侯鵬飛　賈新春　王琦

摘? 要：隨著電網(wǎng)對火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻能力的日益嚴(yán)苛，火電機(jī)組經(jīng)常運(yùn)行在AGC指令頻繁變化的工況下。當(dāng)負(fù)荷指令變化時，主汽溫度的對象模型也會隨之發(fā)生變化。該文設(shè)計了一種基于模糊PID的主汽溫串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)主汽溫的實(shí)時偏差與偏差變化率，依據(jù)模糊控制規(guī)則自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的3個參數(shù)。仿真結(jié)果表明，基于模糊PID的主汽溫串級自適應(yīng)控制具有系統(tǒng)超調(diào)小、響應(yīng)速度快、變工況魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，滿足機(jī)組AGC調(diào)峰調(diào)頻時主汽溫控制的動態(tài)特性。

關(guān)鍵詞：主汽溫度;AGC調(diào)峰調(diào)頻;模糊PID;自適應(yīng)控制;串級控制

中圖分類號：TP273? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，電網(wǎng)對火電機(jī)組調(diào)峰調(diào)頻響應(yīng)能力日益嚴(yán)苛，電網(wǎng)AGC負(fù)荷指令的變化將直接導(dǎo)致主汽溫度、主汽壓力、給水流量等參數(shù)的大幅波動，使機(jī)組在調(diào)峰變工況時自動投入率低，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在發(fā)電過程眾多的熱工被控參數(shù)中，主汽溫度是最重要、最核心的被控參數(shù)之一。通常情況下，要求鍋爐主汽溫度的暫時性偏差不超過±10 ℃，長期偏差不超過±5 ℃。主汽溫度偏高將導(dǎo)致過熱器與汽輪機(jī)高壓缸承受較高的溫度和壓力，影響機(jī)組的安全運(yùn)行;主汽溫度偏低則直接影響機(jī)組的發(fā)電效率，從而降低機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，此外還會增加蒸汽的含水量，縮短汽輪機(jī)的使用壽命。因此，主汽溫控制是發(fā)電過程重要的被控參數(shù)之一。目前，火電機(jī)組主汽溫度多采用串級PID控制，通過控制噴水減溫器的噴水量達(dá)到調(diào)節(jié)主汽溫度的目的。然而，當(dāng)AGC負(fù)荷指令頻繁變化時，由于主汽溫度具有大遲延、大慣性、非線性與時變等特性，傳統(tǒng)的串級PID控制使主汽溫在變工況運(yùn)行時的波動較大，控制效果不佳，不僅會影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且難以滿足電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻要求。為此，該文設(shè)計了一種基于模糊PID的主汽溫串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)，模糊控制器根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差及偏差變化率自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的比例、積分和微分3個參數(shù)，使PID控制器的參數(shù)隨偏差的變化而適當(dāng)調(diào)整，以改善負(fù)荷變化時主汽溫的動態(tài)特性，滿足AGC負(fù)荷指令變化時主汽溫的控制要求。

1 模糊PID串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

當(dāng)AGC負(fù)荷指令發(fā)生變化時，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)將隨負(fù)荷指令的變化自動調(diào)整火電機(jī)組的燃料量、給水流量、送風(fēng)量等，使主汽溫度產(chǎn)生一定波動。因此，在不同工況時主汽溫的動態(tài)模型會發(fā)生相應(yīng)變化，導(dǎo)致過熱汽溫也隨減溫水的動態(tài)特性變化。

基于模糊PID的主汽溫串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)由內(nèi)、外2個回路組成。其中，內(nèi)回路被控對象為減溫器，副調(diào)量為減溫器出口蒸汽溫度θ2，副調(diào)節(jié)器為PID控制器;外回路被控對象為過熱器，主調(diào)量為過熱器出口主汽溫度θ1，主調(diào)節(jié)器采用模糊PID自適應(yīng)控制器。

為了快速消除減溫水的內(nèi)部擾動，副調(diào)節(jié)器通常采用比例控制器K。主調(diào)節(jié)器采用模糊PID自適應(yīng)控制器用于有效克服主汽溫度的大遲延、大慣性特性以及工況發(fā)生變化時主汽溫對象的非線性與時變性。主汽溫串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)首先計算出主汽溫設(shè)定值r與實(shí)際值的偏差e，再經(jīng)微分環(huán)節(jié)de/dt計算得到偏差的變化率ec，模糊控制器再依據(jù)設(shè)計的模糊控制規(guī)則自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的KP、KI和KD 3個參數(shù)，使PID控制器的參數(shù)隨偏差的變化自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整。

圖1中，K為內(nèi)回路比例控制器的比例系數(shù);W1（s）為串級控制系統(tǒng)導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù);W2（s）為串級控制系統(tǒng)惰性區(qū)傳遞函數(shù);WH1（s）為內(nèi)回路溫度變送器的傳遞函數(shù);WH2（s）為外回路主汽溫度變送器的傳遞函數(shù)。

將主汽溫串級控制系統(tǒng)的內(nèi)回路與惰性區(qū)傳遞函數(shù)W2（s）作為主汽溫控制系統(tǒng)的廣義被控對象W（s），經(jīng)傳遞函數(shù)化簡可得：

1.2 模糊PID控制器設(shè)計

模糊PID控制器根據(jù)主汽溫設(shè)定值與實(shí)際值的偏差e與偏差變化率ec，依據(jù)設(shè)計的模糊控制規(guī)則自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的KP、KI和KD三個參數(shù)，使PID控制器的參數(shù)隨偏差的變化自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整。

模糊控制器的輸入為偏差e與偏差變化率ec，輸出為PID控制器的KP、KI和KD。根據(jù)單位階躍響應(yīng)的特點(diǎn)分析可知，e和ec的論域應(yīng)設(shè)為[-1，1]。模糊子集定義為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，簡記為{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。e和ec的隸屬函數(shù)選用靈敏度較高的三角函數(shù)trimf（）。

以該廠不同負(fù)荷時的主汽溫度為研究對象，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建模糊PID串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真模型。此外，為了便于動態(tài)特性對比，同時搭建主汽溫串級PID控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

根據(jù)串級控制系統(tǒng)整定方法，首先整定內(nèi)回路副調(diào)節(jié)器K=25，然后再針對廣義被控對象W（s）整定外回路主調(diào)節(jié)器PID控制器的參數(shù)KP、KI、KD 。為簡便起見，內(nèi)、外回路溫度變送器的傳遞函數(shù)WH1（s）、WH2（s）均設(shè)為1。

分別針對30%、50%、75%和100%工況進(jìn)行仿真研究，階躍響應(yīng)動態(tài)特性曲線如圖3所示，動態(tài)性能指標(biāo)見表3。

由圖3與表3可知，基于模糊PID的主汽溫串級自適應(yīng)控制比傳統(tǒng)串級PID控制具有更小的超調(diào)量，更快的上升時間與調(diào)節(jié)時間，系統(tǒng)動態(tài)特性明顯改善。

3 結(jié)語

當(dāng)AGC負(fù)荷指令發(fā)生變化時，主汽溫被控對象的動態(tài)模型也會發(fā)生相應(yīng)變化?；谀：齈ID的主汽溫串級自適應(yīng)控制是根據(jù)主汽溫設(shè)定值與實(shí)際值的偏差e與偏差變化率ec，依據(jù)設(shè)計的模糊控制規(guī)則自適應(yīng)調(diào)整PID控制器的參數(shù)KP、KI和KD，使PID控制器的參數(shù)隨偏差的變化自適應(yīng)動態(tài)調(diào)整。

仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的主汽溫串級PID控制相比，基于模糊PID的串級自適應(yīng)控制不僅減小了超調(diào)量，縮短了上升時間與調(diào)節(jié)時間，而且當(dāng)AGC負(fù)荷指令發(fā)生變化時，基于模糊PID的串級自適應(yīng)控制仍具有良好的動態(tài)特性。

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