张钧赫
（辽宁大唐国际锦州热电有限责任公司，辽宁 锦州 121000）
【摘 要】随着电力工业的发展，大容量、高参数发电机组迅猛普及，超临界机组已经开始占据火力发电机组主导位置。协调控制系统是大型火力发电机组的重要组成部分，但是在超临界机组中，不同工况条件下运行难以通过PID控制器来实现，特别是出现较大的负载变化时。提出了基于反推法的Backstepping控制器，仿真结果表明，该控制方案具有很好的控制效果，从抗干扰性和控制能力上均要优于传统PID方法。
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关键词 Backstepping；控制方法；超临界机组；锅炉
1 直流锅炉运行特点
直流锅炉被应用于超临界机组，直流锅炉完成汽水循环流程的设备中没有汽包，这样直流锅炉的能量不能够像汽包一样储存，汽水强制循环下工作流动，将会很容易失去自平衡性能。水供给的量与燃烧率不匹配和将直接影响锅炉出口温度改变和汽水循环流程中间部分的蒸汽的压力和温度。特别是锅炉蒸汽分离器出口蒸汽温度和主蒸汽压力，用于锅炉中间点温度和蒸汽压力控制是非常重要的。所以在确定控制方案必须考虑仔细。工作在各级的加热表面温度以及燃料匹配问题的质量和数量是解决这个问题的关键。换言之，改变当前锅炉水确实影响本体是一个重要的控制参数。对于高参数是特别是超临界直流锅炉更适用。在这种情况下，超临界机组的给煤量，汽轮机调节门开口，水流量都会影响中间点温度，主蒸汽压力和负荷量，锅炉和汽轮机建立起一个模型，模型是一个三输入三输出控制对象[9]。协调控制系统已经广泛应用于超临界机组，并保证超临界机组的安全运行。它的性能直接影响到整个工厂运作。协调控制系统的性能优化是控制火电机组研究的一个重要课题。目前，中国的超临界机组已经可以把引进技术国产化。主要的协调控制系统制造商还没有完全掌握设备的运行特点可以对引进超超临界技术的消化和简单的模仿，并不能良好地进行设计和调试。在实际的运行过程中超超临界机组的许多参数与设计值的存在较大的偏差，一些重要的设备不能在最佳状态下运行。这些情况会增加能量损失，需要更多的煤耗，导致经济效益不佳。当这些不良状况危及机组的安全，通常不易被察觉。因此，超临界机组的机炉协调控制迫切需要进行监控系统进行优化。
2 Backstepping算法的研究状况
Backstepping算法是方兴未艾的一种非线性控制方法。这种算法也叫做反推法，反推断法，反转法，回推法。反推的基本思想是复杂的非线性系统分割系统不超出系统阶数的子系统，每个子系统设计控制函数，叫做李雅普诺夫函数。虚拟控制输入，被向“返回”到整个系统。该系统被集成的设计方法（这是完成后，从母核的开头的规则，输出动态系统方程），软件设计系统内核的虚拟控制律的特定性质，例如稳定性等，并且虚拟控制规律逐渐校正算法。但它必须确保指定的内核的某种性能，然后将真实控制器的设计，实现稳定化，全局规则或跟踪系统，使该系统中，为了实现所需的性能。反推法为状态线性化或者不确定非线性系统的反馈线性严格的参数，在一些数学软件，可以更容易实现。
反推的算法实际上是向后递推设计，减少在线计算时间的目标更适合操作控制。反推推出虚拟控制器基本静态补偿项，虚拟子系统控制子系统回到之前的平稳来实现。由于这一算法设计推出的时间比较晚的，在实践中，目前的研究主要是国外的理论和实验研究仍然是近年少见，即使国家和国际研究反推算法的人显著增加，但的火电厂方面的研究仍然较少，所以在电厂控制热过程中反推算法研究有很大的潜力。Backstepping的奠基人是科克托维奇(Kokotovic)，他与其共同合作的团队对该算法的发展起了很大的推动作用。
Backstepping在理论和工程上有很多优势：（1）理论研究上：首先，非线性控制器是大惯性[20]，大滞后特性的典型对象，这需要很好的理论研究。另一方面，应用反推法来实现锅炉蒸汽涡轮机的整体协调控制，是通过控制算法的各个步骤被修改，以设计出一个控制装置。此外，反推的方法成功使用的协调控制系统、，大大提高了非线性控制理论应用范围，促进研究和实践的发展，及其的理论的结合。（2）工程实践上：首先，从传统的控制器，控制器反推使得本机可以更好地监控在低负荷的负载变化和改善运行性能，提高经济性参数。另一方面，相对于传统的控制器的协调下，反推控制器的性能强大，能够更好地适应电网规划，而且可以大大降低环境污染的程度。
3 Backstepping在电厂应用实例
锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。单元机组燃料一汽压被控对象是一个典型的热工大惯性大迟延对象，常规的PID控制器很难满足其性能要求，尤其是PID控制器的积分作用常使系统过调，使系统产生振荡。为此采用新型控制策略来克服锅炉的时滞和惯性，提高机组的负荷适应能力，并保证主蒸汽压力稳定具有一定的理论与实际应用研究价值。
本文以Backstepping算法在燃料—汽压对象中的仿真研究为例，设计了Backstepping算法在电厂的应用方案，该方法的研究过程和方案可以为Backstepping算法在电厂的应用提供一个方法和实例，为燃煤电厂的控制的自动化和高效运行提供一个有效的方案。在以上对象中应用Backstepping算法进行了以下研究：1）被控对象带零点的三阶惯性数学模型的仿真研究，该研究的前提是被控对象模型燃料一汽压的传递函数模型，在此基础上，就可以在Matlab中实现被控对象的控制和研究，选择好Backstepping控制律和状态观测器的三重极点，将输出反馈矩阵设置为K=[0.585, 0.12, 0.008]。利用Backstepping对该模型的控制进行了研究，并得到了相应的仿真结果。2）将Backstepping控制器与PI控制器控制效果进行比较显示，在定值阶跃扰动下，采用传统PID控制方法，且PI参数整定的较好，汽压的超调量约为8%，调节时间约为1800s。采用Backstepping控制方法，汽压也不存在超调，调节时间约为600s，控制效果略优于传统PID的控制方法。3）Backstepping控制方法抗干扰性能检验。对控制系统进行扰动实验，在控制器和对象之间加上一个阶跃扰动信号，同时让定值阶跃输入暂停。燃料指令扰动为1%。对该结果进行了仿真研究，根据仿真结果分析，对Backstepping控制器和PI控制器都进行扰动进行比较：（1）反推控制器汽压几乎没有超调，而PI控制器超调量在8%左右。（2）反推控制器稳定时间在500S左右，而PI控制器稳定时间在1500S左右。综上所述，反推控制器的控制品质优于PID控制器。
4 结论
锅炉蒸汽压力作为表征锅炉运行状态的重要参数，不仅直接关系到锅炉设备的安全运行，而且其是否稳定反映了燃烧过程中能量供求关系。单元机组燃料一汽压被控对象是一个典型的热工大惯性大迟延对象，常规的PID控制器很难满足其性能要求，尤其是PID控制器的积分作用常使系统过调，使系统产生振荡。为此采用新型控制策略来克服锅炉的时滞和惯性，提高机组的负荷适应能力，并保证主蒸汽压力稳定具有一定的理论与实际应用研究价值。本文采用Backstepping控制算法对燃料—汽压对象进行控制，并通过仿真试验验证了算法的可行性。针对燃料一汽压的数学模型分别进行了基于状态观测器的Backstepping控制器仿真研究，简化的B ackstepping控制器仿真研究及Backstepping控制器与Smith预估器结合的仿真研究。仿真结果表明Backstepping控制器能够较好的控制被控对象，具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。
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参考文献
［1］徐通模,袁益超,陈干锦,等.超大容量超超临界锅炉的发展趋势[J].动力工程,2003,23(3):2363-2369.
［2］施应玲,刘媛媛.基于环境约束的电源结构优化研究[J]．中国电力,2009,42(9)：16-19．
［3］谷俊杰,李建强,高大林,等．热工控制系统[M]．北京:中国电力出版社,2011．
［责任编辑：刘展］