汽轮机转速控制器设计

摘要

蒸汽轮机是从加压蒸汽中提取热能，并利用它在旋转输出轴上做机械功的装置。由于涡轮产生旋转运动，它特别适合用于驱动发电机。用调速器控制涡轮机是必不可少的，因为涡轮机需要缓慢运行以防止损坏，而且某些应用(如交流电的产生)需要精确的速度控制。涡轮转子不受控制的加速可能导致超速跳闸，从而导致控制蒸汽流向涡轮的喷嘴阀门关闭。如果这失败了，那么涡轮可能会继续加速，直到它解体，通常是灾难性的。PID(比例积分导数)控制器的应用范围从小工业到高技术工业。PID控制器参数整定在PID控制中非常重要。Ziegler和Nichols提出了著名的Ziegler-Nichols方法来整定PID控制器的系数。这种调优方法非常简单，但不能保证总是有效。本文研究了不同控制器对串联复合式单次再热汽轮机转速控制的有效性。 The speed of a Tandem compound single reheat steam turbine is controlled using the proposed MPC (model predictive control) controller. Then the results of the comparison of the proposed controller with the traditional PID controller and fuzzy PID controllers were also presented in this work. According to the simulation results in MATLAB, show that the proposed MPC can improve the robustness and small overshoot and fast response compared to the conventional PID and fuzzy PID. In the area of turbine speed control the faster response to research stability, the better is the result for the plant.

关键字

汽轮机，PID控制器，模糊PID控制器，模型预测控制器。

介绍

工业蒸汽轮机代表了世界上最大的原动力之一。它们在许多行业中被发现，并在各种应用中被利用。在蒸汽轮机中，高温高压蒸汽储存的能量被转换成机械能(旋转)，然后在发电机中转换成电能。最初的热源可以是由化石燃料(煤、天然气或石油)或生物质燃烧的炉子。蒸汽轮机是从加压蒸汽中提取热能，并利用它在旋转输出轴上做机械功的装置。由于涡轮产生旋转运动，它特别适合用于驱动发电机。蒸汽轮机是热机的一种形式，它通过使用蒸汽膨胀的多个阶段来提高热力学效率，这导致更接近最有效的可逆过程。理想汽轮机被认为是等熵过程或常熵过程，其中进入汽轮机的蒸汽熵等于离开汽轮机的蒸汽熵。然而，没有蒸汽轮机是真正的等熵，典型的等熵效率根据涡轮机的应用在20-90%之间。涡轮的内部由几组叶片组成，通常被称为斗叶。一组静叶片连接到机匣上，一组旋转叶片连接到轴上。 The sets intermesh with certain minimum clearances, with the size and configuration of sets varying to efficiently exploit the expansion of steam at each stage.

本工程选用汽轮机进行控制器控制，是因为汽轮机发动力均匀，热效率高。汽轮机是一种理想的原动机，用途广泛，可用于大型和小型发电机、船舶螺旋桨的驱动，也可用于水泵、风机、压缩机等的驱动。因此，汽轮机很好地适应了高旋转和恒速工作，即使负荷波动很大。可以开发出比往复式发动机更高的速度和更大的速度范围。

带有调速器的涡轮机的速度控制是必不可少的，因为涡轮机需要缓慢运行以防止损坏，而且某些应用(如交流电的产生)需要精确的速度控制。涡轮转子不受控制的加速可能导致超速跳闸，从而导致控制蒸汽流向涡轮的喷嘴阀门关闭。如果这失败了，那么涡轮可能会继续加速，直到它解体，通常是灾难性的。涡轮机的制造成本很高，需要精密制造和特殊质量的材料。

充当控制阀的调速器将用于控制进入涡轮部分的蒸汽量。调速器的开度由电子调速器控制面板中的PID、FUZZY PID和MPC控制器控制。

2汽轮机建模

串联复合式单次再热汽轮机总成由四个级组成，它们都在同一轴上，但可以有几个外壳。过热蒸汽进入高压阶段(HP)，在此阶段它通过小直径转子叶片膨胀，然后离开并返回锅炉。在锅炉中，蒸汽再次过热，并被引导到中压级(IP)。在这里，它通过更大直径的转子叶片扩展到低压涡轮。在最后阶段有两套相同的低压涡轮(双LP)。从IP涡轮流出的蒸汽通过相当大直径的转子和叶片在两个涡轮之间平均分配。蒸汽被吸入真空冷凝器，通过两个低压涡轮膨胀。

汽轮机的实际传递函数

3PID控制器

PID控制器是最常见的反馈形式。它是早期调控器的一个基本元素，当过程控制在20世纪40年代出现时，它成为标准工具。在当今的过程控制中，95%以上的控制回路是PID类型的，大多数回路实际上是PI控制。如今PID控制器在所有需要控制的领域都有应用。控制器有许多不同的形式。有一个或几个循环的盒子里的独立系统，每年生产数千个。PID控制是分布式控制系统的重要组成部分。控制器也被嵌入到许多特殊用途的控制系统中。PID控制通常与逻辑、顺序功能、选择器和简单的功能块相结合，构建用于能源生产、运输和制造的复杂自动化系统。许多复杂的控制策略，如模型预测控制，也是分层组织的。 PID control issued at the lowest level; the multivariable controller gives the set points to the controllers at the lower level. The PID controller can thus be said to be the “bread and butter’ ’of control engineering. It is an important component in every control engineer’s tool box.PID controllers have survived many changes in technology, from mechanics and pneumatics to microprocessors via electronic tubes, transistors, integrated circuits. The microprocessor has had a dramatic influence on the PID controller. Practically all PID controllers made today are based on microprocessors. This has given opportunities to provide additional features like automatic tuning, gain scheduling, and continuous adaptation.

控制器试图通过调整过程控制输入来最小化误差。PID控制器的计算算法涉及三个独立的常数参数，因此有时也称为三项控制:比例值、积分值和导数值，分别表示为P、I和D。启发式地说，这些值可以用时间来解释:P取决于当前误差，I取决于过去误差的累积，D是基于当前变化率对未来误差的预测。这三个动作的加权和被用来通过控制元件来调整过程。

PID控制器参数整定在PID控制中非常重要。Ziegler和Nichols提出了著名的Ziegler-Nichols方法来整定PID控制器的系数。这种调优方法非常简单，但不能保证总是有效。

PID控制方案以它的三个校正项命名，它们的和构成了被操纵变量MV。将比例项、积分项和导数项相加，计算PID控制器的输出。定义作为控制器输出,¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯½PID算法的最终形式是:

在哪里

Kp:比例增益，一个调谐参数

Ki:积分增益，一个调谐参数

Kd:导数增益，一个调谐参数

艾凡:错误

调整控制回路是将其控制参数(比例增益/增益，积分增益/复位，导数增益/速率)调整到所需控制响应的最佳值。

模糊pid控制器

模糊控制器本质上是非线性控制器，因此模糊控制技术可以被视为开发非线性控制器的一种新的、经济有效的实用方法。与传统控制技术相比，该技术的主要优势在于能够通过模糊集、模糊规则和模糊逻辑以定量的方式捕捉和利用定性的人类经验和知识。有两种不同类型的模糊控制器:Mamdani类型和Takagi±Sugeno(简称TS)类型。它们的区别主要在于模糊规则的结果:Mamdani模糊控制器使用模糊集作为结果，而TS模糊控制器使用输入变量的线性函数。尽管可以通过在控制系统中插入一些有意义的模糊逻辑IF- THEN规则，对传统的模糊逻辑控制器进行简单的修改来设计模糊逻辑控制器。这些方法通常使整体设计复杂化，并且不能提出新的模糊PID控制器，捕捉传统PID控制器的基本特征和性质。此外，它们一般没有用于控制规范和稳定性分析的解析公式。下面介绍的模糊PID控制器是其常规版本的自然扩展，它保留了PID控制器的线性结构，并以简单和常规的解析公式作为最终设计结果。因此，它们可以在任何操作控制系统(工厂、过程)中直接取代传统的PID控制器。对传统的PID控制器设计进行了改进，设计了一种新型的混合模糊PID控制器。 Instead of summation effect a mamdani based fuzzy inference system is implemented. The inputs to the mamdani based fuzzy inference system are error and change in error.

主要的区别是，这些模糊PID控制器是采用模糊逻辑控制原理和技术设计的，以获得具有与模糊逻辑系统中传统数字PID控制器非常相似的解析公式的新型控制器，隶属度函数是将清晰的输入数据转换为隶属度的操作

模糊自整定PID的原理是首先找出PID的三个参数与误差(e)和误差变化(ec)之间的模糊关系。模糊推理机通过不断检查e和ec，在线修改三个参数以满足控制系统的要求。这样，真实的装置将具有更好的动态稳定性能

A.模糊规则库

在系统设计领域，利用现有的知识可以找到一组定义模糊控制器输入和输出之间关系的规则。根据e、ec、kp、ki、kd的不同，自整定规律不同。这些规则是使用语言变量定义的。这两个输入，误差和误差变化率，产生49个规则。

四、模型预测控制

模型预测控制(MPC)是指利用一个明确的过程模型来预测工厂未来响应的一类计算机控制算法。在每个控制区间，MPC算法试图通过计算未来操纵变量调整的序列来优化未来植物的行为。然后将按最佳顺序输入的第一个输入输入到装置中，并在随后的控制间隔中重复整个计算。MPC技术最初是为了满足发电厂和炼油厂的专门控制需求而开发的，现在可以在各种应用领域中找到，包括化工、食品加工、汽车和航空航天应用。

预测算法包括两个任务。首先，在有限的时间范围内预测自由响应，称为预测范围。自由响应预测假设控制变量在未来保持其当前值。在预测过程中考虑了建模误差。在自由响应预测后，计算控制动作，使动作和相应的预测控制误差优化所制定的成本函数。成本函数由控制努力、控制误差、控制信号和与控制回路相连的测量过程值的约束组成。采用M个控制步长计算最优控制动作。M称为控制视界。最后只实现了第一个控制步骤。这些步骤在每个控制周期中重复。

MPC的整定是基于预测和控制范围长度的选择、成本函数权重因子的选择以及控制器内部模型中包含的噪声模型参数的选择。锅炉MPC控制器的输入是汽轮机进口流量作为前馈信号。从模拟的非线性过程数据中识别出线性控制器模型。根据锅炉过程的主导时间常数选择预测区间的长度。控制水平选择较短(1步)，以平滑控制动作。在较长的控制范围内(有许多步骤可用于将流程状态移动到设置点)，控制操作往往比在较短的范围内更具侵略性。模型预测控制是一种开环控制设计程序，它基于获得工厂测量值并通过过程模型预测未来输出。这样做是在每个采样时间k。这些预测是用来计算m控制移动通过最小化目标函数一个¯害怕一个½¯害怕一个½¯害怕害怕一个½¯一½(k),定义了一个预测地平线p如下:

虽然计算了多个最优控制输入，但只实现了第一个计算的控制移动。在下一个采样时间k + 1，从植物中获得新的测量值，再次解决优化问题。随着时间向前移动一步，控制视界m和预测视界p都向前移动或后退一步。这就是为什么MPC有时也被称为后退视界控制(RHC)或移动视界控制(MHC)。在每个时间步上进行新的测量的目的是补偿未测量的扰动和模型不准确性，这两者都会导致系统输出与模型预测的输出不同。

五、结果与讨论

采用状态空间法对串联复合式单次再热涡轮进行建模，得到的传递函数开环阶跃响应如图10所示

PID控制器采用Ziegler - Nichols方法设计并整定，得到的速度响应如图11所示，响应稳定大约需要30秒。

通过连接模糊接口对现有PID控制器进行改进。PID将根据模糊规则进行调整。模糊PID控制器的响应如图12所示，当采用模糊PID控制器时，过程的性能有所提高，设定时间约为15秒

从上图13可以看出，采用MPC控制器可以减少PID控制器和模糊PID控制器时的沉降时间，沉降时间仅为8秒。

六。结论

本文研究了不同控制器对串联复合式单次再热汽轮机转速控制的有效性。采用所提出的MPC控制器对某串联复合式单次再热汽轮机的转速进行了控制。介绍了该控制器的研制过程。并将该控制器与传统PID控制器和模糊PID控制器进行了比较。

MATLAB仿真结果表明，与传统PID和模糊PID相比，所提MPC具有鲁棒性强、超调量小、响应快等优点。在水轮机转速控制方面，研究稳定性响应越快，对电站的效果越好。

参考文献

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