火电厂主蒸汽温度系统的多模型PID控制.pdf

2 0 1 0年 0 2月 第 3 8卷 第 1期 总 第 2 0 6 期 Fe b． 20 1 0 Vo1 ． 38 No． 1 Se r ． No． 2 06 火电厂主蒸汽温度系统的多模型 P I D控制 M u l t i mo d e l Co n t r o l o f M a i n S t e a m Te mpe r a t u r e i n Fo s s i l Po we r Pl a n t 朴 扬 ， 张 勇 ， 韩 熠。 1 ． 吉林 省 电力有 限公 司电力科 学研 究院 ， 长春 1 3 0 0 2 1 ； 2 ． 松 花 江热 电有 限责任 公 司 ， 吉林 吉林 1 3 2 0 0 2 ； 3 ． 大唐 长春 第三 热 电厂 ， 长春 1 3 0 1 0 3 摘 要 针对 火电厂主蒸汽温度 的时变性特征 ， 设计 了基于多模型 的串级 P I D控制系统 ， 并 以某 电厂锅炉 5 个 局部 工作点的主蒸汽温度为对象进行 了仿 真。仿真结果表明 ， 基于多模型的串级 P I D控制 策略能够较好 的解决 主蒸汽 温 度 的 时 变 性 问题 ， 其 控 制 效 果 也 相 对 较 好 。 关键词 多模 型控制 ； P I D控制 ； 自动控制 ； 主蒸汽温度 Ab s t r a c t Cons i d er i n g t he r ma l po we r pl a nt ’ s t i me v a r y i n g c ha r a c t e r i s t i c s o f s t e a m t e m p e r a t ur e s y s t e m ，t he pa pe r r e l a t e s t he d e s i gn of m u l t i mo de l ba s e d PI D c a s c a d e c ont r ol s ys t e m．， a n d f or t h e ma i n s t e am t e mp er a t ur e a po we r p l a n t ’ s b o i l e r ’ S f i v e l o c a l o p e r a t i n g p o i n t h a s b e e n s i mu l a t e d ． Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t t h e mo d e l b a s e d o n mul t i PI D c a s c a d e c o nt r ol s t r a t e gy r e s o l v e s t he mai n s t e a m t e mpe r at ur e of t i me v a r y i n g p r o bl e m b e t t er ， a nd t he e f f ec t of t he c o nt r ol i s r e l a t i v el y g o od． Ke y wor d s mu l t i mo de l c ont r ol ，PI D c o nt r o l ，au t oma t i c c ont r ol ， ma i n s t e a m t e mp e r a t ur e 中图分类号 TK3 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 1 0 0 1 0 0 1 3 - 0 3 采 用 比例 、 积 分 、 微 分 P I D 进 行 控 制 的 调 节 器 ， 主要 针对 控制对 象 来进行 参 数调 节 。 P I D控 制 器 问 世至今 ， 其 控制 理论 经历 了古 典控 制理 论 、 现 代 控 制 理论 和智 能控制 理论 三个 阶段 。 虽 然如 神经 网络 、 专 家 系统 、 鲁棒 控 制 等 新 的控 制 方 法得 到 了广 泛 的 应 用 ， 但 由于 P I D控 制 原 理简 单 、 易 于 整定 、 适 用性 强 ， 目前仍 是应 用最 广 泛 的基 本 控制 方法 。 1 系统描述及 问题提 出 主蒸 汽 温 度 是影 响发 电厂 安全 、 经济 运 行 的 重 要 参 数 ， 具 有 非 线 性 、 大 时延 和 扰 动 因素 较 多 的特 点 。 当负荷 发 生变化 时其 动态 特性 变 化显 著 ， 尤 其对 于 一些 调 峰机 组来 说 ， 常规 的 串级 控制 效 果 并 不 能 令人 满意 j 。 影 响 主 蒸 汽 温 度 特 性 的 参 数 主 要 有 主 蒸 汽 流 量 、 压力及 温度 。 其 中 ， 主蒸 汽流 量 的影 响最为 明显 。 当 负 荷 上 升 时 ， 过 热 蒸 汽 流 量 和 流 速 增 大 ， 静 态 增 益 、 时间 常数 和迟延 时 间都将 随 之减小 ， 由此造 成 了 对象 特性 的极 大改 变 。 因此 ， 主汽 温度 系统 是典 型 的 收 稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 0 作者简介 朴 扬 1 9 8 4 一 ， 男， 从 事火 电厂热工技术 工作 。 多 模型 系统 。 2 模型建立 多模 型 建模 的过程 如下 2 j 。 a ． 选 择 平 衡点 工 作 变 量 ， 典 型 的选 择是 输 入 和 输 出或状 态 变量 。 b ． 将整 个工 作空 间分 解成 个 操作 子空 间 。 c ． 在子 空 间内 ， 建 立过 程局 部数 学模 型 。 d ． 将 局 部模 型通 过加权 隶 属度 函数 生成 全局 非 线性模 型 。 其 中， ”的选 取 应 根 据 实 际对 象 的非 线 性 来 确 定 ， 既 不能 过 多 也不 能 过 少 ， 过 多将 使 设计 复 杂 ， 过 少 则不 能真 实反 映对象 大范 围动 态特 性 。 设全 局工 作空 问 为 r ， 局 部工作 空 间为 r ， ， 则 PP1 Ur2 ⋯I 1 r nr ， ， i ／ k j 其局 部工 作空 间 的传递 函数 为 y 一 G， s 式 中 y ， 5 为局部模型输 出； G ， s 可在第 个局部 l 3 2 0 1 0年 0 2月 第 3 8卷 第 1 期 总 第 2 0 6期 吉 林 电 力 J i l i n E l e c t r i c P o we r Fe b． 2 0 1 0 Vo1 ． 3 8 No． 1 Se r ． No ． 20 6 空 间辨识 得 到 ， 或者 根 据非 线性 机 理 模 型在 第 i 个 工作点线性化； U 为多模型控制系统的控制器综 合输 出 。 多模 型 的调度机 制可采用 多种不 同的 方法 。根 据 系统实 际情 况 ， 调 度 机制 可 分为 硬选 择 切换 法或 加权求和 的软切换 方法 模糊加权 ， 概率 加权 等 。 本 文采 用 的是 基 于 模 糊隶 属 度 函 数 的 加权 求 和 的方 法， 即将局部模型的有效适用范围用隶属度数 加权 函数 “ 来表示 ， 且 ∑q u 一1 ， u ∈E 0 ， 1 7 - 一 1 则 全局 的多模 型表示 为 广一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ] G s 一 q G ， s ， 一 l 此 时 ， 全局 多模 型是局部 模型 的加权 和 ， 加权 函 数 表示 了局部 模型 的适 用范 围 。 控制 系 统 结 构 框 图如 图 1所 示 。KhK 、 K小 丁 、 K 、 7 ’ 为 系统 内 回路 的固定参 数 ， 便 于 快速 消 除 系统 内扰 。系统 外 回路 部 分 采 用 多模 型 P I D 控 制 ， 用于对 系统最终 输 出进 行调 节 。 U一∑ 5 J 一 】 式中 为局部控制器 G 的输 出， G 为多模型综合 的加权 值隶属 度系数 。 y ／ U N ／ j _ ． { 两 _ _ ／ } l 3 仿真试验 图 1 主汽 温 系统 的 多 模 型 PI D控 制 以某 锅炉 为例 ， 通 过 测量 得到 负荷 率从 3 O 到 1 0 0 5个局 部工作 点 的主蒸 汽温度 对 象模 型 见表 1 。 表 1 高温过热器动态特性数学模 型 负荷率 ％ 动 态 特 性 导前 区 W。 s 惰性 区 Ⅵ ， 用多模型的方法描述该系统的动态特性 ， 定义 隶属度 曲线如 图 2所示 。 其 中 ， u 为机 组负荷 率 ， a u 为局部模 型及其 对应控 制器 的隶属度 函数 。 根 据 主蒸 汽温 度 系统 的实 际 特性 分析 与 测试 ， 1 4 虽然实 际被控对 象参 数并不 随机组 负荷严 格按照线 性 变化 ， 但 由此带 来 的误 差很 小 ， 所 以不论仿 真研究 还是实际应用都是可以接受的。 文献[ 4 ] 、 E s ] 也曾采 用 过此方 法 。 f 1 3 0 4 4 62 88 l 0 0 ul ％ 图 2 多模 型 系统 局 部 模 型 隶 属 函数 曲线 对 表 1的 被控 对 象 和 图 1的控 制 方 案进 行 仿 真 。内 回路 P I D控 制 器取 比 例积 分形 式 ， 其 参数 固 定为 K。 1 ． 1 ， K。 一0 ． 0 4 。 外回路控制器P I D1为如 下实 际 P I D形 式 1 控 制器参数按照文献E 6 ] 、 E 7 3 提出的方法进行 鲁棒求 解 ， 在表 1的 5种典 型工况 下 ， 得 到控制器 参 数分别 为 Kc 】 一 0 ． 45， 7’ l 1 1 05， TD 1 4 6． 5， ’ F l 2 0； Kc 2 0 ． 40， Tl 2 8 5， TD 2 3 7 ．5， 7 F 2 1 6； 2 0 1 0年 O 2月 第 3 8卷 第 1期 总 第 2 0 6期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Fe b． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 S e r ． No ． 2 0 6 Kc 3 0． 3 4， 7 I 3 6 0， 7 ’ D 3 2 8， TF 3 1 2； Kc 4 0． 29， TI 4 49， 7 1 D 4 2 4， 7’ F 4 1 0； Kc 5 0． 1 8， 7’ I 5 32， TD 5 2 1， TF 5 9。 控 制 系统仿 真结 果 如 图 3 所 示 。 图 3为第 5 mi n a ．升 负 荷 曲线 4 结论 负荷不变情况下 ， 汽温设定值作 5 C的阶跃响应实 验 ； 第 2 O mi n开 始 ， 以 每 分 钟 3 的 速 度 做 升 图 3 a 、 b ／ 降 图 3 c 、 d 负 荷 实 验 ； 第 4 0 mi n开 始 ， 输 出 端有 幅度 为 5 的测 量干扰 实 验 。 0 1 0 2 O 30 4 0 50 t ／ mi n b ．温度 响应 曲线 C ．降负荷 曲线d ．温度响应曲线 图 3 升 、 降负荷实验 时多模 型控 制仿真结果 [ 2 ] 张智焕 ， 王树青 ． 非线性 系统的多 内模控制 [ J ] ． 浙江大 学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 7 1 5 6 5 9 ． 本 文 基 于 多 模 型 的 P I D 控 制 思 想 实 现 了 主 蒸 汽 温度控 制 系统设 计 。针对 某 电厂 锅炉 主蒸 汽温 度 系统 ， 设 计 了基 于 多 模 型 P I D 控 制 的 串 级 控 制 方 案 ， 内 回路 采用 固定 参数 P I D 控 制 器 以快 速 消除 内 扰 ， 外 回路 为 基 于 系统 广 义 被控 对 象 简 化模 型 的多 模 型 P I D控 制 器 ， 以解 决 主蒸 汽 温度 系统 的非 线 性 时 变性 以及扰 动 较 多 的 动态 特 性 ， 并 通 过模 糊 加 权 的方法 实现 了多模 型 间 的平滑 切换 。 参 考文献 [ 1 ] 刘建 江 ， 李政 ， 倪 维斗 ， 等． 基于 HC x 。 理论 的状态变 量 控 制在 主 蒸 汽温 度 控制 中的 应 用 [ J ] ． 动 力 工 程 ， 20 00， 2 0 3 6 69 673 ． 王 东风 ， 韩 璞 ， 郭启刚． 锅炉过 热汽温系统 的 DR NN 网络 自整定 P I D控制[ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 4 ， 2 4 8 19 6 - 20 0 ． 李益国 ， 沈炯 ， 吕霞 中． 基 于 L MI的鲁棒 负荷预见控 制 方 法 [ J ] ． 中 国 电机 工 程 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 3 1 2 2 1 3 2l 7 ． 胡克定 ， 汪 自勤 ， 钱钟韩 ． 单元 机组协调 控制 的一 种频 域设计方法E J ] ． 东南大学学报 ， 1 9 8 9 ， 1 9 1 6 9 7 7 ． B i Q， Ca i W J ， Le e E L e t a 1 ． Ro b u s t i d e n t i f i c a t i o n o f f i r s t o r d e r p l u s d e a d t i me f r o mr e s p o n s [ J ] t ． C o n t r o l En gi e e r i ng Pr ac t i c e ．1 99 9 7 71 7 7． Zha n g W D，Su n Y X，Xu X M ． M od i f i e d PI D c o n t r o l l e r b a s e d o n H o o t h e o r y [ J ] ． I n P r o c I E E E I CI T ， Pi s c a t a wa y， USA ， 1 996 9 12 ． 编 辑郝 竹 筠 1 5 ] ] ] ] ]