PDF《火电厂主汽温系统扰动消除设计方法》

韩 璞等: 火电厂主汽温系统扰动消除设计方法 第4期火电厂主汽温系统扰动消除设计方法韩璞, 于萍, 王东风, 马瑞(华北电力大学 控制科学工程学院, 河北 保定 071003) 摘要: 火电厂主汽温系统具有大惯性、大延迟和时变等特性, 采用常规 PID 串级控制方法解决主汽温系 统的扰动消除问题, 结果不甚满意.

基于自适应逆控制理论, 研究了主汽温系统扰动消除方法, 并对实际

600 MW 锅炉高温过热器的动态特性进行了仿真分析.针对主汽温系统导前区和惰性区的内、外2个回路, 单独设计相应的扰动消除滤波器, 导前区内回路的扰动被从内反馈回路滤波得到的扰动参考信号消除;

惰 性区输出端扰动从外反馈回路滤波得到扰动参考信号, 在对象输入端实现扰动消除.仿真结果表明, 该方 案可较好地解决主汽温系统存在的内、外扰动问题, 对主汽温系统的扰动消除具有较强的鲁棒性和自适应 能力. 关键词: 火电厂;

主汽温系统;

自适应逆控制;

扰动消除;

有限脉冲响应模型;

LMS 算法 中图分类号: TK323;

TK223.7+

3 文献标识码: A 文章编号: 1004-9649( 2006) 04-0071-04 收稿日期: 2005-12-19;

修回日期: 2006-02-06 作者简介: 韩璞( 1959-) , 男, 河北平泉人, 教授, 博导, 从事智能控制理论及应用、 热力过程建模与仿真、 计算机辅助工程和计 算机视觉与模式识别研究.E-mail: [email protected]

0 引言 主蒸汽温度是火电厂重要的被控参数, 针对主 汽温控制现已有很多成熟方案.如史密斯预估器及 其改进形式、 史密斯预估器[1] 与模糊神经网络结合、 内模控制和神经网络 PID 等, 且均取得了一定的控 制效果, 并在工程实际中获得了应用.近年来, 随着 预测控制[2] 的发展, 神经网络预测控制及模糊预测 控制[3] 都取得了较满意的成果. 此外, 基于内模的二 自由度 PID 控制也对控制主蒸汽温度的纯滞后、 大 惯性作了尝试.电厂实际环境中, 主蒸汽温度串级 PID 控制的应用最广泛, 在工况稳定时可获得很好 的效果. 针对主蒸汽温度纯滞后、 大惯性特点的内模 控制可以很好地克服纯滞后带来的不利影响, 在此 基础上的自适应内模控制可随对象特性变化自适应 地做出相应调整, 且具有更好的控制效果. 除史密斯 预估器和串级 PID 外, 其他方法大多还停留在理论 和仿真阶段, 不能与分散控制系统( DCS) 或可编程 控制器( PLC) 等设备相结合, 因此无法将其应用于 工程实际. 本文针对主蒸汽温度系统存在的扰动提出一种 基于自适应逆控制理论[4] 的扰动消除方案, 一方面 考虑了主汽温本身的特点;

另一方面由于受限于收 敛因子的合理取值及有限的滤波器长度, 直接求解 整个系统的逆模型较困难. 因此, 本文将主汽温系统 导前区和惰性区的控制看作内、 外2个回路, 分别设 计相应的扰动消除滤波器. 同时, 采用离线过程分别 得到导前区和惰性区的逆滤波器, 再将这些逆滤波 器分别设置在内、外2个回路的反馈回路中作为整 个系统的扰动消除器. 为检验该方案的可行性, 分别 在不同负荷下进行了仿真研究.

1 自适应扰动消除系统[4] 在控制方面的文献中, 一般用对象输入端的一 个加性噪声来代表对象的扰动, 而检测对象输出的 传感器所带有的噪声往往用对象输出端的加性噪声 来表示. 在自适应逆控制的研究中, 对象噪声和扰动 的处理与对象动态输出响应的控制互不影响, 是2个相互独立的过程, 因此一般是将两者集中在一起, 形成一个组合效果的对象扰动, 即在对象输出端以

1 个加性扰动来表示.如何消除这一加性扰动就是 自适应扰动消除系统所要解决的问题. 自适应逆控制中的扰动消除与常规的扰动消除 不同. 常规的扰动消除从外部获取其参考信号, 用此 信号按前馈滤波来实现扰动消除;

自适应逆控制中 的对象输出扰动消除则是从对象输出中获得相应的 扰动参考信号, 再用此信号按反馈滤波并从对象输 入中减去来实现. 如图 1a) 所示, 首先采用文献[ 1] 中的抖动方法 对对象P( z) 建模,将得到的对象模型P ! ( z) 进行复中国电力ELECTRIC POWER 第39 卷第

4 期2006 年4月Vol. 39, No.

4 Apr.

2006 71 第39 卷中国电力图2主汽温系统扰动消除方案设计 Fig.2 Disturbance canceling design for the main steam temperature system 负荷/% 主蒸汽流量/kg ・ s-1 导前区 惰性区

100 527.8 - 0.815/( 1+18s)

2 1.276/( 1+18.4s)

6 75 347.9 - 1.675/( 1+20s)

2 1.202/( 1+27.1s)

6 50 242.2 - 3.067/( 1+25s)

2 1.119/( 1+42.1s)

7 37 179.2 - 5.072/( 1+28s)

2 1.048/( 1+56.6s)

8 表1标称负荷下主汽温对喷水量扰动的动态特性 Tab.1 Dynamic characteristic ofmain steam temperature corresponding to the spray-water disturbance with rated loads 图1自适应扰动消除系统结构框图 Fig.

1 Block diagram ofadaptive disturbance canceling system 制, 与对象并联, 即使复制的P ! ( z) 和对象 P( z) 有相 同的输入, 这样, 受到扰动的对象输出与无扰动的 P ! ( z) 输出之差就非常近似于对象输出扰动 nk, 这个 近似的 nk 输入给滤波器 z-

1 Qk( z) , 再将 z-

1 Qk( z) 的输 出从对象输入中减去, 以消除对象输出扰动. 为得到较快的自适应过程, 滤波器 Qk( z) 是通 过图 1b) 所示的离线过程得到的.首先将一个合成 噪声源输入对象模型P ! ( z) , 它的输出经延时后输入 滤波器 Qk( z) , 同时, 这一合成噪声作为训练信号完 成Qk( z) 的自适应过程.

2 主汽温控制系统的自适应扰动消除 2.1 主汽温控制系统动态特性 火电厂热工对象的动态特性与整个机组的运行 工况密切相关.当负荷变化时, 机组的对象特性有 明显变化, 特别是调峰机组, 这种现象更严重.影响 主汽温对象特性的参数主要有主蒸汽流量、 主蒸汽 压力及主蒸汽温度, 其中主蒸汽流量的影响最明显. 随着主蒸汽流量( 负荷) 的变化, 主蒸汽对象模型参 数变化明显, 特别是惰性区的时间常数及导前区的 静态增益.目前常采用的主汽温控制方案是串级 PID 控制, 当工况参数发生较大变化时很难获得满 意的控制效果. 某超临界

600 MW 直流锅炉高温过热器在

4 个标称负荷处汽温对喷水扰动的动态特性[5] 如表1所示. 2.2 主汽温系统扰动消除系统设计 由表

1 可得到, 主汽温对象是导前区与惰性区 的串联, 可表示为如下形式( 以100%负荷为例) : G( z) =G1( z) G2( z) ( 1) 式中: G1( z) 为导前区传递函数的离散形式( 取采样 周期

30 s) , 即: y1( k+1) =- 0.377 8y1( k) +0.035 7y1( k- 1) +0.404 5u1( k) + 0.131 7u1( k- 1) ( 2) G2( z) 为惰性区传递函数 的离散形式(取采样周期30 s) , 即: y2( k+1) =- 4.572 3y2( k) +8.710 9y2( k- 1) - 8.850 9y2* ( k- 2) +5.058 6y2( k- 3) - 1.542 0y2 ( k- 4) +0.195 8y2* ( k- 5) +0.000 6u2( k) +0.025 6u2( k- 1) +0.107 4u2( k- 2) + 0.085 1u2( k- 3) +0.012 7u2( ........