基于MATLAB仿真平台设计自动控制回路

杨伴龙　鲁艳丽　李振华　赵民政　王彦龙

摘 要：火电机组的控制系统是电厂实现自动化控制的关键所在，控制系统的优劣决定了自动化水平面的高低。本文从实际应用的角度阐述了使用MATLAB及SIMULINK工具箱设计自动控制回路的实施方法，充分说明了计算机仿真技术的发展为控制系统的设计与分析提供了越来越便利的条件，控制系统及控制对象等建模工作可以做得更加精准和实用。

关键词：MATLAB；SIMULINK；自动控制；仿真

1 概述

随着电力事业的不断发展，电网的稳定性变得越来越重要，因而，对火电机组的自动控制系统的要求越来越高。电网公司对火电机组的负荷升降速率、一次调频等指标提出了越来越高的要求。但由于很多电厂的自动控制回路设计不合理或者因为机组经过检修后工况变化造成控制参数不匹配等原因，导致控制效果很差，以致于经常被电网公司考核。因此，重新对电厂的控制回路进行设计及优化显得尤为重要。

经过多年的研究，我们掌握了一些利用MATLAB及SIMULINK工具箱设计自动控制回路的方法，方便实用且投运后的控制效果很好。

2 MATLAB仿真平台设计自动控制系统概述

2.1 利用MATLAB平台开发的优化软件

经过近年来的MATLAB仿真设计和现场实际测试，我们成功地开发了多个自动优化控制回路软件。在这些成型的自动优化控制回路软件基础上可以根据不同现场的不同机组进行参数微调即可应用，极大地方便了自动优化调试工作。目前，已开发的自动优化控制回路软件包括：主汽温优化软件、协调控制系统优化软件、凝结水节流优化软件等。这些优化软件按照不同机组类型和不同机组容量分别进行了建模和仿真，具有适用性强、操作方便的特点。

2.2 优化软件在MATLAB中的使用方法

对已开发的自动优化控制回路优化软件使用的方法比较简单，按照如下步骤进行操作：

①在WINDOWS环境中，双击MATLABR2012b图标，运行MATLAB。

②MATLABR2012b运行后出现主界面。

③在快捷工具栏“Current Folder（当前文件夹）”中，选择“Browse for Folder（浏览文件夹）”，选择已编制好的“优化软件文件夹”。

④在MATLAB环境中“Command Windows（命令窗）”内输入，“优化软件名”后按“Enter”键运行，即可弹出对应优化软件名功能的仿真界面。

⑤这些软件是基于MATLAB中SIMULINK环境开发的。仿真功能的基本界面为SIMULINK界面。因此这些软件的所有操作均符合MATLAB中SIMULINK环境下的基本操作。

⑥这些软件涉及SIMULINK基本设置为“Simulation->Configuration Parameters”，如图1所示，其中包括：“Start time（开始时间）”，“Stop time（结束时间）”，“Max step size（最大步距）”，“Min step size（最小步距）”。

⑦“Start time（开始时间）”和“Stop time（结束时间）”决定了仿真时间，开始时间一般从0秒开始，结束时间需要观察系统仿真过程是否结束。协调控制系统优化软件仿真时Stop time要设置得长一点，其他可以短一点。

⑧“Max step size（最大步距）”和“Min step size（最小步距）”一般和机组DCS中控制器的执行周期相同，例如控制器的执行周期为500ms，则可以分别设置0.5和0.25。

⑨开始仿真。单击工具栏中“Start simulation”。

3 MATLAB仿真平台设计自动控制回路的实际应用

为了设计更实用的自动控制回路，我们采集了大量机组运行的实际数据进行分析，通过机组现场实际历史数据建立控制对象的数学模型，并根据数学模型设置控制器闭环控制系统的参数。

在主汽温控制系统进行控制回路设计时，我们对导前区和惰性区的控制对象模型和控制器模型都进行了搭建。图2是实际主汽温变化值曲线与导前汽温变化值经过惰性区对象模型后曲线对比的仿真软件，该软件仿真的目的是验证主汽温惰性区数学模型的准确性。主汽温和导前汽温的数据均为机组实际数据导出后整理的标准格式数据。

图3中紫色为实际主汽温变化值曲线，黄色为导前汽温变化值经过惰性区对象模型后曲线。由图3可以看出两条曲线的相位和幅值很接近，说明惰性区对象模型建立的较为准确。如果为了对象模型更准确，我们可以继续调整惰性区的时间常数T和对象增益K。图3中时间常数T和对象增益K分别为30和1，可以分别单独改变其中一个，然后进行仿真曲线对比，曲线形态越接近，说明时间常数T和对象增益K越准确，然后适当修正控制回路参数，这样取得的控制效果会更好。

在协调控制系统进行控制回路优化设计时，我们对汽机、锅炉的对象模型、汽机主控模型、锅炉主控模型都进行了搭建。图4为通过某电厂现场数据建立的协调控制系统对象模型及控制模型，并根据对象模型配置控制器参数，在进行了MATLAB仿真后仿真效果良好。实际应用中，我们把仿真控制回路移植到现场DCS或PLC逻辑中，逻辑组态和PID参数基本上可以参照仿真模型。

4 仿真优化软件投入实际运行后的效果分析

目前，我们对不同容量的汽包炉和直流炉的主汽温模型、协调控制系统模型都进行了搭建。仿真模型中的逻辑组态和PID参数都可以直接移植到现场DCS或PLC逻辑中，实际控制效果非常好。图5是某电厂660MW超临界机组采用MATLAB仿真平台设计的自动控制回路后主要运行参数曲线。

图5中关键技术指标为：

①负荷变化范围：475MW-585MW，即110MW，第一阶段；585MW-550MW，即35MW，第二阶段。

②负荷变化速率：13.2MW/min，即2%Pe/min。

③最大负荷偏差：±4MW。

④最大压力偏差：±0.8MPa。

⑤最大中间点焓偏差：±80kJ/kg。

自动控制指标良好。最大压力偏差点和最大中间点焓偏差点出现在第一阶段负荷扰动尚未完全稳定而开始第二阶段负荷扰动时。两项控制作用相互叠加，对机组和控制系统性能是一种严峻的考验。

5 结束语

基于MATLAB仿真平台设计自动控制回路是目前自动控制系统优化的新思路，但在今后的应用会越来越多。随着现代控制理论以及更为复杂的控制算法的应用，借助MATLAB辅助设计自动控制回路更具有快速性和通用性的优点。

参考文献：

[1]刘卫国.MATLAB程序设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]刘卫国.科学计算与MATLAB语言[M].北京：中国铁道出版社，2000.

[3]田亮.单元机组简化非线性动态模型[D].保定：华北电力大学，2005.

作者简介：

杨伴龙（1978—），男，工程师，工学学士，北京源深节能技术有限责任公司科技分公司任职，主要研究方向：工程过程建模与优化、智能优化理论及应用。

鲁艳丽（1981—），女，工程师，工学学士，从事火电机组热控检修及调试工作。

李振华（1978—），男，高级工程师，硕士，从事火电机组热控管理及调试工作。

赵民政（1981—），男，工程师，硕士，从事火电机组热控管理及调试工作。

王彦龙（1982—），男，工程师，硕士，从事火电机组热控管理及调试工作。