本發(fā)明涉及一種基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，屬于熱能動(dòng)力工程和自動(dòng)控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)一般采用“負(fù)荷指令前饋”+“pid反饋”的調(diào)節(jié)方案，由于鍋爐煤量對主蒸汽壓力影響的慣性時(shí)間長，而汽機(jī)的慣性時(shí)間很短，鍋爐跟不上汽機(jī)的能量需求容易造成機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差、關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)大等后果。變負(fù)荷率在1％pe/min左右，agc的考核速率和精度不理想；變負(fù)荷過程中經(jīng)常出現(xiàn)0.7～0.8mpa幅度的控制偏差，且長時(shí)間振蕩不易穩(wěn)定；由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的水煤比控制不合理，主汽溫波動(dòng)達(dá)10～15℃，常需要手動(dòng)干預(yù)；主汽溫易長時(shí)間偏低，大部分時(shí)間均低于設(shè)定值5℃左右運(yùn)行。因此，采用簡單的pid控制方案很難取得理想的控制效果。

從控制原理講，預(yù)測控制可以實(shí)現(xiàn)鍋爐的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)，能夠有效“提前”鍋爐熱負(fù)荷的調(diào)整，確保鍋爐能與汽輪機(jī)充分協(xié)調(diào)。超臨界協(xié)調(diào)系統(tǒng)對象是3×3的多變量對象，很多控制作用必須限制在一定的范圍內(nèi)，應(yīng)用時(shí)必須采用受限的多變量預(yù)測控制算法，并采用基于二次型性能指標(biāo)的優(yōu)化策略求解預(yù)測控制問題，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法十分復(fù)雜難以應(yīng)用于工程實(shí)際；變結(jié)構(gòu)控制能夠利用切換函數(shù)將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為求解控制量。本發(fā)明提出一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制算法都較為簡單的基于變結(jié)構(gòu)的預(yù)測控制算法，在此基礎(chǔ)上，提出了基于變結(jié)構(gòu)控制思想的火電機(jī)組協(xié)調(diào)優(yōu)化控制系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效改善火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制品質(zhì)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，包括變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器、煤量指令前饋模塊、水煤比函數(shù)模塊以及鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊；其中，變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制模塊、水煤比函數(shù)模塊位于主控制回路中，煤量指令前饋模塊位于前饋控制回路中，鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊位于優(yōu)化控制回路中；煤量指令前饋模塊位于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制模塊之前，提前對煤量指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；水煤比函數(shù)模塊通過煤量與水量之間的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出給水量指令；鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊分別施加到給煤量指令和給水量指令，對給煤量和給水量進(jìn)行優(yōu)化。

其中，所述主控制回路采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器，所述變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器內(nèi)部主汽溫度預(yù)測模型為受給煤量或給水量影響的線性函數(shù)模型。

其中，所述鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊采用受中間點(diǎn)溫度和溫度變化率影響的非線性函數(shù)模型。

進(jìn)一步地，所述變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器包括過程輸出預(yù)測模塊、目標(biāo)函數(shù)計(jì)算模塊和控制量計(jì)算模塊，所述過程輸出預(yù)測模塊用于計(jì)算未來各個(gè)采樣時(shí)刻過程輸出的預(yù)測值；所述目標(biāo)函數(shù)計(jì)算模塊為根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)公式計(jì)算函數(shù)值；所述控制量計(jì)算模塊用于求解變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法中的最優(yōu)控制量。

作為優(yōu)選，所述變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器未來n個(gè)采樣點(diǎn)的過程輸出(主汽壓力)為：

式中，為t+n時(shí)刻過程輸出的預(yù)測值；為t+n時(shí)刻過程所受擾動(dòng)的預(yù)測值；n為預(yù)測步數(shù)；si為第i個(gè)階躍響應(yīng)系數(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)測試得到；δu(t)＝u(t)-u(t-1)為當(dāng)前時(shí)刻的控制量(給煤量或給水量)增量；為t+n時(shí)刻過程所受擾動(dòng)的預(yù)測值。

作為優(yōu)選，所述變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的預(yù)測控制的目標(biāo)函數(shù)j為：

式中，r為被控對象(主汽壓力)的設(shè)定值；si為階躍響應(yīng)系數(shù)；λ為常數(shù)；δu(t)＝u(t)-u(t-1)為當(dāng)前時(shí)刻的控制量增量；n為正整數(shù)；u為控制量；n為預(yù)測步長；為當(dāng)前時(shí)刻過程所受擾動(dòng)量的估計(jì)值。

采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測技術(shù)可利用切換函數(shù)將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為求解控制量：

并滿足約束條件：ul＜u(k)＜uh；

式中，ul和uh分別為過程控制輸入的下限和上限；分別為輸入量在u(t-1)和u(t)時(shí)所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值和

作為優(yōu)選，所述鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊采用受中間點(diǎn)溫度及溫度變化率影響的非線性模型由現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出，具體方法為：通過在多個(gè)負(fù)荷點(diǎn)上的階躍響應(yīng)試驗(yàn)測得中間溫度，通過中間溫度變化量與采樣周期的比值得出中間溫度變化率，計(jì)算出中間溫度變化量和中間溫度變化率的乘積，通過常規(guī)數(shù)據(jù)擬合的方法擬合出該乘積與燃水比分配系數(shù)之間的非線性函數(shù)。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊的控制方法為：當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差不大時(shí)，說明燃水比失配并不嚴(yán)重，此時(shí)單純校正燃料側(cè)燃料量來調(diào)節(jié)燃水比，減小對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)；當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差大于某一閾值dbw時(shí)，即δt＞dbw時(shí)，給水側(cè)校正回路開始投入，彌補(bǔ)燃料側(cè)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，控制汽溫偏差在合理范圍內(nèi)；當(dāng)中間點(diǎn)溫度差時(shí)，λw為始終為1，燃水比校正作用完全由給水側(cè)完成；若溫度差和溫度差的變化率的乘積led(δt)*δt為正，說明溫度差有逐步擴(kuò)大的趨勢，則給水側(cè)校正回路提前投入，相應(yīng)增加λw；若溫度差和溫度差的偏差變化率的乘積led(δt)*δt為負(fù)，說明溫度差有逐步收斂的趨勢，相應(yīng)減少λw，削弱給水側(cè)校正強(qiáng)度，防止過調(diào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果為：

本發(fā)明基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制技術(shù)的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，通過變結(jié)構(gòu)將求解控制量的問題簡單化，在無需復(fù)雜計(jì)算的情況下，能夠得出控制量的最優(yōu)解，比傳統(tǒng)的預(yù)測算法相比更加容易求解，十分適用于工程實(shí)際；新型的燃水比控制策略能夠提高機(jī)組的變負(fù)荷速率，對機(jī)組的變負(fù)荷十分有效；本發(fā)明基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)使得機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性得到了明顯的提升。

附圖說明

圖1本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)原理示意圖；

圖2本發(fā)明實(shí)施例的新型鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊的原理示意圖；

圖3為本發(fā)明基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)原理示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于此。

本發(fā)明針對火電機(jī)組鍋爐跟不上汽機(jī)的能量需求容易造成機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能差、關(guān)鍵參數(shù)波動(dòng)大等問題，提出了基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制技術(shù)的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，在主控制回路中，采用了變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法，在鍋爐燃水比調(diào)節(jié)方面采用新型燃水比控制策略，本發(fā)明的控制技術(shù)能夠在保證系統(tǒng)穩(wěn)定和安全性的前提下，“提高”鍋爐調(diào)節(jié)速率，使鍋爐能夠跟上汽輪機(jī)的能量需求，在變負(fù)荷過程中保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高調(diào)節(jié)速率。

如圖1所示，本發(fā)明的基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器作為主控制回路的主控器，并在燃水比調(diào)節(jié)中采用新型鍋爐燃水比優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器可方便地對被控過程實(shí)施受限預(yù)測控制，具有計(jì)算量小、計(jì)算速度快，實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)；變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的內(nèi)部主汽溫度預(yù)測模型采用受給煤量或給水量影響的線性函數(shù)模型；燃水比優(yōu)化控制策略采用受中間點(diǎn)溫度及溫度變化率影響的非線性函數(shù)模型。

本發(fā)明的基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法的火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)包括變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制模塊、煤量指令前饋模塊、水煤比函數(shù)模塊以及鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊；其中，變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制模塊、水煤比函數(shù)模塊位于主控制回路中，煤量指令前饋模塊位于前饋控制回路中，鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊位于優(yōu)化控制回路中；煤量指令前饋模塊位于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制模塊之前，提前對煤量指令進(jìn)行調(diào)節(jié)；水煤比函數(shù)模塊通過煤量與水量之間的對應(yīng)關(guān)系計(jì)算出給水量指令；鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊分別施加到給煤量指令和給水量指令，對給煤量和給水量進(jìn)行優(yōu)化。其中，po、pt的偏差通過變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的輸出與煤量指令前饋模塊輸出生成煤量指令，煤量指令通過水燃比函數(shù)模塊生成給水量指令，給煤量和給水量指令通過鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊輸出最終的給煤量和給水量指令。

本發(fā)明火電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器包括：過程輸出預(yù)測模塊，用于計(jì)算未來各個(gè)采樣時(shí)刻過程輸出的預(yù)測值，用來求解與當(dāng)前設(shè)定值之間的偏差；目標(biāo)函數(shù)計(jì)算模塊，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)公式計(jì)算函數(shù)值；控制量計(jì)算模塊，用于求解變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制算法中的控制量。

變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的控制方法為：

設(shè)u和y為分別為控制作用(即控制系統(tǒng)中的給煤量或給水量)和過程輸出(即控制系統(tǒng)中的主汽壓力)，變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器未來n個(gè)采樣點(diǎn)的過程輸出(主汽壓力)為：

式中，為t+n時(shí)刻過程輸出的預(yù)測值；為t+n時(shí)刻過程所受擾動(dòng)的預(yù)測值；n為預(yù)測步數(shù)；si為第i個(gè)階躍響應(yīng)系數(shù)，通過多次實(shí)驗(yàn)測試得到；δu(t)＝u(t)-u(t-1)為當(dāng)前時(shí)刻的控制量(給煤量或者給水量)增量；為t+n時(shí)刻過程所受擾動(dòng)的預(yù)測值。

變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的預(yù)測控制的目標(biāo)函數(shù)j為：

式中，r為被控對象(主汽壓力)的設(shè)定值；si為階躍響應(yīng)系數(shù)；λ為常數(shù)；δu(t)＝u(t)-u(t-1)為當(dāng)前時(shí)刻的控制量增量；n為正整數(shù)；u為控制量；n為預(yù)測步長；為當(dāng)前時(shí)刻過程所受擾動(dòng)量的估計(jì)值。

采用變結(jié)構(gòu)思想可利用切換函數(shù)將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為求解控制量：

并滿足約束條件：ul＜u(k)＜uh；

式中，ul和uh分別為過程控制輸入的下限和上限；分別為輸入量為u(t-1)和u(t)時(shí)所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值和

假定過程當(dāng)前及未來的控制序列為一恒定值，且其大小等于前一采樣時(shí)刻的控制量，則有：δu(t+n-i)＝0，i＝1，...，n，通過推導(dǎo)可得，變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器的控制量u(t)：

當(dāng)時(shí)：

當(dāng)時(shí)：

式中，uh為控制量的上限，ul為控制量的下限；n為預(yù)測步長；sn、sn-1分別為第n、n+1采樣時(shí)刻的階躍響應(yīng)系數(shù)；λ為常數(shù)；u為控制量；為當(dāng)前時(shí)刻過程所受擾動(dòng)量的估計(jì)值。

鍋爐燃水比優(yōu)化控制模塊的控制方法為：

(1)當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差不大時(shí)，說明燃水比失配并不嚴(yán)重，此時(shí)單純校正燃料側(cè)燃料量來調(diào)節(jié)燃水比，減小對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)；

(2)當(dāng)中間點(diǎn)溫度偏差大于某一閾值dbw時(shí)，即δt＞dbw時(shí)，給水側(cè)校正回路開始投入，彌補(bǔ)燃料側(cè)調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，控制汽溫偏差在合理范圍內(nèi)；

(3)當(dāng)中間點(diǎn)溫度差時(shí)，λw為始終為1，燃水比校正作用完全由給水側(cè)完成；

(4)若溫度差和溫度差的變化率的乘積led(δt)*δt為正，說明溫度差有逐步擴(kuò)大的趨勢，則給水側(cè)校正回路提前投入，相應(yīng)增加λw；

(5)若溫度差和溫度差的偏差變化率的乘積led(δt)*δt為負(fù)，說明溫度差有逐步收斂的趨勢，相應(yīng)減少λw，削弱給水側(cè)校正強(qiáng)度，防止過調(diào)。

其中，dbw通常為一定值，根據(jù)運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，kw為增益模塊的增益系數(shù)，led(δt)為中間溫度變化率，f(·)為非線性模型通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出。

相比于傳統(tǒng)的鍋爐燃水比控制方法，新型鍋爐燃水比優(yōu)化控制方法采用燃料量與給水流量同時(shí)參與中間點(diǎn)溫度的校正。

下面以某發(fā)電有限公司1000mw超臨界機(jī)組采用本發(fā)明的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)為例。

主汽壓力控制：主汽壓力幾乎始終與設(shè)定值完全重合，僅極個(gè)別時(shí)間存在0.1～0.2mpa的控制偏差，控制性能非常優(yōu)秀；

主汽溫度控制：除極短時(shí)間內(nèi)由于啟停磨煤機(jī)造成主汽溫有約9℃的波動(dòng)，其它時(shí)間主汽溫度偏差僅為2～3℃，且控制非常平穩(wěn)。

再熱汽溫控制：在各種啟停磨磨煤機(jī)變負(fù)荷擾動(dòng)下，再熱汽溫波動(dòng)幅度僅為3～4℃，且控制非常平穩(wěn)；

本實(shí)施例采用本發(fā)明控制系統(tǒng)后：實(shí)施agc協(xié)調(diào)優(yōu)化控制后，由于主汽壓力、主汽溫度及再熱汽溫等關(guān)鍵參數(shù)控制性能明顯提高，參數(shù)的動(dòng)態(tài)偏差大幅減小，且不再振蕩；控制系統(tǒng)的穩(wěn)定，使得機(jī)組的燃料、給水、送風(fēng)等各控制量的變化十分平穩(wěn)，十分有利于減小鍋爐水冷壁和過熱器管材的熱應(yīng)力，對防止氧化皮脫落和鍋爐爆管有明顯的作用；由于在機(jī)組的負(fù)荷升降速率和調(diào)節(jié)精度的性能方面得到了明顯的提升，改善了機(jī)組的調(diào)峰、調(diào)頻能力；在未投入優(yōu)化控制系統(tǒng)之前，高壓調(diào)門平均開度為35％，agc考核速率也僅為1.3％/min以下；而投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，已將高壓調(diào)門平均開度提高到45％，平均的agc速率也能達(dá)1.6％/min，很明顯投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后的機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)性能明顯提升；在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)之前，由于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的水煤比控制不佳，主汽溫易長時(shí)間偏低，很大部分時(shí)間均低于設(shè)定值5～10℃運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受到明顯影響；在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，在穩(wěn)定負(fù)荷及升降負(fù)荷過程中，絕大部分時(shí)間主汽溫僅存在2℃～3℃的偏差，汽溫控制非常平穩(wěn)，且提高了主汽溫的運(yùn)行平均值約5℃，可降低煤耗0.58g/kwh；在投入優(yōu)化系統(tǒng)之前，再熱汽溫控制與主汽溫控制情況類似，在溫度快速上升時(shí)易超溫，再熱汽溫經(jīng)常超過設(shè)定值10℃以上，而大部分時(shí)間再熱汽溫又偏低，再熱汽溫經(jīng)常低于設(shè)定值10～20℃運(yùn)行，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性受到明顯影響；在投入優(yōu)化控制系統(tǒng)后，在各種啟停磨及變負(fù)荷擾動(dòng)下，再熱汽溫波動(dòng)幅度僅為3～4℃，且控制非常平穩(wěn)；再熱汽溫的運(yùn)行平均值約提高了5℃，可降低煤耗0.28g/kwh；#2機(jī)組在未投入優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，只能通過設(shè)定較高的主汽壓力，使高壓調(diào)門平均開度在35％附近時(shí)才能通過考核；而在#2機(jī)組投入優(yōu)化系統(tǒng)后，可大幅降低主汽壓力設(shè)定值，高壓調(diào)門平均開度在45％附近運(yùn)行時(shí)，仍能滿足江蘇調(diào)度的agc考核要求；根據(jù)測算，高壓調(diào)門平均開度從35％提高到45％，約可降低煤耗0.5～0.6g/kwh。

以上實(shí)施例表明：基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制技術(shù)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，可有效改善協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能，提高機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能，減小關(guān)鍵參數(shù)的波動(dòng)，大大提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定。

本發(fā)明的基于變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制思想的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法應(yīng)用于火電機(jī)組的協(xié)調(diào)控制，采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制器作為主控制回路的控制器，同時(shí)采用一種新型鍋爐燃水比控制方法控制燃料量和給水量。通過采用變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制利用切換函數(shù)將控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為求解控制量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，具有算法簡單，求解容易的特點(diǎn)；新型鍋爐燃水比控制方法在實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)預(yù)測控制的基礎(chǔ)上優(yōu)化煤水比，可以較大的消除給水流量調(diào)節(jié)燃水比所帶來對機(jī)組負(fù)荷、汽壓的擾動(dòng)。該協(xié)調(diào)優(yōu)化控制方法能夠有效提高機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)性能，減小了關(guān)鍵參數(shù)如主汽壓力、主汽溫度的波動(dòng)，大大提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。