷方面的作用，本文將該單元機組看做成一個具有兩個輸入信號與兩個輸出信號的數學模型。該模型源于某大型的火力發電廠，該火電廠的直流鍋爐單元機組的功率達到了300MW，針對該單元機組分別建立了負荷在100%和負荷在70%的兩種情況下的數學模型。兩個數學模型如下圖兩個公式所示。

在上述公式中四個比較重要的參數分別為 NE，PT，μB，μT分別為機組實際發出的功率，主要的蒸汽壓力，鍋爐燃燒率指令，氣機條門指令等。從上面所建立的負荷分別為100%與70%的數學模型來看，很顯然該系統是一個受多變量控制，具有不確定性的強耦合的系統。

2 協調控制系統算法設計

該系統如果采用傳統的PID控制的話將很難達到預期的快速響應以及超調量足夠小的指標，利用預測控制系統能夠有效的解決傳統方式控制所帶來的負面的問題，能夠有效的針對多變量的、不確定性系統的進行協調控制。在本文所研究的火電廠協調控制系統的的基礎上，利用上述所建立的火電廠直流鍋爐單元機組的數學模型可以得出火電廠該單元機組的控制模型，利用該模型通過對火電廠的輸入輸出信號即機組的實際發出的功率與主要的蒸汽壓力作為初始的輸出，經過控制系統就會相應的產生兩個相應的輸出，其中要進行信號的殘差求取以及差值的反饋的調節以達到使得系統具有較高的控制的精度，在這個過程中會出現由于參量過多以及不確定性而出現的目標動作指令的超調量過大或者響應不及時的現象出現，將預測控制算法應用于火電廠直流鍋爐機組的協調控制系統的建立具有能夠減小系統的誤差提高系統精度，提高系統的響應速度等優點具體的做法是將預測控制系統設置到火電廠協調控制系統的前端讓信號的輸出都要經過該預測系統進行轉化以得到更加精確的控制信號。

圖1 預測控制系統與單元機組組合模型

3 協調控制系統性能分析

系統要追求性能上的快速響應的話，那么所帶來的負面的影響就是信號會出現大尺度的超調量，只有通過不斷的大尺度的超調量才能夠快速的實現信號的出現偏差時的快速的調整，但是在有些情況下信號的超調量的增大會對機組甚至是整個系統產生不良的影響甚至會形成一定的破壞與損失。同樣的如果要追求系統的穩態性能的話也就是系統的精度，那么從系統的控制變量出現偏差到偏差減小到一定的程度在這里由于追求的精度較高，那么系統的整個響應的時間就會變得很長，進而會嚴重影響控制系統的調節的目的。所以很好權衡二者以達到可以接受的調節性能就是比較關鍵的。

4 仿真驗證

本實驗所上述直流鍋爐單元機組作為模型，選取的參數N1=6,Nu=2，λ=0.8,得到系統的仿真結果為在70%負荷的情況下，汽機調節閥門的開度指令在某一時刻出現了偏差為-0.4左右，鍋爐燃燒指令出現的偏差為-0.6然后火電廠直流鍋爐單元機組的協調控制系統在加入預測控制的基礎上開始對出現上述的偏差進行了調整，在這個過程中出現的最大的超調量分別為0.8和0.2，達到穩定狀態所用的時間都在400ms左右，在100%負荷的情況下這兩項指令開始的偏差分別為-0.4和-0.75左右，在調節的過程中出現的最大的超調量分別為0.7和0.2到達穩定的時間在500ms左右。另外本文還對70%負荷下功率與汽壓的調節響應曲線進行了仿真，開始的偏差分別為-0.8與-0.25，在調節的過程功率與汽壓所出現最大的超調量分別為1與0.3左右，到達穩定狀態所需要的時間都在500ms左右。從上面的仿真結果對比在沒有加入預測控制系統的協調控制參數上來看，在火電廠單元機組中加入預測控制單元能夠對系統參量出現的偏差進行更加快速的響應，并且在參數調節的過程中超調量也比沒有加入預測控制單元的控制系統要小，其達到穩定狀態所需要的時間也就是快速響應的時間要比沒有加入該系統快幾十毫秒的時間。綜上所述，預測控制系統的加入不僅能達到系統的快速響應的要求，還能夠達到穩定狀態的精度的要求即該系統確實能夠對現行的控制系統進行一個有效的優化。

5 結語

我國現行的發電廠單元機組的控制系統由于受控對象一般都要受多個變量的影響，所以目前傳統的控制系統不論在信號控制的響應速度還是從系統穩態的響應的精度來看都難以滿足單元機組對于信號控制的需求，本文通過將預測控制系統應用于火電廠單元機組的協調控制系統的設計中有效的達到了系統響應速度與系統穩態的精度的兩方面的綜合的需求，經過仿真驗證該系統確實能夠行之有效的實現系統控制精度與響應速度的提升。

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