（天津陳塘熱電有限公司，天津 300223）  邢  軍 

邢軍（1961－）
男，高級(jí)工程師，工學(xué)碩士學(xué)位，專業(yè)為自動(dòng)化控制。

1  引言

    電站鍋爐是一個(gè)典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，從自控角度看鍋爐是一個(gè)多輸入、多輸出、非線性、相互關(guān)聯(lián)的較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對(duì)象，其生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制應(yīng)該是多回路控制系統(tǒng)。在這些控制系統(tǒng)中，問(wèn)題最大、應(yīng)用較困難的是燃燒控制系統(tǒng)，而保證鍋爐安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵正在于燃燒控制系統(tǒng)的完善。

    陳塘熱電有限公司共有四爐三機(jī)，采用母管式運(yùn)行方式，鍋爐為自然循環(huán)、高壓雙筒立式旋風(fēng)爐，液態(tài)排渣，鍋爐蒸發(fā)量220t/h。鍋爐燃燒系統(tǒng)中主汽壓力系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)存在較大的滯后和非線性。在控制系統(tǒng)中由于時(shí)滯所造成的困難人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到了，通常的解決辦法是加Smith預(yù)估器，但是在電力生產(chǎn)中由于運(yùn)行條件和環(huán)境的原因，被控對(duì)象的特性會(huì)有一些不確定和不可預(yù)測(cè)的變化。而Smith預(yù)估器對(duì)模型又過(guò)于敏感，為了克服這些問(wèn)題，筆者在陳熱三號(hào)爐燃燒自控系統(tǒng)中采用了模型參考自適應(yīng)預(yù)估控制算法(MRAPC)[2]，克服了過(guò)程參數(shù)變化和干擾引起的不穩(wěn)定，取得了較好的效果。

2  控制系統(tǒng)

    燃燒控制系統(tǒng)由引風(fēng)、送風(fēng)和主壓力三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，采用分布式控制方式，由一個(gè)上位機(jī)和三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站組成，三個(gè)子系統(tǒng)分別由三個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站進(jìn)行控制，在控制站的上一級(jí)設(shè)有工程師站，工程師站可監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行情況同時(shí)可進(jìn)行參數(shù)修改，工程師站和現(xiàn)場(chǎng)控制站之間用電纜以總線的方式連接組成網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)控制站采用工業(yè)控制機(jī)，完成控制和與上位機(jī)通信的功能。I/O接口部分采用智能遠(yuǎn)程I/O模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集處理后以數(shù)字通信的方式傳送給工控機(jī)，同時(shí)將工控機(jī)輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量后送給現(xiàn)場(chǎng)儀表。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力在現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和工控機(jī)之間加裝了WS系列隔離端子，用于信號(hào)隔離。

    2.1  三個(gè)子系統(tǒng)總體控制方案

    如圖1所示，考慮到四臺(tái)鍋爐并列運(yùn)行和單獨(dú)運(yùn)行兩種情況。母管壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)母管蒸汽壓力的變化對(duì)四臺(tái)鍋爐按規(guī)定的比例發(fā)出負(fù)荷增減信號(hào)NO1、NO2、NO3、NO4。如果要某臺(tái)鍋爐帶固定負(fù)荷或單臺(tái)爐運(yùn)行，將母管壓力校正調(diào)節(jié)器送來(lái)的信號(hào)切除，而代之以運(yùn)行人員確定的固定主汽壓力信號(hào)。鍋爐運(yùn)行時(shí)，主汽壓力調(diào)節(jié)器輸入負(fù)荷要求的信號(hào)(SP或NO1)和主汽壓力信號(hào)Pz，其輸出作為燃料調(diào)節(jié)器的給定信號(hào)，燃料調(diào)節(jié)器接受燃料量信號(hào)，調(diào)節(jié)的目的使燃料量與負(fù)荷要求信號(hào)相適應(yīng)，同時(shí)用煙氣中的氧量信號(hào)作為送風(fēng)量的校正信號(hào)解決燃料量與送風(fēng)量準(zhǔn)確配比問(wèn)題。燃料量信號(hào)同時(shí)引進(jìn)送風(fēng)調(diào)節(jié)器使送風(fēng)量與燃料量相適應(yīng)。

圖1  燃燒控制系統(tǒng)總體控制方案

    引風(fēng)調(diào)節(jié)器主要接受爐膛負(fù)壓信號(hào)與給定值進(jìn)行比較，去控制引風(fēng)量，同時(shí)將送風(fēng)信號(hào)引入作為引風(fēng)調(diào)節(jié)器的前饋信號(hào)，來(lái)校正引風(fēng)量落后于送風(fēng)量的偏差，使引風(fēng)隨著送風(fēng)協(xié)調(diào)動(dòng)作。

    當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)母管蒸汽壓力Pm暫時(shí)偏離給定值，使主調(diào)節(jié)器發(fā)出的負(fù)荷要求信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)主壓力調(diào)節(jié)器及燃料調(diào)節(jié)器改變四臺(tái)爐的燃料量，同時(shí)通過(guò)送風(fēng)調(diào)節(jié)器改變送風(fēng)量，并通過(guò)氧量調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。送風(fēng)量的變化引起爐膛負(fù)壓偏離給定值，再由引風(fēng)調(diào)節(jié)器去改變引風(fēng)量。調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)母管壓力恢復(fù)到給定值，主調(diào)節(jié)器輸出的負(fù)荷要求信號(hào)穩(wěn)定在一個(gè)新的數(shù)值上，爐膛負(fù)壓恢復(fù)到給定值，而燃料量和送風(fēng)量都與新的負(fù)荷要求信號(hào)成比例。

    主汽壓力系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)均采用串級(jí)調(diào)節(jié)，主調(diào)節(jié)器采用自適應(yīng)控制，副調(diào)節(jié)器采用PID控制。

    2.2  自適應(yīng)Smith預(yù)估器的原理

    在本控制系統(tǒng)中，被控對(duì)象存在時(shí)滯，而且它的特性在負(fù)荷變化以及受到干擾時(shí)會(huì)發(fā)生變化，使用固定Smith預(yù)估器會(huì)因模型誤差造成控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。要想實(shí)時(shí)補(bǔ)償純滯后，Smith預(yù)估器的參數(shù)即參考模型的參數(shù)也要隨之不斷變化。根據(jù)參考模型參數(shù)預(yù)先設(shè)定的控制器的參數(shù)也要不斷的隨著變化。因此在本控制系統(tǒng)中采用自適應(yīng)預(yù)估控制方法解決這個(gè)問(wèn)題，其原理如圖2所示。

圖2  自適應(yīng)Smith預(yù)估器原理圖

    在被控對(duì)象的某一穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)初步確定被控對(duì)象的基本特性即放大系數(shù)K、時(shí)間常數(shù)T和滯后時(shí)間τ，然后可以得到一個(gè)參考模型使之與控制器并聯(lián)。圖2中為敘述自適應(yīng)律方便將參考模型與對(duì)象相連。根據(jù)這些表征被控對(duì)象特性的參數(shù)合理確定調(diào)節(jié)器的比例增益等參數(shù)。但由于被控對(duì)象特性是隨著負(fù)荷變化而變化或受其它干擾因素的影響，并不能保持一個(gè)穩(wěn)定值，這時(shí)確定的參考模型與被控對(duì)象不再匹配。根據(jù)被控對(duì)象與參考模型輸出之間的偏差e、以及被控對(duì)象的輸出Y，自適應(yīng)律在線修改參考模犁的參數(shù)Km、Tm、τm使參考模型與實(shí)際被控對(duì)象重新匹配，并根據(jù)重新獲得的對(duì)象特征參數(shù)修改控制器的參數(shù)。因此采用這一方法能夠有效的實(shí)現(xiàn)受控對(duì)象的Smith預(yù)估控制，在克服被控對(duì)象時(shí)滯影響的同時(shí)使系統(tǒng)在不同的負(fù)荷下均得到良好的控制質(zhì)量。在主壓力系統(tǒng)和送風(fēng)系統(tǒng)中假定被控對(duì)象為一個(gè)三階慣性加上一個(gè)滯后環(huán)節(jié)。

    2.3  系統(tǒng)構(gòu)成

    在本控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制站采用研華工控機(jī)完成控制和與上位機(jī)的通信功能。I/O接口部分采用研華4000系列智能遠(yuǎn)程I/O模塊，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集處理后以數(shù)字通信的方式傳送給主機(jī)，采用隔離“浮空”方式通信增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。I/O模塊與工控機(jī)之間采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)隔離全部采用WS系列隔離端子，它采用調(diào)制式變壓器隔離技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出和電源二端的相互電隔離。

    本控制系統(tǒng)軟件使用C++編程語(yǔ)言，選用Borland C++32編譯器。

3  現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)

    從系統(tǒng)的控制原理可知，要想實(shí)現(xiàn)Smith預(yù)估補(bǔ)償需要知道被控對(duì)象的模型，對(duì)于自適應(yīng)預(yù)估控制也需要預(yù)先確定一組基本的對(duì)象特征參數(shù)，即系統(tǒng)的放大系數(shù)K、過(guò)渡時(shí)間T和滯后時(shí)間τ。

    對(duì)象特性參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得，在被控參數(shù)基本穩(wěn)定的情況下，人為給控制參數(shù)加一階躍擾動(dòng)，階躍值的大小依控制系統(tǒng)而定，在保證安全的基礎(chǔ)上盡量使響應(yīng)曲線明顯，一般在5%～10%之間。將被控參數(shù)和控制參數(shù)變化前后一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、顯示可得到對(duì)象的響應(yīng)曲線，然后設(shè)一組對(duì)象的基本特性參數(shù)通過(guò)離線自動(dòng)尋優(yōu)得到一條與對(duì)象響應(yīng)曲線相吻合的理想曲線，從而得到被控對(duì)象的特性參數(shù)。這一過(guò)程可由現(xiàn)成的工具軟件完成。

    以主壓力系統(tǒng)為例，由圖3、圖4可得主汽壓力系統(tǒng)的特性參數(shù)為：Kp=0.15，Tp=41.5S，Гp=60s。

    在被控對(duì)象基本模型確定以后，將特性參數(shù)送入工具軟件，通過(guò)多變量尋優(yōu)的方法得到一組優(yōu)化的調(diào)節(jié)器參數(shù)值，圖5為主汽壓力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的圖形，此時(shí)對(duì)象模型的放大系數(shù)Kp=0.15，時(shí)間常數(shù)Tp=41.5s，通過(guò)優(yōu)化得到的調(diào)節(jié)器的參數(shù)為Kc=8.379，Ti=109.997，Td=45。圖5中曲線2為對(duì)象模型在階躍擾動(dòng)下的開(kāi)環(huán)響應(yīng)曲線，曲線1為通過(guò)尋優(yōu)得到的對(duì)象模別的閉環(huán)響應(yīng)曲線。

圖3主壓力系統(tǒng)對(duì)階躍響應(yīng)的反應(yīng)曲線  

圖4主壓力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)尋優(yōu)曲線

圖5主汽壓力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的圖形

圖6主壓力系統(tǒng)投入自動(dòng)后在兩次定值擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線

    圖6為主壓力系統(tǒng)投入自動(dòng)后在兩次定值擾動(dòng)下的響應(yīng)曲線，圖中上部為定值變化和主汽壓力變化曲線，下部為定值變化后控制器輸出變化的曲線，由此可以看出，自動(dòng)系統(tǒng)投入后取得了較好的效果。

    電力生產(chǎn)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程，其生產(chǎn)中有許多控制問(wèn)題，用常規(guī)的控制方法不能很好的解決。應(yīng)用包括自適應(yīng)控制、模糊控制在內(nèi)的智能控制技術(shù)去處理這些問(wèn)題將會(huì)有廣泛的市場(chǎng)前景。自適應(yīng)預(yù)估控制算法在燃燒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成功后不僅對(duì)于電力鍋爐，對(duì)其它行業(yè)也可提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)
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