全國火電大機組600MW級競賽第十屆年會論文集(I)

1、動態(tài)觀測器的最優(yōu)狀態(tài)反饋控制在北侖2號機主汽溫控制中的應(yīng)用吳飛軍（國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，315800）摘要:北侖2號機組過熱汽溫控制系統(tǒng)原采用帶前饋的單級控制回路，控制效果一直不理想。機組根據(jù)負(fù)荷的不同，會經(jīng)常在定壓和滑壓之間變化，同時還要求機組能適應(yīng)各種快速減負(fù)荷（RUN BACK）的工況，而且不同的負(fù)荷段中間還要啟停磨煤機，從而對主汽溫的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。北侖2號機組DCS改造后，已將增量式函數(shù)觀測器IFO-Kx實際推廣應(yīng)用于主汽溫控制系統(tǒng)中，它將IFO-Kx的狀態(tài)反饋與常規(guī)PID控制相結(jié)合，使得穩(wěn)定工況下主汽溫度偏差達(dá)到±1；變負(fù)荷啟停磨時，主汽溫最大偏差也能控

2、制在±10以內(nèi)。關(guān)鍵詞:狀態(tài)觀測器 狀態(tài)反饋 主汽溫控制1引言主蒸汽溫度是鍋爐運行中的主要參數(shù)，汽溫過高直接影響過熱器管道、汽輪機等設(shè)備的安全運行，過低則影響機組的熱效率，所以必須保持主蒸汽溫度在一定的范圍內(nèi)。單元機組的各級汽溫對象的慣性時間常數(shù)和遲延時間一般都比較大，隨著機組容量的增大，過熱器管道也隨之加長，使其慣性時間和純遲延時間增大；此外，其動態(tài)特性隨工況變化和干擾等因素而發(fā)生變化。采用常規(guī)PID串級控制策略往往難以取得好的控制品質(zhì)。采用狀態(tài)反饋可以實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的任意極點配置，從而可以改善系統(tǒng)特性，達(dá)到所期望的系統(tǒng)暫態(tài)行為。因此狀態(tài)反饋不失為一種解決大慣性、大遲延對象難控問題的

3、途徑，固而將狀態(tài)反饋引入到主汽溫度控制中，但是這些基于狀態(tài)反饋的主汽溫度控制策略都是以極點配置方式來設(shè)計狀態(tài)反饋矩陣，而且為了消除單一狀態(tài)反饋控制因?qū)ο笤鲆孀兓a(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)偏差，一般采用狀態(tài)反饋控制與PID控制相結(jié)合的復(fù)合控制，這樣雖然保證了對象的穩(wěn)定性和無差控制，但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜了，而且沒有考慮到調(diào)節(jié)量（減溫水量W）的總消耗，即經(jīng)濟性問題。本文以線性二次型跟蹤性能指標(biāo)取極小為目標(biāo)，來優(yōu)化狀態(tài)反饋矩陣，提出了一種最優(yōu)狀態(tài)反饋策略，同時為了克服對象增益變化所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)偏差，給出了一種簡便的改進(jìn)方法。2 北侖電廠2號機組過熱汽溫控制系統(tǒng)介紹2.1 機組概況北侖電廠2號機組為600MW亞臨界燃煤機

4、組，汽機采用法國GEC ALSTHOM公司的亞臨界一次中間再熱、單軸、四缸、四排汽、沖動、雙背壓、冷凝式汽輪機。鍋爐采用加拿大BAabcock&Wilcox公司設(shè)計制造的亞臨界、一次再熱、自然循環(huán)、單汽包、尾部平行分流、倒U型半露天布置輻射式鍋爐。鍋爐配有2臺三分倉再生式空預(yù)器、2臺可調(diào)動葉軸流式送風(fēng)機和一次風(fēng)機、2臺離心式引風(fēng)機。6臺給煤機和6臺磨煤機各自組成獨立系統(tǒng)。過熱器系統(tǒng)設(shè)置兩級噴水減溫器，在煙道中安裝煙氣擋板。2.2 原主蒸汽溫度控制系統(tǒng)存在問題2號機組控制主蒸汽溫度的方法有兩種：在過熱蒸汽管道中設(shè)置噴水減溫器和在煙道中安裝煙氣擋板。雖然后者的動態(tài)特性比較理想，但是其具體實

5、現(xiàn)很困難，而前者調(diào)節(jié)動態(tài)特性固然不如后者，可是其調(diào)節(jié)范圍大、響應(yīng)速度快，設(shè)備簡單、能有效保護(hù)過熱器，所以過熱器減溫水控制被作為最主要的汽溫控制手段。如圖1所示。圖1 過熱器被控對象示意圖DCS改造以前，2號機的過熱汽溫控制采用兩級減溫水控制，控制方案采用帶前饋的單級控制回路。汽溫控制效果不是很好，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動靜態(tài)指標(biāo)較差，在負(fù)荷變動工況下，甚至于不能投入自動運行，運行人員要及時干預(yù)，才能避免汽溫大幅度超溫。一般地，鍋爐主汽溫的暫時偏差不允許超過±10,長期偏差不允許超過±5。這個要求對汽溫控制系統(tǒng)來說是非常高的,在調(diào)峰機組中要達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)就更加困難。從電廠生產(chǎn)過程來看，

6、影響汽溫較大的主要擾動因素可以概括為蒸汽流量D、受熱面吸熱量Q和減溫噴水流量W。噴水減溫是目前普遍使用的主蒸汽溫度控制手段。對于維持汽溫的要求而言,被控對象在調(diào)節(jié)作用下的滯后時間和時間常數(shù)還嫌太大,采用常規(guī)調(diào)節(jié)器無法取得較好效果。汽溫對象的數(shù)學(xué)模型可表示如下：G(s) = G1(s) G2 (s) = （1）其中,G1(s) =是減溫器的傳遞函數(shù)，稱為導(dǎo)前區(qū)對象的傳遞函數(shù)；G2 (s) = =是過熱器的傳遞函數(shù),稱為慣性區(qū)對象的傳遞函數(shù)。上述傳遞函數(shù)中的6個參數(shù)可通過減溫器和過熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行近似計算，也可通過減溫水?dāng)_動試驗求出。一般導(dǎo)前區(qū)的傳遞函數(shù)可以處理成一階。過熱器出口汽溫1(主汽溫,

7、被控變量)和導(dǎo)前汽溫0(減溫器后汽溫)的動態(tài)特性都是有滯后的,但0的滯后小,而1的滯后較大。對于一般的高、中壓鍋爐,當(dāng)減溫水階躍擾動時,汽溫的響應(yīng)時間100,滯后時間3060,是典型的大遲延系統(tǒng),對控制輸入響應(yīng)慢,如果只根據(jù)汽溫偏差調(diào)節(jié)一般不能滿足該要求。3DCS改造后過熱汽溫控制策略的改進(jìn)3.1 DCS改造后過熱汽溫控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案在本次DCS改造中，對2號機組過熱汽溫控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，不但把汽溫控制回路設(shè)計成串級控制回路，而且加進(jìn)了狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋回路，設(shè)計方案如圖2、3所示。圖2 .過熱器的狀態(tài)觀測器及其狀態(tài)反饋示意圖將圖2中信號疊加在串級PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，便可構(gòu)成狀態(tài)反饋-P

8、ID控制系統(tǒng)。圖3 狀態(tài)反饋PID控制的原理框圖圖3所示為基于增量式函數(shù)觀測器IFO-狀態(tài)反饋PID控制方案應(yīng)用于主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的的原理框圖。針對大型鍋爐主汽溫對象的動態(tài)特性可知，中間點溫度是一個非常重要的參數(shù),是調(diào)節(jié)“燃水比”的依據(jù),也是中間點以后各段受熱面溫度不越限的標(biāo)志，因此采用中間點溫度作為前饋信號引入噴水減溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行前饋補償,實現(xiàn)對主汽溫的快速調(diào)節(jié),減少超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.2 基于動態(tài)觀測器的最優(yōu)狀態(tài)反饋控制的設(shè)計3.2.1 觀測器的設(shè)計考慮線性系統(tǒng) （2）其中：為對象的狀態(tài)，為輸入，為系統(tǒng)輸出，A,B,C分別為常數(shù)矩陣。3.2.2 最優(yōu)狀態(tài)反饋陣的設(shè)計在電廠的實際運

9、行中，為了保證在安全性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)機組運行的經(jīng)濟性，通常應(yīng)使所消耗的能量越燒越好，因此，在控制主蒸汽溫度時，應(yīng)當(dāng)把“用盡量少的減溫水量W完成主蒸汽溫度對設(shè)定值快速而穩(wěn)定的跟蹤”作為控制目標(biāo)。所以我們以線性二次型跟蹤性能指標(biāo)取極小作為狀態(tài)反饋矩陣優(yōu)化的依據(jù)，從而實現(xiàn)最優(yōu)狀態(tài)反饋控制。故把性能指標(biāo)寫為： （3）其中主蒸汽溫度偏差為：，為主蒸汽溫度給定值，為過熱器出口溫度；方程右段第二項是考慮到控制信號的能量損耗而引進(jìn)的，矩陣Q及R為實常數(shù)正定陣，且它們確定了誤差和能量損耗的相對重要性；輸入u=W（調(diào)節(jié)水流量）。根據(jù)文獻(xiàn)（現(xiàn)代控制理論），可知主蒸汽溫度系統(tǒng)（1）在性能指標(biāo)（3）下的最優(yōu)反饋控

10、制為：同時，P滿足下面黎卡提方程：由此可以求出最優(yōu)反饋矩陣k(x)和最優(yōu)反饋控制。將代入狀態(tài)方程，可得：，若的特征值都具有負(fù)實部，則基于所實現(xiàn)的狀態(tài)反饋系統(tǒng)是穩(wěn)定的。采用文獻(xiàn)（狀態(tài)觀測器）所述的方法來設(shè)計最優(yōu)反饋狀態(tài)觀測器，如圖4所示。圖4：基于觀測器的主蒸汽溫度的最優(yōu)狀態(tài)反饋示意圖圖中G和K分別為狀態(tài)觀測器的反饋系數(shù)和狀態(tài)反饋系數(shù)，根據(jù)分離原理，圖中給出的控制系統(tǒng)的閉環(huán)極點由兩部分組成，一部分為反饋控制極點，另一部分為觀測器極點，這兩部分極點可以分別進(jìn)行配置。在這里，G主要反映了觀測器的穩(wěn)定性和跟蹤速度。矩陣K則根據(jù)最優(yōu)反饋進(jìn)行配置。 4 試驗經(jīng)過及曲線2005年7月底，2號機組結(jié)束機組啟動

11、以后，對過熱汽溫控制回路進(jìn)行了重新整定，設(shè)置了合適的PID參數(shù)和狀態(tài)觀測器狀態(tài)反饋回路的參數(shù)。取得了較好的效果，主汽溫穩(wěn)態(tài)時控制在±1左右，加減5MW負(fù)荷主汽溫控制在±4左右，負(fù)荷變動劇烈，啟停一臺磨煤機，最高汽溫偏差10左右。圖3是加減負(fù)荷和啟停磨時的趨勢圖。圖5 2號機組加減負(fù)荷和啟停磨時的趨勢圖圖5為加減50MW負(fù)荷過程中過熱汽溫的變化趨勢圖，（紅色）GENMW為鍋爐負(fù)荷，（藍(lán)色）SH2A-SP-1和（黑色）SECSHOUT-T分別為過熱器出口溫度的設(shè)定值和測量值，（綠色）和（紫色）分別為一，二級過熱器減溫水控制中加入的狀態(tài)觀察器反饋信號。從圖中可以看出，當(dāng)汽溫發(fā)生變

12、化之前，狀態(tài)反饋信號已經(jīng)提前發(fā)出，使噴水調(diào)門提前動作，更有效地調(diào)節(jié)過熱汽溫，防止汽溫變化過大，使調(diào)節(jié)達(dá)到最佳狀態(tài)。5結(jié)論狀態(tài)反饋可在不影響控制精度的前提下,提高大遲延系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。其復(fù)現(xiàn)性越好，表明其魯棒性越好，也就越有實用價值。北侖電廠2號機組過熱汽溫的控制工程實踐再次表明：增量式觀測器IFO-Kx對受控對象的數(shù)學(xué)模型要求不高，應(yīng)用于遲滯和慣性較大的受控對象時，可以預(yù)知被調(diào)參數(shù)的變化趨勢，有效克服大慣性受控系統(tǒng)中PID調(diào)節(jié)器的弱點，從而增強調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可控性，同時也簡化了協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的參數(shù)整定。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的串級PID控制相比較，它不僅保證了主蒸汽溫度快而穩(wěn)的調(diào)節(jié)，而且使得所消耗的減溫

13、水量大大降低，極大的提高了控制策略的安全性和經(jīng)濟性。文獻(xiàn)：1 韓忠旭(Han Zhongxu).增量式函數(shù)觀測器的概念及其狀態(tài)反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)用 (CONCEPT OF INCREMENT FUNCTION OBSERVER AND ITS APPLICATION IN STATE FEEDBACK CONREOL)J. 中國電機工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE), 2004,24(4)：210-2162 韓忠旭,黃煥袍,張智等( HAN Zhong-xu, HUANG Huan-pao, ZHANG Zhi, etc). 基于狀態(tài)觀測器的狀態(tài)反饋控制在300MW單元機組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用(APPLICATION OF STATE FEEDBACK BASED ON STATE OBSERVER IN THE COORDINATED CONTROL SYSTEM OF 300MW UNIT PLANT) J.中國電力，