CN106369589A - 一种过热蒸汽温度的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种过热蒸汽温度的控制方法，所述方法采用由外环控制器和内环控制器构成的串级控制系统对锅炉过热蒸汽温度进行控制，所述外环控制器采用如下的MFA控制器：其中，u(k)为k时刻内环控制器的输入，θ₂(k)为k时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值，为系统的伪偏导数，l是步长序列；p是一个权重因子。本发明采用无模型自适应控制算法对锅炉过热蒸汽温度进行控制，该方法克服了传统控制方法依赖于被控对象的数学模型的缺点，能够保证热蒸汽温度的控制精度，提高火电厂的安全性和经济性。

Description

一种过热蒸汽温度的控制方法

技术领域

本发明涉及一种能够精确控制锅炉过热蒸汽温度的方法，适用于大型火电厂喷水减温过热系统，属于控制技术领域。

背景技术

近几年来，电力行业发展迅速，而火力发电仍旧占据着主要位置。过热蒸汽温度作为火电厂锅炉侧的一个重要运行参数，其控制质量将直接影响火电厂的安全性和经济性。然而，在过热蒸汽温度的控制过程中，由于其被控对象具有时变性、非线性等特点，并且温度控制本身容易受被控对象、环境等因素的影响，导致难以建立准确的数学模型，难以确定控制器的参数。而传统的控制手段，控制参数过多地依赖于工作人员的经验，使得生产成本增加而控制效果却不尽如人意。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种过热蒸汽温度的控制方法，以提高过热蒸汽温度的控制精度，进而提高火电厂的安全性和经济性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种过热蒸汽温度的控制方法，所述方法采用由外环控制器和内环控制器构成的串级控制系统对锅炉过热蒸汽温度进行控制，所述外环控制器采用如下的MFA(无模型自适应)控制器：

其中，u(k)为k时刻内环控制器的输入，u(k-1)为k-1时刻内环控制器的输入，θ₂(k)为k时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值，θ_r(k+1)是k+1时刻过热蒸汽温度系统的一个有界期望输出，为系统的伪偏导数，l(l∈(0,2))是步长序列；p是一个权重因子。

上述过热蒸汽温度的控制方法，所述系统的伪偏导数的估计值由下式求得：

其中，是k时刻系统伪偏导数的估计值，为k-1时刻系统的伪偏导数的估计值，Δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2)，Δθ₂(k)＝θ₂(k)-θ₂(k-1)，u(k-2)为k-2时刻内环控制器的输入，θ₂(k-1)为k-1时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值，α(α∈(0,2))是步长序列，β是权重因子。

上述过热蒸汽温度的控制方法，所述内环控制器采用P型副调节器。

本发明采用无模型自适应控制(Model Free Adaptive Control,MFAC)算法对锅炉过热蒸汽温度进行控制，该方法克服了传统控制方法依赖于被控对象的数学模型的缺点，能够保证热蒸汽温度的控制精度，提高火电厂的安全性和经济性。本发明利用系统的输入输出数据设计控制器，并将其应用到额定负荷为600MW的机组中，然后在MATLAB中分别对不同工况下的系统进行仿真，得到仿真曲线，将仿真结果与传统控制方案下的仿真结果作对比，表明该系统具有调节时间短、超调量小和抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为MFA控制器内部结构；

图2为基于MFAC的过热蒸汽温度控制系统原理图；

图3为360MW时系统响应曲线；

图4为450MW时系统响应曲线；

图5为600MW时系统响应曲线。

文中各符号为：θ₂(k)为k时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；θ₂(k-1)为k-1时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；u(k)为k时刻内环控制器的输入；u(k-1)为k-1时刻内环控制器的输入；u(k-2)为k-2时刻内环控制器的输入；θ_r是系统的一个有界期望输出；θ_r(k+1)是k+1时刻过热蒸汽温度系统的一个有界期望输出；为系统的伪偏导数；l(l∈(0,2))是步长序列；p是一个权重因子；θ⁰(k)是系统的真实输出；α(α∈(0,2))是步长序列；β是权重因子；ε是一个极小的正数；是k时刻系统伪偏导数的估计值；为k-1时刻系统伪偏导数的估计值；是的初值；ξ是常数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明针对现有燃煤锅炉过热蒸汽温度系统控制技术的不足，提供了一种基于无模型自适应控制(Model Free Adaptive Control,MFAC)算法的控制方法，该方法可以有效控制非线性、大时滞对象，是自动控制理论中一个全新的控制方法。它克服了传统控制方法依赖于被控对象数学模型的缺点，对系统的输入输出数据加以利用，形成合理的控制策略，具有控制精度高、稳定性强和调节时间短的优点。

MFA控制器的设计方法：

a.确定待控制的过热蒸汽温度系统：

θ₂(k+1)＝f(θ₂(k),θ₂(k-1),...,θ₂(k-n_θ),u(k),u(k-1),...,u(k-n_u)) (1)

其中θ₂(k)为k时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；θ₂(k+1)为k+1时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；θ₂(k-1)为k-1时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；θ₂(k-n_u)为k-n_u时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值；u(k)为k时刻内环控制器的输入；u(k-1)为k-1时刻内环控制器的输入；u(k-n_u)为k-n_u时刻内环控制器的输入；n_θ和n_u均为正整数。

关于此过热蒸汽温度系统有以下三种假设：

假设1：过热蒸汽温度系统是能观且可控的，即假设θ_r是系统(1)的一个有界期望输出，那么至少存在一个有界的输入u(k)使得系统的输出等于其期望输出。

假设2：f(...)关于系统当前的输入u(k)存在连续的偏导数。

假设3：过热蒸汽温度系统满足对于任意的k和Δu(k)≠0有|Δθ₂(k+1)|≤ξ|Δu(k)|，其中Δθ₂(k+1)＝θ₂(k+1)-θ₂(k)，Δu(k)＝u(k)-u(k-1)，ξ是常数。

b.求得系统的伪偏导数

且

c.引入一个输入的准则函数：

J(u(k))＝[θ_r(k+1)-θ₂(k+1)]²+p[u(k)-u(k-1)]² (3)

其中l(l∈(0,2))是步长序列，p是一个权重因子。

d.联立上述两式，对u(k)求导并令其解等于零可得：

e.求解系统的伪偏导数

①引入准则函数对加以限制：

其中θ⁰(k)是系统的真实输出。

②对式(5)中的进行求导并令其等于零，可得：

其中是k时刻系统伪偏导数的估计值，为k-1时刻系统伪偏导数的估计值，α(α∈(0,2))是步长序列，β是权重因子，ε是一个极小的正数，是的初值。

f.根据步骤d和e得到的控制律设计MFA控制器如图1所示：

①根据步骤e中得到的关于系统伪偏导数的估计值的计算公式，以k-1时刻的系统伪偏导数、k-1时刻内环控制器的输入、输入的变化以及输出量的变化作为输入，得到k时刻系统伪偏导数的估计值

②根据步骤d得到的关于控制量u(k)的计算公式，以k-1时刻内环控制器的输入、k时刻系统的伪偏导数、输出量以及k+1时刻的期望输出作为输入量，经过一系列计算便可以得到k时刻内环控制器的输入u(k)了。

g.设计基于MFAC的过热蒸汽温度控制系统如图2所示：

MFAC是在串级控制的基础上进行改进得到的，仍旧保持串级控制的基本结构，仅仅是将外环控制器改为MFA控制器，内环仍旧采用P型副调节器，在本文中，将内环控制器作为一个广义的过热蒸汽温度的被控对象来进行控制。

将额定负荷为600MW的某电厂过热蒸汽温度控制系统作为仿真对象，结合相近工况下的运行数据对导前区、惰性区的被控对象辨识，建立传递函数，如下表所示。

根据MFAC算法得到的控制律，得到MFA控制器的内部结构如图1所示，那么在保持串级控制的一般结构的基础上，设计出一个以MFA控制器为主调节器的控制系统如图2所示。

图1中的Z^-1是一个滞后模块，其功能就是求取前一刻的数据；图2中的θ₁(k+1)是导前区的过热蒸汽温度输出值。

对上述控制系统在三种工况下进行仿真，在t＝500s时，温度的设定值从540℃阶跃上升到545℃，PID控制器和MFA控制器的控制效果对比如图3、图4、图5中的(a)所示。在t＝2500s时，减温水流量阶跃上升2t/h，得到仿真曲线如图3、图4、图5中的(b)所示。

以上实施例仅为本发明的一个示例性实施例，不用于限制本发明的其它实施方式。

Claims (3)

1.一种过热蒸汽温度的控制方法，其特征是，所述方法采用由外环控制器和内环控制器构成的串级控制系统对锅炉过热蒸汽温度进行控制，所述外环控制器采用如下的MFA控制器：

其中，u(k)为k时刻内环控制器的输入，u(k-1)为k-1时刻内环控制器的输入，θ₂(k)为k时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值，θ_r(k+1)是k+1时刻过热蒸汽温度系统的一个有界期望输出，为系统的伪偏导数，l(l∈(0,2))是步长序列；p是一个权重因子。

2.根据权利要求1所述的一种过热蒸汽温度的控制方法，其特征是，所述系统的伪偏导数的估计值由下式求得：

其中，是k时刻系统伪偏导数的估计值，为k-1时刻系统的伪偏导数的估计值，Δu(k-1)＝u(k-1)-u(k-2)，Δθ₂(k)＝θ₂(k)-θ₂(k-1)，u(k-2)为k-2时刻内环控制器的输入，θ₂(k-1)为k-1时刻过热蒸汽温度系统惰性区的输出值，α(α∈(0,2))是步长序列，β是权重因子。

3.根据权利要求1或2所述的一种过热蒸汽温度的控制方法，其特征是，所述内环控制器采用P型副调节器。