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火电厂控制系统性能优化调试技术

李平康 北方交通大学机械与控制工程学院副院长,教授

100044,北京

社会兼职

1998任中国自动化学会制造技术专业委员会委员

1998中国电机工程学会高级会员

1997华北电力技术院自动化与信息专业A级专家

科研项目

国家电力总公司华北集团科技课题:现代热工自动化系统DCS调试仿真与优化技术;

电厂DCS系统性能参数分析和优化调整;

火电厂分散控制系统性能测试台研制与应用

200MW机组DCS系统改造

 

1.优化调试意义简介

在电力生产过程中,PID调节是应用最为广泛的控制方法,具有易于实现、适用范围广、参数整定简单、鲁棒性好等优点,特别适用于对象动态特性未完全掌握、得不到精确数学模型、难以用控制理论来进行分析和综合的场合。但对于不同的PID参数,系统的控制效果大不相同,应用某些参数时可以得到较好的控制效果,而应用另外一些参数时则无法到达稳态,甚至崩溃,给安全生产造成极大的威胁。此外,随着厂网分开、竞价上网的实行,经济性正逐步成为各发电企业关注的首要问题,要提高自己的竞争力就必须改善设备的运行状况,努力降低发电成本。正常的设备维护和检修有助于保持良好的开环特性,但在运行中真正决定系统性能的还是其闭环特性,而系统的闭环特性有很大程度上取决于PID控制器的性能。因此在实际运行过程中必须要对PID参数进行整定,尤其是在设备经历了较大的变动如大修后,这对于保证机组的安全运行以及节能降耗都具有重要意义。

 

2.优化调试原理性方案

随着计算机技术和最优控制理论的发展,PID参数的整定方法发生了很大的变化,出现了一些基于计算机的PID参数最优整定方法。最优控制理论的应用,加上计算机的高速运算能力,赋予了PID参数优化这样的多变量最优化问题新的生命力,PID控制器的最优化整定方法是针对特定的系统建立数学模型,运用诸如最速下降法等各种数值解法按照一定的性能指标进行优化。常用的性能指标有各种积分型指标,如ISEIAEISTEITAE等指标。

基于遗传算法的PID参数优化是一种基于成熟应用软件的优化方法,优化过程中可以得到专业软件强大的功能支持。如基于MATLAB的对PID参数进行优化设计的方法,在MATLAB的专业功能支持下,可以方便地获得对应PID参数的阶跃响应数据,进一步可以得出各种性能指标,同时MATLAB本身带有各种优化工具箱。如以ZN法或建模得到的参数邻域作为搜索空间,使用遗传算法工具箱进行优化。该方法融合了遗传算法GAMATLAB编程和SIMULINK仿真技术,使得优化设计摆脱了复杂的公式和图表,在工程应用上具有广阔的前景,是一条优化的新途径。

 

3.模型辨识试验

基本步骤如下:

1)设计辨识试验的时间、采样周期、采样信号标识、系统稳态运行工况点等,并在DCS中进行组态。

2DCS按等间隔采样进行数据采集,数据存盘为数据报表格式(.TXT文本格式)文件。进行开环试验的数据用于建模,而闭环试验的数据可用于验证模型。

3)将DCS的数据报表格式的文本文件(按页的形式)处理成连续的数据文件。如采用Excel等处理DCS生成的TXT文件,得到供建模使用的数据文件。

4)运行Matlab,进行辨识建模,得到系统的ARX及状态方程模型(或阶跃响应模型)。

5)仿真比较模型输出与实际响应(或阶跃响应),判断模型的合理性。

6)对合理模型,进行模型验证并分析对象特性的鲁棒性和静态增益等。对不合理模型,考虑重新建模,或重新采集数据。

 

4控制系统参数优化

要求:尽量在现有控制系统结构下,优化PID参数和前馈系数.

原理:因控制系统的开环传递函数由控制器Gc(s)和控制对象Gp(s)构成,在辨识得到了控制对象模型后,系统的优化问题成为确定控制器中PID参数。 简单起见设优化的目标函数取为误差平方和IE(也可以取为时间乘误差平方ITE等型式)

而过程辨识的一阶迟延模型为:

其中NumDen分别为模型传函的分子和分母。控制器的控制规律为PID(比例积分微分):

过程优化要求在式(3)和(4)的约束条件下,寻求最优参数X={ },使目标函数(1)取得最优值。为采用计算机进行优化,(3)、(4)可转换为时间域,或将指标(1)转换为频域。如(3)的模型可以用更一般的表示:      

 

附:200MW机组MCS系统优化:

26套自动调节系统。主要系统如下:

1、  协调控制系统;

2、  燃料调节系统;

3、  一次风压调节系统;

4、  送风量调节系统;

5、  炉膛负压调节系统;

6、  汽包水位调节系统;

7、  2#给水泵再循环控制系统;

8、  1#--4#磨风量调节系统;

9、  1#--4#磨出口温度调节系统;

10、左、右侧主汽温度调节系统;

11、左、右侧后屏出口温度调节系统;

12、左、右侧再热汽温调节系统;

13、除氧器压力调节系统;

14、除氧器水位调节系统;

15、凝汽器水位调节系统;

16、轴封供汽压力调节系统;

17、点火油压调节系统;

另外还包括下列5套远方操作设备:

1、    1#2#暖风器出口调节阀远方操作;

2、    1#--4#密封风压调节档板远方操作;

3、    AH层二次风调节档板远方操作;

4、    锅炉连续排污调节阀远方操作;

5、    1#给水泵再循环调节阀远方操作;

                              

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