預(yù)測控制技術(shù)用于燃煤鍋爐再熱汽溫控制的研究

楊 碩，高星宇 ，甄偉靜 ，武曉華

（1.湛江中粵能源有限公司，廣東 湛江 524099；2.河北省發(fā)電過程仿真與控制工程技術(shù)研究中心（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

0 引言

目前國內(nèi)大型火電機組的鍋爐再熱汽溫控制，仍采用常規(guī)的串級PID控制系統(tǒng)。而電廠汽溫對象的慣性很大，且噴水閥存在嚴重的非線性，當(dāng)機組負荷變化時，汽溫可能偏離設(shè)定值8～10℃，超溫頻繁，嚴重影響火電機組的安全、經(jīng)濟運行［1］。為此，針對這類具有大時滯特點的熱工系統(tǒng)的先進控制算法的研究一直是控制領(lǐng)域的重點。

面向大滯后過程比較有效的控制方法一般有Smith預(yù)估、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、預(yù)測控制等。這些控制算法中，預(yù)測控制憑借其對模型精度要求低、在線優(yōu)化計算方便、易實現(xiàn)、綜合控制質(zhì)量好的優(yōu)點［2］，受到了工業(yè)生產(chǎn)的青睞。 文獻［3］將基于模型的預(yù)測控制方法應(yīng)用于電站的控制中，以解決電廠控制中的汽溫控制問題。

預(yù)測控制是20世紀70年代后期提出，到20世紀80年代預(yù)測控制的應(yīng)用和研究有了很大發(fā)展。預(yù)測控制是基于被控對象預(yù)測模型的控制算法，模型包含了對象歷史動態(tài)信息。針對未來控制策略，預(yù)測模型可以預(yù)估系統(tǒng)未來狀態(tài)，根據(jù)具體算法進行控制。基于輸出預(yù)測的PID控制、D步超前預(yù)測等算法，以湛江電廠600 MW亞臨界燃煤機組再熱汽溫被控對象進行仿真試驗，對預(yù)測算法進行分析。

1 600 MW機組鍋爐再熱汽溫被控對象的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

預(yù)測控制以被控過程的數(shù)學(xué)模型為設(shè)計基礎(chǔ)。以湛江電廠2號機組（600 MW機組）為測試對象，測試再熱汽溫被控對象的動態(tài)特性。由于該廠再熱器設(shè)計與布置的問題，導(dǎo)致煙氣擋板在關(guān)到最小的情況下，依然無法降低再熱蒸汽溫度，故犧牲機組的熱效率，采用事故噴水減溫控制。由于導(dǎo)前區(qū)溫度測點布置太靠近減溫器，進入飽和區(qū)，不能進行串級控制。

進行現(xiàn)場特性試驗。試驗過程中不改變機組的AGC指令，將機組負荷穩(wěn)定在480 MW工況上。手動階躍改變鍋爐A側(cè)再熱汽溫噴水閥的開度10%，對再熱汽溫做噴水減溫擾動試驗，記錄相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)。鍋爐A側(cè)和B側(cè)再熱噴水閥指令正、反方向的階躍擾動試驗曲線基本相同，經(jīng)對記錄數(shù)據(jù)進行模型擬合，獲得再熱減溫噴水閥開度變化Δμ，對末級再熱器出口汽溫變化ΔT的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為

不失一般性，以B側(cè)再熱汽溫為例進行分析。

2 基于輸出預(yù)測的PID控制

PID預(yù)測控制是在經(jīng)典PID控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)上增加了一個預(yù)測器，如圖1所示。

圖1 PID預(yù)測控制系統(tǒng)方框圖

PID預(yù)測控制系統(tǒng)可以選擇不同類型的預(yù)測器，本文分別以CARMA模型和灰色模型為例，介紹控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程。

2.1 基于CARMA模型預(yù)測的PID控制

被控對象的CARMA模型［4］表示為

式中：y（t），u（t）和 ω（t）分別表示輸出、控制量和白噪聲；d為純遲延。有

經(jīng)過推導(dǎo)可以得到

式中：l為遲延系數(shù)。

針對B側(cè)再熱汽溫對象，采用基于CARMA模型的PID預(yù)測控制。在單位階躍輸入信號作用下，系統(tǒng)在名義模型和失配時的控制效果如圖2～5所示。PID控制與基于CARMA預(yù)測PID控制系統(tǒng)控制品質(zhì)對比見表1。

圖2 名義模型PID與CARMA預(yù)測PID系統(tǒng)被控量曲線

圖3 名義模型PID與CARMA預(yù)測PID系統(tǒng)控制量曲線

觀察兩組曲線和控制品質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)：名義模型時，相同參數(shù)的PID控制作用下，加入CARMA模型預(yù)測反饋可以大幅度縮短穩(wěn)定時間，減少超調(diào)量；模型失配時，兩種控制控制品質(zhì)都有較大程度的惡化，但基于CARMA預(yù)測的PID控制魯棒性是優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制的；加入CARMA模型預(yù)測反饋后，PID控制下的輸出波動情況有所平滑。

圖4 模型失配PID與CARMA預(yù)測PID系統(tǒng)被控量曲線

圖5 模型失配PID與CARMA預(yù)測PID系統(tǒng)控制量曲線

表1PID控制與基于CARMA預(yù)測PID控制系統(tǒng)控制品質(zhì)對比

2.2 基于灰色模型預(yù)測的PID控制

信息中部分明確、部分不明確的系統(tǒng)稱灰色系統(tǒng)。灰色預(yù)測是根據(jù)系統(tǒng)中有限的一組歷史數(shù)據(jù)，建立灰色模型（GM），再根據(jù)所得模型預(yù)測灰色系統(tǒng)的未來行為［5］。 灰色預(yù)測的基本流程［6］如圖 6所示。

圖6 灰色預(yù)測流程

原始數(shù)據(jù)預(yù)處理包括對數(shù)據(jù)進行濾波、去除粗大值處理、均值處理。灰色序列生成可以將數(shù)據(jù)中隱藏的規(guī)律增強，本文選擇累加生成方法。第一個數(shù)據(jù)不變，第二個數(shù)據(jù)是原始的第一與第二個數(shù)據(jù)相加，第三個數(shù)據(jù)是原始的第一、第二與第三個相加……得到的灰色模型P步預(yù)測結(jié)果為

ag，bg是灰色模型參數(shù)，辨識公式為

式中：x（0）為原始數(shù)據(jù)，x（1）為一次累加后的數(shù)據(jù)。

針對上一節(jié)中的過程對象，進行基于灰色預(yù)測的PID控制。在單位階躍輸入信號作用下，系統(tǒng)在名義模型和失配時的控制效果如圖7～10所示，控制品質(zhì)對比見表2。

觀察上述曲線和各自的控制品質(zhì)發(fā)現(xiàn)：名義模型時，加入灰色模型預(yù)測反饋可以縮短穩(wěn)定時間，大幅度減少超調(diào)量；模型失配時，基于灰色預(yù)測PID控制的魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制。

圖7 名義模型PID與灰色預(yù)測PID控制系統(tǒng)被控量曲線

圖8 名義模型PID與灰色預(yù)測PID控制系統(tǒng)控制量曲線

圖9 模型失配PID與灰色預(yù)測PID控制系統(tǒng)被控量曲線

圖10 模型失配PID與灰色預(yù)測PID控制系統(tǒng)控制量曲線

表2 PID控制與基于灰色預(yù)測PID控制系統(tǒng)控制品質(zhì)對比

3 D步超前預(yù)測控制

對被控對象進行多步超前預(yù)測，取超前控制量數(shù)為M，預(yù)測步數(shù)為P，預(yù)測輸出為

前l(fā)-1步為CARMA預(yù)測模型，余下P-l+1步寫成矩陣表達式

其中

由此可以得到多步預(yù)測的目標(biāo)函數(shù)如式（17）。當(dāng)取 Jd極小值，得到 ΔU=（GTG＋I）－1GTF，由此可以得到未來k時刻的控制量，實現(xiàn)對被控對象的控制。單位階躍輸入D步預(yù)測控制效果如圖11～14所示，控制品質(zhì)對比見表3。

式中：yr為期望輸出值。

圖11 傳統(tǒng)PID控制與D步預(yù)測控制系統(tǒng)被控量曲線

圖12 傳統(tǒng)PID控制與D步預(yù)測控制系統(tǒng)控制量曲線

圖13 工況改變時PID與D步預(yù)測控制系統(tǒng)被控量曲線

圖14 工況改變時PID與D步預(yù)測控制系統(tǒng)控制量曲線

表3 PID控制與D歩預(yù)測控制系統(tǒng)控制品質(zhì)對比

觀察上述曲線和各自的控制品質(zhì)發(fā)現(xiàn)：名義模型時，D步預(yù)測可以縮短穩(wěn)定時間，減少超調(diào)量，改善品質(zhì)；模型失配時，D步預(yù)測控制系統(tǒng)魯棒性不如傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的。

4 結(jié)語

針對大慣性的再熱汽溫系統(tǒng)，選取多種預(yù)測控制策略與傳統(tǒng)PID控制進行仿真研究，可以看出預(yù)測控制技術(shù)可以克服大遲延對控制系統(tǒng)的影響，有效改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高魯棒性。預(yù)測控制技術(shù)對于大慣性、大滯后的熱工過程控制是有效的，在熱工過程控制中具有廣闊的應(yīng)用前景。