鄭 清，東朝陽，張明智

(華北電力大學電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003)

近年來，隨著電力工業(yè)自動化水平的提高，電網(wǎng)綜合自動化對單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計和控制品質(zhì)提出了越來越高的要求。但是，由于單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是一種多變量控制系統(tǒng)，受控過程是一個多輸入多輸出的過程，在輸入和輸出之間存在著交叉的關(guān)聯(lián)和耦合。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計的理想目標就是實現(xiàn)多變量的完全解耦［1－2］。本文對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行了解耦且對積分分離控制器進行了仿真試驗，經(jīng)過與常規(guī)PID控制進行比較，積分分離控制器可應(yīng)用于機側(cè)控制器。

1 機組協(xié)調(diào)控制對象的動態(tài)特性分析

汽包鍋爐單元機組可簡化為一個具有雙輸入和雙輸出的被控對象，機組的輸出功率N和機前壓力Pt只為被控量;主汽門調(diào)節(jié)閥開度量μ和燃料量B為控制量［3－4］。這種合理簡化的前提是:

(1)送風量和燃料量相適應(yīng)，保持燃燒穩(wěn)定。

(2)引風量與送風量相適應(yīng)，保持爐膛壓力。

(3)給水量通過保持汽包水位進行控制，使給水流量與蒸汽流量相平衡。

(4)主蒸汽溫度相對獨立。

在此基礎(chǔ)上，單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的對象原理圖如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)對象簡化模型

在此基本假設(shè)條件下，單元機組受控過程動態(tài)特性可由線性常系數(shù)多變量傳遞函數(shù)描述:

式中:Y(s)、U(s)分別為被控量和控制量矢量;G(s)是系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣。

對于圖1所示的單元機組受控對象，有:

求取G(s)各元素的傳遞函數(shù)表達式要建立單元機組動態(tài)特性數(shù)學模型，本文采用前人己經(jīng)建立的成熟數(shù)學模型［5］:

使用的量綱為:ΔPt，MPa;ΔN，MW;ΔB，t/h;Δμ，%。

2 機爐動態(tài)特性的基本特征

構(gòu)成單元機組受控對象的設(shè)備是鍋爐和汽輪發(fā)電機組兩大部分。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時，主要針對一個雙輸入、雙輸出的受控對象，其動態(tài)特性方面有以下基本特征:

(1)在鍋爐控制量ΔB作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應(yīng)是一個慢速的慣性過程;而在汽輪機控制量Δμ的作用下，輸出被控量ΔPT和ΔN的響應(yīng)則是一個快速的過程。

(2)由于鍋爐的熱慣性比汽輪發(fā)電機組的慣性大得多，使得輸出被控量ΔPT和ΔN對于ΔB的響應(yīng)速度十分接近，表現(xiàn)為傳遞函數(shù)矩陣中GPB(s)與GNB(s)之間十分相近的特性。

(3)利用汽輪機調(diào)節(jié)門開度Δμ作為控制量，可以快速的改變機組的被控量ΔPT和ΔN。其實質(zhì)是利用了機組內(nèi)部的蓄熱，主要是鍋爐內(nèi)部的蓄熱。機組容量越大，相對地這種蓄熱能力越小。因而，利用汽機調(diào)節(jié)門控制機組輸出功率的方法只能是一種有限的、暫態(tài)的策略。這樣限制體現(xiàn)在對機前壓力ΔPT變壓范圍與變化速度的限制。因為PT直接反映了鍋爐能量輸出與汽輪機功率之間的平衡關(guān)系。

3 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制對象的解耦設(shè)計

解耦設(shè)計是多變量系統(tǒng)控制中的有效手段，其實質(zhì)是針對多變量受控對象各輸入與輸出之間存在關(guān)聯(lián)與耦合的基本特征，設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)來消除或消弱其間的關(guān)聯(lián)與耦合，把多變量問題轉(zhuǎn)化為多個單變量控制問題來處理。在工程實際中，常用靜態(tài)解耦、單向解耦和近似解耦三種較為實用的解耦網(wǎng)絡(luò)簡化結(jié)構(gòu)［6］。

本文采用前饋補償解耦，該方法原理和結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。解耦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 前饋補償結(jié)構(gòu)

由圖2可得兩輸出分別為(不考慮反饋閉環(huán)):

要實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦，由式(4)和式(5)可得兩個前饋補償器分別為:

由前面提到的數(shù)學模型式(3)將得到:

四個式子代入公式(6)和(7)即可求出Gp12(s)和Gp21(s)從而實現(xiàn)系統(tǒng)的完全解耦。解耦后的系統(tǒng)等效為兩個控制回路:汽機側(cè)控制回路和鍋爐側(cè)控制回路，針對汽機側(cè)調(diào)節(jié)速度快的特點，將積分分離PID控制器應(yīng)用于汽機側(cè)控制器。

4 積分分離控制器在汽機側(cè)控制器中的應(yīng)用及仿真

普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的，主要是為了消除靜差，提高控制精度。但在過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定時，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差，會造成PID運算的積分積累，致使控制量超過執(zhí)行機構(gòu)可能允許的最大動作范圍對應(yīng)的極限控制量，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，甚至引起系統(tǒng)較大的振蕩，這在生產(chǎn)過程中是絕對不允許的。引進積分分離PID控制算法，既保持了積分作用，又減小了超調(diào)量，使得控制性能有了較大的改善。

積分分離控制的基本思路是:當被控量與設(shè)定值偏差較大時，取消積分作用，以免由于積分作用使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，超調(diào)量增大;當被控量接近給定值時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度。

取數(shù)學模型式(3)做閥門開度階躍擾動的內(nèi)擾仿真試驗:

(1)汽機側(cè)積分分離PID的參數(shù)kp=2，ki=0.0625，kd=0.01。

(2)汽機側(cè)傳統(tǒng)的PID控制器的參數(shù):kp=1.2;Ti=180;Td=0.1。

靜態(tài)工況下，仿真時間為700 s時在汽機側(cè)加入1%的閥門擾動量，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 汽機閥門開度擾動下功率響應(yīng)曲線

圖中實線是使用積分分離控制算法得到的輸出，虛線是常規(guī)PID控制的輸出。可以看出，積分分離控制能明顯的減小超調(diào)量和振蕩次數(shù)，改善控制品質(zhì)。

5 結(jié)束語

文中采用的是以爐跟機為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。對于以爐跟機為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來說，汽機調(diào)節(jié)器本身就具有很強的消除汽機側(cè)擾動的能力。機前壓力偏差信號引入汽機調(diào)節(jié)器可以補償來自鍋爐側(cè)擾動對汽機調(diào)節(jié)器的影響，使鍋爐輸入能量能夠快速與外界負荷要求相適應(yīng)。鍋爐側(cè)擾動由鍋爐控制器消除，不會對輸出功率產(chǎn)生嚴重影響。仿真結(jié)果表明，將積分分離PID控制算法應(yīng)用于汽機側(cè)控制器使得控制性能有較大的改善。

［1］王東風，韓璞.單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀［J］.中國電力，2002，35(17).

［2］曾德良，劉吉臻.單元機組智能協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用［J］.電力情報，1998(3).

［3］張玉譯.熱工自動控制系統(tǒng)［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［4］李遵基.熱工自動控制系統(tǒng)［M］.華北電力大學，1999.

［5］劉吉臻.協(xié)調(diào)控制與給水全程控制［M］.北京:水利電力出版社，1995.

［6］劉晨輝.多變量過程控制解耦理論［M］.北京:水利電力出版社，1984.

［7］時杉杉，姜雪松，傅靈玲.地源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的變頻改造［J］.森林工程，2008，24(6):25 －28.