CN101529347A - 识别有延时的调节对象的方法和装置、调节装置和计算机程序产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在蒸汽发生器的调节中识别有延时的调节对象的方法以及为实施该方法而构造的装置。设置由未知的随时间变化的N阶延时单元和已知的积分器组成的蒸汽发生器的模型结构。此外，为了识别，使用燃烧质量流、涡轮机蒸汽质量流和在提取涡轮机蒸汽质量流之后在蒸汽发生器后面的蓄汽器中建立的新汽压力的测量值。借助这些在线记录的测量值和模型结构推算在蒸汽发生器的输出端上的新汽质量流。以这种方式确定N阶延时单元(VZN)的输入参数及其输出参数，从而借助估算方法同样在线地确定N阶延时单元(VZN)的连续传输函数的参数。接着，将估算的参数换算为具有N个独立的时间常数的延时单元的时间常数。在下一步骤中，通过比较N个独立的时间常数确定预定的模型结构的延时单元的相关时间常数。

Description

识别有延时的调节对象的方法和装置、调节装置和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及一种在蒸汽发生器的调节中识别有延时的调节对象的方法以及为实施该方法而构造的装置。此外，本发明还涉及一种调节装置以及一种计算机程序产品。

背景技术

基于模型的调节的调节质量取决于，实际过程的动态特性通过模型描绘得多好。在燃煤电站中具有涡轮机的蒸汽发生器的情况下，整个***的动态特性由于不同的机组例如煤压碎机、通风机、抽吸装置等等的非线性特性以及特别是由于煤的原料质量的波动而随时间变化。此外，过程动态作为污染和磨损的结果随时间而改变。

为了调节这些随时间变化的过程，迄今为止通常仅仅如下考虑过程的动态特性：从随时间变化的模型出发在广泛的试验系列中确定过程动态与主影响参数的依赖关系。该信息被存储于相应的特征曲线中，后者在调节过程中又被一起考虑。过去通常必须通过以特定的时间间隔重复地重新设置调节而在昂贵的就地服务应用(Vorort-Service-Einsatz)中来处理动态由于污染或磨损随时间的缓慢的变化。在此，调节质量由于模型的不精确性而始终受到限制。

另一个能够更好调节随时间变化的过程的方案在于，将模型与过程中的当前情况进行匹配。在自适应调节中首先以合适的方式采集通过波动的对象参数(Streckenparameter)导致的、多变的***特性，并且借助这样获得的信息进行调节参数的调整。在所谓的“自调(Self-Tuning)”自适应方法中从对象的输入和输出参数的测量中确定波动的参数。从***的随时间变化的参数中这样确定***参数被称为识别。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于识别有延时的调节对象的方法，使得在蒸汽发生器的调节中实现改进的调节质量。此外，本发明要解决的技术问题是，提供一种可以实施按照本发明的方法的相应的装置。本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种使用调节对象的识别结果的调节装置。此外，还要提出一种计算机程序产品。

上述技术问题是通过独立权利要求的特征而解决的。优选实施方式分别在从属权利要求中给出。

本发明具有优势地允许对于蒸汽发生器的动态过程模型的在线识别。在此，设置由随时间变化的N阶延时单元和积分器组成的蒸汽发生器的模型结构。作为测量值，使用输送给蒸汽发生器的燃料质量流、在蒸汽发生器的输出端提取的涡轮机蒸汽质量流、以及在提取涡轮机蒸汽质量流之后在蒸汽发生器后面的蓄汽器中建立的新汽压力。借助这些在线记录的测量值计算在蒸汽发生器输出端上的新汽质量流，因为蒸汽发生器是不可接近的并且由此不可测量的。按照这种方式确定N阶延时单元的输入参数和其输出参数，从而借助估算方法同样在线地确定N阶延时单元的连续的传输函数的参数。随后，所估算的参数被转换为具有N个独立的时间常数的延时单元的时间常数。在下一步骤中，通过比较N个时间常数确定单个时间常数的时间曲线中的其中时间常数几乎相等的范围。在该范围之内为预定的模型结构的延时单元从N个独立的时间常数中确定具有相同的时间常数的N阶延时单元的时间常数。如果确定了延时单元的时间常数，则也识别了蒸汽发生器的整个动态模型。

利用按照本发明的方案，从所采样的测量数据中识别连续的传输函数的随时间变化的参数。由此，过程模型可以持续适应实际的设备的特性。自适应的模型是用于自适应调节的基础，该自适应性调节特别是在原料质量改变的情况下和负载变换的情况下为发电站运营商提供更高的调节质量，并且对于降低能量消耗、环境负担和设备的磨损做出贡献。本发明的一个特别的优点在于，通过持续监控和在线实施参数估算在激励不足的情况下避免将不相关的估算结果输出到叠加的调节上。

在本发明的一种实施方式中，将燃料质量流具有优势地乘以放大因数，该放大因数由燃料的热值和蒸汽发生器的效率组成。这意味着蒸汽发生的动态模型更好地描述实际过程，并且由此意味着对调节质量的附加的改进。

在本发明的另一个实施方式中，用加权系数乘以测量值，其中用于时间上属于过去的测量值的加权系数比当前的测量值的加权系数小。为此，例如将遗忘系数引入到计算中。按照这种方式，具有优势地避免由于过去的测量数据的干扰，并且由此实现了按照本发明的方法的更高的精确性。

附图说明

下面对照在附图中示出的实施例对本发明作进一步说明。在此，附图中：

图1示出了用于蒸汽发生器和涡轮机的调节对象的框图，

图2示出了燃料质量流、计算的新汽质量流的测量数据的在线变化的对比图和对于三阶延时单元的估算的参数的例子，以及

图3示出了调节装置的示意图。

具体实施方式

借助图1说明蒸汽发生器的调节技术的结构模型RS。随时间变化的参数以及函数关系通过合适的图形符号说明并且连接为一个结构图。

作为输入参数将燃料质量流mBr输送到在图中通过调节对象RS代表的蒸汽发生器。为了产生蒸汽例如燃烧在煤压碎机中磨成煤粉的煤，由此在燃烧器上方被引入到管道中的给水被加热为蒸汽。煤的不同的热值在结构模型RS中通过放大单元HW被考虑。此外，每个燃烧和由此蒸汽产生都具有不同的效率，如图1中作为单独的块η表示的。这些主要涉及煤质量的因数，从调节技术方面被考虑为用来乘以燃烧质量流mBr的输入参数的因数。

在该实施例中，近似地通过不随时间变化的N阶延时单元VZN模拟煤压碎机、燃烧和蒸汽产生的动态特性。如已经解释的那样，蒸汽发生器的动态特性由于原料质量的波动而随时间变化。

在延时单元VZN的输出端排出新汽质量流mBlr。该新汽接着被传输到蓄汽器或锅炉。从中提取涡轮机蒸汽质量流mT并且传送到涡轮机。为此，在图1中示出了减法单元SUB。两个质量流mBlr和mT之间的累积的(aufintegrierte)差与蓄汽器中的蒸汽压力pHP成比例，并且与新汽质量流不同蒸汽压力pHP是可测量的参数。为了实施积分在此处预定的结构模型RS中示出了积分器I。假定该积分器是不随时间变化的。假定蒸汽锅炉的积分时间常数TI是已知的。

产生电流的子***不是调节对象RS的部分并且在此仅仅作为补充而示出。其包括发电机和涡轮机。调节参数是涡轮机入口阀的阀门位置VEN，经过其控制到达涡轮机的蒸汽流。通过P和PT1单元的并联电路来模拟涡轮机和发电机，因为新汽的一部分直接地从涡轮机的高压区域到达发电机并且在涡轮机的高压区域后面的另一部分蒸汽又被传送到蒸汽锅炉。PT1单元相应地表示与中间电路过热器相关的循环过程。

产生蒸汽的和产生电流的子***通过涡轮机蒸汽质量流mT和蒸汽压力pHP耦合。通过打开阀VEN涡轮机蒸汽质量流的提高首先导致蒸汽压力的降低。这又降低了涡轮机蒸汽质量流并且由此又提高了蒸汽压力pHP。此外，原则上成立的是，涡轮机蒸汽质量流mT与产生的电功率ELL成比例并且可以从后者计算地确定。

基于结合图1所描述的用于蒸汽发生器的对象模型RS，现在解释在在线识别蒸汽发生器的情况下的工作方式。

蒸汽发生器的调节对象的识别原则上意味着确定未知的延时单元VZN的代表了蒸汽发生器的动态特性的传输特性。如果确定了延时单元的传输函数和时间常数，则识别了过程。为了识别延时单元的传输函数的参数，使用估算方法。同时，要进行参数估算的持续监控，以便防止将出错的估算结果输出到叠加的调节上。

因此，按照本发明的在线识别的基础是，除了预定的模型结构，还有按照恒定的时间步骤采集的燃料质量流mBr、涡轮机蒸汽质量流mT和新汽压力pHP的测量值。按照这种方式实现了实时识别。

为了确定延时单元的传输函数，必须在下一步骤中确定延时单元VZN的输入和输出参数。输入参数是燃料质量流mBr。输出参数是新汽质量流mBlr。然而，新汽质量流mBlr通常在测量技术上很难确定。因此将其计算地再现。在已知蒸汽锅炉的积分时间常数TI的情况下，从新汽压力pHP和涡轮机蒸汽质量流mT的可测量的参数中按照以下方式计算新汽质量流mBlr(其中，TA表示采样时间，k表示用于采样的运行参数)：

$m_{\mathrm{Blr}}(k+1)=m_T(k+1)+T_I\frac{p_{\mathrm{HP}}(k+1)-p_{\mathrm{HP}}\left(k\right)}{T_A}.$

在图2中示例性示出以曲线10形式的可测量的燃料质量流mBr的输入参数的和以曲线20形式的计算的输出参数mBlr的时间曲线。在此，测量值以5s网栅记录。以85s的蒸汽锅炉的积分时间常数计算假设的新汽质量流mBlr，其表示蒸汽发生器的输出参数。

以下示例性假定N阶延时单元VZN为PT3单元。

目标是，在该步骤中确定PT3单元的连续的传输函数

$G\left(s\right)=\frac{y\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{K}{(1+T_{1}s)(1+T_{2}s)(1+T_{3}s)}=\frac{b_0}{1+a_{1}s+a_2{s}^2+a_3{s}^3}$

在该公式中：

G(s)表示PT3单元的拉普拉斯转换的传输函数(也称为s传输函数)

y(s)表示过程输出信号

u(s)表示过程输入信号

T1、T2、T3表示单个独立的时间常数

a1、a2、a3和b0表示借助估算方法确定的过程参数。

在该实施例中使用以信息形式的用离散根滤波器方法的递归的最小平方参数估算。同时，对时间上过去的测量数据借助遗忘因数进行指数降低的加权。借助状态变量滤波器确定输入和输出参数的为此所必须的、不可测量的导数。

在图2中示例性示出了从曲线10和20的实际测量数据中在线估算的s传输函数的参数。在此，曲线变化30、40、50和60表示相应的参数a3、a2、a1和b0在时间上的演变。使用了以信息形式的具有遗忘因数0.995的递归离散根滤波器方法。在此，对于状态变量滤波器选择时间常数为80s，以便有效抑制燃料和新汽质量流数据中的高频噪声。

为了进行参数估算原则上还可以使用其它已知的估算方法，如预测误差方法或其它根滤波器方法。

在以下还要注意的是，在该实施例中作为具有相同的时间常数的三个一阶延时单元的串联连接描述蒸汽发生器和锅炉的动态特性，尽管在实际的对象中从不给出三个正好相同的时间常数。然而，不是直接满足三个相同的时间常数的要求，因为整个递归参数估算方法仅仅估算传输函数的参数(多项式系数)，而不估算时间常数。尽管如此，还可以在参数估算之后从所估算的独立的时间常数确定PT3单元的时间常数。

在成功估算离散的参数a1、a2、a3和b0之后，还要将其换算成相应的时间连续的放大和时间常数。

从如上所列的用于传输函数的公式中在换算成时间常数时产生如下形式的非线性方程组：

T₁+T₂+T₃＝a₁

T₁T₂+T₂T₃+T₁T₃＝a₂

T₁T₂T₃＝a₃

利用三个相同的时间常数T1＝T2＝T3＝T的简化假定，可以从每个参数中计算该三重的时间常数的数值。在三个独立的时间常数T1、T2、T3之间的差很小的情况下所作出的假定是合适的。由此，遵循三条途径来计算相同的时间常数，即所求的蒸汽发生器的PT3单元的时间常数：

$T\left(a_1\right)=\frac{a_1}{3},T\left(a_2\right)=\sqrt{\frac{a_2}{3}},T\left(a_3\right)=\sqrt[3]{a_3}.$

根据这些值此时可以确定估算结果的关联。

还要注意的是，这是在线识别，并且递归的估算器在每个时间应该是起作用的，以便识别***参数。但是，在激励不足或太大干扰的情况下，估算器不提供有意义的估算参数并且由此也不提供有意义的时间常数。因此，需要监控层面，其检验所提供的估算结果的合理性并且决定其有效性。为此建立不同的测试标准。仅当在相同时间满足所有标准时，才接受并输出当前计算的平均总时间传输。

例如，给出有意义的区间边界作为标准，也就是说，给出区间的下边界Tmin和上边界Tmax，所求的蒸汽发生器的平均时间常数允许位于该区间之内。

此外，还可以检验梯度特性并且应用所谓的预测误差标准。在监控层面中由此利用如下事实：对于所求的延时单元PT3的时间常数呈现三个独立的时间常数。

该步骤如下纯图形地表示：比较三个时间常数T1、T2、T3的曲线变化并且借助如上所列的标准来检验并且以这种方式确定其中时间常数T1、T2、T3近似相同的曲线变化的范围。在该范围之内可以为预定的模型结构的延时单元从三个独立的时间常数T1、T2、T3中确定具有相同的时间常数的3阶延时单元的时间常数T，由此在蒸汽发生器情况下识别整个过程。

识别的结果以时间连续的模型的形式被传递到叠加的调节上。由此该自适应模型是蒸汽发生器和涡轮机的自适应调节的一部分，如在图3中表示的那样。

图3示出了调节装置R的结构图。将指令参数w输送到调节装置。在调节装置的输出端输出调节参数x。调节装置的部分是一个或多个计算单元BE，其中，在线地根据按照本发明的方法计算对于蒸汽发生器的调节的调节对象的识别。

Claims (9)

1.一种在蒸汽发生器的调节中识别有延时的调节对象的方法，具有以下步骤：

-为蒸汽发生器设置调节技术的模型结构(RS)，其被如下地构造：其具有随时间变化的N阶延时单元(VZN)，燃烧质量流(mBr)作为输入参数被输送到该延时单元并且该延时单元输出新汽质量流(mBlr)作为输出参数，

其中，在所述延时单元(VZN)后面设置了减法单元(SUB)，在该减法单元中从所述新汽质量流(mBlr)中减去涡轮机蒸汽质量流(mT)并且接着将这些质量流(mBlr，mT)的差传输到积分器(I)，该积分器的输出参数代表新汽压力(pHP)，

-在线地确定所述燃烧质量流(mBr)、新汽压力(pHP)和涡轮机蒸汽质量流(mT)的测量值，

-借助所述新汽压力(pHP)和涡轮机蒸汽质量流(mT)的测量值在使用所述模型结构(RS)的条件下并且在考虑所述积分器(I)的预定的时间常数的条件下，推算所述新汽质量流(mBlr)，

-从所述燃烧质量流(mBr)的测量值和所推算的新汽质量流(mBlr)，借助估算方法在线地确定所述延时单元(VZN)的连续传输函数(G(s))的参数(a1，a2，a3，b0)，并且换算成具有N个独立的时间常数(T1，T2，T3)的延时单元(VZN)的时间常数，

-在调节所述蒸汽发生器期间确定在其中时间常数(T1，T2，T3)近似相同的时间范围，并且将这些时间常数(T1，T2，T3)的值识别为所述延时单元(VZN)的时间常数的值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述N阶延时单元(VZN)是3阶随时间变化的延时单元(VZ3)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将所述燃烧质量流(mBr)乘以放大系数。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，所述积分器(I)被构造为不随时间改变。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述测量值乘以加权系数，其中，用于在时间上更在前的测量值的加权系数小于当前测量值的加权系数。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，使用以信息形式的具有离散根滤波器方法的连续传输函数的递归最小平方参数估算，作为估算方法。

7.一种在蒸汽发生器的调节中识别有延时的调节对象的装置，具有至少一个用于实施根据权利要求1至6中任一项所述的方法的计算单元。

8.一种用于蒸汽发生器的调节装置(R)，其具有带延时的调节对象和根据权利要求7构造的装置。

9.一种计算机程序产品，其被载入计算机的存储器中，并且包括当所述产品在计算机上运行时可以用来执行根据权利要求1至6中任一项所述步骤的软件代码段。

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