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火電廠熱控系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的MATALB實(shí)現(xiàn)

更新時(shí)間:2011-08-15      點(diǎn)擊次數(shù):4403
  摘要:針對(duì)目前火電廠熱控系統(tǒng)中大量DCS參數(shù)運(yùn)行調(diào)試現(xiàn)狀,提出了采用MATALB進(jìn)行火電廠熱控系統(tǒng)DCS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)方案,介紹了MATALB提供的非線性優(yōu)化工具模塊的使用技術(shù)和控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化實(shí)例。
  
  1引言
  
  目前火電廠熱控系統(tǒng)已廣泛采用分散控制系統(tǒng)DCB。DCS控制系統(tǒng)基本是由一些簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)組態(tài)而成,如將基本的和各種變形的PID調(diào)節(jié)器、微分器、一階慣性環(huán)節(jié)等’組態(tài)構(gòu)成的鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)、鍋爐過(guò)熱汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng),以及機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)等。DC$所構(gòu)成的控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是各基本單元簡(jiǎn)單而標(biāo)準(zhǔn)化,復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)用標(biāo)準(zhǔn)基本單元的復(fù)雜連接而完成。這使得DCS環(huán)境下的控制系統(tǒng)具有可任意組態(tài)的特點(diǎn),并使得DCS系統(tǒng)在實(shí)際使用到具體工程時(shí)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)才*確定下來(lái)。由于各個(gè)具體工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與安裝及運(yùn)行往往都不*一致,影響了許多成功的控制器參數(shù)優(yōu)化技術(shù)和軟件包在不同DCS實(shí)際工程環(huán)境的推廣應(yīng)用。并且由于實(shí)際工程調(diào)試時(shí)間緊,控制系統(tǒng)運(yùn)行責(zé)任重大,工程經(jīng)初步調(diào)試和168小時(shí)投運(yùn)后,控制系統(tǒng)幾乎就不再做參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn),控制系統(tǒng)的優(yōu)化性能常常沒(méi)有充分發(fā)揮[1]。
  
  —般說(shuō)來(lái),控制系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題大致可分為兩類:一類是調(diào)節(jié)器的型式已經(jīng)確定(如DCS中的PI、PID調(diào)節(jié)規(guī)律)時(shí),通過(guò)調(diào)整控制器參數(shù),使某目標(biāo)函數(shù)達(dá)到*:另一類為控制對(duì)象已知,尋找*控制作用使某目標(biāo)函數(shù)達(dá)到*,包括尋找控制器的結(jié)構(gòu)、型式及參數(shù)等?;痣姀S熱控系統(tǒng)采用DCS時(shí)的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)器的類型是確定的,故控制系統(tǒng)的優(yōu)十七就是整定調(diào)節(jié)器參數(shù)。調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定除可以采用傳統(tǒng)的頻域分析法外,也可用參數(shù)優(yōu)化的方法予以解決[2]。
  
  參數(shù)優(yōu)化有兩種途徑:一種是間接尋優(yōu),在得到目標(biāo)函數(shù)解析式的基礎(chǔ)上,根據(jù)該目標(biāo)函數(shù)取極值的充分必要條件,計(jì)算出參數(shù)的*解;另一種為直接尋優(yōu),即直接在參數(shù)空間中,按照一定的規(guī)律進(jìn)行探索尋優(yōu),尋得的目標(biāo)函數(shù)即為*的參數(shù)點(diǎn)?;痣姀S熱控系統(tǒng)由于存在大量的非線性和純遲延,解析分析計(jì)算較困難,本文將介紹利用MATALB軟件包中非線性優(yōu)化工具NCD(Nonlinem·,ControlDesign),進(jìn)行火電廠熱控系統(tǒng)DCS中PID控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法。在介紹MATALB提供的非線性優(yōu)化工具模塊的使用技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合系統(tǒng)非線性、純遲延和變參數(shù)特點(diǎn),給出將該技術(shù)應(yīng)用于火電廠風(fēng)量控制雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化實(shí)例。
  
  2采用MATALB實(shí)現(xiàn)火電廠熱控非線性系統(tǒng)優(yōu)化
  
  MATALB已成為通用的控制系統(tǒng)分析工具[3兒它不但有用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真的Simulink工具箱,還開發(fā)了一個(gè)于非線性控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)的工具箱NCD(NonlinearControlDesign)。借助于NCD工具箱,不但可以利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真與分,析,而且可以利用Simulink進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。非線性系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以參考DEMO中的典型示例進(jìn)行。在創(chuàng)建火電廠熱控應(yīng)用系統(tǒng)時(shí),可將典型示例的模塊拷貝到該應(yīng)用系統(tǒng)中使用。
  
  某電廠300MW機(jī)組采用西門子T/MPDCS系統(tǒng)。機(jī)組投運(yùn)AGC時(shí)需要對(duì)各級(jí)子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以便能在安全約束下較快地響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷需求、DCS中的送(引)風(fēng)系統(tǒng)為雙執(zhí)行機(jī)構(gòu),其簡(jiǎn)化仿真系統(tǒng)如圖1。送(引)風(fēng)A、B兩側(cè)回路由偏置系數(shù)C2協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)多輸出控制(MOCS)。圖中FD-A和m—B分別表示A側(cè)和B側(cè)的調(diào)節(jié)通道,仿真中用有區(qū)別的小慣性環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。風(fēng)量對(duì)象的模型圖中用Plant表示(Plant的實(shí)際特性如圖2)。圖1上部方框(u’,data-inputl)為在電廠采集的實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)量指令數(shù)據(jù),可經(jīng)開關(guān)叨換送入Plant模型得到仿真輸出風(fēng)量信號(hào),將該仿真輸出風(fēng)量信號(hào)與實(shí)際的輸出風(fēng)量信號(hào)進(jìn)行比較可以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,并提供?yōu)化結(jié)果可用與否的參考。FD644ini為Matlab優(yōu)化的初始化文件,而NCD-Outpu就是Matlab的非線性仿真優(yōu)化工具。
  
  利用NCD工具箱。火電廠熱控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)十t任務(wù)可很方便的進(jìn)行。NCD的使用方法是:在MATALBCOMMAND窗口下鍵人ncdblock,即可彈出NonlinearControlDesignBlockset模塊庫(kù)。這里有一個(gè)用于優(yōu)化的模塊NCDOutput.把它連接到要優(yōu)化的用Simulink建立的應(yīng)用系統(tǒng)框圖模型的輸出端,啟動(dòng)仿真,則系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)自動(dòng)進(jìn)行。
  
  為了介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和步驟,下面結(jié)合風(fēng)量系統(tǒng)實(shí)例來(lái)說(shuō)明。
  
  3NCD優(yōu)化技術(shù)
  
  設(shè)圖1火電廠風(fēng)量控制對(duì)象Plant的傳遞函數(shù)可表達(dá)式為:
  
  此處設(shè)系統(tǒng)包含飽和環(huán)節(jié)和速度限制環(huán)節(jié)兩個(gè)非線性環(huán)節(jié),以及一個(gè)純遲延環(huán)節(jié)。再設(shè)系統(tǒng)參數(shù)具有不確定因素:a2在40∽50之間變化,a1在1.5∽4.5范圍內(nèi)變化。運(yùn)行中可變參數(shù)平衡點(diǎn)為a2=43,a1=3。
  
  控制系統(tǒng)采用PID調(diào)節(jié)時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)任務(wù)為:設(shè)計(jì)一組PID控制器參數(shù),使該單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)滿足:zui大超調(diào)量不大于20%;上升時(shí)間不大于los;調(diào)整時(shí)間不大于30s。并且還希望閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)不確定因素a1、a2具有魯棒性。
  
  優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法和步驟主要如下:
  
 ?。?)用Simulink建立控制對(duì)象模型(包括速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限幅環(huán)節(jié)、飽和環(huán)節(jié)和對(duì)象傳遞函數(shù))如圖2;
  
 ?。?)在MATLABCOMMAND窗口中輸人命令ncdblock;將NCDOutput模塊與Step階躍輸入、PID等一起構(gòu)成控制系統(tǒng),建立如圖l所示的用于參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的Simulink模型方框圖。其中的控制對(duì)象為圖2的子系統(tǒng),PID為Simulink提供的標(biāo)準(zhǔn)模塊。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)DCS算法定制。
  
 ?。?)雙占NCDOutput模塊,彈出NCDBlockset約束窗口,如圖3所示
  
 ?。?)選擇Options菜單:
  
 ?、偻ㄟ^(guò)StepResponse命令定義階躍響應(yīng)性能限制:調(diào)整時(shí)間30s;上升時(shí)間10s;穩(wěn)態(tài)誤差百分?jǐn)?shù)5;超調(diào)量百分?jǐn)?shù)20:振蕩負(fù)幅值百分?jǐn)?shù)1。階躍響應(yīng)性能限制也可以直接用鼠標(biāo)在NCDBlockset約束窗口設(shè)置。
  
 ?、谶x擇Timerange命令,設(shè)置X軸0—100s。
  
 ?、圻x擇輸出坐標(biāo)Y—Axis命令,設(shè)置Y軸幅值0.131—1.321。
  
  (5)選擇Optimization(優(yōu)化)菜單
  
 ?、龠x擇Pammeters命令,定義待優(yōu)化調(diào)整變量及有關(guān)參數(shù)如下:待調(diào)整優(yōu)化變量Kp,Ki,Kd及其上下限,變量允差(0.001)和約束允差(0.001)。
  
  ②選擇uncertainty命令,定義不確定變量及有關(guān)參數(shù):不確定變量為ala2及其上下限[al/240]、[a1*250]
  
 ?。?)利用初始化模塊FD644ini對(duì)系統(tǒng)模型參數(shù)初始化:Kp=0.6;Ki=0.05;Kd=2;a2=43;al=3
  
  (7)選擇Optimization菜單start命令,開始對(duì)調(diào)整變量的優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程實(shí)質(zhì)上是利用MATLAB優(yōu)化工具箱函數(shù)constr.m對(duì)調(diào)整變量Kp,Ki,Kd進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,直到系統(tǒng)階躍響應(yīng)指標(biāo)的約束條件得到滿足為止的過(guò)程。優(yōu)化時(shí)NCDBlockset約束窗口不斷顯示階躍響應(yīng)曲線,MATLABCOMMAND窗口也不斷顯示有關(guān)信息,一旦性能約束條件滿足
  
  ,優(yōu)化過(guò)程停止。
  
 ?。?)優(yōu)化結(jié)束后,在MATLABCOMMAND窗口,鍵人優(yōu)化整定的變量名,即得到優(yōu)化的參數(shù)值:
  
  Kp=2.3449;Ki=0.1115;Kd=10.3382
  
  NCDBlockset約束窗口如圖3,初始階躍響應(yīng)為曲線1,控制器的優(yōu)化的系統(tǒng)階躍響應(yīng)為曲線2。將該組優(yōu)化的PID參數(shù)與DCS系統(tǒng)中現(xiàn)有的參數(shù)比較,則可以根據(jù)實(shí)際工況修正原參數(shù),從而得到優(yōu)化的系統(tǒng)。
  
  若風(fēng)機(jī)A、B側(cè)的PID參數(shù)需要分別優(yōu)化時(shí),則可將圖l中:PID的參數(shù)分別用:Kpl、Ki1、Kdl、Kp2、Ki2、Kd2表示,在參數(shù)初始化時(shí)作相應(yīng)考慮,即可得到優(yōu)化結(jié)果。若將圖二的復(fù)雜模型變換為電廠熱控中常用的對(duì)象模型,即將Plant的模型僅用多個(gè)慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)表示時(shí),優(yōu)化的方法和步驟仍基本相同,只是免去了參數(shù)的不確定性和非線性。
  
  4結(jié)束語(yǔ)
  
  本文在分析現(xiàn)有DCS中PID控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了采用MATLAB軟件包進(jìn)行火電廠DCS中PID參數(shù)非線性優(yōu)化的方法,給出了采用MATLAB的非線性優(yōu)化模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)優(yōu)化的實(shí)例,結(jié)合火電廠送風(fēng)雙執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了討論。應(yīng)用該優(yōu)化技術(shù)時(shí),應(yīng)注意仿真尋優(yōu)對(duì)初值的依賴,NCD優(yōu)化給出的是初值附近的局部*解而不是全局*解。在某電廠300MW機(jī)組CCS系統(tǒng)細(xì)調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)組AGC的工作中,采用MAYUBNCD的輔助優(yōu)化方法取得了成效。
  
  參考文獻(xiàn)
  
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