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

背景技術(shù)：

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

在火電機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制中，控制對象的數(shù)學(xué)模型具有強耦合特性，常規(guī)PID控制系統(tǒng)很難兼顧到負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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種基于導(dǎo)前擾動模型的亞臨界機組協(xié)調(diào)預(yù)測函數(shù)控制算法，以有效緩解鍋爐和汽輪機之間的耦合作用，保證預(yù)測控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性；提高亞臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)，兼顧負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)前擾動模型的亞臨界機組協(xié)調(diào)預(yù)測函數(shù)控制算法，包括如下步驟：

1)將預(yù)測函數(shù)控制應(yīng)用于亞臨界單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的壓力閉環(huán)回路，形成預(yù)測函數(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)；亞臨界單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的負荷閉環(huán)回路采用PID控制，負荷指令對煤量前饋系統(tǒng)采用基準線加微分的方式；

2)將實際汽機調(diào)門指令作為擾動信號源，超前作用于預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)的預(yù)測模型獲得最優(yōu)控制律；

3)在最優(yōu)控制律的基礎(chǔ)上進行簡化，將指數(shù)系數(shù)簡化為乘數(shù)系數(shù)，將預(yù)測時域優(yōu)化長度簡化為預(yù)測調(diào)整系數(shù)，得到簡化的最優(yōu)控制律。

本發(fā)明通過調(diào)整預(yù)測調(diào)整系數(shù)實現(xiàn)對亞臨界機組協(xié)調(diào)對象的優(yōu)化控制。將本發(fā)明的算法應(yīng)用于亞臨界機組協(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)計出的預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，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)。

進一步地，所述的預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)包括煤量對壓力的預(yù)測模型和調(diào)門對壓力的預(yù)測模型，通過調(diào)門對壓力的預(yù)測模型作用于預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)，同時負荷指令通過煤量前饋系統(tǒng)產(chǎn)生信號與預(yù)測控制指令疊加作用于壓力控制主通道；

所述煤量對壓力的預(yù)測模型，用來近似煤量對壓力特性的數(shù)學(xué)模型，其為：

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

所述調(diào)門對壓力的預(yù)測模型，用來近似調(diào)門對壓力特性的數(shù)學(xué)模型，其為：

式中，K_m2為模型增益，T_m2為模型慣性時間，T_dm2為模型純遲延時間。

進一步地，當(dāng)采用一個基函數(shù)時，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表示采樣時刻，H表示預(yù)測時域步長，u為最優(yōu)控制量，Bu為汽機調(diào)門控制指令，ff為負荷至煤量前饋信號，Tu為鍋爐煤量指令；

各預(yù)測模型的預(yù)測輸出為：

上式中，α_m1為煤量對壓力的預(yù)測模型G_m1(s)差分方程系數(shù)，α_m2為調(diào)門對壓力的預(yù)測模型G_m2(s)差分方程系數(shù)；

預(yù)測模型的總輸出為：

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)動態(tài)特性，y(k)為被控量，y_m1(k)為煤量對壓力的預(yù)測模型輸出，y_m2(k)為調(diào)門對壓力的預(yù)測模型輸出，y_m(k)為y_m1(k)和y_m2(k)疊加后輸出。

進一步地，所述的預(yù)測調(diào)整系數(shù)包括參考軌跡預(yù)測調(diào)整系數(shù)b和控制預(yù)測調(diào)整系數(shù)a，簡化的最優(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之間的耦合作用；保證了預(yù)測控制系統(tǒng)具有較強的魯棒性；提高了亞臨界機組協(xié)調(diào)系統(tǒng)的控制品質(zhì)，兼顧了負荷的快速性和壓力的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為常規(guī)帶擾動預(yù)測函數(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為擾動信號源，y_m2為擾動模型輸出，y_m1為對象模型輸出，y_m為模型總輸出，y為被控對象輸出。)

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為負荷至煤量前饋信號，Tu為汽機調(diào)門控制指令，Bu為鍋爐煤量指令，y_m2為調(diào)門對壓力擾動模型輸出，y_m1為煤量對壓力模型輸出，y_m為壓力模型總輸出，y為實際壓力信號。)

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

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明。

一、常規(guī)帶擾動預(yù)測函數(shù)控制算法

根據(jù)圖1，當(dāng)控制系統(tǒng)的外部擾動信號可測時，可以通過試驗確定系統(tǒng)的擾動模型，此時系統(tǒng)具有兩個模型，即對象模型G_m1(s)和擾動模型G_m2(s)，假定均為一階加遲延模型，即：

當(dāng)采用一個基函數(shù)時，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)測輸出為：

預(yù)測模型輸出為：

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、亞臨界機組協(xié)調(diào)預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)設(shè)計

對于亞臨界機組，在鍋爐燃燒正常、給水正常和發(fā)電機勵磁系統(tǒng)正常工作的前提下，鍋爐、汽輪機系統(tǒng)可在給定的工況點下簡化為一個具有強耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng)：

其中：ΔN為機組電功率變化量；ΔP為機前壓力變化量；Δμ為汽機調(diào)門開度變化量；ΔB為煤量變化量。根據(jù)試驗可以確定式(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是煤量對壓力的預(yù)測模型，用來近似煤量對壓力特性；G_m2是調(diào)門對壓力的預(yù)測模型，用來近似調(diào)門對壓力特性。

本發(fā)明提出了一種基于預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制算法，即將調(diào)門指令作為整個壓力系統(tǒng)的擾動信號源，通過調(diào)門對壓力的數(shù)學(xué)模型作用于預(yù)測控制系統(tǒng)，同時負荷指令通過前饋系統(tǒng)產(chǎn)生信號與預(yù)測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)測函數(shù)控制系統(tǒng)的控制律。

當(dāng)控制系統(tǒng)的外部擾動信號可測時，即為汽機調(diào)門指令Tu，此時系統(tǒng)具有兩個模型，即煤量對壓力的預(yù)測模型G_m1(s)和調(diào)門對壓力的預(yù)測模型G_m2(s)，假定均為一階加遲延模型，即：

當(dāng)采用一個基函數(shù)時，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)測輸出為：

預(yù)測模型的總輸出為：

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)進行簡化設(shè)計，將指數(shù)系數(shù)簡化為乘數(shù)系數(shù)，將預(yù)測時域優(yōu)化長度簡化為預(yù)測調(diào)整系數(shù)，分別為參考軌跡預(yù)測調(diào)整系數(shù)b和控制預(yù)測調(diào)整系數(shù)a，經(jīng)簡化后設(shè)計出的最優(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，只需調(diào)整預(yù)測調(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亞臨界機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，進行仿真研究。根據(jù)式(7)協(xié)調(diào)對象的各傳遞函數(shù)特性為

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

采用圖2所示的預(yù)測函數(shù)控制系統(tǒng)，首先對調(diào)門對壓力的特性和煤量對壓力的特性進行擬合簡化，得到等效的一階加純遲延對象模型為：

煤量對壓力的預(yù)測模型為：

調(diào)門對壓力的預(yù)測模型為：

PFC的兩個預(yù)測模型取為：K_m1＝0.18，T_m1＝300，T_dm1＝170；K_m2＝-0.09，T_m2＝380，T_dm2＝30；PFC采用一個基函數(shù)，采樣周期設(shè)置為4，參考軌跡時間常數(shù)12，參考軌跡預(yù)測調(diào)整系數(shù)4，控制預(yù)測調(diào)整系數(shù)為2.2，進行變負荷響應(yīng)實驗，將負荷指令變化190MW獲得的負荷和壓力控制響應(yīng)曲線如圖3、圖4所示。圖3中負荷偏差在±2MW以內(nèi)，圖4中壓力偏差在±0.3MPa以內(nèi)。