CN108919642A - 一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法 - Google Patents

一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法。该方法首先用两个PI控制器与汽包锅炉机组负荷被控对象构成炉跟机协调控制系统；然后用机组功率和主汽压力的偏差及其相应的偏差变化率，构建新型优化性能指标，该性能指标以功率偏差及偏差变化率项作为分子，以主汽压力偏差及偏差变化率项作为分母，可使优化系统在外界负荷需求改变时，能通过改变主汽压力，利用锅炉蓄热来满足负荷变化需求；最后根据该新型性能指标，采用遗传算法优化两个PI控制器的参数。采用本发明可使协调控制系统能充分利用锅炉蓄热，有效提高机组的负荷响应速度；通过指标中的权系数，方便、有效地调整协调控制系统主汽压力的动态偏差，有利于工程实际应用。

Description

一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法。
背景技术
汽包锅炉机组协调控制的基本任务是，使机组尽可能快地响应电网的负荷需求，同时保证机组主汽压力偏差在安全范围内。由于汽机的动态特性较快而锅炉的动态特性较慢，控制过程中如果不能充分利用锅炉的蓄热，很难提高机组的功率响应速度。
汽包锅炉机组负荷控制普遍采用由PI(比例积分)控制器构成的炉跟机协调控制系统，即通过汽机调门控制功率，通过锅炉燃烧率控制主汽压力。公开报道的控制器参数优化整定方法一般基于如下形式的优化性能指标：通过调整权系数α的取值可改变利用锅炉蓄热的程度，进而影响机组的负荷响应速度。但是，由于炉跟机协调控制方式的限制，以及被控对象动态特性自身的特点，权系数α对机组负荷响应速度的影响能力是有限的，基于该性能指标优化的控制系统不能充分利用锅炉的蓄热，因而机组负荷的响应速度也受到了限制，影响了协调控制系统的性能。
发明内容
发明目的：本发明提供一种可提高机组负荷响应速度并可方便、有效调整主汽压力动态偏差的炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法。
技术方案：本发明提供了一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，具体包括以下步骤：
(1)用两个比例积分控制器PI1和PI2与汽包锅炉机组负荷被控对象构成炉跟机协调控制系统；
(2)采用机组功率和主汽压力的偏差及其相应的偏差变化率，构建新型优化性能指标；
(3)设置PI1和PI2两个控制器参数的优化搜索范围；
(4)根据步骤(2)的优化性能指标，采用遗传算法优化两个PI控制器的参数。
步骤(1)所述的炉跟机协调控制系统中：
PI1为机侧控制器，其传递函数为D1(s)：
PI2为炉侧控制器，其传递函数为D2(s)：
其中，s为复数域内的复变量，KP1和KP2为比例系数，KI1和KI2为积分系数。
步骤(2)所述的新型优化性能指标通过以下公式获得：
其中，eNe(t)为功率偏差，等于机组功率与其设定值之差，ePt(t)为主汽压力偏差，等于主汽压力与其设定值之差，ceNe(t)、cePt(t)分别为功率和主汽压力的偏差变化率，λ1和λ2为权系数。
步骤(3)所述的的PI1和PI2两个控制器参数的优化搜索范围为：
KP1、KP2∈(0,10)；
KI1、KI2∈(0,1)。
所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)通过对步骤(1)的控制系统进行仿真，采用步骤(2)的新型性能指标计算遗传算法适应度函数值f：
其中，k为仿真中的采样时刻，N为正整数，eNe(k)、ePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的偏差，ceNe(k)、cePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的变化率；
(42)采用遗传算法优化控制器参数KP1、KP2、KI1和KI2
以KP1、KP2、KI1和KI2四个变量作为个体建立种群，计算种群中每个个体对应的适应度函数值，采用遗传算法在步骤(3)设置的范围内进行迭代寻优计算，优化后种群中适应度函数值最大的个体即为PI1和PI2两个控制器参数KP1、KP2、KI1和KI2的优化整定值。
所述性能指标公式中权系数λ1和λ2的取值可调整主汽压力的动态偏差。
有益效果：与现有技术相比本发明的有益效果为：1、采用本发明可使协调控制系统充分利用锅炉蓄热，有效提高机组负荷响应速度；2、通过改变性能指标中权系数的取值，可方便、有效地调整协调控制系统主汽压力的动态偏差，有利于工程实际应用。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为炉跟机协调控制系统图；
图3为λ2＝0时不同λ1取值下机组功率的响应曲线；
图4为λ2＝0时不同λ1取值下主汽压力的响应曲线；
图5为λ1＝0时不同λ2取值下机组功率的响应曲线；
图6为λ1＝0时不同λ2取值下主汽压力的响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，图1为本发明流程图，具体步骤如下：
取某汽包锅炉机组50％额定负荷下的负荷对象作为被控对象，其传递函数为：
步骤1：用两个比例积分控制器PI1和PI2与汽包锅炉机组负荷被控对象构成炉跟机协调控制系统，如图2所示，汽包锅炉机组负荷被控对象的输入为燃烧率uB(t)和汽机调门开度uT(t)，输出为功率NE(t)和主汽压力PT(t)，t为时间，PI1控制器的输入为功率设定值NE0与NE(t)之差eNe(t)，输出为uT(t)，PI2控制器的输入为主汽压力设定值PT0与PT(t)之差ePt(t)，输出为uB(t)；PI1控制器传递函数为PI2控制器传递函数为：s为复数域内的复变量，KP1和KP2为比例系数，KI1和KI2为积分系数。
步骤2：采用机组功率和主汽压力的偏差及其相应的偏差变化率，构建新型优化性能指标，构建原则是，使控制系统能充分利用锅炉蓄热，提高机组的负荷响应速度，同时能方便、有效地调整优化控制系统主汽压力的动态偏差，具体采用如下形式的新型优化性能指标：
其中，eNe(t)为功率偏差，等于机组功率与其设定值之差，ePt(t)为主汽压力偏差，等于主汽压力与其设定值之差，ceNe(t)、cePt(t)分别为功率和主汽压力的偏差变化率，λ1和λ2为权系数。
步骤3：采用遗传算法，按如下步骤优化PI1和PI2控制器参数KP1、KI1、KP2和KI2：
确定KP1、KI1、KP2和KI2的优化搜索范围：KP1、KP2∈(0,10)、KI1、KI2∈(0,1)。
步骤4、根据步骤(2)的优化性能指标，采用遗传算法优化两个PI控制器的参数(1)采用步骤2的新型性能指标计算遗传算法适应度函数值f
主汽压力设定值PT0保持不变，功率设定值NE0做单位阶跃扰动，采用下式计算适应度函数值：
其中，k为仿真中的采样时刻，N为正整数，eNe(k)、ePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的偏差，ceNe(k)、cePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的变化率，分别由下式计算：
其中，T为采样周期，N应满足N*T时间能覆盖被控过程绝大部分的动态特性，仿真中功率设定值做10MW的阶跃变化，取T＝1s，N＝3000。
(2)采用遗传算法进行参数优化
以KP1、KP2、KI1和KI2四个变量作为个体建立种群，计算种群中每个个体对应的适应度函数值，采用遗传算法在步骤(3)设置的范围内进行迭代寻优计算，优化后种群中适应度函数值最大的个体即为PI1和PI2两个控制器参数KP1、KP2、KI1和KI2的优化整定值。
为反映本发明方法的特点，分别进行了如下6组参数的优化：保持λ2＝0，分别令λ1＝0、1、2；保持λ1＝0，分别令λ2＝0、1、2，其控制器参数优化结果如表1和表2所示：
表1为λ2＝0时不同λ1取值对应的优化控制器参数
表2为λ1＝0时不同λ2取值对应的优化控制器参数
相应的控制性能曲线如图3至图6所示。从图3和图5可看出，权系数λ1、λ2取不同的值，机组功率的响应速度都很快，表明优化协调控制系统可充分利用锅炉蓄热，使机组功率快速跟踪设定值的变化；从图4和图6可看出，λ1、λ2对主汽压力响应有较大影响，表明可通过改变性能指标中权系数λ1、λ2的取值，方便、有效地调整系统主汽压力的动态偏差，有利于工程实际应用。

Claims (6)

1.一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用两个比例积分控制器PI1和PI2与汽包锅炉机组负荷被控对象构成炉跟机协调控制系统；
(2)采用机组功率和主汽压力的偏差及其相应的偏差变化率，构建新型优化性能指标；
(3)设置PI1和PI2两个控制器参数的优化搜索范围；
(4)根据步骤(2)的优化性能指标，采用遗传算法优化两个PI控制器的参数。
2.根据权利要求1所述的一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，步骤(1)所述的炉跟机协调控制系统中：
PI1为机侧控制器，其传递函数为D1(s)：
PI2为炉侧控制器，其传递函数为D2(s)：
其中，s为复数域内的复变量，KP1和KP2为比例系数，KI1和KI2为积分系数。
3.根据权利要求1所述的一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，步骤(2)所述的新型优化性能指标通过以下公式获得：
其中，eNe(t)为功率偏差，等于机组功率与其设定值之差，ePt(t)为主汽压力偏差，等于主汽压力与其设定值之差，ceNe(t)、cePt(t)分别为功率和主汽压力的偏差变化率，λ1和λ2为权系数。
4.根据权利要求1所述的一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，步骤(3)所述的的PI1和PI2两个控制器参数的优化搜索范围为：
KP1、KP2∈(0,10)
KI1、KI2∈(0,1)。
5.根据权利要求1所述的一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：
(41)通过对步骤(1)的控制系统进行仿真，采用步骤(2)的新型性能指标计算遗传算法适应度函数值f：
其中，k为仿真中的采样时刻，N为正整数，eNe(k)、ePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的偏差，ceNe(k)、cePt(k)分别为k时刻功率和主汽压力的变化率；
(42)采用遗传算法优化控制器参数KP1、KP2、KI1和KI2
以KP1、KP2、KI1和KI2四个变量作为个体建立种群，计算种群中每个个体对应的适应度函数值，采用遗传算法在步骤(3)设置的范围内进行迭代寻优计算，优化后种群中适应度函数值最大的个体即为PI1和PI2两个控制器参数KP1、KP2、KI1和KI2的优化整定值。
6.根据权利要求3所述的一种炉跟机协调控制系统控制器参数优化整定方法，其特征在于，所述性能指标公式中权系数λ1和λ2的取值可调整主汽压力的动态偏差。
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