潘巖 潘維加

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制在火電廠中的應(yīng)用與展望

潘巖 潘維加

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)

隨著火電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大,傳統(tǒng)PID控制難以滿足大型火電機(jī)組的控制要求。動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制是一種先進(jìn)控制算法,適用于大滯后、大慣性被控對(duì)象的控制,應(yīng)用潛力巨大。在廣泛收集動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上,分別闡述了動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法和改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法在火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀,并進(jìn)行了分析比較。最后對(duì)動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制在未來(lái)火力發(fā)電廠中的應(yīng)用,提出了一些看法。

火電廠 熱工控制系統(tǒng) 預(yù)測(cè)控制 動(dòng)態(tài)矩陣 復(fù)合控制 仿真

0 引言

最近幾十年,預(yù)測(cè)控制發(fā)展迅速,這主要得益于計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的提高,為復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)提供了條件。預(yù)測(cè)控制算法不是由某些理論推導(dǎo)所得,而是在工業(yè)實(shí)踐中逐漸得出的,有較強(qiáng)的實(shí)用性。動(dòng)態(tài)矩陣控制(dynamic matrix predictive control,DMC)屬于預(yù)測(cè)控制算法。動(dòng)態(tài)矩陣控制算法由卡特勒(Cutler)等人于1980年提出[1-2],他指出實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)矩陣控制主要經(jīng)歷三個(gè)步驟,即預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正。預(yù)測(cè)模型與經(jīng)典控制不同,主要依賴(lài)于已獲得的歷史信息,對(duì)下一步的輸入進(jìn)行控制。其對(duì)于對(duì)象的結(jié)構(gòu)要求不高,這一特點(diǎn)恰恰適應(yīng)了火力發(fā)電廠中被控對(duì)象模型難以準(zhǔn)確建立且特性常常伴隨工況變化而改變的情況。滾動(dòng)優(yōu)化是控制過(guò)程的又一突出特點(diǎn),即沒(méi)有設(shè)置全局性能指標(biāo),每?jī)?yōu)化一次,指標(biāo)都會(huì)有所提升,只是不同時(shí)刻其相對(duì)形式相同。這種優(yōu)化不是一次完成,有助于提升控制品質(zhì)。反饋校正解決了實(shí)施過(guò)程中有關(guān)非線性的影響,從整體上提升了動(dòng)態(tài)矩陣控制算法的控制效果,實(shí)用性很強(qiáng)。

1 DMC在熱控系統(tǒng)中的應(yīng)用

火力發(fā)電廠實(shí)施自動(dòng)化控制有著重大意義[3]。電力生產(chǎn)要求火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)具有安全性、技術(shù)性、先進(jìn)性的特點(diǎn),以保證機(jī)組最優(yōu)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需求?，F(xiàn)階段,我國(guó)火力發(fā)電廠熱工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)形式較為多樣,但絕大部分都是以傳統(tǒng)PID控制為基礎(chǔ)的。這種方案對(duì)模型要求較高,對(duì)多變量對(duì)象的控制效果不理想,導(dǎo)致諸如磨煤機(jī)等被控設(shè)備在許多發(fā)電廠依然以人工手動(dòng)方式運(yùn)行,效率不高,經(jīng)濟(jì)性難以實(shí)現(xiàn)最佳。

1.1 動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制現(xiàn)狀

動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制理論經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展與總結(jié),理論基礎(chǔ)較為成熟。相關(guān)文獻(xiàn)表明,人們對(duì)這種先進(jìn)控制理論進(jìn)行了大量的仿真試驗(yàn),進(jìn)一步證實(shí)了理論的價(jià)值與意義。文獻(xiàn)[4]作者對(duì)預(yù)測(cè)控制算法在熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié),明確指出預(yù)測(cè)控制與其他控制方案結(jié)合的理念與趨勢(shì),有力地證明了預(yù)測(cè)控制可以應(yīng)用到熱工過(guò)程控制,并能取得較好的控制品質(zhì)。文獻(xiàn)[5]作者調(diào)研了優(yōu)化控制軟件的需求,基于我國(guó)現(xiàn)階段的情況,針對(duì)火力發(fā)電廠繁雜工業(yè)控制的難點(diǎn)、常規(guī)控制的不足,對(duì)預(yù)測(cè)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等當(dāng)前主流控制算法進(jìn)行比較,并設(shè)計(jì)出開(kāi)放性的控制軟件,這類(lèi)軟件經(jīng)受住了實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)。文獻(xiàn)[6]作者以Matlab軟件為基礎(chǔ),調(diào)用函數(shù)mpccon(),成功設(shè)計(jì)了輸入/輸出無(wú)約束的預(yù)測(cè)控制器,并將其應(yīng)用于仿真機(jī)。文獻(xiàn)[7]作者針對(duì)工業(yè)過(guò)程中對(duì)象特性改變的情況,提出了切換的動(dòng)態(tài)矩陣控制方案。試驗(yàn)結(jié)果表明,切換的動(dòng)態(tài)矩陣控制方案魯棒性較好,優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方案。文獻(xiàn)[8]作者采用動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)對(duì)主汽溫度進(jìn)行控制,并與傳統(tǒng)PID控制方案進(jìn)行比較,其響應(yīng)曲線明確反映了動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制方案的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[9]作者設(shè)計(jì)了針對(duì)再熱汽溫的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制方案,有較強(qiáng)的使用價(jià)值。文獻(xiàn)[10]作者將動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng),針對(duì)電網(wǎng)峰谷差與日俱增、機(jī)組負(fù)荷頻繁增減,以及主蒸汽壓力與負(fù)荷耦合的情況,提出多變量動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制方案,對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模,并在不同負(fù)荷下分別進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果證明了其策略的可靠性和良好的魯棒性。文獻(xiàn)[11]作者詳細(xì)闡明了動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制的優(yōu)點(diǎn),并將Matlab軟件作為平臺(tái),搭建出動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法界面。通過(guò)輸入已知模型,選擇適當(dāng)參數(shù),成功達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1.2 改進(jìn)的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制現(xiàn)狀

隨著時(shí)間的推移,動(dòng)態(tài)矩陣控制理論也有了進(jìn)一步發(fā)展。常規(guī)單輸入單輸出算法推廣為多輸入多輸出。在應(yīng)用過(guò)程中,人們還常常將動(dòng)態(tài)矩陣與其他控制算法相結(jié)合,特別是與PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制以及自適應(yīng)控制的結(jié)合成為了人們關(guān)注的熱點(diǎn),發(fā)展空間與潛力很大。經(jīng)過(guò)不斷的仿真與應(yīng)用,針對(duì)在試驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題,人們提出并嘗試了很多改進(jìn)與優(yōu)化措施,進(jìn)一步完善了動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制理論,大幅提高了實(shí)用價(jià)值。文獻(xiàn)[12]作者分別基于動(dòng)態(tài)矩陣控制和傳統(tǒng)PID控制方案,對(duì)鍋爐燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn),詳盡分析并綜合兩種控制方案的特點(diǎn),提出了DMC-PID共同作用的第三種控制方案。這一種設(shè)計(jì)是對(duì)單一控制方案的改進(jìn),在一定程度上克服了單純動(dòng)態(tài)矩陣控制方案中多層次過(guò)于復(fù)雜和無(wú)法分辨干擾源的問(wèn)題,取得了較好的試驗(yàn)效果。文獻(xiàn)[13]作者應(yīng)用DMC-PID方案實(shí)現(xiàn)了鍋爐汽包水位控制,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前景良好。文獻(xiàn)[14]作者針對(duì)動(dòng)態(tài)矩陣控制理論算法運(yùn)算量大、實(shí)用性低的不足,對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計(jì)了兩種動(dòng)態(tài)矩陣控制的簡(jiǎn)化方案。該方案的關(guān)鍵在于分別引入控制增量衰減因子α與β,力求將控制增量ΔU(k+1)在M步內(nèi)變?yōu)?,即停止控制。兩種簡(jiǎn)化后的運(yùn)算,使得對(duì)于矩陣的求逆變成對(duì)于純數(shù)字的求逆,成功實(shí)現(xiàn)了減化運(yùn)算步驟,降低了設(shè)備要求,提高了可行性。同時(shí)作者基于這兩種控制方案,以主汽溫度控制系統(tǒng)、主汽壓力控制系統(tǒng)、單元機(jī)組負(fù)荷控制系統(tǒng)為例,分別進(jìn)行仿真試驗(yàn),研究了魯棒性,并與其他方案進(jìn)行比較。由仿真曲線可知,系統(tǒng)響應(yīng)速度略有下降,但無(wú)超調(diào),實(shí)用性顯著提高,試驗(yàn)效果較為理想。文獻(xiàn)[15]作者直接從產(chǎn)生偏差的原因入手,采用簡(jiǎn)化后的動(dòng)態(tài)矩陣控制算法對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行控制,其特點(diǎn)在于設(shè)置一個(gè)前饋環(huán)節(jié)補(bǔ)償,避免了高階求逆的復(fù)雜運(yùn)算,達(dá)到了預(yù)期效果,且最終基本消除偏差,試驗(yàn)成功。文獻(xiàn)[16]作者對(duì)低速鋼球磨煤機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制。由于鋼球磨煤機(jī)涉及的參數(shù)較多,諸如磨煤機(jī)出口溫度、磨煤機(jī)負(fù)荷及磨煤機(jī)電流等,大部分電廠沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行,而作者及其團(tuán)隊(duì)以最佳存煤量為設(shè)定值,內(nèi)回路大量采用PID控制,以力求盡快抑制干擾,外回路利用動(dòng)態(tài)矩陣控制實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化。綜合兩種方案的優(yōu)點(diǎn),并在實(shí)施過(guò)程中巧妙設(shè)置了三層結(jié)構(gòu),取得了良好的效果。該系統(tǒng)運(yùn)行于陜西秦嶺發(fā)電廠6號(hào)爐乙側(cè),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制,調(diào)節(jié)效果好,過(guò)渡時(shí)間短,鋼耗減少,煤粉細(xì)度均勻,經(jīng)濟(jì)性有所提高。文獻(xiàn)[17]作者提出了串級(jí)控制與動(dòng)態(tài)矩陣控制結(jié)合的控制方案,仿真研究得到了較為完美的曲線,效果很好。

2 動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制展望

動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制自提出以來(lái),在實(shí)踐中日趨完善,其應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大,從局部控制發(fā)展到應(yīng)用于整個(gè)系統(tǒng),從應(yīng)用于小機(jī)組升級(jí)至大機(jī)組,從單輸入單輸出的單一控制方案完善成為與其他先進(jìn)控制理論相結(jié)合的復(fù)合控制方案,動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制都表現(xiàn)出了極強(qiáng)的實(shí)用性。文獻(xiàn)[18]作者對(duì)1 000 MW超超臨界機(jī)組的特性和模型進(jìn)行了分析,采用了雙層結(jié)構(gòu)的多變量約束預(yù)測(cè)控制(MCPC)方案,充分利用了動(dòng)態(tài)矩陣滾動(dòng)優(yōu)化的特點(diǎn),完成了整體MCPC控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和建模仿真。與傳統(tǒng)PID控制方案相比,仿真曲線振蕩和超調(diào)幾乎可以忽略,試驗(yàn)十分成功。從文獻(xiàn)[18]不難看出,對(duì)于算法本身的簡(jiǎn)化,伴隨硬件水平的提升,已不再是人們追求的重點(diǎn);在物質(zhì)基礎(chǔ)的保障下,控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度已經(jīng)有了較大的提高,對(duì)于控制品質(zhì)的追求成為主流趨勢(shì);同時(shí),動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法與其他先進(jìn)控制理論的結(jié)合使用也是日漸普遍。與傳統(tǒng)PID控制方案的聯(lián)合使用已經(jīng)取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果,文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]作者分別應(yīng)用DMC-PID方案,對(duì)過(guò)熱汽溫、再熱汽溫進(jìn)行控制,取得了令人滿意的效果。不同控制理念的組合可以極大地發(fā)揮各種算法的特點(diǎn),其不同于新理論的創(chuàng)造,周期短,更貼近實(shí)際,對(duì)于問(wèn)題的解決針對(duì)性強(qiáng),發(fā)揮取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果。動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制與模糊PID控制、模糊控制、遺傳算法等先進(jìn)控制理論的結(jié)合使用,也將逐步應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn),創(chuàng)造出應(yīng)有的價(jià)值。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的不斷提升,計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)火力發(fā)電廠在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。但隨著機(jī)組容量的迅速擴(kuò)大,充分暴露了傳統(tǒng)控制方案的不足。這使得人們?cè)趹?yīng)用過(guò)程中針對(duì)原有的不足之處進(jìn)行了改進(jìn),提出了很多先進(jìn)控制方法。動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制算法作為先進(jìn)控制理論,以其作用于大慣性、大滯后對(duì)象時(shí)具有良好的性能,以及對(duì)模型的低要求得到了人們的肯定。我國(guó)科研人員利用仿真軟件進(jìn)行了大量仿真研究,提出了很多實(shí)用性很強(qiáng)的改進(jìn)措施,并在一定程度上投入了工業(yè)應(yīng)用。計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和超大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生,進(jìn)一步為動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制提供了空間。但目前動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制仍存在一些問(wèn)題,諸如不能識(shí)別擾動(dòng)原因、計(jì)算量相對(duì)較大、實(shí)時(shí)性受影響等依然制約著其在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用范圍與深度。伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷騰飛,相信動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制能發(fā)揮更大的作用,提升火力發(fā)電廠的自動(dòng)化水平,提高火力發(fā)電廠的運(yùn)行效率,更好地滿足現(xiàn)代電力生產(chǎn)的要求。

[1] 馬文學(xué),鐘漢樞.動(dòng)態(tài)矩陣控制研究進(jìn)展及應(yīng)用現(xiàn)狀[J],重慶高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào),2005,20(1):49-52.

[2] Cutler C R,Ramaker B L.Dynamic matrix control a computer control algorithm[C]//Proceedings of the 1980 Joint Automatic Control Conference,San Francisco:American Automatic Control Council,1980.

[3] 姜寶申.火力發(fā)電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展初探[J].科技與企業(yè), 2012(8):308.

[4] 王國(guó)玉,韓璞.預(yù)測(cè)控制及其在熱工過(guò)程控制中的應(yīng)用[J].電站系統(tǒng)工程,2002,18(3):53-56.

[5] 倪勇堅(jiān).電廠控制系統(tǒng)的優(yōu)化軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

[6] 符曉玲.輸入/輸出無(wú)約束的模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)[J].信息與電腦,2010(6):51-52.

[7] 李宏光,廖一波.工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的切換動(dòng)態(tài)矩陣控制[J].控制理論與應(yīng)用,2010,27(9):1277-1283.

[8] Rovnak J A,Corlis R.Dynamic matrix based control offossile power plant[J].IEEE.Transactions on Energy Conversion 1991.6(2):320-326.

[9] Sanchez L A,Arroyo F G,Villavicencio R A.Dynamic matrix control of steam temperature in fossil power plant[C]//IFAC Control of Power Plants and Power Systems,London:Pergamon Press,1995: 275-280.

[10] 李玉紅,王東風(fēng),劉紅軍,等.機(jī)爐協(xié)調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)矩陣控制仿真研究[J].電力科學(xué)與工程,2004(4):11-14.

[11] 楊麗華,趙文杰.基于MATLAB動(dòng)態(tài)矩陣控制算法設(shè)計(jì)仿真[J].儀器儀表用戶,2012,19(4):64-66.

[12] 黃成靜.動(dòng)態(tài)矩陣控制在電廠熱工控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].保定:華北電力大學(xué),2002.

[13] 劉紅軍,韓璞,王東風(fēng).鍋爐汽包水位系統(tǒng)DMC-PID串級(jí)控制仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2004,16(3):450-453.

[14] 李玉紅.簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)矩陣控制及其在熱工系統(tǒng)中的仿真研究[D].保定:華北電力大學(xué),2005.

[15] 高明全,易維新,董書(shū)懷.動(dòng)態(tài)矩陣控制在工業(yè)鍋爐燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2002,21(3):4-6.

[16] 成保國(guó).火電廠磨煤機(jī)優(yōu)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].西北電力技術(shù),2006(2):17-19.

[17] 謝劍英,席裕庚,季雪偉.預(yù)測(cè)-IPD串級(jí)控制及其應(yīng)用[J].控制理論與應(yīng)用,1991,8(2):196-200.

[18] 王國(guó)良,閻威武,陳世和,等.1 000 MW超超臨界機(jī)組的多變量約束預(yù)測(cè)控制的研究[J].控制理論與應(yīng)用,2012,29(12):1573-1578.

[19] 郭偉,姚少杰.基于PID的DMC算法性能分析及其在過(guò)熱蒸汽溫度控制中的仿真[J],熱力發(fā)電,2008,37(1):50-53.

[20] 張嘉英,王文蘭.基于動(dòng)態(tài)矩陣控制的再熱汽溫控制系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2010,30(8):71-74.

Application and Outlook of the Dynamic Matrix Predictive Control in Fossil Power Plant

Along with the continuously increasing of the unit capacity in fossil power plants,the traditional PID control is difficult to satisfy the control requirements for large scale fossil power units.Dynamic matrix predictive control is an advanced control algorithm,it is suitable for the controlled objects with large time delay and large inertia,so it possesses huge potential for application.On the basis of collecting relative research materials for dynamic matrix predictive control,the current status of applications of dynamic matrix predictive algorithm and the improved dynamic matrix predictive control algorithm in fossil power plants are described respectively and compared.In addition,some comments for the applications of dynamic matrix predictive control in future power plants are proposed.

Fossil power plant Process automated control system Predictive control Dynamic matrix Composite control Simulation

TP273

A

修改稿收到日期:2014-06-16。

潘巖(1990-),男,現(xiàn)為長(zhǎng)沙理工大學(xué)控制理論與控制工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生;主要從事火力發(fā)電過(guò)程先進(jìn)控制技術(shù)的研究。