摘要：針對目前火電廠熱控系統(tǒng)中大量DCS參數(shù)運行調試現(xiàn)狀，提出了采用MATALB進行火電廠熱控系統(tǒng)DCS系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的實現(xiàn)方案，介紹了MATALB提供的非線性優(yōu)化工具模塊的使用技術和控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化實例。
　　
　　1引言
　　
　　目前火電廠熱控系統(tǒng)已廣泛采用分散控制系統(tǒng)DCB。DCS控制系統(tǒng)基本是由一些簡單的標準結構組態(tài)而成，如將基本的和各種變形的PID調節(jié)器、微分器、一階慣性環(huán)節(jié)等’組態(tài)構成的鍋爐三沖量給水控制系統(tǒng)、鍋爐過熱汽溫調節(jié)系統(tǒng)，以及機組協(xié)調控制系統(tǒng)等。DC$所構成的控制系統(tǒng)的拓撲結構特點是各基本單元簡單而標準化，復雜功能的實現(xiàn)通過用標準基本單元的復雜連接而完成。這使得DCS環(huán)境下的控制系統(tǒng)具有可任意組態(tài)的特點，并使得DCS系統(tǒng)在實際使用到具體工程時控制系統(tǒng)結構和參數(shù)才*確定下來。由于各個具體工程系統(tǒng)的設計與安裝及運行往往都不*一致，影響了許多成功的控制器參數(shù)優(yōu)化技術和軟件包在不同DCS實際工程環(huán)境的推廣應用。并且由于實際工程調試時間緊，控制系統(tǒng)運行責任重大，工程經初步調試和168小時投運后，控制系統(tǒng)幾乎就不再做參數(shù)優(yōu)化試驗，控制系統(tǒng)的優(yōu)化性能常常沒有充分發(fā)揮[1]。
　　
　　—般說來，控制系統(tǒng)的優(yōu)化問題大致可分為兩類：一類是調節(jié)器的型式已經確定（如DCS中的PI、PID調節(jié)規(guī)律）時，通過調整控制器參數(shù)，使某目標函數(shù)達到*：另一類為控制對象已知，尋找*控制作用使某目標函數(shù)達到*，包括尋找控制器的結構、型式及參數(shù)等。火電廠熱控系統(tǒng)采用DCS時的結構和調節(jié)器的類型是確定的，故控制系統(tǒng)的優(yōu)十七就是整定調節(jié)器參數(shù)。調節(jié)器參數(shù)的整定除可以采用傳統(tǒng)的頻域分析法外，也可用參數(shù)優(yōu)化的方法予以解決[2]。
　　
　　參數(shù)優(yōu)化有兩種途徑：一種是間接尋優(yōu)，在得到目標函數(shù)解析式的基礎上，根據(jù)該目標函數(shù)取極值的充分必要條件，計算出參數(shù)的*解；另一種為直接尋優(yōu)，即直接在參數(shù)空間中，按照一定的規(guī)律進行探索尋優(yōu)，尋得的目標函數(shù)即為*的參數(shù)點。火電廠熱控系統(tǒng)由于存在大量的非線性和純遲延，解析分析計算較困難，本文將介紹利用MATALB軟件包中非線性優(yōu)化工具NCD（Nonlinem·，ControlDesign），進行火電廠熱控系統(tǒng)DCS中PID控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法。在介紹MATALB提供的非線性優(yōu)化工具模塊的使用技術的基礎上，結合系統(tǒng)非線性、純遲延和變參數(shù)特點，給出將該技術應用于火電廠風量控制雙執(zhí)行機構系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化實例。
　　
　　2采用MATALB實現(xiàn)火電廠熱控非線性系統(tǒng)優(yōu)化
　　
　　MATALB已成為通用的控制系統(tǒng)分析工具[3兒它不但有用于動態(tài)系統(tǒng)仿真的Simulink工具箱，還開發(fā)了一個于非線性控制和優(yōu)化設計的工具箱NCD（NonlinearControlDesign）。借助于NCD工具箱，不但可以利用Simulink進行系統(tǒng)的動態(tài)仿真與分，析，而且可以利用Simulink進行系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設計。非線性系統(tǒng)優(yōu)化設計可以參考DEMO中的典型示例進行。在創(chuàng)建火電廠熱控應用系統(tǒng)時，可將典型示例的模塊拷貝到該應用系統(tǒng)中使用。
　　
　　某電廠300MW機組采用西門子T／MPDCS系統(tǒng)。機組投運AGC時需要對各級子系統(tǒng)進行優(yōu)化，以便能在安全約束下較快地響應電網負荷需求、DCS中的送（引）風系統(tǒng)為雙執(zhí)行機構，其簡化仿真系統(tǒng)如圖1。送（引）風A、B兩側回路由偏置系數(shù)C2協(xié)調，實現(xiàn)多輸出控制（MOCS）。圖中FD-A和m—B分別表示A側和B側的調節(jié)通道，仿真中用有區(qū)別的小慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)。風量對象的模型圖中用Plant表示（Plant的實際特性如圖2）。圖1上部方框（u’，data-inputl）為在電廠采集的實際運行的風量指令數(shù)據(jù)，可經開關叨換送入Plant模型得到仿真輸出風量信號，將該仿真輸出風量信號與實際的輸出風量信號進行比較可以驗證實驗模型，并提供優(yōu)化結果可用與否的參考。FD644ini為Matlab優(yōu)化的初始化文件，而NCD-Outpu就是Matlab的非線性仿真優(yōu)化工具。
　　
　　利用NCD工具箱。火電廠熱控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)十t任務可很方便的進行。NCD的使用方法是：在MATALBCOMMAND窗口下鍵人ncdblock，即可彈出NonlinearControlDesignBlockset模塊庫。這里有一個用于優(yōu)化的模塊NCDOutput．把它連接到要優(yōu)化的用Simulink建立的應用系統(tǒng)框圖模型的輸出端，啟動仿真，則系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設計自動進行。
　　
　　為了介紹優(yōu)化設計的方法和步驟，下面結合風量系統(tǒng)實例來說明。
　　
　　3NCD優(yōu)化技術
　　
　　設圖1火電廠風量控制對象Plant的傳遞函數(shù)可表達式為：
　　
　　此處設系統(tǒng)包含飽和環(huán)節(jié)和速度限制環(huán)節(jié)兩個非線性環(huán)節(jié)，以及一個純遲延環(huán)節(jié)。再設系統(tǒng)參數(shù)具有不確定因素：a2在40∽50之間變化，a1在1．5∽4．5范圍內變化。運行中可變參數(shù)平衡點為a2=43，a1=3。
　　
　　控制系統(tǒng)采用PID調節(jié)時的優(yōu)化設計任務為：設計一組PID控制器參數(shù)，使該單位反饋閉環(huán)系統(tǒng)滿足：zui大超調量不大于20％；上升時間不大于los；調整時間不大于30s。并且還希望閉環(huán)系統(tǒng)對不確定因素a1、a2具有魯棒性。
　　
　　優(yōu)化設計的方法和步驟主要如下：
　　
　　（1）用Simulink建立控制對象模型（包括速度執(zhí)行機構的限幅環(huán)節(jié)、飽和環(huán)節(jié)和對象傳遞函數(shù)）如圖2；
　　
　　（2）在MATLABCOMMAND窗口中輸人命令ncdblock；將NCDOutput模塊與Step階躍輸入、PID等一起構成控制系統(tǒng)，建立如圖l所示的用于參數(shù)優(yōu)化設計的Simulink模型方框圖。其中的控制對象為圖2的子系統(tǒng)，PID為Simulink提供的標準模塊。實際應用中可根據(jù)DCS算法定制。
　　
　　（3）雙占NCDOutput模塊，彈出NCDBlockset約束窗口，如圖3所示
　　
　　（4）選擇Options菜單：
　　
　　①通過StepResponse命令定義階躍響應性能限制：調整時間30s；上升時間10s；穩(wěn)態(tài)誤差百分數(shù)5；超調量百分數(shù)20：振蕩負幅值百分數(shù)1。階躍響應性能限制也可以直接用鼠標在NCDBlockset約束窗口設置。
　　
　　②選擇Timerange命令，設置X軸0—100s。
　　
　　③選擇輸出坐標Y—Axis命令，設置Y軸幅值0．131—1．321。
　　
　　（5）選擇Optimization（優(yōu)化）菜單
　　
　　①選擇Pammeters命令，定義待優(yōu)化調整變量及有關參數(shù)如下：待調整優(yōu)化變量Kp，Ki，Kd及其上下限，變量允差（0．001）和約束允差（0．001）。
　　
　　②選擇uncertainty命令，定義不確定變量及有關參數(shù)：不確定變量為ala2及其上下限[al／240]、[a1*250]
　　
　　（6）利用初始化模塊FD644ini對系統(tǒng)模型參數(shù)初始化：Kp=0．6；Ki=0．05；Kd=2；a2=43；al=3
　　
　　（7）選擇Optimization菜單start命令，開始對調整變量的優(yōu)化。優(yōu)化過程實質上是利用MATLAB優(yōu)化工具箱函數(shù)constr．m對調整變量Kp，Ki，Kd進行優(yōu)化計算，直到系統(tǒng)階躍響應指標的約束條件得到滿足為止的過程。優(yōu)化時NCDBlockset約束窗口不斷顯示階躍響應曲線，MATLABCOMMAND窗口也不斷顯示有關信息，一旦性能約束條件滿足
　　
　　，優(yōu)化過程停止。
　　
　　（8）優(yōu)化結束后，在MATLABCOMMAND窗口，鍵人優(yōu)化整定的變量名，即得到優(yōu)化的參數(shù)值：
　　
　　Kp=2．3449；Ki=0．1115；Kd=10．3382
　　
　　NCDBlockset約束窗口如圖3，初始階躍響應為曲線1，控制器的優(yōu)化的系統(tǒng)階躍響應為曲線2。將該組優(yōu)化的PID參數(shù)與DCS系統(tǒng)中現(xiàn)有的參數(shù)比較，則可以根據(jù)實際工況修正原參數(shù)，從而得到優(yōu)化的系統(tǒng)。
　　
　　若風機A、B側的PID參數(shù)需要分別優(yōu)化時，則可將圖l中：PID的參數(shù)分別用：Kpl、Ki1、Kdl、Kp2、Ki2、Kd2表示，在參數(shù)初始化時作相應考慮，即可得到優(yōu)化結果。若將圖二的復雜模型變換為電廠熱控中常用的對象模型，即將Plant的模型僅用多個慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)表示時，優(yōu)化的方法和步驟仍基本相同，只是免去了參數(shù)的不確定性和非線性。
　　
　　4結束語
　　
　　本文在分析現(xiàn)有DCS中PID控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化技術的基礎上，提出了采用MATLAB軟件包進行火電廠DCS中PID參數(shù)非線性優(yōu)化的方法，給出了采用MATLAB的非線性優(yōu)化模塊進行控制系統(tǒng)優(yōu)化的實例，結合火電廠送風雙執(zhí)行機構系統(tǒng)進行了討論。應用該優(yōu)化技術時，應注意仿真尋優(yōu)對初值的依賴，NCD優(yōu)化給出的是初值附近的局部*解而不是全局*解。在某電廠300MW機組CCS系統(tǒng)細調實現(xiàn)機組AGC的工作中，采用MAYUBNCD的輔助優(yōu)化方法取得了成效。
　　
　　參考文獻
　　
　　1李平康，DCS中的PID控制器參數(shù)自整定技術初探，華北電力技術，1999．10
　　
　　2韓樸、朱希彥，自動控制系統(tǒng)數(shù)字仿真，中國電力出版社，1996．1，P：213-254
　　
　　3龔劍、朱亮，MATLAB5．X入門與提高，清華大學出版社，2000．3
　　
　　4李遵基，熱工自動控制系統(tǒng)，中國電力出版社，1997．10，P·126-129