Smith預(yù)估器在主汽溫控制中的應(yīng)用

朱志軍，儲(chǔ) 墨

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

0 引言

過(guò)熱汽溫、再熱汽溫控制對(duì)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(diǎn)的時(shí)變對(duì)象，目前鍋爐主汽溫度的控制策略，大多采用常規(guī)的串級(jí)汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)或具有導(dǎo)前微分信號(hào)的雙回路汽溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)。但隨著機(jī)組容量的不斷增大，汽溫的時(shí)間常數(shù)及階數(shù)也越來(lái)越大，常規(guī)的汽溫控制策略有較明顯的超調(diào)量和較長(zhǎng)的調(diào)節(jié)時(shí)間，難以取得較好的控制效果，不能滿足運(yùn)行要求。大唐山東某廠600 MW超臨界機(jī)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(jí)PID汽溫控制，同時(shí)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(jī)組變負(fù)荷，吹灰等擾動(dòng)工況，使機(jī)組主要參數(shù)波動(dòng)較大，為滿足機(jī)組安全生產(chǎn)要求，對(duì)原有控制策略進(jìn)行優(yōu)化，采用Smith預(yù)估器來(lái)補(bǔ)償大滯后、大慣性的溫度對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，并采用了帶焓值校正的變?cè)鲆婵刂啤?/p>

1 Smith預(yù)估器的補(bǔ)償原理

1.1 Smith預(yù)估補(bǔ)償器原理

Smith預(yù)估補(bǔ)償方案實(shí)現(xiàn)的方法是把對(duì)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(shí)的反饋信息，以改進(jìn)控制品質(zhì)，Smith預(yù)估器補(bǔ)償原理如圖1所示。

圖1 Smith預(yù)估器補(bǔ)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(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。

由式（3）可知，對(duì)于隨動(dòng)控制經(jīng)預(yù)估補(bǔ)償，其特征方程中以消去了e－τs項(xiàng)，即消除了純遲延對(duì)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(guò)程曲線在時(shí)間軸上推遲了一個(gè)τ，所以預(yù)補(bǔ)償完全補(bǔ)償了純遲延對(duì)過(guò)程的不利影響。控制品質(zhì)與被控過(guò)程無(wú)純遲延完全相同。

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

1.2 改進(jìn)型Smith預(yù)估補(bǔ)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(shí)際工況發(fā)生改變時(shí)，控制系統(tǒng)由于魯棒性差而會(huì)引起振蕩。而精確的過(guò)熱汽溫對(duì)象非常難以獲得，并且當(dāng)工況發(fā)生變化時(shí)，過(guò)熱汽溫對(duì)象的傳遞函數(shù)也就發(fā)生變化，即放大系數(shù)或者時(shí)間常數(shù)、遲延時(shí)間發(fā)生變動(dòng)，控制效果將大受影響，因此在實(shí)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(bǔ)償控制實(shí)質(zhì)上是PID調(diào)節(jié)器連續(xù)的向補(bǔ)償器傳遞，作為輸入而產(chǎn)生補(bǔ)償器輸出。補(bǔ)償器與過(guò)程特性有關(guān)，而過(guò)程的數(shù)學(xué)模型與實(shí)際過(guò)程之間又有誤差，所以這種控制方法的缺點(diǎn)是模型的誤差會(huì)隨時(shí)間累積起來(lái)，也就是對(duì)過(guò)程特性變化的靈敏度很高。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用增益自適應(yīng)預(yù)估補(bǔ)償控制。

增益自適應(yīng) Smith預(yù)估算法是在Smith補(bǔ)償模型之外加了一個(gè)除法器，一個(gè)導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識(shí)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(gè)乘法器。除法器是將過(guò)程的輸出值除以模型的輸出值。導(dǎo)前微分環(huán)節(jié)（識(shí)別器）的Td＝τ，它使過(guò)程與模型輸出之比提前進(jìn)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(gè)環(huán)節(jié)的作用量要根據(jù)模型和過(guò)程輸出信號(hào)之間的比值來(lái)提供一個(gè)自動(dòng)校正預(yù)估器增益的信號(hào)［3］。

圖2 增益自適應(yīng)Smith預(yù)估補(bǔ)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(duì)主汽溫系統(tǒng)進(jìn)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(hào)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(hào)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(hào)，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(duì)主蒸汽溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行整定，一般選擇對(duì)象階數(shù)n=5。圖3中回路①相當(dāng)于一個(gè)實(shí)際微分環(huán)節(jié)，動(dòng)態(tài)時(shí)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(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，惰性區(qū)的傳遞函數(shù)可以等效態(tài)時(shí)回路①輸出為零，使過(guò)熱器出口蒸汽溫度等于設(shè)定值。回路②根據(jù)過(guò)熱器的運(yùn)行工況，對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行增益調(diào)整。為了改善煙氣側(cè)擾動(dòng)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?hào)和燃燒器傾角微分前饋信號(hào)；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(jìn)行變?cè)鲆婵刂频闹髡羝麥囟瓤刂撇呗允歉鶕?jù)過(guò)熱器的運(yùn)行工況對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)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(jì)算的蒸汽溫度參數(shù)，蒸汽壓力參數(shù)（取主蒸汽壓力信號(hào)）輸入焓值計(jì)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(yǔ)

串級(jí)蒸汽溫度控制系統(tǒng)和采用導(dǎo)前微分信號(hào)的傳統(tǒng)的蒸汽溫度控制系統(tǒng)無(wú)法滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求。在實(shí)踐中提出改進(jìn)方案，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制進(jìn)行改進(jìn)，克服了單純串級(jí)控制對(duì)大慣性、大延遲對(duì)象調(diào)節(jié)品質(zhì)差、抗干擾性弱的缺點(diǎn)。實(shí)際測(cè)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(duì)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(jí)主汽溫控制系統(tǒng)仿真［J］.電機(jī)技術(shù)學(xué)報(bào)，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(jì)算機(jī)仿真，2004，21（1）：102－104.

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

［4］ 馬然，孔昭東，王文蘭.德國(guó)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.