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新型分散式仿真機(jī)在熱工優(yōu)化控制中的應(yīng)用

點(diǎn)擊次數(shù):2106 發(fā)布時(shí)間:2013-11-06

引言
  
  新型分散式仿真機(jī)采用了與DCS在硬件和軟件上*一體化的設(shè)計(jì)思想,仿真機(jī)上運(yùn)行的虛擬DCS系統(tǒng),除了控制對(duì)象的運(yùn) 行參數(shù)取自仿真數(shù)學(xué)模型而非端子板外,其他所有的軟硬件均與現(xiàn)場(chǎng)DCS一致。這種優(yōu)良特性使得仿真機(jī)上運(yùn)行的所有畫面和組態(tài)均取自現(xiàn)場(chǎng)DCS,了仿真 機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)DCS的同步更新;另一方面,也使得仿真機(jī)上運(yùn)行合理的畫面和組態(tài)可以*下裝到現(xiàn)場(chǎng)DCS使用,這在客觀上了在仿真機(jī)上進(jìn)行各種熱工調(diào)試和 優(yōu)化試驗(yàn)的可能。熱工人員可以在仿真機(jī)上進(jìn)行各種優(yōu)化試驗(yàn)而消除在現(xiàn)場(chǎng)DCS上進(jìn)行操作的風(fēng)險(xiǎn),還可以將試驗(yàn)成功的優(yōu)化策略直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)。
  
   火力發(fā)電機(jī)組中鍋爐主汽溫的控制精度直接影響到整個(gè)機(jī)組的熱效率,并且還會(huì)影響到過熱器管道以及汽輪機(jī)乃至整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看,影 響主蒸汽溫度的主要因素有:1)蒸汽流量,即負(fù)荷水平直接影響主蒸汽溫度;2)主蒸汽壓力;3)燃燒狀況,包括總煤量、上層磨出力、噴燃器仰角、助燃風(fēng) 等,這些因素的改變,都直接導(dǎo)致燃燒中心的改變,從而影響過熱器吸熱能力,改變主蒸汽溫度;4)減溫水閥的開度。以上所述任何一個(gè)因素的變化都會(huì)導(dǎo)致主汽 溫的不同程度的變化,從而影響到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。所以在電站仿真中,主汽溫是一個(gè)非常重要的參數(shù),必須其仿真精度及穩(wěn)定性。
  
  一、理論推導(dǎo)
  
   由上所述可知,在主汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)中輸入量不是單一的。對(duì)于多輸入量和輸出量系統(tǒng),以及非線性系統(tǒng)等,經(jīng)典的控制理論已不能勝任。為簡(jiǎn)化系統(tǒng)的數(shù)學(xué)表達(dá) 式,應(yīng)用矩陣運(yùn)算是非常有利的,而狀態(tài)空間分析法,正是以狀態(tài)空間方程的矩陣形式來表達(dá)系統(tǒng),然后進(jìn)行分析的。該方法是時(shí)域法,運(yùn)用該方法可以對(duì)具有多反 饋、多控制量的系統(tǒng)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì),以滿足預(yù)先給定的性能指標(biāo)。
  
  在現(xiàn)代控制理論中,經(jīng)常會(huì)采用狀態(tài)方程來描述多元系統(tǒng)的對(duì)象特性,更確切的說,狀態(tài)方程是描述狀態(tài)變量之間相互作用或固有運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種方程式[1]。
  
  狀態(tài)方程的一般形式為:
  
  其中,X為n維狀態(tài)向量,u為r維控制輸入向量,Y為m維輸出向量。A為n*n狀態(tài)系數(shù)矩陣,B為n*r控制系數(shù)矩陣,C為m*n觀測(cè)系數(shù)矩陣,即:
  
  所以

  
   目前,雖然有許多比較好的求此狀態(tài)方程連續(xù)解的方法,但是在計(jì)算機(jī)仿真過程中,需要的是其數(shù)值解,所以必須先把此連續(xù)性狀態(tài)方程進(jìn)行離散化?,F(xiàn)在在計(jì)算 機(jī)仿真過程中普遍采用的是歐拉法。歐拉法有許多優(yōu)點(diǎn),譬如,在計(jì)算步長(zhǎng)比較小時(shí),能夠達(dá)到所要求的精度,但是當(dāng)計(jì)算要求在比較大的步長(zhǎng)下進(jìn)行,但又要 精度時(shí),歐拉法就顯得無能為力。下面將介紹一種解決此類問題的方法——解系統(tǒng)狀態(tài)方程的動(dòng)態(tài)因子法。通過動(dòng)態(tài)因子的引入,使得這種方法彌補(bǔ)了歐拉法的缺 點(diǎn)。
  
  由一般性的系統(tǒng)狀態(tài)方程,即由(1)可以得到:
  
  其中,i=1.2.3.....n。
  
  求解(1)數(shù)值解的方法有很多,譬如,歐拉法、龍格—庫(kù)塔法等。
  
  仿真數(shù)學(xué)模型一般用各種微分方程來表示,這些微分方程大多是質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒方程的各種表現(xiàn)或轉(zhuǎn)化形式。在許多情況下,仿真數(shù)學(xué)模型可歸結(jié)為下面形式的微分方程[2]:
  
  通過動(dòng)態(tài)因子法離散化可得:
  
  其中,DF稱為動(dòng)態(tài)因子(可變因子),X為t時(shí)刻的值,x`為t+△t時(shí)刻的值。
  
  在本文中,把此動(dòng)態(tài)因子法用在了求解系統(tǒng)狀態(tài)方程的數(shù)值解中,并稱之為解系統(tǒng)狀態(tài)方程的動(dòng)態(tài)因子法。令(3)等號(hào)右邊的項(xiàng)為M,用此法離散化(3)可以得到:

  
  其中,(4)中的A=1,動(dòng)態(tài)因子,可見當(dāng)Aii=0時(shí),Dfi—>1。
  
  由(4)可得:
  
  寫成矩陣形式如下:
  

  則由(5)可以得到,
  
  再由(6)得到,
  
  則,(7)就是動(dòng)態(tài)因子法對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)方程(1)進(jìn)行離散化后得到的離散方程,并令其中的Q-1+I=P。由于Q中包含動(dòng)態(tài)因子Dfi,所以把P稱為動(dòng)態(tài)矩陣。
  
  二、計(jì)算實(shí)例
  
  為了對(duì)此方法進(jìn)行有效的說明,現(xiàn)在把動(dòng)態(tài)矩陣運(yùn)用于文獻(xiàn)[3]中第26頁(yè)的實(shí)例。
  
  2.1實(shí)例
  
  某300MW火力發(fā)電機(jī)組主汽溫系統(tǒng)中的減溫水閥開度對(duì)主汽溫的影響可以用傳遞函數(shù)
  
  來表示。
  
  把(8)轉(zhuǎn)換成狀態(tài)空間方程如下:
  

  2.2仿真結(jié)果
  
  在程序設(shè)計(jì)中取計(jì)算步長(zhǎng)分別為T=0.6s與T=6s,仿真時(shí)間ST=600s。通過循環(huán)迭代得到如圖1、圖2所示的仿真結(jié)果:
  

  三、結(jié)論:
  
  (1)由圖1、圖2可以得出,當(dāng)步長(zhǎng)取得比較小時(shí),動(dòng)態(tài)因子法可以達(dá)到與歐拉法、二階龍格—庫(kù)塔法幾乎相同的精度;當(dāng)步長(zhǎng)比較大時(shí),動(dòng)態(tài)因子法的精度比歐拉法的精度高得多,并且與二階龍格—庫(kù)塔法的精度也很接近,但是所需計(jì)算時(shí)間要比二階龍格—庫(kù)塔法短。
  
  ?。?)在電站仿真中,某些重要參數(shù)(例如本文所述的主汽溫)要求達(dá)到比較高的精度,但由于動(dòng)態(tài)仿真的特殊要求,有時(shí)需要讓整個(gè)系統(tǒng)快速達(dá)到某種運(yùn)行狀 態(tài),這時(shí)就需要讓計(jì)算加速,其中一種方法便是加大計(jì)算步長(zhǎng),歐拉法在此情況下可能達(dá)不到所要的精度,但運(yùn)用龍格—庫(kù)塔法又需要比較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間,所以此時(shí) 可以采用介于二者之間的動(dòng)態(tài)因子法,此方法既可以滿足特定參數(shù)精度的要求,又可以滿足計(jì)算快速性的要求,非常具有工程數(shù)值計(jì)算的實(shí)用價(jià)值。
  
  ?。?)雖然本文所應(yīng)用的實(shí)例只是減溫水閥開度對(duì)主汽溫的影響,也就是說,是單輸入量的問題,但通過理論推導(dǎo)可以看出:通過動(dòng)態(tài)因子與動(dòng)態(tài)矩陣的引入來離 散化狀態(tài)空間方程是一種非常通用的方法,它既適用于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng),又適用于多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)。         

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