火电厂主汽温控制系统建模

王斌

(国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆乌鲁木齐 830011)

火电厂主汽温控制系统建模

王斌

(国网新疆电力公司电力科学研究院,新疆乌鲁木齐 830011)

针对火电厂自动控制系统PID整定过程中存在的效率低、品质差等问题,提出通过被控对象开环试验收集输入输出数据,应用辨识理论和辨识软件建立被控对象数学模型,再通过仿真软件进行参数整定的方法。并将上述方法应用于主汽温度控制系统中。

建模 辨识 仿真

火电厂热工自动控制系统是包含多变量、多参数的复杂控制系统，随着火电机组向高参数、大容量发展，以及分散控制系统在火电厂控制领域的广泛应用，自动控制系统在保障机组安全优质稳定运行的问题上担负着愈加重要的责任，而控制系统投入品质的优劣，在很大程度上取决于对被控对象动态特性的了解程度，只有准确掌握了被控对象的动态特性，才能确定最优的控制策略以及对应控制器的最佳整定参数。

当前工程上控制器参数整定主要还是根据经典模型和实际经验，通过反复地对现场设备进行调试比较，选择效果最好的参数投入运行。这样的方法虽然行之有效，但费时费力，对人员要求很高，更重要的是，通过这种方法得到的往往是仅仅满足运行要求而非最优化的参数。

1 建立控制系统总体结构

在被控对象的模型建立前，必须要有一定的先验知识。我们需要事先了解该系统的输入与输出的大致关系和动态特性，从而确定控制手段。针对主汽温度控制系统，当采用喷水减温控制时，一般把过热器分为两个区域，喷水减温器至减温器出口汽温区段称为导前区，减温器出口汽温之后称为惰性区，其传递函数分别用G1(s)和G2(s)表示。

通过大量的实际运行经验可以看出，减温器出口汽温和过热器出口汽温的动态特性都是有滞后，有自平衡能力的，但过热器出口汽温的滞后较大而导前区汽温的滞后明显较小。对于喷水减温控制系统，最常见的现行组态都是采用串级控制系统，控制器采用PI和P控制规律。当要求控制精确度较高时，整个串级控制系统由三个环路组成，即主回路、副回路和流量控制执行回路。由于副回路响应速度快且直接驱动减温水调门控制流量，因此当精确程度要求不高时，也可省掉流量控制回路由两个环路组成，在大多数火电厂中，普遍采用两环路控制方法。另一个原因是，如果采用流量控制回路，势必要测试调门的流量特性，而减温水调门的流量特性受到了给水压力、主汽压力等参数的影响，测试过程费时费力，控制品质提升的空间也有限。

图1 主汽温度控制系统框图

综上分析，建立起主汽温度控制系统的结构框图，如图1。图中，PID1和PID2分别为主、副调节器。G1(s)和G2(s)分别为导前区和惰性区传递函数，就是需被辨识对象。G1(s)和G2(s)可以用一阶惯性加纯迟延来近似，也可用分子分母多项式近似。本文在后续的辨识过程中采用分子分母多项式，即以下数学表达式:

式中的a、b即需要被辨识的参数。

2 开环试验与参数辨识

开环试验的目的是为辨识工具提供数据。是在稳定工况下，使系统中单一输入量发生扰动，记录系统输入输出随时间变化的数据。

2014年6月我们对某300MW火电机组过热器一级减温控制系统进行了开环试验。试验前调整机组运行工况，待机组各参数稳定后手动关小减温水调节门，观察和记录减温器后和过热器出口蒸汽温度随时间变化的曲线，直至主汽温度达到另一个稳态值并稳定，试验完成恢复试验前工况。调用分散控制系统的历史趋势，将整个过程中减温水调门开度、减温器出口汽温和过热器出口汽温随时间变化的数值趋势以文本或Excel格式导出。通过开环试验获得的减温水扰动过程如图2。

图2 减温水控制系统扰动试验

将试验数据导入到辨识软件就可以进行模型的参数辨识了，我们的辨识软件采用的辨识方法是最小二乘法。导前区传递函G1(s)的输入输出分别是减温水调门开度和减温器后蒸汽温度，惰性区传递函数G2(s)的输入输出分别是减温器后蒸汽温度和过热器后蒸汽温度。将输入输出数据导入辨识软件，通过调整多项式分子分母的阶数寻找得到一个与试验结果最相近的传递函数。最后我们得到了G1(s)和G2(s)的传递函数如下:

通过和试验数据的比较，可以看出G1(s)和G2(s)能够与系统的响应很好的吻合。辨识结果与实际响应过程的比较如图3和图4。

图3 导前区模型的验证

图4 惰性区模型的验证

3 模型建立与仿真

辨识出传递函数G1(s)和G2(s)后，我们根据图1的结构在matlab仿真环境中建立起该主汽温控制系统的控制模型，如图5。

图5 simulink仿真模型

当被控对象的传递函数确定后，往往也不能用控制理论的方法计算出调节器的参数。通过理论计算出的参数理论上能够达到对被调量很好的控制效果，但往往会导致执行机构频繁动作，有时甚至出现动作幅度大于100%的情况。为了保护执行机构，因此调节器参数整定还是采用经验试凑法。因为仿真速度很快，所以这个过程实际上花不了多长的时间。。

图6 控制系统闭环仿真

在matlab仿真环境中我们可以任意调整主调和副调的参数，不断观察控制效果，确定PID参数，同时我们也注意观察使调节机构的指令在一个合理的范围。最终确定了调节器的参数:主调采用PI调节规律，比例0．8积分60；副调采用P调节规律，比例5。

通过对图6的仿真结果的分析我们看出，当调节器参数设置为上述值时，控制效果如下:超调量约为10%、衰减率在75%～90%之间、调节时间约为350秒，能够满足主汽温度的控制要求。

4 结语

长期以来，火电厂自动控制系统的参数整定过程大多采用经验试凑法，这种方法需要不断调整参数和观察响应过程，效率低。因此本文结合参数辨识的方法，先建立模型，再设计调整调节器，起到了提高控制品质、提高效率的效果。在具备更多先验知识的情况下，我们甚至可以通过试验的方法对机组的机炉协调控制系统建模，从而设计出更好的控制策略和控制参数。