自动控制理论在火电厂热工自动化中的应用研究

张向伟

（国能邳州生物发电有限公司，江苏徐州 221300）

0 引言

国内电力事业蓬勃发展，成为推动经济社会持续发展的不竭动力源泉。尤其是现代化技术手段的灵活应用，开始推行分散控制以及调度自动化，在优化资源配置的同时，有效改善用电荒的问题。但是由于诸多因素的限制和束缚，致使国内电力供应自动化水平还存在欠缺，为了维护电力生产全过程安全稳定，创造更高的经济效益，应积极引入自动化技术和设备，在自动控制理论支持下，实现火电厂热工自动化改进。基于自动控制理论中状态空间法、时域法和数学模型，深入摸索其运行规律，围绕核心目标优化控制器设计，以实现火电厂高效生产和运行。

1 热工仪表非线性特性校正

1.1 热工仪表的非线性特性

非线性是任何系统存在的共同特性，相应的火电厂热工仪表普遍存在程度不一的非线性特性，如节流式流量仪表的差压和流量关系，汽包水位仪表中水位和差压关系，阀位显示仪表中阀门开度和流量的关系等，均属于非线性函数关系，或多或少影响到仪表显示准确度以及参数测量合理性。为了最大限度减少非线性关系所产生的误差，主要是通过非线性显示刻度、减少仪表测量范围以及加入非线性校正环节的方式，减少测量偏差[1]。但是前两种方法并未对传输信号线性处理，即便可以一定程度上降低测量偏差，但难以满足自动控制装置所需要的线性信号需求。最后一种方法可以提升测量精度，实现相关参数线性化处理，因此如何做好仪表非线性校正和辨识成为核心内容。

（1）模拟线性化。依托于传统模拟仪表，借助模拟电路的方式来线性化处理输出信号，作为自动控制装置信号。模拟线性化基于硬件设施、模拟信号方式对信号线性处理，是一种有效方法。例如，基于电子开放器，实现差压和流量平方关系补偿，此种补偿方式属于非线性补偿。

（2）数字线性化。基于智能仪表来转换输入信号，实现输出信号线性化处理和呈现。数字线性化主要是通过专门软件和数字化信号来线性化处理输出信号，属于软方法。如，数字巡测仪中，在单片机存储器中记录下热工仪表非线性特性，操作便捷，数字线性化输出信号[2]。

未来仪表装置将会朝着数字化、微型化、智能化方向发展，加之DCS、DAS 以及FCS 等虚拟仪表广泛应用，是火电厂热工自动化发展的主要趋势，需要进一步深化研究关于热工仪表非线性特性校正的数字化线性方法。单片机使用简单、便捷、实用，但存储容量较小，运行速度慢，需要进一步优化和改进[3]。总的说来，查表法存在很大的缺陷和不足，表现在外部环境变化的同时，会导致热工仪表非线性变化，但是单片机自身却无法动态修改和调整，最终测量精准度下降。另外，查表数据信息无法存储在单片机数据点上，多通过现行插值法处理，同样会增加数据偏差，所以查表法更适合精度要求偏低的场合。曲线拟合法的缺陷，受到曲线类型和项数多少因素影响到测量精度，所以热工仪表非线性改变后，后续修改不方便，亟待优化完善[4]。

1.2 BP 神经网络的氧化锆量计非线性补偿

BP 神经网络属于单向传播的多层前馈网络如图1 所示，其本质上是n 维输入向量x，同权值矩阵w 运算结果为隐含层第一层若干接点输入WX，并经由节点神经元从传递函数计算，确定输出X1，结果与权值矩阵W1 计算，然后在隐含层第二层节点计算，以此类推，逐层递进，到输出层m 个节点，换算得到m维输出向量Y。如果输入x 值，输出Y-=f（x），BP 网络输出Y 不等于Y-，可以按照误差代价函数E=∑（yi--yi）2/2（i-1，2，…，m）一阶梯度信息学习，获取各个权值最佳值。BP 网络权值通过从后往前递进寻找最优值，如果误差过大，影响到精度，可以按照误差代价函数重新调整，直到满足期望精度方可停止调整。一般情况下，节点神经元传递函数多选择Sigmoid 型。

图1 BP 神经网络结构

2 主蒸汽压力调节

2.1 常见调节策略

主蒸汽压力调节策略方法多样，传统的方法如下：

其中，D 是主蒸汽流量信号，Pd是气泡压力，Ck是锅炉蓄热系数。结合相关资料了解到，热量信号DQ部位出现明显超前情况，所以构成的串级调节无法显著改善系统延迟特性（图2）。相较于主蒸汽压力偏差信号而言，燃煤量作为导前信号的方式，呈现鲜明的超前作用，但更多的反映在燃煤数量方面，无法反馈燃煤质量和燃烧率。

图2 单元机组协调控制系统

2.2 串级调节策略

串级调节将中间被调量作为炉膛辐射信号，基于Matlab仿真分析。较之单回路PID 调节方式，热量信号的串级调节方式，调节特性改善效果较小，与串接调节方式比较而言，单回路PID 调节串级调节方式，系统特性改善效果更加明显，并且在一定程度上对规避燃料侧内扰情况有着突出作用[5]。但中间被调量是主分量和随机分量构成，直接纳入到串级调节系统，调节过程动态特性也将随之降低，增加调节器的误动概率，调节系统也会出现更大的偏差。因此，应实行串级调节新策略予以规避。

2.3 主蒸汽压力LQ 次优调节策略

火电厂锅炉容量和较大，并呈现出鲜明的热惯性大的特征，所以调节对象不可避免出现延迟。延迟特性的存在，致使调节系统调节过渡时间延长，超调量增加，无形中影响到设备的安全稳定运行，以及机组运行效率和效益[6]。使用PID 调节器设备，在火电厂生产中应用，可以显著改善调节系统延迟特性。结合PID调节器的优势特点来看，基于自动控制理论，优先选择现行二次型性能指标，在此基础上实现主蒸汽压力调节器优化设计，并制定有效的调节策略来实现，提升火电厂热工自动化水平。

3 结论

在火电厂热工自动化中渗透应用自动控制理论，是提升火电厂各环节自动化、智能化水平的关键所在。需要结合实际情况选择合适的指标参数，多方优化设计，制定安全防护措施，以便于提升火电厂生产效率的同时，保障作业全过程安全稳定，对于火电厂平稳可持续发展具有积极作用。