基于网络的过热蒸汽温度可靠性控制

顾伟，庄宝春，刘金良

1．华能国际电力股份有限公司淮阴发电厂策划部，江苏淮安 223001

2．南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037

3．南京财经大学应用数学系，江苏南京 210046

基于网络的过热蒸汽温度可靠性控制

顾伟1，庄宝春2，刘金良3

1．华能国际电力股份有限公司淮阴发电厂策划部，江苏淮安 223001

2．南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037

3．南京财经大学应用数学系，江苏南京 210046

研究了在考虑执行器故障情况下，以及过热汽温的控制信号通过网络进行传输的情况下，过热汽温的温度控制系统的可靠性控制问题。建立了执行器随机故障模型，以串级控制为基本控制策略，利用Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式（linear matrix inequities，LMIs）技术，给出了系统随机均分稳定条件，提出了考虑执行器具有随机故障的过热蒸汽控制系统的控制器设计方法。通过仿真实验证明了提出的控制器设计方案的有效性。

过热蒸汽；可靠性控制；随机故障模型；串级控制

过热蒸汽温度在热力发电厂的整个汽水行程中工质温度最高，对于电厂的安全经济运行有着重大影响。温度过高，容易损坏设备；温度过低，则会降低热效率。因此控制过热蒸汽温度的准确性具有非常重要的意义［1-3］。在电厂运行过程中，机组的负荷在不断变化，过热汽温对象的动态特性也在不断变化，特别是大容量机组，其动态特性变化更大；再加上燃烧不稳定等扰动因素，这些都对过热汽温控制系统的设计提出了更高的要求［4-6］。由于串级控制具有迅速消除内部扰动的作用，在过热汽温控制系统中，串级控制成为过热汽温的基本控制方式。

在经典串级控制理论中，参数整定问题是一个复杂的过程，而且整定的效果不能得到最优。因此，针对过热汽温控制系统的参数整定被广泛研究［7-9］。文献［7］针对燃煤电厂研究了非自适应模糊逻辑控制器对参数进行自适应整定；文献［8］通过神经网络预测控制方法研究了控制器参数的设计问题；文献［9］提出了IMC-PID的神经网络自适应控制方法。这种自适应控制方法极大地占有了计算机资源，甚至造成不能在线得到控制器参数。因此，过热汽温控制系统的参数整定方法还需要进一步完善和改进。

随着电厂规模的不断扩大以及通讯技术的不断发展，控制系统的信号通讯方式发生了巨大的变革，由原有的点对点的信号连接方式变为由网络进行信息交互的信号传递形式。这种以网络为控制信号传输媒介的控制系统称为网络控制系统。由于网络控制系统具有低成本、易维护等诸多优点，网络控制系统得到了广泛的应用［10-13］。但由于网络的介入，又出现了一些新的问题，如：网络诱导时延、丢包、错序等。近些年来，对网络控制系统的研究成为广大学者的热点研究问题。但以过热汽温控制为研究对象的网络控制问题鲜有文献考虑。

在本文中，研究了在网络背景下的过热汽温控制问题，具体为：1）以网络为控制信号传输媒介，以串级控制为基本控制策略，研究控制系统的建模问题；2）考虑执行器随机故障的情形，建立随机故障模型；3）利用Lyapunov稳定性理论和LMI技术，研究过热汽温的控制策略，克服经典控制理论中的参数整定的复杂过程。

1 控制系统的结构与系统模型的建立

常用的汽温控制方法有减温器控温、摆动燃烧器控温、烟气再循环控温和烟气挡板等，主要手段是利用烟气侧和减温水侧进行控制。在烟气侧，通过旋转挡板、转动火嘴和烟气再循环实施过热蒸汽温度的控制。虽然改变烟气温度或烟气流速也可改变过热蒸汽温度，但由于惯性和滞后过大，过热蒸汽温度控制品质不能满足要求，故很少被采用。而在减温水侧，通过（表）面式减温、喷水减温控制过热蒸汽温度得到广泛应用。图1给出了喷水减温系统结构图。

图1 基于网络的过热汽温控制系统

由系统的结构可知：引起过热蒸汽温度变化的主要扰动为蒸汽流量、减温水量、烟气流量，而蒸汽流量和减温水量相对烟气流量对系统的响应较快。因此，在控制系统的设计采用串级控制策略（如图2所示）。其中，内扰为蒸汽流量和减温水量，副回路的任务是迅速消除内扰的自发扰动和及时反映控制效果；外扰为烟气流量，主回路的任务是消除一切引起过热蒸汽温度变化的外扰，使稳态时的汽温等于规定值。

图2 过热汽温控制策略结构

从图中可以看出，与已有的过热蒸汽控制系统不同，该系统的控制信号是通过网络进行传输的。

假设控制系统惯性区和导前区的模型分别为

式中：x1（k），x2（k）分别为状态量；y1（k），y2（k）为惯性区和导前区的温度输出；Ai，B11，Bij，Ci（i＝1，2）分别为合适维数的系数矩阵，ω（k）为系统扰动。

假设执行器具有随机故障，基于网络的输出反馈的控制器可设计为

2 控制器设计

本节将讨论在网络环境下以及执行器具有随机故障的条件下，研究过热汽温控制系统的可靠性控制器设计问题。

定理 对于给定的常数dM、γ，如果存在正定矩阵P、Q、R以及矩阵K1、K2使得式（5）成立，则闭环系统（4）H∞均方稳定，且具有范数界γ。

式中E（·）表示期望，利用Shur补可以得到：

E{ ΔV（k） ＋eT（k）e（k） －γ2ωT（k）ω（k）}＜0在零初始条件可以得到：

E{ eT（k）e（k）}≤E{ γ2ωT（k）ω（k）}，定理得证。

由于上述定理中的式（5）给出的矩阵不等式不是严格的LMI，因此通过以下变换，求出可靠性控制器（3）的增益。

引入2个变量S，T，令PS＝RT＝I，于是定理1的条件（5）即可替换为

下列算法将能得到定理1的次优解：

1）求出下列LMI的可行解，并设κ＝0。

2）找出下列条件的次优解：

3）选择一个足够小的正数ρ，如果下式满足，则步骤2）中的K1，K2即为所求；否则令κ＝κ＋1，转至步骤2），直至满足条件，求出控制器增益。

3 仿真算例

本节将通过仿真算例验证所提出的方法的有效性。假设导前区和惯性区的动力学方程（1）、（2）中的参数分别为

另外，扰动项 ω（k）＝0．2e－0．08ksin0．1k；执行器具有随机故障的统计特征参数为＝0．8，σ ＝0．2。通过上述算法，由LMI工具箱可得可靠性控制器增益为：K1＝－0．598 1，K2＝－1．727 2。图3给出了导前区和惯性区的出口温度，从图中可以看出，系统在网络通信环境下和执行器具有随机故障的情况下依然能够使系统快速镇定。图4给出了所设计的控制器对扰动的抑制水平，由图可知，所设计的可靠性控制器具有很好的控制品质。

图3 导前区和惯性区的出口温度

图4 零初始条件下H∞抑制水平

4 结束语

本文研究了以网络作为控制信息的通信媒介环境下，考虑过热汽温控制系统的执行器具有随机故障情况下的可靠性控制器的设计问题。网络通讯中固有的不确定现象和执行器随机故障现象将导致过热蒸汽温度控制的控制性能变差，甚至不稳定。本文提出的可靠性控制策略，兼顾了网络的服务质量以及系统的控制性能，有利于系统的总体优化；同时，克服了经典串级控制理论中的整定复杂性。最后通过实验验证了所设计方法的有效性。

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Network-based reliability control for superheated steam temperature

GU Wei1，ZHUANG Baochun2，LIU Jinliang3
1．ChinaHuaneng Huaiyin Power Plant，Huaian 223001，China
2．College of Mechanical＆Electronic Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China
3．Department of Applied Mathematics，Nanjing University of Finance and Economics，Nanjing 210046，China

This paper investigates the problem of reliability control for network-based superheated steam temperature control system，taking into account the actuator failure and transmition of the control signal of superheated steam through network．An integrated model for stochastic actuator failure was established，which takes the cascade con-trol as the basic control strategy．By using Lyapunov stability theory and linear matrix inequities（LMIs）technolo-gy，the randomly and equally divided stability conditions for the system are given，and then the controller design method for superheated steam temperature control system which takes actuator stochastic fault into account was put forward．At last，an application example is provided to demonstrate the effectiveness of the proposed method．

superheated steam；reliability control；stochastic fault model；cascade control；linear matrix inequi-ties；Lyapunov stability

TP273

A

1009-671X（2014）03-0036-04

10．3969／j．issn．1009-671X．201306030

2013-06-26．

江苏省自然科学基金资助项目（BK2012469）．

顾伟（1971-），男，助理工程师．

顾伟，E-mail：mylab509＠163．com．