[发明专利]一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，属于热能动力工程和自动控制领域。

背景技术

火电机组协调控制系统一般采用“负荷指令前馈”+“PID反馈”的调节方案，由于锅炉煤量对主蒸汽压力影响的惯性时间长，而汽机的惯性时间很短，锅炉跟不上汽机的能量需求容易造成机组负荷调节性能差、关键参数波动大等后果。变负荷率在1％Pe/min左右，AGC的考核速率和精度不理想；变负荷过程中经常出现0.7～0.8MPa幅度的控制偏差，且长时间振荡不易稳定；由于协调控制系统的水煤比控制不合理，主汽温波动达10～15℃，常需要手动干预；主汽温易长时间偏低，大部分时间均低于设定值5℃左右运行。因此，采用简单的PID控制方案很难取得理想的控制效果。

从控制原理讲，预测控制可以实现锅炉的热负荷调节，能够有效“提前”锅炉热负荷的调整，确保锅炉能与汽轮机充分协调。超临界协调系统对象是3×3的多变量对象，很多控制作用必须限制在一定的范围内，应用时必须采用受限的多变量预测控制算法，并采用基于二次型性能指标的优化策略求解预测控制问题，其系统设计和控制算法十分复杂难以应用于工程实际；变结构控制能够利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量。本发明提出一种系统设计和控制算法都较为简单的基于变结构的预测控制算法，在此基础上，提出了基于变结构控制思想的火电机组协调优化控制系统。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，该系统能够有效改善火电机组的协调控制品质。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种基于变结构预测控制算法的火电机组协调控制系统，包括变结构预测控制器、煤量指令前馈模块、水煤比函数模块以及锅炉燃水比优化控制模块；其中，变结构预测控制模块、水煤比函数模块位于主控制回路中，煤量指令前馈模块位于前馈控制回路中，锅炉燃水比优化控制模块位于优化控制回路中；煤量指令前馈模块位于变结构预测控制模块之前，提前对煤量指令进行调节；水煤比函数模块通过煤量与水量之间的对应关系计算出给水量指令；锅炉燃水比优化控制模块分别施加到给煤量指令和给水量指令，对给煤量和给水量进行优化。

其中，所述主控制回路采用变结构预测控制器，所述变结构预测控制器内部主汽温度预测模型为受给煤量或给水量影响的线性函数模型。

其中，所述锅炉燃水比优化控制模块采用受中间点温度和温度变化率影响的非线性函数模型。

进一步地，所述变结构预测控制器包括过程输出预测模块、目标函数计算模块和控制量计算模块，所述过程输出预测模块用于计算未来各个采样时刻过程输出的预测值；所述目标函数计算模块为根据设定的目标函数公式计算函数值；所述控制量计算模块用于求解变结构预测控制算法中的最优控制量。

作为优选，所述变结构预测控制器未来N个采样点的过程输出(主汽压力)为：

式中，为t+N时刻过程输出的预测值；为t+N时刻过程所受扰动的预测值；N为预测步数；S_i为第i个阶跃响应系数，通过多次实验测试得到；Δu(t)＝u(t)-u(t-1)为当前时刻的控制量(给煤量或给水量)增量；为t+N时刻过程所受扰动的预测值。

作为优选，所述变结构预测控制器的预测控制的目标函数J为：

式中，r为被控对象(主汽压力)的设定值；S_i为阶跃响应系数；λ为常数；Δu(t)＝u(t)-u(t-1)为当前时刻的控制量增量；n为正整数；u为控制量；N为预测步长；为当前时刻过程所受扰动量的估计值。

采用变结构预测技术可利用切换函数将控制系统的设计转化为求解控制量：

并满足约束条件：u_L＜u(k)＜u_H；

式中，u_L和u_H分别为过程控制输入的下限和上限；分别为输入量在u(t-1)和u(t)时所对应的目标函数值和

作为优选，所述锅炉燃水比优化控制模块采用受中间点温度及温度变化率影响的非线性模型由现场实验数据拟合得出，具体方法为：通过在多个负荷点上的阶跃响应试验测得中间温度，通过中间温度变化量与采样周期的比值得出中间温度变化率，计算出中间温度变化量和中间温度变化率的乘积，通过常规数据拟合的方法拟合出该乘积与燃水比分配系数之间的非线性函数。