基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法

摘要

本发明公开了一种基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法，对网控的负荷指令、运行人员设定的负荷指令进行负荷选择，经频率偏差修正后作为电功率指令信号；将上述的电功率指令信号作为设定值、发电机功率作为测量值进行汽机主控PID运算，并以压力偏差及压力设定值变化量通过函数曲线形成的信号作为前馈，形成汽机的主控指令；以汽压比值乘以主蒸汽压力值为设定值，热量信号作为测量值，进行锅炉主控PID运算，以锅炉加速指令和负荷指令通过函数曲线形成的信号作为前馈，最终形成锅炉主控指令；根据上述汽机的主控指令和锅炉主控指令对火电机组进行控制。从而使机组内的锅炉和汽轮发电机之间的供求平衡，达到最佳控制的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及电厂协调控制领域，具体地，涉及一种基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法。 

背景技术

火电厂单元机组运行时，锅炉和汽轮发电机共同维持外部负荷的要求，也共同保证内部运行参数（主要是主蒸汽压力）稳定。因此单元机组的输出功率与负荷要求是否一致反映了机组与外部电网之间能量供求平衡关系，而主蒸汽压力则反映了机组内部锅炉和汽轮发电机之间能量供求平衡关系。也就是说功率和主汽压力是单元机组协调控制的主要参数。 

由于锅炉和汽轮发电机的运行过程各有特点，它们的动态特性存在很大差异，汽轮发电机的负荷响应快，锅炉负荷响应慢。现有技术不能保证单元机组在进行负荷控制时很好地协调机、炉二侧的控制操作，合理的保持好内外二个能量的供求平衡关系，不能兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定。也就是说，现有的单元机组不能在对外有较快的功率响应和一定的调频能力的同时，确保主蒸汽压力维持在允许范围内。 

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法，以实现在单元组对外有较快的功率响应和一定的调频能力的同时，确保主蒸汽压力维持在允许范围内，从而使机组内的锅炉和汽轮发电机之间的供求平衡，达到最大的效率的优点。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

一种基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法，对网控的负荷指令、运行人员设定的负荷指令进行负荷选择，经修正后作为电功率指令信号；

将上述的电功率指令信号为设定值、发电机功率为设定值进行PID运算，并以压力偏差及压力设定值变化量通过函数曲线（压力偏差对应功率修正曲线，压力偏差大时，通过改变负荷指令，来改变负荷，避免压力偏差因增减负荷而加大，保持系统稳定）形成的信号作为前馈，形成汽机的主控指令；

以汽压比值乘以主蒸汽压力值为设定值，热量信号作为测量值，进行锅炉主控PID运算，以锅炉加速指令和负荷指令通过函数曲线（负荷指令变化直接改变锅炉主控指令，而不是等待主汽压力变化再调整锅炉主控指令，可提高锅炉反映速度），形成的信号作为前馈，最终形成锅炉主控指令；

根据上述汽机的主控指令和锅炉主控指令对火电机组进行控制。

根据本发明的优选实施例，所述PID运算为： 

；

其非线性函数f(x)的选择原则是：与线性相比，小误差时采取较大控制，大误差时采取较小控制，非线性函数f(x)公式如下：

；

其中： x为输入线号；δ为函数滤波器的滤波因子，增加δ可使滤波效果变好，但延迟效果加剧；α为常数，在0~1之间取值，值越小，跟踪越快，滤波效果越差。

根据本发明的优选实施例，所述PID运算中采用模糊控制，偏差处理采用了上述非线性函数，其积分环节分为负荷指令无变化时的稳态变积分回路及负荷指令变动时动态变积分回路，在负荷变动过程中，通过动态变积分回路适当减弱积分，在负荷未变动时，则切为稳态变积分回路，通过偏差及偏差变化率对积分作用的强弱进行模糊自整定。 

本发明的技术方案，通过对锅炉指令和汽机的主控指令进行模糊控制和PID运算，很好地协调机、炉二侧的控制操作，合理的保持好内外二个能量的供求平衡关系，以兼顾负荷响应性能和内部运行参数稳定。使单元机组对外有较快的功率响应和一定的调频能力，同时确保主蒸汽压力维持在允许范围内，从而使机组内的锅炉和汽轮发电机之间的供求平衡，达到最佳控制的目的。 

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中： 

图1为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的输出功率指令处理原理图；

图2为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的锅炉主控命令指令处理原理图；

图3为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的汽机主控命令指令处理原理图；

图4为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的模糊控制规则表；

图5为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的锅炉加速指令工作原理图：

图6为本发明实施例所述的基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法的锅炉加速信号组态图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。 

一种基于非线性控制和模糊控制的协调控制方法，对网控的负荷指令、运行人员设定的负荷指令进行负荷选择，经修正后作为电功率指令信号； 

将的电功率指令信号为设定值、发电机功率为设定值进行PID运算，并以压力偏差及压力设定值变化量通过函数曲线（压力偏差对应功率修正曲线，压力偏差大时，通过改变负荷指令，来改变负荷，避免压力偏差因增减负荷而加大，保持系统稳定）形成的信号作为前馈，形成汽机的主控指令；

以汽压比值乘以主蒸汽压力值为设定值，热量信号作为测量值，进行锅炉主控PID运算，以锅炉加速指令和负荷指令通过函数曲线（负荷指令变化直接改变锅炉主控指令，而不是等待主汽压力变化再调整锅炉主控指令，可提高锅炉反映速度），形成的信号作为前馈，最终形成锅炉主控指令；

根据汽机的主控指令和锅炉主控指令对火电机组进行控制。

PID运算为： 

；

其非线性函数f(x)的选择原则是：与线性相比，小误差时采取较大控制，大误差时采取较小控制，非线性函数f(x)公式如下：

其中： x为输入线号；δ为函数滤波器的滤波因子，增加δ可使滤波效果变好，但延迟效果加剧；α为常数，在0~1之间取值，值越小，跟踪越快，滤波效果越差。

  

PID运算中采用模糊控制，偏差处理采用了上述非线性函数，其积分环节分为负荷指令无变化时的稳态变积分回路及负荷指令变动时动态变积分回路，在负荷变动过程中，通过动态变积分回路适当减弱积分，在负荷未变动时，则切为稳态变积分回路，通过偏差及偏差变化率对积分作用的强弱进行模糊自整定，以达到快速消除偏差，并减少超调的目的，动态变积分回路、稳态变积分回路是指逻辑根据负荷指令的变化率自动判断系统处于动态或稳态，在此基础上采用改变积分时间的办法来实现精确控制的方法。

其中，1）负荷指令计算回路 

负荷指令计算部分主要作用：对ADS给出的负荷指令（Automatic Dispatch System）、运行人员对机组设定的目标负荷、电网频率偏差对机组负荷的修正、机组内部的异常情况对机组负荷的修正，进行选择，并加以处理，使之转变为与当时机组设备状况及安全运行情况相适应的实际负荷指令（ALD），作为输出电功率的给定值信号。

图1中个命令的意义如下： 

ADS：网控的负荷指令

Wsp：运行人员设定的负荷指令

W  ：实际负荷

RUNBACK：当重要辅机发生故障时

FCB：脱网甩负荷，机组带厂用电运行（小岛运行）

RUNDOWN：当重要辅机异常，机组出力增加受到限制时，负荷自动下降

RUNUP：当重要辅机异常，机组出力降低受到限制时，负荷自动上升

BL IN：禁止负荷指令增（BLOCK INCREASE）、BL DE：禁止负荷指令减（BLOCK DECREASE）是根据机组重要参数：燃料（FUEL FLOW）、送风（AIR FLOW）、炉膛压力（FURN PRESS）、给水（FWF）与指令偏差超过一定值时，或者调节设备已经达到极限时产生的。

机组负荷指令的形成，首先根据外部负荷变化要求来确定，“目标负荷选择”就是选择依据运行人员的负荷设定还是电网控制指令。当输入是一个阶跃变化的负荷指令，通过速率限制器后输出的是一个以一定斜率变化的斜坡信号，斜率就是负荷变化的速率，它可以由运行人员根据负荷跟踪能力和运行要求人为设定。当机组重要辅机故障情况下，选择不同的速率及目标值。“负荷指令选择”还负责在机组处于不同的运行方式时，负荷指令的切换跟踪；以使运行方式切换时无扰。如果要求机组对电网的频率偏差进行自动变负荷修正，负荷指令就要加上频率偏差修正，最终输出经频率偏差修正后的指令。 

为了保证机组的安全运行，AGC和运行人员的负荷指令需要经过一些处理才变成实际的负荷指令（N0）。主要有负荷指令方式选择、负荷速率限制、负荷高/低限幅、负荷闭锁/减、RUNBACK、负荷迫升/降等处理功能。 

2）机组运行管理 

机组运行方式管理部分的主要作用：根据机组运行条件及要求，选择适当的机组运行方式。使锅炉主控制器和汽机主控制器在控制机组功率和主蒸汽压力时分别取用合适的调节方式，以产生锅炉主控指令和汽机主控指令。

协调控制是指单元机组锅炉和汽机协调动作控制机组的功率和主汽压力。当负荷指令改变时，机组主控制器并行地改变锅炉的燃烧率和汽机的进汽量，同时为了使主汽压力波动在合理的范围内，用汽压的变化来适当地限制汽机调门开度变化和适当加强锅炉的调节作用。在这种协调控制方式下，机组既能较快地响应负荷的变化。又能维持机组稳定运行。 

该协调控制方式设计方案为DEB方式，即直接能量平衡方式，其设计思想主要为： 

a.体现机炉协调控制的原则。当出现负荷需求时，机炉并行参与控制功率和汽压；

b.以“能量平衡”的观点来设计协调控制系统。“能量”指单位时间内的能量，即“功率”。如图2所示：

说明：在图2中：A、热量信号P1+（dPd/dt）热量释放信号或简称，它用调节级汽压P1加上锅炉蓄能变化(用汽包压力Pd的微分表示)来测量，间接代表了进入锅炉的燃料量(和相应风量)测量。不管燃用何种燃料，这种测量都是正确的，它可反映燃料数量的改变，同时也反映出燃料成份的改变，包括其发热量的改变。燃料输送系统的机械故障也可获得快速反映。正像能量需求信号必须免除锅炉扰动的影响一样，热量信号也必须免除汽轮机侧扰动的影响，以确切表述锅炉供应的能量。事实情况也正如此，汽门开大时，P1，升高，汽包压力却在减少，两者正好平衡，热量信号不变，这表示汽轮机阀门的动作对热量信号没有影响。

  B、P1/PT 调节级汽压P1对主蒸汽压力PT之比作为调速器阀门开度的有效测量值。实验证明，这一比率在汽轮机运行范围内具有线性特性，而且由于这一测量值直接取自汽轮机工艺机理本身，而不是人为构成的阀位信号，不会受到阀门本身的非线性和其他机械问题影。也不会受锅炉侧的任何扰动或燃料系统存在问题的影响，因为在这种扰动下，调节级的汽压和主蒸汽压力变化是成比例的，比值不变。       C、PS（P1/PT）汽压比值乘以主蒸汽压力定值，表示汽轮机向锅炉索求能量的需求信号。这一信号建立了汽轮机负荷和调速门开度之间正确的比例关系，不受锅炉侧扰动影响，不论在恒定负荷或负荷改变时，还是常压运行或滑压运行时，都是正确的，它为锅炉和汽轮机之间的协调提供了一种有效手段。在DEB系统中，它用作燃料控制器的给定值。 

锅炉主控制器以PS（P1/PT）汽压比值乘以主蒸汽压力定值作为设定值，热量信号P1+（dPd/dt）作为测量值，进行PID运算（引入直接能量平衡法控制，通过非线性PID及模糊控制表技术应用），以锅炉加速指令和负荷指令（LDCOUT）通过函数曲线形成的信号作为前馈， 最终形成锅炉主控指令（BMOUT）。 

汽机主控 

汽机主控制器以负荷指令（压力偏差作修正值）为设定值，实发功率为测量值进行PID运算，以压力偏差及压力设定值变化量通过函数曲线形成的信号作为前馈，最终形成汽机主控指令（TUBOUT）。

优化设计说明： 

1、协调控制系统设计方案为直接能量平衡法控制（DEB），DEB控制本身有调压特性，它使用热量信号间接反映燃料量，压比信号反映汽机的调门开度。但是实际运行中压比信号对信号噪声的反应也非常灵敏，在经过超前补偿后信号的噪声将进一步放大，所以必须对能量指令进行有效的滤波。一般的惯性滤波在克服噪声的同时也牺牲了信号的灵敏性。为了既能有效地滤去噪声又不延滞信号，我们在设计中采用限幅滤波ALF（AmplitudeLimitingFilter）法。对于压力比信号其噪声的幅度是比较均匀的，ALF通过设定一个基于信号均值的滤波幅值，形成一条浮动于信号的噪声滤波带，使在滤波带幅度内的噪声得到有效克服，而大于滤波带幅度的有用信号变化量获得真实反映。ALF的滤波幅值整定在工程上是非常容易的，只要记录并测量出信号噪声的平均幅度就可以确定该整定值。（如图2）

汽机主控中增加功率指令的前馈，其所起的加速调节作用将有利于系统克服中间再热机组的再热器容积滞后，更进一步提高了响应速度。

2、非线性PID的使用 

传统PID控制器的输出是偏差信号的比例积分微分的线性组合，因此无法解决快速性与超调之间的矛盾。为了解决快速性与超调之间的矛盾，可采用合理的非线性特性。其具体如下：

见图7，

   

称为非线性误差的PID控制律。

选取非线性函数f(x)的原则是：与线性相比，小误差时采取较大控制，大误差时采取较小控制。这样的非线性函数有很多，本设计采用的是FAL函数： 

参加锅炉主控图中PID算法模块变比例、变积分控制。

3、模糊控制规则表的应用 

在复杂的非线性控制中有时会采用规则控制，需建立模糊控制规则表。虽然有一部分散控制系统的算法块中有二维表模块，但用在模糊控制上将受到一定的限制，如有的是简单的5X5的二元数组算法块。模糊控制表规则划分等级是同其控制精度相关，设计采用传统的函数块、加法块、切换块算法块实现任意等级的模糊控制规则表。如图4所示。

引入锅炉调节器偏差，建立模糊控制规则表，生成模糊控制信号（BMPFCO）。实现的是11X11的模糊控制规则表，偏差E模糊化后，经F(x)函数块后转为0~10，偏差变化率DE模糊化后，经F(x)函数块后转为1~11，再经过公式11*E+DE，将所需的二维表转化为1~121的一维表。若需要其他等级的二维表，可按此方法类推。 

由于多参数的耦合作用，协调控制系统属于较为复杂的前馈-反馈系统。能量控制器虽然采用PID控制结构，但已经同传统的PID控制有很大的区别，在偏差处理采用了非线性函数NLFAL模块，PID模块采用变参数模式，其积分环节又分为负荷指令无变化时的稳态变积分回路及负荷指令变动时动态变积分回路。在负荷变动过程中，通过动态变积分回路适当减弱积分。在负荷未变动时，则切为稳态变积分回路，通过偏差及偏差变化率对积分作用的强弱进行模糊自整定，以达到快速消除偏差，并减少超调的目的。 

4、锅炉加速指令（BIR） 

通过非线性控制器的使用，主汽压的稳态调节效果将会得到改善。但是动态调节过程的改善则需使用指令前馈加锅炉加速指令（BIR）。在负荷变化过程中，针对风量、燃料、减温水等对负荷变化的不同的响应时间，建立送风、燃料等不同的超调信号(BIR)，用于对动态响应过程的校正。另一方面，为了及时补充蓄热，也必须对燃料进行适量的超调，其它参量也有与之相适应的超调。通过每个锅炉输入指令的过调(负荷上升时)和欠调(负荷下降时)作用，加速锅炉过程控制，改善主汽压力和温度的可控性。

引入锅炉调节器偏差，建立模糊控制规则表，生成模糊控制信号（BMPFCO）。实现的是11X11的模糊控制规则表，偏差E模糊化后，经F(x)函数块后转为0~10，偏差变化率DE模糊化后，经F(x)函数块后转为1~11，再经过公式11*E+DE，将所需的二维表转化为1~121的一维表。若需要其他等级的二维表，可按此方法类推。 

由于多参数的耦合作用，协调控制系统属于较为复杂的前馈-反馈系统。能量控制器虽然采用PID控制结构，但已经同传统的PID控制有很大的区别，在偏差处理采用了非线性函数NLFAL模块，PID模块采用变参数模式，其积分环节又分为负荷指令无变化时的稳态变积分回路及负荷指令变动时动态变积分回路。在负荷变动过程中，通过动态变积分回路适当减弱积分。在负荷未变动时，则切为稳态变积分回路，通过偏差及偏差变化率对积分作用的强弱进行模糊自整定，以达到快速消除偏差，并减少超调的目的。 

4、锅炉加速指令（BIR） 

通过非线性控制器的使用，主汽压的稳态调节效果将会得到改善。但是动态调节过程的改善则需使用指令前馈加锅炉加速指令（BIR）。在负荷变化过程中，针对风量、燃料、减温水等对负荷变化的不同的响应时间，建立送风、燃料等不同的超调信号(BIR)，用于对动态响应过程的校正。另一方面，为了及时补充蓄热，也必须对燃料进行适量的超调，其它参量也有与之相适应的超调。通过每个锅炉输入指令的过调(负荷上升时)和欠调(负荷下降时)作用，加速锅炉过程控制，改善主汽压力和温度的可控性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。