CN102563598A - 超临界机组锅炉主控优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，在所述前馈控制支路引入惯性环节F(s)和滞后环节y₁取代原系统随机设定主汽压力输入值y_sp修正函数M_y(s)；所述滞后环节y₁输入信号由F(s)环节提供，滞后环节y₁输出参考信号y_f作用于闭环控制环节的输入端；另外将原锅炉主控系统前馈控制支路传递函数M_u(s)优化为压力补偿传递函数M_f(s)，满足原锅炉主控系统前馈函数u_ff变参数运行，所述u_ff与y_f一同作用于闭环控制环节并对后续执行机构进行控制从而建立对锅炉的主控控制；本发明的有益效果是：确保AGC指令大幅变动时，锅炉主控能够快速、准确的输出指令到燃料主控和给水主控，从而保证主汽压力的控制效果，进而确保负荷的响应特性，提高了机组的控制品质和经济性指标。

Description

超临界机组锅炉主控优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种优化控制方法，尤其涉及一种超临界机组锅炉主控优化控制方法。

背景技术

随着材料技术的发展和节能要求的不断提高，超临界及超超临界机组在国内电源建设中得到了越来越广泛的应用。现今，大容量机组由于宏观因素的影响，皆采用变负荷运行，进行调频、调峰，每天负荷变化范围很大。随着社会经济与科技的发展，电网容量越来越大，对电能的品质也要求越来越高，为了电网的安全稳定运行，各大型火电机组都要求投入AGC功能，要求AGC控制机组的负荷范围大(一般要求50％-100％额定负荷)，并且要求机组具备快速、准确、稳定的响应负荷变化需求。

超临界机组采用直流炉，区别于传统亚临界汽包炉，其工艺流程与对象特性发生了较大变化。超临界机组的运行稳定性和经济性强烈地依赖于高性能的控制系统。和常规亚临界机组相比，超临界机组的动态特性复杂，主要表现为：

(1)动态特性随负荷大范围变化，呈现很强的非线性特性和变参数特性；尤其是为了适应调峰的需要，超临界机组常采用复合变压运行，这样就意味着超临界机组实际上也要在亚临界区运行，由于亚/超临界区工质物性的巨大差异，使得超临界机组在亚/超临界区转换时的动态特性的差异尤为显著；

(2)直流锅炉由于没有汽包，具有一次性通过特性，工质流和能量流相互耦合，使机组的主要控制参数功率、压力、温度均受到了汽机调门开度、燃料量、给水量的影响，从而在各个控制回路，如给水、汽温及负荷控制回路之间存在着很强的非线性耦合，机、炉之间牵连严重；

(3)蓄热较小，对外界的扰动响应较快，易于发生超温超压，尤其是在机组大范围负荷变化时容易出现。

目前，超临界机组在投入AGC时，一般而言协调控制方式为汽轮机侧进行负荷控制，为单回路系统，比较简单；锅炉侧控制压力涉及因素较多，为保证压力、温度等参数合适，通常通过引入主汽压力前馈，提前使锅炉主控输出发生变化，从而加快控制速度。锅炉主控逻辑如图1所示。概括来说，前馈原理图如图2所示。这种前馈控制方法存在问题在于，为了减小被控对象的超调量，需要适当的控制系统参数，有时会降低系统输出对设定值的响应速度，否则超调量会大。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种新的可有效加快反应速度，提高机组运行稳定性的超临界机组锅炉主控优化控制方法。它具有有效减少控制的超调量，提高机组运行稳定经济性的优点。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，它通过对锅炉主汽压力测量值和主汽压力设定值进行比较，经主控控制的闭环控制环节和锅炉主控系统前馈控制支路对锅炉运行进行控制，在所述前馈控制支路引入惯性环节F(s)和滞后环节y₁取代原系统随机主汽压力设定输入值y_sp修正函数M_y(s)；所述滞后环节y₁输入信号由F(s)环节提供，滞后环节y₁输出参考信号y_f作用于闭环控制环节的输入端；另外将原锅炉主控系统前馈控制支路传递函数M_u(s)优化为压力补偿传递函数M_f(s)，满足原锅炉主控系统前馈函数u_ff变参数运行，所述u_ff与y_f一同作用于闭环控制环节并对后续执行机构进行控制从而建立对锅炉的主控控制。

所述闭环控制环节位于前向通道内，包括一个PID调节环节，PID调节环节的输出量与M_f(s)环节输出量u_ff相比较得到的值作为执行机构P(s)的输入量，P(s)的输出值作为锅炉主控系统总输出量的同时，还以负反馈的方式与y_f相比较，得到的偏差值作为PID调节环节的输入量。

所述P(s)为执行机构的函数化，现场实际的执行机构主要包括：气动、电动和液动执行机构，其执行指令过程中存在一个周期过程，即存在延迟和惯性，执行结构表示为

为一阶惯性滞后环节，因此函数表示为

式中K＝1，K为比例增益，L根据实际输出延迟时间确定。

所述M_u(s)环节为前馈控制支路的传递函数；所述滞后环节y₁，其最终稳态值为y_sp输入值；所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ。

所述M_y(s)环节为主汽压力设定值修正函数，对主汽压力设定值进行修正。

所述M_f(s)为优化后前馈控制支路的传递函数，u_ff为该函数的最终输出值。

即M_f(s)＝u_ff/y_sp。

所述F(s)环节由公式

确定，为一个惯性环节，其原因是现场系统设定值发生改变时，其在工作系统内部是一个渐变的过程，存在延迟和滞后的过程；式中的参数K、L与公式P(s)函数中的值一致。

所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ，则在控制方法中，前馈u_ff表示如下：

$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}=\frac{y_1/K}{1-e^{-\mathrm{\&tau;}/T}}$

当时间t小于τ值时，u_ff(t)等于

当时间t大于等于τ时，u_ff(t)等于

这样就实现在设定值变化初期，前馈值较大，后期较小，从而能够实现系统前期反映迅速而后期趋于设定值时不至于产生大的超调量。

所述的负反馈反馈系数为-1。

所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，所述方法的实施步骤是：

1)根据被控系统输出执行机构特性，确定函数P(s)，主要包括：气动、电动和液动执行机构，表示为

K＝1，K为比例增益，L根据实际输出延迟确定；

2)由公式 $u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$ 和

确定出u_ff(t)；所述y₁为滞后环节，其最终稳态值为y_sp输入值；所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ。所述τ取值区间为0＜τ＜1；

3)确定M_f(s)＝u_ff/y_sp；所述y_sp取值区间为17≤y_sp≤25。

4)由公式 $F\left(s\right)=\frac{{K\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}$ 确定F(s)；

5)将步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)各函数带入到原锅炉主控系统中整合，对原锅炉主控系统前馈函数u_ff进行变参数运行，即将原有的由y_sp提供输入量的M_u(s)环节替换为由y_sp提供输入量的M_f(s)环节，同时用引入的参考信号y_f替换原锅炉主控系统M_y(s)环节，所述参考信号y_f是由滞后环节y₁提供，y₁环节输入信号由F(s)环节提供，F(s)环节输入量由y_sp提供。

6)对PID参数进行微调。

为了处理系统运行中的偏差以及不可避免的扰动，闭环负反馈控制是必须的，也就是我们常用的PID控制方法。因此一个合适的参考信号y_f必须提取出来，具体函数化为

$F\left(s\right)=\frac{K{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}$

为了处理系统运行中的偏差以及不可避免的扰动，闭环负反馈控制是必须的，也就是我们常用的PID控制方法。同时，为了减小被控对象的超调量，加快系统输出对设定值的响应速度，必须设计出合适的参考信号u_ff和y_f。

这种方法从根本来说，就是一种变前馈方案：在设定值变动初期采用较大的前馈值，后期采用较小的前馈值，从而使系统的反应速度加快，超调量减小。

采用改进后的前馈控制方法，锅炉主控输出送到给水主控和燃料主控去，进行协调控制，确保了压力的有效跟随，压力超调量大大减小，进而保证AGC方式时负荷的快速、准确响应，以及温度等参数的稳定。

本发明的有益效果是：本发明采用改进前馈控制策略优化锅炉主控的方法，确保AGC指令大幅变动时，锅炉主控能够快速、准确的输出指令到燃料主控和给水主控，从而保证主汽压力的控制效果，进而确保负荷的响应特性，提高了机组的控制品质和经济性指标。

附图说明

图1为锅炉主控逻辑示意图；

图2为常规前馈控制原理图；

图3前馈控制优化原理图；

图4采用前馈优化控制方式后试验曲线。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

图1为锅炉主控逻辑示意图：

主汽压力偏差经过函数F(x)修正后生成两路前馈信号：一路相当于比例作用，幅值直接输出到锅炉主控上；另一路为信号减去其滞后环节(LAG)的值，相当于实际微分作用。

图2为常规前馈控制原理图：

图中M_u(s)为前馈控制支路的传递函数；M_y(s)为设定值修正函数，对设定值进行修正；P(s)为执行机构的函数化。

图3前馈控制优化原理图：

一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，它包括原锅炉主控控制的闭环控制环节和与之连接的前馈控制支路，前馈控制支路输入端信号为y_sp，前馈控制支路输出量u_ff与锅炉主控控制方法中的闭环控制环节连接，所述闭环控制环节的输入端引入一个参考信号y_f，引入的参考信号y_f替换原锅炉主控系统M_y(s)环节的输出量成为闭环系统前向通道的输入量；所述参考信号y_f是由y₁环节提供，y₁环节输入信号由F(s)环节提供，F(s)环节输入量也是由y_sp提供得到；所述前馈控制支路输出量u_ff为变参数运行的输出量，即将原有的由y_sp提供输入量的M_u(s)环节替换为由y_sp提供输入量的压力补偿传递函数M_f(s)环节，所述u_ff与y_f一同作用于闭环系统上，y_f成为闭环系统前向通道的输入量，u_ff成为闭环系统前向通道前馈输入量。

闭环控制环节位于前向通道内，包括一个PID调节环节，PID调节环节的输出量与M_f(s)环节输出量u_ff相叠加得到的值作为P(s)的输入量，P(s)的输出值作为锅炉主控系统总输出量的同时，还以负反馈的方式与y_f相比较，得到的偏差值作为PID调节环节的输入量。

P(s)为执行机构的函数化，现场实际的执行机构主要包括：气动、电动和液动执行机构，其执行指令过程中存在一个周期过程，也就是说存在一定的延迟和惯性，执行结构表示为

为一阶惯性滞后环节，因此函数表示为

式中K＝1，L根据实际输出延迟时间确定；K为比例增益，L根据实际输出延迟时间确定。

M_u(s)环节为前馈控制支路的传递函数；所述y₁环节为滞后环节，其最终稳态值为y_sp的输入值。

M_y(s)环节为主汽压力设定值修正函数，对主汽压力设定值进行一定的修正。

M_f(s)为优化后前馈控制支路的传递函数，u_ff为该函数的最终输出值。

即M_f(s)＝u_ff/y_sp。

F(s)环节由公式

确定，为一个惯性环节，其原因是现场系统设定值发生改变时，其在工作系统内部是一个渐变的过程，存在延迟和滞后的过程；式中的参数K、L与公式P(s)函数中的值一致。

y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ，则在控制方法中，前馈u_ff表示如下：

$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}=\frac{y_1/K}{1-e^{-\mathrm{\&tau;}/T}}$

当时间t小于τ值时，u_ff(t)等于

当时间t大于等于τ时，u_ff(t)等于

这样就实现在设定值变化初期，前馈值较大，后期较小，从而能够实现系统前期反映迅速而后期趋于设定值时不至于产生大的超调量。

所述的负反馈反馈系数为-1。

所述方法的实施步骤是：

1)根据被控系统输出执行机构特性，确定函数P(s)，主要包括：气动、电动和液动执行机构，表示为

K为比例增益，L根据实际输出延迟确定；其中，由于实际设备输出存在延迟和惯性，故P(s)可表示为

$P\left(s\right)=\frac{K}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}---\left(1\right)$

2)前馈u_ff表示如下：

由公式 $u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$ 和

确定出u_ff(t)；所述y₁为滞后环节，其最终稳态值为y_sp的输入值；所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ。所述τ取值区间为0＜τ＜1。

3)确定M_f(s)＝u_ff/y_sp；所述y_sp取值为24。

4)由公式 $F\left(s\right)=\frac{{K\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}$ 确定F(s)；

5)将步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)各函数带入到原锅炉主控系统中整合，对原锅炉主控系统前馈函数u_ff进行变参数运行，即将原有的由y_sp提供输入量的M_u(s)环节替换为由y_sp提供输入量的M_f(s)环节，同时用引入的参考信号y_f替换原锅炉主控系统M_y(s)环节，所述参考信号y_f是由滞后环节y₁提供，y₁环节输入信号由F(s)环节提供，F(s)环节输入量由y_sp提供。

6)对PID参数进行微调。

为了处理系统运行中的偏差以及不可避免的扰动，闭环负反馈控制是必须的，也就是我们常用的PID控制方法。因此一个合适的参考信号y_f必须提取出来，具体函数化为

$P\left(S\right)=\frac{K{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}$

这种方法从根本来说，就是一种变前馈方案：在设定值变动初期采用较大的前馈值，后期采用较小的前馈值，从而使反应速度加快，超调量减小。

采用改进后的前馈控制方法，锅炉主控输出送到给水主控和燃料主控去，进行协调控制，确保了压力的有效跟随，并且超调量减小，进而保证AGC方式时负荷的快速、准确响应，以及温度等参数的稳定。

图4为采用前馈优化控制方式后试验曲线。其中，1为压力设定值，2为压力实时值，3为锅炉主控指令值，4为给水流量测量值，5为总燃料量测量值。从图中可以看出，由锅炉主控生成的锅炉主控指令值去调整给水和燃料，使其协调、可靠、及时的动作，从而确保压力实时值紧密跟随压力设定值变化趋势。

通过前馈控制的优化，机组负荷控制较未采用前提高了主汽压力的有效跟随性，进而保证AGC方式时负荷的快速、准确响应，以及温度等参数的稳定。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，它通过对锅炉主汽压力测量值和主汽压力设定值进行比较，经主控控制的闭环控制环节和锅炉主控系统前馈控制支路对锅炉运行进行控制，其特征是，在所述前馈控制支路引入惯性环节F(s)和滞后环节y₁取代原系统随机设定主汽压力输入值y_sp修正函数M_y(s)；所述滞后环节y₁输入信号由F(s)环节提供，滞后环节y₁输出参考信号y_f作用于闭环控制环节的输入端；另外将原锅炉主控系统前馈控制支路传递函数M_u(s)优化为压力补偿传递函数M_f(s)，满足原锅炉主控系统前馈函数u_ff变参数运行，所述u_ff与y_f一同作用于闭环控制环节并对后续执行机构进行控制从而建立对锅炉的主控控制。

2.如权利要求1所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述闭环控制环节位于前向通道内，包括一个PID调节环节，PID调节环节的输出量与M_f(s)环节输出量u_ff相比较得到的值作为执行机构P(s)的输入量，P(s)的输出值作为锅炉主控系统总输出量的同时，还以负反馈的方式与y_f相比较，得到的偏差值作为PID调节环节的输入量。

3.如权利要求2所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述P(s)为执行机构的函数化，现场实际的执行机构主要包括：气动、电动和液动执行机构，其执行指令过程中存在一个周期过程，即存在延迟和惯性，执行结构表示为

为一阶惯性滞后环节，因此函数表示为

式中K＝1，K为比例增益，L根据实际输出延迟时间确定。

4.如权利要求1所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述M_u(s)环节为前馈控制支路的传递函数；所述滞后环节y₁，其最终稳态值为y_sp输入值；所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ。

5.如权利要求1所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述M_y(s)环节为主汽压力设定值修正函数，对主汽压力设定值进行修正。

6.如权利要求2所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述M_f(s)为优化后前馈控制支路的传递函数，u_ff为该函数的最终输出值；

即M_f(s)＝u_ff/y_sp。

7.如权利要求1或2或3所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述F(s)环节由公式

确定，为一个惯性环节，其原因是现场系统设定值发生改变时，其在工作系统内部是一个渐变的过程，存在延迟和滞后的过程；式中的参数K、L与公式P(s)函数中的值一致。

8.如权利要求1所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ，则在控制方法中，前馈u_ff表示如下：

$u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$

表示为：

${\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}=\frac{y_1/K}{1-e^{-\mathrm{\&tau;}/T}}$

当时间t小于τ值时，u_ff(t)等于

当时间t大于等于τ时，u_ff(t)等于

这样就实现在设定值变化初期，前馈值较大，后期较小，从而能够实现系统前期反映迅速而后期趋于设定值时不至于产生大的超调量。

9.如权利要求1所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述的负反馈反馈系数为-1。

10.如权利要求1到9的任意一项所述的一种超临界机组锅炉主控优化控制方法，其特征是，所述方法的实施步骤是：

1)根据被控系统输出执行机构特性，确定函数P(s)，主要包括：气动、电动和液动执行机构，表示为

K＝1，K为比例增益，L根据实际输出延迟确定；

2)由公式 $u_{\mathrm{ff}}\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}& t<\mathrm{\&tau;}\\ \frac{y_1}{K}& t\&GreaterEqual;\mathrm{\&tau;}\end{array}\right.$ 和

确定出u_ff(t)；所述y₁为滞后环节，其最终稳态值为y_sp输入值；所述y_sp为系统随机的主汽压力设定值；设定值y_sp变化由原始值y₀变化至最终输入值y₁所需时间间隔为τ；

3)确定M_f(s)＝u_ff/y_sp；

4)由公式 $F\left(s\right)=\frac{{K\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}$ 确定F(s)；

5)将步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)各函数带入到原锅炉主控系统中整合，对原锅炉主控系统前馈函数u_ff进行变参数运行，即将原有的由y_sp提供输入量的M_u(s)环节替换为由y_sp提供输入量的M_f(s)环节，同时用引入的参考信号y_f替换原锅炉主控系统M_y(s)环节，所述参考信号y_f是由滞后环节y₁提供，y₁环节输入信号由F(s)环节提供，F(s)环节输入量由y_sp提供；

6)对PID参数进行微调；

为了处理系统运行中的偏差以及不可避免的扰动，闭环负反馈控制是必须的，也就是我们常用的PID控制方法；因此一个合适的参考信号y_f必须提取出来，具体函数化为

$F\left(s\right)=\frac{{K\stackrel{\&OverBar;}{u}}_{\mathrm{ff}}/y_1}{\mathrm{Ts}+1}{e}^{-\mathrm{Ls}}.$

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