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（天津陳塘熱電有限公司，天津 300223）  邢  軍 

邢軍（1961－）
男，高級工程師，工學碩士學位，專業(yè)為自動化控制。

1  引言

    電站鍋爐是一個典型的復(fù)雜熱工系統(tǒng)，從自控角度看鍋爐是一個多輸入、多輸出、非線性、相互關(guān)聯(lián)的較復(fù)雜的調(diào)節(jié)對象，其生產(chǎn)過程的自動控制應(yīng)該是多回路控制系統(tǒng)。在這些控制系統(tǒng)中，問題最大、應(yīng)用較困難的是燃燒控制系統(tǒng)，而保證鍋爐安全、經(jīng)濟運行的關(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，采用母管式運行方式，鍋爐為自然循環(huán)、高壓雙筒立式旋風爐，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)和送風系統(tǒng)存在較大的滯后和非線性。在控制系統(tǒng)中由于時滯所造成的困難人們早已認識到了，通常的解決辦法是加Smith預(yù)估器，但是在電力生產(chǎn)中由于運行條件和環(huán)境的原因，被控對象的特性會有一些不確定和不可預(yù)測的變化。而Smith預(yù)估器對模型又過于敏感，為了克服這些問題，筆者在陳熱三號爐燃燒自控系統(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、送風和主壓力三個子系統(tǒng)構(gòu)成，采用分布式控制方式，由一個上位機和三個現(xiàn)場控制站組成，三個子系統(tǒng)分別由三個現(xiàn)場控制站進行控制，在控制站的上一級設(shè)有工程師站，工程師站可監(jiān)視系統(tǒng)的運行情況同時可進行參數(shù)修改，工程師站和現(xiàn)場控制站之間用電纜以總線的方式連接組成網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場控制站采用工業(yè)控制機，完成控制和與上位機通信的功能。I/O接口部分采用智能遠程I/O模塊，對現(xiàn)場信號進行采集處理后以數(shù)字通信的方式傳送給工控機，同時將工控機輸出信號轉(zhuǎn)換成模擬量后送給現(xiàn)場儀表。為提高系統(tǒng)的抗干擾能力在現(xiàn)場信號和工控機之間加裝了WS系列隔離端子，用于信號隔離。

    2.1  三個子系統(tǒng)總體控制方案

    如圖1所示，考慮到四臺鍋爐并列運行和單獨運行兩種情況。母管壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)母管蒸汽壓力的變化對四臺鍋爐按規(guī)定的比例發(fā)出負荷增減信號NO1、NO2、NO3、NO4。如果要某臺鍋爐帶固定負荷或單臺爐運行，將母管壓力校正調(diào)節(jié)器送來的信號切除，而代之以運行人員確定的固定主汽壓力信號。鍋爐運行時，主汽壓力調(diào)節(jié)器輸入負荷要求的信號(SP或NO1)和主汽壓力信號Pz，其輸出作為燃料調(diào)節(jié)器的給定信號，燃料調(diào)節(jié)器接受燃料量信號，調(diào)節(jié)的目的使燃料量與負荷要求信號相適應(yīng)，同時用煙氣中的氧量信號作為送風量的校正信號解決燃料量與送風量準確配比問題。燃料量信號同時引進送風調(diào)節(jié)器使送風量與燃料量相適應(yīng)。

圖1  燃燒控制系統(tǒng)總體控制方案

    引風調(diào)節(jié)器主要接受爐膛負壓信號與給定值進行比較，去控制引風量，同時將送風信號引入作為引風調(diào)節(jié)器的前饋信號，來校正引風量落后于送風量的偏差，使引風隨著送風協(xié)調(diào)動作。

    當負荷發(fā)生變化時母管蒸汽壓力Pm暫時偏離給定值，使主調(diào)節(jié)器發(fā)出的負荷要求信號發(fā)生變化，通過主壓力調(diào)節(jié)器及燃料調(diào)節(jié)器改變四臺爐的燃料量，同時通過送風調(diào)節(jié)器改變送風量，并通過氧量調(diào)節(jié)器進行校正。送風量的變化引起爐膛負壓偏離給定值，再由引風調(diào)節(jié)器去改變引風量。調(diào)節(jié)結(jié)束時母管壓力恢復(fù)到給定值，主調(diào)節(jié)器輸出的負荷要求信號穩(wěn)定在一個新的數(shù)值上，爐膛負壓恢復(fù)到給定值，而燃料量和送風量都與新的負荷要求信號成比例。

    主汽壓力系統(tǒng)和送風系統(tǒng)均采用串級調(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，被控對象存在時滯，而且它的特性在負荷變化以及受到干擾時會發(fā)生變化，使用固定Smith預(yù)估器會因模型誤差造成控制系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。要想實時補償純滯后，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問題，其原理如圖2所示。

圖2  自適應(yīng)Smith預(yù)估器原理圖

    在被控對象的某一穩(wěn)定狀態(tài)，根據(jù)實驗初步確定被控對象的基本特性即放大系數(shù)K、時間常數(shù)T和滯后時間τ，然后可以得到一個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象相連。根據(jù)這些表征被控對象特性的參數(shù)合理確定調(diào)節(jié)器的比例增益等參數(shù)。但由于被控對象特性是隨著負荷變化而變化或受其它干擾因素的影響，并不能保持一個穩(wěn)定值，這時確定的參考模型與被控對象不再匹配。根據(jù)被控對象與參考模型輸出之間的偏差e、以及被控對象的輸出Y，自適應(yīng)律在線修改參考模犁的參數(shù)Km、Tm、τm使參考模型與實際被控對象重新匹配，并根據(jù)重新獲得的對象特征參數(shù)修改控制器的參數(shù)。因此采用這一方法能夠有效的實現(xiàn)受控對象的Smith預(yù)估控制，在克服被控對象時滯影響的同時使系統(tǒng)在不同的負荷下均得到良好的控制質(zhì)量。在主壓力系統(tǒng)和送風系統(tǒng)中假定被控對象為一個三階慣性加上一個滯后環(huán)節(jié)。

    2.3  系統(tǒng)構(gòu)成

    在本控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場控制站采用研華工控機完成控制和與上位機的通信功能。I/O接口部分采用研華4000系列智能遠程I/O模塊，對現(xiàn)場信號進行采集處理后以數(shù)字通信的方式傳送給主機，采用隔離“浮空”方式通信增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。I/O模塊與工控機之間采用RS-232標準進行通信。現(xiàn)場信號隔離全部采用WS系列隔離端子，它采用調(diào)制式變壓器隔離技術(shù)，能實現(xiàn)對輸入、輸出和電源二端的相互電隔離。

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

3  現(xiàn)場動態(tài)特性試驗

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

    對象特性參數(shù)由現(xiàn)場試驗獲得，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，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)變化前后一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)采集、顯示可得到對象的響應(yīng)曲線，然后設(shè)一組對象的基本特性參數(shù)通過離線自動尋優(yōu)得到一條與對象響應(yīng)曲線相吻合的理想曲線，從而得到被控對象的特性參數(shù)。這一過程可由現(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。

    在被控對象基本模型確定以后，將特性參數(shù)送入工具軟件，通過多變量尋優(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，此時對象模型的放大系數(shù)Kp=0.15，時間常數(shù)Tp=41.5s，通過優(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為對象模型在階躍擾動下的開環(huán)響應(yīng)曲線，曲線1為通過尋優(yōu)得到的對象模別的閉環(huán)響應(yīng)曲線。

圖3主壓力系統(tǒng)對階躍響應(yīng)的反應(yīng)曲線  

圖4主壓力系統(tǒng)的動態(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)投入自動后在兩次定值擾動下的響應(yīng)曲線

    圖6為主壓力系統(tǒng)投入自動后在兩次定值擾動下的響應(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，自動系統(tǒng)投入后取得了較好的效果。

    電力生產(chǎn)是一個相對復(fù)雜的過程，其生產(chǎn)中有許多控制問題，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)去處理這些問題將會有廣泛的市場前景。自適應(yīng)預(yù)估控制算法在燃燒控制系統(tǒng)中的應(yīng)用成功后不僅對于電力鍋爐，對其它行業(yè)也可提供參考和借鑒。

參考文獻
[1]  邢軍. 陳熱三號鍋爐燃燒自適應(yīng)控制系統(tǒng)[D]. 天津大學, 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, 陸會明, 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.