循环流化床锅炉控制策略研究

循环流化床锅炉控制策略研究

丁满1张猛2

1.北京合众慧能科技股份有限公司北京

2.中国核电工程有限公司北京

摘要：由于循环流化床锅炉系统具有大迟延、大惯性的特性，常规PID控制难以获得理想的控制效果，并且针对现场的原DCS控制系统策略老旧、厂家维护效果差，难以通过更换原系统控制策略及参数的调整来优化锅炉运行的控制过程。

本文采用外接优化控制柜的方式，在优化控制柜中完成控制策略的配置和参数的调整。通过对被控对象特性的研究，了解被控对象的内扰因素和外扰因素，优化控制策略配置时，在PID控制的基础上，采用前馈控制策略和负荷分段的控制策略，弥补单纯PID控制的不足，可达到改善控制系统的动态特性和提高鲁棒性的效果。

关键词：循环流化床锅炉；优化控制；前馈；负荷分段；

1.引言

循环流化床燃烧技术是一种高效、低污染、燃烧适应性广的洁净煤燃烧发电技术，在热电行业有广泛的应用。而循环流化床锅炉又具有多参数、非线性、时变以及多变量耦合的复杂系统特点，使得其燃烧过程十分复杂。系统状态、系统参数和控制算法都直接影响其控制精度，如果采用固定参数的常规比例积分微分（PID）控制器，当工况发生较大变化时，很难保证控制系统的控制品质［1］。循环流化床锅炉自动控制效果的好坏直接关系到环保和节能，因此，需要引入新的控制策略来提高循环流化床锅炉的效率，在提高整个系统的经济性的同时节约能源[2]。

2.外接优化控制柜方式

一套优良的自动控制系统是在不断进行控制策略调整、控制参数优化、反复分析和试验后获得的。CFB锅炉是一种输入/输出非线性且高度耦合的多变量系统，同时控制对象具有大迟延，大惯性等特点，根据线性对象设计的PID控制器并不完全适用，即使在某一种工况或者某一初始条件下能够获得相对较好的控制效果，但是一旦条件改变，固定参数的PID控制器就不再适用。而目前的DCS基本都采用PID控制器，在锅炉运行过程中，要想通过更换控制策略来优化控制效果，不仅很难实现，而且不能保证系统调试、下装的安全性。

因此引入外接的优化控制柜，优化控制柜作为独立优化控制站实现各控制回路的调节和优化，这在投资和实现上都比较容易，并且在优化控制站进行控制策略的调整可以进行开环试验，当运行参数达到要求时再投入自动控制，可以保证系统运行的安全。

图1-1循环流化床锅炉工艺流程图

优化控制柜与原DCS系统相分离，将带有先进控制软件的主机柜立于电子设备间，与原DCS系统的下位机进行通讯，获得有关的控制信息后，取代原系统的控制功能，并进行优化智能控制（不涉及原DCS系统的联锁保护等其他功能），外接优化控制器仅针对回路优化，通过对前馈变量选择，或者引入分段控制等手段来设计较为复杂的控制逻辑来实现控制回路的优化，这样不但改善了常规控制滞后性，而且操作简单、易于实现。

图1-2系统整体结构示意图

3.循环流化床锅炉优化控制策略

3.1前馈控制

由于循环流化床锅炉控制对象具有大延迟、大惯性等难以控制的特性，要获得较好的控制效果，仅通过偏差的反馈控制是很难实现的。前馈控制系统恰恰弥补了反馈控制系统的不足，它是一种按照扰动进行补偿的开环系统。这种补偿原理不但能对扰动进行补偿，还可将该原理运用到改善对象的动态特性[3]。

通常在实际生产中我们将前馈控制加入到常规PID控制中，构成前馈-反馈控制系统。该系统在吸收了前馈控制优点的同时还具有反馈控制对被调量实行反馈检验的能力和克服多个扰动的能力。

前馈-反馈控制系统中运用了前馈控制对扰动完全补偿的条件，利用前馈控制对所测干扰反应快，控制及时的特点，同时前馈控制对反馈回路所要进行的参数整定没有任何影响，并且还有助于反馈调节器进行参数整定。这是因为前馈-反馈控制系统是通过运用扰动控制和偏差控制相结合的方法进行校正的。如图2-1所示。

图2-1前馈—反馈控制系统方框图

3.2负荷分段控制

传统的PID控制器的设计通常假设被控对象是慢时变或者不变的，也就是基于一个参数固定或慢时变的系统模型。随着控制理论的发展和实际过程控制的需要，被控对象越来越复杂，对象所处的工作环境也会由一种状态突然变化到另一种状态，被控对象模型也会有很大改变，而对于常规的PID控制来说实现跟随对象的实际变化很困难，因此控制效果往往不理想。

但是PID控制相比较其他的控制算法依然具有很大的优点，运算简单，可调整参数少，被控对象适应广。因此针对PID常规控制的不足，可以将被控对象按照工作点分成多个线性模型，分别配置PID控制器的参数，根据被控对象的工作点选择合适的控制器，其难点在于多个PID控制器间的无扰切换和相互跟踪问题，这样的控制逻辑设计会使PID控制算法成倍的增加，从而影响现场控制器CPU的负荷率，负荷率上升会影响现场控制器的计算能力和稳定性。因此，在现场控制站上实现多个PID控制器切换比较困难。而外接优化控制器着眼于回路控制，控制能力有很大的提升，完全可以实现这种复杂的逻辑控制。

负荷分段控制的主要原理是针对复杂非线性系统，按工作点分成多个线性模型，分别设计控制器，调整控制器控制参数，设计控制器的跟踪切换逻辑和输出选择逻辑。此外引入外接优化控制器以后，原控制系统中的控制逻辑将被隔离，原控制系统在回路控制中相当于测量装置和执行装置。增加控制切换管理逻辑，在原控制逻辑和外接控制逻辑间进行切换，系统投到自动状态以后，外接控制逻辑开始起作用，控制指令通过通讯系统经原控制逻辑中的输出通道控制现场设备，投到手动状态以后，原系统中的手动控制逻辑开始起作用，而外接控制器被旁路掉[4]。分段控制比原有单回路控制逻辑更加适合时变的现场被控对象，在局部会获得更好的控制效果，而且各个控制器的控制器参数整定也比较简单，易于获取。

4.结语

本文采用外接优化控制柜的方式对循环流化床锅炉锅炉进行控制策略的优化，避免了在原DCS系统调试、下装的安全隐患。在PID控制的基础上加入前馈控制和负荷分段控制，对于具有大延迟、大惯性等难以控制的对象，在被控对象动态特性的基础上，找到主要的扰动因素，通过前馈控制参数的配置及负荷分段控制能够达到较好的控制效果。

参考文献

[1]于希宁，平玉环，尹水红，等．450tCFB锅炉床温控制系统改造与仿真分析［J］．电力科学与工程，2007，23（1）：69-72．

[2]孟凡强，孟庆金．热电厂循环流化床锅炉主蒸汽压力智能控制［J］．济南大学学报（自然科学版），2006，20（3）：242-244．

[3]金以慧.过程控制[M].清华大学出版社，1993：124-136．

[4]YueZhang，HongbingXu，Meng-jiaoLiu，extral.Externaloptimizationcontrollerinoptimalcontrolofthermalpowerunits[J].Proceedingsof2012InternationalConferenceonMachineLearningandCybernetics.2012，V3：840-844．