江蘇電機(jī)工程2010年11月Jiangsu Electrical Engineering第29卷第6期Alstom氣化爐控制基準(zhǔn)問題的分析研究郝飛',劉吉臻2,譚文2(1.南瑞繼保電氣有限公司,江蘇南京210006;2.華北電力大學(xué),北京102206)摘要:氣化爐控制基準(zhǔn)問題是對一類多變量 強(qiáng)耦合.非線性的系統(tǒng)模型進(jìn)行控制的問題。針對這一模型首先采用間隙測度的方法對其進(jìn)行了的非線性度的分析,并進(jìn)行了線性化處理;結(jié)合RGA在分散控制中確定操縱變量和被控變量之間的配對關(guān)系的方法,引入了一種改進(jìn)的、實(shí)用的回路變量配對的準(zhǔn)則,考慮了系統(tǒng)的動態(tài)行為。最后根據(jù)分析結(jié)果,給出了系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞:廠級控制;非線性度;間隙測度;分散控制;相對增益陣列中圈分類號:TP273;TK323文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1009-0665(2010)06 0007 -04Alstom公司提出氣化爐控制基準(zhǔn)問題的模型分析。用于系統(tǒng)非線性分析的方法有很多，近年來非是一個復(fù)雜的過程控制模型,是一個具有非線性和線性的量化問題受到了人們的重視，也出現(xiàn)了幾種.強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),具有5個控制輸人量和4個方法:穩(wěn)態(tài)圖方法、泛函無限級數(shù)方法、協(xié)方差矩陣輸出?？刂戚斎肆堪ㄟM(jìn)口空氣流量War進(jìn)口蒸汽方法、統(tǒng)計(jì)方法以及基于算子范數(shù)的量化方法。本文流量W、、煤粉流量Wan吸附劑流量W。和排出煤中采用的是一種間隙測度的方法對系統(tǒng)的非線性度焦量Wa,輸出量為料床質(zhì)量M.、燃料氣的熱值進(jìn)行分析[s),從而確定系統(tǒng)是否適合采用線性的控Cm溫度T_和壓力Pg。另外下游燃?xì)馔钙竭M(jìn)氣閥制策略,以及控制器的選擇。在氣化爐模型中分別給門的調(diào)解,會對氣化爐的壓力產(chǎn)生擾動,帶來擾動出了氣化爐在100%負(fù)荷.50%負(fù)荷.0%負(fù)荷的系統(tǒng)輸人量P:"。在Alstom氣化爐控制的基準(zhǔn)問題中,模型,對其進(jìn)行線性化后可以得到用狀態(tài)空間表示所采用的氣化爐是87 MW空氣鼓風(fēng)氣化循環(huán)具有25個狀態(tài)6輸入4輸出的系統(tǒng),本文將主要對(ABGC)整體示范電廠的一-部分,采用噴動流化床系統(tǒng)在100%和50%的2個負(fù)荷之間進(jìn)行系統(tǒng)的非氣化概念設(shè)計(jì)。煤粉和吸附劑(石灰)由增壓空氣和線性的分析。蒸汽運(yùn)送,噴人氣化爐里,空氣和蒸汽對固體進(jìn)行氣化爐系統(tǒng)CTPm 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口燃?xì)饬骰?，同時與煤中的碳和揮發(fā)份發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生低熱值燃?xì)?約4.5 MJ/kg,相當(dāng)于天然氣熱值的V好12%) ,經(jīng)凈化后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，余下的灰分,石灰和未完全反應(yīng)的碳從氣化爐的底部或頂部排出。氣上化護(hù)為了能夠獲得更好的控制性能指標(biāo),需要對系Wa.w&W-M= 本統(tǒng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)前的深人分析,了解系統(tǒng)的非線性W.度,明確變量之間的控制關(guān)系(24),為具體控制器的設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。本文主要從2個方面展開,一方面通過引人間圍1氣化爐原理圖隙測度的方法對系統(tǒng)的非線性度進(jìn)行分析,另一方1.1.1間隙測度與非線性度面采用了一種改進(jìn)的變量配對的方法,從靜態(tài)特性設(shè)P為pxm的有理傳遞函數(shù)矩陣。令P具有以和動態(tài)特性兩個角度對系統(tǒng)變量的控制關(guān)系進(jìn)行下正規(guī)化右互質(zhì)因式分解:分析,確定系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)。P=NxM',且M:M+N:N=1(1)1氣化爐控制基準(zhǔn)問題的非線性分析式中:():,即M(s) :=M(-s)F。P的圖(graph)為Hardy.空間H的子空間.1.1基于間隙測度方法的模型非線性分析中國煤化工Alstom提供的氣化爐模型是一個非線性的模(2)型,具有4個輸出量,5個輸人量和1個千擾量(見HCNMHG圖1),因此首先需要對這個系統(tǒng)模型進(jìn)行非線性的2個線性系統(tǒng)P和P2的間隙(gap)定義為6.7]:8(P,P):=l| Ian-IanlI (3)收稿日期:2010-04-23;修回日期:2010-05-26.8江蘇電機(jī)工程其中I為正交投影。間隙可以認(rèn)為是2個線X=diag(8.58x10 ,5.21x10 , 1.55x10 , 164.64)性系統(tǒng)的“距離”的度量,它不僅適用于穩(wěn)定的系標(biāo)量化后的系統(tǒng)靜態(tài)增益為:G (0)=X G(0)統(tǒng),同時也適用于不穩(wěn)定的系統(tǒng)。介于計(jì)算上的考慮,本文定義了如下基于間隙測度的非線性度為:由于篇幅在文中只給出了100%負(fù)荷下標(biāo)量化后的系統(tǒng)的靜態(tài)增益。Vj;=inf 8dN,L)=inf sup&(L,mL)(4( 0.0385. -0.0427 0.0444 -0.0474式中: L,N為N在任意操作點(diǎn)r.上的線性化模型, L .oo(0)=-0.1115 -0.0297 0.0770 -0.0142為所有可行線性模型。實(shí)際計(jì)算中,通常將L固定0.0327 0.8630 0.0477 0.501 9為N在某-操作點(diǎn)上的線性化模型,因此式(4)反l 0.0088 0.1284 -0.1101 -0.2834」映了非線性系統(tǒng)與某一線性化模型的距離。下面分2一種實(shí)用回路配對準(zhǔn)則的研究及其應(yīng)用析一下氣化爐系統(tǒng)模型從50%變化到100%負(fù)荷過程中的非線性度變化情況。2.1有效相對增益陣列(ERGA)1.1.2氣化爐模型的非線性度的分析令G()表示系統(tǒng)輸人輸出傳遞雨數(shù)矩陣,G(0)以氣化爐系統(tǒng)在100%負(fù)荷時的模型作為研究是穩(wěn)態(tài)增益矩陣, G ei";i=1,2,.. ,M, 2im,=n,的標(biāo)稱模型，讓其模型從100%變化到50%計(jì)算變化后模型與標(biāo)稱模型之間的間隙測度,得到的曲線其中G,是對原系統(tǒng)分解后得到的不重疊的方陣子如圖2所示。對于2個模型之間的間隙在-般情況系統(tǒng)，G,∈i代表G的x:和u;之間的塊增益,下應(yīng)滿足0≤g∞φ≤1 ,在間隙測度的計(jì)算中,0代表pair(y,4)表示與G,(s)相關(guān)的變量配對。-一個系統(tǒng)的2個模型之間幾乎是一樣的，而值越大表明2個系靜態(tài)相對增益陣列可以通過公式[8):統(tǒng)的差距越大。從圖中可以看出氣化爐系統(tǒng)模型存在著較強(qiáng)的非線性,如果在系統(tǒng)負(fù)荷在50%~100%A(G)=G(0)-G(0)"(5)變化時采用一個線性的控制器將很難得到好的控由于上式是根據(jù)系統(tǒng)的靜態(tài)增益計(jì)算出來的,制效果,因此需要考慮采用多模型的控制,或在不而無法體現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)行為,因此在本文中對其進(jìn)同負(fù)荷段進(jìn)行相應(yīng)控制器的切換。行了修改,并引入了回路的帶寬頻率,它可以反映系統(tǒng)回路的響應(yīng)速度。在分散的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中單獨(dú)回路的調(diào)節(jié),-般是在控制系統(tǒng)的帶寬所在的頻段0.8附近進(jìn)行的，而回路的響應(yīng)速度在頻域中是與帶寬0.6成比例的，因此可以用帶寬來反映來自有限帶寬控0.4制的相互作用和快速響應(yīng)的配對回路。令:0.2g, (jw)=g; (O)g,(jw)(6)式中:g(0)和g/(iw)分別是穩(wěn)態(tài)增益和g(iw)歸-化01520圖2基于間隙測度方法的系統(tǒng)非線性分析曲線的傳遞函數(shù),即g;(0)=1。為了能將穩(wěn)態(tài)增益和響應(yīng)速度的信息用于回路間相互作用的量度和回路配1.2模型標(biāo)化處理模型的標(biāo)量化處理在多變量的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分對,本文中引人了有效增益:析中是很-一個很重要的環(huán)節(jié),其目的之一就是要保eσ=g()。|&Ci)o(7)證在不同負(fù)荷條件下以同一標(biāo)準(zhǔn)對系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)其中wp,j為頻率響應(yīng)降到0.707g。(0)時的頻率。行衡量和分析。本文采用了一種簡單的方法,標(biāo)量化矩陣可以表示為:即:gy (ovp.,)=g(0)V2 ,式(7)中的ey可以認(rèn)為是Xg=g;(jw)的有效能量輸出(見圖3),相應(yīng)的有效增益矩max{ I Co)2, I [Gxe()]| |I2, I[G~()]Na}陣可中國煤化工式中: [00oe(0),表示在100%負(fù)荷下系統(tǒng)靜態(tài)增益TYHCNMHG矩陣的第i行，在對系統(tǒng)不同負(fù)荷條件下靜態(tài)增益E=|~Z~Z的計(jì)算和選取后,可以得到系統(tǒng)的標(biāo)量化矩陣:lea e2“em郝飛等:Alsom氣化爐挖制基準(zhǔn)問題的分析研究9↑e,V@)3氣化爐控制基準(zhǔn)問題的控制結(jié)構(gòu)的確定氣化爐在100%負(fù)荷時系統(tǒng)可以通過線性化得g()到一個4輸人4輸出的狀態(tài)空間表示，通過降階處0.707g,()理獲得系統(tǒng)的最小實(shí)現(xiàn),其含有為17個狀態(tài)。根據(jù)前面的定義和公式可以得到其帶寬矩陣為:[0.0124 0.338 6 0.256 0 0.309 8。0.0003 0.0004 0.0003 0.001 00.0410 0.0512 3.7161 0.8952圖3有效能的表示及響應(yīng)曲線[0.05731 0.0029 0.0042 0.0006可以將式(7)簡化成:eg =≈g(0)0B.,得到有效增根據(jù)式(8 ,9)可得最終的ERGA為:益矩陣為:[0.0001 -0.0193 0.0043 1.0149E=G(0)⑧2(8)ERGA=| 1.0071 -0.0083 0.0008 0.00 3Wg.n Wg.u2 ”Wg.n-0.00270.5678 0.4543 -0.019 4. -0.0045 0.4598 0.5406 0.004 1其中:Q=在結(jié)合NI值的情況,可以得到系統(tǒng)的被控變量與操縱變量之間的控制關(guān)系為:由于eg是當(dāng)(y;-y)回路閉合時,其對其他回路{6i ,u),6r2 ,u),63-Y4 ,4-4)互相作用能量的一個指示，其值越大表明此回路的其中由于(x,-y。,u-u, )的ERGA的元素并沒有優(yōu)勢越大。因此可以將其與RGA結(jié)合,將其稱之為呈現(xiàn)出很大的優(yōu)勢,或者從RGA的結(jié)論分析它們之間的耦合很大,無法對其進(jìn)行完全的分散控制，因ERGA ,此可以得到以下的系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案:ERGA=E區(qū)E-T因?yàn)镋RGA也是用相對增益計(jì)算來的,因此它(r ,u4),02 ,u,)可以采用獨(dú)立的單回路進(jìn)行控制和具有RGA的所有特性。調(diào)節(jié),至于控制器的選擇根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況而定;2.2閉環(huán)穩(wěn)定性指標(biāo)(;-y, ,u2-u,)由于存在很強(qiáng)的耦合,可以將其作為如果系統(tǒng)的所有環(huán)路都閉合，如果NI的值是負(fù)一個分散塊采用多變量的控制方法進(jìn)行控制，也可的,那末對于任何可能的控制器的參數(shù),多回路系統(tǒng)以先解耦成單回路的,然后再進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)。將是不穩(wěn)定的。其中:4結(jié)束語N= |G(O)L(10)Img(0) .文中針對Alstom公司提出的氣化爐控制基準(zhǔn)問題的模型從兩個方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。一方面NI> 0提供了一個必要的穩(wěn)定條件。從式(10)系統(tǒng)非線性度的分析,表明系統(tǒng)在100%負(fù)荷變化中可以看出他的值也是與系統(tǒng)的靜態(tài)增益矩陣有到50%負(fù)荷段之間存在著很強(qiáng)的非線性,單單通過關(guān),所以它可以作為ERGA的一個補(bǔ)充,用來判斷一個控制器的調(diào)節(jié)是很難獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)的,配對方案的閉環(huán)穩(wěn)定性。需要針對不同的負(fù)荷段設(shè)計(jì)不同的控制器，然后再2.3改進(jìn)的分散控制系統(tǒng)的配對準(zhǔn)則根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行控制器的無擾切換。另一.對于分散控制系統(tǒng)來說，操縱變量和被控變量方面由于在多變量分散控制中RGA的變量配對的之間的控制關(guān)系的確定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個相當(dāng)關(guān)鍵方法只能體現(xiàn)系統(tǒng)的靜態(tài)特征,無法反映動態(tài)行為,的部分，它的選擇正確與否將關(guān)系到整個系統(tǒng)的控而動態(tài)RGA的設(shè)計(jì)又依賴于控制器，文中通過一制性能。下面給出一種簡單實(shí)用又可以兼顧到系統(tǒng)種改進(jìn)ERGA的方法,進(jìn)行了系統(tǒng)操作變量和被控的動態(tài)特性和閉環(huán)穩(wěn)定的配對準(zhǔn)則:(1)優(yōu)先選擇變量的控制關(guān)系的確定最終確定了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)。ERGA元索的值最接近零的;(2)NI的值要大于零;中國煤化工氣化爐控制問題得(3)所有配對的ERGA的值都要大于零;(4)舍棄到以|YHCNMHG則度方法對系統(tǒng)非ERGA的值過大的元素。線性度分析，在50% 100%負(fù)荷應(yīng)該采用至少2個ERGA用來衡量回路間的相互作用,而NI作為線性控制器,如果采用2個控制器,根據(jù)間隙測度的一個充分的條件來去除那些閉環(huán)不穩(wěn)定的配對。曲線可以將分界點(diǎn)設(shè)在80%負(fù)荷;在100%負(fù)荷時10江蘇電機(jī)工程系統(tǒng)可以采用分散控制的方法.但對(v,-y, ,u2-4,)th IEEE Conf. 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Department of劉吉臻(1951-),男,山西嵐縣人,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向Chemical Engineering Norwegian University of Science and為大機(jī)組智能優(yōu)化控制,火電廠綜合自動化;Technology,2000.[5] JAMES M R,SMITH M C, VINNICOMBE G. Gap Metrics,潭文(1969-),男,江西九江市人,教授, 研究方向?yàn)轸敯艨刂?工業(yè)過程控制。Representations, and Nonlinear Robust Stability[C]. Proc. 39Analysis and Research on the Benchmark Problem of Alstom Gasifier ControlHAO Feil, LIU Ji-zhen', TAN Wen2(1.Nanjing Nari-relays Elctic Co., Ltd, Nanjing 21100 China; .2.North China Elcric Power University, Beijing 102206, China)Abstract: The gasifier control benchmark problem is an isue associated with the control of the multi-variables, strongcoupling and nonlinear system model. A nonlinear degree analysis using the gap metric method and linearization operation iscarried out for the model firstly. Considering the dynamic behavior of the system, the paper adopts a modified and practicalloop variables pairing rule combined with the RGA method in the decentralized control to determine the relationshipbetween the manipulated variables and the controlled variables. Finally the system control structure is proposed in the paper.Key words: plantwide control; nonlinear degree; gap metric; decentalized control; relative gain array(上接第6頁)置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[]繼電器,2007 ,35(4):49-52.157-160.[3]莫峻,譚建成.變電站過程總線采樣值傳輸仿真系統(tǒng)[J].[6]石劍華,黃文韜?；贕OOSE報(bào)文的簡易母線保護(hù)的應(yīng)電力自動化設(shè)備,2010 ,30(5); 101-103.用[]廣西電力,2010,23(1);45-48.[4]諶爭鳴,陳輝,陳衛(wèi),等.全數(shù)字化繼電保護(hù)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備,2009.29(5);109-112.[5]鄧潔清袁宇波,基于PLC模塊的變電站自動化測試仿真系陳久林(1970-),男,江蘇揚(yáng)州人,高級T程師.主要從事電力系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[)].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009 ,37(24);統(tǒng)繼電保護(hù)的試驗(yàn)與研究工作。Research on Relay Protection Packet Simulation SystemCHEN Jiu-lin, GE Yong-gao, JIANG Yi-quan, FAN Li-xin(Jiangsu Frontier Electric Technology Co, Ltd, Nanjing 21102,0 China)Abstract: Relay protection packet simulation system is basis of function test of relay protection and is also part oftransformer substaion automation simulation test system. The relay protection packet simulation system completes thesystem-level test of the transformer substation automation system with transformer substation automation simulation testsystem based on PLC module. Firstly, this paper describes the stu中國煤化工ulation system. Itexplains the software, hardware and background system. Techniqu. The sccessfulresearch and development of the relay protection packet simulationYHCN M H Gm for esinig theperformances of transformer substation automation system and a good tool for analyzing the transformer substation failure.Key words : transformer substation automation system test; packet simulation system; simulation device