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第2 1 卷第5 期 2 0 1 4 年 1 0 月 仪器仪表用户 NS TR UM E N1 _A T 1 0N El C VO I . 2 1 201 4 NO. 5 基于MA T L A B T.具箱 的火电站过热蒸汽温度优化控制 李 娜 , 王 印松 华北电力大学 控制与计算机工程学院自动化系,河北 保定 0 7 1 0 0 3 摘要火电站过热蒸汽温度控制对象具有慢时变和非线性等特性,采用调节参数固定的P P I D 控制器进行过热蒸汽 温度调节难以得到良好的控制效果。针对这一问题,本文介绍了一种利用非线性控制设计模块 S i g n a l C o n s t r a i n t ,简 称s C 优化P I D 控制器,获得不同负荷下的P I D 参数。仿真结果表明,使用优化后的参数进行控制,系统性能得到一 定 的提高 。 关键词 P I D 控制器 ;过热蒸 汽温度 ;S i g n a l C o n s t r a i n t模 块;优化 中图分类号 T P 文献标识码 A 文章编 号1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 4 0 5 0 0 2 3 0 2 The Op t i mi z a t i o n Co n t r o l o f t he S u pe r h e a t e d S t e a m Te mpe r a t u r e Ba s e d o n M a t l a b T o o l b o x Li Na, Wa n g Y i n s o n g De p a r t me n t o f Au t o ma t i o n , S c h o o l o f Co n t r o l a n d C o mp u t e r En g i n e e r i n g , No r t h Ch i n a E l e c t ric P o we r Un i v e r s i t y , B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 , C h i n a Abs t r a c t T h e c h a r g e d o b j e c t o f s u p e r h e a t e d s t e a m t e mp e r a t u r e i n t h e r ma l p o we r s t a t i o n s h a s s l o w l y t i me v a r i a n t s y s t e m p a r a me t e r s a n d n o n l i n e a r p r o p e r t y . w h i c h ma k e i t d i ffic u l t t o o b t a i n g o o d c o n t r o l p e rfo r ma n c e s u s i n g t h e f i x e d p a r a me t e r s P P I D c o n t r o l l e r . D i r e c t i n g a g a i n s t t h e p r o b l e m, t h e p a p e r i n t r o d u c e s a n o n l i n e a r c o n t r o l d e s i g n m o d u l e S i g n a l C o n s t r a i n t , s h o fl f o r S - C t o o p t i mi z e t h e P I D c o n t r o l l e r , a n d t o g e t t h e o p t i ma l P I D p a r a me t e r s wi th d i ffe r e n t l o a d . S i mu l a t i o n r e s u s h o w t h a t u s i n g the o pt i mi z e d para me t e r s c o nt r o l , t h e s y s t e m pe r f o r ma n c e i s i mp r o v e d. Ke y w or ds P I D c o n t r o l l e r ; s u p e r h e a t e d s t e a m t e mp e r a t u r e ; S i g n a l C o n s t r a i n t mo d u l e ;o p t i mi z a t i o n O 引言 过热蒸汽温度是火电站生产过程中一个重要的检测和 控制参数 ,温度过高或过低都会影响到机组的安全性和经 济性 J 。目前,火电站过热蒸汽温度控制普遍采用串级P I D 控制策略 ,并采用导前汽温信号和前馈信号来进行超前调 节 ,但以调节参数固定不变的P I D 控制器来控制主蒸汽温度 系统 ,控制效果仍不理想。 随着智 能控制 技术 的发 展 ,一些 智能算 法 ,如模 糊控 制 ,神经网络 ,遗传算法等 ,被应用到过热蒸汽温度控制 中,并取得了一些研究成果 ,但因算法较复杂,真正应用 到生产实践上的并不多 ,3 ] 。 在文本中,结合了MA T L A B / S i mu l i n k 中的非线性控制系 统优化设计 S i g n a l C o n s t r a i n t 工具箱,对某超临界机组过 热蒸汽温度控制系统的P I D 控制器进行优化,得到了某些负 荷下控制器参数的优化值 ,将优化值近似作为对应负荷邻 近区间内的P I D 参数值,进而给出了0 %~ 1 0 0 %负荷下P I D 控 制器参数值。 1 S i g n a l C o n s t r a i n t 模块简介 在MA T L A B 7 . 0 2 ; 前的版本 中,S i g n a l C o n s t r a i n t 模块称 为 “ N o n l i n e a r C o n t r o l D e s i g n ”。S i g n a l C o n s t r a i n t 模块 为非线 性系统的控制器优化设计提供了有效的手段。该工具箱以 S i mu l i n k 模块的形式,集成了基于图形界面的非线性系统控 制优化设计和仿真功能『 4 ] 。S i g n a l C o n s t r a i n t 模块能够添加到 S i m u l i n k 仿真图中,对与其相连接的信号进行约束。S i g n a l C o n s t r a i n t 模块 自动地把系统时域的性能指标转化为一个约 束优化问题 ,用连续的二次方程式程序算法和准牛顿梯度 寻优搜索技术解决这一问题,并可以在系统时域性能曲线 窗口动态的显示控制器的优化效果。此外 ,S i g n a l C o n s t r a i n t 模块允许把不确定性引入受控对象的动态特性中,支持存 在不确定特性的鲁棒控制系统设计圈 。 2火电站过热蒸汽温度控制系统 火电站过热蒸汽温度控制对象的动态特性与机组的运 行工况密切相关。影响过热蒸汽温度变化的因素有很多, 比如,烟气侧有燃料量、风量等,蒸汽侧有蒸汽流量 、给 水温度、减温水温度等,但影响过热蒸汽温度最主要的因 素是负荷的变化” 】 。某超临界6 0 0 MW直流锅炉高温过热器 在4 个典型负荷下过热蒸汽温度对减温喷水扰动的动态特性 如表 1 所 示 J 。 过热蒸汽温度控制对象是一个慢时变过程 ,因此,当 负荷3 0 %~ 4 4 %时 ,对象模型近似用负荷在3 7 %对应的模型 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 7 0 8 作者简介李娜 1 9 9 1 一,女,石家庄人, 在校研究生,研究方向数据驱动控制。 24 仪器仪表用户 N S T R U ME N 1 A T I O N 第2 1 卷 表1 过热蒸汽温度对减温喷水扰动的动态特性 ~ 4仿真研究 T a b l e 1 S u p e r h e a t e d s t e a m t e mp e r a t u r e t o t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s tic 0 ft h e ⋯ ’ ⋯ d e s u p e r h e a t in g s p r a y i n g d i s t u r b a n c e 优 化菏 V一 一 优化后 1 ∞l 负荷 下阶 妖响应曲线 姗 问 。删 一 /5暇 负 荷 下 阶 跃 响 应 曲 线 rHq l s 图1不同负荷下的阶跃响应曲线 F i g . 1 S t e p r e s p o n s e c u r v e u n d e r d i ffe r e n t l o a d 代替 ,同理,当负荷在4 5 %~ 5 5 %、7 0 %~ 8 0 %、9 5 % 1 0 0 % 时,模型分别近似用负荷在5 0 %、7 5 %及1 0 0 %下对应的模 型代替。 由于串级控制系统的副调节器能够有效的消除内扰 , 且由导前区为副对象的副环控制相对于以惰性区为主对象 的主环控制是一个响应快速的环节 ,因此 ,可以使用一个 比例环节代替副环,达到简化控制对象的 目的。在文本 中,仅针对主环的P I D 控制器进行参数优化。 3利用S i g n a l C o n s t r a in t 模块进行P I D参数优化 利用S C 模块对过热蒸汽温度控制系统的P I D 控制器参 数进行优化设计 ,具体步骤如下 1 在MA T L A B / S i mu l i n k环境下建立过热蒸汽温度控制 系统仿真方框图。 2给定P I D 控制器初始参数值,选取待寻优的P I D 控制 器参数的变化范围。 3 给定系统的时域性能指标要求 ,如上升时间、最大 超调量 、调节时间等 ,从而将时域约束变为有约束的优化 问题,实现对P I D 控制器参数的优化计算。 4设定变量的允许误差值和约束的允许误差值 ,当 系统优化变量和约束变量的变化小于相对应的允许误差值 时,优化结束。 5 运行优化程序,获取P I D 控制器参数。 6不断缩小对时域性能的约束,重复步骤3至5 直至系统的动态性能达到期望要求 ,或不能进一步完善为 I E 。 传统P P I D 过热蒸汽温度控制系统的主控制器参数采 用文献[ 4 ] 中的整定值,副环使用 比例环节代替。仿真分析 可知 ,在4 个典型工况下,比例环节均可近似为0 . 9 5 3 4 。 在4 个典型工况下 ,对过热蒸汽温度控制系统进行阶跃 扰动实验,图1 可见,经S C 模块优化的系统的控制品质优 于使用文献[ 4 】 中参数的控制系统,调节时间更短且超调减 小。对应的优化参数结果见表2 。 当负荷在0 ~ 2 9 %、5 6 %~ 6 9 %、8 1 %一 9 4 %时,过热蒸汽 温度控制系统惰性区传递函数可分别近似为 、 1 ,1 5 8 4 、 ,副环仍使用比例环节k 0 . 9 5 3 4 52 9 s 5 2 2 13 7 0 7 1 。 、 3 2 1 ’ 、 2 1 1 田 u l ’ J L , u l ’ l K 一 代替 ,再分别对上述系统进行阶跃扰动实验,经s c 模块优 化后 ,优化的参数结果如表2 所示。 表2 0 - 1 0 0 %负荷下P I D参数优化结果 T a b l e 2 0 - 1 0 0 % Lo a d u n d e r the P I D p a r am e t e r o p t i mi z a t i o n r e s u l t s 5结束语 为了克服火电站过热蒸汽温度控制中因P I D参数 固定 导致的系统超调量与响应速度的矛盾,本文采用MA T L A B / S i mu l i n k S i g n a l C o n s t r a i n t I具箱对P I D控制器进行优化设 计。仿真实验表明,采用s c 模块优化后的P I D 参数进行过 热蒸汽温度控制系统的控制,具有良好的控制品质。 参考文献 [ 1 】 黄德先, 王景春, 金以慧. 过程控制系统【 M] . 北京 清华大学出版 社 , 2 0 1 1 . 李 国林 . 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