本發(fā)明涉及亞臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制，具體地說(shuō)是一種基于導(dǎo)前擾動(dòng)模型的亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法。

背景技術(shù)：

大型亞臨界火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為具有強(qiáng)耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng)，鍋爐、汽輪機(jī)系統(tǒng)可在給定的工況點(diǎn)下簡(jiǎn)化為一個(gè)具有強(qiáng)耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng)，壓力控制對(duì)象具有大遲延、大慣性和時(shí)變性，響應(yīng)較慢，負(fù)荷控制對(duì)象具有快速性，它們之間具有很強(qiáng)的耦合性，構(gòu)成了一個(gè)相互矛盾的統(tǒng)一。

在火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中，控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型具有強(qiáng)耦合特性，常規(guī)PID控制系統(tǒng)很難兼顧到負(fù)荷的快速性和壓力的穩(wěn)定性，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)品質(zhì)有待提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于導(dǎo)前擾動(dòng)模型的亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法，以有效緩解鍋爐和汽輪機(jī)之間的耦合作用，保證預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性；提高亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，兼顧負(fù)荷的快速性和壓力的穩(wěn)定性。

為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：基于導(dǎo)前擾動(dòng)模型的亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法，包括如下步驟：

1)將預(yù)測(cè)函數(shù)控制應(yīng)用于亞臨界單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的壓力閉環(huán)回路，形成預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)，所述的壓力閉環(huán)回路帶有遲延慣性環(huán)節(jié)；亞臨界單元機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的負(fù)荷閉環(huán)回路采用PID控制，負(fù)荷指令對(duì)煤量前饋系統(tǒng)采用基準(zhǔn)線加微分的方式；

2)將實(shí)際汽機(jī)調(diào)門(mén)指令作為擾動(dòng)信號(hào)源，超前作用于預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)模型獲得最優(yōu)控制律；

3)在最優(yōu)控制律的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化，將指數(shù)系數(shù)簡(jiǎn)化為乘數(shù)系數(shù)，將預(yù)測(cè)時(shí)域優(yōu)化長(zhǎng)度簡(jiǎn)化為預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)，得到簡(jiǎn)化的最優(yōu)控制律。

本發(fā)明通過(guò)調(diào)整預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)對(duì)象的優(yōu)化控制。將本發(fā)明的算法應(yīng)用于亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，控制效果證明了該算法的優(yōu)良性能。

基于該算法設(shè)計(jì)出的預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，參數(shù)調(diào)整方便，能夠更好的適應(yīng)工況需求，提高控制品質(zhì)。

進(jìn)一步地，所述的預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)包括煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型和調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型，通過(guò)調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型作用于預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)，同時(shí)負(fù)荷指令通過(guò)煤量前饋系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)與預(yù)測(cè)控制指令疊加作用于壓力控制主通道；

所述煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型，用來(lái)近似煤量對(duì)壓力特性的數(shù)學(xué)模型，其為：

式中，K_m1為模型增益，T_m1為模型慣性時(shí)間，T_dm1為模型純遲延時(shí)間(s為積分因子)；

所述調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型，用來(lái)近似調(diào)門(mén)對(duì)壓力特性的數(shù)學(xué)模型，其為：

式中，K_m2為模型增益，T_m2為模型慣性時(shí)間，T_dm2為模型純遲延時(shí)間。

進(jìn)一步地，當(dāng)采用一個(gè)基函數(shù)時(shí)，有：

u(k+i)＝u(k)， i＝1,2,…,H-1，

Bu(k+i)＝ff+u(k)， i＝1,2,…,H-1，

Tu(k+i)＝Tu(k)， i＝1,2,…,H-1，

上式中，k表示采樣時(shí)刻，H表示預(yù)測(cè)時(shí)域步長(zhǎng)，u為最優(yōu)控制量，Bu為汽機(jī)調(diào)門(mén)控制指令，ff為負(fù)荷至煤量前饋信號(hào)，Tu為鍋爐煤量指令；

各預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)輸出為：

上式中，α_m1為煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型G_m1(s)差分方程系數(shù)，α_m2為調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型G_m2(s)差分方程系數(shù)；

預(yù)測(cè)模型的總輸出為：

y_m(k+H)＝y(tǒng)_m1(k+H)+y_m2(k+H)

根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)的極值獲得最優(yōu)控制律為：

上式中，c為設(shè)定值，β為系統(tǒng)期望閉環(huán)動(dòng)態(tài)特性，y(k)為被控量，y_m1(k)為煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型輸出，y_m2(k)為調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型輸出，y_m(k)為y_m1(k)和y_m2(k)疊加后輸出。

進(jìn)一步地，所述的預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)包括參考軌跡預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)b和控制預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)a，簡(jiǎn)化的最優(yōu)控制律如下：

上式中，T_s為采樣周期，T_R為參考軌跡時(shí)間常數(shù)；

本發(fā)明具有以下有益效果：有效緩解了鍋爐和汽機(jī)之間的耦合作用；保證了預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性；提高了亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，兼顧了負(fù)荷的快速性和壓力的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為常規(guī)帶擾動(dòng)預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)原理圖(圖中，c為設(shè)定值，y_r為參考軌跡，u為最優(yōu)控制量，D為擾動(dòng)信號(hào)源，y_m2為擾動(dòng)模型輸出，y_m1為對(duì)象模型輸出，y_m為模型總輸出，y為被控對(duì)象輸出。)

圖2為本發(fā)明的原理圖(圖中，c為設(shè)定值，y_r為參考軌跡，u為最優(yōu)控制量，ff為負(fù)荷至煤量前饋信號(hào)，Tu為汽機(jī)調(diào)門(mén)控制指令，Bu為鍋爐煤量指令，y_m2為調(diào)門(mén)對(duì)壓力擾動(dòng)模型輸出，y_m1為煤量對(duì)壓力模型輸出，y_m為壓力模型總輸出，y為實(shí)際壓力信號(hào)。)

圖3為本發(fā)明負(fù)荷響應(yīng)曲線(圖中A為負(fù)荷設(shè)定值，B為負(fù)荷響應(yīng)曲線)。

圖4為本發(fā)明壓力響應(yīng)曲線(圖中A為壓力設(shè)定值，B為壓力響應(yīng)曲線)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

一、常規(guī)帶擾動(dòng)預(yù)測(cè)函數(shù)控制算法

根據(jù)圖1，當(dāng)控制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)信號(hào)可測(cè)時(shí)，可以通過(guò)試驗(yàn)確定系統(tǒng)的擾動(dòng)模型，此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)模型，即對(duì)象模型G_m1(s)和擾動(dòng)模型G_m2(s)，假定均為一階加遲延模型，即：

當(dāng)采用一個(gè)基函數(shù)時(shí)，有：

u(k+i)＝u(k) i＝1,2,…,H-1

D(k+i)＝D(k) i＝1,2,…,H-1 (3)

各模型的預(yù)測(cè)輸出為：

預(yù)測(cè)模型輸出為：

y_m(k+H)＝y(tǒng)_m1(k+H)+y_m2(k+H) (5)

根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)的極值可以獲得最優(yōu)控制律為：

二、亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于亞臨界機(jī)組，在鍋爐燃燒正常、給水正常和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)正常工作的前提下，鍋爐、汽輪機(jī)系統(tǒng)可在給定的工況點(diǎn)下簡(jiǎn)化為一個(gè)具有強(qiáng)耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng)：

其中：ΔN為機(jī)組電功率變化量；ΔP為機(jī)前壓力變化量；Δμ為汽機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度變化量；ΔB為煤量變化量。根據(jù)試驗(yàn)可以確定式(7)中各函數(shù)的形式，其中G₁₁可近似為微分環(huán)節(jié)，G₁₂、G₂₁、G₂₂可近似為慣性加遲延環(huán)節(jié)。

根據(jù)圖2，G_m1是煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型，用來(lái)近似煤量對(duì)壓力特性；G_m2是調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型，用來(lái)近似調(diào)門(mén)對(duì)壓力特性。

本發(fā)明提出了一種基于預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制算法，即將調(diào)門(mén)指令作為整個(gè)壓力系統(tǒng)的擾動(dòng)信號(hào)源，通過(guò)調(diào)門(mén)對(duì)壓力的數(shù)學(xué)模型作用于預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，同時(shí)負(fù)荷指令通過(guò)前饋系統(tǒng)產(chǎn)生信號(hào)與預(yù)測(cè)控制指令疊加作用于壓力控制主通道，從圖2可以推導(dǎo)出該預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)的控制律。

當(dāng)控制系統(tǒng)的外部擾動(dòng)信號(hào)可測(cè)時(shí)，即為汽機(jī)調(diào)門(mén)指令Tu，此時(shí)系統(tǒng)具有兩個(gè)模型，即煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型G_m1(s)和調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型G_m2(s)，假定均為一階加遲延模型，即：

當(dāng)采用一個(gè)基函數(shù)時(shí)，有：

u(k+i)＝u(k) i＝1,2,…,H-1

Bu(k+i)＝ff+u(k) i＝1,2,…,H-1

Tu(k+i)＝Tu(k) i＝1,2,…,H-1 (10)

各模型的預(yù)測(cè)輸出為：

預(yù)測(cè)模型的總輸出為：

y_m(k+H)＝y(tǒng)_m1(k+H)+y_m2(k+H) (12)

根據(jù)優(yōu)化指標(biāo)的極值可以獲得最優(yōu)控制律為：

本發(fā)明在上述最優(yōu)控制律的基礎(chǔ)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將指數(shù)系數(shù)簡(jiǎn)化為乘數(shù)系數(shù)，將預(yù)測(cè)時(shí)域優(yōu)化長(zhǎng)度簡(jiǎn)化為預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)，分別為參考軌跡預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)b和控制預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)a，經(jīng)簡(jiǎn)化后設(shè)計(jì)出的最優(yōu)控制律如下：

在上式中，T_s為采樣周期，T_R為參考軌跡時(shí)間常數(shù)，一般設(shè)置為4～12秒；在調(diào)整控制系統(tǒng)品質(zhì)時(shí)，只需調(diào)整預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)a和b，便可獲得良好的控制品質(zhì)。

三、本發(fā)明算法控制效果

將本發(fā)明控制算法應(yīng)用于某300MW亞臨界機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，進(jìn)行仿真研究。根據(jù)式(7)協(xié)調(diào)對(duì)象的各傳遞函數(shù)特性為

汽機(jī)主控采用PI控制，比例系數(shù)為1，積分系數(shù)為0.008；前饋信號(hào)采用負(fù)荷指令折算的煤量基準(zhǔn)信號(hào)與微分之和。

采用圖2所示的預(yù)測(cè)函數(shù)控制系統(tǒng)，首先對(duì)調(diào)門(mén)對(duì)壓力的特性和煤量對(duì)壓力的特性進(jìn)行擬合簡(jiǎn)化，得到等效的一階加純遲延對(duì)象模型為：

煤量對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型為：

調(diào)門(mén)對(duì)壓力的預(yù)測(cè)模型為：

PFC的兩個(gè)預(yù)測(cè)模型取為：K_m1＝0.18，T_m1＝300，T_dm1＝170；K_m2＝-0.09，T_m2＝380，T_dm2＝30；PFC采用一個(gè)基函數(shù)，采樣周期設(shè)置為4，參考軌跡時(shí)間常數(shù)12，參考軌跡預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)4，控制預(yù)測(cè)調(diào)整系數(shù)為2.2，進(jìn)行變負(fù)荷響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，將負(fù)荷指令變化190MW獲得的負(fù)荷和壓力控制響應(yīng)曲線如圖3、圖4所示。圖3中負(fù)荷偏差在±2MW以?xún)?nèi)，圖4中壓力偏差在±0.3MPa以?xún)?nèi)。