第22卷第1期电力系统及其自动化学报Vol.22No.1
2010年2月ProceedingsoftheCSU2EPSAFeb. 2010
过热汽温增益自适应Smith预估控制
罗 嘉,李 锋,张红福,朱亚清
(广东电网公司电力科学研究院,广州510600)
①
摘要:过热蒸汽温度是机组运行过程中需要监控的重要参数,为解决实际中的过热汽温普遍存在着滞后、非线性等问题,利用实际工程中过热蒸汽系统阶跃响应特性的数据,采用最小二乘法建立了控制对像的数学模型,在串级双回路控制的基础上引入了增益自适应SMITH预估控制。实际投运时过热汽温稳态偏差不超过
2℃,负荷波动30%BMCR时动态偏差不超过4℃,结果表明,采用该控制策略具有较强的可实现性和较好的
控制品质。
关键词:过热汽温;参数辨识;最小二乘法;增益自适应;史密斯预估器
中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:1003230(2010)0120156205GainAdaptiveSmithPredictionControlof
SuperheatedSteamTemperature
LUOJia,LIFeng,ZHANGHong2fu,ZHUYa2qing
(GuangdongPowerTestandResearchInstitute,Gangzhou510600,China)
Abstract:Theboilersuperheatedsteamtemperatureisoneofthemostimportantparameters.Inviewofthelongtimedelayandnonlinearissuesinsuperheatedstreamtemperaturecontrolsystem,againadaptivepredic2tioncontrolisobtained.Basedontherealstepresponsedataofreheatedstreamsystem,themathematicmodelofcontrolobuectwasestablishedusingleastsquaresmathematicalmethod.Thecontrolstragtegyofgainadap2tiveSmithpredictorisalsoproposedbasedonthedouble2loopcascadecontrol.Applicationresultsshowthatthedeviationofsuperheatedstreamtemperatureisnolessthan2℃insteadystate,andnolessthan4℃indy2namicstatesith30%BMCRLoadfluctuation,whichindicatesthecontrolstrategyhasgoodcontrolresultsandabetterqualitycontrolperformed.
Keywords:superheatedsteamtemperature;parameteridentification;leastsquaremethod;gainadaptive;Smithpredictor
过热蒸汽温度是电厂机组运行过程中需要监视及控制的重要参数之一,它直接关系着机组能否安全稳定的运行。过热蒸汽温度一般可看作多容分布参数受控对象,其动态特性描述一般可用多容惯性环节来表示,该对象具有明显的滞后特性,因此对该对象的控制比较困难。原因主要有:(1)锅炉燃烧工况不稳定,烟气侧扰动频繁且扰动量较大,影响主蒸汽温度变化较快;(2)由于工艺特性决定各级过热器管道较长,造成主汽温对其控制输入———喷水减温器的减温水量变化反应较慢;(3)外部扰动变化频繁且扰动量较大,致使主汽温长期不
能稳定;(4)由于参数整定不当引起一、二级喷水量不匹配,使得喷水量内扰较大,造成主汽温在外扰较小时仍偏离设定值较大[1]。因此,针对上述情况设计的过热汽温控制系统,既要求对烟气侧扰动及负荷波动等较大外扰具有足够快的校正速度,同时又要求对减温水内扰有较强的抑制能力,从而使系统具有足够的稳定性和良好的控制品质,并能保证系统运行的安全性。目前,火电厂常规的过热汽温控制系统一般采用串级双回路调节系统,并引入负荷、给煤量等信号为前馈校正,但实际投运效果往往动态偏差较大,过渡过程时间长。一些智能控
①收稿日期:2009210223;修回日期:2009211224
第1期 罗 嘉等:过热汽温增益自适应Smith预估控制
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制的思想,如模糊控制等,虽然早些年都已经被引入到过热汽温控制中来[2]。但由于受到实现平台的制约,目前智能控制的方法在现场应用的情况并不是很理想。实际应用还必须从DCS现有逻辑功能块出发,因此本文考虑将增益自适应Smith预估的思想引入到过热汽温控制中来,并且取得了较好的控制效果。
对于L组辨识数据,即t=Ts,2Ts,L,LTs,TS为采样时间,所以式(6)构成线性方程组,即
ΨΘ=Γ+Δ
(7)
1 对象建模
1.1 Smith预估控制
Smith预估方案是针对大时滞问题提出的一
种解决方法。Smith预估补偿方法的特点是预先估
Θ=[K θK T]T(8)
αmTS-α-y[mTS]α(m+1)TS-α-y[(m+1)TS]
Ψ=
………αLTS-α-y[LTS]
(9)
A[mTS]
Γ=
A[(m+1)TS]
计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器
进行补偿,能提前感知被控量的变化,并将其反馈到控制器的输入端,使调节器提前动作,从而明显地减小超调量和加速调节过程。1.2 最小二乘法建模
过热汽温具有大迟延、非线性强、时变性的特点,其精确的数学模型很难建立。克服大迟延通常采用的Smith预估器也要求对象模型是一阶加纯滞后的形式,因此本文对对象模型建模考虑基于最小二乘的一阶加纯滞后传递函数模型的直接辨识方法[3],即
G(s)=
Kθ
e2s
Ts+1
(1)
… A[LTS] -δ[mTS]-δ[(m+1)TS]
(10)
Δ= … -δ[LTS]
(11)
式(9)～式(11)中,m为大于纯滞后时间的常数
(mTS≥θ。
由式(7)可得到参数θ的最小二乘估计为
Θ=(ΨTΨ)21ΨTΓ(12)通过式(12)可以得到较满意的辨识结果[4]。1.3 实际工程模型
式中:K为过程稳态增益;T为过程时间常数;θ为
纯滞后时间,通常以s为单位。
对式(1)所示的系统,假设在t=0时刻对零初始状态加入幅值为α的阶跃扰动输入u(t),在t时刻过程的瞬时输出为
y(t)=aK(1-e
2t-θT
为建立过热汽温系统的数学模型,这里在某125MW供热机组的DCS系统的历史数据库中选
取了的几组数据,进行了离线建模。为实现Smith预估控制这里采用一阶加纯滞后的模型用最小二乘法进行了建模。A侧过热器二级减温控制系统传递函数如下。
(1)导前区为
)+w(t),t≥θ
θ2t-T
(2)
对式(2)进行从0到τ的积分运算得
∫
0
τ
y(t)dt=aK(t+Te)
τ|θ
+
∫
0
τ
w(t)dt=
w(s)=
0.65230s
e
25s+10.45255s
e
35s+1
(13)
y(t)θ)+ aK[τ-θ-T]+Tw(t)-Tw(aK
(2)惰性区为
∫A(t)=y(t)dt
∫
w(t)dt
0
τ
w(s)=(14)
(3)(4)
w(t)dt∫
0
τ
0
2 增益自适应Smith预估控制
2.1 增益自适应Smith控制的模型
δ(τ)=Tw(τ)-Tw(θ)+式(3)可整理为
K
τ
(5)
由于Smith预估是建立在精确的数学模型上的,当实际工况发生改变时,控制系统由于鲁棒性
差而会引起振荡。而精确的过热汽温对象非常难以获得,并且当工况发生变时,过热汽温对象的传递函数也就发生变化,即放大系数K或者时间常数、迟延时间发生变动,控制效果将大受影响,因此在
τ-a-y(t)]θK=A(τ)-δ(T),τ>θ[a
T
(6)
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电力系统及其自动化学报 第22卷
实际的使用中Smith预估的使用效果并不是很好,因此在此基础上考虑引入了一种新的增益自适应Smith预估算法。
增益自适应补偿方案是1977年贾尔斯和巴特利在Smith方法的基础上提出的[5]。它在Smith模型之外加了一个除法器,一个导前微分环节和一个乘法器。除法器是将过程的输出值除以模型的输出
值。导前微分环节中的Td=τ即辨识模型的纯迟延时间,它将使过程与模型输出之比提前时间进入
乘法器。乘法器是将预估器的输出乘以导前微分环节的输出,然后送到调节器。这三个环节的作用是要根据模型和过程输出信号之间的比值来提供一个自动校正预估器增益的信号,如图1所示。
图1 基于串级双回路的增益自适应Smith预估器Fig.1 GainadaptiveSmithpredictorbasedondoubleloopcascade
在实际情况下,预估模型往往与真实对象动
态特性的增益存在偏差,增益自适应Smith预估器起到了良好的补偿作用。
若对象的增益由k增大到k+Δk,则除法器的输出变为k+Δk/k,当对象其他参数不变时,此时微分器的输出也是k+Δk/k。这样乘法器的输出中的增益部分就变为k+Δk。
可见反馈量也变化了Δk,相当于预估模型的增益变化了Δk,故在对象增益变化之后,预估器模型仍然可以得到完全补偿[5]。
2.2 增益自适应Smith预估控制的实际工程应用
目前火力发电厂控制均以互换位置(distributedcontrolsystem,DCS)为控制平台。由于缺少相应的逻辑功能块的支撑,使得各种先进的控制算法无法利用现有DCS的平台在逻辑中实现,而增益自适应Smith预估控制算法只需采用原有的功能算法块即可实现,并且不改变原先双回路的基本结构。
图2为该厂过热器A侧二级减温控制系统SAMA图(scientificapparatusmaker’sassociation,美国科学仪器制造协会采用的标准功
节二级过热器出口的蒸汽温度,其输出为副调的设
定值;副调调节二级减温器后蒸汽温度,输出为减温水调节阀开度指令。副调回路用于快速消除减温水侧的扰动。主调回路用于最终校正过热器出口温度,使其等于设定值,增益自适应预先估计出过程在基本扰动下的动态特性,然后由预估器进行补偿,能提前感知被控量的变化,并将其反馈到控制器的输入端,使调节器提前动作。在手动控制方式时,副调节器输出跟踪减温水调节阀开度指令,主调节器跟踪减温器后蒸汽温度,因此可保证手/自动切换时输出无扰[6,7]。
图3为过热蒸汽温度控制系统实际投运的效果图。可见在长达5h的时间内,发电机功率在70%～100%额定负荷范围内波动,过热汽温稳态偏差不超过2℃,负荷波动时动态偏差不超过4℃。
图4为主汽温度在额定负荷和压力下设定值由532℃变动为538℃时的变化曲线,可知在设定值向下扰动6℃,减温水在1min后流量减少了0.6t,主汽温度在5min内即达到设定值,说明采
能图例)。主体框架采用串级控制系统,主调PID调
用该策略的系统不论是在克服外扰还是在克服内
扰上均有比较好的控制性能。
第1期 罗 嘉等:过热汽温增益自适应Smith预估控制
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图2 过热器A侧二级减温控制SAMA图
Fig.2 SAMAgraphofsecondarysprayflowcontrolinsuperheater(sideA)
3 结语
常规Simth预估器在解决被控对象迟延大的问题上,有较好的控制效果,但当被控对象特性发生变化时,控制效果往往并不十分理想[8]。本文针对实际中的过热汽温对象普遍存在着大迟延、时变性、非线性等问题,根据实际工程中过热蒸汽系统阶跃响应特性的数据,采用最小二乘法建立了控制
图3 过热蒸汽温度控制系统实际投运曲线
对象的数学模型,在串级双回路控制的基础上引入Fig.3 Actualrunningcurvesofsuperheated
steamtemperaturecontrolsystem
了增益自适应Smith预估控制,实际应用结果表明取得了较好的控制效果,对同类和相近对象的控制策略改进具有良好的借鉴作用。
参考文献:
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蔡 莹(1980-),女,硕士,助理工程师,主要从事电网运行分析、安全自动装置管理、电压无功方面的工作。Email:
caiy@gzpsc.com
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