反馈线性化方法在锅炉—汽轮机系统控制中的应用

摘 要：火力是一种清洁能源，在电能产生方面发挥着重要作用。在现代火力发电厂生产中最常使用的一种机器设备是锅炉-汽轮机，它是一种火力发电的装备，在以火力为能源的基础上，它能够将热能转换为电能，是衡量电力企业现代化生产水平的重要标志。

关键词：反馈线性化方法；锅炉-汽轮机；系统控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.002

0 引言

电能是第二次工业革命的产物，经过了一个多世纪的发展，电能在如今各行各业发挥着重要作用，为工业生产提供了源源不断的动力支持，或者是满足视觉上的光照需求，或者是丰富人们的娱乐生活需要。随着经济的发展，电力越来越发挥重要作用，对电力需求也越来越广泛，对新型能源的应用也处于迫在眉睫的发展形势。火力发电是一种清洁环保的发电方式，锅炉-汽轮机是其一个重要组成部分，在利用锅炉-汽轮机进行发电时，系统信号、抗干扰能力往往受到影响，因此应用反馈线性化方法实现系统控制显得尤为重要。

1 反馈线性化方法概述

锅炉-汽轮机是一种非线性系统，系统具有多输入输出的特点，还有耦合的特点。其控制器的传统设计方法采用单输入单输出与局部线性化的方法，用局部线性设计方法设计出来的控制器工作范围狭窄，还会产生很大的干扰，在强烈的干扰下不能保证系统的稳定性。

线性关系是其协调系统运行当中最主要的特征，不具有较强的稳定性，当在大范围内改变工作状态的情况下，动、静特征有很大的变化，这种线性方法根据线性化机炉能够协调非线性模型，或者利用线性分析设计控制器。在锅炉-汽轮机运行过程中，通常采用反馈线性化方法进行系统稳定性的跟踪，使协调系统保证具有优越的解耦效果，快速的响应能力，根据线性化程度，判断采取哪种线性控制策略。

2 反馈线性化方法在锅炉-汽轮机系统控制中的应用

（1）协调系统模型。1）直流炉模型。直流炉的模型是三输入、三输出的形式，在模型特征方面体现出热能产生的蒸汽与水分分界不明显，压力变化不敏感，抗大气压力能力强，适用于高压与超高压的机组使用。运用直流炉建立模型，其系统分为减温水与受热部分、汽轮机部分，并能够实现一次性循环。任何包括直流炉在内的系统模型都要具有高精度，具有通用性和可靠性。基于三级输入与输出的形式，简化了线性模型，在对建模的测试当中负荷范围保证在50%以上，还应保证模型与实际机组开环特性在仿真验证方面具有一致性。该模型具有很强的通用性，能够保证高精度，使变量个数变少，很适用科学高效的控制器设计；2）汽包炉模型。汽包炉与直流炉相比，存在明显的差异。模型建构形式比直流炉模型少一级，即两输入两输出，压力变化对于系统的协调很敏感，不适应高压与超高压机组的运行，蒸汽与水分界限明显。通常在进行汽包炉建模时，应用160MW燃油炉机组，在能量转换中不会导致拖延时间，锅炉与汽轮机这两个装置在快慢差异的动态特性上没有明显的差异。

（2）线性控制方法。1）反步法。反步法系统控制把控制器设计的性能指标与约束条件纳入设计思路当中，此外还包括系统内不确定性的内部参数，它的设计思路是由前往后的递推方式。在系统控制上，对于在线控制发挥了重要作用，能够对不确定性的结构进行反馈，保证了高效的控制器效率。经过预处理的模型，被分为两个子系统，并进行协调控制，与单输入单输出的反馈结构相比，反步法能够与自适应技术相结合，使其具备输出跟踪性能；2）逆系统法。逆系统和数学当中的逆映射内容具有相似的特征，在设计控制器之初，要针对原来系统，进行是否具有可逆性特点的证明，确认系统具有可逆性后，这时逆系统转变为近似线性关系的系统，在其之后按照线性系统理论知识，开展控制器的设计。在逆系统实施过程中应该与鲁棒控制相结合，当模型出现失配的情况下，要解决鲁棒性问题。在逆系统引入协调系统设计中的同时，需要求得稳定逆的解，配合反馈控制器，既保证了鲁棒控制的强健性，也实现了高度的解耦控制；3）多模型法。此方法是建立多个模型，使线性与非线性模型存在相似之处，各自模型都有各自线性控制器的设置，模型与线性控制器相对应，在工况改变下实现各种功能的转化，关键一点是保证系统能够得到全局控制。建立模型时保证模型的数量要适当，如果模型的数量过多，将会使在众多模型当中的转换更具复杂性。所以选择可以进行线性化的工作区域是该方法在运用中不容忽视的关键问题，为此必须保证设计要合理，要对每个工况点进行耐心细致的分析，经过一番分析之后进行建立与每个工况点与之相适应的线性模型，以保证系统全局的稳定性。

（3）应用反馈线性化方法解决系统控制的关键问题。系统的动态性、稳定性是控制器在设计中各项性能够保持安全可靠特征的重要保证。在保证系统稳定性的基础上，提高其动态性，这样才能协调好各系统相互协作，达到机组持续运行的目的。正确处理好动态性与稳定性之间的关系，需要从多个角度综合考虑，充分分析鲁棒性，保持强健性，使其能够顺应控制系统的各种变化。

3 结论

综上所述，反馈线性化分析是检验控制器设计理想效果的关键环节，以对比的方法实现不尽相同的控制计算，以模拟化的方式得出运行参数，从而分析出结果，考虑到控制与解决各种工况的变化，在协调系统要加强丰富相关的理论知识，不断加强技能实践能力。

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作者简介：郭悦（1986-），男，内蒙古赤峰人，本科，助理工程师，研究方向：锅炉脱硫。