PDF《代号10701 学号》

题(中、英文)目 电厂控制系统的优化软件设计与实现 OPTIMAL CONTROL SOFTWARE R&

D AND APPLICATION IN DCS OF THERMAL POWER PLANT 作者姓名倪勇坚 田玉敏 教授 提交论文日期 二零一二年四月 刘康宁 高级工程师 学校指导教师姓名职称 工程领域企业指导教师姓名职称 计算机技术 代号分类学号密级10701 TP273+.

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0877960022 U D C 编号西安电子科技大学 学位论文独创性(或创新性)声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果.尽我所知,除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果;

也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料.与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意. 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任. 本人签名: 日期: 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学.学校有权保 留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;

学校可以公布论文的全部或部分内 容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文.同时本人保证,毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学. (保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密,在 年解密后适用本授权书. 本人签名: 日期: 导师签名: 日期: 摘要 摘要 本文在调研优化控制软件的需求、火力发电厂繁杂工业控制的难点、常规控 制的不足基础上等,针对中国国情和火力发电厂特别是大型火力发电机组控制要 求,对比分析了当前主流优化控制软件的算法,如预测控制、模糊控制、神经网 络控制等,并结合工程应用实际和离散控制系统特点,选择多变量预测控制算法 作为优化控制软件的核心控制算法,设计实现了优化控制软件.同时,考虑到当 前火力发电厂离散控制系统多样性,目前很多大型火力发电厂已运行多种国内外 离散控制系统.但这些国外的控制系统出于自身的经济利益和技术保护,大部分 优化控制软件都与其自身的离散控制系统绑定,不开放对外接口.因而本课题中 开发出的优化控制软件产品采用开放的、国际通用的 OPC 接口通讯方式. 由于时间和条件局限性,本课题还存在着一些待改进和完善的地方,如优化 软件主要算法只实现了优化控制技术中模型预测算法,如何把其他潜在技术包括 模糊控制、神经网络控制等技术融入到系统中;

优化控制对象只实现了锅炉燃烧 系统的优化控制,后期将陆续实现机组协调控制、机组性能计算等功能. 关键词:火电厂 优化控制软件 离散控制系统 预测控制 Abstract Abstract According to national conditions and the process control requirement of the thermal power plant, this thesis choose the MPC(Module Predictive Control) as the core of optimal control software control algorithm after analysis the mainstream control algorithm such as predictive control, fuzzy control, neural network control. This choice based on the requirement research of the optimized control and the difficulty of the complex process control and the characteristics of the DCS for the large thermal power plant. Many large thermal power plants have been running a variety of domestic and foreign DCS. But these optimized control software from abroad have no interface for other system only running in their own DCS for the reasons of economic benefit and the technical security. So in our optimized control software we choose the open and mainstream OPC for the communication protocol. Due to time limitations and conditions, there is also some of the thesis for improvement and perfection, such as there is only MPC algorithm in the current system, needed to integrate the fuzzy control and the neural network control algorithm. The object of the software controlled is only FSSS, the CSS and performance calculation are needed to integration in the next version. Keywords: thermal power plant optimal control software DCS predictive control 目录 目录

第一章? 绪论 1? 1.1 研究目的与意义 1? 1.2 研究背景 2? 1.2.1 离散控制系统的背景.2? 1.2.2 优化控制软件的背景.2? 1.3 国内外优化控制软件发展的现状 2? 1.3.1 国内优化控制软件的现状.2? 1.3.2 国外优化控制软件的现状.3? 1.3.3 目前优化控制软件的不足.5? 1.4 研究内容 5?

第二章? 离散控制系统和优化软件的技术特点.7? 2.1 离散控制系统的技术 7? 2.1.1 离散控制系统组成.7? 2.1.2 离散控制系统的组成.8? 2.1.3 离散控制系统的技术.9? 2.2 优化控制软件的技术特点 11? 2.2.1 优化控制软件技术介绍.11? 2.2.2 优化控制软件的优势.12? 2.2.3 优化控制软件的结构.13? 2.2.4 优化控制的算法.13? 2.2.5 优化控制的步骤.17? 2.3 本章小结 17?

第三章? 模型预测控制技术分析.19? 3.1 MPC 算法的主要特征.19? 3.1.1 MPC 的主要优势 20? 3.1.2 当前 MPC 技术的主要局限性 21? 3.2 MPC 算法的组成.21? 3.2.1 预测模型.21? 3.2.2 优化目标函数.22? 3.2.3 设定点跟踪.23? 3.2.4 控制增量的抑制.23? 3.2.5 调节变量的设定值.23? 电厂控制系统的优化软件设计与实现 3.2.6 变量的约束.24? 3.3 本章小结.25?

第四章? 优化控制软件设计.27? 4.1 总体设计.27? 4.2 通讯设计.28? 4.3 总体功能设计.29? 4.3.1 优化控制算法模块.29? 4.3.2 与离散控制系统的接口.30? 4.4 优化软件的功能设计.30? 4.4.1 锅炉燃烧系统优化控制功能设计.30? 4.5 优化软件设计的难点.31? 4.6 优化软件设计的难点的解决.31? 4.7 本章小结.32?

第五章? 优化控制软件实现.33? 5.1 软硬件环境.33? 5.2 优化软件主程序运行功能的实现.33? 5.2.1 优化软件通讯功能的实现.33? 5.3 模型预测算法实现.41? 5.3.1 被控对象锅炉燃烧系统.41? 5.3.2 锅炉燃烧系统特性.42? 5.3.3 锅炉燃烧系统优化控制的过程参数.43? 5.3.4 建立模型预测控制模型.43? 5.3.5 采集过程数据.45? 5.3.6 过程模型辨识.45? 5.3.7 预测控制器.46? 5.3.8 关键参数的选取.47? 5.3.9 控制结果.48? 5.4 优化软件人机界面的实现.48? 5.5 本章小结.49?

第六章? 总结与展望.51? 6.1 论文总结.51? 6.2 论文展望.51? 致谢.53? 参考文献.55? 研究成果.57?

第一章 绪论

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第一章 绪论 1.1 研究目的与意义 电力由于其污染少、效率高,普遍被认为是清洁能源,其在能源结构中所占的 比例越来越大,目前大型燃煤火力发电机组提供了 80%以上的电力供应,是我国 最大的电力来源.但燃煤火力发电机组同时也是最大的二氧化碳排放源.怎样能 减少污染同时又能保证充足的电力供应,是目前我国面临的一大难题. 首先基于离散控制系统的优化控制软件的应用能给发电企业带来极大的经济 效益.根据 DMC 公司的资料介绍,用离散控制系统实现常规控制,其投资占总投 资的 70%,但取得的经济效益仅占总效益的 15%[9] .而在常规传统控制的基础上 实现比值、串级和前馈等传统控制,投资额增加 10%同时效益也会提高 10%;

如 果再增加 10%的投入实现先进控制,便可使效益增加 25%;

若进一步增加 10%投入,实施实时优化控制,可使效益提高 40%.从图 1.1 中可以看出,实施优化控制 的产出投入比是很高的[3] . 图1.1 优化控制的投入-产出关系 电厂控制系统的优化软件设计与实现

2 1.2 研究背景 1.2.1 离散控制系统的背景 由于火电厂工艺和控制流程非常复杂,需要实时监测和控制大量的复杂设备 及仪表,传统的手工控制难以满足现代电厂的控制要求.大型火电厂纷纷上马离 散控制系统,通过集中布置的硬件模块监控分散在发电厂内部各主要设备上传感 器数据,通过工业以太网与上层集中控制平台交互,实现分散设备的集中管理. 由离散控制系统软硬件设备取代发电厂原有的人工操作和老式模拟仪表,使自动 化控制成为了现实,提高了运营效率. 1.2.2 优化控制软件的背景 随着计算机技术、显示技术、现场总线技术和自动化仪表技术的不断发展, 离散控制系统已在发电领域得到了广泛的应用.但由于发电行业设备多、种类杂 而且其过程控制流程又非常复杂,虽然离散控制系统可以实现把分散的设备进行 集中管理,提升了发电厂运行的安全性和稳定性,但离散控制系统缺少对发电厂 运营中效率的有效优化.随着离散控制系统的广泛应用和国内外各高校及科研机 构在基于离散控制系统上的优化控制理论和控制算法研究的不断深入,为优化控 制软件的设计与研发提供了理论依据和应用基础.离散控制系统结合先进的优化 控制软件可以极大的提高机组的发电效率同时减少污染排放. 基于离散控制系统的优化控制软件,克服了火力发电厂过程控制中长流程所 引起的大滞后现象,提升了控制效果、减少了控制过程中的波动,负荷反应更加 迅速,极大的提高了控制质量. 1.3 国内外优化控制软件发展的现状 1.3.1 国内优化控制软件的现状 在欧洲和美国等西方发达国家,先进过程控制的优化软件已广泛应用于电力、 化工、炼油,石化等行业,取得了显着的经济效益.与这些发达国家相比,中国 的大型火力发电厂和石化厂等先进控制的普及率远小于 10%,许多国内企业迫于 成本和节能减排的压力迫切需要推广先进的优化控制.然而目前中国的优化控制 软件产品种类少且成熟度不高,大量的先进控制软件还需要进口.

第一章 绪论

3 国内多所高校、科研院所和大型工业类企业从上世纪

80 年代开始探索和研究 各种先进控制技术和理论,通过对这些复杂工业控制过程的研究和深入实践,取 得了很多成功的研究成果和技术经验.上世纪

90 年代以来,国内的各工业企业将 预测控制技术、模糊控制技术和专家控制技术等先进的控制技术成功地应用于复 杂的工业生产过程,取得了一定的社会效益和经济效益.但国内的先进控制产品 与国外........