基于MATLAB工具箱的火电站过热蒸汽温度优化控制

李 娜,王印松

(华北电力大学 控制与计算机工程学院自动化系，河北 保定 071003)

0 引言

过热蒸汽温度是火电站生产过程中一个重要的检测和控制参数，温度过高或过低都会影响到机组的安全性和经济性[1]。目前，火电站过热蒸汽温度控制普遍采用串级PID控制策略，并采用导前汽温信号和前馈信号来进行超前调节，但以调节参数固定不变的PID控制器来控制主蒸汽温度系统，控制效果仍不理想。

随着智能控制技术的发展，一些智能算法，如模糊控制，神经网络，遗传算法等，被应用到过热蒸汽温度控制中，并取得了一些研究成果，但因算法较复杂，真正应用到生产实践上的并不多[2,3]。

在文本中，结合了MATLAB/Simulink中的非线性控制系统优化设计（Signal Constraint）工具箱，对某超临界机组过热蒸汽温度控制系统的PID控制器进行优化，得到了某些负荷下控制器参数的优化值，将优化值近似作为对应负荷邻近区间内的PID参数值，进而给出了0%~100%负荷下PID控制器参数值。

1 Signal Constraint模块简介

在MATLAB7.0之前的版本中，Signal Constraint模块称为“Nonlinear Control Design”。Signal Constraint模块为非线性系统的控制器优化设计提供了有效的手段。该工具箱以Simulink模块的形式，集成了基于图形界面的非线性系统控制优化设计和仿真功能[4]。Signal Constraint模块能够添加到Simulink仿真图中，对与其相连接的信号进行约束。Signal Constraint 模块自动地把系统时域的性能指标转化为一个约束优化问题，用连续的二次方程式程序算法和准牛顿梯度寻优搜索技术解决这一问题，并可以在系统时域性能曲线窗口动态的显示控制器的优化效果。此外，Signal Constraint模块允许把不确定性引入受控对象的动态特性中，支持存在不确定特性的鲁棒控制系统设计[5]。

2 火电站过热蒸汽温度控制系统

火电站过热蒸汽温度控制对象的动态特性与机组的运行工况密切相关。影响过热蒸汽温度变化的因素有很多，比如，烟气侧有燃料量、风量等，蒸汽侧有蒸汽流量、给水温度、减温水温度等，但影响过热蒸汽温度最主要的因素是负荷的变化[1,6]。某超临界600MW直流锅炉高温过热器在4个典型负荷下过热蒸汽温度对减温喷水扰动的动态特性如表1所示[7]。

过热蒸汽温度控制对象是一个慢时变过程，因此，当负荷30%~44%时，对象模型近似用负荷在37%对应的模型代替，同理，当负荷在45%~55%、70%~80%、95%~100%时，模型分别近似用负荷在50%、75%及100%下对应的模型代替。

表1 过热蒸汽温度对减温喷水扰动的动态特性Table 1 Superheated steam temperature to the dynamic characteristic of the desuperheating spraying disturbance

图1 不同负荷下的阶跃响应曲线Fig.1 Step response curve under different load

由于串级控制系统的副调节器能够有效的消除内扰，且由导前区为副对象的副环控制相对于以惰性区为主对象的主环控制是一个响应快速的环节，因此，可以使用一个比例环节代替副环，达到简化控制对象的目的。在文本中，仅针对主环的PID控制器进行参数优化。

3 利用Signal Constraint 模块进行PID参数优化

利用S-C模块对过热蒸汽温度控制系统的PID控制器参数进行优化设计[8,9]，具体步骤如下：

1）在MATLAB/Simulink 环境下建立过热蒸汽温度控制系统仿真方框图。

2）给定PID控制器初始参数值，选取待寻优的PID控制器参数的变化范围。

3）给定系统的时域性能指标要求，如上升时间、最大超调量、调节时间等，从而将时域约束变为有约束的优化问题，实现对PID控制器参数的优化计算。

4）设定变量的允许误差值和约束的允许误差值，当系统优化变量和约束变量的变化小于相对应的允许误差值时，优化结束。

5）运行优化程序，获取PID控制器参数。

6）不断缩小对时域性能的约束，重复步骤3）至5）直至系统的动态性能达到期望要求，或不能进一步完善为止。

4 仿真研究

传统P-PID过热蒸汽温度控制系统的主控制器参数采用文献[4]中的整定值，副环使用比例环节代替。仿真分析可知，在4个典型工况下，比例环节均可近似为0.9534。

在4个典型工况下，对过热蒸汽温度控制系统进行阶跃扰动实验，图1可见，经S-C模块优化的系统的控制品质优于使用文献[4]中参数的控制系统，调节时间更短且超调减小。对应的优化参数结果见表2。

当负荷在0~29%、56%~69%、81%~94%时，过热蒸汽温度控制系统惰性区传递函数可分别近似为副环仍使用比例环节k=0.9534代替，再分别对上述系统进行阶跃扰动实验，经S-C模块优化后，优化的参数结果如表2所示。

表2 0-100%负荷下PID参数优化结果Table 2 0-100% Load under the PID parameter optimization results

5 结束语

为了克服火电站过热蒸汽温度控制中因PID参数固定导致的系统超调量与响应速度的矛盾，本文采用MATLAB/Simulink Signal Constraint工具箱对PID控制器进行优化设计。仿真实验表明，采用S-C模块优化后的PID参数进行过热蒸汽温度控制系统的控制，具有良好的控制品质。

[1]黄德先,王景春,金以慧.过程控制系统[M].北京:清华大学出版社,2011.

[2]李国林.PID控制器参数整定技术研究与优化设计[D].大连理工大学,2010.

[3]牛培峰,郭兴华,王磊,等.火电厂汽包锅炉汽温控制的研究进展与发展趋势[J].燕山大学学报,2008,04:367-372.

[4]周克良,戴建国.基于MATLAB仿真的两种策略融合的PID控制[J].安徽冶金科技职业学院学报,2006,01:32-33,40.

[5]滕青芳.基于NCD工具箱的非线性系统PID控制器优化设计[J].电气传动自动化,2002,03:32-34.

[6]谷俊杰,张艳娟,赵兴楼.非线性PID控制器在主蒸汽温度控制中的应用[J].热力发电,2009,07:92-95.

[7]范永胜,徐治皋,陈来九.基于动态特性机理分析的锅炉过热汽温自适应模糊控制系统研究[J].中国电机工程学报,1997,01:23-28.

[8]刘金琨.先进PID控制MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2004.

[9]薛定宇.控制系统计算机辅助设计[M].第2版.北京：机械工业出版社,2009.