(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)
[1] 邢軍. 陳熱三號(hào)鍋爐燃燒自適應(yīng)控制系統(tǒng)[D]. 天津大學(xué), 1999.
[2] Yang zhi-Yuan and Shen Zi-Jun. An Adaptive Predictive Control for Reheating Temperature Process of 200MW Peak-regulating Once-through Boiler.
[3] Yang zhi-Yuan and Shen Zi-Jun. Model Reference Adaptive Preditive Control of Steam Temperature Process in Power Plant. Proc.of 11th IFAC World Congress 1990, 6:45-49.
[4] 楊志遠(yuǎn), 陸會(huì)明, 等. 具有全局收斂的自適應(yīng)預(yù)估控制算法及應(yīng)用[R]. IFAC 1997.