基于pid算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究

基于pid算法的鍋爐燃燒控制系統(tǒng)研究

這種聯(lián)系是工業(yè)生產(chǎn)過程中動態(tài)特征的普遍現(xiàn)象。在多變量系統(tǒng)中，由于每個變量的耦合效應(yīng)，輸入數(shù)量的變化會導致多個輸出數(shù)量的變化，耦合降低了控制體系的調(diào)整質(zhì)量，當合作嚴重時，系統(tǒng)無法投入運行。因此，人們對節(jié)點的分解進行了大量研究。傳統(tǒng)的控制理論通常采用“分離”的方法，將不同的控制系統(tǒng)相互獨立，將不同梁之間的多變量系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為相互依存的單個變量系統(tǒng)，然后控制每個變量。然而，解開器的設(shè)計要求控制對象的數(shù)學模型是線性的，并且它是線性的，因此在實際過程中很難滿足這些條件。單元系統(tǒng)的相關(guān)性和集成使得計算內(nèi)部參數(shù)的時更復雜。單元裝置和控制器是相互分離的兩部分。這往往難以考慮，設(shè)計過程復雜。此外，還有大量非對稱多變量工業(yè)對象（輸入和輸出金額不同）。因此，傳統(tǒng)的解開環(huán)控制難以應(yīng)用。PID型單神經(jīng)元控制具有傳統(tǒng)PID控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,可解決單變量系統(tǒng)的控制問題.多個PID型單神經(jīng)元交叉關(guān)聯(lián)組成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于多變量系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制,通過各個控制量對被控參數(shù)的協(xié)調(diào)作用,使被控參數(shù)按照給定值的要求變化,實現(xiàn)系統(tǒng)的廣義解耦控制.鍋爐燃燒過程是典型的具有強耦合、非線性、時變性、多變量的復雜系統(tǒng),它可被看作是一個3輸入3輸出的相互關(guān)聯(lián)的多變量對象.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)主要由3個子系統(tǒng)組成,即燃料量控制、送風控制和引風控制.由于被控對象變量間存在嚴重的耦合關(guān)系,所以3個主要子系統(tǒng)間應(yīng)協(xié)調(diào)考慮.鍋爐燃燒對象難以建立精確的數(shù)學模型來描述,使得基于數(shù)學模型帶固定參數(shù)的常規(guī)PID等控制方案難以獲得理想的控制效果,鍋爐燃燒控制也因此成為火電廠過程控制中的一大難題.本文將PID型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于火電廠汽包鍋爐燃燒控制系統(tǒng),使整個機組達到安全和經(jīng)濟運行.仿真結(jié)果表明,該方法是完全可行的,該方法的解耦機制和優(yōu)良的控制品質(zhì),在不同負荷下都能獲得滿意的控制效果,具有較好的魯棒性和負荷跟蹤性能.1調(diào)整煤粉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速,避免燃料自發(fā)和自發(fā)擾動根據(jù)制粉系統(tǒng)的不同,汽包鍋爐可分為中間儲倉式和直吹式兩種.在中間儲倉式鍋爐中,燃料系統(tǒng)和燃燒過程是相互獨立的,燃料系統(tǒng)的任務(wù)是將原煤制成煤粉并存入煤粉倉,進入爐膛的燃料量是由給粉機將存于煤粉倉的煤粉送入爐膛,改變給粉機轉(zhuǎn)速就能立即改變進入爐膛的煤粉量,因此在適應(yīng)負荷變化或消除燃料自燃、自發(fā)性擾動方面都比較及時.而直吹式鍋爐中,制粉系統(tǒng)與鍋爐緊密聯(lián)系,改變給煤機轉(zhuǎn)速后,還需經(jīng)過制粉過程,才能使進入爐膛的煤粉量變化,大大增加了燃燒過程通道的慣性和遲延,在適當負荷變化或消除燃料自發(fā)性擾動方面都比較慢,從而引起較大的波動.1.1鍋爐燃燒系統(tǒng)的組成鍋爐燃燒工況的好壞對鍋爐及整個機組的安全性和經(jīng)濟性都有很大影響.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的基本任務(wù)是:既要提供熱量適應(yīng)蒸汽負荷的需要,又要保證燃燒的經(jīng)濟性和鍋爐運行的安全性.其具體任務(wù)又隨單元機組的制粉系統(tǒng)、燃燒設(shè)備、鍋爐運行方式及控制手段的不同而有所區(qū)別.但其共同任務(wù)是維持蒸壓穩(wěn)定,保持燃燒過程的經(jīng)濟性(最佳空燃比),保證爐膛負壓不變.與此相應(yīng),應(yīng)有調(diào)節(jié)燃料量、送風量和引風量3個控制回路,從而構(gòu)成了多參數(shù)的燃燒過程控制系統(tǒng).圖1為鍋爐燃燒系統(tǒng)的簡化結(jié)構(gòu)原理圖.1.2控制手段與投入的匹配燃燒控制系統(tǒng)的被控對象是一個多輸入多輸出強耦合的復雜對象.圖2為燃燒控制系統(tǒng)被控對象的物理量關(guān)系的示意圖.由圖2可以看出被控對象輸出與輸入之間的關(guān)系,結(jié)合被控對象的動態(tài)特性,選擇控制系統(tǒng)控制手段與被控量之間的配對,為設(shè)計滿足機組運行特性的合理控制方案奠定基礎(chǔ).1.3燃料、回收過程控制子系統(tǒng)燃燒控制系統(tǒng)中,由于被控對象之間存在著嚴重的耦合關(guān)系,3項主要控制任務(wù)的調(diào)節(jié)過程是相互關(guān)聯(lián)的,故控制系統(tǒng)中的3個主要子系統(tǒng)(燃料、送風和引風)的設(shè)計方案應(yīng)協(xié)調(diào)考慮.燃燒控制系統(tǒng)有多種組成形式.在具體應(yīng)用中選擇哪種形式,取決于鍋爐的運行方式、燃料的種類、選擇中間粉倉還是直吹式制粉設(shè)備,以及采用磨煤設(shè)備的形式等.鍋爐燃燒控制系統(tǒng)中的3個主要子系統(tǒng)有諸多控制方案,但控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成存在下列共性.(1)在燃料量控制子系統(tǒng)中,燃煤量的直接測量問題尚未得到很好解決,所以,需要選擇一些便于檢測的信號且通過運算形成能夠反映爐內(nèi)燃料量的軟測量信號.通?？紤]給粉機轉(zhuǎn)速(中間粉倉式)、給煤機轉(zhuǎn)速(直吹式)、鍋爐熱量信號、調(diào)速級壓力信號或通過運算構(gòu)成的綜合信號等.(2)燃料量控制子系統(tǒng)的具體控制任務(wù)與協(xié)調(diào)控制的控制方式相關(guān).爐跟機控制方式的控制任務(wù)為維護機前壓力(蒸汽壓力),機跟爐控制方式的控制任務(wù)為滿足外界負荷要求,機爐協(xié)調(diào)控制方式的控制任務(wù)要綜合考慮負荷和蒸汽壓力兩個指標.(3)送風量控制子系統(tǒng)必須要增加能反映燃料量變化的前饋信號,并在燃料和送風兩個子系統(tǒng)中設(shè)計相關(guān)的運算回路,構(gòu)成增負荷先增風、減負荷先減煤的調(diào)節(jié)方式,保證動態(tài)過程中為燃料提供充分燃燒的風量.(4)在送風量控制子系統(tǒng)中設(shè)計煙氣含氧量校正運算調(diào)節(jié)回路.氧量給定值不是常數(shù),而是鍋爐負荷的函數(shù),如負荷增大時煙氣含氧量隨一定的函數(shù)關(guān)系減小.代表鍋爐負荷的物理量可以選擇鍋爐熱量信號、調(diào)速級壓力信號或主蒸汽流量信號等.(5)在爐膛壓力控制子系統(tǒng)中,取送風量控制子系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的位置信號作為本系統(tǒng)的前饋信號,確保負荷變化時爐膛壓力動態(tài)調(diào)節(jié)過程的調(diào)節(jié)品質(zhì).此外,由于實際過程中燃料的配比不穩(wěn)定,燃料的熱值時好時壞,“負荷流量”的需要量時高時低,致使被控對象極不穩(wěn)定.而且燃燒系統(tǒng)需要經(jīng)過汽包分離系統(tǒng)才能形成蒸汽,這又使得主蒸汽壓力的響應(yīng)特性具有較大的滯后性.1.4傳統(tǒng)的撲滅機制是對鍋爐燃燒控制系統(tǒng)的控制(1)荷平衡的平衡燃料量控制子系統(tǒng)是串級加前饋的復合控制系統(tǒng).調(diào)節(jié)過程如下:通過調(diào)整給粉機轉(zhuǎn)速,控制進入爐膛的給粉量,維持主蒸汽壓力為設(shè)定值(定壓運行方式).主調(diào)節(jié)器為主蒸汽壓力調(diào)節(jié)器,用于調(diào)整鍋爐燃燒率與外界負荷要求的平衡;副調(diào)節(jié)器為燃料量調(diào)節(jié)器,接受主調(diào)節(jié)器的輸出和給粉機出力經(jīng)過鍋爐熱量信號修正后形成的實際燃燒率信號.為克服鍋爐燃燒過程存在的大延遲和大慣性,提高負荷適應(yīng)性,主副調(diào)節(jié)器出口分別引入了反映機組出力大小的能量信號和鍋爐燃燒率指令作為前饋信號.送風量控制子系統(tǒng)主要由煙氣含氧校正回路和送風量控制回路兩部分組成.氧量調(diào)節(jié)器用來修正送風量的測量值,保證在不同負荷下,過量空氣系數(shù)滿足最佳經(jīng)濟燃燒的要求.送風量調(diào)節(jié)器則依據(jù)鍋爐燃燒率指令信號和能夠滿足最佳經(jīng)濟燃燒的送風量信號之間的偏差調(diào)節(jié)送風擋板開度.引風量控制子系統(tǒng)是一個簡單的單回路定值調(diào)節(jié)系統(tǒng),并引入了送風擋板的位置信號作為前饋信號.(2)鍋爐燃料控制系統(tǒng)的改進其3個主要子系統(tǒng)的原則性控制方案與中間粉倉式鍋爐燃燒控制系統(tǒng)相似,只是燃料控制子系統(tǒng)的控制手段改為調(diào)整進入磨煤機的原煤量.另外,由于磨煤機所制成的煤粉是直接進入爐膛的,則磨煤機及制粉系統(tǒng)的工作過程成為燃料控制系統(tǒng)被控對象中不可或缺的組成部分,在控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試過程中應(yīng)該注意.為保證鍋爐燃燒過程的安全、經(jīng)濟及負荷適應(yīng)性,除了上述介紹的子系統(tǒng)以外,需要增加磨煤機一次風量等控制子系統(tǒng).磨煤機一次風量控制子系統(tǒng)的任務(wù)是控制各磨煤機一次冷風門擋板開度保持磨煤機一次風量與給煤量的比值不變,從而保證磨煤機的經(jīng)濟運行.該控制方案的最大缺點在于把多變量耦合燃燒控制系統(tǒng)硬性拆成多個有一定前饋耦合的獨立子控制系統(tǒng),這種分解法沒有很好地考慮多變量之間的耦合性、非線性與時變性,因此控制效果較差,耦合系統(tǒng)控制應(yīng)該采用解耦控制方法.2耦合系統(tǒng)設(shè)計方法較單一在一個工程中,由于耦合的存在,常使控制遇到一些問題,如耦合系統(tǒng)的各回路不能分開獨立考慮,回路參數(shù)的整定要多次,且難以得到滿意的整定結(jié)果;耦合系統(tǒng)的分析與設(shè)計所要求的有關(guān)系統(tǒng)的信息遠多于解耦系統(tǒng)所要求的信息;解耦后的系統(tǒng)可應(yīng)用常規(guī)標準設(shè)計方法進行設(shè)計,而耦合系統(tǒng)還沒有通用簡便的精確設(shè)計方法;解耦后的系統(tǒng)可隨時按照控制要求在線整定各回路,而耦合系統(tǒng)則因關(guān)聯(lián)因素太多而難以隨時進行在線整定.因此,耦合系統(tǒng)需要進行解耦控制.下面介紹解耦控制發(fā)展的情況.(1)解耦補償矩陣包括時域方法和頻域方法兩種,其中主要有對角矩陣法、相對增益分析法、特征曲線分析法、狀態(tài)變量法、逆奈氏陣列法等.它是通過解耦補償器的設(shè)計,使解耦補償器與被控對象組成的廣義系統(tǒng)的傳遞函數(shù)矩陣為對角陣,從而把耦合多變量系統(tǒng)化為多個無耦合單變量系統(tǒng).但補償矩陣設(shè)計完全依賴于被控對象的精確數(shù)學模型,而實際被控過程通常是時變的和非線性的,因此線性定常的解耦補償器不具有適應(yīng)性,很難保證控制品質(zhì),甚至導致系統(tǒng)不穩(wěn)定.(2)自校正前饋控制是將被控對象的解耦、控制和辨識結(jié)合起來,可以實現(xiàn)參數(shù)未知或時變系統(tǒng)的在線精確解耦控制.它將耦合項作為可測干擾,采用自校正前饋控制的方法,對耦合進行動、靜態(tài)補償.這種解耦方法需要求解Diophantine方程,且求出的方程解只會是近似解.此法雖在一定程度上解決了系統(tǒng)不確定性問題,但是此法要求在線辨識對象模型,因此算法復雜,計算量很大,它對過程動態(tài)建模和擾動的適應(yīng)能力較差.(3)非負性解耦器設(shè)計方法是通過設(shè)計魯棒預補償器,使攝動系統(tǒng)為魯棒對角優(yōu)勢,從而將多變量系統(tǒng)化為多個單變量系統(tǒng).它常采用H∞方法和結(jié)構(gòu)奇異值理論、線性矩陣不等式方法,以及代數(shù)方法來設(shè)計補償器.魯棒解耦一般只是針對特定系統(tǒng)討論特殊的解耦設(shè)計方法,以減少解耦控制器對系統(tǒng)參數(shù)的敏感性,但未能系統(tǒng)地解決一般不確定系統(tǒng)的魯棒解耦問題.(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦主要用于非線性系統(tǒng)的解耦控制,它主要分為模糊解耦和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦兩種,模糊解耦又分直接法和間接法.直接模糊解耦法是先對控制對象進行解耦,然后針對解耦得到的各單變量過程進行模糊控制系統(tǒng)設(shè)計;而間接模糊解耦法是通過對多模糊控制規(guī)則進行模糊子空間的分解實現(xiàn)解耦.模糊解耦控制的理論及應(yīng)用還都不成熟,還處于研究發(fā)展階段.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以任意精度逼近任意解析非線性函數(shù),而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學習、自適應(yīng)能力,又有很強的容錯能力.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦是基于逆系統(tǒng)控制的思想,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般都采用3層前向靜態(tài)網(wǎng)絡(luò),但是單獨的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制很難滿足系統(tǒng)的要求,它常與其他算法結(jié)合實現(xiàn)解耦控制.由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有著自身無法解決的問題,而且非線性對象不像線性對象那樣容易分解和交換,因此非線性解耦理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合較為困難,難以找到通用的解耦條件判據(jù),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦理論發(fā)展較慢,更多的解耦策略都帶有嘗試性,只能依靠仿真來佐證.當然,除上述幾種解耦控制方法外,還有預測解耦、內(nèi)模解耦、卡爾曼濾波解耦等其他控制方法.每種方法均有其獨特優(yōu)點,也會有其局限性.3pid型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制是歷史最悠久、生命力最強、通用性最好的控制方式,它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于操作且模型誤差具有魯棒性等優(yōu)點,其主要缺點在于它不適于非線性、時變系統(tǒng)的控制.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學習、自適應(yīng)、非線性映射能力以及較強的容錯性等優(yōu)點,但它存在著結(jié)構(gòu)較為復雜、無明確的物理意義、初始權(quán)值對結(jié)果影響較大等問題.將PID控制規(guī)律融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之中,即構(gòu)成PID型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).PID型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)計算方法、權(quán)值的BP學習算法、權(quán)值參數(shù)的初值選取等參見文獻.4主汽壓系統(tǒng)仿真實驗仿真中,本文研究的被控對象為300MW單元機組W型火焰直吹式燃煤鍋爐,它的動態(tài)特性可用傳遞函數(shù)表示為???ypmyO2yps???=?????0.0033s(30s+1)?0.35s+1001.830s+10.55s+100?15s+1????????unugus???(1)[ypmyΟ2yps]=[0.0033s(30s+1)00-0.35s+11.830s+1000.55s+1-15s+1][unugus](1)式中:ypm——主汽壓,MPa;yO2——煙氣含氧量,%;yps——爐膛壓力,kPa;un——一次風擋板開度,%;ug——送風機檔板開度,%;us——引風機檔板開度,%.在其他回路的給定值均為零時,對各回路分別作給定值的單位階躍擾動試驗,可以得到各回路被調(diào)量的單位階躍響應(yīng)曲線,如圖3所示.由圖3可見,系統(tǒng)在受到定值擾動時,被調(diào)量的過渡過程時間和超調(diào)量都較小.由于鍋爐燃燒過程為不確定、時變對象,所以作了參數(shù)變化時的系統(tǒng)仿真,圖4為對象變化的單位階躍響應(yīng)曲線.圖4中,假定對象的動態(tài)特性發(fā)生變化,其傳遞矩陣的對角元素分母的慣性時間常數(shù)從原來的30,30,5,分別變?yōu)?0,60,10.