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

　　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。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)化性能常常沒有充分發(fā)揮[1]。
　　
　　—般說來，控制系統(tǒng)的優(yōu)化問題大致可分為兩類：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。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)例來說明。
　　
　　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。
　　
　　（3）雙占NCDOutput模塊，彈出NCDBlockset約束窗口，如圖3所示
　　
　?。?）選擇Options菜單：
　　
　?、偻ㄟ^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。
　　
　　②選擇Timerange命令，設(shè)置X軸0—100s。
　　
　　③選擇輸出坐標(biāo)Y—Axis命令，設(shè)置Y軸幅值0．131—1．321。
　　
　?。?）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）。
　　
　?、谶x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
　　
　?。?）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)化過程停止。
　　
　　（8）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
　　
　　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)
　　
　　1李平康，DCS中的PID控制器參數(shù)自整定技術(shù)初探，華北電力技術(shù)，1999．10
　　
　　2韓樸、朱希彥，自動(dòng)控制系統(tǒng)數(shù)字仿真，中國(guó)電力出版社，1996．1，P：213-254
　　
　　3龔劍、朱亮，MATLAB5．X入門與提高，清華大學(xué)出版社，2000．3
　　
　　4李遵基，熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)，中國(guó)電力出版社，1997．10，P·126-129