汽轮机数字式电液调速系统关键技术研究

权少宁

摘 要：本文研究汽轮机数字式电液调速系统，针对数字电液控制系统中的非线性环节，完成了一种基于模糊内模控制策略的调速系统的设计。具体是将广义被控对象通过粒子群算法的使用完成模型简化处理，然后将其通过内模控制原理的运用完成内模PID的设计，使用最大灵敏度函数选取初始参数，并对参数采用模糊控制器完成在线整定过程。系统仿真结果表明本文设计的方法使参数选取的效率得以有效提升，在减少超调量的同时显著提高了系统响应速度及抗干扰能力，从而使汽轮机调速系统的整体控制质量和效率得以有效提升，为汽轮机调速系统的优化和完善提供参考。

关键词： 汽轮机; 数字电液控制系统; 调速系统; 模糊内模控制

中图分类号： TM 311

文献标志码： A

Abstract： This paper mainly studies the digital electro-hydraulic speed control system of steam turbine. For the nonlinear link in the digital electro-hydraulic control system， a speed control system based on the fuzzy internal model control strategy is designed. The model simplification process is completed through the use of the particle swarm algorithm， and then the internal PID model is designed through the application of the internal model control principle， the initial parameters are selected by using the maximum sensitivity function， and the fuzzy controller is used to complete the online tuning. process. The system simulation results show that the method designed can effectively improve the efficiency of parameter selection， so that the system can significantly improve the system response speed and anti-interference ability and reduce the overshoot， so that the overall control quality and efficiency of the turbine governing system can be improved. These may provide reference for the optimization and improvement of steam turbine speed control system.

Key words： steam turbine; digital electro-hydraulic control system; speed control system; fuzzy internal model control

0 引言

快速發展的科学技术为工业质量和效率的提升提供了有力支撑，汽轮机以其独特的优势受到众多工业领域的认可，得以在电力、石化、造纸、环保等工业领域广泛应用。作为大型高转速机械的一种汽轮机中的数字电液控制系统（DEH）起着重要作用，机组的安全性与可靠性受到DEH控制性能的直接影响，机组的稳定高效运转则是提高工业企业的经济效益的基本保障。而调速系统的主要功能在于确保汽轮机输出功率和负荷间平衡状态的保持（通过调整气量）。尤其是在互联大电网建成的背景下，日常生产生活对电网的稳定性及安全性的重视程度及要求越来越高，在发电机组中汽轮机调速系统发挥着重要的控制作用，其动态特性对供电质量产生直接影响。因此在构建汽轮机调速系统仿真模型的基础上研究模型参数对电网稳定性的影响成为汽轮机系统仿真中的重要研究方向。

1 需求分析

在工业过程控制中传统的 PID 控制方法应用较为普遍，具备设计过程繁琐度较低、算法发展较为成熟、稳定性好等优势，但由于汽轮机的系统较为复杂，传统PID控制方法已经难以有效满足特定的控制要求，目前对该方法进行优化和完善的研究较多，例如，在结合使用PID方法与模糊控制器的基础上，对控制器的参数通过差分算法的使用完成优化过程，从而使系统的响应速度、鲁棒性及稳定性得以有效提高;以汽轮机系统的复杂特性为依据，通过自学习和自适应能力较强的神经元和 PID方法的有效结合，有效提高了控制系统品质，完成了基于单神经元的自适应PID 控制策略的设计，并通过试验对比模糊控制结果证明了此种方法的可行性。上述方法虽使系统的动态特性得以有效改善，但对于系统受到非线性环节影响情况的考虑不充分;而通过结合运用模糊控制器与串级控制方法实现了对系统中存在的干扰及参数变化情况的追踪和分析，显著提高了系统的鲁棒性，但受限于复杂的设计过程及多个控制器参数的调节难度增加了应用成本;在对调速系统的参数时变因素（非线性）进行充分考虑的基础上，通过有效结合运用RBP神经网络和自适应逆控制理论完成了自适应逆控制器的设计，负荷扰动信号采用了发电机功率，实现了对干扰影响的有效抑制及目标跟踪性能的显著提高，单在设计时需分别考虑给定速度、外部干扰的影响情况，导致过程繁琐复杂难以在工程中普及应用[1]。

2 电液伺服系统非线性分析

作为热工况系统的一种汽轮机的相关参数具有时变、干扰、复杂的特点，非线性环节（包括饱和、死区等）在电液伺服系统中表现明显，传统的研究领域中大多忽视了调速系统的数学模型及对应参数的运用，准确模型的构建对电网等领域的长期稳定及性能的控制具有重要意义，对控制系统通过辨识汽轮机调速系统参数实现优化过程，在实现汽轮机组故障诊断会和状态监测的同时使控制系统功能得以有效提升，本文主要在简化系统模型的基础上，完成完成内模PID的设计及有效初始参数的选取，进一步提升汽轮机数字式电液调速系统的控制性能。本文根据实际汽轮机的死区特性，通过模糊内模控制策略的设计和应用，使汽轮机数字电液控制系统（DEH）中非线性环节的影响得以有效降低，先将广义被控对象通过粒子群算法（PSO，易于工程应用）的使用完成到一阶惯性加时滞系统的逼近过程，并在此基础上完成内模控制器的设计，实现以较少参数应用提高搜索速度。然后采用最大灵敏度函数，以函数同可调参数（由τc表示）间的关系为依据完成参数的初始选取。再对内模控制器的参数通过模糊控制特性的应用完成自适应在线调整过程。从而使具备非线性特点的控制系统的动静态特性及抗干扰性能得以有效提高，实现汽轮机调速系统的进一步优化。本文以中小型汽轮机作为研究对象，将其简化为系统数学模型，DEH系统中的非线性特性以主要由库仑摩擦和滑阀正重叠量引起的死区为代表，系统稳定性及控制精度受到其稳定影响。

在分析死区对系统的影响时，具体在MATLAB环境下构建仿真模型如式（1）。图1为存在死区的系统响应输出情况，输出结果表明系统的响应速度受到死区的影响产生了一定的延时，一定程度上降低了系统的稳态精度和动静态特性，并且影响程度同死区宽度呈正比;死区在不同频率下对系统产生的影响也不同，频率与幅值成反比，同静差呈正比，静差越大则代表影响程度越明显[2]。

3 内模控制的设计

3.1 系统简化模型的构建

设计设计复杂高阶系统的内模控制器的难度较大，不利于理想控制效果的实现，因此本文对复杂系统进行模型简化处理，假设，延时时间

由L 表示等效模型的比例增益由k表示，积分时间常数由T 表示，具体采用的简化模型如下[3]。

通过 MATLAB建模仿真后对基于PID 控制、内模控制、模糊内模控制的控制性能进行对比，系统响应曲线如图4 所示。PID 控制虽速度快但超调量大，内模控制无超调量但调节效率低，模糊内模控制器相比之下表现出了更快的响应速度和更好的控制性能好，且超调量小，达到稳定值所需时间最短[11]。然后通过加入5% 的蒸汽扰动（在20 s处）以验证抗扰动性能，结果如图 5 所示，相比其他两种控制方法，模糊内模控制器超调量最小，能以系统误差及误差变化率为依据完成输出值的自适应调节，从使干扰得以有效抑制。

5 总结

传统对决汽轮机 DEH 控制系统采取的控制策略大多由于复杂程度高、涉及到的待整定参数繁多而限制了整体控制功能的有效实现，为满足复杂系统的控制要求，有效解决汽轮机 DEH 控制系统中非线性环节存在的问题，本文完成了模糊内模策略的构建和应用，显著降低了参数整定工作，在时设计流程得以显著简化的同时降低了计算过程的复杂程度，通过 MATLAB建模及仿真试验对比本文控制策略同其它方法的结果，证明了本文设计的模糊内模控制方案可快速达到设定值，能够对干扰影响进行有效抑制，具有较佳的动静态特性，具有较高的实际应用价值。

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（收稿日期： 2019.05.29）