一种电站锅炉蒸汽温度的全工况多步超前预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于锅炉自动控制技术领域，设及电站锅炉蒸汽溫度的控制方法，尤其是 设及一种电站锅炉蒸汽溫度的全工况多步超前预测控制方法，适用于火电机组的过热汽溫 和再热汽溫的自动控制。
【背景技术】
[0002] 电站锅炉蒸汽溫度控制是大型电站机组自动化运行的主要控制系统之一。然而常 规的蒸汽溫度串级PID控制方案，由于只是基于偏差消除偏差，属于"事后控制"，缺乏对于 溫度参数发展的趋势性预见，对于具有很大惯性和迟延的蒸汽溫度过程很难取得满意的控 制效果。目前的锅炉蒸汽溫度控制方法存在的另外一个重要问题是缺乏考虑汽溫系统特性 随机组运行工况的变化。
[0003] 由上述分析可见，已有的锅炉蒸汽溫度控制方法仍存在一定的局限性或缺陷。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：通过建立一种全工况的蒸汽溫度数学模型，提供 一种电站锅炉蒸汽溫度全工况预测型PID控制方法，对溫度的多步超前预测达到"事前控 审IJ"的效果，克服大迟延、大惯性的本质特性导致的锅炉蒸汽溫度控制滞后的问题，同时克 服蒸汽溫度系统特性随机组负荷时变而导致的控制性能随机组负荷蚁变的问题。 阳0化]本发明解决技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0006] 步骤1.W机组负荷X为变量，通过特性测试得到锅炉蒸汽溫度过程的全工况模 型；
[0007] 进一步的，所述步骤1中的锅炉蒸汽溫度过程的全工况模型包括喷水阀开度 U(% )-导前汽溫qrC)模型Gm,。。和导前汽溫qrC)-出口汽溫yrC)模型Gm,yq，两个模 型均是W机组负荷X为变量的时变模型，其中模型Gm,q。的公式（1)如下：
[0008] q(t)+c(x)q(t-l) =d(x)u(t-l) (1)
[0009] 模型Gm,yq的公式似如下：
[0010]
(2)
[0011] 其中，t表示当前采样控制时刻； 阳〇1引 X表示机组负荷；
[0013]P表示导前汽溫q(t)变化到出口汽溫y(t)变化的纯迟延时间； 阳014]q(t)、q(t-l)、q(t-j-p)分别表示在t、t-1、t-j-p采样控制时刻的导前汽溫；
[0015] u(t-l)表示在t-1采样控制时刻的喷水阀开度；
[0016] y(t)、y(t-i)分别表示在t、t-i采样控制时刻的出口汽溫；
[0017] C(X)、d(x)、a; (X)、bj(X)均为机组负荷X的二次多项式，即C(X)=
b.iiX+ \(j二].，2)，其中，C2、Cl、c。为导前汽溫模型的自回归部分控制系数，cU、di、d。为导 前汽溫模型的滑动平均部分控制系数，3b·ail、aiu为出口汽溫模型的自回归部分控制系 数Λζ、％1、为出口汽溫模型的滑动平均部分控制系数。
[001引步骤2.根据当前采样控制时刻t的机组负荷X和全工况模型，通过进行在线采 样的锅炉蒸汽溫度的多步超前预测，计算得到当前采样控制时刻t的锅炉蒸汽溫度预测值 y(t)；
[0019] 所述步骤2中进行在线采样的锅炉蒸汽溫度的多步超前预测的具体操作如下：
[0020] 所述多步超前预测的预测步数与纯迟延P有关，即当预测步数为P时，公式似经 变形得到如下预测公式（3):
(扣
[0022] 当预测步数为P+1时，公式（2)经变形得到如下预测公式（4):
[0023]
(4)
[0024] 如此继续，直到进行完P巧步预测，预测步数为P巧时，公式似经变形得到如下 预测公式巧）：
[0027] 步骤3.当前机组工况的内回路控制器采用比例积分（PI)控制，当前机组工况的 外回路控制器采用比例积分微分（PID)控制，根据当前采样控制时刻t的机组负荷X和全 工况模型，确定适应于当前机组工况的内回路PI控制器参数和外回路PID控制器参数；
[00測所述步骤3中，当前机组工况的内回路控制器采用比例积分的）控制，当前机组 工况的外回路控制器采用比例积分微分（PID)控制，根据模型Gm,。。计算内回路PI控制器参 数喝'巧!W的公式分别如下公式化）~（7):
[0031] 其中，f。是用于调整控制性能的内回路滤波器系数，取值范围0. 3~0. 7 ;
[0032] 根据模型计算外回路PID控制器参数Kf、Kf、K-的公式分别如下公式 做~（10):
[0036] 其中f；是用于调整控制性能的外回路滤波器系数，取值范围0. 3~0. 7。
[0037] 步骤4.计算锅炉蒸汽溫度的设定值yf与步骤2中的锅炉蒸汽溫度预测值y(t)之 间的差值，即出口汽溫误差，将所述出口汽溫误差和所述步骤3中外回路PID控制器参数带 入计算控制增量的离散形式的PID算式中，求得当前采样控制时刻t的内回路的导前汽溫 调整后的设定值qr(t);
[0038] 在所述步骤4中，将锅炉蒸汽溫度的设定值yf与步骤2中的锅炉蒸汽溫度预测值 y(t)之间的差值W及对应的外回路PID控制器参数輝、畔、畔代入控制增量的离散形 式的PID算式，得到公式（11):
[0039]
W40] 其中，Δqt(t)为当前采样时刻t导前汽溫的增量；
[0041] y(t+p巧）、y(t+p+1)、y(t+p)分别为锅炉蒸汽溫度在t+p巧、t+p+1、t+p时刻的预 测值；
[0042]将公式（11)代入如下公式（12)，得到当前采样控制时刻t的内回路的导前汽溫调 整后的设定值qr(t):
[0043] q,(t) =q,(t-l) +Aq^(t) (12) W44] 其中，屯(t)和AqrU)分别表示当前采样时刻t导前汽溫调整后的设定值及其增 量；表示表示前一采样时刻t-1导前汽溫调整后的设定值。
[0045] 步骤5.计算所述步骤4中内回路的导前汽溫调整后的设定值qr(t)与内回路导 前汽溫测量值q(t)之间的差值，即导前汽溫误差，将所述导前汽溫误差和所述步骤3中内 回路PI控制器参数带入计算控制增量的离散形式的PID算式中，求得当前采样控制时刻t 的喷水阀开度u(t);
[0046] 在所述步骤5中，将步骤4中内回路的导前汽溫调整后的设定值qr(t)与内回路 导前汽溫测量值q(t)之间的差值W及对应的内回路PI控制器参数K?和於I代入控制增量 的离散形式的PID算式，得到公式（13): 阳047] Au(t) =K引qr拍-q(t)] + 巧如(t-；〇 -q(t-：[.)] (13) 引其中，Δu(t)为当前采样控制时刻t喷水阀开度的增量； W例将公式（1如代入如下公式（14)，得到当前采样控制时刻t喷水阀开度的值u(t):
[0050] u(t) =u(t-l) +Au(t) (14)
[0051] 所述喷水阀开度u(t)利用控制喷水减溫来控制锅炉蒸汽溫度。
[0052] 步骤6.返回步骤2继续进行下一步在线采样的多步超前预测，依次持续控制。进 一步的，采用工业常用的比例系数Κρ、积分系数Ki和微分系数Kd，所述控制增量的离散形式 的PID算式如下式（15)所示：
[0053] Az(t) =Kpe(t)+Ki[e(t)-e(t-l)]+Kd[e(t)-2e(t-l)+e(t-2)] (15)；
[0054] 化简后等效为：Δz(t) =Kie(t) +Κ2θ(t-1) +氏6 (t-2) (16); 阳化5]其中，Κι=Kp+Ki+Kd，K2=Ki-2Kd，K3=Kd;
[0056] 其中，Az(t)为控制增量；所述Az(t)在步骤4中指Aqr(t)，在步骤5中指 Au(t)；
[0057]e(t)为误差，在所述步骤4中指所述锅炉蒸汽溫度的设定值yf与步骤2中的锅炉 蒸汽溫度预测值y(t)之间的差值；在步骤5中指所述步骤4中内回路的导前汽溫调整后的 设定值qf(t)与内回路导前汽溫测量值q(t)之间的差值。
[0058] 本发明的有益效果：通过锅炉蒸汽溫度的多步超前预测实现溫度的"事前控制"， 克服大迟延、大惯性的本质特性导致的锅炉蒸汽溫度控制滞后的问题，全工况模型的建立 和使用，可W克服蒸汽溫度系统特性随机组负荷时变而导致的控制性能随机组负荷蚁变的 问题，从而提高锅炉蒸汽溫度的控制效果，使得机组运行更高效、更安全。
【具体实施方式】
[0059] 下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。
[0060] 步骤1.W机组负荷X为变量，通过特性测试得到锅炉蒸汽溫度过程的全工况模 型；
[0061] 进一步的，所述步骤1中的锅炉蒸汽溫度过程的全工况模型包括喷水阀开度 U(% )-导前汽溫qrC)模型Gm,。。和导前汽溫qrC)-出口汽溫yrC)模型Gm,yq，两个模 型均是W机组负荷X为变量的时变模型，其中模型Gm,q。的公式（1)如下：
[0062] q(t)+c(x)q(t-l) =d(x)u(t-l) (1)
[0063] 模型Gm,yq的公式似如下：
[0064]
阳0化]其中，t表示当前采样控制时刻； 阳066] X表示机组负荷；
[0067]P表示导前汽溫q(t)变化到出口汽溫y(t)变化的纯迟延时间； W側q(t)、q(t-l)、q(t-j-p)分别表示在t、t-1、t-j-p采样控制时刻的导前汽溫；
[0069] U(t-1)表示在t-1采样控制时刻的喷水阀开度；
[0070]y(t)、y(t-i)分别表示在t、t-i采样控制时刻的出口汽溫；
[0071]C(X)、d(x)、a; (X)、bj(X)均为机组负荷X的二次多项式，即C(X)=
= 1，碟其中，Cl、Cl、C。为导前汽溫模型的自回归部分控制系数，d2、di、d。为导 前汽溫模型的滑动平均部分控制系数，3i2、ail、3i〇为出口汽溫模型的自回归部分控制系 数，biz、\、bj。为出口汽溫模型的滑动平均部分控制系数。
[0072] 步骤2.根据当前采样控制时刻t的机组负荷X和全工况模型，通过进行在线采 样的锅炉蒸汽溫度的多步超前预测，计算得到当前采样控制时刻t的锅炉蒸汽溫度预测值 y(t)；
[0073] 所述步骤2中进行在线采样的锅炉蒸汽溫度的多步超前预测的具体操作如下：
[0074] 所述多步超前预测的预测步数与纯迟延P有关，即当预测步数为P时，公式似经 变形得到如下预测公式（3): 阳0巧]
(3)
[0076] 当预测步数为P+1时，公式（2)经变形得到如下预测公式（4):
[0077]
<4 >