段 峻，張 磊

DUAN Jun,ZHANG Lei

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，咸陽 712100）

0 引言

火電單元機(jī)組控制系統(tǒng)回路主要有鍋爐控制和汽輪機(jī)控制，具有純滯后、大慣性和非線性的顯著特點，其動態(tài)特性較為復(fù)雜。汽輪機(jī)控制回路通過輸入信號完成對主蒸汽壓力的調(diào)節(jié)，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制調(diào)節(jié)主蒸汽壓力閥的開度，以改變汽輪機(jī)輸出功率。鍋爐控制回路通過輸入信號控制鍋爐的燃燒率，改變鍋爐的出力，以適應(yīng)負(fù)荷變化的需要。目前，對火電機(jī)組控制系統(tǒng)控制研究方法主要有：魯棒控制、模糊多模型控制[1]、柔性控制[4]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)模糊控制等。這些方法雖然在一定條件下取得了較好的效果，但是他們主要局限于線性控制理論，且沒有從本質(zhì)上解決問題[2,3,5]。雖然也有一些智能控制方法在單元機(jī)組中有研究，但是智能解耦控制算法過于復(fù)雜,很難在工程中實現(xiàn)。

本文研究目的是解決火電單元機(jī)組控制系統(tǒng)的動態(tài)非線性，以及各個輸入量相互之間的耦合特性，同時使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，鍋爐汽包壓力和系統(tǒng)功率輸出具有良好的指令跟隨性，以及較快的響應(yīng)時間，提出了無模型自適應(yīng)控制器。該控制器是侯忠生于1993-1994中提出的，其基本思想是利用一個新引入的偽梯度向量(或偽Jacohi矩陣)和偽階數(shù)的概念，在受控系統(tǒng)軌線附近用一系列的動態(tài)線性時變模型(緊格式、偏格式、全格式線性化模型)來替代一般非線性系統(tǒng)，并僅用受控系統(tǒng)的I/O數(shù)據(jù)來在線估計系統(tǒng)的偽梯度向量，從而實現(xiàn)非線性系統(tǒng)的無模型自適應(yīng)控制。

雖然這些方法主要還處在理論研究和仿真試驗階段上，在實際應(yīng)用中還很少，但是他們?yōu)榛痣姍C(jī)組控制系統(tǒng)的研究提供了新的思路。

1 單元機(jī)組的動態(tài)特性

在鍋爐燃燒正常（指送風(fēng)量與燃料量相匹配；引風(fēng)量和送風(fēng)量相匹配）、給水正常（保持汽包水位在正常范圍）和發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)正常工作的前提下，單元機(jī)組可簡化為一個具有強(qiáng)烈交叉影響的雙輸入雙輸出的被控對象，如圖1所示。機(jī)組的能量流輸出（功率NE）和機(jī)前壓力PT為被控量，調(diào)節(jié)汽門開度指令信號μT和鍋爐燃燒率指令信號μB為控制量。各個通道的時間常數(shù)和動態(tài)特性是不一樣的，由μT到PT和NE的變化是相對快速的過程，而由μB到PT和NE的變化是相對慢速的過程。

圖1 單元機(jī)組的功率汽壓對象

對于汽包鍋爐、凝汽再熱式機(jī)組圖1中所示的傳遞函數(shù)一般具有如下形式：

式中K1、T1分別為燃料變化到主汽壓變化過程的增益與時間常數(shù)；K2、T2分別為燃料變化到功率變化過程的增益與時間常數(shù)；K3、K4、T3分別為調(diào)門變化到主汽壓變化過程的增益與時間常數(shù)；K5、K6、T4、T5分別為調(diào)門變化到功率變化過程的增益與時間常數(shù)；τ為燃燒系統(tǒng)的純遲延時間。各時間常數(shù)（T1～T5）和各增益系數(shù)（K1～K6）隨負(fù)荷工況的不同而變化，呈非線性。鍋爐系統(tǒng)動態(tài)特性的復(fù)雜性還在于：燃料種類（煤種）不同也將造成燃燒動態(tài)特性的差異，煤的燃燒過程由純滯后環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)組成，煤質(zhì)差的情況下系統(tǒng)的慣性時間常數(shù)將加大；油和煤氣燃燒迅速，幾乎沒有純滯后環(huán)節(jié)，可看成只有一個慣性環(huán)節(jié)[5～7]。

本文以某300MW 燃煤直流爐再熱機(jī)組為研究對象[8]，它在100% 和70% 負(fù)荷工作點上得到的近似線性化數(shù)學(xué)模型分別為式(2)和式(3)：

可見，這是一個具有嚴(yán)重時變、不確定性和耦合的多變量受控對象。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)保證系統(tǒng)無論是在標(biāo)稱模型下還是在存在模型不確定性時均閉環(huán)穩(wěn)定，并具有良好的輸入輸出特性，即機(jī)組能迅速適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的變化，同時機(jī)前壓力的變化不超出允許的范圍。

2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的無模型自適應(yīng)控制

2.1 無模型自適應(yīng)控制算法

無模型控制器設(shè)計所依賴的是“泛模型”[9～11]

在這個模型中能夠變化而實現(xiàn)自適應(yīng)的部分僅僅是特征參量φ(k)。理論分析指出，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)定值處處于穩(wěn)定狀態(tài)時，φ(k)事實上是y(k)關(guān)于u(k-1)的梯度，所以特征參量φ(k)在基本的無模型控制律：

1）輸入和輸出的信號分別通過微分-跟蹤器Ⅰ和微分-跟蹤器Ⅱ，得到信號經(jīng)x1,x2,x3,x4，以此產(chǎn)生新的誤差信號和微分e=x1-x3，ec=x2-x4作用于無模型自適應(yīng)控制器（MFA）。

在無模型控制器基本算法的運行過程中,必須對特征參量進(jìn)行在線實時估計。 實時估計需要依據(jù)泛模型。無模型控制律的基本算法就是由基于泛模型(4)對特征參量φ(k)的辨識算法和對被控對象的控制算法(5)在線交互進(jìn)行而組成的。

4）把控制律式(5)作用于系統(tǒng)，得到新的輸出y(k+1)，于是得到一組新的數(shù)據(jù)可見φ(k)既代表了被控對象模型的參數(shù)，又是它的結(jié)構(gòu)特征，所以稱其為特征參量。特征參量φ(k)的估值是在線實時估計的。被控對象如果發(fā)生變化，其變化可用φ(k)的變化來描述。這樣就實現(xiàn)了辨識與控制的一體化，同時特征參量的估值收斂到y(tǒng)(k)關(guān)于u(k+1)的梯度(導(dǎo)數(shù))。

這樣不斷的重復(fù)1），2），3）和 4），就可以得到新的數(shù)據(jù)如此繼續(xù)下去，系統(tǒng)的輸出y(k)將逐漸地逼近。

2.2 單元機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)仿真

一個有效的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不僅與控制器的控制律算法有關(guān)，還與控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有關(guān)。DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有獨到的優(yōu)越性。因此，在DEB協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，保留其合理結(jié)構(gòu)，應(yīng)用無模型只適應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行改造，得出MFAC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 機(jī)爐協(xié)調(diào)無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

受控對象分別采用上述300MW火電機(jī)組在100%負(fù)荷和70%負(fù)荷點處的數(shù)學(xué)模型(2)和(3)，而兩通道MFAC的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均保持不變。在以下各圖中，對100%負(fù)荷和70%負(fù)荷對象模型的仿真結(jié)果如圖3示。

圖3 火電機(jī)組在100%負(fù)荷時的無模型自適應(yīng)仿真

由仿真結(jié)果可知，將N通道與P通道間的耦合大大削弱,在很大程度上實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦,保證了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。同時從圖中可見，圖3與圖4仿真曲線幾乎相似，即系統(tǒng)在不同負(fù)荷下的動態(tài)性能相差很小，充分顯示出無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)對受控對象模型的不確定性具有很好的適應(yīng)性和魯棒性。文獻(xiàn)[3]用模糊推理和自適應(yīng)控制方法控制對象進(jìn)行比較，可知其控制性能仍不及本文提出的無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

圖4 火電機(jī)組在70%負(fù)荷時的無模型自適應(yīng)仿真

3 結(jié)論

火電機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一個具有嚴(yán)重時變、不確定性和耦合的雙變量復(fù)雜控制系統(tǒng)，其控制品質(zhì)的改善是提高熱工過程自動化水平和實現(xiàn)電網(wǎng)自動發(fā)電控制的關(guān)鍵。本文利用無模型自適應(yīng)控制算法在兩控制通道上分別設(shè)計了一個無模型自適應(yīng)控制器，并對其進(jìn)行控制研究。仿真實驗結(jié)果顯示，采用所設(shè)計的控制策略，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)不僅具有良好的解耦性能，而且對擾動和對象模型的不確定性具有優(yōu)良的適應(yīng)性和魯棒性。此外，本文控制方法易于計算機(jī)實現(xiàn)，具有一定的工程應(yīng)用價值。為提高火電機(jī)組機(jī)爐協(xié)調(diào)控制的品質(zhì)提供了新的思路。

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