梁克順 馬立新

摘 要：Smith預(yù)估控制系統(tǒng)能解決工業(yè)濕法脫硫控制系統(tǒng)參數(shù)復(fù)雜多變、滯后嚴(yán)重、無法實(shí)時(shí)跟蹤控制等問題，但對(duì)數(shù)學(xué)精度要求高，且實(shí)時(shí)負(fù)荷波動(dòng)頻率較高時(shí)，對(duì)系統(tǒng)控制性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。針對(duì)該問題，設(shè)計(jì)自適應(yīng)Smith實(shí)時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)，不僅能解決滯后問題，還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤、誤差快速穩(wěn)定。對(duì)自適應(yīng)Smith實(shí)時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并與Smith預(yù)估控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，自適應(yīng)Smith實(shí)時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷變化，及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差，抗干擾性和魯棒性更優(yōu)，具有較強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫；自適應(yīng)Smith實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷控制；Smith預(yù)估控制

DOIDOI：10.11907/rjdk.181458

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）010-0106-04

英文摘要Abstract：Smith predictive control system is helpful in solving problems of the industrial wet desulfurization control system including complex and varied parameters，serious hysteresis and failuire of reaql-time tracking control，etc.However it has high demand of mathematical accuracy，which has a great impact on the control performance when the load fluctuation frequency is high.Aiming at this problem，an adaptive Smith real-time tracking control system is proposed.The system can solve the problem of hysteresis while realizes the system′s real-time tracking，so that the error can quickly become stable.The adaptive Smith real-time tracking control system is simulated and compared with the Smith predictive control system.The results show that the adaptive Smith real-time tracking control system can track the load changes in real time and adjust the system error in time compared with the Smith predictive control system.It is of better noise immunity and robustness and has strong application value.

英文關(guān)鍵詞Key Words：wet desulfurization； adaptive Smith real-time tracking load control； Smith predictive control

0 引言

近年來我國(guó)霧霾、酸雨等現(xiàn)象出現(xiàn)得越來越頻繁[1]，不僅破壞自然環(huán)境，還引發(fā)各種疾病。有關(guān)資料顯示，酸雨的形成主要源于SO2排放，而SO2大部分來自燃煤火電廠煙氣排放。為改善生態(tài)環(huán)境，我國(guó)環(huán)境部門出臺(tái)了大量法律法規(guī)，控制SO2排放勢(shì)在必行。

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用石灰石—石膏脫硫技術(shù)降低SO2排放，該技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠、脫硫原料來源廣、產(chǎn)物可以二次利用，目前工藝占比已超過90%。隨著SO2排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，需要火電廠進(jìn)一步提高脫硫效率。然而，目前脫硫設(shè)備體積很大，脫硫反應(yīng)復(fù)雜多變，脫硫效率受眾多因素影響，因此整個(gè)煙氣脫硫很難得到精準(zhǔn)控制。

隨著現(xiàn)代控制理論及技術(shù)的發(fā)展，眾多先進(jìn)控制算法被應(yīng)用于工業(yè)脫硫控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]提出一種基于經(jīng)典PID的模糊控制方法。該方法運(yùn)用模糊理論設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要參數(shù)，使系統(tǒng)具有一定自適應(yīng)性，但控制過程簡(jiǎn)單，魯棒性差。文獻(xiàn)[3]提出一種基于特征線法的煙氣脫硫控制系統(tǒng)，通過線性變換處理模型多變問題，能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)解析式，系統(tǒng)適用范圍廣，但控制響應(yīng)差。文獻(xiàn)[4]提出了預(yù)估模型的脫硫控制系統(tǒng)，可彌補(bǔ)脫硫過程中因滯后產(chǎn)生的缺陷，但Smith預(yù)估系統(tǒng)需有高精度模型[5]，當(dāng)外部環(huán)境改變、出現(xiàn)擾動(dòng)或發(fā)生時(shí)變時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)模型失配現(xiàn)象[6]，降低脫硫效率。

本文將自適應(yīng)思想與Smith預(yù)估系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一種新型自適應(yīng)Smith控制器，可以對(duì)負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤[7]，克服Smith預(yù)估器對(duì)精確模型的依賴[8]，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 濕法脫硫控制系統(tǒng)

1.1 Smith預(yù)估器控制系統(tǒng)

Smith預(yù)估補(bǔ)償核心是消除特征方程的純滯后環(huán)節(jié)[9]，基本過程是在控制系統(tǒng)某處增加控制支路，進(jìn)而把被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)移到控制回路中，使轉(zhuǎn)變后的新系統(tǒng)控制通道和傳遞函數(shù)的分母均不會(huì)出現(xiàn)純滯后項(xiàng)，以便取得更及時(shí)的反饋信息，借此提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

Smith預(yù)估控制原理如圖1所示，圖中G（s）不包含滯后項(xiàng)，Gp（s）是新增補(bǔ)償環(huán)節(jié)[10]。

由于煙道震動(dòng)劇烈，煙道內(nèi)無法安裝硫化物監(jiān)測(cè)儀器[11]，因此要在煙道入口處安裝硫化物監(jiān)測(cè)儀用以監(jiān)測(cè)排放氣體中SO2含量，必須使用一條長(zhǎng)約數(shù)十米的配管連接設(shè)置在地面上的檢測(cè)儀。由于檢測(cè)設(shè)備至氣體排放入口處有一定距離，所以被控對(duì)象會(huì)表現(xiàn)出一定滯后性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。系統(tǒng)通過添加碳酸鈣估算機(jī)構(gòu)模擬設(shè)備，補(bǔ)償滯后時(shí)間[5]。但是常規(guī)Smith方法需要精確的參數(shù)模型，參數(shù)若存在誤差則對(duì)系統(tǒng)控制性能產(chǎn)生很大影響[12]。尤其是當(dāng)輸入實(shí)時(shí)負(fù)荷且負(fù)荷波動(dòng)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤、不能快速響應(yīng)負(fù)荷變化，從而無法保證自身安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

1.2 自適應(yīng)Smith濕法脫硫控制系統(tǒng)

石灰石濕法脫硫技術(shù)的實(shí)質(zhì)是CaCO3漿液與SO2進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)[13]，在石灰石—石膏濕法煙氣脫硫過程中，隨著中和反應(yīng)的進(jìn)行，參數(shù)不斷變化，導(dǎo)致被控對(duì)象特性不斷變化，由此產(chǎn)生模型失配，Smith控制模型無法得到理想控制效果。所以，在實(shí)際工業(yè)控制中，Smith控制器無法得到具體應(yīng)用，若根據(jù)環(huán)境變化不斷調(diào)整預(yù)估模型，使其盡可能匹配實(shí)際對(duì)象，則能克服模型失配的影響，提高系統(tǒng)性能。因此利用自適應(yīng)思想改進(jìn)Smith預(yù)估器，即把被控過程看作參考模型，通過自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)不斷調(diào)整Smith預(yù)估器控制參數(shù)[14]，使其盡可能與實(shí)際過程保持一致，結(jié)構(gòu)如圖3所示。系統(tǒng)基本工作原理為：在控制系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)程中，被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)緊跟參考模型的動(dòng)態(tài)，使二者特性盡可能保持無差值狀態(tài)[15]。一旦二者輸出狀態(tài)存在差值，控制系統(tǒng)自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)就被激活，相應(yīng)地調(diào)整機(jī)構(gòu)自身的某些參量，使被控對(duì)象的對(duì)應(yīng)參量產(chǎn)生變化，從而使被控對(duì)象最終輸出狀態(tài)與參考模型最終運(yùn)行狀態(tài)的差值盡量縮小[16]。因此，問題核心是確定自適應(yīng)辨識(shí)機(jī)構(gòu)，以便獲得使誤差趨于零的系統(tǒng)。

3 仿真研究

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，在Matlab中建立模型，并輸入實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本文選取500 MW CFB機(jī)組爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)在72%負(fù)荷下的近似數(shù)學(xué)模型64.2e-85s135s+1作為被控對(duì)象，輸入對(duì)象采用3600s的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)[20]。

3.1 Smith預(yù)估模型的脫硫控制系統(tǒng)仿真

圖5為采用Smith預(yù)估模型的脫硫控制系統(tǒng)仿真結(jié)果。由圖可以看出，在前250s內(nèi)系統(tǒng)波動(dòng)幅度較大，在某些時(shí)間段內(nèi)甚至超過預(yù)警值，接近350s以后才逐漸趨于穩(wěn)定，直到近1 000s時(shí)系統(tǒng)波動(dòng)范圍才保持在1以內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷急劇變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，實(shí)時(shí)跟蹤控制效果不佳。

3.2 自適應(yīng)Smith脫硫控制系統(tǒng)仿真

自適應(yīng)Smith脫硫控制系統(tǒng)的仿真如圖6所示，由圖可得，控制系統(tǒng)在不到1s內(nèi)便趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)波動(dòng)幅度最大也只有0.1，而且大部分時(shí)間內(nèi)波動(dòng)幅度都被控制在0.01以內(nèi)。負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，出現(xiàn)了不同幅度的短時(shí)尖峰，說明系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，反應(yīng)迅速，實(shí)時(shí)跟蹤控制效果好。

3.3 控制效果比較

控制系統(tǒng)性能參數(shù)[21]對(duì)比如表1所示。

由圖6及表1可以看出：①自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Smith系統(tǒng)誤差，前者誤差范圍基本可以控制在0.1以內(nèi)，而后者誤差最高時(shí)達(dá)到30；②自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)峰值時(shí)間很短，說明其響應(yīng)速度遠(yuǎn)優(yōu)于前者。其超調(diào)量也明顯小于Smith控制系統(tǒng)，顯示了該系統(tǒng)可靠的穩(wěn)定性。同時(shí)，自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Smith控制系統(tǒng)，反映了其過渡過程進(jìn)行得更快更好；③Smith預(yù)估模型的系統(tǒng)不能很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)負(fù)荷跟蹤，而自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤反應(yīng)平均時(shí)間僅為2.45s，說明系統(tǒng)魯棒性很好。

4 結(jié)語

濕法脫硫控制系統(tǒng)具有時(shí)滯性、大慣性和時(shí)變性等特點(diǎn)，采用Smith控制能有效補(bǔ)償時(shí)間延遲，但需要參數(shù)十分精確的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)負(fù)荷波動(dòng)頻率較高時(shí)，系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤，必然會(huì)影響控制性能，浪費(fèi)碳酸鈣資源。

本文針對(duì)系統(tǒng)存在的多干擾及時(shí)變現(xiàn)象，將自適應(yīng)原理與Smith預(yù)估控制相結(jié)合，不僅補(bǔ)償了滯后時(shí)間，還擺脫了系統(tǒng)對(duì)精確模型的依賴，而且能提高響應(yīng)速度，增強(qiáng)穩(wěn)定性和抗干擾性，提高系統(tǒng)魯棒性，實(shí)現(xiàn)了負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤控制。因此自適應(yīng)Smith控制系統(tǒng)是一種行之有效的控制方法，具有較高應(yīng)用價(jià)值和推廣性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔一鳴，于麗華，宋佳，等.鐵嶺市2015年11月7-9日重度霧霾成因分析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2015（24）：233-234.

[2] 白建云，尹二新，李春暉.基于PID的模糊內(nèi)?？刂圃跔t內(nèi)脫硫系統(tǒng)控制中的應(yīng)用[J].熱力發(fā)電，2015，44（1）：58-63.

[3] 郭紅霞，劉磊.基于PID控制算法的自動(dòng)取暖控制器的設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（2）：29-32.

[4] 袁淑娟，原曉琴，馬立新，等.預(yù)估模型的煙氣氨法脫硫控制系統(tǒng)[J].控制工程，2017，24（1）：178-182.

[5] 胡義.Smith預(yù)估補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性分析[A]."電力大系統(tǒng)災(zāi)變防治和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行重大課題"部分專題暨第九屆全國(guó)電工數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2003：252-254.

[6] 胡素紅，方建安.大滯后系統(tǒng)的Smith在線辨識(shí)預(yù)估控制的研究[J].機(jī)電工程，2012，29（3）：330-333.

[7] 孫宇貞，高將，彭道剛.主汽溫的改進(jìn)型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)Smith預(yù)估器[J].自動(dòng)化儀表，2016，37（7）：85-87.

[8] 張井崗，李臨生，陳志梅.時(shí)滯系統(tǒng)的魯棒二自由度Smith預(yù)估控制[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2002（2）：51-53.

[9] 羅永平.網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)時(shí)延預(yù)測(cè)與補(bǔ)償控制研究[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

[10] 馬思博，魯曉麗.一種改進(jìn)型的鍋爐主汽溫Smith預(yù)估補(bǔ)償器設(shè)計(jì)[J].科技展望，2014（7）：119.

[11] 韓曉靜.論煙氣石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)與循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)[J].科技尚品，2015（8）：1-2.

[12] 李杰，齊曉慧，劉新海，等.改進(jìn)模型參考自適應(yīng)控制及其在解耦控制中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2015，19（5）：112-120.

[13] 初鳳英.化驗(yàn)分析在濕法煙氣脫硫裝置運(yùn)行中的作用[J].民營(yíng)科技，2014（8）：51.

[14] 周穎，宋丹丹，聶盼盼，等.模型參考自適應(yīng)-Smith預(yù)估控制在發(fā)酵溫度控制中的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，40（5）：5-10.

[15] 陳曉峰.枸杞烘干窯溫濕度模型參考自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（12）：165-168.

[16] 汪琦，王爽，付俊永，等.基于模型參考自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)的永磁同步電機(jī)電流預(yù)測(cè)控制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2017，44（7）：48-53.

[17] 王霞，王洪瑞，唐予軍，等.基于魯棒自適應(yīng)Smith預(yù)估器的電阻爐溫控制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2010，26（1）：60-61.

[18] 賈君茹.Smith模糊控制在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[19] 趙輝.基于內(nèi)?？刂圃淼腜ID控制器設(shè)計(jì)[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[20] 張毅超，白建云.一種改進(jìn)型Smith預(yù)估補(bǔ)償控制算法及其應(yīng)用[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2016，35（10）：1-3，13.

[21] 劉可述.PMSM伺服系統(tǒng)速度環(huán)和位置環(huán)控制器參數(shù)自整定技術(shù)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

（責(zé)任編輯：江 艷）