CN111911907A - 一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法 - Google Patents

一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，主要通过对高加水位控制器控制结果的误差积分进行计算并做归一化处理，从而得到控制品质评估的指标结果。同现有的评价方法比较。本发明的改进之处在于：通过计算高压加热器水位控制系统在受到定值扰动后控制结果的绝对误差积分，可以很好地评估控制系统的瞬态响应特性；并且进行归一化处理之后，消除了评估结果之间的量纲和单位影响，得到位于0‑1区间的评价指标，可以很好地反映评估结果并进行比较分析。

Description

一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法
技术领域
本发明涉及加热器水位控制系统的控制品质评估领域，具体涉及一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法。
背景技术
随着发电技术的不断进步，热力系统的结构和设备日趋复杂，同时受到其他清洁能源大力发展的影响，火电机组在灵活调峰的背景下承担着越来越重要的任务。由于风力发电、生物质发电等能源种类的特性，很难保证发电品质的稳定性，因此需要调峰的火电机组负荷参数会不断发生变化，为了满足电网并网调峰的要求，即使采用了复合滑压运行的方式，也很难保证火电机组回热控制系统控制品质的稳定，而且回热系统高加系统长期在高温高压条件下运行的同时还受到灵活调峰，旁路切换，给水流量品质变化，阀门故障等问题的影响，为了保证和火电厂的安全生产，使得机组回热系统处于安全、稳定以及经济的运行状态中,就必须对回热系统的控制品质进行评估。
高加水位控制系统是回热系统的主要辅助设备，负责对锅炉给水进行加热并将其提供到汽包，给水温度和汽包水位的稳定，直接关系到锅炉的安全性和经济性。高压加热器控制系统在运行时受扰动能否保证水位在一定时间和范围内稳定严重关系着整个机组的运行：水位太低会导致蒸汽进入疏水冷却段，疏水温度升高，进而影响加热器性能，导致机组效率下降；水位过高则会导致“倒吸”现象的出现严重威胁汽轮机的安全运行；除此之外，还有虚假水位、负荷波动、端差等因素的影响，因此对高加水位控制系统的控制品质评估十分必要且有重要意义。
但目前缺少灵活调峰下火电机组回热系统的加热器控制品质评价方法，难以从定量上明确控制系统优化需求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，解决了当前灵活调峰背景下缺少高压加热器水位控制品质评估方法缺失的问题，实现了用一个归一化指标对高压加热器水位控制品质实现评估的目标。
为了达到以上目的，本发明提供如下思路方案：
一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1：选择实际控制情况下的PID参数控制系统，判断系统在受到定值扰动后的响应，通过对数据进行扰动开始和调节结束达到稳定的选择，得到调节过程的数据段。
这时，根据IAE计算公式：
Figure BDA0002543571500000021
其中，IAE是误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
计算得到实际中受到定值扰动情况下的误差积分值；
步骤2：确定基准指标值作为归一化计算的特征值，《DL/T 657-2015火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》中有关加热器水位受到定值扰动的规定中显示不论加热器是卧式还是立式，定值扰动品质指标均为衰减率为0.75-0.9，因此选择衰减率为0.75作为基准指标的计算。首先由当前加热器水位控制器的PID参数作为初始参数开始执行，判断扰动开始，通过数据选择得到在当前控制系统下受到定值扰动后的第一和第二个波峰的值，接着根据衰减率的计算公式：
Figure BDA0002543571500000022
其中，
Figure BDA0002543571500000023
表示系统的衰减率，h1表示系统受到扰动后输出的第一个波峰值与系统设定输出值之差，h2表示系统受到扰动后输出的第二个波峰值与系统设定值之差，
计算在此控制参数下的衰减率，并判断衰减率是否为0.75，若衰减率不为0.75，则根据PID参数的控制规律，固定其他参数通过调整P参数来调节控制结果的衰减率为0.75；之后根据系统判断稳定的情况选择计算数据对绝对误差积分(IAE)的计算公式：
Figure BDA0002543571500000024
其中，IAE是误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
进行计算，得到基准指标值IAE0；
步骤3：将基准绝对误差积分值和实际误差积分值进行归一化处理，得到品质评估指标。
作为本发明的进一步改进，步骤3具体包括：
步骤3.1：IAE回归率
IAE回归率是指将绝对误差积分(IAE)投影到0-1区间，并保持良好状态为0.9以上的计算方法，IAE回归率的计算公式如下：
Figure BDA0002543571500000031
其中，K是IAE被认为优秀的最大偏差值，通过e函数可以将数量级或单位量纲不一致的数据投影到0-1区间，方便不同数据进行分析比较。
步骤3.2：归一化处理
受到IAE回归率计算的方法，提出一种新的指标归一化计算方法：选择一个特征值作为基准，通过计算公式：
Figure BDA0002543571500000032
其中，IAE0是根据《DL/T 657-2015火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》中规定得衰减率为0.75时通过调整P参数得到的控制结果选择数据计算得到的基准误差积分值；而IAE则是实际加热器水位控制系统的输出结果得到的误差积分计算值。根据计算公式，当IAE实际计算误差积分值趋于0时，此时加热器水位控制系统的输出结果与设定值没有误差，控制效果达到了理论的最好，由计算可知此时B为1；当加热器水位控制系统的输出结果达到理论误差最大时，误差积分值IAE趋于正向无穷大，此时根据计算可知，B指标值在理论上可以达到0。因此可以根据B指标值得到判断结果：当指标值趋近于1时，加热器水位控制系统在受到定值扰动后有较好的控制效果；指标值越接近0，表示加热器水位控制系统在定值扰动下的控制品质有较大的改进空间，参数优化有较大的进步空间。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，具有以下优势：
(1)根据《DL/T 657-2015火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》中规定得衰减率为0.75作为定值扰动品质评估的依据能够合理有效的对加热器水位控制系统受到定值扰动下的控制品质进行评估；
(2)通过对回热系统加热器控制系统在灵活调峰背景下的控制品质进行评估，弥补了品质评估指标在这一方面的缺失，对电厂运行优化有一定参考意义；
(3)通过对控制品质评价结果进行归一化处理，得到了方便比较分析的位于0-1区间的指标值，消除了指标值的单位量纲与数量级影响。
附图说明
图1为本发明一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施步骤和操作过程。
如图所示，一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，主要分为三部分：第一部分主要是根据规程对误差积分基准进行确定，为之后的计算工作奠定基础；第二部分是对电厂实际运行中加热器水位控制系统受到定值扰动后的数据进行选择并计算控制过程的误差积分，是品质评估的主要来源；第三部分是通过归一化方法对前面的误差积分进行处理，主要得到最终的评估指标。
本发明一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，具体步骤为：
步骤1：选择实际控制情况下的PID参数控制系统，判断系统在受到定值扰动后的响应，通过对数据进行扰动开始和调节结束达到稳定的选择，得到调节过程的数据段。
这时，根据IAE计算公式：
Figure BDA0002543571500000041
其中，IAE是误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
计算得到实际中受到定值扰动情况下的误差积分值；
步骤2：确定基准指标值作为归一化计算的特征值，《DL/T 657-2015火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》中有关加热器水位受到定值扰动的规定中显示不论加热器是卧式还是立式，定值扰动品质指标均为衰减率为0.75-0.9，因此选择衰减率为0.75作为基准指标的计算。首先由当前加热器水位控制器的PID参数作为初始参数开始执行，判断扰动开始，通过数据选择得到在当前控制系统下受到定值扰动后的第一和第二个波峰的值，接着根据衰减率的计算公式：
Figure BDA0002543571500000051
其中，，
Figure BDA0002543571500000052
表示系统的衰减率，h1表示系统受到扰动后输出的第一个波峰值与系统设定输出值之差，h2表示系统受到扰动后输出的第二个波峰值与系统设定值之差，
计算在此控制参数下的衰减率，并判断衰减率是否为0.75，若衰减率不为0.75，则根据PID参数的控制规律，固定其他参数通过调整P参数来调节控制结果的衰减率为0.75；之后根据系统判断稳定的情况选择计算数据对绝对误差积分(IAE)的计算公式：
Figure BDA0002543571500000053
其中，IAE是误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
进行计算，得到基准指标值IAE0；
步骤3：将基准绝对误差积分值和实际误差积分值进行归一化处理，得到品质评估指标。
在本实施例中，步骤3具体包括：
步骤3.1：IAE回归率
IAE回归率是指将绝对误差积分(IAE)投影到0-1区间，并保持良好状态为0.9以上的计算方法，IAE回归率的计算公式如下：
Figure BDA0002543571500000054
其中，K是IAE被认为优秀的最大偏差值，通过e函数可以将数量级或单位量纲不一致的数据投影到0-1区间，方便不同数据进行分析比较。
步骤3.2：归一化处理
受到IAE回归率计算的方法，提出一种新的指标归一化计算方法：选择一个特征值作为基准，通过计算公式：
Figure BDA0002543571500000061
其中，IAE0是根据《DL/T 657-2015火力发电厂模拟量控制系统验收测试规程》中规定得衰减率为0.75时通过调整P参数得到的控制结果选择数据计算得到的基准误差积分值；而IAE则是实际加热器水位控制系统的输出结果得到的误差积分计算值。根据计算公式，当IAE实际计算误差积分值趋于0时，此时加热器水位控制系统的输出结果与设定值没有误差，控制效果达到了理论的最好，由计算可知此时B为1；当加热器水位控制系统的输出结果达到理论误差最大时，误差积分值IAE趋于正向无穷大，此时根据计算可知，B指标值在理论上可以达到0。因此可以根据B指标值得到判断结果：当指标值趋近于1时，加热器水位控制系统在受到定值扰动后有较好的控制效果；指标值越接近0，表示加热器水位控制系统在定值扰动下的控制品质有较大的改进空间，参数优化有较大的进步空间。
本发明先得到当前控制器参数下加热器水位受到定值扰动下控制品质的输出结果，根据控制系统受到扰动开始到判断稳定结束，选择加热器水位的数据计算得到IAE值。由于当前多数加热器控制系统采用PID控制，因此根据实时运行数据得到控制系统的传递函数，构建加热器水位控制系统的辨识模型，进一步搭建仿真平台，接着输入当前控制品质下的PID参数，通过受到扰动后输出的数据对当前PID参数下的衰减率
Figure BDA0002543571500000063
进行计算，然后根据PID控制器的参数变化规律，保持I和D的参数不变化，通过调整P参数来使控制结果的衰减率为0.75，最后在调整PID参数后的控制系统受到扰动开始到判断稳定结束，选择加热器水位的数据计算得到IAE值，将此时的IAE记作IAE0，称为基准误差积分值。在此基础上，对实际控制系统的误差积分值IAE进行归一化处理：
Figure BDA0002543571500000062
得到了位于0-1区间的加热器水位控制系统品质评估的归一化误差积分指标，可以根据指标的大小对控制系统的控制结果进行判断。
综上所述，完成了对回热系统加热器水位控制系统在灵活调峰背景下归一化误差积分控制品质评估方法的介绍。

Claims (2)

1.一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1：选择实际控制情况下的PID参数控制系统，判断系统在受到定值扰动后的响应，通过对数据进行扰动开始和调节结束达到稳定的选择，得到调节过程的数据段，这时，根据IAE计算公式：
Figure FDA0002543571490000011
其中，IAE为误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
计算得到实际中受到定值扰动情况下的误差积分值；
步骤2：选择衰减率为0.75作为基准指标的计算，首先由当前加热器水位控制器的PID参数作为初始参数开始执行，判断扰动开始，通过数据选择得到在当前控制系统下受到定值扰动后的第一和第二个波峰的值，接着根据衰减率的计算公式：
Figure FDA0002543571490000012
其中，
Figure FDA0002543571490000013
表示系统的衰减率，h1表示系统受到扰动后输出的第一个波峰值与系统设定输出值之差，h2表示系统受到扰动后输出的第二个波峰值与系统设定值之差，
计算在此控制参数下的衰减率，并判断衰减率是否为0.75，若衰减率不为0.75，则根据PID参数的控制规律，固定其他参数通过调整P参数来调节控制结果的衰减率为0.75；之后根据IAE计算公式：
Figure FDA0002543571490000014
其中，IAE是误差积分，|e(t)|表示系统实际输出值与系统设定输出值之差e(t)的绝对值，
进行计算，得到基准指标值IAE0；
步骤3：将基准绝对误差积分值和实际误差积分值进行归一化处理，得到品质评估指标。
2.根据权利要求1所述的一种基于归一化误差积分的加热器水位控制品质评估方法，其特征在于，所述步骤3具体包括：
步骤3.1：IAE回归率
IAE回归率是指将绝对误差积分投影到0-1区间，并保持良好状态为0.9以上的计算方法，IAE回归率的计算公式如下：
Figure FDA0002543571490000021
其中，K是IAE被认为优秀的最大偏差值，通过e函数将数量级或单位量纲不一致的数据投影到0-1区间，方便不同数据进行分析比较；
步骤3.2：归一化处理
受到IAE回归率计算的方法，提出一种新的指标归一化计算方法：选择一个特征值作为基准，通过计算公式：
Figure FDA0002543571490000022
其中，IAE0是衰减率为0.75时通过调整P参数得到的控制结果选择数据计算得到的基准误差积分值；而IAE则是实际加热器水位控制系统的输出结果得到的误差积分计算值；
根据计算公式，当IAE实际计算误差积分值趋于0时，此时加热器水位控制系统的输出结果与设定值没有误差，控制效果达到了理论的最好，由计算可知此时B为1；当加热器水位控制系统的输出结果达到理论误差最大时，误差积分值IAE趋于正向无穷大，此时根据计算可知，B指标值在理论上可以达到0；因此根据B指标值得到判断结果：当指标值趋近于1时，加热器水位控制系统在受到定值扰动后有较好的控制效果；指标值越接近0，表示加热器水位控制系统在定值扰动下的控制品质有较大的改进空间，参数优化有较大的进步空间。
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