朱志軍，儲 墨

（1.山東魯能控制工程有限公司，山東 濟南 250002；2.華能萊蕪發(fā)電有限公司，山東 萊蕪 271102）

0 引言

過熱汽溫、再熱汽溫控制對象是典型的具有大滯后、大慣性特性、不確定性和非線性特點的時變對象，目前鍋爐主汽溫度的控制策略，大多采用常規(guī)的串級汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)或具有導(dǎo)前微分信號的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但隨著機組容量的不斷增大，汽溫的時間常數(shù)及階數(shù)也越來越大，常規(guī)的汽溫控制策略有較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間，難以取得較好的控制效果，不能滿足運行要求。大唐山東某廠600 MW超臨界機組DCS系統(tǒng)采用ABB公司的Symphony系統(tǒng)，主蒸汽溫度控制采用常規(guī)串級PID汽溫控制，同時引入代表負(fù)荷變化的微分前饋。原有控制策略不能滿足機組變負(fù)荷，吹灰等擾動工況，使機組主要參數(shù)波動較大，為滿足機組安全生產(chǎn)要求，對原有控制策略進行優(yōu)化，采用Smith預(yù)估器來補償大滯后、大慣性的溫度對象的動態(tài)特性，并采用了帶焓值校正的變增益控制。

1 Smith預(yù)估器的補償原理

1.1 Smith預(yù)估補償器原理

Smith預(yù)估補償方案實現(xiàn)的方法是把對象的數(shù)學(xué)模型引入到控制回路之內(nèi)，設(shè)法取得更為及時的反饋信息，以改進控制品質(zhì)，Smith預(yù)估器補償原理如圖1所示。

圖1 Smith預(yù)估器補償原理圖

從圖1可以推出系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其中，

式（1）中W1（s）為無遲延環(huán)節(jié)時系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

由式（3）可知，對于隨動控制經(jīng)預(yù)估補償，其特征方程中以消去了e－τs項，即消除了純遲延對控制系統(tǒng)品質(zhì)的不利影響。至于分子之中的e－τs僅僅將系統(tǒng)控制過程曲線在時間軸上推遲了一個τ，所以預(yù)補償完全補償了純遲延對過程的不利影響?？刂破焚|(zhì)與被控過程無純遲延完全相同。

從圖1中可知，Smith預(yù)估補償器由兩部分組成，即一個是被控對象除去純遲延后傳遞函數(shù)為W′o（s）的環(huán)節(jié)，另一個遲延時間等于 τ的純遲延環(huán)節(jié)。對于溫度控制為定值控制的特點，閉環(huán)傳遞函數(shù)由兩項組成：第一項為擾動對被控制量的影響；第二項為用來補償擾動對被控制量的影響的控制作用。Smith預(yù)估補償器，它能消除大遲延對系統(tǒng)控制過程的不利影響，控制系統(tǒng)品質(zhì)與被控過程無純遲延時，完全相同［1］。然而Smith預(yù)估補償控制也有其缺點，即對模型誤差較為敏感，對于具有時變特性的對象，當(dāng)模型誤差較大時，Smith預(yù)估補償控制的品質(zhì)會變壞，甚至失去穩(wěn)定性［2］。針對這種情況，采用了改進的Smith預(yù)估補償對系統(tǒng)進行控制。

1.2 改進型Smith預(yù)估補償器

由于Smith預(yù)估是建立在精確的數(shù)學(xué)模型上的，當(dāng)實際工況發(fā)生改變時，控制系統(tǒng)由于魯棒性差而會引起振蕩。而精確的過熱汽溫對象非常難以獲得，并且當(dāng)工況發(fā)生變化時，過熱汽溫對象的傳遞函數(shù)也就發(fā)生變化，即放大系數(shù)或者時間常數(shù)、遲延時間發(fā)生變動，控制效果將大受影響，因此在實際的使用中Smith預(yù)估的使用效果并不是很好，因此在此基礎(chǔ)上考慮引入了一種新的增益自適應(yīng) Smith預(yù)估算法。 Smith預(yù)估補償控制實質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)的向補償器傳遞，作為輸入而產(chǎn)生補償器輸出。補償器與過程特性有關(guān)，而過程的數(shù)學(xué)模型與實際過程之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點是模型的誤差會隨時間累積起來，也就是對過程特性變化的靈敏度很高。為了克服這一缺點，可采用增益自適應(yīng)預(yù)估補償控制。

增益自適應(yīng) Smith預(yù)估算法是在Smith補償模型之外加了一個除法器，一個導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識別器）

從圖1中可以推倒出Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的系統(tǒng)傳遞函數(shù) Y（s）/R（s）為和一個乘法器。除法器是將過程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識別器）的Td＝τ，它使過程與模型輸出之比提前進加法器。乘法器是將預(yù)估器的輸出乘以導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)的輸出，然后送到調(diào)節(jié)器。這三個環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過程輸出信號之間的比值來提供一個自動校正預(yù)估器增益的信號［3］。

圖2 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補償控制

由圖2可得

所以

若τ＝τm，則有

2 控制策略優(yōu)化

根據(jù)以上思路，對主汽溫系統(tǒng)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的控制邏輯如圖3所示。

該控制系統(tǒng)是具有導(dǎo)前溫度信號的雙回路蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與典型的具有導(dǎo)前微分信號的雙回路蒸汽溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，其內(nèi)回路采用了［（1－PTn）×導(dǎo)前汽溫］作為反饋信號，其中PTn模塊是鍋爐減溫水流量的線性函數(shù)與鍋爐負(fù)荷（主蒸汽流量）的線性函數(shù)之間的比值，為了便于對主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進行整定，一般選擇對象階數(shù)n=5。圖3中回路①相當(dāng)于一個實際微分環(huán)節(jié)，動態(tài)時使PTn模塊的輸出近似于主蒸汽溫度，從而改善了主蒸汽溫度調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性，惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可以等效態(tài)時回路①輸出為零，使過熱器出口蒸汽溫度等于設(shè)定值?；芈发诟鶕?jù)過熱器的運行工況，對控制器的參數(shù)進行增益調(diào)整。為了改善煙氣側(cè)擾動下控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力，引入了總?cè)剂狭课⒎智梆佇盘柡腿紵鲀A角微分前饋信號；除法模塊A／B的增益調(diào)整值B由回路②輸出；B是蒸汽壓力和溫度的線性函數(shù)。

圖3 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估器主汽溫控制系統(tǒng)

根據(jù)主蒸汽焓差變化進行變增益控制的主蒸汽溫度控制策略是根據(jù)過熱器的運行工況對控制器的參數(shù)進行增益調(diào)整。根據(jù)減溫水作用的區(qū)域，取導(dǎo)前汽溫作為焓差計算的蒸汽溫度參數(shù)，蒸汽壓力參數(shù)（取主蒸汽壓力信號）輸入焓值計算表所給的值，便可得到蒸汽溫度每變化1℃的焓差值。根據(jù)焓差值，由K2、K3構(gòu)成了B的線性函數(shù)，B值的下限由K1給出。

3 結(jié)語

串級蒸汽溫度控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號的傳統(tǒng)的蒸汽溫度控制系統(tǒng)無法滿足機組安全運行要求。在實踐中提出改進方案，通過對傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補償控制進行改進，克服了單純串級控制對大慣性、大延遲對象調(diào)節(jié)品質(zhì)差、抗干擾性弱的缺點。實際測試結(jié)果表明，該控制策略具有較好的魯棒性和抗干擾性［4］，對主蒸汽溫度具有較好的控制效果。

［1］ 程啟明，王勇浩.基于Smith預(yù)估的模糊PID串級主汽溫控制系統(tǒng)仿真［J］.電機技術(shù)學(xué)報，2007，23（3）：143－147.

［2］ 邊立秀，趙日暉.Fuzzy自整定PID參數(shù)的Smith預(yù)估主汽溫控制系統(tǒng)［J］.計算機仿真，2004，21（1）：102－104.

［3］ 郭維.改進型Smith控制在火電廠過熱器中的應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟，2010，4（7）：128－129.

［4］ 馬然，孔昭東，王文蘭.德國西門子公司主蒸汽溫度控制策略的分析與應(yīng)用［J］.熱力發(fā)電，2011，2（40）：60－63.