模型預(yù)測(cè)控制在鍋爐控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

周 冬， 宗學(xué)軍， 周 楠， 常 江， 陳興武

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué)信息工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110142; 2.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110869)

由于遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中主蒸汽壓力回路的前后裝置間耦合比較嚴(yán)重［1］，壓力控制過(guò)程反應(yīng)緩慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，滯后嚴(yán)重，傳統(tǒng)PID的控制效果不理想，直接影響到發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和能源的消耗.因此，采取Profit Loop控制技術(shù)來(lái)解決機(jī)組中大滯后回路問(wèn)題，提高控制水平.

1 Profit Loop的控制原理

Profit Loop是完全集成到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的一種單輸入/單輸出(SISO)、基于模型的預(yù)測(cè)控制和優(yōu)化技術(shù).通過(guò)對(duì)被控對(duì)象的在線辨識(shí)，以適應(yīng)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的變化.最后通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化，計(jì)算出合理的控制信號(hào)［2］.模型預(yù)測(cè)控制方框圖如圖1.

圖1 模型預(yù)測(cè)方框圖Fig.1 Block diagram of model prediction

Profit Loop可以根據(jù)當(dāng)前值及將來(lái)值產(chǎn)生控制動(dòng)作序列，并用最優(yōu)的方式去趨近設(shè)定值，產(chǎn)生的控制序列如圖2所示.

圖2 控制序列圖Fig.2 Diagram of control sequence

2 主蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

以主蒸汽壓力為被控量的燃燒調(diào)節(jié)對(duì)象，其流程如圖3所示.由爐膛1，蒸發(fā)受熱面2，汽包3和過(guò)熱器4等組成［3］.其主要的擾動(dòng)是燃燒量擾動(dòng)(內(nèi)部擾動(dòng))以及蒸汽流量的擾動(dòng)(外部擾動(dòng)).

圖3 汽壓對(duì)象生產(chǎn)流程Fig.3 Diagram of steam pressure production flow

2.1 內(nèi)擾下蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

記燃燒量的變化為ΔuB，當(dāng)ΔuB作階躍變化后爐膛熱負(fù)荷立即增大，致使汽包壓力pj上升，導(dǎo)致蒸汽流量D增加.由于汽輪機(jī)調(diào)汽門開度不變，主汽壓力pr將隨著蒸汽的積累而增大.pr的升高又會(huì)使蒸汽通向汽輪機(jī)的流出量增加，最終達(dá)到新平衡［3］，如圖4所示.其傳遞函數(shù)為:

圖4 內(nèi)擾下汽壓的響應(yīng)曲線Fig.4 Steam pressure curve under active disturbance

2.2 外擾下蒸汽壓力調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

外部擾動(dòng)是指電網(wǎng)負(fù)荷變化的擾動(dòng)，它通過(guò)改變調(diào)節(jié)汽門開度ug，使汽輪機(jī)進(jìn)氣量D變化而施加的擾動(dòng)［3］.圖5表示了在ug作階躍擾動(dòng)時(shí)汽壓的響應(yīng)曲線，其中A是主汽壓的突跳值.傳遞函數(shù)為:

圖5 外擾下汽壓的響應(yīng)曲線Fig.5 Steam pressure curve under external disturbance

3 鍋爐主蒸汽壓力控制方案分析

通過(guò)串級(jí)控制能夠有效地克服兩種擾動(dòng)的影響.如圖6所示，控制器為主汽壓力調(diào)節(jié)器，引入二次油壓的變化作為前饋，可以快速響應(yīng)汽輪機(jī)汽門開度的變化;主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器的輸出為熱量信號(hào)，作為副調(diào)節(jié)器燃料調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，燃料調(diào)節(jié)器的反饋為熱量信號(hào)，燃料調(diào)節(jié)器的輸出作為給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，給煤機(jī)內(nèi)部閉環(huán)控制跟蹤轉(zhuǎn)速設(shè)定值.此方案對(duì)于影響主蒸汽壓力的內(nèi)部擾動(dòng)可以通過(guò)副調(diào)節(jié)器來(lái)克服，同時(shí)引入了反映負(fù)荷變化的二次油壓作為前饋，能夠快速響應(yīng)負(fù)荷的變化［3－4］.

圖6 主蒸汽壓力控制方框圖Fig.6 Block diagram of main steam pressure control

4 主蒸汽壓力的模型預(yù)測(cè)控制方案

雖然PID串級(jí)控制能夠達(dá)到部頒標(biāo)準(zhǔn)［3］，但主蒸汽壓力會(huì)隨著電網(wǎng)負(fù)荷的變化而波動(dòng)，并且控制器的控制量很難控制，增添了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，使得執(zhí)行元件的使用壽命減少.因此，對(duì)于這些多干擾、耦合嚴(yán)重、大滯后對(duì)象，在原有的控制方案基礎(chǔ)上采用模型預(yù)測(cè)控制［5］.

采用的模型預(yù)測(cè)控制方案如圖7所示，副回路采用傳統(tǒng)的PID控制.針對(duì)主回路非線性強(qiáng)，干擾大，采取模型預(yù)測(cè)控制算法［6］，即主調(diào)節(jié)器用MPC控制器.

圖7 主蒸汽壓力的模型預(yù)測(cè)控制方案Fig.7 MPC's control scheme for main steam pressure

5 Profit Loop控制的實(shí)施

5.1 建立模型

在霍尼韋爾PKS系統(tǒng)中，通過(guò)多次給汽壓對(duì)象施加偽矩形脈沖響應(yīng)(PRBS)激勵(lì)信號(hào)來(lái)獲得系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)Profit Loop.

5.2 模型的預(yù)測(cè)

將Profit Loop得到的動(dòng)態(tài)模型置入到控制器進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而將控制器過(guò)去的OP值與將來(lái)的預(yù)測(cè)PV值聯(lián)系起來(lái)，如圖8所示，其傳遞函數(shù)為:

其中K是對(duì)象的增益系數(shù)，T是對(duì)象的滯后時(shí)間，n和d是模型系數(shù)，s是拉普拉斯常數(shù)［2］.

經(jīng)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，汽壓對(duì)象的系統(tǒng)模型為:

圖8 預(yù)測(cè)PV軌跡Fig.8 Forecast PV paths

5.3 控制器建立及運(yùn)行

完成了測(cè)試結(jié)果評(píng)估后，將模型下載到霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的C300控制器中運(yùn)行，一旦計(jì)算出PV將來(lái)的運(yùn)行軌跡，控制器就會(huì)采取相應(yīng)的控制動(dòng)作，促使過(guò)程的運(yùn)行軌跡朝向控制目標(biāo).在這段時(shí)間，滾動(dòng)計(jì)算促使PV值靠近SP值，減少控制器的偏差［2］，如圖9、圖10所示.

圖9 滾動(dòng)計(jì)算示意圖Fig.9 Diagram of scroll calculation

圖10 控制作用的滾動(dòng)優(yōu)化Fig.10 Rolling optimization for control action

6 Profit Loop控制的效果

經(jīng)過(guò)Profit Loop控制后，預(yù)測(cè)控制［7］投入運(yùn)行，控制效果較好.不但主蒸汽壓力平穩(wěn)，而且給煤機(jī)轉(zhuǎn)速特別平緩，波動(dòng)小.這減輕了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，同時(shí)執(zhí)行元件的使用壽命得到了延長(zhǎng).相反，傳統(tǒng)PID控制器，由于控制器的控制量變化特別頻繁，導(dǎo)致蒸汽壓力波動(dòng)幅度大.對(duì)比效果如圖11所示.中間部分為Profit Loop控制，前后兩端為傳統(tǒng)PID控制(圖11從上到下，第1條線為發(fā)電機(jī)有功功率曲線，第2條線為主蒸汽壓力，第3條線為給煤機(jī)轉(zhuǎn)速，第4條折線為控制器狀態(tài)).

圖11 機(jī)組蒸汽壓力的Profit Loop控制與PID控制對(duì)比圖Fig.11 Control effect of steam pressure under Profit Loop control and PID control

從圖11中還可以看出:當(dāng)為Profit Loop控制時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功功率變化比較平穩(wěn)，而為傳統(tǒng)PID控制時(shí)其變化頻率比較大.這是由于鍋爐的主蒸汽壓力和負(fù)荷相互影響的結(jié)果，即發(fā)電機(jī)有功功率隨著鍋爐主蒸汽壓力波動(dòng)的變化而變化.因此，主蒸汽壓力的波動(dòng)狀況可以直接通過(guò)發(fā)電機(jī)的有功功率做出判斷.

圖12為Profit Loop控制時(shí)機(jī)組運(yùn)行曲線，圖12從上到下，第1條線為發(fā)電機(jī)有功功率曲線，第2條線為主蒸汽壓力，第3條線為給煤機(jī)轉(zhuǎn)速).通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，Profit Loop控制時(shí)主蒸汽壓力標(biāo)準(zhǔn)差為0.02～0.04.從圖12中可以看出Profit Loop控制時(shí)蒸汽壓力穩(wěn)定，另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是給煤機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，這對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)特別有益，達(dá)到了廠方所希望的目標(biāo).

圖12 機(jī)組蒸汽壓力控制的Profit Loop控制曲線Fig.12 Steam pressure control curve in Profit Loop control

7 結(jié)束語(yǔ)

霍尼韋爾PKS系統(tǒng)的Profit Loop作為一種模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)，在遼寧華錦熱電廠鍋爐系統(tǒng)中得到了成功應(yīng)用，受到了廠方的好評(píng).該技術(shù)減小了主蒸汽壓力的偏差，而且使控制量輸出平穩(wěn)，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)節(jié)能的目的，具有廣闊的應(yīng)用前景.

［1］ 張磊，張立華.燃煤鍋爐機(jī)組［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006:25－50.

［2］ 趙寧，錢光燦.一種新型控制器的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化博覽，2008(S1):192－194.

［3］ 薛美盛，孫德敏，吳剛.火電廠鍋爐主蒸汽壓力的階梯式廣義預(yù)測(cè)控制［J］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，41(6):685－689.

［4］ 張子棟，王懷彬.鍋爐自動(dòng)調(diào)節(jié)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1994:15－20.

［5］ 舒迪前.預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996:15－20.

［6］ 徐立鴻.預(yù)測(cè)控制的研究現(xiàn)狀及問(wèn)題［J］.控制理論與應(yīng)用，1994，11(1):121－125.

［7］ Dean E K，Thomas A B.Robust Steady-state Target Calculation for Model Predictive Control［J］.AIChE Journal，2000，46(5):1007－1022.