燃煤机组锅炉-汽轮机系统协调控制模型及使用说明

模型说明:

式中:P表示负荷、pT表示主蒸汽压力,Dcf表示被一次风携带入炉的煤量,pD表示汽包压力,μT表示汽轮机调门开度,μB表示给煤量,tf表示制粉过程的时间常数,τ表示滞后时间,Qnet,ar表示入炉煤的低位发热量,q4表示机械不完全燃烧损失,hs表示饱和蒸汽的比焓,hfw表示蒸发系统入口给水的比焓,ρD表示汽包内蓄积的饱和蒸汽密度,Vs表示汽包内气相工质的体积,ρT分别表示过热器内蓄积蒸汽密度,VT表示各级过热器内工质的总体积,C0表示阻尼系数,k2, k3, a1, b1表示模型相关性参数。
分别用x=[P,pT, pD, Dcf]T, u=[μT, μB]T, y=[P, pT]T表示模型的状态变量、控制变量、输出变量,得到完整的状态空间模型为:

经参数辨识得到:
k2=1.266;
k3=20.588;
a1=1374.8; b1= 3397.9; C1=19.76*(0.0128*x3*x3+0.1503*x3+4.707);
C2=479.54;
C3=20237.25;
C4=38*(1.06*x3-5.16);
C5=-1.434*x3*x3+13.578*x3+1547;
C6=19.76*0.0128*2*x3+0.1503*19.76;
Te=10;
Tf=60;
备注:上述模型结构适用于具有汽包锅炉、凝汽汽轮机的亚临界机组。读者在将上述模型结构用于自己的燃煤机组时,模型参数需要根据机组的真实运行数据进行重新辨识。

 

 

功能描述:
1)模型验证

采用现场实测的输入变量文件(如,u1114kgs.mat)作为输入加载到Matlab工作空间,运行Sim_btmodel.mdl得到控制模型的动态仿真输出值。现场真实输出数据参见验证结果文件(如,Model validation1114.xlsx)。

2)模型开环特性研究

采用Sim_open_loop.mdl文件,输入为指定幅值的阶跃信号,研究控制模型的开环特性。需要注意的是:阶跃信号初始状态设置应与模型4维状态变量的初始值设置保持一致,例如,初值设置为x0=[220,14.132,14.976,0.608],则阶跃信号初始值应设置为[220,14.132]。

3)采用常规PID+前馈控制算法控制该控制模型研究:

Sim_PID.mdl为 PID加前馈算法控制该非线性控制模型的仿真文件,汽机调门输入限幅[0.1,0.9],给煤量输入限幅[15kg/s,60kg/s]。需要说明的是,控制变量(功率、主蒸汽压力)的设定值可以为阶跃信号,也可以为现场实际给定的一组数据(如,setNP_1104.mat),采用切换开关Constant进行切换(Constant=0或1);另外,在仿真组态中还加入了正弦干扰设置接口,调节权系数可以改变干扰强度,当不需要设置干扰时,请将权系数置为0。

4)采用反馈线性化将该非线性模型进行全局精确线性化

Decouple_FL.mdl为反馈线性化后得到的伪线性模块,可以作为独立系统进行使用。在做输入重定义动态扩展时主汽调门变量有积分运算环节,积分初值需要根据实际主汽调门的初始开度进行设置。需要说明的一点,在进行反馈线性化过程中,需要用到汽包压力这一状态变量,因此,在原来的2输出基础上,将汽包压力作为第三个输出,构成了3输出模型即NSS_sf_kgs3.m。

5)采用FL-PID、FL-SMC算法控制该非线性控制模型

Sim_FL_PID.mdl、Sim_FL_SMC.mdl为采用FL-PID、FL-SMC算法控制该非线性控制模型的仿真文件,根据与设定值的对比,可以分析控制算法的优劣。读者也可以采取类似于Demo仿真组态的方式,定义自己的控制算法,并分析控制效果。

 

 

使用方法:
运行环境为Matlab(需要有C编译器,2015版本自带),该非线性模型采用S-Function编写,即插即用,具体操作为:在使用时,需要从Simulink库文件中添加S-Function模块,并将附件中的.m模型文件与之关联,即可使用。

 

 

附件说明:
附件为该状态空间模型的源代码和仿真组态Demo,具体包括2个S-Function源代码文件(.m)、6个Simulink仿真文件Demo(.mdl)、6个数据文件(.mat/.xlsx),具体地:
NSS_sf_kgs.m:二输入二输出非线性状态空间控制模型S-Function
NSS_sf_kgs3.m:为了进行状态反馈,将控制模型中的“汽包压力”这一状态变量输出,构成二输入三输出非线性状态空间控制模型S
Sim_btmodel.mdl:用于对控制模型进行验证的仿真文件
Sim_open_loop.mdl:输入为阶跃信号,用于研究控制模型的开环特性的仿真文件
Sim_PID.mdl:采用PID加前馈算法控制该非线性控制模型的仿真文件
Decouple_FL.mdl:对非线性状态空间模型采用精确反馈线性化FL,得到的伪线性系统模型的仿真文件
Sim_FL_PID.mdl:采用FL-PID算法控制该非线性控制模型的仿真文件
Sim_FL_SMC.mdl:采用FL-PID算法控制该非线性控制模型的仿真文件
Model validation 1104.xlsx:利用1104的数据,对模型进行验证结果
Model validation 1114.xlsx:利用1114的数据,对模型进行验证结果
u1104kgs.mat:一组现场实测的输入变量(带时标,输入变量:汽机调门、给煤量),时长24小时,采样周期5s,维数:17280*3
u1114kgs.mat:一组现场实测的输入变量(带时标,输入变量:汽机调门、给煤量),时长24小时,采样周期5s,维数:17280*3
setNP_1104.mat:一组现场实际给定的功率、主蒸汽压力设定值,时长24小时,采样周期5s,维数均为:17280*2
setNp_1114.mat:一组现场实际给定的功率、主蒸汽压力设定值,时长24小时,采样周期5s,维数均为:17280*2
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