CN105138041A - 一种用于dcs实现的火电机组主汽温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法，其采用了DCS系统常规的组态模块巧妙而方便地构造了惰性区的模型结构，通过试验参数的确定，可使模型正确地反映出主蒸汽温度的被控对象的大迟延、大惯性和时变性的特性；经过模型计算便于史密斯预估控制更加精准的进行控制。

Description

一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法

技术领域

本发明涉及用于大型火电机组主蒸汽温度的自动调节系统，具体涉及一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法。

背景技术

主蒸汽温度控制系统是保证大型火电机组安全运行、提高机组热效率的重要调节系统，而实现主蒸汽温度具有良好品质的自动调节一直是机组自动控制领域的一个难以解决的问题，其主要是因为火电机组中的主汽温度被控对象具有大迟延、大惯性和时变性的特点。目前，国、内外大部分火电机组的主蒸汽温度控制仍然采用传统的PID串级调节和具有导前微分的控制结构，并在此基础上为克服主汽温度的大迟延性，采用了Smith预估控制技术，以提高控制效果。但是由于Smith预估控制对模型的精度要求高，特别是对模型的纯迟延参数的精度要求更高，对于具有时变性的大迟延对象(主汽温度控制对象)难以获得全局上的稳定性，难以达到理想效果。同时，利用现有的各DCS系统的控制模块，难以线性地实现对被控对象纯迟延特性的构造，更难以对其具有动态时变性的构造。因此，对于主蒸汽温度的大迟延、大惯性、时变性的被控对象，能够利用DCS系统的模块建立一个与被控对象相同结构的大迟延、大惯性、时变性的模型，是能够有效实现Smith预估控制的关键环节。

机组主蒸汽温度控制的热力系统的整个控制对象可划分为两个部分：对象导前区G₁(s)和对象惰性区G₂(s)。这两部分串联组成对象控制通道G(s)。对象的导前区和惰性区都是具有大惯性且具有自平衡能力的对象，对象的惰性区同时还具有大迟延性，其建模的复杂性要比惯性区大得多。

由于对象的惰性区是具有惯性和大迟延的有自平衡对象，因此现有技术中其传递函数为：

$G_2\left(s\right)=\frac{K_2}{T_{2}s+1}{e}^{-\mathrm{\τ}s}--------\left(1\right)$

K₂和T₂分别是惰性区模型的放大系数和惯性时间，τ为其纯迟延时间。

式(1)中的纯延迟时间难以在DCS上实现，并无法实现其可变性和自动调整。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种针对大延迟、大惯性和时变性的复杂被控对象的用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法。

本发明针对其技术问题采用的技术方案为：

一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法，其特征在于，对象惰性区的模型结构为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{{(\frac{\mathrm{\τ}}{n}s+1)}^n},$

其中，τ为纯迟延时间，n为阶数。

进一步的，本发明的控制方法过程如下：

①温度设定值传递至PID控制器；

②根据PID控制器的信号进行燃料量前馈；

③经步骤②操作后的主蒸汽，经减温水执行机构和调门的传递函数K_μ计算后，传递至对象导前区G₁(s)，得到温度测点信号θ₂；

④步骤③θ₂经放大系数K₂计算后，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑤步骤③θ₂经放大系数K₂计算后，进入所述G₂(s)的模型计算，结合主蒸汽流量f(x)调节，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑥步骤③θ₂进入对象惰性区G₂(s)，得到主蒸汽温度θ₁，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

步骤④和⑤所述放大系数K₂通过对惰性区进行特性试验确定；

步骤⑤主蒸汽流量f(x)为机组在不同负荷下对应的的函数，具体为P，其中P为机组功率；

更进一步的，对于DCS系统中的一阶惯性环节，若其惯性时间T不可动态调整，则对DCS组态时以常规的积分环节进行变换，方法为：在原有惯性环节钱加一个积分环节，改变积分时间比原有逻辑。

本发明的发明构思为：

对于传统的惰性区传递函数：

$G_2\left(s\right)=\frac{K_2}{T_{2}s+1}{e}^{-\mathrm{\τ}s}-------\left(1\right)$

考虑多个一阶惯性环节串联时动态特性，一阶惯性时表征对象不够精准，随着阶数的增多，才能越来越表征对象的精确性，具体见图2。

仿真和计算表明，n从1逐渐增加时，n个时间常数为的一阶惯性环节对输入x₀为单位阶跃变化时的响应x_n逐渐向一个纯迟延为τ加上一个一阶惯性环节的过程响应曲线转变，即：

$\frac{1}{{(\frac{\mathrm{\τ}}{n}s+1)}^n}\≈\frac{1}{T_{2}s+1}{e}^{-\mathrm{\τ}s}-----------\left(2\right)$

式(2)表明，可用多阶相同时间常数的一阶对象的串联线性地表征汽温控制中惰性区的大惯性、大迟延性的特性，由于其基本实现单元为一阶惯性环节而大多数DCS系统组态中的一阶惯性模块的时间常数都是动态可调的。由式(2)还表明，通过一阶惯性环节的一个参数的改变(即时间常数)，就会使惰性区模型的惯性时间T₂和纯迟延时间τ都相应地发生改变，因此，式(2)为实现模型的自适应控制奠定了基础。

本发明的积极效果在于：

1)本发明采用了DCS系统常规的组态模块巧妙而方便地构造了惰性区的模型结构，通过试验参数的确定，可使模型正确地反映出主蒸汽温度的被控对象的大迟延、大惯性和时变性的特性；经过模型计算便于史密斯预估控制更加精准的进行控制；

2)模型结构具有对其惯性时间和纯迟延时间动态可调的特点，使模型具有时变性，以此形成的调节系统具有模型变化的自适应性，使调节的鲁棒性得到增强；

3)燃料量作为前馈信号，以提高燃料扰动时主汽温度调节的及时性；

4)导前温度信号采用实际的温度测点信号，并与模型的校正作用相结合形成了主汽温调节的预估控制，同时也避免了对惯性区对象在模型使用中出现的时变性和不确定性。

5)该方法非常适用于主汽温控制系统中存在大干扰、大延迟、时变性、不确定性和非线性的复杂热工对象，通过PID参数的整定，方便地实现了主蒸汽温度的先进的自动控制。

6)该方法易于在工业分散控制系统DCS中实现，可有效地提高机组主蒸汽温度的调节品质，提高机组运行的经济性和安全性，具有可观的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的控制方法的实现方框图；

图2一阶惯性环节串联式动态特性示意图；

图3为以常规的积分环节实现一阶惯性环节的方法示意图；

附图中，W_c(s)为PID控制器，K_μ为减温水执行机构和调门的传递函数，θ₂为温度测点信号，K₂为放大系数，f(x)为机组在不同负荷下所对应的的函数。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图和具体实施方式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-3所示，一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法，过程如下：

①温度设定值传递至PID控制器；所述PID控制器为DCS可实现的常规PID控制器，如上海新华控制技术有限公司的XDPS400+型号；

②根据PID控制器的信号进行燃料量前馈；燃料量作为前馈信号，以提高燃料扰动时主汽温度调节的及时性；

③经步骤②操作后的主蒸汽，经减温水执行机构和调门的传递函数K_μ计算后，传递至对象导前区G₁(s)，得到惯性区减温器后的实际温度测点信号θ₂；信号θ₂在动态模型环节的修正下作为预估信号进行反馈，具体如步骤④、⑤和⑥；

④θ₂经惰性区被控对象的放大系数K₂计算后，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑤θ₂经放大系数K₂计算后，进入所述G₂(s)的模型计算，对象惰性区的模型结构为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{{(\frac{\mathrm{\τ}}{n}s+1)}^n},$

其中，τ为纯迟延时间，n为阶数；

结合主蒸汽流量f(x)调节，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑥θ₂进入对象惰性区G₂(s)，得到主蒸汽温度θ₁，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；步骤④和⑤所述放大系数K₂通过对惰性区进行特性试验确定；

步骤⑤主蒸汽流量f(x)为机组在不同负荷下对应的的函数，具体为P，其中P为机组功率；

对于DCS系统中的一阶惯性环节，若其惯性时间T不可动态调整，则对DCS组态时以常规的积分环节进行变换，方法为：在原有惯性环节钱加一个积分环节，改变积分时间比原有逻辑，见图3，为现有的惯性时间。

根据上述方法对主汽温度进行调节，同时可实现负荷升降、主汽温度设定的调节，主汽温度的最终出口调节手段通过作用到减温水调门上，经喷水进行调节。

为了更便于理解，申请人假定导前区的传递函数为：

$W_{02}\left(s\right)=\frac{8}{{(1+15s)}^2};$

惰性区的传递函数为：

$W_{01}\left(s\right)=\frac{1.125}{{(1+25S)}^3};$

过热器蒸汽温度测量变送器的传递函数为γ₀₁＝γ₀₂＝0.1mA/℃；

执行机构和减温水调节阀门的传递函数K₂K_μ＝1。

Claims (3)

1.一种用于DCS实现的火电机组主汽温度的控制方法，其特征在于，对象惰性区的模型结构为：

$G_2\left(s\right)=\frac{1}{{(\frac{\mathrm{\τ}}{n}s+1)}^n},$

其中，τ为纯迟延时间，n为阶数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，过程如下：

①温度设定值传递至PID控制器；

②根据PID控制器的信号进行燃料量前馈；

③经步骤②操作后的主蒸汽，经减温水执行机构和调门的传递函数K_μ计算后，传递至对象导前区G₁(s)，得到温度测点信号θ₂；

④步骤③θ₂经放大系数K₂计算后，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑤步骤③θ₂经放大系数K₂计算后，进入所述G₂(s)的模型计算，结合主蒸汽流量f(x)调节，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

⑥步骤③θ₂进入对象惰性区G₂(s)，得到主蒸汽温度θ₁，反馈至步骤①，进入下一轮控制调节；

步骤④和⑤所述放大系数K₂通过对惰性区进行特性试验确定；

步骤⑤主蒸汽流量f(x)为机组在不同负荷下对应的的函数。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，对于DCS系统中的一阶惯性环节，若其惯性时间T不可动态调整，则对DCS组态时以常规的积分环节进行变换，具体方法为：在原有惯性环节钱加一个积分环节，改变积分时间比原有逻辑。