火电厂主蒸汽温度系统的多模型PID控制

2010年02月 第38卷 第1期(总第206期) Feb2010 Vo138 No1(SerNo206) 火电厂主蒸汽温度系统的多模型PID控制 Multimodel Control of Main Steam Temperature in Fossil Power Plant 朴 扬 ，张 勇 ，韩 熠。 (1吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春 130021； 2松花江热电有限责任公司，吉林 吉林 132002；3大唐长春第三热电厂，长春 130103) 摘 要：针对火电厂主蒸汽温度的时变性特征，设计了基于多模型的串级PID控制系统，并以某电厂锅炉5个局部 工作点的主蒸汽温度为对象进行了仿真。仿真结果表明，基于多模型的串级PID控制策略能够较好的解决主蒸汽 温度的时变性问题，其控制效果也相对较好。 关键词：多模型控制；PID控制；自动控制；主蒸汽温度 Abstract：Considering thermal power plants timevarying characteristics of steam temperature system，the paper relates the design of multimodel based PID cascade control system，and for the main steam temperature a power plants boilerS five local operating point has been simulatedThe simulation results show that the model based on multiPID cascade control strategy resolves the main steam temperature of timevarying problem better，and the effect of the control is relatively good Key words：multimodel control，PID control，automatic control，main steam temperature 中图分类号：TK32 文献标志码：A 文章编号：10095306(2010)010013-03 采用比例、积分、微分(PID)进行控制的调节 器，主要针对控制对象来进行参数调节。PID控制器 问世至今，其控制理论经历了古典控制理论、现代控 制理论和智能控制理论三个阶段。虽然如神经网络、 专家系统、鲁棒控制等新的控制方法得到了广泛的 应用，但由于PID控制原理简单、易于整定、适用性 强，目前仍是应用最广泛的基本控制方法。 1 系统描述及问题提出 主蒸汽温度是影响发电厂安全、经济运行的重 要参数，具有非线性、大时延和扰动因素较多的特 点。当负荷发生变化时其动态特性变化显著，尤其对 于一些调峰机组来说，常规的串级控制效果并不能 令人满意 j。 影响主蒸汽温度特性的参数主要有主蒸汽流 量、压力及温度。其中，主蒸汽流量的影响最为明显。 当负荷上升时，过热蒸汽流量和流速增大，静态增 益、时间常数和迟延时间都将随之减小，由此造成了 对象特性的极大改变。因此，主汽温度系统是典型的 收稿日期：2009 12 10 作者简介：朴 扬(1984一)，男，从事火电厂热工技术工作。 多模型系统。 2模型建立 多模型建模的过程如下2j。 a选择平衡点工作变量，典型的选择是输入和 输出或状态变量。 b将整个工作空间分解成 个操作子空间。 c在子空间内，建立过程局部数学模型。 d将局部模型通过加权(隶属度函数)生成全局 非线性模型。 其中，”的选取应根据实际对象的非线性来确 定，既不能过多也不能过少，过多将使设计复杂，过 少则不能真实反映对象大范围动态特性。 设全局工作空问为r，局部工作空间为r，则： PP1 Ur2I1 r nr，=： ，i=kj 其局部工作空间的传递函数为 y ( )一G，(s) ( ) 式中：y，(5)为局部模型输出；G，(s)可在第 个局部 l3 2010年02月 第38卷 第1期(总第206期) 吉 林 电 力 Jilin Electric Power Feb2010 Vo138 No1(SerNo206) 空间辨识得到，或者根据非线性机理模型在第i个 工作点线性化；U( )为多模型控制系统的控制器综 合输出。 多模型的调度机制可采用多种不同的方法。根 据系统实际情况，调度机制可分为硬选择切换法或 加权求和的软切换方法(模糊加权，概率加权等)。本 文采用的是基于模糊隶属度函数的加权求和的方 法，即将局部模型的有效适用范围用隶属度数(加权 函数)“ ( )来表示，且 q(u)一1， (u)E0，17 -一1 则全局的多模型表示为 广一一一一一一一一一一一一一一 G(s)一：qG，(s) ，一l 此时，全局多模型是局部模型的加权和，加权函 数表示了局部模型的适用范围。 控制系统结构框图如图1所示。KhK 、K小 丁 、K 、7 为系统内回路的固定参数，便于快速消 除系统内扰。系统外回路部分采用多模型PID控 制，用于对系统最终输出进行调节。 U一 =5 J一】 式中： 为局部控制器G 的输出，G 为多模型综合 的加权值隶属度系数。 y ： UN j _ 两 _ l 3仿真试验 图1 主汽温系统的多模型PID控制 以某锅炉为例，通过测量得到负荷率从3O 到 100 5个局部工作点的主蒸汽温度对象模型(见表 1) 。 表1 高温过热器动态特性数学模型 负荷率 动态特性 导前区W。(s) 惰性区， ( ) 用多模型的方法描述该系统的动态特性，定义 隶属度曲线如图2所示。其中，u为机组负荷率，a(u) 为局部模型及其对应控制器的隶属度函数。 根据主蒸汽温度系统的实际特性分析与测试， 14 虽然实际被控对象参数并不随机组负荷严格按照线 性变化，但由此带来的误差很小，所以不论仿真研究 还是实际应用都是可以接受的。文献4、Es也曾采 用过此方法。 f1 30 44 62 88 l00 ul 图2 多模型系统局部模型隶属函数曲线 对表1的被控对象和图1的控制方案进行仿 真。内回路PID控制器取比例积分形式，其参数固 定为：K。：11，K。一004。外回路控制器PID1为如 下实际PID形式： (1+ )( ) 控制器参数按照文献E6、E73提出的方法进行 鲁棒求解，在表1的5种典型工况下，得到控制器参 数分别为： Kc】一045，7l1=105，TD1465， Fl：20； Kc2040，Tl285，TD2375，7 F216； 2010年O2月 第38卷 第1期(总第206期) 吉 林 电 力 Jilin Electric Power Feb2010 Vo138 No1(SerNo206) Kc3034，7 I360，7D328，TF3=：12； Kc4029，TI449，71D424，7F410； Kc5018，7I532，TD521，TF59。 控制系统仿真结果如图3所示。图3为第5 min a升负荷曲线 4结论 负荷不变情况下，汽温设定值作5 C的阶跃响应实 验；第2O min开始，以每分钟3 的速度做升(图 3a、b)降(图3c、d)负荷实验；第40min开始，输出 端有幅度为5 的测量干扰实验。 0 10 2O 30 40 50 tmin b温度响应曲线 C降负荷曲线d温度响应曲线 图3升、降负荷实验时多模型控制仿真结果 2张智焕，王树青非线性系统的多内模控制J浙江大 学学报，2003，37(1)：5659 本文基于多模型的PID控制思想实现了主蒸 汽温度控制系统设计。针对某电厂锅炉主蒸汽温度 系统，设计了基于多模型PID控制的串级控制方 案，内回路采用固定参数PID控制器以快速消除内 扰，外回路为基于系统广义被控对象简化模型的多 模型PID控制器，以解决主蒸汽温度系统的非线性 时变性以及扰动较多的动态特性，并通过模糊加权 的方法实现了多模型间的平滑切换。 参考文献 1刘建江，李政，倪维斗，等基于HCx。理论的状态变 量控制在主蒸汽温度控制中的应用J动力工程， 2000，20(3)：669673 王东风，韩 璞，郭启刚锅炉过热汽温系统的DRNN 网络自整定PID控制J中国电机工程学报，2004，24 (8)：196-200 李益国，沈炯，吕霞中基于LMI的鲁棒负荷预见控 制方法J中国电机工程学报，2003，23(12)：213 2l7 胡克定，汪自勤，钱钟韩单元机组协调控制的一种频 域设计方法EJ东南大学学报，1989，19(1)：6977 Bi Q，Cai W J，Lee E L et a1Robust identification of firsto