AGC系统

AGC系统（精选9篇）

AGC系统 篇1

1 引言

随着现代轧钢技术的发展,液压AGC系统凭借其响应速度快、精度高等优点已成为冷轧轧机重要的组成部分[1,2,3]。而在现代液压系统的研究中,常采用计算机仿真技术对系统进行必要的分析。在仿真技术中,AMESim是一款性能优越的仿真软件,它可以高效地对液压系统及控制进行仿真,准确地计算出仿真结果[4,5,6]。

2 轧机液压AGC系统数学模型建立

马钢一钢轧冷连轧轧机为三菱日立公司UCM型轧机,由4机架组成,其液压AGC系统主要由控制装置和液压系统、液压伺服执行机构组成。每架轧机配有2个压上缸,压上缸中心安装一个磁尺,用于检测压上缸活塞的位移量。为了提高液压AGC系统的响应速度,控制压上缸动作的伺服阀直接安装在压上缸本体上。为了减少系统压力的脉动,每个伺服阀还配有一组蓄能器组。冷轧生产线4架轧机共用1个液压泵站,向每个机架的AGC系统和弯辊系统及轧机的中间辊串辊和弯辊系统供油[7,8]。

2.1 确定液压AGC系统的系统参数

可以根据以下公式计算出液压AGC系统最大负载压力:

式中:Pl-负载油压;A-压上缸活塞面积;M-压上缸上的质量;G-所有移动部分的重量;Bp-粘性阻尼系数;Vp-压上速度;a-压上加速度;F-最大轧制力;Ff-摩擦力;F0-中间辊正弯辊力;Fw-工作辊正弯辊力;F1-压上缸活塞杆腔液压力。

由于BpVp较小,可忽略不计。可动部分摩擦力Ff应小于正常轧制力F的0.5%,所以Ff可按下式估算:

当轧制力达到最大时,得到伺服阀的最大负载Plmax,考虑系统的压力损失,可初步确定液压站的工作压力。

可以通过上式求出每个压上缸的最大负载流量。其中,A-压上缸活塞侧面积;Vpmax-压上缸的压上速度。

在轧制过程中,压上缸的调整量非常小,其瞬时流量和弯辊力调节所需要的流量也很小。但在液压站能力设计时,应考虑满足快速换辊的需要。

2.2 液压AGC系统数学模型确立

液压AGC系统是一种典型具有弹性负载的位置伺服控制系统。方框图如图1所示,系统主要由压上缸、伺服阀、位移传感器、伺服放大器组成。

液压AGC系统数学模型传递函数确立

(1)伺服放大器。伺服放大器用惯性环节进行处理传递函数可表示为:G(s)=Ka/((S/ωa)+1)(2)

(2)电液伺服阀。伺服阀传递函数可表示为:

Q0-伺服阀的空载流量;Ic-电流信号;k0-伺服阀流量放大系数;k′c-伺服阀的压力流量系数。

(3)压上缸。压上缸可用如下的传递函数表示:

Yp-压上缸活塞行程;Ql-输入流量;A-活塞面积;Xn-液压阻尼比;ω2-负载弹簧刚度与阻尼系数之比;ω1-液压弹簧与负载弹簧串联耦合时的刚度与阻尼系数比。

(4)位移传感器。位移传感器一般视为惯性环节传递函数可表示为:G(s)=kr/((S/ωf)+1)

综合上式,液压AGC系统的传递函数模型框图如图2所示。

3 利用AMESim软件对轧机液压AGC系统进行仿真

3.1 仿真原理图

轧机液压AGC系统原理见图3。主要由压上缸、位移传感器、伺服阀、放大器、PID调节器等组成。伺服阀作为液压控制元件,是将控制器给定的信号通过力马达(Force-motor)来变换阀芯的位置从而确定阀的开口度,进而控制流入压上缸的油流,通过压上缸作用于负载。同时压上缸的输出信号反馈至伺服阀,与输入信号比较,直至消除偏差。

3.2 仿真计算结果

本系统中可使用Premier Submodel功能选择数学模型,需将连接液压缸与伺服阀的管道设置为可压缩加摩擦的管道模型,然后在Parameter模式下,根据现场工况参数,设置仿真模型中的图形模块。

根据所得的轧机液压AGC系统数学模型,利用AMESim软件对系统进行仿真,从仿真图形上看出,系统仿真结果基本可以反映轧机液压AGC系统的特性。为进一步优化系统设计、研究新的控制策略和系统故障“模拟”提供了良好基础。

4 利用AMESim仿真模型对轧机液压AGC系统故障进行“模拟”

根据AMESim仿真的轧机液压AGC系统“正常工作”时的模型,将系统模型中的液压、机械、电气元件的状态,调整为各种“故障状态”,从而得到各种故障状态下的特征曲线。将“故障状态”下的特征与正常状态下的对比,即可确定轧钢机液压AGC系统状态以及发生故障的原因与部位。

4.1 轧机液压AGC系统频率特征的“故障模拟”

4.1.1 整体AGC系统

调整伺服阀内泄、压上缸内泄的故障参数。

从图7可以得到以下结论:(1)压上缸内泄时,系统频宽降低,系统响应速度将减小。(2)伺服阀内泄时,系统频宽增加,系统控制精度将降低。

4.1.2 电气系统

调整比例放大板增益异常的故障参数。

从图8可以得到以下结论:放大板增益异常时,系统产生振荡。

4.1.3 液压、机械系统

调整磁尺(位移传感器)故障、压上缸混入空气的故障参数。

从图9可以得到以下结论:

(1)压上缸混入空气时,系统响应速度将减小。

(2)磁尺故障时,系统控制精度将降低。

4.2 轧机液压AGC系统时域动态响应的“故障模拟”

轧机液压AGC系统动态特性分析也可在时域内进行,轧机液压AGC系统压上过程可近似地看成输入阶跃信号。检测系统阶跃响应,并与正常状态下的响应特性作对比,即可确定轧机液压压上系统状态以及发生故障的原因与部位。图10、11是各“故障状态”下系统阶跃响应的情况。

从以上图形可以得到以下结论:(1)系统增益偏低时,系统响应速度将减小;(2)系统增益偏高时,系统将发生振荡;(3)压上缸混入空气时,系统响应速度将减小;(4)压上缸内泄时,系统控制偏差大;(5)磁尺故障时,系统控制精度降低。

5 结语

本文主要根据冷轧轧机液压AGC系统的构成建立了液压AGC系统的数学模型,并利用AMESim软件对系统进行仿真。通过得到的仿真模型,对系统可能出现的液压、机械、电气方面及系统振动的故障进行研究。根据AMESim仿真的轧机液压AGC系统“正常工作”时的模型,将系统模型中的液压、机械、电气元件的状态,调整为各种“故障状态”,从而得到各种故障状态下的特征曲线。在现场故障诊断中将“故障状态”下的特征与正常状态下的对比,即可确定轧钢机液压AGC系统状态以及发生故障的原因与部位。该方法为现场的故障处理提供了良好基础并得到了较好的应用。对于类似机组也具有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]邹家祥.轧钢机械[M].北京:冶金工业出版社,1992.

[2]王益群,孙孟辉,张伟.冷连轧机液压AGC分布式计算机控制[J].机床与液压,2007,35(3):120-123.

[3]雷天觉.液压工程手册[M].北京:机械工业出版社,1990.

[4]付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真从入门到精通[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[5]王春行.液压伺服控制系统[M].北京:机械工业出版社,1981.

[6]杨安,欧阳奇.轧机液压AGC系统建模与仿真[J].机床与液压,2008,36(9):244-246.

[7]赵丽娟,才宏,刘杰.四辊冷连轧机液压压下系统建模研究[J].机床与液压,2006,34(2):128-129.

[8]王贤琳.冷轧带钢轧机液压自动辊缝控制(AGC)系统设计和计算[J].液压与气动,2004(1):6-7.

AGC系统 篇2

一、适用范围及有效期

本规定适用于国电建投内蒙古能源有限公司布连电厂AGC管理，本规定至新规定实施前有效。

二、编制依据根据《内蒙古电网AGC运行管理办法》、《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》、《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》、《发电厂并网运行安全性评价》的要求，特制定针对本厂机组实际情况的AGC运行管理制度。

三、AGC 机组运行管理

1.机组在负荷调整范围内的负荷变化率、机组增加(或减少)负荷的时间响应特性，以及机组负荷调整上、下线值等反映AGC机组运行特性的参数，应严格按照“机组自动发电控制(AGC)投入批准书”规定的指标运行。

2.值长在投退AGC前后要和上级值班调度核对RTU实时传送的“允许”和“状态”信号必须真实、准确、可靠。

3 AGC投退操作需向中调申请，得到中调值班调度许可后，方可进行AGC投退操作。

4 已投运的AGC机组，该机组大修后，在投入AGC运行前，须重新确认机组AGC定值单。

5 运行值班人员发现AGC运行异常时，可停用该AGC 装置，改为就地手动控制，及时联系热控、继保人员检查处理，及时汇报调度中心调度员并做好记录，同时向调度中心自动化部门汇报进行处理。异常处理完后，应及时向调度中心汇报并根据调度指令恢复其AGC装置运行。

6 热控继保人员积极配合调度中心进行每月AGC的机组随机测试，对测试指标低于调度中心备案的机组AGC 定值单的机组，应及时整改，整改完成后须重新确认机组AGC定值单。

7 指定专人负责AGC 系统的运行维护，并配合调度中心相关专业对AGC进行调试、投运工作。

8 运行值班人员严格执行调度关于AGC的命令，为经调度许可任何人不得擅自改变AGC负荷上下限，变负荷率等参数。

9 运行人员认真记录AGC运行情况。

10 机组正常运行时，AGC负荷下限为：330MW，上限为：660MW，变负荷率为：10～8MW/min。

四、考核管理规定

1 AGC投运率=AGC投运时间/机组运行时间投运方式百分比。

2 对于擅自解除AGC的责任人，考核500元/每次。

3 对于擅自更改AGC上下限、变负荷率的责任人，考核200元/每次。

4 未及时联系、消除AGC缺陷的责任人，考核100元/次。

AGC (自动增益控制)

自动增益控制是指使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制方法。实现这种功能的电路简称AGC环。AGC环是闭环电子电路，是一个负反馈系统，它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。增益受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是 AGC 检波器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出信号u0 经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益受控放大器的电压uc 。当输入信号ui增大时，u0和uc亦随之增大。uc 增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号的变化量显著小于输入信号的变化量，达到自动增益控制的目的。

放大电路增益的控制方法有：

①改变晶体管的直流工作状态，以改变晶体管的电流放大系数β。

②在放大器各级间插入电控衰减器。

③用电控可变电阻作放大器负载等。

AGC电路广泛用于各种接收机 、录音机和测量仪器中，它常被用来使系统的输出电平保持在一定范围内 ，因 而也称自动电平控制 ; 用于话音放大器或收音机时，称为自动音量控制。AGC有两种控制方式：一种是利用增加AGC电压的方式来减小增益的方式叫正向AGC，一种是利用减小AGC电压的方式来减小增益的方式叫反向AGC .正向AGC 控制能力强，所需控制功率大被控放大级工作点变动范围大，放大器两端阻抗变化也大;反向AGC所需控制功率小，控制范围也小。

AGC——Automatic Gain Control的缩写。所有摄象机都有一个将来自 CCD的信号放大到可以使用水准的视频放大器，其放大量即增益，等效于有较高的灵敏度，可使其在微光下灵敏，然而在亮光照的环境中放大器将过载，使视频信号畸变。为此，需利用摄象机的自动增益控制(AGC)电路去探测视频信号的电平，适时地开关AGC，从而使摄象机能够在较大的光照范围内工作，此即动态范围，即在低照度时自动增加摄象机的灵敏度，从而提高图像信号的强度来获得清晰的图像。具有AGC功能的摄像机，在低照度时的灵敏度会有所提高，但此时的噪点也会比较明显。这是由于信号和噪声被同时放大的缘故。

发电机组AGC投入管理规定

1、目的：为加强我公司发电机组AGC投入相关设备检修、维护以及功能投入力度，确保发电机组AGC功能正常稳定投入，满足电网调度中心相关指标考核要求，特制定本规定。

2、范围：适用于我公司两台发电机组AGC投入日常管理及考核。

3、规范性引用文件：

下列标准所包含的条文 , 通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。在标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订 , 使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。

DL/T655- 火力发电厂锅炉炉膛安全监控系统在线验收测试规程

DL/T656-1998 火力发电厂汽轮机控制系统在线验收测试规程

DL/T657-1998 火力发电厂模拟量控制系统在线验收测试规程

DL/T658-1998 火力发电厂顺序控制系统在线验收测试规程

DL/T659-1998 火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程

(86) 水电生字第 93 号关于颁发《热工仪表及控制装置检修运行规程 ( 试行 ) 》的通知

电安生 [1994]227 号关于修改《电业安全工作规程》 ( 热力和机械部分 ) 部分条款的通知和“热力机械工作票制度的补充规定”

火力发电厂分散控制系统运行检修导则(DL/T774-)

《湖北省电力公司电网调峰调频管理办法》

湖北电力试验研究院《蒲圻电厂#1、2机组AGC测试报告》

湖北省电力调度中心《关于省调机组AGC功能以及调节性能检查情况通报》

4、术语和定义：

DCS:集散控制系统(Distributed Control System)

AGC:自动发电控制(Automatic Generation Contral)

ADS:电网总调所自动调度系统(Automatic Dispatch System)

LDC：负荷指令中心(Load Demand Computer)

RTU:厂、站远动装置(Remote Terminal Unit)

CCS:协调控制系统(Correspond Control System)

5、职责：

发电部当班运行值负责在正常工况下按中调要求投入AGC功能，技术支持值热控专业负责相关系统设备的日常维护以及缺陷诊断及消除，技术支持部电气二次专业负责远动装置的日常维护及消缺。

6、内容：

6.1 自动发电控制(Automatic Generation Contral：简称AGC)是现代化电网运行控制的基本技术之一，它的作用是实行自动调频和调峰、保证电网安全和经济运行。

6.2 我公司AGC控制系统主要由以下几部分组成：

a、电网调度中心实时控制计算机系统;

b、信息传输通道;

c、厂、站远动控制装置;

d、火电厂单元机组机炉协调控制系统

6.3 AGC功能投入的一般步骤。

6.3.1首先将机组投入CCS运行模式;

CCS模式投运步骤

A、首先运行人员投锅炉主控

(1)投相应磨煤机的容量风挡板对应的手自动操作器为自动位(为保证机组稳定运行，一般将A磨煤机投手动，带基本负荷，B、C投自动，参与自动调节)

(2)然后投锅炉燃料自动操作器为自动位

(3)最后在负荷命令中心画面上投锅炉主控操作器为自动位完成以上操作后，负荷命令中心画面上“控制方式选择”出现“锅炉跟随方式”

B、然后，运行人员投汽机主控

(1)首先运行人员必须建立负荷命令中心画面上汽机主控操作器与DEH控制之间的联系，将DEH对汽机调门的控制权，转至负荷命令中心画面上汽机主控操作器，具体操作如下：

(1.1)首先DEH必须在“自动”运行位置(DEH控制主画面的上方状态上显示“自动”状态)

(1.2)然后在DEH控制主画面的上方状态显示“遥控允许REMOTE CONTROL PERMISSIVE”，向DEH发出遥控请求

(1.3)一旦遥控允许，运行人员进行遥控操作，DEH控制主画面的上方状态显示从“遥控OUT”状态，转为“遥控IN”状态)，只有出现此状态，才表明DEH已经将控制权交由负荷命令中心画面上汽机主控操作器。

(2)观察实际负荷命令中心画面上显示的实际功率，设定目标负荷接近实际功率并设定好合适的负荷变化率

(3)等目标负荷与实际负荷比较接近时，将负荷命令中心画面上汽机主控操作器投自动位，紧接着按负荷命令中心画面上“控制方式选择”的按钮，机组进入CCS控制模式。负荷命令中心画面上“控制方式选择”出现“协调方式”

C、由于目前锅炉送风系统、磨煤机热风挡板不具备投自动条件，需要运行人员进行必要的手动辅助操作。

6.3.2在CCS方式将机组负荷调整与AGC指令一致时，向中调请求并得到许可后，在负荷命令中心投入ADS方式(即AGC方式)。

6.3.3目前机组负荷上限宜设定320MW，下限宜设为210MW，升/降负荷速率设定为可依据不同工况设定3-6MW/分钟。

6.4为确保磨煤机容量风风量测量装置通畅不堵塞，发电部热控专业人员应保证每天对机翼式测风装置吹扫一次，具体操作步骤如下:

6.4.1首先由运行人员依次解除AGC模式、CCS模式、BF模式、燃料主控自动。

6.4.2将三台磨煤机总风量退出扫描。

6.4.3在就地操作容量风风量变送器箱内启动吹扫按钮(绿色按钮为启动按钮，红色按钮为停止按钮)，开始启动自动吹扫程序，吹扫周期结束后自动停止。

6.4.4三台磨煤机全部吹扫结束后，再按照前述步骤，恢复机组AGC运行方式。

6.5机组并网后负荷超过210MW,如果设备无异常具备AGC投入条件时应立即向调度申请投入AGC方式。

6.6无影响机组安全运行及AGC投入的因素，任何人员均不得擅自退出AGC运行方式，调度命令及设备异常情况除外。

6.7如因处理缺陷等原因需退出AGC方式时，必须经公司生产主管领导批准后方可向调度申请退出AGC方式。缺陷处理结束后，应立即向调度申请恢复机组AGC运行方式，并向公司生产主管领导汇报。

6.8由于设备缺陷不及时消除原因或运行操作原因没能按中调要求投入AGC方式，将依据中调考核标准，酌情考核相关责任单位及责任人。

6.9本规定自下发之日起执行。

AGC系统 篇3

关键词：自动发电控制；水电机组

中图分类号：TV734.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0097-01

1 全厂AGC负荷控制模式（给定全厂总功率方式）

带来的问题

1.1 在AGC运行调节范围内，多台机组长时间带部分负 荷运行

经统计，机组调峰调频时间一般在工厂上下班前后出现高峰，为了减少机组启停及快速调节负荷，机组在负荷低于40 MW的低负荷区运行时间长，四台机组旋转备用运行时间占运行时间的四分之三，导致单位电能耗水率增大。

1.2 负荷调节幅度大，调节速率大，常常使机组穿越或处 于振动区内运行

机组并网后从额定负荷至空载，从空载至额定负荷的调节时间较多，从有功曲线统计，平均每天调节约180次/日，调节次数最多可达250次/日，大幅度调节（从20 MW到300 MW）占三分之一，最大调节速率约50 MW/min。另外，我厂机组AGC运行调节范围为0～30 MW和50～85 MW ，由于调节死区的存在，在上调节时，机组经常带45 MW负荷运行，调节死区导致下调节时，机组经常带35 MW负荷运行，即进入振动区。经统计，一天内，机组穿越振东区少则151次，多则250次，在振东区时间从32～61.5 min之多。

频繁调节、穿越振东区及在振东区运行导致：①水轮机接力器密封磨损损坏，漏油频繁。②调速环抗磨块磨损严重，在日常的维护中，结合机组的低谷消缺机会，给抗磨块加注润滑油，增加了设备的维护工作量。③导水机构半圆键窜起、错位频繁，双连臂销钉转动、下沉。④导水叶套筒密封盘根磨损损坏，漏水严重，导水叶套筒密封圈过度磨损后断裂，造成大量漏水。一次小修更换了14只套筒L型密封圈。换下来的L型密封圈已磨穿、撕裂、掉块。⑤频繁调节，导致水轮叶片汽蚀严重，并产生裂纹。⑥频繁调节，导致基础环空蚀严重，经常要灌浆。

1.3 负荷频繁调节，辅助设备运行压力增大

由于机组负荷不断地变化，机组的压油泵由原来带固定负荷一天启动5次增加到启动95次。由于接力器动作频繁，密封磨损块，漏油量增大，导致漏油泵启动次数也大幅增加。

经以上统计分析， AGC功能投运后，过于频繁的负荷调节，使水轮机接力器、导水机构相关部件故障增加，出现漏水、漏油、漏气现象严重，尾水管、基础环、转轮汽蚀严重，转轮叶片发生裂纹明显高于以往几年。使得检修成本大幅增加。

2 单机AGC负荷控制模式

在进行了AGC方式下对机组运行的综合影响分析后，提出采用单机AGC直控方式，采用这种方式可以从调度侧解决机组过于频繁开启、调节和在45%以下长期运行的问题。

2.1 增加单机AGC负荷控制模式设计原则及控制示意图

原有全厂AGC功能必须保留，保证随时可进行切换，以免在单机AGC负荷调度故障的时可切换到全厂AGC模式，增加AGC可靠性；调度中心与电厂计算机监控系统保持原有104、101通讯方式，增加模式切换及安全校核策略：机组不可调（具体包括机组非发电态或调速器非自动方式，或有功PID调节未投入），退单机AGC；机组LCU故障（具体包括LCU与主机通讯中断或机组有功测量源故障），退单机组AGC。

在保证使原有调度通信系统不发生变化前提下，要符合南方电网《中国南方电网自动发电控制（AGC）调度管理规程》要求；单机AGC负荷控制模式控制策略必须满足调度系统《中国南方电网自动发电控制AGC技术规范》、《广东电网自动发电控制运行管理规定》相关要求和规定，系统实时维护和软硬件调整不影响现有设备的正常运行工作，该系统处理速度及与现有设备通信速率等综合处理实时响应时间不影响电网对AGC调节响应要求；单机AGC负荷控制模式须性能稳定可靠，必须满足电力二次安全防护规定。

单机负荷控制模式指调度对每台（共四台）机组单独下发负荷值进行控制，相当于将新丰江的四台机组等效于四个电厂进行负荷设置，如图1所示。

为使单机AGC控制得到实现，电厂侧需修改AGC接口程序、通信程序、AGC运行监视画面，修改PQ调节程序，以实现单机直控的闭环调节，如图2所示。

3 单机AGC直控方式应用情况

根据新丰江厂这几年全年机组运行情况统计情况表及各季度运行情况统计表，总结如下：

①新丰江厂四台机组运行于50 MW以上的时间占总运行时间的92%以上，即该区间全厂出力在200 MW以上。

②新丰江厂四台机组全年运行于30～50 MW振动区的时间较短，单机全年不超96 h，基本属于加减负荷过程的穿越时间。

③新丰江厂四台机组全年单机低负荷区运行时间不超过179 h，满足水轮机行业标准规定的单机年度低负荷区（0～ 30 MW）运行时间低于500 h的要求。

④新丰江厂机组全年及各季度运行于低负荷及振动区的时间较短，90%以上时间运行于高负荷区，能满足新丰江厂机组安全运行要求。

4 结 语

自2013年第二季度新丰江厂单机AGC控制模式投运以来，新丰江厂机组运行工况明显改善。同时，新丰江厂全年单机低负荷区运行时间不超过179 h，满足水轮机行业标准规定，单台机组年度低负荷区（0～30 MW）运行时间低于500 h的要求。

参考文献：

[1] 王伟.AGC在水电厂运行中的优化和应用研究[D].南宁：广西大学，2014.

轧机AGC缸计算机测控系统开发 篇4

轧机AGC伺服液压缸是在大型钢铁企业主轧线的关键液压装备之一,静动态性能指标要求高,价格昂贵,更换作业耗时长,其故障将会对生产导致重大影响。制造、运输、贮存、使用、维修环节都可能导致AGC液压缸的性能发生改变。因此,适时对轧机AGC缸进行静动态指标检测非常必要。由于轧机AGC缸载荷大,精度高,目前国内能对其全套静动态指标进行测试的装备较少,且自动化程度相对较低,大多处于手工操作阶段,难以满足产品发展需求[1,2]。因此,本文重点分析了轧机AGC缸频率响应、阶跃响应、动摩擦力和启动摩擦力测试特点和方法[3],并针对性地开发了成套计算机辅助测试软件系统,应用效果良好。

1 测控系统框架设计

根据相关标准和轧机AGC伺服液压缸的实际工况,确定测试系统开发总体目标,具体包括频率响应测试、阶跃响应测试、启动摩擦力测试、动摩擦力测试和功能[3]。此外,还要完成测试和控制过程中高速数据采集、分析、处理、显示、存储和打印任务。因此,软件中还应包括数据采集卡测试、数据曲线显示及打印、数据库管理等功能[4,5]。本文所设计的轧机AGC伺服液压缸测试系统的总体结构采用了测控一体化方式,其结构如图1所示。

图1中,测试部分数据采集卡为凌华公司的PCI-9118,控制部分采用SIEMENS的S7300PLC,通讯及控制软件用Visual C++开发设计。计算机系统通过PCI总线与数据采集卡相连,通过Profibus现场总线与PLC相连。数据采集卡的数字或模拟通道连接传感器、二次仪表,以及其他相关元件;PLC通过其触点与控制阀、信号开关元件相连。软件系统中的测试部分和控制部分通过SIEMENS公司提供的符合ANSIC规范的函数库建立连接,它能以动态连接库的形式加载入软件中。借助于这些函数,可以实现对PLC中数据的实时读写操作。控制及测试软件界面采用虚拟仪器的设计思想,通过鼠标点击可以进行各项操作。同时,考虑系统扩展,预留必要的备用控件。

2 测控系统软件开发

本文介绍的轧机AGC缸测试软件系统基于Windows平台,采用面向对象的Visual C++ 6.0作为开发工具。测试系统具备AGC缸静动态指标测试功能。

2.1 软件系统功能模块

测试系统软件包含的主要功能如图2所示。具体描述如下:

频率响应:用于测试伺服液压缸在正弦扫频信号控制下的输入与响应信号幅值比/相位差——信号频率之间的关系;阶跃响应:用于测试伺服液压缸在给定的阶跃控制信号下的位移——时间之间的关系;动摩擦力:用于测试伺服液压缸在给定信号下的带载荷摩擦力——位移之间的关系;启动摩擦力:用于测试伺服液压缸在给定信号下的空载启动压力——时间之间的关系,以确定启动摩擦力的大小;板卡测试:用于测试数据采集卡各通道功能是否正常,精度是否符合要求。

2.2 数据卡硬件驱动接口程序

PCI-9118数据采集卡接口函数调用的主要步骤如下:

1)安装数据采集卡硬件和驱动程序。

2)将Dask.h、PCI-Dask.dll和PCI-Dask.lib三个文件拷贝到到当前开发程序目录下。

3)将Dask.h和PCI-Dask.lib这2个文件添加到当前开发工程中。

4)在要调用数据采集卡接口函数的头文件中,包含以下文件:#include "Dask.h"。

5)在初始化对话框函数中,添加以下代码加载驱动:

7)进行A/D采样时,调用如下函数,参数1为板卡编号,参数2为A/D通道号,参数3表示进行-5V~+5V范围采样,参数4为采样保存数组。

A I _ R e a d C h a n n e l ( m _ n C a r d , m _n ADChannel,AD_B_5_V,&n AD[t]);//AD采样,

8)进行D/A输出时,调用如下函数,参数1为板卡编号,参数2为D/A通道号,参数3为D/A输出数值。该卡D/A输出为12位精度,故n Value取值范围为0~212。

A O _ W r i t e C h a n n e l ( m _ n C a r d , m _n ADChannel,n Value);//DA输出

2.3 测试数据文件管理程序

文件管理使用序号、文件名或测试日期等条件查询,能快速实现文件查找和定位。技术人员根据查找符合条件的测试参数结果,便于对所检测伺服液压缸数据进行统一管理。

用Visual C++ 6.0连接Microsoft Access2000所创建的数据库SGAGC.MDB为例,该文件保存在程序所在目录SGAGC的Datasave文件夹下。程序与后台数据库连接的代码实现如下:

1)在stdafx.h中添加以下代码:

#include "odbcinst.h"

#include "afxdb.h"

2)在SGAGC.CPP中,添加以下代码:

3)在文件SGAGCDLG..H中,添加数据库对象m_Database:

CDatabase m_Database;

4)在文件SGAGCDLG..CPP的On Create()函数中,添加以下代码:

5)在退出软件测试系统的代码部分,添加关闭数据库功能:

2.4 功能模块实现

图3为某企业开发的AGC缸测试系统软件主界面。主界面左侧设置“频率响应”、“阶跃响应”、“动摩擦力”、“启动摩擦力”、“板卡测试”及“退出程序”六个操作按钮,主界面右下角设置“通道设置”按钮和“当前测试项目”、“当前测试日期”状态栏,分别对应系统功能模块图2中的七大功能。主界面的中心区是用户进行“频率响应”、“阶跃响应”、“动摩擦力”、“启动摩擦力”四个功能选择后所对应的性能曲线绘图区,默认显示“频率响应”测试界面。主界面的右侧上方用于显示当前测试状态下的相关实时参数。主界面的右侧中部为标尺控制区,用于设置绘图区域的坐标刻度。主界面的右侧下部为“开始测试”、“停止测试”、“保存数据”、“读取数据”、“打印预览”和“参数设置”六个按钮,用于当前测试项目进度控制和数据处理[4,5]。

选择系统主界面左侧“频率响应”模块,单击左键,显示如图3所示的界面,各按钮功能如下:

1) 将“标尺”栏里的各参数设定为合适值之后,点击“存为默认值”按钮,保存当前的标尺设置,绘图区标尺将按所设定的内容调整。

2 ) 点击“参数设置” 按钮 , 设置软件系统输出的正弦波频率范围是0.1~15Hz,振幅范围是0~0.5mm。

3) 点击“开始测试”按钮,开启当前测试。在测试过程中,计算机将根据设定自动绘制测试曲线,界面右上角同步显示实时测试数据。

4 ) 点击“停止测试”按钮,终止当前测试过程。

5 ) 点击“保存数据” 按钮 , 保存当前的测试结果。计算机自动在本程序的安装目录下生成一个以当前测试项目为名的文件夹(第一次存盘时),例如当前为频率响应测试界面,则生成一个“频率响应”文件夹。在该文件夹下以当前测试项目名加下划线和序号确定文件名保存曲线,第一次存盘文件名为“频率响应测试特性曲线_ 1”,第二次存盘文件名为“频率响应测试特性曲线_2”,依此类推。文件后缀为“.txt”,保存的是测试数据的文本信息,可供技术人员进行数据分析或导入MATLAB等分析工具。

6) 点击“读取数据”按钮,打开保存的测试结果文件,读取历史测试数据。

7) 点击“打印预览”按钮,弹出“频率响应打印预览”对话框,该界面显示当前数据曲线的打印效果。点击“打印”按钮,输出纸质曲线报告。

选择主界面中的“阶跃响应”模块,单击左键,进入阶跃测试子界面。点击“参数设置”按钮后弹出“阶跃响应测试参数设置”对话框,“液压缸参数设置”用于设置阶跃增量;“DA初始输出”用于设置伺服阀给定的初始位移值。

选择主界面中的“动摩擦力”模块,单击左键,进入动摩擦力测试子界面。点击“参数设置”按钮后弹出“动摩擦力测试参数设置”对话框,“DA位移输出设定”栏用于设置初始位移和最大位移;“DA背压输出设定”栏用于设置初始电压和最大电压;“液压缸参数设置”栏用于设置活塞和活塞杆直径。

选择主界面中的“启动摩擦力”模块,单击左键,进入启动摩擦力测试子界面。点击“参数设置”按钮后弹出的“启动摩擦力参数设置”对话框,“DA输出设定”栏用于设置伺服阀给定增幅和最大位移量;“液压缸参数设置”栏用于设置活塞和活塞杆直径;“有杆腔测试”用于确认当前的启动摩擦力是对有杆腔还是对无杆腔的测试。

选择主界面中的“板卡测试”模块,单击左键,进入如图4所示的测试数据采集卡检测与标定子界面。在系统调试过程中,该模块可作为信号发生器和信号记录仪使用,还可用于检测各个A/D、D/A通道波形是否正确。“输出选择”栏用于选择D-A通道和波形,设置输出偏差值、输出幅值、输出相位、输出速率等参数;“输入选择”栏用于选择A-D通道。设置完成后,点击“保存数据”按钮,可保存当前参数设置。点击“开始测试”按钮,可以开启当前检测与标定任务。点击“停止测试”按钮,可以停止当前板卡测试任务。因此,在软件中设计该功能模块具有十分重要的意义。

选择主界面右下方的“参数设置”按钮,左键单击(此按钮在“板卡测试”界面时不可用),弹出“参数设置”对话框,如图5所示。其中,“采样通道的选择”用于配置通道与实际物理参数对应关系;“传感器信号转换比例尺”用于设置所采集物理量的传感器信号的转换比例尺;“DA输出信号反向”和“位移曲线反向”用于设置采集信号的正负,从而可在绘图区正向或反向绘制曲线。所有参数设置完毕后,左键单击“OK”按钮,保存当前设置并返回到当前所在项目的测试界面。

3 测控系统应用效果

利用上述 计算机辅 助测试系 统 , 对Ф1450/1350-100的轧机AGC缸进行性能检测,相关指标及试验曲线如图6~图9所示,该液压缸测试幅频宽为7.6Hz,相频宽为7.43Hz,阶跃响应时间为60ms,最大动摩擦力为214.4k N,起动压力为0.133MPa。

4结论

本文研究成果已获软件著作权登记[4],应用该技术为某公司开发的轧机AGC缸测试中心,2007年投入使用,试验吨位分为1500t、5000t、10000t三个档,为目前国内规模最大、自动化程度最高的轧机AGC缸检测装备之一。多年运行情况表明该测试系统能够完成轧机伺服液压缸静、动态性能的高精度检测,原理科学,符合实际工况,解决了国内大型伺服液压缸的测试困局,具有重要应用推广价值。

参考文献

[1]陈新元,蔡钦,湛从昌,张东升,等.液压伺服液压缸静动态性能测试系统开发[J].液压与气动.2008,12:77-79.

[2]Chen Xinyuan,Yi Jiangang,Lu yuandan,Wang Yi.The Key Parameters Selection of Dynamic Characteristic Test for Hydraulic Servo Cylinder of Rolling Mill[A].Proceedings of the 5th International Symposium on Fluid Power Transmission and Control[C].2007,06:621-624.

[3]湛从昌,黄科夫,陈奎生,陈新元,唐建光,黄智武,陈德明,曾良才,傅连东,涂晨,鲁腊福,杨锡波,赖燕.伺服液压缸第2部分:试验方法(DB44/T 1169.2-2013)[E].广东省工业类地方标准.2013,8.

[4]武汉科技大学.A G C伺服油缸性能检测系统[简称:S A G C]V 1.0.计算机软件著作权[E].登记号:2011SR004107.

AGC系统 篇5

液压AGC(automatic gauge control)由于具有低惯量、高响应、高精度及易于实现计算机控制等特点,被广泛地应用于现代化板带轧机生产线的自动厚度控制系统中[1]。我们在某厂2600mm中板轧机设计中采用了液压AGC系统,辊缝调整方式为电动压下、液压压上,自动化系统采用两级计算机控制:基础自动化系统(L1)和过程自动化系统(L2) ,实现了全轧制过程的网络数据跟踪、动态自适应轧制规程设定及自学习模型和全自动压下控制。

1 系统方案设计

1.1 系统组成

整个系统分为控制系统、执行系统、操作装置和检测系统4个部分。其中,控制系统包括传动控制、基础自动化、过程自动化,执行系统包括液压缸、伺服阀、电磁阀、电动压下传动,操作装置包括操作台、机旁箱、监控站,检测系统包括厚度、位移、轧制力、油压、温度、位置等仪表。图1为轧机电动压下、液压压上装置示意图。

1.2 液压系统

与传统设计不同,我们采用了下置式液压缸,AGC缸布置在下支承辊轴承座下方的机架窗口底部。这一点与传统中厚板轧机将液压AGC缸布置在机架窗口上方(在上支承辊上)的结构是完全不同的,在新引进的项目中多采用这种布置形式,这种布置具有以下特点[2]:1)减小了机架窗口尺寸;2)调整下工作辊上表面标高方便,配辊要求低;3)液压缸距离控制阀组距离近,响应时间短;4)液压系统采用的高压软管短,稳定性好。

1.2.1 AGC液压缸

液压缸采用长行程、活塞式液压缸,为了能很好地满足轧机AGC系统对响应特性的要求,液压缸的设计中重点考虑了对双侧压力腔的压力面积之比。缸体、活塞、缸盖采用合金锻件,连接螺栓为高强度合金螺栓,采用组合密封装置,可使液压缸在小摩擦力下以高频率运行,密封系统在热轧中板恶劣的环境中,具备较长的使用寿命。AGC液压缸示意图如图2所示。

图2中,在每个液压缸的中心,安装1个内置式MTS位移传感器,精度为1 μm,用于测量液压缸活塞位移。液压缸两腔各装有1个HYDAC压力传感器,该传感器专用于轧钢液压高精度测量,精度在0.3%以内,上升时间小于0.5 ms。在液压缸上装有TURCK接近开关,用于液压缸活塞行程保护。

1.2.2 液压系统控制阀组

伺服阀选用MOOG公司79F2029系列3级伺服阀,在伺服阀主进油口设计了5台容量分别为50L的高压蓄能器组(2个液压缸共用),可提供瞬间大流量,对液压脉动进行滤波,有动态补偿作用,加快液压系统的响应时间,吸收冲击。充气压力为系统工作压力的0.85倍。另外为了减小管路压力的波动,回油管路和控制油路均设有蓄能器。

在液压缸有杆腔设计了背压回路。

在伺服阀先导级设计了带有压差报警装置的高精度双筒高压滤油器,滤芯精度为5 μm。

每个液压缸的过载保护是通过一个电磁插装式溢流阀实现的,设定电磁溢流阀的机械卸油压力为30 MPa。电气卸油压力为28.5 MPa,它也是一个系统安全阀。这2组安全阀都将为轧机提供机械保护。另外,通过安装在液压缸上的位移传感器,由AGC的电气控制系统提供保护。

1.2.3 液压站

液压泵为恒压变量泵,2用1备,排量为250 L,最高工作压力为35 MPa,单泵工作最大输出流量为362 L/min,双泵工作可连续提供的最大流量为724 L/min。

2 系统组成

2.1 系统结构

基础自动化系统采用2台控制器:一台TDC控制器作为轧机AGC工艺控制器;另一台PLC控制器作为轧机顺控控制器,主要任务是完成区域设备联锁、轧机和辊道速度控制、轧机辅助动作控制,轧区设备的逻辑控制等。

L2的核心设备是2台PC服务器:轧钢过程控制服务器(PCS)主要运行轧钢过程自动化的中间件和应用软件;轧钢过程历史数据服务器(HDS)用于存储所有的生产数据和报表。L2系统还配备了4套软件维护开发终端(DEV)、2套人机交互终端(HMI)工程师站和2台网络打印机,方便技术人员对过程控制计算机系统进行监视、维护和开发。

在轧机操作室,设置一组操作台及HMI台。HMI人机监控系统使用西门子的WINCC软件进行开发。为缩短接线长度,操作台设置远程I/O站,通过ProfiBus-DP网与主控制器进行数据交换。

2.2 硬件配置

2.2.1 SIMATIC TDC控制器

TDC(technology and drive control)控制系统为多CPU高性能数字控制系统,适合完成实时、多任务的复杂生产过程控制和高速运算。主要任务是完成电动压下、液压压上及进行厚度控制。TDC控制器如图3所示。

2.2.2 SIMATIC S7-400 PLC控制器

具有模块化、易扩展、坚固耐用、网络支持广和界面友好的特点,内置PROFIBUS-DP接口可直接连接PROFIBUS网,速率最快达12 Mb/s。主要

任务是完成区域设备的联锁、轧机和辊道的速度控制、轧机辅助动作控制,轧区设备的逻辑控制等。

2.2.3 ET200M远程I/O系统

适合于复杂的自动化控制。远距离传输介质采用光纤,可提高系统的抗干扰能力。

2.2.4 高速以太网

各控制器之间、以及L1与L2和HMI之间都是采用基于TCP/IP协议的以太网,网络电缆远距离采用光纤,近距离采用双绞线,采用交换机技术,通讯速率为100 M。

2.2.5 ProfiBus-DP网

L1级与L0级传动控制器采用Profibus-DP现场总线相连接,减少了硬件接线。Profibus-DP为令牌通讯主从方式,通讯速率最高可达12Mbaud,并可通过Repeater扩展通讯距离。

2.3 现场主要仪表

2.3.1 位移传感器

位移传感器采用MTS的磁致伸缩传感器,电动压下为外置式,液压压下为内置式。SSI绝对值输出,串行同步信号,给控制器提供实时的同步位置输出,掉电后也能保持原数据,传输距离可达到200m,输出抗干扰性极高,分辨率为0.001 mm。传感器工作原理是利用2个不同磁场相交产生应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需要的时间,得出准确的位置。

2.3.2 压头

压头选用KELK的Rollmax轧制力测量系统,应变片式压头,具有响应快、精度高、线性好、稳定可靠的特点。系统采用惠斯通电桥原理,当压头的弹性体受力变形后,电桥就输出对应于轧制力的偏差信号,此信号被送到数字信号处理单元。

2.3.3 红外高温计

对轧件温度进行测量。从轧件表面聚焦红外线辐射能量至内部检测元件,然后将此能量转换成连续的电信号,通过信号处理器、微处理器进行处理,包括发射率补偿、数字线性化、变焦等,可实现如峰值采集、平均值计算、跟踪、保持和过高或过低报警等时间函数的选择,最后输出结果。

2.3.4 测厚仪

测厚仪是非接触式X射线测量系统,具有温度补偿、合金补偿功能。厚度测量范围6~50 mm。

2.3.5 热金属检测器

热金属检测器主要用于冶金工业系统中,通过对红热高温工作的检测,判断工件的运动位置,输出为控制用开关信号。

2.3.6 油压传感器

采用HYDAC油压传感器测量液压系统油压,主要用于对APC(automatic position control)和AFC(automatic force control)闭环控制放大倍数的补偿。当压头出现故障时,可替代测压头来测量轧制力[3]。

3 控制功能

3.1 基础自动化

3.1.1 概述

该系统可以实现的主要功能为:轧机液压辊缝控制、轧机电动辊缝控制、轧机自动厚度控制、轧机自动调零调平控制、液压缸同步自动控制、油缸限位保护与报警、过程参数显示、轧制过程重要数据采集、故障状态记录、人机界面等。

轧机自动厚度控制系统(AGC)是提高热轧钢板同板差的主要手段。影响板带厚度均匀性的因素非常复杂,主要包括:轧件本身的因素,如坯料厚度不均、坯料硬度波动(含水印)等;轧制因素,如轧辊偏心、咬钢时轧件对轧辊冲击、温度对轧辊尺寸和轧制力的影响等。针对这些干扰因素,采用数字控制计算机进行厚度自动控制,综合采用多种形式的厚度自动控制算法,以适应不同钢种、不同成品规格以及各工艺参数变化的要求,减轻干扰因素对轧机出口板材厚度的影响。AGC控制模型主要有:压力AGC,控制模型建立在轧机弹跳方程原理基础上;监控AGC,利用出口测厚仪检测到的板厚偏差作为主反馈量来控制板带出口厚度。

3.1.2 自动压靠调零

由于采用电动压下、液压压上的辊缝调节方式,在进行自动压靠的时候需要动态调整液压缸,在某些情况下会使得轧机下工作辊上表面与轧制线标高不在合理范围内,导致无法正常生产,因此针对该轧机研究一套特殊的自动压靠方法。

若电动压下的操作侧、传动侧位移传感器反馈数据分别为SEWS,SEDS,液压压上操作侧、传动侧位移传感器反馈数据分别为SHWS,SHDS,并通过程序处理,使得当上、下辊系朝辊缝变大的方向动作时,相应位移传感器反馈数据也是变大的,图4所示为操作侧的辊缝示意图,图4中垂直向上、向下的箭头分别表示电动压下、液压压上传感器反馈数据增大的方向。这样,如果零位对应的位移传感器反馈数据是SEWS0,SEDS0,SHWS0,SHDS0,则操作侧辊缝GWS、传动侧辊缝GDS分别为

GWS=GEWS + GHWS

=(SEWS-SEWS0 ) +( SHWS-SHWS0 ) (1)

GDS=GEDS + GHDS

=(SEDS-SEDS0)+(SHDS-SHDS0) (2)

式中:GEWS,GEDS,GHWS,GHDS分别为电动压下的操作侧、传动侧辊缝和液压压上的操作侧、传动侧辊缝。

假定电动压下和液压压上在正常工作范围内小幅动作时其机械特性是不变的,此处的小幅动作对应从工作辊开始接触进而达到预压靠力P0这一过程空载辊缝的改变量(2 600 mm中板轧机约为2~3 mm)。根据设备参数和现场实验结果,以上假定是合理的,因而可以进行一定范围内的零位平移,举例:如果零位整体上移2 mm,那么新零位对应的位移传感器反馈数据是SEWS0+2,SEDS0+2,SHWS0-2,SHDS0-2,对应某一辊缝设定而言,也就是相当于液压缸活塞要多伸出2 mm,电动压下螺丝要少伸出2 mm,如果忽略机械特性的变化,可以认为辊缝没有改变。

3.1.3 自动位置控制

液压AGC系统是以液压缸驱动,对辊缝进行动态微调,具备2个基本内闭环,即轧制力闭环和位置闭环。一般与自动位置控制系统(APC)一起使用,自动位置控制系统是指在指定的时间将控制对象的位置自动地调节到预先由过程机设定的位置,调节后的位置与目标值之差保持在允许的误差范围内[4]。液压APC作为液压AGC的内环,执行厚度外环液压AGC控制向其输出位置(或轧制力)的动态调节量,即辊缝调节量。APC首先根据二级轧制模型设定1个辊缝参考位置,进行辊缝粗调,在此基础上,通过高响应的伺服油缸来修正轧制过程中的辊缝变化,进行辊缝精调。除了以上2种基本闭环外,一些可预知的影响板厚的因素通过建立数学模型同时被考虑,以开环方式参与控制。

AGC系统采用的基本方程是弹跳方程[5]:

$h=S+\frac{{\rm P}-{\rm P}{}_0}{{\rm M}}+S{}_{\text{F}}+{\rm O}+G$

式中:h为出口厚度;S为轧辊辊缝值;P为轧制力;P0为预压力;M为轧机的刚性系数;SF为弯辊力造成的厚度变化;O为油膜轴承的油膜厚度变化;G为辊缝零位。

3.1.4 自动厚度控制

液压AGC系统采用厚度外环,以进行钢板的AGC控制。AGC系统采用GM AGC(gauge-meter AGC)、监控AGC以及多种补偿AGC。

GM AGC的实际厚度是利用弹跳方程计算出来的,其基本原理是:利用弹跳方程,根据测压仪和辊缝仪分别测得轧制压力偏差信号ΔP和辊缝位置的变动量ΔS,然后把这2个变量叠加起来,得到钢板轧出厚度的偏差值Δh,将该Δh反馈给厚度自动控制装置进行调节。这是AGC系统中基本的控制功能。监控AGC系统是根据轧机出口侧装设精度比较高的测厚仪,直接测出钢板实际轧出厚度并与给定的目标厚度(即锁定厚度)值进行比较,当两者数值相等时,厚度计输出为零(厚度计的输出量就是厚度偏差值Δh)即Δh=0。若实测厚度值与给定目标厚度不等而出现厚度偏差Δh时,便将该Δh反馈给厚度自动控制装置进行辊缝调节。

为了进一步提高厚调精度,需采取各种补偿措施,主要是弯辊力补偿、偏心补偿、油膜轴承厚度O补偿、轧辊热凸度和磨损变化的补偿、伺服阀流量补偿等。

3.2 过程自动化

3.2.1 概述

L2主要任务是对全线的生产工艺过程进行跟踪、设定和数据采集等。控制系统要求运行稳定、功能设置灵活实用、产品质量控制精确,能否运行稳定取决于计算机硬件系统的合理配置以及中间件和应用软件的结构设计及编程质量,功能设置的灵活实用主要体现在控制系统的功能和接口是否可以很好地适应中厚板各种不同的生产工艺要求和关键参数控制,以方便工艺技术员实现产品和工艺开发,产品质量要控制精确,关键在于设定计算所涉及的数学模型、控制策略、自适应算法等[6]。

3.2.2 初始数据管理

在板坯进入轧线之前,轧线L2系统必须事先获得其初始数据(PDI),并根据轧制顺序和跟踪信息,向轧机设定计算和大型仪表及时准确地提供板坯初始数据。

板坯初始数据的主要数据项目有板坯号、炼钢炉号、板坯尺寸、板坯重量、化学成份、目标尺寸、产品公差、工艺指令(如转钢次数、交叉轧制方式)等。

3.2.3 轧件跟踪

跟踪的目的是确定钢板在生产线上的实际位置和相关状态(比如轧制阶段、道次号等),以便将钢板与预定的控制时序进行关联,监视和启动各工艺过程的控制功能(比如设定计算、模型自适应、测量值收集与处理等)。

由于中厚板生产工艺复杂,而且实际生产环境中也可能出现检测器误动作,这就要求对L1各控制器发送来的信号数据进行有效性判断,以及在更新钢板状态和位置时进行可行性分析。主要手段有:判断当前跟踪区和相邻跟踪区的钢板数量、判断更新钢板的前后状态、考虑信号变化间隔的合理性等。

3.2.4 轧机设定

轧机设定是指L2系统根据板坯初始数据、设备参数及人工干预量,配合跟踪信息和部分实测数据(如出炉温度、板坯宽度),通过一系列数学模型和算法制定一套可行的轧制规程,并在此基础上计算出轧机、侧导板、除鳞和冷却介质、辊道等设备的设定数据和工序指令,将其发送给L1执行。

根据中厚板生产工艺特点,钢板从出炉到轧制结束离开测厚仪这段时间内要进行多次轧机设定计算,每次的计算条件、目的和方法都各不相同。一般分为预计算、再计算、后计算、模型自适应。

3.2.5 轧机模型自适应

模型自适应是提高模型预报精度的有力手段,可分为道次之间自适应和钢板之间自适应两种情况。

道次之间的模型自适应是在轧机设定后计算完成后启动,通过比较测量值和后计算值,确定相应数学模型的误差,并采用指数平滑法来更新模型自适应系数。这样,后续道次的轧机设定再计算将能采用最新的模型系数,以提高模型预报精度。

钢板之间的模型自适应在每块钢轧制完成后启动,它计算的依据有各道次的自适应系数以及最后成品的厚度、宽度、温度、板形等实测数据。钢板之间自适应可分为短期和长期两种,短期自适应是前后两块钢板(规格和钢种相同)之间的修正,长期自适应是轧制批次(规格和钢种不同)之间的修正。有测厚仪时,适应过程是自动完成的,当没有测厚仪时,需要人工测量板厚,并对模型计算值进行相应修正。

自适应功能所要修正的模型有:轧制力模型和轧制力矩模型,宽展模型,温度模型,轧机弹跳模型。

4 结论

两级自动化系统的配合能显著提高轧件的尺寸精度,迅速适应轧制规格的变换,显著提高钢板的力学性能。还可减少误轧次数、精简操作环节、提高轧制节奏。通过投产后现场的实际运行情况来看,该系统操作便捷、稳定可靠,能快速响应各种手动和自动调节,厚度精度达到国内先进水平,提高了产品竞争力,为企业创造了良好的经济效益。

参考文献

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[2]张殿华,王君,李建平,等.首钢中厚板轧机AGC计算机控制系统[J].轧钢,2001,18(1):51-55.

[3]张飞,童朝南,王寅虎,等.基于卡尔曼滤波器的液压APC系统[J].机床与液压,2007,35(7):75-76.

[4]孙一康.带钢热连轧的模型与控制[M].北京:冶金工业出版社,2002.

[5]丁修堃,张殿华,王贞祥.高精度板带钢厚度控制的理论与实践[M].北京:冶金工业出版社,2009.

AGC系统 篇6

自动发电控制(Automatic generation control, AGC)是电网中实现有功功率平衡和系统频率稳定的重要方式。互联电力系统通常采用联络线功率频率偏差控制(Tie line bias frequency control,TBC)的方式,维持系统频率为额定值并控制联络线功率在计划值,使区域控制偏差(Area control error,ACE) 为零或在正常范围内,实现电网的稳定运行[1]。目前,我国的AGC电源主要为火电机组,其缺点是响应时滞长、机组爬坡速率低,不能准确跟踪调度AGC指令;同时,由于一次调频死区等非线性环节的存在,传统的AGC线性模型控制方式不能实现良好的动态调节性能[2]。另外,随着风力、光伏等新能源发电大规模并网,其快速波动性对电网频率调节的速度提出了更高的要求[3]。根据AGC控制性能的考核标准,提高电网AGC控制性能应做到改善AGC系统的动态响应能力,减小超调量,加快调节速度。因此,亟需研究新技术以满足电网调频要求。

电池储能快速、准确的功率响应能力,使其在调频领域的应用潜力巨大[4,5,6,7,8,9,10,11]。研究表明,持续充/ 放电时间为15 min的储能系统,其调频效率约为水电机组的1.4倍,燃气机组的2.2倍,燃煤机组的24倍;同时,少量的储能可有效提升以火电为主的电力系统AGC调频能力[12]。电池储能系统与电网的功率交换过程通过控制器实现,如PI控制器、比例控制器、功率差额控制器[13]等,其中PI控制若采用固定参数则不能实现良好的调节效果,而动态参数的整定又较为复杂;比例控制在负荷波动干扰较大时,不能体现出储能装置的优势;功率差额控制应用简单,但是控制性能受到系实际状况的影响较大。

针对上述问题,本文提出一种基于模糊控制策略的电池储能系统辅助AGC调频方法。该方法以区域控制偏差及其变化率作为模糊控制器的输入量,BESS的参考功率变化量作为输出量,根据系统的运行状态调节BESS输出功率,辅助火电机组改善电网的动态调频性能。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,本方法能够迅速响应负荷扰动, 减小了系统频率偏差和联络线功率偏差值,降低了系统的超调量,缩短了调节时间,有助于提高电网AGC调频的动态性能和增强系统的稳定性。

1 系统结构及其频率调节

本文以典型的两区域模型负荷频率控制为例进行研究,并且在两个控制区中均配置电池储能装置, 如图1所示。系统频率调节过程为:当电网中某区域的负荷突然增加时,BESS以其快速的响应特性立刻向电网释放电能,阻止ACE的继续增大;同时随着火电机组功率的逐渐攀升,并能完全补偿负荷波动时,BESS逐渐退出运行。同理,当区域中的负荷突减时,BESS立刻吸收电网多余的电能,并随着火电机组的减发功率,BESS逐渐退出运行。

1.1 电池储能系统模型

电池储能装置主要包括电池组、变流器、控制器、变压器等部分,其辅助调频作用主要是通过变流器与电网交换有功功率实现。通过对BESS的有功和无功功率进行解耦控制,改变功率参考值,即可实现控制目的[14]。在本文中,选择BESS辅助调频的参考功率变化量作为有功功率的控制信号。

BESS用于辅助AGC控制时,跟踪控制信号进行充、放电过程均需一定的响应时间,可采用一阶惯性环节进行简化描述[15,16,17]。设BESS的传递函数为GBESS,其表达式为

式中,TBESS为BESS响应的时间常数,本文取TBESS1 s。

1.2 系统频率响应模型

电力系统在稳定运行时的负荷变化较小,则可以在系统稳定运行点附近进行线性化,构建线性模型进行动态分析。

根据文献[2]提出的建模方法,建立含BESS辅助控制的两区域再热式火电互联调频动态模型,并且将各区域分别等值为一台再热式火电机组,互联动态模型如图2所示。图中:TBESS为BESS的时间常数;Tgi为调速器时间常数;Tri为再热时间常数; Tti为发电机时间常数;Ri为机组调差系数;Bi为系统偏差系数;Kri为再热系数;T12为两区域间的联络线功率同步系数;Kpi为电力系统增益;Tpi为电力系统时间常数;a12为两系统的容量换算系数; fi为频率变化量;  PLi为负荷变化量。

2 电池储能系统的控制策略

2.1 电池储能系统的控制策略

电池储能系统辅助AGC调频时,BESS和火电机组均以ACE为控制目标。通常可将ACE划分为死区、正常调节区、紧急调节区等多个控制区,在不同区域内采用不同的调节方式进行调频[1],而不同的控制区以门槛值进行划分。文中,设正常调节区、紧急调节区的ACE门槛值分别为ACEreg.set和ACEea.set,超出紧急调节区的门槛值为ACEea.end。

针对ACE不同控制区,设计BESS辅助AGC控制的方案如下。

当︱ACE︱≤ACEreg.set时,BESS出力为零,火电机调节功率为零,即维持原出力值。

当ACEreg.set<︱ACE︱≤ACEea.set时,由BESS辅助火电机组进行调节,即先由BESS快速出力,在火电机组逐渐增加出力的同时BESS减出力,当火电机组出力满足负荷波动功率、系统逐渐达到新的平衡时,BESS退出运行。

当ACEea.set<︱ACE︱≤ACEea.end时,电网处于紧急调节区,BESS应以最大输出功率进行调节。当︱ACE︱>ACEea.end时,BESS和AGC机组均不动作,电网采用切负荷等其他手段使电网恢复稳定。

2.2 基于模糊控制的电池储能系统控制策略

模糊控制(Fuzzy Logic Control,FLC)属于智能控制范畴,在电力系统中应用广泛。它不依赖于具体的数学模型即可根据系统实时动态情况实施控制,非线性控制效果好[18,19]。因此,本文采用模糊控制的方法,实现BESS辅助火电机组进行AGC调节的目的。

根据联络线功率频率偏差控制(TBC)方式的要求,AGC控制的目标是维持控制区内ACE为零或在正常范围内,其表达式为

式中:Bi是控制区i的系统偏差系数; fi是其系统频率偏差; Ptie是区域i与其他区域的联络线功率偏差。

采用模糊控制调整出力大小,其具体思想为: 在负荷波动初期机组功率尚在爬坡时,BESS输出/ 吸收电能,抵消部分的负荷变动,缓解对系统的冲击;当机组通过增发/减发功率使系统达到新的稳定状态时,BESS退出运行。当ACE偏差量较大且其变化率较大时,BESS的输出功率较大,以使ACE尽快恢复至正常范围内;当ACE偏差量较小且其变化率较小时,BESS的输出功率较小。

基于模糊控制的BESS控制策略流程图如图3所示。图中, Pref为BESS参考功率, PBESS·max为BESS的最大输出功率。

2.3 模糊控制器设计

在BESS辅助AGC调频过程中,其有功功率参考信号由模糊控制器发出,并对电池的变流器进行控制,以实现按给定功率信号输出的目的。基于ACE及其变化率的大小给出电池储能系统的有功功率参考变化量,模糊控制器的设计框图如图4所示。(ACE  ACEreg.set)和dΔACE/dΔt(ACE>0时取负, ACE<0时取正)为模糊控制器的输入量,输出量  Pref是有功功率参考变化量;1、 2为量化因子, 用来调节模糊控制器,以期达到良好的动态性能。

模糊控制器的控制过程分为三步:输入输出变量模糊化、模糊推理和解模糊化。

(1) 输入输出变量模糊化

将ACE及dΔACE/dΔt划分成不同的模糊集, 通过隶属函数计算输入变量对各模糊集的隶属度, 用 μ 表示。模糊集划分越细,控制越精确。故将 (ACE  ACEreg.set)和dΔACE/dΔt划分为8个等级的模糊子集,即{NB},{NM},{NS},{NZ},{PZ}, {PS},{PM},{PB},分别表示{负大}、{负中}、{负小}、{负零}、{正零}、{正小}、{正中}、{正大}; 输出 ΔPref划分为7个等级,为{NB}、{NM}、{NS}、 {Z}、{PS}、{PM}、{PB}。本文采用三角形隶属函数,隶属度的取值范围为[0,1]。输入变量的论域范围依控制区域系统的实际情况而定,可根据系统长期的统计规律确定。设(ACE  ACEreg.set)的论域范围为[-e,e],其中e=ACEea.set-ACEreg.set;dΔACE/dΔt为[ e,e ],其中e =︱max{dΔACE/dΔt}︱。输出变量的论域范围由BESS的额定功率PBESS.N和控制区的功率基值PB的比例确定,设为[-p,p],其中

(2) 模糊推理

根据BESS辅助AGC控制的策略要求,确定模糊控制规则,具体如表1所示。

模糊蕴含关系采用Mamdani[20,21]最小规则求取。根据该控制规则,可求得用模糊子集表示的输出量。

(3) 解模糊化

采用最大隶属度法进行解模糊计算,由模糊子集表示的输出量得到精确的参考功率变化值。

3 仿真验证

为验证本文提出的基于模糊控制策略的BESS辅助AGC控制效果,在Matlab/Simulink中搭建以联络线功率频率偏差为控制目标的含BESS两区域互联AGC系统仿真模型,如图2所示。两区域均为再热式火电机组,并考虑机组爬坡率和死区限制, 仿真模型参数[22]选取如下:fN=60 Hz,Tgi=0.08 s, Tri=10 s,Tti=0.3 s,Tpi=20 s,Kri=0.5,Kpi=120 Hz/p.u, Ri=2.4,Bi=0.425,T12=0.086 s。设两系统的装机容量均为1 000 MW,并选取基准功率为1 000 MW。 死区[23]上限ACEreg.set=0.001 p.u.,正常调节区上限ACEea.set=0.03 p.u,则输入变量的论域范围为[-0.029,0.029] p.u.。同时,设置max{dΔACE/ dΔt}=0.029p.u.(根据运行经验,ACE变化率小于ACE,将输入变量dΔACE/dΔt的论域范围取与(ACE—ACEreg.set) 相同时,满足模糊控制要求。输出变量的论域范围为[-0.01,0.01]。

为分析BESS的辅助控制作用及系统频率的动态响应,在区域中加入负荷扰动进行验证。同时, 为验证BESS模糊控制方式的控制效果,将其与传统的AGC控制方式和BESS采用PI控制方式进行辅助调频时的系统动态响应进行了对比分析。考虑到BESS在波动初期迅速响应,机组与负荷波动平衡后BESS退出运行的辅助控制效果, PI控制器的参数选取为KP=0.15,KI=0.001。

负荷扰动方式1:t=5 s时,区域一中加入阶跃负荷扰动,并且 ΔPL1=0.01 p.u.,如图6(a)所示。电网动态响应曲线如图6(b)~图6(e)所示。

由图6(b)~图6(d)可以看出,当区域一中加入阶跃负荷扰动后,在传统的AGC控制方式下,区域一的频率偏差最大值达到了0.07 Hz,联络线功率偏差最大值达到0.008 p.u.;同时,区域一的ACE也产生较大偏差。BESS辅助AGC调频的系统动态响应曲线偏离正常值的偏差量更小,且恢复稳定的时间短。这是因为在负荷波动发生时,BESS迅速、 大功率的输出响应有效抑制了偏差量的继续增大。 另外,由图6(d)可以看出,在加入BESS辅助控制后,大大缓解了区域间联络线的功率震荡,联络线功率波动较小,利于各控制区负荷更快速就地平衡。 通过对比模糊控制和PI控制方式下的响应曲线可看出,采用模糊控制方式时偏差量幅值进一步减小, 且几乎不产生超调。同时,由图6(e)所示的BESS功率响应曲线可看出,在模糊控制方式下,负荷产生波动的初期,BESS输出功率迅速增大,但随着ACE的减小BESS功率逐渐减少;在PI控制下, BESS的功率输出随时间的增加逐渐增大,但调节作用延缓。因此,模糊控制对辅助电网的AGC调频作用更有优势。

负荷扰动方式2:区域一中负荷连续波动。其波动范围设为[-0.01 p.u., 0.01 p.u.],如图7(a)所示。 电网动态响应曲线如图7(b)~图7(e)所示。

由图7(b)~图7(d)可以看出,当区域一中负荷连续波动时,传统AGC控制方式下的系统频率、联络线功率及ACE均产生了大幅度的波动。而采用模糊控制的BESS辅助调频作用使得电网频率偏差最大时减小了0.05 Hz,联络线功率偏差减小0.004 p.u., 说明了本控制策略的可行性,且通过与PI控制方式的对比发现,其控制效果优于PI控制。由图7(e) 所示的BESS输出功率曲线可以看出,与传统的PI控制相比,模糊控制下BESS更早达到较大功率值, 因而调节效果更佳。

4 结论

本文探究了BESS在辅助电力系统AGC控制中的应用。分析表明,采用模糊控制的方法,根据区域控制偏差ACE及其变化率的大小控制BESS的功率输出,对减少系统频率和联络线功率偏差及降低超调作用显著。借助BESS辅助互联电力系统AGC控制,将大大改善系统调频的动态性能。

摘要：针对AGC控制中火电机组响应时滞长、机组爬坡速率低的问题,提出了一种基于模糊控制策略的电池储能系统(Battery Energy Storage System,BESS)辅助AGC调频方法。该方法以区域控制偏差(Area Control Error,ACE)及其变化率作为模糊控制器的输入量,BESS的参考功率变化量作为输出量,根据系统的运行状态调节BESS输出功率,辅助火电机组改善电网的动态调频性能。基于Matlab/Simulink平台的仿真结果表明,BESS能够迅速响应负荷扰动,减小了系统频率偏差和联络线功率偏差,降低了系统的超调作用,有助于提高电网AGC调频能力和增强系统的稳定性。

AGC系统 篇7

1 AGC控制系统的控制系统的组成

AGC控制系统主要由3部分组成, 即电网调度中心的能量管理系统 (EMS) 、电厂端的远方终端单元 (RTU) 和分散控制系统 (DCS) 的协调控制系统 (CCS) 。RTU与DCS的CCS之间的信息传递是由电缆硬接线连接的。整个控制系统实时监视电力系统频率的波动并随时调整发电机出力, 使系统功率总量始终维持在平衡状态。

2 AGC的功能

在互联的电力系统中, 各区域承担各自的负荷, 与外区域按合同买卖电力。各区域的调度中心要维持电力系统频率, 维持区域间净交换功率计划值, 都希望区域运行最经济。AGC是满足以上要求的闭环控制系统。电力系统正常运行状态下的基本目标是:

2.1响应负荷和发电的随机变化, 维持电力系统频率为规定值 (50±0.1HZ) 。

2.2在各区域间分配系统发电功率, 维持区域间净交换功率为计划值。

2.3对周期性的负荷变化按发电计划调整出力, 对偏离预计的负荷, 实现在线经济负荷分配。

3 AGC的一般调整过程

AGC的一般调整过程是用AGC的物理调整过程和AGC功能的整体结构来描述的。

现在电力系统, 由数个区域及数条联络线组成。各区域内部有较强的联系, 各区域间有较弱的联系。正常情况下, 各区域负责调整自己区域内的功率平衡。当其中一个区域接入一个新的负荷时, 起初联合电力系统全部汽轮机的转动惯性提供能量, 整个联合电力系统的频率下降。系统中所有机组调节器动作, 加大出力, 提高频率到某一水平, 这时整个电力系统发电与负荷达到新的平衡。一次调节留下了频率偏差Δf和净交换功率偏差, AGC因此而动作。从而提高另一区域的发电功率, 恢复频率到达正常值 (f0) 和交换功率到计划值, 这就是所谓的二次调节。此外, AGC将随时间调整机组出力执行发电计划 (包括机组启、停) , 或在非预计的负荷变化积累到一定程度按经济调度原则重新分配出力, 这就是所谓的三次调节。

对AGC来说, 一次调节是系统的自然特性, 希望快速而平;二次调节不仅考虑机组的调节特性, 还要考虑到安全 (备用) 和经济特性;三次调节则主要考虑安全和经济, 必要的话甚至可以校验网络潮流的安全性。这些调节所设定的周期随区域控制误差的大小而不同, 一般数据采集采样周期1~2s, AGC启动周期为4~8s, 经济调度的启动周期由几秒钟到几分钟甚至几十分钟。

AGC是通过闭环控制系统实现。AGC从计算机系统获得实时测量数据, 计算出各电厂或各机组的功率指令, 通过计算机系统送到各电厂控制器后, 再分配到各机组控制器 (CCS) 或由计算机直接送到各机组CCS, 最终都是由CCS调节机组功率, 使之跟踪AGC的功率指令。AGC是由电网自动化能量管理系统 (EMS) 实现自动控制的。区域调节控制的目的是使区域控制误差 (ACE) 调到零, 这是AGC的核心, 功能是AGC计算出消除区域误差 (ACE) 各电厂或机组需增减的调节功率, 将这一可调分量加到机组跟踪计划的基点功率和AGC分配因子之上, 得到设置去电厂或机组控制环的发电值 (AGC指令4~20mA) 。

4大庆油田热电厂AGC系统工作状态下协调工作方式

在正常情况下, 机组处于协调方式运行, 负荷指令由省调自动设定或由操作员手动设定。给定的负荷指令经机组的最大、最小允许负荷限制, 并且经负荷指令变化率的限制, 形成最终的单元负荷指令。单元机组负荷指令, 包括有目标负荷指令和实际负荷指令。目标负荷指令是电网调度中心或者是机组运行人员给出的期望机组的增、减负荷指令数值。目标负荷指令的设定, 可以是电网调度中心AGC设定 (AGC功能投入后) , 也可以是运行人员通过操作员站画面手动设定。目标负荷的指令发送到机组DCS的机炉协调控制系统的负荷控制回路, 经过负荷控制回路的一系列逻辑判断和限幅、限速, 形成机组实际运行能够承受的负荷指令, 也就是实际负荷指令。这种逻辑判断和处理主要依据以下几种情况:

4.1判断机组是否处于负荷闭锁增、闭锁减状态, 当机组负荷处于闭锁增、闭锁减状态时, 目标负荷的增、减指令信号将被闭锁。

4.2判断机组是否处于负荷跟踪 (TRACKING) 、快速减负荷 (RUNBACK) 。

4.3对机组目标负荷指令的幅值及变化速率再处理

4.3.1目标负荷指令信号幅值限制:通过设置实际最大可能出力信号和实际最小可能出力信号, 限制目标负荷指令在设定值范围内。

4.3.2目标负荷指令信号变化速率限制:该限制速率主要来自两方面:由汽机限制回路产生和由操作员手动设定。

5大庆油田热电厂AGC控制系统的投入步骤

AGC控制系统的投入在现场具备条件时, 由机组运行人员发出AGC允许信号, 请求省调控制。省调收到AGC允许信号后, 根据电网运行需要, 由调度员通过电话向值长下令机组投入AGC控制, 运行人员将AGC信号投入并将该信号反馈给省调。在省调收到遥信信号, “AGC允许”和“AGC投入”的情况下, 根据电厂上传的遥测信息:“最大允许负荷”、“最小允许负荷”、“允许负荷变化率”及其他条件, 下达AGC指令功率, 进行负荷调节。

6 AGC投运后的注意事项

6.1限制AGC自动升降负荷率不大于8MW/min。

6.2出现下列情况, 应相应更改AGC上限

6.2.1高压加热器系统检修, 计划退出运行

6.2.2低压加热器系统检修, 计划退出运行

6.2.3给煤系统检修, 计划退出运行

6.2.4热网系统投运

6.3下列情况下应申请退出AGC自动运行

6.3.1原煤供应不稳定, 煤质变动太大。

6.3.2锅炉指令与机组负荷指令偏差大于10%, 主汽压力实际值与主汽压力自动设定值偏差大于2%时。

6.3.3给水泵切换等需要机组负荷相对稳定的情况下, 连续升降负荷有可能危及机组运行安全的情况下。锅炉蒸汽温度, 各部受热面金属温度偏离运行规定值, 短时无法恢复正常时。

7 AGC性能评价

通过AGC功能改进后, 大庆油田热电厂#2、#3机组已通过AGC方式省调验收, 从AGC方式投入运行情况来看, 各负荷段升, 降负荷运行正常, 各种控制性能良好, 机组能正确进行各方式之间的无扰切换, 不但减轻了运行人员的劳动强度, 而且机组的安全性得到了提高。

参考文献

[1]牛玉广.计算机控制系统及其在火电厂中的应用.90-117.

AGC系统 篇8

传统的负荷频率控制,即狭义的自动发电控制(AGC)采用的控制信号是将区域控制偏差(ACE)进行积分后送到二次调频回路调整发电机组出力。基于线性理论进行分析时,由于控制回路中采用负反馈,因此,不论积分增益系数如何设置,比例积分环节都能够将误差消除从而达到最终的稳定状态[1]。这是传统的AGC理论的基础[2,3]。但在实际系统中,用线性控制原理去指导实际AGC系统,其动态性能无法令人满意[4,5]。其原因就是由于无论是水电系统还是火电系统都存在非线性环节,且二次控制回路的比例积分增益系数ki不仅与系统结构参数有关,还与负荷变化相关[1],因此,ki的整定应随着系统负荷的变化实时调节,才能满足负荷变化时频率的变化要求。水火电机组都面临着如何设定积分增益系数以满足系统实时变化需求的问题。

文献[6]中,用具有先验知识的Q学习方法设计了火电机组自动发电控制器:将非线性的AGC系统离散化成Markov链;ACE作为状态变量;用Q学习方法控制器代替传统的比例积分控制器,为了进一步加快学习速度,用模糊综合决策的方法获得火电机组AGC环境信息,为强化学习提供先验知识。

但是,在多区域系统中,不仅包括火电机组还包括众多的水电机组。为了全面考虑,本文侧重描述水电机组AGC控制器设计,突出水电机组AGC的特点及如何获得水电机组AGC的环境知识,并结合文献[6]中火电机组控制器的设计提出了水火混杂系统AGC控制器设计思想。最后采用典型的三区域系统模型进行仿真验证。由于文献[6]已经对火电机组AGC控制器进行了详细描述,本文侧重描述的是水电机组AGC控制器设计,结合文献[6]给出了完整混杂系统的仿真结果。

1 水轮机AGC系统中的非线性环节

文献[6]只针对火电机组AGC系统中存在的非线性环节进行阐述,主要包括延时、发电机调节容量限制和机组爬坡率限制、死区等。本文针对水轮机系统中影响AGC的非线性环节进行介绍。

水轮机调节系统是一个非线性时变系统,主要是因为电液伺服控制系统(或机械液压控制系统)存在非线性及其引水系统自身存在非线性。其引导阀辅助接力器和主配压阀接力器都存在起限幅作用的饱和非线性环节。水轮机调节系统的非线性直接影响发电机输出电能频率和过渡过程中的动、静态特性,是不利于系统稳定的重要因素[7]。水流水头因水电站类型不同而存在很大区别,本文假设引水系统为刚性水锤,即不考虑水头因子和水流不稳定作用。

1.1 水轮机AGC系统的非线性约束

1.1.1 延时

为了实时跟踪负荷变化以调整机组出力,SCADA系统需要收集相关的系统状态数据并将遥调指令下发到各个发电厂或直接下发到机组。因此,信息的采集分析、命令的下发和执行都需要一定的时间来完成。本文只考虑由上述各个环节所造成的固定延时。

1.1.2 水轮机调节系统非线性环节

1)频率死区设定。

为了在电网频率变化较小情况下提高机组运行的稳定性,调速器一般都有频率死区设定。当频率偏差小于死区设定值时,调速器停止动作。本文中,水轮机调速器死区的设定值与汽轮机相同,为±0.033 Hz[8]。

2)调速器机械液压系统中的非线性。

以往采用的水轮机调速器以机械液压调速器居多,现今采用较广泛的是电液压调速器,主要区别是后者更灵活,便于使用[9,10]。因为两者功能基本相似,在此只讨论机械液压系统调速器的非线性问题。在机械液压系统中主要考虑接力器关闭时间和关闭特性,关闭时间是接力器从100%开度关闭到0%开度的最短时间,它限制着接力器的关闭速度,其特性类似于火电机组爬坡率约束[10]。因此,文献[7]特别强调指出,机械液压系统模块中必须加入饱和度模块和比例限幅模块来表示系统固有的非线性特性。

1.2 非线性因素影响比较

为了比较非线性因素对频率变化的影响程度,将上述非线性环节即延时、死区、机械液压系统中的比例限幅模块分别加入传统AGC模型中,其他参数不变情况下的仿真结果可参照图1。仿真过程中,假设积分增益系数ki=0.3,延时取2 s,调速器死区设置为0.033 Hz,比例限幅值为每秒0.01(标幺值),负荷扰动相同。

从仿真结果可以看出,对频率影响最大的是调速器的比例限幅环节(见图1(b)),其次是延时的影响(见图1(a)),然后是死区(见图1(c))。其中,死区的影响体现在当频率偏差小于调速器死区设定时,会在小范围内引起频率波动,这种波动会增加发电机无谓的出力调节,从而增加机械磨损。

2 水火电混杂系统AGC控制器强化学习步骤

AGC系统是一个周期性控制系统,因此可以根据其控制周期进行时间离散化处理,即AGC系统在这个时刻所采取的措施只与当前状态有关而无需考虑系统的初始状态以及前一个状态如何,这是一个典型的Markov链。基于此,可以用强化学习控制器代替传统二次调频控制中的比例积分环节,将ACE作为系统状态量,将机组出力调整值作为行动值。实际系统中对ACE的设定有一个范围,即当区域联络线误差大于某一个值时,AGC机组挂机不动作,交由其他控制系统去处理,例如切负荷;当ACE小于某一个数值时,系统认为这是一个无意识交换量,AGC机组也不必动作。因此,很容易将ACE值在有限的状态空间中进行离散化处理。机组出力即行动值也受机组最大出力及最小出力约束,也可以在有限的状态空间中进行离散化处理。不难看出,AGC控制算法实际上就是一个从ACE构成的状态空间到机组出力变化的映射,这个映射就称为策略。

Q学习是一种没有环境知识的动态决策过程,学习过程缓慢。为了改善AGC控制器的初始学习状态,在文献[6]中介绍了基于先验知识的Q学习方法,它是借助于模糊综合决策的方法将专家经验和环境知识转化成AGC控制器学习的先验知识。

用于评估AGC系统非线性的因素集已经在第1节加以介绍,并比较了每个非线性因素对系统的影响。调整AGC控制策略时如果能够充分考虑这些因素对决策的影响,将更有利于选取正确的行动。因此,模糊综合决策方法被用来评估这些非线性因素对系统的影响[11]。其中,决策集就是强化学习行动集。模糊权重集表示每一个因素对决策的影响,权重可以通过经验直接得到。因此,可以通过因素集、决策集和模糊权重集获得综合评估结果,这就是Q学习的先验知识。基于先验知识的Q学习步骤如下。

步骤1:建立状态集、决策集和因素集

1)状态集X={x1,x2,…,x11}由离散化的ACE值组成。将ACE值离散化成11个区间值:0.020～0.016;<0.016～0.012;<0.012～0.008;<0.008～0.004;<0.004～0.001;<0.001～-0.001;<-0.001～-0.004;<-0.004～-0.008;<-0.008～-0.012;<-0.012～-0.016;<-0.016～-0.02。其中,ACE死区值代表的是最小ACE值,即AGC不需要动作的最小区域控制误差值,其范围是0.001>x6>-0.001。参数用标幺值表示。

2)决策集,即强化学习的行动集,是AGC系统中每个控制周期内机组调整的出力值。由于受机组爬坡率约束,每一个周期的最大行动值ΔPmax可以设定为周期内机组可能的最大技术出力上限值。汽轮机最大行动值Δpt设为0.002 5,水轮机最大行动值Δph设为0.005。将其离散化成7个区间,则汽轮机和水轮机的行动集可表示如下:

$\{\begin{array}{l}\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{t}}=\{0.0025,\frac{0.0050}{3},\frac{0.0025}{3},0,\\ \frac{-0.0025}{3},\frac{-0.0050}{3},-0.0025\}\\ \text{Δ}{\rm P}{}_{\text{h}}=\{0.005,\frac{0.010}{3},\frac{0.005}{3},0,\frac{-0.005}{3},\\ \frac{-0.010}{3},-0.005\}\end{array}$

3)汽轮机的因素集由机组最大出力约束(GRC)、爬坡速率约束(URC)、延时和调速器死区构成。GRC可划分成3个区间值,分别为大于出力最大上限值、小于最小出力下限值、介于两者之间[1]。调速器死区设置为±0.033 Hz。汽轮机爬坡速率一般设为每分钟2%～5%,即每个周期(AGC周期设置为2 s)的URC为0.001～0.003。水轮机的因素集包括延时、死区和调速器机械液压系统中的饱和度和比例限幅约束。饱和度模块与汽轮机的GRC相似,设定为从1到-1的区间段,机械液压变化速率设置为每2 s变化0.005(标幺值)。死区设置与汽轮机相同。

步骤2:依据专家经验建立模糊评估矩阵和权重集。依据第1节的叙述,可以将因素集进行排序,对系统频率变化影响最大的是URC,然后是延时,随后是死区。这个次序是确定因素集权重的重要依据。利用模糊综合决策方法计算状态集X中的所有状态xi值,按总体目标综合衡量采取各个决策的优越度向量Bi。将各个状态xi下的Bi进行“归一”调整,其结果作为Q学习的先验知识,对状态xi下的Q值进行初始化。

步骤3:开始Q学习。在周期t内,根据当前状态xt,选择动作aj,到达新的状态xt+1,以及获得一个立即回报r(xt,aj),更新Q值,重复该过程直到学习结束。

3 混杂系统AGC仿真结果分析

水火混杂三区域系统AGC模型见附录A图A1,其中区域2为水电机组。二次调频系统控制器采用Q学习算法代替传统的比例积分控制器。在控制系统模型中,非线性因素被充分考虑并表示出来。3个区域的控制器独立运行,即强化学习智能体之间没有耦合。所有参数采用文献[12]的数据。

仿真过程中采取的措施如下:

1)用MATLAB/Simulink中的白噪声模仿系统负荷扰动,负荷在0.02到-0.02之间随机扰动。

2)为便于比较,方法A中的Q函数初始值随机生成,而在方法B中的Q函数初始值是基于方法A,然后将环境先验知识加入Q函数的初始值中。方法A和B中的负荷扰动均发生在区域3。

3)机组爬坡速率约束着机组在每个周期的最大调整出力值,为了比较爬坡速率大小对AGC系统的影响,方法A和B中水轮机和汽轮机的最大行动值均设置相等,为ΔP${}_{\text{t}}^{\max }$=ΔP${}_{\text{h}}^{\max }$=0.002 5。事实上,水轮机可以在几分钟内就达到满出力,因此方法C中设置水轮机最大出力为方法B的2倍,即ΔP${}_{\text{t}}^{\max }$=0.002 5,ΔP${}_{\text{h}}^{\max }$=0.005。在方法C中,负荷扰动发生在区域2。

4)学习结束的判据是3个区域的Q函数前后2次差值小于给定误差值,且频率偏差值在允许范围之内。

表1列出了3种方法比较结果。从表中数据可以得出以下几个结论:

1)如果设置Q函数前后误差值小于0.005结束学习时,方法A需要1 450幂(episode)的学习,而方法B由于有先验知识,因此只需要840幂学习。方法C的最大行动值是方法B的2倍,因此只需要609幂就能达到要求。

2)Q函数误差值从0.005减少到0.001时,方法A和B的学习幂数基本相同,都经历了大约700幂,而方法C只需要400幂;从0.001 0减少到0.000 2时基本都需要200幂的学习。这是因为方法C将机组出力调整到0.02只需要4个周期就可以完成,而方法A和B需要8步。

方法B和C的仿真结果如图2、图3所示。由图2可见,在区域3为了响应负荷0.02的扰动,控制器经过8个周期来调整机组出力,且每个周期都采用最大出力值0.002 5。区域1和2由于不需要对区域3发生的扰动做出响应,因此机组出力没有变化。在方法C中,由于水轮机最大行动值为0.005,因此只需要4个周期就可以调整机组出力来平衡负荷变化。从图2(b)和图3(b)的曲线变化可以看出,由于方法C中水轮机调整没有方法B中汽轮机平缓,因此引起频率波动也较大,需要达到平缓的时间也比较长。

4 结语

1)学习方法中加入先验知识能有效改善学习过程,而当Q学习达到一定程度时,由于智能体积累了一定的经验,因此学习速度也会加速。

2)尽管本文采用了较复杂的水火电混杂系统,但由于每个区域的控制器是独立学习的,相互之间没有耦合,也简化了算法。

与文献[1]相比,本文中采用的模型更复杂,且充分考虑了水电机组和火电机组所特有的非线性环节的特点,因此也更符合实际混杂系统的变化,能够满足实际系统需求。用智能化的学习控制器代替传统的比例积分控制将是AGC系统在智能化电网要求下的一个可能的新的发展方向。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

参考文献

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AGC系统 篇9

莱钢大H型钢精轧机是由UR、E、UF三架轧机组成, 主体设备从德国SMS Meer公司引进, 采用液压控制。TCS智能控制系统作为精轧机的控制核心, 通过AGC自动厚度控制和HGC液压辊缝调整两个系统, 实现反馈PID闭环控制、动态补偿调整, 完成钢坯的稳态轧制。

1 AGC自动厚度控制系统

AGC自动厚度控制控制系统是通过测厚仪或传感器对轧件轧制厚度进行连续测量, 并将实测值与程序设定值做比较, 计算偏差, 借助于控制回路或计算机的功能程序, 把轧材出口厚度控制在允许的偏差范围内, 包括有两种模式:静态AGC和动态AGC。

1.1 静态AGC

精轧机首先进行轧制线校准, 轧辊更换后还需要进行轧机校准, 静态AGC通过模拟轧制力, 计算出轧机在非轧制状态时的静态误差, 通过逻辑控制, 对辊缝进行补偿调整。定义L-exp为轧机校准时零辊缝时所对应的轧机预期形变量, L-cal为轧机校准零辊缝时所对应的轧机实际形变量, H型钢坯厚度为L, 实际矫正后的辊缝GAP (1) 为:

1.2 动态AGC

在H型钢热轧制过程中, 钢坯和轧辊的相互作用力, 扰动因素多, 导致辊缝发生非预期变化, 如:轧机弹跳、轧辊受热膨胀、轧制速度不同、轴承油膜厚度的变化、支撑轧辊的偏心等。动态AGC控制系统的引入, 成功地解决了扰动因素影响的问题, 动态AGC只工作在轧制状态, 它是在静态AGC控制的基础之上, 对辊缝进行实时调整, 补偿控制。热轧时, 动态AGC计算出钢坯轧制过程中轧机综合形变量L_diff=|L_act-L_exp|, 进行辊缝补偿控制, 此时轧辊辊缝GAP (2) 为:

2 HGC液压辊缝调整控制系统

2.1 控制原理

HGC液压辊缝调整控制系统是一个高精度、快响应的闭环PID控制系统, 是AGC厚度自动控制系统的执行机构, 它接受AGC系统的指令, 将控制信号传输给伺服控制系统, 把位置反馈与位置给定比较, 计算出差值, 经过伺服放大器放大信号, 驱动伺服阀, 实现辊缝的精确控制。其控制原理如图1所示。

2.2 控制模型及应用

HGC液压辊缝调整控制是通过工业计算机实现的, 其PID控制为数字PID控制方式, 因此, 需要对传统模拟PID调节器的PI运算进行数字化PI运算转化, 才能够在计算机实现数字化PI控制模拟PID调节器中。PI算式为:

式中, Kc为PI控制的放大系数;Ti为积分时间;u (t) 为模拟量控制输出;e (t) 为偏差值。式 (1) 可表示成如下的传递函数:

PI控制系统依照一定的采样时刻, 从生产实际过程中取得数据, 并依照一定采样时刻, 把计算结果进行输出, 因此连续的时间函数必须转化成断续的时间函数。只要调节器的采样周期足够短, 断续控制形式就趋近于连续控制形式。在第k次采样时刻, PI计算结果为:

根据式 (3) , 编制液压辊缝HGC控制程序, 即可在工业计算机上实现HGC控制。HGC辊缝控制首先将辊缝的模拟量反馈信号进行数字转化, 然后与HGC控制计算机给定数字量厚度值比较, 得到偏差值。偏差值经PI运算, 输出控制信号, 再经模数转化、信号放大形成控制电压信号, 最后通过电压-电流转化器转化成±10m A的电流信号, 控制液压伺服阀, 从而控制钢坯的厚度, 实现HGC辊缝控制。

3 结语

AGC厚度自动控制和HGC液压辊缝调整控制理论在莱钢H型钢厚控方面的成功应用, 为该厂H型钢产品质量控制提供了坚实的技术保障。

参考文献

[1]苏世怀, 孙维, 潘国平.热轧H型钢 (高效节约型建筑用钢) [M].北京:冶金工业出版社, 2009