基于电厂实时生产数据的模型识别、控制与优化研究应用

基于电厂实时生产数据的模型识别、控制与优化研究应用

蒋波 周海平 尚志强

（陕西国华锦界能源有限责任公司 陕西榆林 719000）

摘要：目前，我国大部分电厂参与过程控制的仪表设备配置较好，由于缺乏先进控制策略，电厂控制回路的自控投用率较低。本文针对陕西国华锦界能源有限责任公司#2机组PID控制存在问题，采用了一种基于电厂实时生产数据的模型识别、控制与优化策略，对电厂控制回路进行在线监测、控制回路性能分析、回路仿真以及回路整定等过程优化。该技术的应用实现对电厂控制回路的优化控制，通过优化方法快速设计控制器的PID参数，提高电厂的控制回路的调节性能，有效解决电厂控制回路自控投用率低的问题。

关键词：实时生产数据；模型识别；控制与优化；回路性能分析、回路仿真；回路整定

Research and application of model identification, control and optimization based on real-time production data of power plant

Jiang Bo, Zhou Haiping , Shang Zhiqiang

(Shaanxi Guohua Jinjie Energy Co., Ltd Yulin 719000)

Abstract: At present, most of the power plants in China are equipped with better instruments and equipment for process control. Due to the lack of advanced control strategies, the automatic control of the power plant control loop is put into use at a low rate. In view of the existing problems in PID control of unit 2 of Shaanxi Guohua Jinjie Energy Co., Ltd., this paper adopts a model identification, control and optimization strategy based on real-time production data of the power plant to optimize the process of online monitoring, control loop performance analysis, loop simulation and loop setting of the control loop of the power plant. The application of this technology can realize the optimal control of the control loop of the power plant. Through the optimization method, the PID parameters of the controller can be designed quickly, the regulation performance of the control loop of the power plant can be improved, and the problem of low application rate of the automatic control loop of the power plant can be effectively solved.

Key words: Real-time production data; Model identification; Control and optimization; Loop performance analysis; Loop simulation; loop tuning

1概况

在现代工业生产过程中，工业过程控制通常以PID控制为主。据统计，目前国内约有85％～90％的控制回路通过PID可以有效控制^[1][2]，由于过程控制的非线性、时变性以及控制回路之间的耦合关系等因素影响，其余的10％～15％的控制回路采用常规PID的控制效果不好，工业过程控制需要采用先进控制策略^[3]。

陕西国华锦界能源有限责任公司电厂#2机组运行回路同样以“回路PID”控制为主，PID参数主要依靠技术人员的经验设定或一直沿用设计院提供的数据，一般很少变更。在电厂运行过程中，过程控制回路的特性基于不同的工况环境往往会有缓慢地变化，长期变化的积累会对回路控制质量造成影响，甚至会影响安全生产。同时，电厂参与过程控制的仪表设备配置较好，由于缺乏先进控制策略而使控制回路的自控投用率偏低，且稳定性不好。现有海量实时数据仅停留于数据的简单复制存储与统计，普遍存在数据源不统一以及收集的数据没有进行增强处理，难以充分发挥其使用价值。

针对上述问题，通常采用各类算法进行预测控制与优化控制回路^[4]，然而由于工况的变化，回路的控制质量仍会受到影响。本文参考PID控制器参数整定与模式识别相关技术^{[5] [6]}，针对陕西国华锦界能源有限责任公司电厂机组的运行变工况特性，设计了一种基于电厂实时生产数据的模型识别方案，对电厂回路进行控制与优化，解决电厂控制回路自控投用率低、控制效果不好等问题。

2 回路整定与性能监测系统原理

本文采用的基于电厂实时生产数据的模型识别、控制与优化方案主要通过：控制回路在线监测、控制回路性能分析、控制回路仿真以及控制回路整定等技术，对电厂控制回路进行优化并快速设计控制器的PID参数，为电厂过程控制提供最优化的自适应PID参数值。

2.1 回路整定

控制回路的整定主要由离线整定模块和在线整定两部分组成，用于对控制回路PID参数的优化控制。

（1）离线整定

离线整定是通过测试控制回路的增益、惯性时间和滞后时间值，并根据内模控制(IMC)原理对PID参数进行计算。方案采用内模控制(IMC)方法试图使用内部模型估算系统响应。通过假定过程对象模型为一阶惯性加滞后模型。如系统非一阶模型，则整定时这些方法试图逼近该模型。通过从历史库中选择回路的PV 和MV值对回路参数进行辨识，并计算得到控制回路的PID参数，从而得到整定结果。

（2）在线整定

在线整定方法使用在线方式对控制回路进行阶跃测试。该方法较为精确，要比离线整定方式更快达到稳态。该方法和离线整定方法一样采用内模控制（IMC）原理对PID参数进行计算。通过人工对对所选回路给出MV扰动，在线对回路参数进行辨识，并给出整定结果。

2.2 性能分析

性能分析主要包括在线性能分析、单一曲线性能分析和回路性能分析三部分。在线性能分析主要按照设定时间段对运行回路的IAE（绝对误差积分）、ISE（平方误差积分）和ESS（稳态误差）进行在线计算；单一曲线性能分析则是针对单一曲线的最大值、最小值和平均值进行分析；回路性能分析是按照选择的历史趋势起始时间，分析该时间段内回路的IAE、ISE和ESS 。

其中：

（1）绝对误差积分IAE (Integral of absolute error criterion)

衡量响应曲线在零误差线两侧总面积大小，对于负荷变化引起的误差最终要消失，故任何一个稳定的回路， IAE必趋于一有限值。

其中n为计算总点数， 为计算周期，方案默认为1秒。

（2）平方误差积分ISE（integral of squared error criterion）

其中：n为计算总点数， 为计算周期，系统默认为1秒。

（3）稳态误差ESS（Steady-State Errors）。

ESS = IAE/T

其中：T为统计时长。

2.3 回路仿真

回路仿真功能是一个离线工具，通过仿真实际的过程回路，预测实际PID 控制的执行情况。本文通过回路整定结果，从整定结果数据库中自动加载离线或在线整定结果，生成仿真回路，在整定结果基础上调节PID参数，达到对回路控制进行优化的目的。

2.4 历史趋势

历史趋势模块以MySQL数据库为平台，对从DCS采集到的所有过程数据进行保存，并以时间顺序（周期为1秒）建立相应的记录。

历史趋势主要完成对系统数据的查询，并以曲线形式进行显示。用户可以对显示方式进行配置，例如：曲线颜色、曲线可见、曲线线形等参数。并能够完成曲线的放大、缩小、局部显示等功能。

3 现场应用

项目针对陕西国华锦界能源有限责任公司#2机组电厂控制回路进行在线监测、控制回路性能分析、回路仿真以及回路整定等过程优化。如图1为在线模式控制回路整定图，通过实时监测当前回路的运行状态，可通过过程值的变化趋势整定出控制器参数，其中SP（设定值）与PV（过程值）变化趋势几乎完全拟合。图2性能分析图，其中包括：离线模式和在线模式两种性能分析，可根据需求选择需要整定的控制回路。图3为在线性能分析图，通过选择需要整定的回路，并设置判稳时间、判稳阈值，人工给出输出指令的扰动，待系统稳定后，根据模型识别，得出较佳的控制参数，并根据过程值的变化情况整定出控制器参数。图4为离线性能分析图，通过选择整定的回路，设置特征曲线的开始和结束时间，查询数据，即可调出特征曲线，设置判断长度和阈值，判断长度为判定系统稳态时间（s），阈值为判定稳态的死区值，离线整定的控制回路参数包括：比例增益（Kc）、积分时间（Ti）、微分时间（Td）。

图1 在线模式回路整定

图2性能分析

图3 在线性能分析

图4 离线性能分析

4 结论

基于电厂实时生产数据的模型识别、控制与优化技术在陕西国华锦界能源有限责任公司#2机组生产模型识别及优化控制中的应用可知，通过对电厂控制回路的在线监测、控制回路性能分析、回路仿真以及回路整定等操作，通过优化方法快速设计控制器的PID参数，为电厂过程控制提供最优化的PID参数值。

项目的实施在不干扰电厂过程运行的情况下，实时监测电厂控制回路，在后台进行统计、分析和诊断。方案的应用有效提高电厂的控制水平，实现对电厂控制回路的优化控制，可降低电厂设备的维护费用，提高电厂的控制性能，有效解决电厂控制回路自控投用率低的问题，最大程度的减少故障发生。

参考文献

[1] 孙传友. 测控系统原理与设计[M]. 北京航空航天大学出版社, 2002.

[2] 孙荷琪. 先进控制技术的几种控制策略[J]. 河南科技：上半月, 2008(4):40-40.

[3] 王庆东, 冯增健, 孙优贤. 锅炉热工过程先进控制策略研究综述[J]. 电力系统及其自动化学报, 2004(05):78-83.

[4] 刘韶军, 王琦, 王岚, et al. 直接空冷机组背压模糊神经网络控制方法研究[J]. 自动化与仪器仪表, 2019(4):122-125.

[5] 潘文斌. 基于模式识别的自整定PID方法及其应用研究[D]. 浙江大学, 2006.

[6] 袁勇, 汪萌, 叶岩. 一种用于PID参数整定的仿真系统[C]. 中国计量协会冶金分会2018年会. 2018.

作者简介：

蒋波 男 1981.1 工程硕士 工程师 从事大型电站生产维护工作，负责热控设备的改造与设备管理

工作单位：陕西国华锦界能源有限公司

通讯地址：陕西省神木市锦界工业园区国华电厂