600 MW超臨界機組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設計

蘇 晨 王文蘭 馮永祥

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院1,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；內(nèi)蒙古工業(yè)大學信息學院2,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

600 MW超臨界機組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設計

蘇 晨1王文蘭1馮永祥2

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學電力學院1,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080；內(nèi)蒙古工業(yè)大學信息學院2,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080)

針對火電廠主蒸汽溫度系統(tǒng)大慣性、大遲延、非線性的特點，根據(jù)串級控制系統(tǒng)參數(shù)尋優(yōu)的相關規(guī)則，以改進型單純形法為基礎，并結合Matlab軟件對過熱蒸汽參數(shù)進行優(yōu)化。傳統(tǒng)的Ziegler-Nichols參數(shù)整定法在PID控制設計中已經(jīng)得到了普遍的應用，但是尋優(yōu)過程過于繁瑣，存在一定的局限性。將新的整定方法應用到超臨界機組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設計中，與傳統(tǒng)控制方法相比，該方法有效減小了系統(tǒng)的超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的響應速度，并起到良好的控制效果。仿真結果表明，在控制算法不斷發(fā)展的今天，單純形法依然有著一定的優(yōu)勢與發(fā)展空間，有待繼續(xù)研究。

PID調(diào)節(jié)器整定 改進型單純形法 參數(shù)尋優(yōu) 超臨界 主汽溫

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)水平的不斷提高，超臨界機組漸漸成為了國內(nèi)電力行業(yè)的主力。它具有技術含量高、環(huán)保能力強、發(fā)電機組煤耗量低等諸多優(yōu)點，是現(xiàn)如今國際燃煤發(fā)電機組的重要發(fā)展方向。從我國的國情出發(fā)，發(fā)展超臨界機組也符合中國未來大型鍋爐的發(fā)展趨勢。超臨界機組運行參數(shù)較高，需要適應大范圍調(diào)峰要求，這對超臨界機組主汽溫控制系統(tǒng)的相應設計提出了更高的要求[1]。我國在超臨界機組的發(fā)展上正在緊跟世界的腳步，但在其控制技術方面還存在很大的差距。因此，需要對超臨界機組的控制策略及其運行方式進行更加深入的討論。

目前，傳統(tǒng)PID控制技術是在過程控制中應用最為廣泛的一種控制方法。從理論的角度上來說，PID控制系統(tǒng)無論設計或分析都已經(jīng)形成了較為完善的體系。但PID控制系統(tǒng)一般需要進行多次試驗，并根據(jù)理論分析和以往的經(jīng)驗修改其控制器參數(shù)。在實際的工程設計中，尋找PID參數(shù)時復雜且繁瑣的整定過程對技術人員是一個挑戰(zhàn)。

1 PID參數(shù)尋優(yōu)方法

1.1 仿真模型的建立

控制系統(tǒng)動態(tài)模型通常用傳遞函數(shù)或者狀態(tài)方程等加以描述，只有將系統(tǒng)的動態(tài)模型轉(zhuǎn)換為仿真模型后才能對系統(tǒng)進行計算機仿真。在傳統(tǒng)的仿真方法中，想要得到仿真模型，需要較深的理論知識和復雜的數(shù)學推導過程。在本文中，由于控制器的結構、形式已經(jīng)確定，可以利用Matlab軟件構造出Simulink仿真模型圖。然后逐步對控制器的參數(shù)進行調(diào)整，使系統(tǒng)的性能在某種指標意義下達到最優(yōu)。

1.2 目標函數(shù)

首先，進行參數(shù)尋優(yōu)需要目標函數(shù)。目標函數(shù)主要分為兩大類：一類是誤差積分型目標函數(shù)，另一類是參考模型法目標函數(shù)。本文采用參考模型法確定目標函數(shù)。參考模型法需要建立一個理想的參考模型，這個模型應該滿足給定的系統(tǒng)性能指標的一系列要求。將參考模型與系統(tǒng)的輸入信號同時加到實際系統(tǒng)與參考模型上[3]。然后將參考模型的輸出與實際系統(tǒng)的輸出進行相應的分析和比較，通過調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，盡可能減小它們之間的偏差。

本軟件還提供其他不同的選項。例如，本軟件中共有四種模型(IAE、ISE、ITAE、ITSE)供用戶選擇，均為誤差積分型目標函數(shù)。

如果要抑制響應曲線的超調(diào)量δ%，可在圖形界面主程序中選擇抑制超調(diào)，并設置抑制常數(shù)k。由于共進行兩次對調(diào)節(jié)器參數(shù)的優(yōu)化，所以，在每次初始值下方可以分別抑制超調(diào)量。目標函數(shù)修改為:

Qnew=(δ%+k)Qerror

(1)

基于以往的仿真經(jīng)驗，按照由內(nèi)到外的尋優(yōu)規(guī)則，用戶只需設置系統(tǒng)模型參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)的初始值。在點擊“開始仿真”按鈕后，軟件會先優(yōu)化出第一個控制器參數(shù)并將結果代入到第二個模型當中。然后對第二個控制器進行參數(shù)尋優(yōu)。最后分別得出兩個控制器的相應結果并顯示在圖形用戶界面(graphic user interface,GUI)中。

1.3 尋優(yōu)方法

PID參數(shù)尋優(yōu)是對一個含有多變量函數(shù)的優(yōu)化問題。多變量函數(shù)的優(yōu)化方法有很多種，使用頻率較高的是單純形法以及改進型單純形法[4]。

2 軟件介紹

通過運用Matlab軟件，并調(diào)用單純形法程序和強大的尋優(yōu)程序，對串級汽溫控制系統(tǒng)的內(nèi)外兩個調(diào)節(jié)器同時進行參數(shù)尋優(yōu)。這種方法不需要過多的經(jīng)驗就可以很快得出最優(yōu)參數(shù)，以滿足該系統(tǒng)的各項性能指標，從而達到設計要求[5]。此軟件是一個自編仿真軟件來實現(xiàn)控制效果，步驟如下。

① 用Simulink構造系統(tǒng)的結構圖(*.mdl)， 建立控制系統(tǒng)仿真模型。用戶可以根據(jù)實際系統(tǒng)自行設定。

② 需要優(yōu)化程序和仿真程序?qū)imulink函數(shù)進行調(diào)用。選用以改進型單純形法為規(guī)則的尋優(yōu)程序(simplex.m)，對控制器進行參數(shù)尋優(yōu)。系統(tǒng)仿真程序的功能是將有關數(shù)據(jù)送入仿真模型并計算目標的函數(shù)值。

③ 圖形界面程序(main.m)，建立GUI界面，獲取數(shù)據(jù)，調(diào)用優(yōu)化程序并顯示結果。

綜上所述，軟件由圖形界面程序GUI、改進型單純形法程序、系統(tǒng)仿真程序(simulate,m)以及Simulink函數(shù)的仿真模型文件組成。使用前,需要將這些程序文件放入同一文件夾中。

打開Matlab軟件，雙擊指定文件夾根目錄下的main.m文件，即出現(xiàn)Matlab GUI主界面。

3 軟件仿真實例

3.1 固定工況下

將本軟件用于600 MW超臨界機組100%工況下進行仿真研究。

串級控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。該系統(tǒng)有兩個回路，即內(nèi)回路和外回路。內(nèi)回路由導前汽溫變送器、執(zhí)行器、副調(diào)節(jié)器、減溫水調(diào)節(jié)閥以及減溫器組成；外回路則由主汽溫對象、主調(diào)節(jié)器、汽溫變送器以及整個內(nèi)回路組成。

圖1 過熱蒸汽串級控制系統(tǒng)框圖

首先，根據(jù)圖1所示過熱蒸汽串級控制系統(tǒng)框圖，給出600 MW超臨界機組在100%工況下的導前區(qū)和惰性區(qū)的傳遞函數(shù)，分別為：

(2)

(3)

導前區(qū)和惰性區(qū)的調(diào)節(jié)器均選用PI調(diào)節(jié)器，執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)閥的傳遞函數(shù)分別為KZ=1、Kμ=1,測量變送器斜率為γθ1=γθ2=1。過熱蒸汽串級系統(tǒng)Simulink模型如圖2所示。

因為軟件需要優(yōu)先調(diào)節(jié)導前區(qū)參數(shù)，所以要將導前區(qū)所在的內(nèi)環(huán)模型從過熱蒸汽串級系統(tǒng)Simulink模型中提取出來，得到如圖3所示的Simulink模型圖。

然后，需要對圖形用戶界面(GUI)上的控制器初始參數(shù)進行設定，控制器的各項初始值均設定為1；目標函數(shù)設定為IAE誤差積分型目標函數(shù)。仿真時間可根據(jù)需要適當增大。

圖2 過熱蒸汽串級系統(tǒng)Simulink模型

圖3 導前區(qū)系統(tǒng)Simulink模型

點擊開始仿真，經(jīng)過近1 min后可以看出，經(jīng)過30次搜索，得到的導前區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結果為P*=5.156 9，I*=0.144 4，調(diào)節(jié)后的導前區(qū)曲線圖如圖4所示。經(jīng)過49次搜索，得到惰性區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結果為P*=0.573 85，I*=0.075 968。調(diào)節(jié)后的惰性區(qū)曲線圖如圖5所示。

圖4 導前區(qū)曲線圖

圖5 惰性區(qū)曲線圖

由圖5可以看出，兩次尋優(yōu)的超調(diào)量分別為9.1%和7.2%。運行穩(wěn)定時，輸出的溫度值為540 ℃，與預期值540/1=540 ℃相比，達到了穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。因此本設計完全符合要求。

3.2 不同工況下

在600 MW超臨界直流鍋爐高溫過熱器動態(tài)特性中，隨著負荷的變化，惰性區(qū)時間常數(shù)T和導前區(qū)的靜態(tài)增益K等模型參數(shù)變化很大，用相同的控制器參數(shù)是不能夠確保在其他工況下也滿足相應控制系統(tǒng)品質(zhì)的。因此，在控制系統(tǒng)的設計中，應該考慮對參數(shù)進行改變的控制方案。

按照上述步驟，對600 MW超臨界機組75%工況下進行仿真研究。

然后，對初始參數(shù)進行設置，控制器的各項初始值均設定為1；目標函數(shù)設定為IAE積分型目標函數(shù)。

點擊開始仿真后，經(jīng)過近2 min后由圖6可看出，經(jīng)過32次搜索，得到的導前區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結果為P*=3.131 6，I*=0.089 889。調(diào)節(jié)后的導前區(qū)曲線圖如圖6所示。經(jīng)過61次搜索，惰性區(qū)參數(shù)尋優(yōu)結果為P*=0.515 91，I*=0.003 853 7。調(diào)節(jié)后的惰性區(qū)曲線圖如圖7所示。

圖6 導前區(qū)曲線圖

圖7 惰性區(qū)曲線圖

由上圖可以看出，兩次尋優(yōu)的超調(diào)量分別為5.6%和6.6%。同100%工況下一樣，75%工況也達到了穩(wěn)態(tài)無靜差的要求。因此，本軟件也適用于600 MW超臨界機組的其他負荷工況，結果比較令人滿意。由此可知，本軟件在調(diào)節(jié)PID參數(shù)領域具有一定的適應性。

如此看來，使用該參數(shù)尋優(yōu)程序?qū)ΤR界機組主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)的尋優(yōu)，相比于傳統(tǒng)PID尋優(yōu)方法，整個過程效率和精確度提高了。而且在點擊‘開始仿真’按鈕后，用戶無需任何其他操作，不僅快捷和方便，且能得到使系統(tǒng)快速、穩(wěn)定運行的最優(yōu)參數(shù)，為系統(tǒng)發(fā)揮其最佳性能提供支持。

4 結束語

采用改進型單純形法和Matlab相結合的尋優(yōu)方法，確定了一個實際系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。本文給出了600 MW超臨界機組在100%工況下的目標函數(shù)。根據(jù)文中所述方法，進行了針對主汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)過程的仿真試驗，并討論其中的方法和步驟。隨后在600 MW超臨界機組其他工況下也進行了試驗，適應性良好。將基于Matlab的參數(shù)尋優(yōu)方法運用到熱工的串級過熱氣溫控制系統(tǒng)中，同樣能夠得到使系統(tǒng)滿足設計要求的運行參數(shù)。

本文介紹了一種基于Matlab的過熱汽溫調(diào)節(jié)器參數(shù)尋優(yōu)方法。這種方法原理簡單，改變了傳統(tǒng)方法依靠大量的經(jīng)驗和人工計算為主的做法，簡化了仿真過程，令最終結果更加準確。

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Parameter Optimization for Main Steam Temperature Regulator of 600 MW Super Critical Power Unit

The main steam temperature systems of the fossil power units feature large inertia, long time delay and non-linearity, for this situation, and in accordance with relevant rules of parameter optimization for cascade control systems, with improved simplex method as the basis; the parameter optimization of super heated steam system is conducted using Matlab software. Traditional Ziegler-Nichols parameter tuning method has been widely applied in PID control design, but the optimization process is too cumbersome and certain limitation exists. Comparing with the traditional control method, using new tuning method in the main steam temperature regulator, the overshoot of the system is reduced, the response speed of the system is enhanced, and excellent control effect is obtained. The result of simulation indicates that although the control algorithms is evolving today, the simplex method still possesses certain superiority and development space; continue to study is awaited.

Tuning of PID controller Improved simplex method Parameter optimization Super critical Main steam temperature

內(nèi)蒙古自然科學基金資助項目(編號：2013MS0919)；

內(nèi)蒙古工業(yè)大學重點科學研究基金資助項目(編號：ZD201320)。

蘇晨(1989-)，男，現(xiàn)為內(nèi)蒙古工業(yè)大學控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事電廠新技術的研究。

TP311+.1

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504003

修改稿收到日期：2014-09-04。