線性自抗擾控制在火電機(jī)組主蒸汽溫度控制中的應(yīng)用仿真

賀勇 劉備 崔承剛 郭為民 王亞東

摘 要：針對(duì)大容量火電機(jī)組的直流鍋爐主蒸汽溫度控制難度較大問題，研究了線性自抗擾控制技術(shù)（LADRC）對(duì)經(jīng)典串級(jí)PID技術(shù)在溫度控制特性上的提高。首先介紹了大容量火電機(jī)組的直流鍋爐溫度控制特性及其機(jī)理模型，然后介紹了線性自抗擾控制技術(shù)的控制思想與原理，最后利用simulink工具進(jìn)行模型搭建，對(duì)主蒸汽溫度控制進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，相對(duì)經(jīng)典串級(jí)PID技術(shù)而言，線性自抗擾控制技術(shù)具有更強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性能。

關(guān)鍵詞：自抗擾技術(shù)；PID；主蒸汽溫度控制；擴(kuò)張狀態(tài)觀測器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.163

0 引言

大型火電機(jī)組均采用直流鍋爐，鍋爐提供的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)，并推動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。鍋爐出口處的蒸汽溫度、壓力、流量等特性決定了機(jī)組的安全性、發(fā)電量以及經(jīng)濟(jì)效益等特性。其中600MW超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度設(shè)定值一般為560°C，主溫度過低會(huì)使得機(jī)組的熱效率降低，由于主蒸汽設(shè)定溫度接近過熱器管道的鋼結(jié)構(gòu)的耐受溫度，主蒸汽溫度過高則會(huì)造成過熱器管道爆管，對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅，因而控制鍋爐出口處的過熱蒸汽溫度保持穩(wěn)定具有極其重要的作用。

超（超）臨界機(jī)組的鍋爐為直流鍋爐。要保證主蒸汽溫度的穩(wěn)定，其汽溫控制的基本措施是保持煤水比進(jìn)行粗調(diào)，利用減溫噴水進(jìn)行細(xì)調(diào)[1]。目前大部分電廠采用串級(jí)PID對(duì)主蒸汽溫度進(jìn)行控制，選取噴水口的蒸汽溫度為導(dǎo)前量進(jìn)行控制。在內(nèi)環(huán)中對(duì)噴水口處的蒸汽溫度進(jìn)行控制，在外環(huán)中對(duì)過熱器出口處的蒸汽溫度進(jìn)行控制。使用經(jīng)典串級(jí)PID進(jìn)行主蒸汽溫度控制往往難以取得比較理想的控制效果，甚至影響機(jī)組自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）和鍋爐運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。

自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control）是韓京清研究員于上個(gè)世紀(jì)八十年代末提出的一種新型控制技術(shù)，它是一種估計(jì)補(bǔ)償不確定因素的控制技術(shù)[2]。自抗擾控制技術(shù)在對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)，不需要知道系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)非線性、大慣性、不確定時(shí)滯等復(fù)雜系統(tǒng)具有很好的控制效果[3]。但自抗擾控制器中需要整定的參數(shù)很多[4]，限制了它在實(shí)際工程中的應(yīng)用。近年來，中外學(xué)者對(duì)自抗擾控制技術(shù)進(jìn)行了研究和發(fā)展，高志強(qiáng)等學(xué)者[5]提出了線性自抗擾技術(shù)（linear ADRC），線性自抗擾控制技術(shù)使得參數(shù)整定工作大大簡化[6]，便于在實(shí)際工程中進(jìn)行應(yīng)用，近年來LADRC在化工、航天、電廠、軍工等行業(yè)內(nèi)均有大量應(yīng)用[7]。

本文以某電廠600MW超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組為控制對(duì)象，將線性自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于鍋爐主溫度控制，以此來滿足火電機(jī)組對(duì)主蒸汽溫度控制的要求，改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

1 直流鍋爐主蒸汽溫度控制特性

過熱器在高溫、高壓的環(huán)境下工作，且過熱器出口的蒸汽溫度是整個(gè)汽水流程中的最高點(diǎn)，也是金屬壁溫的最高點(diǎn)。因而現(xiàn)代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小。蒸汽溫度會(huì)受到很多因素的影響，包括鍋爐負(fù)載、給水溫度、爐膛過量空氣參數(shù)、受熱面污染情況、燃料性質(zhì)和燃燒器的運(yùn)行方式等。由于蒸汽流量大、蒸汽管道長等因素存在，鍋爐蒸汽這個(gè)物理對(duì)象本身就存在著大慣性、大延遲和時(shí)變特征。

實(shí)際工程應(yīng)用中，火電機(jī)組的主蒸汽溫度控制一般采用串級(jí)PID控制策略。采用這種策略主要是因?yàn)镻ID控制具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠增加整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但系統(tǒng)的控制準(zhǔn)確性、快速性則相應(yīng)惡化。

主蒸汽溫度系統(tǒng)工藝流程簡化圖1所示。

以末級(jí)減溫器為例，得到主蒸汽溫度串級(jí)控制系統(tǒng)原理方框圖如圖2所示。

在溫度控制系統(tǒng)中，整個(gè)被控對(duì)象化為兩個(gè)控制區(qū)域，即“惰性區(qū)”和“導(dǎo)前區(qū)”，分別為圖2中的W2（s）和W1（s）。一般取噴水減溫器后的溫度（圖中θ1）作為內(nèi)回路的反饋信號(hào)，末級(jí)過熱器后的溫度（圖中θ2）為被調(diào)對(duì)象[7]。一般情況下，導(dǎo)前區(qū)的遲延和慣性比惰性區(qū)要小得多。當(dāng)內(nèi)回路發(fā)生擾動(dòng)時(shí)，需要調(diào)動(dòng)內(nèi)環(huán)路的副調(diào)節(jié)器及時(shí)控制，此時(shí)被控對(duì)象θ2還未來得及變化，能夠減少控制對(duì)象的波動(dòng)，比較兩個(gè)回路的控制速度可知，內(nèi)環(huán)是高速回路，外環(huán)是低速回路。

2 線性自抗擾技術(shù)

2.1 LADRC對(duì)主蒸汽溫度控制對(duì)象的適應(yīng)性

現(xiàn)代火電廠要求主蒸汽溫度的偏差范圍很小，然而蒸汽溫度會(huì)受到很多因素的影響。鍋爐蒸汽這個(gè)物理對(duì)象本身就存在著大慣性、大延遲和時(shí)變特征。過熱蒸汽的過程參數(shù)和模型結(jié)構(gòu)會(huì)受到噪聲和負(fù)載擾動(dòng)的影響發(fā)生改變，被控對(duì)象的模型往往是不確定的、時(shí)變的。因此，傳統(tǒng)的PID控制已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)需求。而LADRC控制策略對(duì)擾動(dòng)的消除效果特別優(yōu)異，因而適用于主蒸汽溫度的控制。

2.2 LADRC控制器原理

經(jīng)典自抗擾控制由跟蹤微分器（TD）、非線性反饋（NLSEF）和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（ESO）三部分組成，且三部分中均采用了非線性的函數(shù)[8]。非線性環(huán)節(jié)會(huì)在一定程度上使控制效果更加優(yōu)化，但參與控制的參數(shù)多，且無固定的參數(shù)整定原則，只能使用試湊法進(jìn)行參數(shù)整定。高志強(qiáng)等學(xué)者提出了線性自抗擾控制的概念，將反饋控制結(jié)構(gòu)采用線性形式，使得其參數(shù)整定工作大大簡化，也使自抗擾控制技術(shù)的理論分析得到了進(jìn)一步的發(fā)展。

LADRC控制器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

線性自抗擾技術(shù)（LADRC）取消了TD，而線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器（LESO）是核心環(huán)節(jié)，可以用來實(shí)時(shí)估計(jì)和補(bǔ)償被控系統(tǒng)的總擾動(dòng)。以二階系統(tǒng)為例，其被控系統(tǒng)可以描述為：

線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器LESO和線性控制組合LSEF的表達(dá)式如式（2）與式（3）。

式中e為狀態(tài)觀測器輸出值與實(shí)際值的偏差，β1，β2和β3為擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的固定參數(shù)[9]。Z1為系統(tǒng)輸出y的估計(jì)值，Z2為系統(tǒng)輸出y的微分估計(jì)值，Z3為系統(tǒng)總擾動(dòng)f的估計(jì)值。

取該系統(tǒng)的阻尼比為1，則可以得到該控制系統(tǒng)的無阻尼自然頻率ωc，則kp=ωc2，kd=2ωc。為保證線性狀態(tài)觀測器的各階觀測誤差趨向于0，LESO的特征方程應(yīng)具有負(fù)實(shí)部的根[10]。

2.3 線性自抗擾控制器參數(shù)整定

一般取ts=10/ωc，ts為系統(tǒng)的響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間（由初始到穩(wěn)定的時(shí)間），由此可以正確整定ωc參數(shù)。

觀測器的帶寬ωo與控制器帶寬ωc存在一定的倍數(shù)關(guān)系，即ωo/ωc= b0。

b0參數(shù)在未知的情況下，通過試湊法，可以由大到小逐步測試出來[11]。

由以上可知線性自抗擾控制器僅有三個(gè)參數(shù)進(jìn)行整定，分別為ωc、ωo和b0，最后使用ITAE原則進(jìn)行尋優(yōu)可以得到合理的控制參數(shù)。

3 控制模型仿真

本文采用的控制對(duì)象為600MW超臨界機(jī)組的過熱器模型，不同發(fā)電負(fù)荷率情況下，控制對(duì)象的導(dǎo)前區(qū)函數(shù)、惰性區(qū)函數(shù)均不同。過熱器數(shù)學(xué)模型如表1所示。

在以上模型中，選取75%工況點(diǎn)的相關(guān)函數(shù)為控制對(duì)象。

LADRC控制溫度模型結(jié)構(gòu)如下：

為了體現(xiàn)LADRC的優(yōu)越性，在實(shí)驗(yàn)安排上選擇使用LADRC-PID與PID-PID做對(duì)比。

根據(jù)整定原則，分別對(duì)b0、ωc和ωo進(jìn)行整定，得到其參數(shù)LADRC

控制器的參數(shù)為b0=0.00125，ωc=0.03，ωo=0.14。

串級(jí)PID的主控制器參數(shù)為kp=1，ki=0.013，ki=0.01。

兩種控制器的內(nèi)環(huán)PID參數(shù)均為kp=1。

在初始時(shí)刻加入幅值為1的階躍響應(yīng)，并在1000s時(shí)在內(nèi)環(huán)PID出口后之后，噴水閥入口之前加入0.2的內(nèi)擾，觀察兩種控制器的控制效果。

相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

0-1000s，可以看出LADRC與PID在上升時(shí)間上相差無幾，但采用LADRC會(huì)明顯減小系統(tǒng)的超調(diào)量，會(huì)明顯縮短穩(wěn)定時(shí)間（本文選取的最大允許誤差為2%）。

1000s加入內(nèi)擾，可以看出LADRC的響應(yīng)速度比PID略快，反調(diào)量相近，但穩(wěn)定時(shí)間更短。

總體上，LADRC的控制性能要優(yōu)于經(jīng)典PID控制策略。

保持兩種控制器的參數(shù)不變，改變機(jī)組的運(yùn)行工況點(diǎn)模型，分別由75%調(diào)至100%和50%，做模型失配實(shí)驗(yàn)。

由對(duì)比圖6、7可知，在系統(tǒng)的對(duì)象模型發(fā)生變化時(shí)，兩種控制器的控制效果均有下降，均需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但LADRC的魯棒性比PID略強(qiáng)。

綜合以上可以得出結(jié)論，在超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中采用線性自抗擾（LADRC）技術(shù)能夠優(yōu)化工程控制效果，LADRC的抗干擾性能要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID，LADRC的魯棒性略優(yōu)于經(jīng)典PID。

4 結(jié)語

分析了LADRC控制策略的基本原理，分析超臨界機(jī)組主蒸汽溫度控制的動(dòng)態(tài)特性，將LADRC技術(shù)應(yīng)用于主蒸汽溫度控制策略中。通過與經(jīng)典串級(jí)PID控制策略做仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，LADRC具有很強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性能，能夠?qū)崿F(xiàn)過熱器主蒸汽溫度控制。LADRC的調(diào)節(jié)參數(shù)也較少，方便進(jìn)行調(diào)試，因而可以作為新的解決方案在實(shí)際工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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作者簡介：賀勇（1989-），男，河南開封人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制、熱力發(fā)電建模分析研究。