基于模糊推理和自适应控制的协调控制系统设计新方法及其应用

补偿器参数的自整定及参数的增益调度适应控制和 回路间的自适应解耦 ; 对煤质 、 受热面的污染及对象 建模误差等不确定因素造成的影响 , 则通过模糊自 校正机构对主汽压 PID 控制器参数的在线调整加 以消除 。图 2 是新的协调控制系统设计方案的简化 示意图 。
图2 本文提出的协调控制方案 Fig. 2 The proposed coordinated control scheme
图3 具有解耦补偿器的协调控制系统 Fig. 3 CCS with decoupling compensators
3. 3 主汽压回路 PID 参数的模糊自校正
在单元机组的协调控制中 , 主汽压力的调节起 着关键作用 。为克服固定参数 PID 控制器的缺陷 , 进一步提高控制系统的鲁棒性 , 必须使 PID 控制器 具备根据对象运行状态变化在线调整其参数的能 力 。为此引入模糊自校正机制 , 以能充分利用模糊 推理决策方法的优势 , 与传统方法相结合来解决常
ABSTRACT :A novel design met hod for t he coordinated control system is proposed in t his paper , by integrating fuzzy reasoning wit h adaptive control and decoupling techniques. The industrial application results in a 300MW boiler2turbine unit show t hat t he coordinated control system t hat uses t his design met hod has bet2 ter control performance and stronger adaptability t han t hat of using traditional design met hod. KEY WORDS :boiler2turbine coordinated control ; fuzzy reason2 ing ; adaptive control and auto2tuning ; decoupling control
摘要 : 将模糊推理 、 解耦控制和自适应自整定技术结合起来 , 提出了单元机组协调控制系统设计的新方法 。在某电厂
300 MW 机组实际应用的结果表明 ,采用该方法设计的协调
控制系统与常规方法设计的系统相比 ,它具有更强的适应能 力和良好的控制效果 。 关键词 : 机炉协调控制 ; 模糊推理 ; 自适应自整定 ; 解耦控 制 中图分类号 : TM621. 6 ; TP273 文献标识码 :A
CHA I Tian2you , L IU Hong2bo , ZHAN G J ing2tao , CAO Fang , L I J ian ( Research Center of Automation , Nort heastern University , Shenyang 110006 ,China)
基金项目 : 国家 863/ CIMS 高技术计划基金 、 教育部博士点基金 资助 。
(μ ・ GP GT μ ・ G PB ・ GT μ + PT) ・ GP μ G PB
μ
B ( 1)
式中 上标 “- ” 表示给定稳态工作点的各稳态参 μ 和 B 分别为机组电功率 、 数; N E、 PT 、 机前压力 、 汽机调汽门开度指令和燃烧率指令 ; G P μ为机前压 力对汽机调汽门开度的传递函数 ; G PB 为机前压力 对燃烧率的传递函数 ; G T = N / D T 为电功率对进入 汽机的蒸汽流量的传递函数 , 代表了汽机及再热器 的动态特性 。
e ( k ) 和偏差变化率 Δ e ( k ) ) 变化在线调整 PID 控制
NB B S S S S S B
NM B B S S S B B
NS B B B S B B B
Z B B B B B B B
PS B B B S B B B
PM B B S S S B B
PB B S S S S S B
表 1 K′ P 的模糊自校正规则 Tab. 1 Fuzzy self2tuning rules of K′ P
Δ e ( k)
e ( k) K′ P
式中 Ki = Kp / T i , K d = Kp ・T d , 滤波时间常数 T f ≥ 0. 1 T d 。 本文提出的模糊自校正机构的设计由三部分构 成 :模糊自校正规则 、 模糊化策略和模糊判决方法 。 3. 3. 1 模糊自校正规则 基于主汽压这类大惯性且具有明显纯滞后的时 变复杂对象对设定值及扰动的阶跃响应的分析 、 专 家控制的经验和仿真研究 , 提出了以下一组模糊推 理规则 , 用于根据对象的运行状态 ( 主汽压的偏差
Kp = ( K p - Kp min ) / ( Kp max - Kp min )
规控制策略难以解决的问题 。模糊自校正 PID 控 制器由常规 PID 控制器和模糊自校正机构组成 。 PID 控制器的控制算法为
U ( S ) = ( KP + Ki Kd S )・ + E( S) S 1 + Tf S ( 2)
快速响应 , 同时兼有较强的鲁棒性 , 设计的控制器必 须能使得 “加速启动控制” 、 “强迫制动控制”及 “位 置学习控制” 三种基本控制作用[ 1 ] , 既能互不干扰 地充分发挥各自的功能 , 又能根据系统响应的实际 状态和不同阶段互相协调平稳地进行切换 。表 1 ～ ′ 表 3 分别是 K′ K d 和α的模糊自校正规则 。 p、
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第 4 期 柴天佑等 : 基于模糊推理和自适应控制的协调控制系统设计新方法及其应用
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中 国 电 机 工 程 学 报 第 20 卷
柴天佑 , 刘红波 , 张晶涛 , 曹 方, 李 健
( 东北大学自动化研究中心 ,辽宁省 沈阳市 110006)
NOVEL D ESIGN METHOD FOR THE COORD INATED CONTROL SYSTEM BASED ON FUZZY REASONING AND ADAPTIVE CONTROL AND ITS APPL ICATION
3. 2 解耦补偿器的设计
根据式 ( 1) 给出的协调控制对象的数学模型 , 考 虑到汽机侧 ( 包括再热器) 对象特性 G T 的惯性比锅 炉侧对象特性 G PB 的惯性小得多 , 因此可近似认为 : μ μ・ ・ G PB ・ G T ≈ K・ G PB , 其中 K 是 G T 的稳态放大 系数 , 于是可利用协调控制对象的上述特点 , 实现两 个控制回路的单向近似解耦 。 图 3 是具有解耦补偿器的炉跟机为基础的协调 控制系统的方框图 ,图中 KC ( S ) = diag[ k1 ( S ) , k2 ( S ) ] 为控制器矩阵 , R 、 L 分别是前置和后置补偿器矩 阵 。选取 R =
1 0 0 1
;L =
1 0
- K 1
可将被控对
图1 协调控制的常规方案 Fig. 1 Conventional coordinated control scheme
象矩阵 G ( S ) 近似补偿为三角阵 , K 通过对被控对 象特性的辨识得到 , 可实现自适应静态解耦 。
3 基于解耦和智能控制技术的协调控制系
统
3. 1 新的协调控制方案
为解决上述问题 , 本文提出协调控制系统设计 的新方法 。基于控制对象的特性分析 , 提出一种便 于工程实施的主汽压和机组电功率两个回路间的解 耦控制方法 ,使机组既能加快负荷响应速度 ,又能稳 定机前压力 ; 既保证机组安全稳定运行 ,又能有效地 抑制锅炉侧经常存在的扰动 。当机组运行工况发生 较大变化而使系统控制质量明显降低时 , 通过对被 控对象特性的辨识 ,完成协调控制系统控制器参数 、
2 协调控制对象特性和常规控制方法分析
通过对协调控制对象的机理分析 , 可得到对象 在给定稳态工作点附近的线性化近似数学模型 :
NE PT G11 G21 G12 G22
=
μ
B
=
Fra Baidu bibliotek
1 前言
大型单元机组协调控制系统是提高电厂经济效 益 ,实现电网调度自动化的重要环节 。由于被控对 象— — — 锅炉 、 汽轮发电机组是非线性 、 参数慢时变 、 大惯性的不确定性复杂对象 , 因此采用常规控制策 略设计的控制系统只有在平稳工况下才能投入自 动 ,当机组动态特性发生较大变化时 ,难以维持正常 运行 。
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由上述对象模型及对某电厂 300 MW 机组动态 特性的研究结果 , 可以看出单元机组的协调控制必 须充分考虑如下问题 : ( 1) 机前压力调节回路和功率调节回路之间存 在强耦合关系 。当锅炉侧经常存在扰动时 , 由于两 回路的耦合 ,导致控制质量下降 , 系统稳定性变差 , 这种情况在高负荷时尤其严重 。 ( 2) 机组参与调峰 、 调频需要经常大范围升降负 荷 ,这时控制对象会呈现不可忽略的非线性特性 。 ( 3) 控制对象由于煤粉磨制过程 、 蒸汽蒸发过程 而存在较大的惯性和滞后 , 且此惯性和滞后特性随 煤质变化 、 磨煤机的磨损情况和锅炉受热面的污染 结焦呈现不确定性 。 (4) 给煤机 、 磨煤机随着使用时间的增长 、 效率 的下降 ,会造成给煤机转数与进入炉内的煤粉量之 间存在不确定的对应关系 ,使锅炉燃烧工况不稳定 , 成为锅炉侧产生扰动的主要因素 。 在单元机组协调控制的常规方案中 , 常采用如 图 1 所示的具有功率定值前馈补偿的炉跟机控制策 略 ,方案中 PI ( D ) 控制器及 PD 前馈补偿器的参数 通常是在一定工况下经多次试凑由人工整定得到 的 。显然常规控制方案没有完善考虑上述问题 , 因 此常规协调控制系统难于获得好的控制性能 , 甚至 无法投入运行 。
针对单元机组协调控制系统 , 目前虽已提出多 种设计方法 ,但大多尚停留在仿真研究阶段 ,未能得 到实际应用 。本文基于现场操作经验和理论分析 , 将解耦控制与模糊推理 、 自适应自整定等智能控制 技术集成运用 ,提出一种协调控制系统设计新方法 , 并采用集散控制系统成功地将这种方法应用于某电 厂 300 MW 机组 。解决了该机组机炉协调控制系统 不能长期投入运行的难题 , 明显改善了系统适应工 况变化的能力 ,取得了显著的经济效益 。
NB NM NS Z PS PM PB
器参数 Kp 、 Ki 和 K d , 以改善固定参数 PID 的鲁棒 性和控制性能 。 α分 若 e ( k ) 和 Δe ( k ) 分别为 A i 和 B i , 则 K′ K′ P、 d 和 ( 3) 别为 Ci 、 D i 和α i , ( i = 1 , 2 , …, n ) 式中 A i 、 Bi 、 Ci 、 D i 和α 偏差变 i 分别是偏差 e ( k ) 、 化率 Δe ( k ) 、 比例修正系数 K′ 微分修正系数 K′ p、 d 和积分修正系数α的模糊集 。
第 20 卷 第 4 期 2000 年 4 月 文章编号 :025828013 ( 2000) 0420014205
中 国 电 机 工 程 学 报 Proceedings of t he CSEE
Vol. 20 No. 4 Apr. 2000
基于模糊推理和自适应控制的协调控制系统 设计新方法及其应用