沈繼忱，程玉偉

(東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，吉林吉林132012)

0 引言

火電廠主蒸汽汽溫的控制水平的高低直接影響到鍋爐的熱效率和過(guò)熱器管道、汽輪機(jī)等設(shè)備的可靠運(yùn)行［1］。主蒸汽溫度的自動(dòng)控制回路是火電廠鍋爐重要的控制回路之一，同時(shí)也是廠方最關(guān)注和最難控制的1個(gè)回路。傳統(tǒng)的火電廠主汽溫控制方法一般采用常規(guī)的PID串級(jí)控制策略［2］。然而，采用傳統(tǒng)常規(guī)的PID控制策略很難取得滿意的控制效果［3］。對(duì)此，提出一種基于干擾觀測(cè)器的PID控制算法，即在1個(gè)常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)之上增加1個(gè)干擾觀測(cè)器，在主汽溫控制中引入等效的補(bǔ)償，通過(guò)Matlab仿真，以達(dá)到良好的控制品質(zhì)。

1 主汽溫控制特性

主蒸汽溫度自動(dòng)控制是通過(guò)噴水減溫改變過(guò)熱器內(nèi)蒸汽溫度及其出口溫度，維持過(guò)熱器出口蒸汽溫度在允許范圍內(nèi)，過(guò)熱器調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。主蒸汽溫度是鍋爐運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主蒸汽溫度過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)明顯影響到電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。主蒸汽溫度過(guò)高可能造成過(guò)熱器、蒸汽管道和汽輪機(jī)的高壓部分受到損壞，主蒸汽溫度過(guò)低則會(huì)降低全廠的熱效率［4］。

圖1 過(guò)熱蒸汽調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖

影響過(guò)熱器出口蒸汽溫度變化的原因很多，例如蒸汽流量變化、燃燒工況變化、鍋爐水溫變化、進(jìn)入過(guò)熱器蒸汽溫度變化、流經(jīng)過(guò)熱器煙氣溫度變化和流速變化、鍋爐受熱面結(jié)垢等，其中起主導(dǎo)作用的是蒸汽流量和減溫水量［5］。過(guò)熱汽溫對(duì)象動(dòng)態(tài)特性表現(xiàn)為大慣性、大遲延，并且具備自平衡能力。此外，主蒸汽溫度對(duì)象動(dòng)態(tài)特性隨著運(yùn)行工況的變化而變化，具有不確定因素。目前，廣泛應(yīng)用的PID調(diào)節(jié)的噴水減溫的方法，這種方法的缺點(diǎn)是使主蒸汽溫度對(duì)象特性具有很大的遲延和慣性［6］。

2 干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)

2.1 干擾觀測(cè)器原理

干擾觀測(cè)器的基本思路是將外部力矩干擾和模型參數(shù)變化造成的實(shí)際對(duì)象與名義模型輸出的差異等效到控制輸入端，即觀測(cè)出等效干擾。在控制中引入等效的補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的完全抑制。

干擾觀測(cè)器框圖如圖2所示。

圖2 干擾觀測(cè)器原理圖

在圖2中，Gp(s)為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，Gn(s)為名義模型傳遞函數(shù)，d為等效干擾，u為控制輸入，c為PID的輸出，df為干擾的估計(jì)值，Q(s)為低通濾波器?？刂破鞯妮敵鰹?/p>

式中c為PID控制器的輸出;df為干擾的估計(jì)值。

由圖2可得到如下表達(dá)式為

2.2 低通濾波器的設(shè)計(jì)

Q(s)的設(shè)計(jì)是干擾觀測(cè)器設(shè)計(jì)過(guò)程中的1個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。第一，為使Q(s)G-1n(s)正則，Q(s)相對(duì)階應(yīng)不小于1/Gn(s)的相對(duì)階;第二，Q(s)帶寬的設(shè)計(jì)應(yīng)該是在干擾觀測(cè)器的魯棒穩(wěn)定性和干擾抑制能力之間的折中［7］。

設(shè)Gp(s)的名義模型為Gn(s)，則不確定對(duì)象的集合可以用乘積攝動(dòng)來(lái)描述，即

式中Δ(s)是可變的傳遞函數(shù)。根據(jù)魯棒穩(wěn)定性原理，干擾觀測(cè)器Q(s)穩(wěn)定的充分條件為

通過(guò)Q(s)的設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)魯棒性的要求。

忽略非建模和不確定性等因素的影響，Gn(s)可描述為

式中Jn為等效慣性力矩;bn為等效阻尼系數(shù)。

Q(s)的選擇應(yīng)折中考慮系統(tǒng)的抗干擾性能、魯棒性和抑制噪聲的因素。

設(shè)計(jì)Q(s)時(shí)需要根據(jù)具體的控制系統(tǒng)進(jìn)行合理的選擇。常用的一種設(shè)計(jì)Q(s)方法就是令Q(jw)的右邊的斜率和1-Q(jw)在高頻區(qū)域內(nèi)的斜率相等。在頻域內(nèi)在低頻區(qū)域的斜率

最優(yōu)的Q(s)是通過(guò)斜率相等得到的，可得

3 仿真結(jié)果分析

以某電廠300 MW機(jī)組的主汽溫度為控制對(duì)象，其模型為

采用如下式的低通濾波器，則

式中τ=0.001。

根據(jù)提出的方法，設(shè)計(jì)的Matlab的仿真模型如圖3所示。

為了說(shuō)明干擾觀測(cè)器PID控制策略相對(duì)常規(guī)控制方法的優(yōu)越性，同時(shí)做了常規(guī)PID控制的仿真研究。其階躍響應(yīng)結(jié)果如圖4、圖5所示。

通過(guò)上面仿真曲線比較可知，在正常工況下，干擾觀測(cè)器PID在控制精度、穩(wěn)定時(shí)間、超調(diào)量、自適應(yīng)等動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)都優(yōu)于常規(guī)PID控制。

圖3 Matlab仿真模型

圖4 常規(guī)PID階躍響應(yīng)

4 結(jié)論

仿真研究表明，基于干擾觀測(cè)器的PID控制算法應(yīng)用于具有遲延、時(shí)變和不確定等特性的火電廠主蒸汽溫度控制系統(tǒng)中，其控制效果優(yōu)于常規(guī)的PID控制，能適應(yīng)對(duì)象參數(shù)的變化并表現(xiàn)出良好的控制品質(zhì)，具有較強(qiáng)的魯棒性和自適應(yīng)能力。

圖5 帶干擾觀測(cè)器PID階躍響應(yīng)

［1］ 邊力秀.熱工控制系統(tǒng)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2001.

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