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单神经元自适应控制PSD在再热汽温控制中的应用 |
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| 单神经元自适应控制PSD在再热汽温控制中的应用 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:30:50  |
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赵锡龄，焦云婷
太原理工大学自动化系，山西太原030024
1 引言
常规PID调节器是对定常受控对象具有较强鲁棒性的一种应用广泛、简单而成熟的工程控制方法。但实际工业生产过程，很多复杂工业过程都存在着不确定因素（变结构、变参数、时变和非线性），难以建立受控对象精确的数学模型。特别是在变工况情况下，此时常规PID调节器，控制参数不易在线调整，故难以满足控制要求甚至失稳。
基于神经网络的控制器能通过自身的学习过程，了解系统的结构，参数，不确定性和非线性，并相应改变其控制参数，而具有很强的鲁棒性。在神经网络控制中，单神经元是最基本的控制部件，其结构简单，所需的计算工作量小，能适应工程实时控制要求。
本文针对电厂大型机组（200 MW）锅炉具有大滞后、非线性、复杂的再热汽温控制系统提出了一种基于单神经元自适应PSD智能控制方法的前馈——串级反馈复合控制系统，通过大量仿真和现场运行表明其控制系统具有良好的动态特性，较强的鲁棒性，在工程上是行之有效的。
2 再热系统及其再热汽温控制任务与特点
本文以某电厂200 MW调峰机组670 t／h，临界直流燃煤锅炉为例，介绍其再热汽温控制系统的设计及特点。
火电机组再热循环可降低汽轮机末端叶片的蒸汽湿度，降低汽耗，是提高大型机组热效率的重要方法。再热器的再热蒸汽温度控制是保证机组热效率，防止中压缸变形，是汽机安全运行的关键措施，其控制任务是保证机组在调峰变工况下，控制再热汽温恒定在540℃±5℃内。
对象特点：①干扰因素多：受负荷，燃烧工况，受热面，过剩空气系数，及再热器入口蒸汽参数影响大；②高灵敏性：由于再热蒸汽压力低于过热蒸汽，其密度、焓值较低，在变工况下蒸汽负荷（D）扰动时，对再热汽温的影响比对过热汽温的影响更为显著；③非线性：由于再热器的热交换是以对流方式为主，其传热系数α与负荷（D）关系为α∞D0．8，这就直接形成动态特性中的时间常数T＝f(D)为非线性；④大滞后性：再热器热容量为各级过热器水容积的数倍具有更大的容积滞后，为多容高阶次大惯性环节n＝5～10，对控制输入响应慢。使之再热蒸汽汽温控制成为火电机组中最难控制的系统之一。
该厂原采用一般串级PID控制系统，不能满足控制要求，故此系统曾长期处于手动操作运行状态。
3 控制系统的设计及特点
控制方式：根据原机组的配置，考虑其经济性，采用三通旁路为主，微量喷水调节为辅的控制方式如图1。三通阀旁路不受热，可实现40％～50％负荷变化的调整，微量喷水阀用于当低负荷时三通阀旁路侧全开仍不能降温时，进行开启补充调节。故控制系统要求有较好的抗干扰性、鲁棒性和三通阀与喷水阀之间合理的切换功能。
针对以上再热汽温控制对象的特点，特设计具有双阀智能逻辑切换的前馈—串级反馈复合控制系统，前馈是采用反映再热蒸汽流量的调速级压力为参数，串级反馈系统的主被控参数为高温再热器出口汽温θHRH，O，采用单神经元自适应PSD控制算法。其副被控参数为低温再热器出口汽温θLRH，O或喷水阀后汽温θJ，O，采用设定值滤波型双自由度PID控制算法。控制系统方框图如图2。
智能逻辑切换功能为：
三通阀控制与喷水阀控制分别为2个独立系统，正常为三通阀控制当其开到极限位置时，微量喷水阀才参与控制，其切换是依据e（k），e·（k）和u（k）的状态智能判断实现（图及原则略）。
4 控制系统模型及控制算法
在图2中，Wa1（s）、Wa2（s）分别为副调节器和主调节器传递函数；W01（s）、W02（s）分别为副对象（导前区）和主对象（惰性区）传递函数。WN1（s）、WN2（s）分别为导前区和再热器出口汽温测量变送单元传递函数。Wf（s）为负荷（D）前馈补偿器的传递函数。
4．1 主、副对象的数学模型
通过现场的阶跃特性曲线测试，在不同负荷下求取其被控对象数学模型的传递函数为
4．2 主、副调节器的数学模型
4．2．1 主调节器
Wa2（s）采用单神经元自适应PSD智能控制算法，其方框图如图3所示。
此算法采用：①单神经元有监督的Hebb学习规则式（4－4至4－6）；②进行规范化处理式（4－1至4－3）；③用xi（k）＝［e（k）＋Δe（k）］对修正算法进行改进式(4－4至4－6)；④引用自适应PSD控制算法中的增益K（t）自调整算法式（4－7至4－11），构成具有高性能的学习、自组织能力和强鲁棒性的新型单神经元自适应PSD控制算法。总控制算法组由式（4－1至4－11）组成如下：
式中 u（k）为控制器k时刻输出；xi（k）为控制器k时刻输入（i＝1，2，3）；w1（k）～w3（k）为控制器参数的加权系数。
由Marsik［1］给出的增益自适应K（t）算法，是根据在无需另加测试信号和在线辨识过程对象特性情况下，由指数曲线和衰减正弦曲线构成的闭环系统过渡过程曲线，用其曲线的几何特性建立的新性能指标来进行计算，即用偏差［e（k），Δe（k）＝V］，零值穿越频率（fe，fv）之比F=fe/fv来既评价控制过程的阻尼特性，又评价其振荡特性。
由Marsik和Strejc［2］给出的增益K（k）和Tv（k）的递推算式为：
式中 x1（k）＝e（k）为控制器的偏差输入；x2（k）＝Δe（k）＝e（k）－e（k－1）为控制器的偏差一次微分输入；x3（k）＝Δ2e（k）＝e（k）－2e（k－1）＋e（k－2）为控制器的偏差二次微分输入；z（k）＝yr（k）－y（k）＝e（k）为偏差信号阻尼指标参考值herf，由大量仿真实验寻优而选定为0．15，在此具有最佳抗扰性能。
学习速率ηI、ηP、ηD由仿真实验按时间乘绝对误差积分准则（ITAE）选定不同值为佳，本例选：ηP＝1 000，ηI＝5 000，ηD＝2 000
L＊为常数，0．05≤L＊≤0．1；yr（k）为k时刻被控量的设定值；y（k）为k时刻被控量的测量值；e（k）为k时刻被控量的偏差；Δe（k）为k时刻被控量偏差e（k）的变化率；Δ2e（k）为k时刻Δe（k）的变化率；K（t）为k时刻控制器的总增益。
4．2．2 副调节器
wa1（s）采用设定值滤波（FF）双自由度PID控制算法［3，4］，其方框图如图4所示。
其设定值滤波器的传递函数［5］为
通过仿真及现场调试分别独立地调整其调节参数Kp、Ti、Td和滤波器系数α、β、γ。该算法能较好地兼容副调节器中设定值的跟踪特性和抑制干扰的抗扰特性，并使两特性最佳。（一般可一次取定α＝0．4，β＝0．15，γ＝0．5）该算法其动态性能优于单自由度常规PID。
5 控制系统工程设计
本系统控制装置是采用Bailey公司（贝利控制公司）的CLC－04型可编程数字调节器实现的。CLC－04具有4路AI，3路DI，2路AO，通过通讯总线可以互相传递数据和逻辑信号，不仅可单独使用运算功能模块，按系统所需的控制算法进行组态完成复杂控制功能，而且可以通过总线构成分布式控制系统（DCS）。
本系统的前馈k k串级反馈控制算法的组态
喷水与三通阀智能逻辑切换使用了24个模块，负荷前馈使用15个，喷水阀的滞环补偿使用12个模块，测量信号处理及其各偏差信号形成使用30个模块，主、副环抗积分饱和使用21个模块，单神经元自适应学习算法使用29个模块，控制器增益K（k）自适应PSD算法使用43个模块，双自由度PID使用8个。
总共使用了182个功能运算模块。
6 仿真实验及现场调试运行结果
现场投运前，通过MATLAB的Simulink可视化建模仿真软件进行大量的仿真研究，并对有关系数的初始值进行优化及选定（各种仿真曲线略）。
运行曲线表明，不仅正常负荷稳定情况下θR·H＝540±4℃，能保持波动范围在－4℃～＋4℃。而且在机组调峰，负荷发生较大变化情况下，约为15 min由140 MW升到200 MW（4MW／ min）或200 MW降到140 MW（4 MW／min），仍能保持波动上限在5℃内，有效地满足现场控制要求。其运行曲线如图5。
7 结论
（1）本文提出了由单神经元自适应PSD控制算法和设定值滤波双自由度PID控制算法组成新型的前馈——反馈串级复合型的再热汽温控制系统。该系统仿真和现场运行表明具有无需系统精确建模，鲁棒性强，抗扰性强的特点，使调峰机组在变工况下（大范围变负荷下）保持了良好的控制性能和运行效果。并经运行证实，其对大电厂中高阶多容、非线性复杂工业对象进行实时控制的有效性。
（2）采用可编程数字调节器，充分利用功能模块进行工程组态设计，有效地开发出高级控制功能，简便地实现了先进复杂的实时控制算法。从而改变了再热汽温系统长期运行在手动操作的状态，更有力地保证了机组运行的安全性，此算法可推广到类似的控制器和分散型控制系统（DCS）中。
（3）通过组态设计实现了三通阀和喷水阀的智能逻辑切换，提高了系统的应变能力和经济性。
参考文献：
［1］ Marsik J．Anewconception of digital adaptive PSDcontrol［J］．Problems of Control and Information Theory 1983，12（4）：267－279．
［2］ Marsik J，Strejc V．Application of Identificati－on－free algori－th ms for adaptive control［J］．Auto matica．1989，25（2）：273－277．
［3］ 山崎俊一，ボィテ设备ヘの目标值フィルク形2自由度PID制御の适用［J］，（日）．计装，1987，30（10）：114－119．
［4］ 广井和男，2自由度PID制御方式とろの应用［J］，（日），计装，1986，29（2）：29－43．
［5］ 赵锡龄．煤气发生炉微机监控系统［J］．仪器仪表学报，1995，16(4)：348-352.
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