大时滞对象新控制策略实用化研究
2015-07-11徐誉玮彭佩李军
徐誉玮,彭佩,李军
(1. 广州中电荔新电力实业有限公司,广东 广州511340;2. 广东电网公司电力科学研究院,广东 广州510060)
锅炉设备的主要输入变量是负荷、锅炉给水、燃料量、减温水、送风和引风量;主要输出变量包括汽包水位、过热蒸汽温度及压力、烟气氧量和炉膛负压等。鉴于锅炉本身的复杂性,对锅炉实施控制时存在以下几个难点:1)系统存在严重耦合,例如燃料量的变化不仅影响蒸汽压力和汽包水位,还会影响过热蒸汽温度和烟气氧量等;2)存在不确定时滞,如燃料量的变化对蒸汽温度、压力、汽包水位等的影响有不同的滞后,并且这些时滞的大小还随着机组负荷的改变而改变〔1〕。因此,锅炉是一个多输入、多输出、强耦合、不确定时滞的复杂控制对象。
对于大时滞被控对象而言,通常认为较难控制。随着控制理论的发展和研究的深入,产生了许多解决大时滞问题的策略和方法,如史密斯预估器、神经网络控制、神经网络控制加史密斯预估器,相位校正法、双微分拐点控制等〔2〕。但是从实际应用效果来看,这些策略和方法的实用性不是很理想。
1 关于新控制策略
1.1 研究现状
机组大多控制过程的扰动多呈现出较强的周期性,尤其是主汽温度控制系统,扰动的周期多在数百秒到一千多秒之间。当控制系统固有频率与扰动频率相同或接近时发生共振,使系统调节性能显著恶化〔3-4〕。与手动控制相比较,在投入自动后,扰动范围可扩大2~3 倍甚至更多。
就目前对于大时滞控制系统的研究看来,研究方向有待商榷,一定程度上与实际情况相背离,且在实际工作中也可能存在以下一些问题:
1)将阶跃扰动看成是基本扰动至少是不全面的,因为对于大多数的系统来说,阶跃扰动只是一个短时过程,周期性扰动才是基本的过程扰动。
2)长期以来,仅局限于围绕阶跃扰动研究问题。
3)调节器参数的整定过程中,不清楚参数对周期性扰动抑制作用的大小问题,例如当微分常数大于临界值后,会出现更大的共振峰值。
4)现场真正的一些突出问题始终不能够得到较好的解决。
1.2 新控制策略研究方向
确定周期性扰动是基本的过程扰动,共振问题是造成系统过程调节性能显著恶化的主要原因。因此新控制策略的重点是削减过程共振峰值,其实质是改变过程频率特性。
主要思路是:通过研究系统过程频率特性,找到对改善频率特性有显著作用的、实用的方法。实用性定义如下:
1)在现有DCS 组态中容易实现。
2)信号范围能够接受,调节阀信号范围0~100%,大于100%或小于0 是没有意义的。相位校正法理论上很好,但是处理后的信号变化范围很大(如10 000%或-10 000%),没有意义。
3)信号模/数转换器有8 位/12 位/16 位之分,8 位转换器的量化干扰要远高于12 位和16 位转换器。信号模/数转换位数的高低也是影响实用性的重要原因之一。
4)即便在调节阀信号范围0~100%内,处理后的信号变化范围也应尽量小。
1.3 新控制策略进展情况
2006年,出现了带阻滤波法和高端带通滤波法这2 种改善过程频率特性的方法,文中选择高端带通滤波法为实用研究基础。此方法为“小”微分法,即微分常数远小于临界值,两者在性能上接近,更主要的是容易实现,存在问题是调节器输出“高频毛刺”较大。
在“小”微分法已取得的经验基础上,目前新控制策略研究上有了较大进展,将(类似于)音响领域在磁带机时代产生的杜比动态降噪技术应用于新控制策略,在仿真研究上有了一些突破。2012年在广州中电荔新电厂1 号机组168 h 试运行期间,对新控制策略控制方法的实际应用效果进行了试验研究,结果表明共振峰值降低了54%左右,并且“高频毛刺”现象亦有所缓解。
2 控制效果仿真比较
以广州中电荔新电厂锅炉一级汽温控制系统参数为模型,进行仿真比较。仿真中,干扰信号0~100%被编成8 位二进制码,模拟8 位模/数转换器,以研究新策略的适应性。
2.1 串级长时滞对象“标准”模型
根据锅炉过热器一级汽温控制系统(在330 MW 时)参数,建立“标准”模型〔5〕,如图1所示:
图1 “标准”串级大时滞对象模型
2.2 仿真过程调节器参数
在衰减率约为0.75 时的参数如下:
主调:P1=0.85,Ti1=260 s,Td1=0
副调:P2=1.00,Ti2=45 s,Td2=0
以上述参数下的过程特性曲线为基准进行比较。
2.3 基准仿真过程曲线
所加正弦波信号峰值为100%,过程曲线如图2 所示:
图2 基准仿真过程曲线
由图2 可见,锅炉过热器一级汽温控制系统在周期670 s 处出现共振峰,过程共振峰值幅度为240%,副调输出峰值幅度为145%。
2.4 大微分常数对频率特性影响比较
按照温度控制PID 参数整定工程经验,一般微分常数Td为3~180 s,使用大微分法进行仿真,将主调微分常数设置较大,Td取107 s。Kd分别取为0.2 和0.4,仿真后的频率特性如图3 所示:
图3 大常数微分频率特性
由图3 可见,过程频率特性在周期630 s 以上有所改善,但共振峰值没有降低,随着微分幅度的增加,过程共振峰值也同步增加。
2.5 “小”微分法对频率特性改善比较
“小”微分,即微分常数远小于临界值。主调微分常数取5.35 s,Kd取12.5,其频率特性如图4所示:
图4 “小”微分频率特性曲线
由图4 可见,过程频率特性在周期530 s 以上时有较大改善,过程共振峰值为172%,有较大幅度降低。副调输出在周期90 s 和460 s 处出现2 个峰值,峰值幅度分别为120%和105%,但调节器输出“高频毛刺”较大。
2.6 最新控制策略频率特性比较
结合“小”微分和杜比动态降噪技术特点,最新控制策略频率仿真试验特性,如图5 所示:
图5 最新控制策略频率特性曲线
由图5 可见,(红线)过程频率特性几乎为一直线,没有明显的共振峰,最大峰值为102%,共振问题得到根本性抑制。副调输出在周期90 s 时出现峰值,幅度为78%,较“小”微分法有较大降低,副调输出在周期350 s 以上时有很大幅度的降低(特别有利于降低金属温度冲击),并且大大降低了调节器输出“高频毛刺”大的问题。
3 实用效果验证
从上面的仿真结果看出,最新控制策略控制方法有效地解决了大时滞系统的共振问题,并且有效降低了“高频毛刺”现象。在广州中电荔新电厂1号锅炉一级减温水系统中使用了最新控制策略控制方法,A 侧为常规设置,B 侧应用了最新控制策略控制方法。
其中,A 侧一级减温水控制中,各主要调节参数设置如下:
主调:P1=17,Ti1=16 s,Td1=40,Kd=2
副调:P2=2.5,Ti2=90 s,Td2=0
其中B 侧一级减温水控制中,各主要调节参数设置如下:
主调:P1= 17,Ti1= 16 s,Td1= 4.82,Kd=13.85
副调:P2=2.5,Ti2=90 s,Td2=0
在机组168 h 试运行期间变负荷时的锅炉A,B 侧一级减温水趋势如图6 所示。
由图6 可见,最新控制策略应用在B 侧(最大波动+9/ -5),控制效果明显优于A 侧(最大波动+16/ -15),降低波动幅度为54%。系统在250 MW 负荷时临界周期值为1 360 s,图中扰动周期平均值为600 s。B 侧一级减温水系统的共振问题以及“高频毛刺”现象都得到了有效改善。
图6 1 号机组锅炉A,B 侧一级减温水控制频率特性曲线
4 结论
对于大时滞控制系统,大微分常数法和“小”微分法均无法独立有效地解决控制过程共振以及“高频毛刺”等问题。对此,文中提出了最新控制策略方法且进行了仿真研究,将最新控制策略方法运用在广州中电荔新电厂1 号机组B 侧一级减温水控制系统中,有效地解决了大时滞系统的共振问题,有效降低了“高频毛刺”现象,获得了良好的控制效果。
〔1〕张玉铎,王满家. 热工自动控制系统〔M〕. 北京:水利电力出版社,1985.
〔2〕王庆东,冯增健,等. 锅炉热工过程先进控制策略研究综述〔J〕. 电力系统及其自动化学报,2004(5):75-80.
〔3〕姚立坤. 300 MW 火电机组过热汽温控制系统优化研究〔D〕.北京:华北电力大学,2012.
〔4〕刘金冰. 1 025 t/h 锅炉主汽、再热汽温度控制系统〔R〕. 胜利发电厂,2011.
〔5〕张红涛,雷增强. 广州新塘漂染工业环境保护综合治理项目热电联产工程2 × 330 MW 级机组1 号热工调试报告总汇〔R〕. 广州粤能电力科技开发有限公司,2012.
〔6〕聂慧明,陈又申等. 宝钢电厂350 MW 机组过热汽温先进控制策略的研究〔J〕. 浙江电力,2012(5):33-37.
〔7〕朱延海,王铁林,郑志刚. 超超临界机组主蒸汽温度协调控制〔J〕. 电站辅机,2012,33(01):33-35.
〔8〕钟萍. 基于改进的随机数直接搜索法在过热汽温控制上的研究〔D〕. 江西理工大学,2011.