火电厂锅炉主汽温控制策略的比较研究

孙成龙，赵景波，胡春霞

（青岛理工大学 自动化工程学院，山东 青岛266033）

锅炉的主蒸汽温度与火电厂的经济性和安全性有重要的关系，是火电厂的一个极其重要的参数，其控制的好坏直接影响到电厂的整个经济效益。主蒸汽温度的控制任务是：(1)维持主蒸汽温度在允许的范围之内。对于亚临界机组的主蒸汽温度为540℃±10℃，长期运行应控制在540℃±5℃，对于超临界及超临界主蒸汽温度控制在(540℃～610℃)±10℃，长期运行应控制在(540℃～610℃)±5℃；(2)保护过热器，使其管壁不超过允许的工作温度。气温过高，会烧毁过热器的高温段，气温每降5℃，热经济性下降1%，气温偏低会使蒸汽机尾部蒸汽湿度增大甚至带水，严重影响汽机的安全运行。

影响主汽温的扰动因素很多，主要有蒸汽量扰动、烟气量扰动和减温水量扰动。而对主汽温的控制策略通常有两种：

(1)在火电厂实际生产过程中,针对主汽温控制是一个存在大时滞、时变性、大干扰、具有不确定性和非线性的复杂热工对象，常规气温控制系统设计为串级PID控制，如图1所示。

图1 主汽温串级控制框图

其中，r为主汽温设定值，G1(s)、G2(s)分别为控制系统对象的导前区和惰性区的传递函数，M1、M2分别为副变送器和主变送器传递函数。

(2)利用神经网络的非线性特性和不依赖于对象精确模型的优点，对主汽温的控制方案加入BP神经网络，搭建成基于BP神经网络的PID控制系统，用以完成对锅炉主汽温的控制。该方案如图2所示。

图2 主汽温基于BP神经网络的PID控制框图

在传统PID的基础上增加了一个BP神经网络，用神经网络在线实时输出PID的比例、积分和微分三个参数。

1 BP神经网络的算法

上文中BP神经网络采用三层结构：j表示输入层节点，i表示隐含层节点，l表示输出层节点。输入层有m个输入节点，隐含层有q个隐含节点，输出层有3个输出节点。输入节点对应所选的系统运行状态量，输出节点分别对应 PID控制器的三个参数 kp、ki、kd，输出层神经元激活函数取非负的Sigmoid函数。BP神经网络的输入层输出为：

隐层输入：

隐层输出：

最后网络输出层三个节点的输入为：

最后的输出层的三个输出为：

即：

取性能指标函数：

用梯度下降法修正网络的权系数，并附加使搜索快速收敛全局极小的惯性项，则有：

其中，η为学习率，α为惯性系数。BP神经网络输出层权的计算公式为：

同理可得隐层权的计算公式：

2 控制系统的仿真研究

采用如图1和图2所示的控制策略，主蒸汽温度的导前区数学模型为G1(s)，惰性区数学模型为G2(s)。仿真时采用600 MW直流锅炉主汽温对象的动态特性，如表1所示。

表1 600 MW直流锅炉主汽温的对象动态特性

其中，串级控制的副控制器采用P控制，kp2=1；主控制器采用 PI控制，kp1=0.05，ki=0.05。基于 BP神经网络的PID控制方案中，采用PID控制，BP神经网络取三层神经网络，有3个输入，分别为输入信号、输出信号、输入与输出之差，阈值取为 1；有 3个输出 kp、ki和kd，隐含层取 5个节点。学习步长 η=0.6，惯性系数∂=0.06。对于惰性区传递函数采用近似方法用 e-10s来代替。

限于篇幅仿真结果只列出负荷为50%和100%时两种控制策略的仿真曲线和100%负荷时BP神经PID控制下的3个参数变化曲线。图3、图4所示分别为负荷为50%、100%时阶跃响应曲线。

图中虚线代表串级控制下的阶跃响应曲线，实线代表BP神经PID控制下的阶跃响应曲线。

负荷为100%时BP神经PID控制下的3个参数变化曲线如图5所示。仿真结果分析如表2所示。

从以上仿真结果分析，基于BP神经网络的自整定PID控制能依据被控对象的变化自适应地调整PID的3个参数，依据一定的最优准则满足不同负荷下的控制要求。在不同负荷下，也即从锅炉的启动到稳定运行的整个过程，都可以实现较好的控制，且调节时间短，超调量小。当负荷为100%变化时，基于BP神经网络的PID控制与串级控制的调节时间相近，但是超调量却明显优于串级控制；当负荷比较低时，串级控制的效果极差，而基于BP神经网络的PID控制仍然有比较好的控制效果。

表2 各种负荷下的仿真结果

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