超临界机组燃水比系统的自耦PID控制方法

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.23147

发电技术 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 344-352.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.23147

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超临界机组燃水比系统的自耦PID控制方法

张国林¹, 曾喆昭¹^,², 唐钰淇¹

^1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410114
^2.湖南喆昭自动化控制技术有限公司，湖南省长沙市 410000

收稿日期:2024-05-02 修回日期:2024-08-25 出版日期:2025-04-30 发布日期:2025-04-23
作者简介:张国林(1999)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能控制，zgl10288316@163.com；
曾喆昭(1963)，男，博士，教授，主要研究方向为智能控制与智能计算，本文通信作者，508984293@qq.com；
唐钰淇(2001)，男，硕士研究生，主要研究方向为智能控制，564530999@qq.com。
基金资助:
湖南省教育厅重点项目(21A0183);长沙理工大学研究生科研创新项目(CSLGCX23060)

Research on Auto-Coupling PID Control Method of Firing Rate to Feed Water Ratio System of Supercritical Unit

Guolin ZHANG¹, Zhezhao ZENG¹^,², Yuqi TANG¹

^1.College of Electrical and Information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, Hunan Province, China
^2.Hunan Zhezhao Automation Control Technology Co. , Ltd. , Changsha 410000, Hunan Province, China

Received:2024-05-02 Revised:2024-08-25 Published:2025-04-30 Online:2025-04-23
Supported by:
Key Project of Hunan Provincial Department of Education(21A0183);Changsha University of Science and Technology Graduate Research Innovation Project(CSLGCX23060)

摘要/Abstract

摘要：

目的针对超临界机组燃水比(firing rate to feed water ratio，FR/FW)控制过程中存在强耦合性、负荷量大和抗扰动能力弱等问题，根据自耦PID控制理论提出了自耦PI(auto-coupling PI，ACPI)新型控制方法。方法将多变量FR/FW系统等效为多个单变量闭合回路系统，并将FR/FW系统的耦合性、已知或未知内部动态、外界扰动等一切复杂因素定义为总扰动，进而将FR/FW控制系统等价映射为线性扰动系统，构建了在总扰动激励下的受控误差系统。在此基础上，对每个单变量系统设计了基于速度因子的自耦PI控制器，并在复频域理论分析了控制系统的鲁棒稳定性和抗扰动鲁棒性。结果与PI、自抗扰控制方法相比，ACPI控制方法具有响应速度快、无超调的动态品质与抗扰动能力强的稳态性能。结论研究成果对提升超临界机组FR/FW系统的控制精度与鲁棒性具有重要意义。

关键词: 火力发电, 超临界机组, 燃水比(FR/FW), 自耦PI (ACPI), 速度因子, 抗扰动鲁棒性

Abstract:

Objectives Aiming at the problems of strong coupling, large load, and weak disturbance resistance in the firing rate to feed water ratio (FR/FW) control process of supercritical units, a new type of auto-coupling PI (ACPI) control method is proposed based on the theory of auto-coupling PID control. Methods The multivariable FR/FW system is equivalent to multiple single-variable closed-loop systems, and all complex factors such as the coupling, known or unknown internal dynamics, and external disturbances of the FR/FW system are defined as total disturbances. Then, the FR/FW control system is equivalently mapped to a linear disturbance system, and a controlled error system under total disturbance excitation is constructed. Based on this, a speed factor based ACPI controller is designed for each single variable system, and the robust stability and disturbance resistance of the control system are analyzed in the complex frequency domain theory. Results Compared with PI and active disturbance rejection control methods, the ACPI control method has fast response speed, dynamic quality without overshoot, and strong steady-state performance with strong disturbance resistance. Conclusions It is of great significance to improve the control accuracy and robustness of the FR/FW system in supercritical units.

Key words: thermal power generation, supercritical unit, firing rate to feed water ratio (FR/FW), auto-coupling PI (ACPI), velocity factor, robustness against disturbance

中图分类号:

TK 221

张国林, 曾喆昭, 唐钰淇. 超临界机组燃水比系统的自耦PID控制方法[J]. 发电技术, 2025, 46(2): 344-352.

Guolin ZHANG, Zhezhao ZENG, Yuqi TANG. Research on Auto-Coupling PID Control Method of Firing Rate to Feed Water Ratio System of Supercritical Unit[J]. Power Generation Technology, 2025, 46(2): 344-352.

图/表 11

图1 FR/FW控制原理A—设定值；T—温度；K—增益常数。

Fig. 1 FR/FW control principle

图2 100%工况下降阶前后阶跃响应对比

Fig. 2 Comparison of step response before and after reduced-order under 100% working condition

图3 70%工况下降阶前后阶跃响应对比

Fig. 3 Comparison of step response before and after reduced-order under 70% working condition

图4 超临界机组FR/FW控制结构

Fig. 4 FR/FW control structure of supercritical unit

表1 控制器仿真模型参数

Tab. 1 Parameters of controller simulation model

控制方法	工况类别	控制器	控制器参数
ACPI	100%工况	ACPI(1)	$t r 1 = 30$ ， $α 1 = 6$
	100%工况	ACPI(2)	$t r 2 = 3$ ， $α 2 = 2$
	70%工况	ACPI(1)	$t r 1 = 30$ ， $α 1 = 5$
	70%工况	ACPI(2)	$t r 2 = 3$ ， $α 2 = 2$
ADRC	100%工况	ADRC(1)	ESO参数： $β 11 = 0.95$ ， $β 12 = 9.5$ ， $β 13 = 95$ ， $δ 1 = 0.01$ ， $b 1 = 0.5$ 。TD参数： $r 1 = 0.003 5$ ， $h 1 = 0.5$ 。误差反馈控制率参数： $b = 0.5$ ， $β 4 = 30$ ， $β 5 = 20$ ， $δ = 1$
	100%工况	ADRC(2)	ESO参数与ADRC(1)一致。TD参数： $r 2 = 1.3$ ， $h 2 = 0.5$ 。误差反馈控制率参数： $b' = 0.5$ ， $β 4' = 20$ ， $β 5' = 30$ ， $δ' = 1$
	70%工况	ADRC(1)	$r 1 = 0.01$ ， $h 1 = 12$ ， $β 4 = 5$ ， $β 5 = 30$ ；其余参数与100%工况一致
	70%工况	ADRC(2)	$r 2 = 0.01$ ， $h 2 = 2$ ， $β 4' = 5$ ， $β 5' = 30$ ；其余参数与100%工况一致
PI	100%工况	PI(1)	比例控制力系数k_p=4，积分控制力系数k_i=0.5
	100%工况	PI(2)	k_p=3，k_i=0.6
	70%工况	PI(1)	k_p=6，k_i=0.2
	70%工况	PI(2)	k_p=2，k_i=0.1

表1 控制器仿真模型参数

Tab. 1 Parameters of controller simulation model

控制方法	工况类别	控制器	控制器参数
ACPI	100%工况	ACPI(1)	$t r 1 = 30$ ， $α 1 = 6$
	100%工况	ACPI(2)	$t r 2 = 3$ ， $α 2 = 2$
	70%工况	ACPI(1)	$t r 1 = 30$ ， $α 1 = 5$
	70%工况	ACPI(2)	$t r 2 = 3$ ， $α 2 = 2$
ADRC	100%工况	ADRC(1)	ESO参数： $β 11 = 0.95$ ， $β 12 = 9.5$ ， $β 13 = 95$ ， $δ 1 = 0.01$ ， $b 1 = 0.5$ 。TD参数： $r 1 = 0.003 5$ ， $h 1 = 0.5$ 。误差反馈控制率参数： $b = 0.5$ ， $β 4 = 30$ ， $β 5 = 20$ ， $δ = 1$
	100%工况	ADRC(2)	ESO参数与ADRC(1)一致。TD参数： $r 2 = 1.3$ ， $h 2 = 0.5$ 。误差反馈控制率参数： $b' = 0.5$ ， $β 4' = 20$ ， $β 5' = 30$ ， $δ' = 1$
	70%工况	ADRC(1)	$r 1 = 0.01$ ， $h 1 = 12$ ， $β 4 = 5$ ， $β 5 = 30$ ；其余参数与100%工况一致
	70%工况	ADRC(2)	$r 2 = 0.01$ ， $h 2 = 2$ ， $β 4' = 5$ ， $β 5' = 30$ ；其余参数与100%工况一致
PI	100%工况	PI(1)	比例控制力系数k_p=4，积分控制力系数k_i=0.5
	100%工况	PI(2)	k_p=3，k_i=0.6
	70%工况	PI(1)	k_p=6，k_i=0.2
	70%工况	PI(2)	k_p=2，k_i=0.1

图5 100%负荷单位阶跃响应仿真图

Fig. 5 Simulation diagram of 100% load unit step response

图6 70%负荷单位阶跃响应仿真图

Fig. 6 Simulation diagram of 70% load unit step response

表2 响应速度性能指标

Tab. 2 Performance indicators of response speed

工况类别	性能指标	控制方法
工况类别	性能指标	ACPI	ADRC	PI
100%工况	H达到稳态时间/s	20	30	40
100%工况	p达到稳态时间/s	3	4	5
70%工况	H达到稳态时间/s	30	100	120
70%工况	p达到稳态时间/s	5	30	10

图7 100%负荷抗扰动能力仿真图

Fig. 7 Simulation diagram of 100% load resistance to disturbance

图8 70%负荷抗扰动能力仿真图

Fig. 8 Simulation diagram of 70% load resistance to disturbance

表3 抗扰动能力性能指标

Tab. 3 Performance indicators of resistance to disturbance

工况类别	性能指标	控制方法
工况类别	性能指标	ACPI	ADRC	PI
100%工况	H达到稳态时间/s	2	3	40
100%工况	p达到稳态时间/s	1	4	5
70%工况	H达到稳态时间/s	1	30	100
70%工况	p达到稳态时间/s	1	10	50

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超临界机组燃水比系统的自耦PID控制方法

Research on Auto-Coupling PID Control Method of Firing Rate to Feed Water Ratio System of Supercritical Unit

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