预测控制及其在单元机组协调控制系统中的应用

【摘 要】在我国大型的发电厂尤其是火电厂当中，由于单元机组的控制是一个受多个不确定变量的影响单元而且单元与单元之间存在着强烈的耦合这使得火电厂中单元机组的控制成为制约火电厂系统控制的一个瓶颈。本文通过将预测控制法应用于火电厂单元机组的控制系统的设计当中该方法具有算法设计简单、耗时短、稳定性强等一系列的优点，能够很好的针对火电厂单元机组控制对象所具有的多变量以及变量不确定性等问题。

【关键词】预测控制；控制系统；单元机组

0 引言

在火电厂中发电的基础设备单元机组设备之间的协调以及控制是火电厂所面临的首要的问题，预测控制是一种以计算机为基础的新型的控制算法，该算法以数学模型作为基础并结合反馈矫正理论对单元机组的状态参数以及指令性信号进行综合的调整还能够实时的考虑不确定量的参与对于系统所产生的影响，并将这些参数不断的加入到控制系统中对控制系统做一个全面的校正。该算法对于火电厂中单元机组的过程实现能够进行全面的监测与信号的采集，并综合各种信息得出最合适的控制信号。

1 单元机组动态模型的分析与建立

在本文的研究中将火电厂中最具有代表性的直流锅炉单元机组作为与测控制以及控制系统建立的一个对象。该单元机组受多个变量的控制，并且变量与变量之间是相互关联的各种变量综合作用与直流锅炉单元机组并对机组产生影响。为了研究问题的方面在该系统中考虑到负荷方面的作用，本文将该单元机组看做成一个具有两个输入信号与两个输出信号的数学模型。该模型源于某大型的火力发电厂，该火电厂的直流锅炉单元机组的功率达到了300MW，针对该单元机组分别建立了负荷在100%和负荷在70%的两种情况下的数学模型。两个数学模型如下图两个公式所示。

■

■

在上述公式中四个比较重要的参数分别为NE，PT，μB，μT分别为机组实际发出的功率，主要的蒸汽压力，锅炉燃烧率指令，气机条门指令等。从上面所建立的负荷分别为100%与70%的数学模型来看，很显然该系统是一个受多变量控制，具有不确定性的强耦合的系统。

2 协调控制系统算法设计

该系统如果采用传统的PID控制的话将很难达到预期的快速响应以及超调量足够小的指标，利用预测控制系统能够有效的解决传统方式控制所带来的负面的问题，能够有效的针对多变量的、不确定性系统的进行协调控制。在本文所研究的火电厂协调控制系统的的基础上，利用上述所建立的火电厂直流锅炉单元机组的数学模型可以得出火电厂该单元机组的控制模型，利用该模型通过对火电厂的输入输出信号即机组的实际发出的功率与主要的蒸汽压力作为初始的输出，经过控制系统就会相应的产生两个相应的输出，其中要进行信号的残差求取以及差值的反馈的调节以达到使得系统具有较高的控制的精度，在这个过程中会出现由于参量过多以及不确定性而出现的目标动作指令的超调量过大或者响应不及时的现象出现，将预测控制算法应用于火电厂直流锅炉机组的协调控制系统的建立具有能够减小系统的误差提高系统精度，提高系统的响应速度等优点具体的做法是将预测控制系统设置到火电厂协调控制系统的前端让信号的输出都要经过该预测系统进行转化以得到更加精确的控制信号。

图1 预测控制系统与单元机组组合模型

3 协调控制系统性能分析

系统要追求性能上的快速响应的话，那么所带来的负面的影响就是信号会出现大尺度的超调量，只有通过不断的大尺度的超调量才能够快速的实现信号的出现偏差时的快速的调整，但是在有些情况下信号的超调量的增大会对机组甚至是整个系统产生不良的影响甚至会形成一定的破坏与损失。同样的如果要追求系统的稳态性能的话也就是系统的精度，那么从系统的控制变量出现偏差到偏差减小到一定的程度在这里由于追求的精度较高，那么系统的整个响应的时间就会变得很长，进而会严重影响控制系统的调节的目的。所以很好权衡二者以达到可以接受的调节性能就是比较关键的。

4 仿真验证

本实验所上述直流锅炉单元机组作为模型，选取的参数N1=6，Nu=2，λ=0.8，得到系统的仿真结果为在70%负荷的情况下，汽机调节阀门的开度指令在某一时刻出现了偏差为-0.4左右，锅炉燃烧指令出现的偏差为-0.6然后火电厂直流锅炉单元机组的协调控制系统在加入预测控制的基础上开始对出现上述的偏差进行了调整，在这个过程中出现的最大的超调量分别为0.8和0.2，达到稳定状态所用的时间都在400ms左右，在100%负荷的情况下这两项指令开始的偏差分别为-0.4和-0.75左右，在调节的过程中出现的最大的超调量分别为0.7和0.2到达稳定的时间在500ms左右。另外本文还对70%负荷下功率与汽压的调节响应曲线进行了仿真，开始的偏差分别为-0.8与-0.25，在调节的过程功率与汽压所出现最大的超调量分别为1与0.3左右，到达稳定状态所需要的时间都在500ms左右。从上面的仿真结果对比在没有加入预测控制系统的协调控制参数上来看，在火电厂单元机组中加入预测控制单元能够对系统参量出现的偏差进行更加快速的响应，并且在参数调节的过程中超调量也比没有加入预测控制单元的控制系统要小，其达到稳定状态所需要的时间也就是快速响应的时间要比没有加入该系统快几十毫秒的时间。综上所述，预测控制系统的加入不仅能达到系统的快速响应的要求，还能够达到稳定状态的精度的要求即该系统确实能够对现行的控制系统进行一个有效的优化。

5 结语

我国现行的发电厂单元机组的控制系统由于受控对象一般都要受多个变量的影响，所以目前传统的控制系统不论在信号控制的响应速度还是从系统稳态的响应的精度来看都难以满足单元机组对于信号控制的需求，本文通过将预测控制系统应用于火电厂单元机组的协调控制系统的设计中有效的达到了系统响应速度与系统稳态的精度的两方面的综合的需求，经过仿真验证该系统确实能够行之有效的实现系统控制精度与响应速度的提升。

【参考文献】

[1]古丽扎提・海拉提，加玛力汗・库马什，李俊，李金龙.热负荷的预测分析[J].动力工程，2009.

[2]卓旭升.亚临界燃煤机组动态建模及非线性控制应用研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

[3]孙翼.预测控制在单元机组协调控制系统中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2011.